Nanomalzemeler

ISO / TS 80004' te nanomateryal, "nano ölçekte herhangi bir dış boyuta sahip olan veya nano ölçekte iç yapıya veya yüzey yapısına sahip malzeme" olarak tanımlanmaktadır. Nano ölçekte "yaklaşık 1 nm (nanometre) ila 100 nm arasındaki uzunluk aralığı" olarak bilinmektedir. Bu, hem ayrı ayrı malzeme parçaları olan nano nesneleri hem de nano ölçekte dahili veya yüzey yapısına sahip nano yapılı malzemeleri içermektedir. Bir nanomateryal bu iki kategorinin de üyesi olabilmektedir.
18 Ekim 2011'de Avrupa Komisyonu nanomateryal için aşağıdaki tanımları kabul etmiştir.
"Bağlanmamış halde veya agrega veya aglomera (İki veya daha fazla sayıdaki parçaların mekanik veya fiziksel kuvvetlerle birbirlerine zayıfça bağlanmaları ile meydana gelen kütleye denilmektedir. ) halinde partiküller içeren ve sayı boyutu dağılımındaki partiküllerin %50 veya daha fazlası için bir veya daha fazla dış boyut 1 nm- 100 nm boyut aralığında olan doğal, tesadüfi veya üretilmiş bir malzemedir. Çevre, sağlık, güvenlik veya rekabet gücü ile ilgili endişelerin garanti ettiği özel durumlarda, %50' lik sayı büyüklüğü dağılımı sınırı, %1 ile %50 arasında bir sınır ile değiştirilebilmektedir."
Nanomalzeme araştırması, nanoteknolojiye malzeme bilimi tabanlı bir yaklaşım benimseyerek, mikrofabrikasyon araştırmalarını desteklemek için geliştirilen malzeme metrolojisi (Yunanca Metron kelimesinden türetilmiştir ve anlamı ölçme bilimi olarak bilinmektedir.) ve sentezindeki ilerlemelerden yararlanmaktadır. Nano ölçekte yapıya sahip malzemeler genellikle benzersiz optik, elektronik, termo-fiziksel veya mekanik özelliklere sahiptir.
Nanomalzemeler yavaş yavaş ticarileşmektedir ve meta olarak ortaya çıkmaya başlamaktadır.
Nanomalzeme kaynakları
Mühendislik
Tasarlanan nanomateryaller, gerekli özelliklere sahip olmak için insanlar tarafından bilinçli olarak tasarlanıp üretilmektedir. Eski nanomateryaller, nanoteknolojinin geliştirilmesinden önce diğer koloidal (jelatin yapısında olan) veya partikülat materyallere göre artan gelişmeler olarak ticari üretimde olanlardır. Karbon siyahı ve titanyum dioksit nanopartiküllerini içermektelerdir.
Tesadüfi
Nanomalzemeler, yanma ve buharlaşma yoluyla mekanik veya endüstriyel işlemlerin bir yan ürünü olarak istenmeden üretilebilinmektedir. Tesadüfi nanopartikül kaynakları arasında; araç motoru egzozları, eritme, kaynak dumanları, evsel katı yakıtla ısıtma ve pişirmeden kaynaklanan yanma işlemleri bulunmaktadır.
Örneğin, fulleren adı verilen nanomalzemeler sınıfı gaz, biyokütle ve mum yakılarak üretilmektedir. Ayrıca aşınma ve korozyon ürünlerinin bir yan ürünü olabilmektedir. Tesadüfi atmosferik nanopartiküller genellikle kasıtlı bir operasyon sırasında kasıtsız olarak üretilen ve hava kirliliğine katkıda bulunabilen ultra ince partiküller olarak adlandırılmaktadır.
Doğal
Biyolojik sistemler genellikle doğal, işlevsel nanomalzemeler içermektedir. Foraminifera (okyanusta yaşayan bir tür tek hücreli ) ve virüslerin (protein, kapsid) yapısı, bir nilüfer veya nasturtium yaprağını kaplayan balmumu kristalleri, örümcek ve örümcek akarı ipeği, tarantulaların mavi tonu, kertenkele ayaklarının dibi, bazı kelebek kanat pulları, doğal kolloidler (süt, kan), keratinli malzemeler (deri, pençeler, saç vb.), kağıt, pamuk, sedef, mercanlar ve hatta kendi kemik matrisimiz bile doğal organik nanomalzemeler olarak bilinmektedir.
Doğal inorganik nanomateryaller, Dünya kabuğunun çeşitli kimyasal koşullarında kristal büyümesi yoluyla oluşmaktadır. Örneğin killer, altta yatan kristal yapılarının anizotropisi nedeniyle karmaşık nano yapılar sergilemektedir ve volkanik aktivite, nano ölçekli yapıları nedeniyle doğal olarak oluşan fotonik kristallerin bir örneği olan opallere yol açabilmektedir.
Yangınlar özellikle karmaşık reaksiyonları temsil etmektedir ve pigmentler, çimento, füme silika vb. üretebilmektedir.
Nanopartiküllerin doğal kaynakları arasında, yanma ürünleri, orman yangınları, volkanik kül, okyanus spreyi ve radon gazının radyoaktif bozunması bulunmaktadır. Doğal nanomateryaller, metal veya anyon içeren kayaların ayrışma süreçlerinin yanı sıra asit maden drenaj bölgelerinde de oluşturulabilir.
Türler
Nano nesneler genellikle boyutlarının kaç tanesinin nano ölçekte olduğuna göre sınıflandırılmaktadır. Bir nanoparçacık, nano ölçekte, en uzun ve en kısa eksenleri önemli ölçüde farklı olmayan, üç dış boyutun tümüne sahip bir nano nesne olarak tanımlanmaktadır. Bir nanolif, nano ölçekte iki dış boyuta sahiptir. Nanotüpler, içi boş nanolifler ve nanoçubuklar katı nanolif olarak bilinmektedir. Bir nano levha, nano ölçekte bir dış boyuta sahiptir ve eğer iki büyük boyut önemli ölçüde farklıysa buna nanoşerit denilmektedir. Nanolifler ve nanolevhalar için diğer boyutlar nano ölçekte olabilir veya olmayabilir, ancak önemli ölçüde daha büyük olmalıdır. Her durumda, önemli bir farkın tipik olarak en az 3 faktör olduğu belirtilmektedir.
