Наноматеріали: що це таке, властивості, види, застосування

Наноматеріали — це речовини, які мають структурні елементи розміром від 1 до 100 нанометрів принаймні в одному з вимірів. Завдяки своїм унікальним фізико-хімічним властивостям вони знаходять широке застосування в різних галузях науки та техніки. Зменшення розміру частинок до наномасштабу змінює їхню поведінку порівняно з макроскопічними аналогами, зокрема, виявляються нові оптичні, магнітні, електричні та механічні властивості.

Термін “наноматеріали” використовується для опису як природних, так і синтетичних матеріалів, що мають наноструктуру. Вони можуть бути як однорідними за складом, так і складатися з кількох компонентів або фаз. Основною особливістю наноматеріалів є високий ступінь поверхневого розвитку, що істотно впливає на їхню хімічну активність і функціональні характеристики.

Властивості наноматеріалів

Фізичні та хімічні властивості наноматеріалів значно відрізняються від матеріалів з більшими розмірами частинок. До характерних властивостей належать:

• Велика питома поверхня. Через малий розмір частинок збільшується відношення площі поверхні до об’єму, що зумовлює високу реакційну здатність.
• Квантовий ефект. У наночастинках виникає квантова обмеженість, яка впливає на електронні та оптичні властивості.
• Механічна міцність. Багато наноматеріалів демонструють вищу твердість і стійкість до зносу.
• Теплопровідність та електропровідність. Ці властивості можуть або посилюватися, або навпаки знижуватися в залежності від типу матеріалу та структури.

Наноматеріали можуть проявляти нові властивості, не характерні для того самого матеріалу в об’ємному стані. Наприклад, вуглецеві нанотрубки мають електропровідність, подібну до металів, а також надзвичайно високу міцність.

Види наноматеріалів

Наноматеріали класифікуються за морфологією, складом і способами синтезу. Основні типи:

• Наночастинки. Сферичні або довільної форми об’єкти розміром до 100 нм. Наприклад, наночастинки срібла використовуються як антисептики.
• Нанотрубки. Циліндричні структури, які мають високе співвідношення довжини до діаметра. Найвідомішими є вуглецеві нанотрубки.
• Наноплівки. Тонкі шари матеріалів, які мають товщину в межах кількох нанометрів. Застосовуються в електроніці та оптиці.
• Нанопористі матеріали. Структури з порами розміром у нанодіапазоні. Використовуються у фільтрації, каталітичних процесах та сенсориці.
• Квантові точки. Напівпровідникові нанокристали, які володіють унікальними оптичними властивостями завдяки квантовим ефектам.

Залежно від хімічного складу, наноматеріали можуть бути металічними, керамічними, полімерними або композитними. Також їх поділяють на однофазні (гомогенні) та багатофазні (гетерогенні) системи.

Застосування наноматеріалів

Завдяки своїм винятковим властивостям, наноматеріали використовуються в багатьох галузях:

• Електроніка. У виробництві мікросхем, елементів пам’яті, дисплеїв, сонячних батарей. Наприклад, наноплівки оксиду індію-олова використовуються в сенсорних екранах.
• Медицина. Для створення нанопрепаратів, систем доставлення ліків, біосенсорів та інструментів для діагностики. Наночастинки золота активно вивчаються для цільової доставки лікарських засобів.
• Енергетика. У паливних елементах, літій-іонних батареях, термоелектричних матеріалах. Наноматеріали дозволяють підвищити ефективність перетворення та зберігання енергії.
• Охорона довкілля. Для очищення води, повітря, деградації забруднювачів, утилізації відходів. Наприклад, нанопористі сорбенти використовуються для вилучення важких металів з води.
• Матеріалознавство. У виробництві надміцних композитів, покриттів, кераміки з підвищеною стійкістю до зношування. Вуглецеві нанотрубки покращують механічні характеристики полімерів.
• Текстильна промисловість. Для створення тканин із антимікробними, водовідштовхувальними та антистатичними властивостями.

Розвиток нанотехнологій значно розширює можливості створення нових матеріалів із заданими характеристиками. Наноматеріали є ключовим компонентом інноваційних розробок XXI століття, і їхнє застосування продовжує стрімко зростати в усіх галузях науки та промисловості.