Nanočestica

Termin se ponekad koristi za veće čestice, do 500 nm,  ili vlakna i cijevi koje su manje od 100 nm u samo dva smjera. U najnižem opsegu, metalne čestice manje od 1 nm se obično nazivaju klasteri atoma.

Nanočestice se obično razlikuju od mikročestica (1-1000 µm), "fine čestice" (veličine između 100 i 2500 nm) i "grube čestice" (u rasponu od 2500 do 10 000 nm), jer njihova manja veličina pokreće vrlo različita fizička ili hemijska svojstva, poput koloidnih svojstava i ultrabrzih optičkih efekata ili električnih svojstava.

Budući da su više podložni braunovskom kretanju, obično se ne sedimentiraju, poput koloidnih čestica za koje se, obrnuto, obično smatra da se kreću od 1 do 1000 nm.

S obzirom da su mnogo manje od talasnih dužina vidljive svjetlosti (400-700 nm), nanočestice se ne mogu vidjeti običnim optičkim mikroskopima, što zahtijeva upotrebu elektronskih mikroskopa ili mikroskopa sa laserom. Iz istog razloga, disperzije nanočestica u prozirnim medijima mogu biti transparentne, dok suspenzije većih čestica obično raspršuju dio ili svu vidljivu svjetlost koja pada na njih. Nanočestice također lahko prolaze kroz uobičajene filtere, kao što su obične keramičke svijeće, tako da odvajanje od tekućina zahtijeva posebne tehnike nanofiltracije.

Svojstva nanočestica često se značajno razlikuju od osobina većih čestica iste supstance. Pošto je tipični prečnik atoma između 0,15 i 0,6 nm, veliki dio materijala nanočestice leži unutar nekoliko atomskih promjera njene površine. Stoga svojstva tog površinskog sloja mogu dominirati nad svojstvima rasutog materijala. Ovaj efekat je posebno jak za nanočestice dispergovane u mediju različitog sastava, jer interakcije između dva materijala na njihovom interfejsu takođe postaju značajne.

Nanočestice su široko rasprostranjene u prirodi i predmet su proučavanja u mnogim naukama kao što su hemija, fizika, geologija i biologija. Budući da su na prijelazu između masivnih materijala i atomskih ili molekularnih struktura, često pokazuju fenomene koji se ne primjećuju ni na jednoj skali. Važna su komponenta atmosferskog zagađenja i ključni sastojci u mnogim industrijaliziranim proizvodima kao što su boje, plastika, metali, keramika i magnetni proizvodi. Proizvodnja nanočestica sa specifičnim svojstvima je grana nanotehnologije.

Općenito, mala veličina nanočestica dovodi do niže koncentracije tačkastih defekata u usporedbi s njihovim velikim pandanima, ali one podržavaju različite dislokacije koje se mogu vizualizirati korištenjem elektronskih mikroskopa visoke rezolucije. Međutim, nanočestice pokazuju različitu mehaniku dislokacije, što, zajedno sa njihovom jedinstvenom površinskom strukturom, rezultira mehaničkim svojstvima koja su različita od masivnog materijala.

Nesferične nanočestice (npr. prizme, kocke, šipke itd.) pokazuju svojstva zavisna od oblika i veličine (i hemijske i fizičke) (anizotropija). Nesferične nanočestice zlata (Au), srebra (Ag) i platine (Pt) zbog svojih fascinantnih optičkih svojstava nalaze različite primjene. Nesferične geometrije nanoprizme daju visoke efektivne poprečne presjeke i dublje boje koloidnih rastvora. Mogućnost pomjeranja rezonantnih talasnih dužina podešavanjem geometrije čestica omogućava njihovu upotrebu u oblastima molekularnog obilježavanja, biomolekularnih testova, detekcije metala u tragovima ili nanotehničkih aplikacija. Anizotropne nanočestice pokazuju specifično apsorpciono ponašanje i stohastičku orijentaciju čestica pod nepolarizovanim svetlom, pokazujući poseban režim rezonancije za svaku ekscitabilnu osu. Ovo svojstvo se može objasniti činjenicom svakodnevnog razvitka u oblasti sinteze ovih nanočestica za njihovu pripremu u velikom prinosu.

IUPAC

U svojoj predloženoj terminologiji za biološki srodne polimere iz 2012. godine, IUPAC je definisao nanočesticu kao "česticu bilo kojeg oblika s dimenzijama u rasponu od 1 × 10 ^-9 i 1 × 10 ^-7 m". Ova definicija je evoluirala iz one koju je dao IUPAC 1997.