Nanoyapılı malzemeler içerdikleri maddenin fazlarına göre de sınıflandırılmaktadır. Bir nanokompozit, nano ölçekte en az bir boyuta sahip en az bir fiziksel veya kimyasal olarak farklı bölge veya bölgeler topluluğu içeren bir katıdır. Bir nanoköpüğün, iki fazdan birinin nano ölçekte boyutlara sahip olduğu gaz fazıyla dolu sıvı veya katı bir matrisi vardır. Nano gözenekli malzeme, mikron altı uzunluk ölçeğinde açık veya kapalı gözenekler şeklinde boşluklar içeren katı bir malzemedir. Bir nanokristal malzeme, nano ölçekte önemli bir kristal tanecik oranına sahiptir.
Nano gözenekli malzemeler
Nano gözenekli malzemeler terimi, mikro gözenekli ve mezo (mikro ve makro arasında kalan bir fiziksel uzunluk ölçüsü olarak bilinmektedir.) gözenekli malzemelerin alt kümelerini içerir. Mikro gözenekli malzemeler, ortalama gözenek boyutu 2 nm' den küçük olan gözenekli malzemelerdir. Mezo gözenekli malzemeler ise 2-50 nm aralığında gözenek boyutuna sahip malzemelerdir.
Mikro gözenekli malzemeler, küçük moleküllerle karşılaştırılabilir uzunluk ölçeğinde gözenek boyutları sergiler.
Bu nedenle bu tür malzemeler, ayırma membranları dahil olmak üzere değerli uygulamalara hizmet edebilir.
Mezo gözenekli malzemeler, mikro gözenekli bir malzemenin gözeneklerine giremeyecek kadar büyük olabilecek moleküller için penetrasyon sağlarken, yüksek spesifik yüzey alanları gerektiren uygulamalar için ilgi çekicidir.
Bazı kaynaklarda, nanogözenekli malzemeler ve nanoköpük bazen nanoyapılar olarak kabul edilir, ancak nanomalzemeler olarak kabul edilmez, çünkü malzemelerin kendisi değil, yalnızca boşluklar nano ölçeklidir.
ISO tanımı yalnızca yuvarlak nano-nesneleri nanoparçacık olarak kabul etse de, diğer kaynaklar tüm şekiller için nanoparçacık terimini kullanır.
Nanopartiküller
Nanopartiküller, nano ölçekte üç boyutun hepsine sahiptir. Nanoparçacıklar ayrıca bir nanokompozit oluşturmak için bir katı katı içine gömülebilir.
Fullerenler
Fullerenler, kavramsal olarak tüplere veya kürelere sarılmış grafen levhalar olan bir karbon allotropları sınıfıdır. Bunlar, hem mekanik güçleri hem de elektriksel özellikleri nedeniyle ilgi çeken karbon nanotüpleri veya silikon nanotüpleri içermektedir. Bir grup araştırmacı tarafından (Robert F. Curl jr. (ABD), Sör Harold W. Kroto (İngiltere) und Richard E. Smalley (ABD)) 1985'te C60 fullereni keşfedilmiştir. Tepkime bir helyum atmosferinde 10 bar basınç altında, dönen bir grafit diski lazer tarafından ışıklandırarak uygulanmıştır, böylece az miktarda fulleren elde edilmiştir. Fulleren' in asıl ismi ise, Buckminster Fullerene' dir. Daha sonra kimyacılar tarafından bu isim, "Buckyball" olarak kısaltılmıştır. "Bucky" ismi ise, bu buluşun sahibi Buckminster Fuller' den gelmektedir.
Daha yakın zamanlarda, uzayda fullerenler tespit edilmiştir. Geçtiğimiz on yıl boyunca fullerenlerin kimyasal ve fiziksel özellikleri araştırma ve geliştirme alanında sıcak bir konu olmuştur ve muhtemelen uzun bir süre de böyle olmaya devam edecektir. Nisan 2003' te, fullerenler potansiyel tıbbi kullanım için incelenmeler mevcuttur. Fullerenler, spesifik antibiyotikleri dirençli bakterilerin yapısına bağlamaktadır ve hatta melanom gibi belirli kanser hücrelerini hedef almaktadır. Kimya ve Biyoloji Ekim 2005 sayısında ışıkla aktive antimikrobiyal ajanlar (Mikroorganizmaların ölümüne neden olan, çoğalmalarını önleyen veya gelişmelerini durduran kimyasal veya biyolojik madde olarak da bilinmektedir. ) olarak fullerenler kullanımını anlatan bir makale içermektedir. Nanoteknoloji alanında, ısı direnci ve süperiletkenlik, yoğun araştırmaları cezbeden özellikler arasındadır.
Fulleren üretmek için kullanılan yaygın bir yöntem, hareketsiz bir atmosferde yakındaki iki grafit elektrot arasında büyük bir akım göndermektir. Elektrotlar arasında oluşan karbon plazma arkı, birçok fulleren' in izole edilebildiği kurumlu kalıntıya soğurmaktadır. Fullerenlere uygulanan ab-initio kuantum yöntemleri kullanılarak yapılmış birçok hesaplama vardır.
DFT (Discrete Fourier Transform) ve TD-DFT (finite-difference time-domain) yöntemleri ile IR (Infrared), Raman ve UV (Ultroviyole) spektrumları elde edilebilmektedir. Bu tür hesaplamaların sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmaktadır.
