Download PDF

English

Introducere

Încă de la începutul secolului trecut, nano-tehnologia a încercat să imite natura astfel încât să ajungă la modele reproductibile şi multifuncţonale complexe care să înlocuiască materialele clasice. În 1915, W. Ostwald a fost primul care a realizat interdependenţa la nivelul nanoparticulelor între proprietăţi, dimensiune şi formă. În ultimele două decenii, cercetătorii au avut tendinţa să obţină structuri nanodimensionale cât mai diverse, din punct de vedere al formei, mărimii sau chiar culorii, şi al compatibilităţii cu funcţia şi mediul pentru care au fost create. Obţinându-se un design foarte variat, de la o nanoparticulă la alta, acestea au avut nevoie de nomenclatură şi taxonomie.

Utilizarea nanoparticulelor în domenii practice a relevat necesitatea respectării u-nor cerinţe privind obţinerea şi caracteristicile acestora: să aibă o puritate înaltă şi compoziţii chimice unitare, mărimea lor să se înscrie într-o distribuţie uniformă îngustă şi să fie controlabilă, forma şi morfologia nanoparticulelor să fie identice.

Acest articol îşi propune să expună câteva aspecte privind tipologia designului nanoparticulelor de-a lungul timpului şi funcţionalitatea acestora, plecând de la metodele de sinteză şi parcurgând câteva clasificări consacrate ale nanomaterialelor.

Cercetarea rezultatelor recente

Procedeele de sinteză utilizate curent pentru obţinerea nanoparticulelor sunt cunoscute sub denumirile generice de “bottom up” şi “top-down”(Fig.1). Procedeele “top-down” – de la “mare” la “mic” (nano) – se realizează prin mărunţire sau măcinare mecanică, prin încălziri şi căliri repetate sau prin tehnici litografice. Procedeele “bottom up” sau auto-asamblarea sunt mult mai utilizate în sinteza nanoparticulelor şi stau la baza dezvoltării multor metode de sinteză cum ar fi nucleaţia omogenă din lichide şi vapori, nucleaţia eterogenă pe substraturi etc. Varietatea largă a materialelor nanostructurate, din punct de vedere al formei, mărimii, dimensionalităţii, compoziţiei chimice şi a utilizărilor a impus necesitatea clasificării lor.

După forma nanostructurilor, materialele nanostructurate se divid în câteva grupe care vor fi prezentate în cele ce urmează. Quantum dots (Fig.2), quantum well sunt nanostructuri reprezentate de nanoparticule cristaline, cu formă sferică sau cubică, extrem de mici (1-10 nm), care prezintă comportare cuantică şi sunt intens promovate ca un nou tip de semiconductori. Această noţiune de “Quantum dot” (punct cuantic) este introdusă pentru prima dată în nanotehnologie de către savanţii Hirozuki Sakaki si Zauhiho Arakawa, în 1982, odată cu implementarea laserului ce avea la bază această tehnologie inovativă. Quantum dots şi quantum wells sunt utilizate în circuitele integrate (embedded systems). Au forme ce variază de la piramide şi cilindri (vertical dots) până la forme plane (lateral dots) sau sunt liberi sub forme de pulberi, prezentând o structură sferică, fiind denumite nanocristale. Clusterele şi nanocristalele au dimensiuni între 0,2 – 1 nm, fiind de formă sferică şi având aplicabilitate mai ales în domeniul semiconductorilor, cata-lizei şi electrocatalizei (în pile de combustie); pentru prima dată noţiunea de cluster a fost folosită de Robert Boyle, în 1661, în cartea sa The Sceptical Chymist [2]. Clusterele pot fi sinonime cu termenul de “agregat” format dintr-un număr N>3 atomi sau molecule, care pot fi identice, conducând la clustere homo-atomice sau homo-moleculare, sau pot fi diferite, conducând la clustere hetero-atomice sau hetero-moleculare. De asemenea, ele pot fi metalice sau nemetalice.

Nanotuburi (nanotubes) (Fig.3) – nanostructuri care prezintă un lumen de dimensiuni nanometrice şi lungime variabilă, fiind utile în dispozitive pentru stocarea energiei, îmbrăcăminte şi încălţăminte sportivă, filtre de apă, etc. Nanobare (Fig.4) – nanostructuri, având forma unor filamente cu diametru la scara nanometrică şi cu lungimi relativ mai mari, fiind aplicabile în hipertermie pentru tratarea cancerului, în dispozitive de stocare a energiei şi emitere a luminii, în tehnologii de afişare (display) etc. Nanofire (Fig.5) – reprezentate de nanostructuri, având forma unor nanofilamente cu proprietăţi semiconductoare.