Metal bazlı nanoparçacıklar
İnorganik nanomalzemeler (örneğin kuantum noktaları, nanoteller ve nanoçubuklar) ilginç optik ve elektriksel özelliklerinden dolayı optoelektronikte kullanılabilir. Ayrıca nanomalzemelerin boyutlarına ve şekillerine bağlı olarak optik ve elektronik özellikleri sentetik tekniklerle ayarlanmaktadır.
Bu malzemeleri, Organik güneş pilleri, OLED' ler vb. gibi organik malzeme tabanlı optoelektronik cihazlarda kullanma olanakları vardır. Bu tür cihazların çalışma prensipleri, elektron transferi ve enerji transferi gibi fotoindüklenen (Kapalı bir devreyi, şiddeti her an değişen bir manyetik alanın içine koyarak onun üzerinde bir elektrik akımı oluşturmak indüklemi işlemi olarak bilinmektedir.) süreçler tarafından yönetilir. Cihazların performansı, işlevlerinden sorumlu olan fotoindüklenen sürecin verimliliğine bağlıdır. Bu nedenle, optoelektronik cihazlarda kullanmak için organik/inorganik nanomalzeme kompozit sistemlerindeki bu fotoindüklenmiş süreçlerin daha iyi anlaşılması gereklidir.
Metallerden, yarı iletkenlerden veya oksitlerden yapılan nanoparçacıklar veya nanokristaller, mekanik, elektrik, manyetik, optik, kimyasal ve diğer özellikleri nedeniyle özellikle ilgi çekicidir.
Nanopartiküller, kuantum noktaları olarak ve nanomalzeme bazlı katalizörler gibi kimyasal katalizör olarak kullanılmıştır. Son zamanlarda, doku mühendisliği, ilaç dağıtımı, biyosensör dahil olmak üzere biyomedikal uygulamalar için bir dizi nanoparçacık kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. Nanopartiküller, yığın malzemeler ile atomik veya moleküler yapılar arasında etkili bir köprü oldukları için bilimsel açıdan büyük ilgi görmektedir.
Bir dökme malzeme, boyutundan bağımsız olarak sabit fiziksel özelliklere sahip olmalıdır, ancak nano ölçekte bu genellikle böyle değildir. Yarı iletken parçacıklarda kuantum hapsi, bazı metal parçacıklarda yüzey plazmon rezonansı ve manyetik malzemelerde süperparamanyetizma gibi boyuta bağlı özellikler gözlenmektedir. Nanopartiküller, dökme malzemeye göre bir dizi özel özellik sergilemektedir. Örneğin, dökme bakırın (tel, şerit, vb.) bükülmesi, bakır atomlarının/ kümelerinin yaklaşık 50 nm ölçeğinde hareketi ile meydana gelmektedir. 50 nm' den küçük bakır nanopartiküller, dökme bakır ile aynı dövülebilirlik ve sünekliği sergilemeyen süper sert malzemeler olarak kabul edilmektedir. Özelliklerdeki değişiklik her zaman istenmemektedir. 10 nm' den küçük ferroelektrik malzemeler, oda sıcaklığındaki termal enerjiyi kullanarak polarizasyon yönlerini değiştirebilmektedir, böylece onları bellek depolaması için işe yaramaz hale getirmektedir. Nanopartiküllerin süspansiyonları mümkündür, çünkü partikül yüzeyinin solvent ile etkileşimi, yoğunluktaki farklılıkların üstesinden gelmek için yeterince güçlüdür, bu da genellikle bir malzemenin bir sıvı içinde batması veya yüzmesi ile sonuçlanmaktadır. Nanopartiküller genellikle beklenmedik görsel özelliklere sahiptir. Çünkü elektronlarını sınırlayacak ve kuantum etkileri üretecek kadar küçüktür. Örneğin, altın nanoparçacıklar çözelti içinde koyu kırmızıdan siyaha kadar görünmektedir. Nanoparçacıkların genellikle çok yüksek yüzey alanı/hacim oranı, özellikle yüksek sıcaklıklarda difüzyon için bir itici güç sağlar. Sinterleme, daha büyük partiküllere göre daha düşük sıcaklıklarda ve daha kısa sürelerde mümkündür. Bu teorik olarak nihai ürünün yoğunluğunu etkilememektedir. Ancak akış zorlukları ve nanoparçacıkların topaklaşma eğilimi sorunları karmaşık hale getirmektedir. Nanopartiküllerin yüzey etkileri ayrıca başlangıç erime sıcaklığını da düşürmektedir.
Tek boyutlu nanoyapılar
Kesiti tek bir atom kadar küçük olan mümkün olan en küçük kristal teller, silindirik hapsedilmiş olarak tasarlanabilinmektedir. Doğal bir yarı-1B nanoyapı olan karbon nanotüpler, sentez için bir şablon olarak kullanılabilinmektedir. Kapatma, mekanik stabilizasyon (Stabilizasyon, atıklardaki aktif organik maddenin nötr materyale dönüşmesi olarak bilinmektedir.) sağlamaktadır ve lineer atomik zincirlerin parçalanmasını önlemektedir. 1B nanotellerin diğer yapılarının, şablonlardan izole edildikten sonra bile mekanik olarak kararlı olduğu tahmin edilmektedir.
İki boyutlu nanoyapılar
2B malzemeler, iki boyutlu tek bir atom katmanından oluşan kristal malzemelerdir. En önemli temsili grafen 2004 yılında keşfedilmiştir. Nano ölçekli kalınlıklara sahip ince filmler nanoyapılar olarak kabul edilmektedir. Ancak bazen substrattan ayrı olarak bulunmadıkları için nanomalzemeler olarak kabul edilmemektedir.
Toplu nanoyapılı malzemeler
Bazı dökme malzemeler, nanokompozitler, nanokristal malzemeler, nanoyapılı filmler ve nanodokulu yüzeyler dahil olmak üzere nano ölçekte özellikler içermektedir. Kutu şeklindeki grafen (BSG) nanoyapısı, 3B nanomalzemeye bir örnektir. Pirolitik grafitin (vakumda hidrokarbon gazlarının yüksek sıcaklık ayrışmasıyla üretilen bir grafit formudur ve ardından karbon atomlarının substrat yüzeyine çökelmesidir.) mekanik olarak parçalanmasından sonra BSG nanoyapısı ortaya çıkmıştır. Bu nanoyapı, yüzey boyunca yer alan ve dörtgen kesitli paralel içi boş nanokanallardan oluşan çok katmanlı bir sistemdir. Kanal duvarlarının kalınlığı yaklaşık olarak 1 nm' ye eşittir. Kanal yüzeylerinin tipik genişliği yaklaşık 25 nm' dir.
Uygulamalar
Nano malzemeler, boyalar, filtreler, yalıtım ve yağlayıcı katkı maddeleri dahil olmak üzere çeşitli üretim süreçlerinde, ürünlerde ve sağlık hizmetlerinde kullanılmaktadır. Sağlık hizmetlerinde Nanozimler, enzim benzeri özelliklere sahip nanomalzemelerdir. Biyoalgılama, biyogörüntüleme, tümör teşhisi, antibiyofouling ve daha fazlası gibi geniş uygulamalar için kullanılan yeni ortaya çıkan bir yapay enzim türüdür. Boyalarda nanomalzemeler UV korumasını, UV yaşlanmasını iyileştirmek ve temizlik kolaylığını geliştirmek için kullanılır. Nano yapılar kullanılarak yüksek kaliteli filtreler üretilebilinmektedir. Bu filtreler Seldon Technologies tarafından oluşturulan bir su filtresinde görüldüğü gibi bir virüs kadar küçük partikülleri kaldırabilmektedir. Geleneksel MBR' nin yeni nesli olan nanomalzemeler membran biyoreaktörü (NMs-MBR), atık suyun gelişmiş arıtımı için yakın zamanda önerilmiştir. Hava temizleme alanında, 2012 yılında Suudi Arabistan hastanelerinde MERS' in yayılmasıyla mücadele etmek için nano teknoloji kullanılmıştır.
Nanomalzemeler, geçmişte Asbest esaslı yalıtımda bulunan modern ve insan güvenli yalıtım teknolojilerinde kullanılmaktadır. Bir yağlayıcı katkı maddesi olarak nano malzemeler, hareketli parçalardaki sürtünmeyi azaltma yeteneğine sahiptir. Aşınmış ve aşınmış parçalar, TriboTEX adı verilen kendiliğinden birleşen anizotropik nanoparçacıklarla da onarılabilir.
Nanomalzemeler ayrıca çeşitli endüstrilerde ve tüketici ürünlerinde uygulanmıştır. Titanyum oksit gibi mineral nanopartiküller, güneş kreminde UV korumasını iyileştirmek için kullanılmıştır. Spor endüstrisinde, performansı artırmak için karbon nanotüplerle daha hafif yarasalar üretilecektir. Başka bir uygulama, askeriye de daha etkili kamuflaj oluşturmak için mobil pigment nanoparçacıklarının kullanılmaktadır. Nanomalzemeler ayrıca üç yollu katalizör (TWC) uygulamalarında da kullanılabilinmektedir. TWC dönüştürücüler, asit yağmuru ve dumanın habercisi olan nitrojen oksitlerin (NOx) emisyonunu kontrol etme avantajına sahiptir. Çekirdek-kabuk yapısında, nanomalzemeler, paladyum ve rodyum gibi soy metalleri korumak için katalizör desteği olarak kabuğu oluşturur. Birincil işlevi, desteklerin katalizör aktif bileşenlerini taşımak, onları yüksek oranda dağıtmak, asil metallerin kullanımını azaltmaktır, katalizör aktivitesini arttırmaktır ve mekanik mukavemeti geliştirmek için kullanılabilmesidir.
Sentez
Nanomalzemeler için herhangi bir sentetik yöntemin amacı, karakteristik uzunluk ölçeğinin nanometre aralığında (1 - 100 nm) olmasının bir sonucu olan özellikler sergileyen bir malzeme elde etmektir. Buna göre, sentetik yöntemin, bir özelliğin veya diğerinin elde edilebilmesi için bu aralıkta boyut kontrolü sergilemesi gerekmektedir. Genellikle yöntemler, "aşağıdan yukarıya" ve "yukarıdan aşağıya" olmak üzere iki ana türe ayrılmaktadır.
Aşağıdan yukarıya yöntemler
Aşağıdan yukarıya yöntemler, atomların veya moleküllerin nanoyapılı diziler halinde birleştirilmesini içermektedir. Bu yöntemlerde hammadde kaynakları gazlar, sıvılar veya katılar şeklinde olabilmektedir. İkincisi, bir nano yapıya dahil edilmeden önce bir tür sökme işlemi gerektirmektedir. Aşağıdan yukarıya yöntemler genellikle iki kategoriye ayrılmaktadır; kaotik ve kontrollü' dür. Kaotik süreçler, kurucu atomları veya molekülleri kaotik bir duruma yükseltmeyi ve ardından bu durumu kararsız hale getirmek için koşulları aniden değiştirmeyi içerir.
Herhangi bir sayıda parametrenin akıllıca manipülasyonu (harekete geçirme, yönlendirme) yoluyla, ürünler büyük ölçüde sigorta kinetiğinin bir sonucu olarak oluşmaktdır. Kaotik durumdan kaynaklanan çöküşün kontrol edilmesi zor veya imkansız olabilmektedir ve bu nedenle topluluk istatistikleri genellikle ortaya çıkan boyut dağılımını ve ortalama boyutu yönetmektedir. Buna göre, nanoparçacık oluşumu, ürünlerin son durumunun manipüle edilmesiyle kontrol edilmektedir.