Filme Nanostructurate – sunt straturi foarte fine, de acoperire, de obicei de natură oxidică, care sunt performante în domeniul fotocatalizatorilor, a senzorilor, biosenzorilor şi a celulelor solare.

Richard W. Siegel clasifică nanomaterialele după dimensionalitate, şi anume, 0D, 1D, 2D şi 3D (Fig.6). De exemplu, nanomaterialele 0D (zero dimensionale) sunt reprezentate de quantum dots, nanoclustere, nanocristalite metalice (Pd, Pt, Au, Cu, Zn, Ni, Co, Rh) şi semiconductoare (ZnS, PbS, CdS) nanostructuri continue de atomi sau molecule, care posedă toate dimensiunile la scară nanometrică. Nanomaterialele 1D (unu dimensionale) sunt cele care posedă o singură dimensiune la scară nanometrică şi sunt reprezentate prin nanostructuri cum ar fi: nanowires: Au, Ag, Pt, Sn, Al etc; nanochains şi nanoribbons; nanobelts: ZnO (hexagonal), SnO2 (tip rutil), CdO (structura tip NaCl), Ga2O3; nanotuburi de carbon cu un singur perete, tip MWCNT – nanotuburi de carbon cu mai mulţi pereţi.

Concluzie

Cercetările în domeniul nanotehnologiei sunt în continuă evoluţie. Numeroasele forme, dimensiuni şi structuri ale nanoparticulelor reprezintă o mărturie a cerinţelor impuse de piaţa modernă a materialelor. Proprietăţile manifestate de materialele obţinute la scară nanometrică includ în sine informaţia ce contribuie la atingerea scopului, acesta fiind obţinerea performanţelor funcţionale la scară redusă şi cu costuri minime, fie că sunt semiconductori, agenţi de hipertermie, materiale magnetice, senzori, catalizatori sau fotocata-lizatori. O serie de reglementări în domeniu pun accent pe politici de protecţie a mediului, toxicitate sau biocompatibilitate, elemente care să contribuie la creşterea calităţii vieţii oamenilor în viitor.

Bibliography

• [1] C.N.R. Rao, A. Müller, A. K. Cheetham, The Chemistry of Nanomaterials, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004.
• [2] A. Chemseddine, T. Moritz, Eur. J. Inorg. Chem (2000)
• [3] W. Oswald, The World of Neglected Dimensions; Dresden, 1915.

Iconography

• 1.Janeza Trdine, http://www.intechopen.com/source/html/40701/media/image3.png ,Berta Domènech, Julio Bastos-Arrieta, Amanda Alonso, Jorge Macanás, Maria Muñoz and Dmitri N. Muraviev, “Ion Exchange Technologies”, Rijeka, Croatia,7.11.2012
• 2.http://whsc.emory.edu/home/news/img/strained_quantum_dots_fullsize.gif, Holly Korschun, „Strained” Quantum Dots Show New Optical Properties, The National Institutes of Health, the Department of Energy and the Georgia Cancer Coalition funded the research, 08.12.2008.
• 3. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/Types_of_Carbon_Nanotubes.png, Nanotubo di carbonio, Jimmy Wales, 10.08.2014
• 4.http://www.owlnet.rice.edu/~zubarev/ChemMater_V.jpg.jpg, V. ; Kharlampieva, E.; Khanal, B. P.; Manna, P.; Zubarev, E. R.; Tsukruk, V. V. “Ultrathin Layer-by-Layer Hydrogels with Incorporated Gold Nanorods as pH-Sensitive Optical Materials”, University, Houston, TX, 2008
• 5.Janeza Trdine, http://www.intechopen.com/source/html/16574/media/image7.png,Abbass Hashim, “Nanowires - Fundamental Research”, Rijeka, Croatia, 19.07.2011
• 6.SergeyV.Kalyuzhnyi,http://eng.thesaurus.rusnano.com/upload/iblock/dfc/nanomaterial1.jpg,Gusev Alexander I., nanostructured material, Russia
• 5.Janeza Trdine, http://www.intechopen.com/source/html/16574/media/image7.png,Abbass Hashim, “Nanowires - Fundamental Research”, Rijeka, Croatia, 19.07.2011
• 6.SergeyV.Kalyuzhnyi,http://eng.thesaurus.rusnano.com/upload/iblock/dfc/nanomaterial1.jpg,Gusev Alexander I., nanostructured material, Russia

Aknowledgments

This work was supported by A.L.P.H.A.-Pupils Comenius Bilateral Project (2013-1-RO1-COM07-296201)

We warmly thank Tamara Slatineanu and other Romanian teachers for their support.