Kaotik süreçlerin örnekleri, lazer ablasyon, patlayan tel, ark, alev pirolizi, yanma, ve çökeltme sentezi teknikleridir. Kontrollü prosesler, nanopartikülün kontrollü bir şekilde önceden belirlenmiş bir boyuta büyüyebilmesi için kurucu atomların veya moleküllerin nanopartikül oluşumunun sitelerine kontrollü bir şekilde verilmesini içermektedir. Genel olarak, kurucu atomların veya moleküllerin durumu, nanoparçacık oluşumu için gerekenden asla uzak değildir. Buna göre, nanoparçacık oluşumu, reaktanların durumunun kontrolü yoluyla kontrol edilmektedir. Kontrollü süreçlerin örnekleri, kendi kendini sınırlayan büyüme çözeltisi, kendi kendini sınırlayan kimyasal buhar biriktirme, şekillendirilmiş darbe femtosaniye lazer teknikleri ve moleküler ışın epitaksidir.
Yukarıdan aşağıya yöntemler
Yukarıdan aşağıya yöntemler, dökme malzemeleri nanoparçacıklara bölmek için bir miktar 'kuvvet' (örneğin mekanik kuvvet, lazer) benimsemektedir.
Dökme malzemeleri mekanik olarak nanomalzemelere ayırmayı içeren popüler bir yöntem 'bilyalı öğütme' dir. Ayrıca nanopartiküller, bir hedefi (katı) kesmek için kısa darbeli lazerler (örneğin femtosaniye lazer) uygulayan lazer ablasyonu ile de yapılabilinmektedir.
Karakterizasyon
Elektronların de Broglie dalga boyu veya yüksek enerjili fotonların optik dalga boyları gibi birçok olası uzunluk ölçeğinden herhangi biriyle karşılaştırılabilir boyutlarda yapılar oluşturulduğunda, malzemelerde yeni etkiler ortaya çıkabilmektedir. Bu durumlarda kuantum mekaniksel etkiler malzeme özelliklerine hakim olabilmektedir. Bir örnek, katıların elektronik özelliklerinin parçacık boyutunda büyük azalmalarla değiştirildiği kuantum hapsidir. Nanopartiküllerin optik özellikleri, örn. floresan da partikül çapının bir fonksiyonu haline gelir. Bu etki makroskopik boyuttan mikrometre boyutuna geçilerek ortaya çıkmamaktadır, nanometre ölçeğine ulaşıldığında belirginleşmektedir.
Optik ve elektronik özelliklere ek olarak, birçok nanomalzemenin yeni mekanik özellikleri de nanomekanik araştırmalarının konusudur. Bir yığın malzemeye eklendiğinde, nanoparçacıklar malzemenin sertlik veya elastikiyet gibi mekanik özelliklerini güçlü bir şekilde etkileyebilmektedir. Örneğin; geleneksel polimerler, metaller için hafif ikameler olarak kullanılabilecek yeni malzemelerle sonuçlanan nanopartiküller (karbon nanotüpler gibi) ile güçlendirilebilinmektedir. Bu tür kompozit malzemeler, stabilitede bir artış ve gelişmiş işlevsellik ile birlikte bir ağırlık azalmasını sağlayabilir.
Son olarak, zeolitler ve asbest gibi küçük parçacık boyutuna sahip nano yapılı malzemeler, çok çeşitli kritik endüstriyel kimyasal reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılmaktadır. Bu tür katalizörlerin daha da geliştirilmesi, daha verimli, çevre dostu kimyasal işlemlerin temelini oluşturabilmektedir.
Nano parçacıkların ilk gözlemleri ve boyut ölçümleri 20. yüzyılın ilk on yılında yapılmıştır. Zsigmondy, boyutları 10 nm ve daha küçük olan altın sollar ve diğer nanomalzemeler üzerinde ayrıntılı çalışmalar yapmıştır. 1914' te bir kitap yayınlamıştır. Boyutları ışık dalga boyundan çok daha küçük olan parçacıkları görmek için karanlık alan yöntemini kullanan bir ultramikroskop kullanmıştır.
Nanomalzemeleri karakterize etmek için arayüzey ve kolloid biliminde 20. yüzyılda geliştirilen geleneksel teknikler vardır. Bunlar, bir sonraki bölümde belirtilen birinci nesil pasif nanomalzemeler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemler, parçacık boyutu dağılımını karakterize etmek için birkaç farklı teknik içermektedir. Bu karakterizasyon zorunludur, çünkü nano boyutta olması beklenen birçok malzeme aslında çözeltilerde toplanmıştır.
Bazı yöntemler ışık saçılımına dayanmaktadır. Diğerleri, konsantre nano-dispersiyonları ve mikroemülsiyonları test etmek için ultrason zayıflama spektroskopisi gibi ultrason uygulamaktadır. Çözeltilerdeki nano parçacıkların yüzey yükünü veya zeta potansiyelini karakterize etmek için bir grup geleneksel teknik de vardır. Bu bilgi, uygun sistem stabilizasyonu için toplanmasını veya topaklanmasını önlemek için gereklidir. Bu yöntemler arasında mikroelektroforez, elektroforetik ışık saçılması ve elektroakustik yer almaktadır. Sonuncusu, örneğin kolloid titreşim akımı yöntemi, konsantre sistemleri karakterize etmek için uygundur.
Tekdüzelik
Özel, endüstriyel ve askeri sektörler için yüksek performanslı teknolojik bileşenlerin kimyasal olarak işlenmesi ve sentezi, yüksek saflıkta seramik, polimer, cam-seramik ve malzeme kompozitlerinin kullanılmasını gerektirmektedir. İnce tozlardan oluşturulan yoğunlaştırılmış gövdelerde, tipik bir tozdaki nanopartiküllerin düzensiz boyutları ve şekilleri genellikle toz kompaktında paketleme yoğunluğu varyasyonlarına neden olan tek biçimli olmayan paketleme morfolojilerine yol açmaktadır.
Çekici van der Waals kuvvetleri nedeniyle kontrolsüz toz aglomerasyonu, mikroyapısal homojensizliklere de yol açabilir. Düzgün olmayan kuruma büzülmesinin bir sonucu olarak gelişen diferansiyel stresler, çözücünün uzaklaştırılma hızı ile doğrudan ilişkilidir ve dolayısıyla gözenekliliğin dağılımına büyük ölçüde bağlıdır. Bu tür gerilimler, konsolide gövdelerde plastikten kırılgana geçişle ilişkilendirilmiştir ve serbest bırakılmazsa, ateşlenmemiş gövdede çatlak ilerlemesine yol açabilmektedir.
Ek olarak, fırın için hazırlanırken kompakt içindeki paketleme yoğunluğundaki herhangi bir dalgalanma, genellikle sinterleme işlemi sırasında büyütülerek homojen olmayan yoğunlaştırma elde edilmektedir. Yoğunluk değişimleri ile bağlantılı bazı gözenekler ve diğer yapısal kusurların, sinterleme prosesinde büyüyerek ve dolayısıyla son nokta yoğunluklarını sınırlayarak zararlı bir rol oynadığı gösterilmiştir. Homojen olmayan yoğunlaşmadan kaynaklanan diferansiyel gerilmelerin de iç çatlakların yayılmasına neden olduğu ve böylece dayanım kontrol kusurları haline geldiği gösterilmiştir. Bu nedenle, bir malzemeyi, yeşil yoğunluğu en üst düzeye çıkaracak parçacık boyutu dağılımlarını kullanmak yerine, bileşenlerin dağılımı ve gözeneklilik açısından fiziksel olarak tek biçimli olacak şekilde işlemek arzu edilir görünmektedir. Süspansiyonda güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıkların düzgün dağılmış bir düzeneğinin tutulması, parçacık-parçacık etkileşimleri üzerinde tam kontrol gerektirmektedir. Amonyum sitrat (sulu) ve imidazolin veya oleil alkol (sulu olmayan) gibi bir dizi dağıtıcı, gelişmiş dağılım ve deaglomerasyon için olası katkı maddeleri olarak umut verici çözümlerdir.
Monodispers nanopartiküller ve kolloidler bu potansiyeli sağlamaktadır. Örneğin koloidal silikanın monodispers tozları, bu nedenle, agregasyondan kaynaklanan koloidal kristal veya polikristalin koloidal katıda yüksek derecede bir düzen sağlamak için yeterince stabilize edilebilinmektedir. Düzen derecesi, kurulacak daha uzun menzilli korelasyonlar için izin verilen zaman ve alanla sınırlı görünmektedir. Bu tür kusurlu polikristal kolloidal yapılar, mikrometre altı kolloidal malzeme biliminin temel unsurları gibi görünmektedir ve bu nedenle, yüksek performanslı malzemeler ve bileşenlerde mikroyapısal evrimde yer alan mekanizmaların daha titiz bir şekilde anlaşılmasının geliştirilmesinde ilk adımı sağlayacaktır.
Makaleler, patentler ve ürünlerdeki nanomalzemeler
Nanomalzemelerin kantitatif analizi, Eylül 2018' e kadar sırasıyla 400000, 181000, 144000, 140000 ve 119000 ISI endeksli makalelerde nanopartiküller, nanotüpler, nanokristal malzemeler, nanokompozitler ve grafenden bahsedildiğini göstermiştir. Patentler söz konusu olduğunda, sırasıyla 45600, 32100, 12700, 12500 ve 11800 patentlerde nanoparçacıklar, nanotüpler, nanokompozitler, grafen ve nanoteller rol oynamıştır. Küresel pazarlarda mevcut olan yaklaşık 7000 ticari nano bazlı ürünün izlenmesi, yaklaşık 2330 ürünün özelliklerinin nanopartiküller yardımıyla etkinleştirildiğini veya geliştirildiğini ortaya çıkarmıştır. Lipozomlar (Yüzeyine bağlı çeşitli hedefleme ligandlarına sahip polimerik nanoparçacık), nanofiberler, nanokolloidler (Nano boyutlu parçacıklar içeren kararlı bir sıvı fazın parçaları) ve aerojeller de tüketici ürünlerinde en yaygın nanomalzemelerdendir.
Avrupa Birliği Nanomalzemeler Gözlemevi (EUON), nanomalzemeler üzerine belirli patentler, ürünler ve araştırma yayınları hakkında bilgi sağlayan bir veri tabanı (NanoData) üretmiştir.
Sağlık ve güvenlik
Dünya Sağlık Örgütü yönergeleri
Dünya Sağlık Örgütü (WHO), 2017' nin sonunda işçileri üretilen nanomalzemelerin potansiyel riskinden korumaya yönelik bir kılavuz yayınlamıştır. DSÖ, yol gösterici ilkelerinden biri olarak ihtiyatlı bir yaklaşım kullanmıştır. Bu, olumsuz sağlık etkileri konusundaki belirsizliğe rağmen, makul göstergeler olduğunda maruziyetin azaltılması gerektiği anlamına gelmektedir. Bu, nanopartiküllerin hücre bariyerlerini geçme ve hücresel yapılarla etkileşime girme kabiliyetini gösteren son bilimsel çalışmalar tarafından vurgulanmıştır. Ayrıca, kontrollerin hiyerarşisi önemli bir yol gösterici ilkedir. Bu, kontrol önlemleri arasında bir seçim olduğu zaman, kişisel koruyucu ekipman (KKD) kullanımı gibi işçilere daha fazla yük getiren önlemler yerine, sorunun kökenine daha yakın olan önlemlerin her zaman tercih edilmesi gerektiği anlamına gelmektedir. DSÖ, bilimin mevcut durumunu değerlendirmek ve kılavuz geliştirmeye yönelik DSÖ El Kitabında belirtilen sürece göre tavsiyeleri bildirmek için tüm önemli konular için sistematik incelemeler görevlendirmiştir. Öneriler, bilimsel kanıtların kalitesine, değerlere ve tercihlere ve öneriyle ilgili maliyetlere bağlı olarak "güçlü" veya "koşullu" olarak derecelendirilmiştir. WHO yönergeleri, üretilen nanomalzemelerin (MNM' ler) güvenli kullanımı için aşağıdaki önerileri içermektedir.
A. MNM' lerin sağlık tehlikelerini değerlendirin
DSÖ, güvenlik bilgi formlarında kullanılmak üzere Kimyasalların Sınıflandırılması ve Etiketlenmesine İlişkin Küresel Uyumlaştırılmış Sisteme (GHS) göre tüm MNM' lere tehlike sınıflarının atanmasını tavsiye etmektedir. Sınırlı sayıda MNM için bu bilgi kılavuzlarda sunulmaktadır (güçlü öneri, orta kalitede kanıt).
DSÖ, güvenlik veri sayfalarının MNM' ye özgü tehlike bilgileriyle güncellenmesini veya hangi toksikolojik son noktaların yeterli teste sahip olmadığının belirtilmesini önermektedir (güçlü öneri, orta kalitede kanıt).
Solunabilir lifler ve granüler biyokalıcı partikül grupları için, GDG, aynı gruptaki nanomalzemelerin geçici sınıflandırması için MNM' lerin mevcut sınıflandırmasının kullanılmasını önermektedir (koşullu öneri, düşük kaliteli kanıt).
B. MNM'lere maruziyeti değerlendirin
DSÖ, MNM' nin önerilen spesifik mesleki maruziyet limiti (OEL) değeri için kullanılanlara benzer yöntemlerle işyerlerinde çalışanların maruziyetini değerlendirmeyi önermektedir (koşullu öneri, düşük kaliteli kanıt).
İşyerlerinde MNM' ler için belirli düzenleyici OEL değerleri bulunmadığından, WHO işyeri maruziyetinin MNM için önerilen bir OEL değerini aşıp aşmadığını değerlendirmeyi önermektedir. Önerilen OEL değerlerinin bir listesi kılavuzların bir ekinde verilmiştir. Seçilen OEL, en azından malzemenin toplu formu için yasal olarak zorunlu bir OEL kadar koruyucu olmalıdır (koşullu öneri, düşük kaliteli kanıt).
İşyerlerinde MNM' ler için belirli OEL' ler mevcut değilse, DSÖ, soluma yoluyla maruz kalma için adım adım bir yaklaşım önermektedir. İlk olarak maruz kalma potansiyelinin bir değerlendirmesidir. İkincisi, temel maruziyet değerlendirmesi yapmaktır ve üçüncüsü, Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü (OECD) veya Comité Européen de Normalization (Avrupa Standardizasyon Komitesi, CEN) tarafından önerilenler gibi kapsamlı bir maruziyet değerlendirmesi yapmaktır (koşullu tavsiye, orta kalitede kanıt) ).
Dermal maruziyet değerlendirmesi için DSÖ, bir deri maruziyet değerlendirmesi yöntemini diğerine kıyasla önermek için yeterli kanıt olmadığını bulmuştur.
C. MNM' lere maruziyeti kontrol etme
Önleyici bir yaklaşıma dayanarak, DSÖ, maruziyetin kontrolünü mümkün olduğunca azaltmak amacıyla inhalasyon maruziyetini önlemeye odaklanmayı önermektedir (güçlü öneri, orta kalitede kanıt).
DSÖ, işyerlerinde özellikle temizlik ve bakım, reaksiyon kaplarından malzeme toplanması ve MNM' lerin üretim sürecine beslenmesi sırasında tutarlı bir şekilde ölçülen bir dizi MNM' ye maruz kalmanın azaltılmasını önermektedir. Toksikolojik bilgilerin yokluğunda DSÖ, çalışanların herhangi bir maruziyetten korunması için en yüksek düzeyde kontrollerin uygulanmasını tavsiye etmektedir. Daha fazla bilgi mevcut olduğunda, DSÖ daha özel bir yaklaşım benimsemeyi önermektedir (güçlü öneri, orta kalitede kanıt).
DSÖ, kontroller hiyerarşisi ilkesine dayalı kontrol önlemlerinin alınmasını önermektedir. Bu, KKD' nin (İş sağlığı ve güvenliği kapsamında üretilen koruyucu ekipmanlara KKD denilmektedir.) yalnızca son çare olarak kullanılmasıyla, işçi katılımına daha bağımlı olan kontrol önlemlerini uygulamadan önce ilk kontrol önleminin maruziyet kaynağını ortadan kaldırmak olması gerektiği anlamına gelmektedir. Bu ilkeye göre, yüksek düzeyde soluma maruziyeti olduğunda veya toksikolojik bilgi bulunmadığında veya çok az olduğunda mühendislik kontrolleri kullanılmalıdır. Uygun mühendislik kontrollerinin yokluğunda, uyum testini içeren bir solunum koruma programının bir parçası olarak özellikle solunum koruması olmak üzere KKD kullanılmalıdır (güçlü öneri, orta kalitede kanıt).
DSÖ, yüzey temizliği ve uygun eldiven kullanımı gibi mesleki hijyen önlemleriyle deriye maruz kalmanın önlenmesini önermektedir (koşullu öneri, düşük kaliteli kanıt).
Bir işyeri güvenliği uzmanı tarafından değerlendirme ve ölçüm yapılmadığında, WHO, işyerinde maruziyet kontrol önlemlerini seçmek için nanomalzemeler için kontrol bandı kullanılmasını önermektedir. Çalışma eksikliği nedeniyle, DSÖ bir kontrol bandı yöntemini diğerine tercih edememektedir (koşullu öneri, çok düşük kalitede kanıt).
Sağlık sürveyansı (Hastalıklara ait verilerin düzenli olarak toplanması, bu verilerin analiz edilerek değerlendirilmesi ve ilgili birimlere dağıtılması işlemlerinin tümüdür.) için DSÖ, kanıt eksikliği nedeniyle halihazırda kullanımda olan mevcut sağlık sürveyans programları yerine hedeflenen MNM' ye özgü sağlık sürveyans programları için bir öneride bulunamamıştır. DSÖ, çalışanların eğitimini ve sağlık ve güvenlik konularında çalışanların katılımını en iyi uygulama olarak görmektedir. Ancak mevcut çalışmaların olmaması nedeniyle bir tür işçi eğitimini diğerine veya bir tür işçi katılımını diğerine tavsiye edememektedir. Doğrulanmış ölçüm yöntemlerinde ve risk değerlendirmesinde önemli ilerlemeler olması beklenmektedir ve DSÖ bu kılavuzları beş yıl içinde, 2022'de güncellemeyi beklemektedir.
Diğer rehberlik
Nanoteknoloji yeni bir gelişme olduğu için, nanomalzemelere maruz kalmanın sağlık ve güvenlik üzerindeki etkileri ve maruz kalma düzeylerinin kabul edilebilir olup olmadığı, devam eden araştırmaların konusudur. Muhtemel tehlikeler arasında, en fazla endişeyi soluma yoluyla maruziyet ortaya koymaktadır. Hayvanlar üzerinde yapılan çalışmalar, karbon nanotüplerin ve karbon nanofiberlerin, silika, asbest ve ultra ince karbon siyahı gibi bilinen diğer fibrojenik malzemelerle karşılaştırıldığında benzer veya daha büyük potansiyele sahip iltihaplanma, granülomlar ve pulmoner fibrozis gibi pulmoner etkilere neden olabileceğini göstermektedir. Sağlıklı hayvanların biyolojik olarak parçalanabilen inorganik nanomateryallere akut inhalasyon maruziyeti, önemli toksisite etkileri göstermemiştir. Hayvan verilerinin işçilerde klinik olarak önemli akciğer etkilerini ne ölçüde tahmin edebileceği bilinmemekle birlikte, kısa süreli hayvan çalışmalarında görülen toksisite, bu nanomalzemelere maruz kalan işçiler için koruyucu eyleme ihtiyaç olduğunu göstermektedir, ancak gerçek olumsuz sağlık etkilerine ilişkin rapor bulunmamaktadır. Bu nanomateryalleri kullanan veya üreten işçilerde 2013 itibarıyla bilinmektedir. Ek endişeler arasında cilt teması ve yutma maruziyeti, ve toz patlaması tehlikeleri yer almaktadır.
Eleme ve ikame, tehlike kontrolü için en çok arzu edilen yaklaşımlardır. Nanomalzemelerin kendileri genellikle elimine edilemezdir veya geleneksel malzemelerle ikame edilemezken, istenen işlevselliği korurken, toksikolojik özelliklerini iyileştirmek için nanoparçacıkların boyut, şekil, işlevsellik, yüzey yükü, çözünürlük, aglomerasyon ve agregasyon durumu gibi özelliklerini seçmek mümkün olabilmektedir. İşleme prosedürleri de geliştirilebilinmektedir, örneğin kuru toz yerine sıvı bir çözücü içinde nanomateryal bulamaç veya süspansiyon kullanılması toza maruz kalmayı azaltacaktır. Mühendislik kontrolleri, çalışanları tehlikelerden, özellikle de davlumbaz, torpido gözü, biyogüvenlik kabinleri ve havalandırmalı denge muhafazaları gibi havalandırma sistemlerinden izole eden işyerinde yapılan fiziksel değişikliklerdir. İdari kontroller, nanomalzemelerin güvenli kullanımı, depolanması ve bertarafı için en iyi uygulamalar hakkında eğitim, etiketleme ve uyarı işaretleri yoluyla tehlikelerin uygun şekilde bilinmesi ve genel bir güvenlik kültürünün teşvik edilmesi dahil olmak üzere, bir tehlikeyi azaltmak için çalışanların davranışlarında yapılan değişikliklerdir. Kişisel koruyucu ekipman işçinin vücuduna giyilmelidir ve tehlikeleri kontrol etmek için en az tercih edilen seçenektir. Normalde tipik kimyasallar için kullanılan kişisel koruyucu ekipman, uzun pantolonlar, uzun kollu gömlekler ve kapalı ayakkabılar dahil nanomalzemeler ve koruyucu eldiven, gözlük ve geçirimsiz laboratuvar önlüklerinin kullanımı için de uygundur. Bazı durumlarda solunum cihazları kullanılabilir.
Maruz kalma değerlendirmesi, kirletici salınımını ve işçilere maruz kalma durumunu izlemek için kullanılan bir dizi yöntemdir. Bu yöntemler arasında, numune alıcıların işçinin kişisel nefes alma bölgesine yerleştirildiği, genellikle bir gömlek yakasına mümkün olduğunca burun ve ağza yakın olacak şekilde bağlandığı kişisel numune alma; statik konumlara yerleştirildikleri bir alan/arka plan örneklemesidir. Değerlendirme, nanomalzemelerin ve diğer arka plan parçacıklarının gerçek zamanlı miktarını izleyen her iki parçacık sayacını da kullanmalıdır; ve genellikle elektron mikroskobu ve element analizi kullanılarak nanomalzemeyi tanımlamak için kullanılabilen filtre tabanlı numuneler. 2016 itibarıyla, çoğu nanomalzeme için nicel mesleki maruziyet sınırları belirlenmemiştir. ABD Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü, karbon nanotüpler, karbon nanofiberler, ve ultra ince titanyum dioksit için düzenleyici olmayan önerilen maruz kalma sınırlarını belirlemiştir. İngiliz Standartları Enstitüsü ve Almanya' daki İş Sağlığı ve Güvenliği Enstitüsü dahil olmak üzere diğer ülkelerdeki kurum ve kuruluşlar, bazı nanomalzemeler için OEL'ler oluşturmuş ve bazı şirketler ürünleri için OEL'ler sağlamıştır.