U drugoj publikaciji iz 2012. IUPAC proširuje pojam tako da uključuje cijevi i vlakna sa samo dvije dimenzije ispod 100 nm.

ISO

Prema tehničkoj specifikaciji Međunarodne organizacije za standarde (ISO) 80004, nanočestica je objekt sa sve tri vanjske dimenzije u nanoskali, čije se najduža i najkraća osa ne razlikuju značajno, pri čemu je značajna razlika obično faktor od najmanje 3.

Uobičajena upotreba

Pod "nanoskalom" se obično podrazumijeva raspon od 1 do 100 nm jer se nova svojstva koja razlikuju čestice od masivnog materijala obično razvijaju u tom rasponu veličina.

Za neka svojstva, kao što su prozirnost ili zamućenost, ultrafiltracija, stabilna disperzija, itd., uočene su značajne promjene karakteristične za nanočestice za čestice veličine do 500 nm. Stoga se termin ponekad proširuje na taj raspon veličina. 

Povezani koncepti

Nanoklasteri su aglomerati nanočestica s najmanje jednom dimenzijom između 1 i 10 nanometara i uskom distribucijom veličine. Nanopraškovi su aglomerati ultra finih čestica, nanočestica ili nanoklastera. Monokristali nanometarske veličine, ili ultrafine čestice s jednom domenom, često se nazivaju nanokristalima.

Termini koloid i nanočestica nisu zamenljivi. Koloid je mješavina koja ima čestice jedne faze disperzirane ili suspendirane unutar druge faze. Izraz se primjenjuje samo ako su čestice veće od atomskih dimenzija, ali dovoljno male da pokažu Brownovo kretanje, s rasponom kritične veličine (ili prečnika čestica) koji se obično kreće od nanometara (10 ⁻⁹ m) do mikrometara (10 ⁻⁶ m). Koloidi mogu sadržavati čestice prevelike da bi bile nanočestice, a nanočestice mogu postojati u nekoloidnom obliku, na primjer kao prah ili u čvrstoj matrici.

Prirodno pojavljivanje

Nanočestice se prirodno proizvode mnogim kosmološkim, geološkim, meteorološkim i biološkim procesima. Značajan dio (po broju, ako ne i po masi) međuplanetarne prašine, koja još uvijek pada na Zemlju brzinom hiljada tona godišnje, nalazi se u rasponu nanočestica; a isto važi i za čestice atmosferske prašine. Mnogi virusi imaju promjere u rasponu nanočestica.

Predindustrijska tehnologija

Nanočestice su koristili zanatlije od prahistorije, iako bez znanja o njihovoj prirodi. Koristili su ih staklari i grnčari u klasičnoj antici, kao što su primjeri rimske Likurgove čaše od dikroičnog stakla (4. vijek n.e.) i sjajne keramike iz Mesopotamije (9. v.n.e.). Potonju karakteriziraju nanočestice srebra i bakra raspršene u staklastoj glazuri.

19. vijek

Michael Faraday je dao prvi opis, u naučnom smislu, optičkih svojstava nanometarskih metala u svom klasičnom radu iz 1857. godine. U kasnijem radu, autor (Turner) ističe da: „Dobro je poznato da kada se tanki listići zlata ili srebra stave na staklo i zagriju na temperaturu koja je znatno ispod crvene toplote (~500 °C), dolazi do značajne promjene svojstava, pri čemu se uništava kontinuitet metalnog filma. Rezultat je da se bijela svjetlost sada slobodno prenosi, refleksija je na odgovarajući način smanjena, dok je električna otpornost enormno povećana."

20. vijek

Tokom 1970-ih i 80-ih, kada su prve temeljne fundamentalne studije s nanočesticama bile u toku u Sjedinjenim Državama (od strane Granqvista i Buhrmana) i Japanu (u okviru ERATO projekta), istraživači su koristili termin ultrafine čestice. Međutim, tokom 1990-ih, prije nego što je Nacionalna inicijativa za nanotehnologiju pokrenuta u Sjedinjenim Državama, termin nanočestica postao je češći (na primjer, pogledajte isti rad starijeg autora 20 godina kasnije koji se bavi istim problemom, lognormalnom raspodjelom veličina ).

 

Nanočestice se javljaju u velikom broju oblika, koji su dobili mnoga neformalna imena kao što su nanosfere, nanošipke, nanolanci, nanozvijezde, nanocvijeće, nanogrebeni, nanobrkovi, nanovlakna i nanokutije.

Oblici nanočestica mogu biti određeni intrinzičnim kristalnim navikama materijala ili utjecajem okoline oko njihovog stvaranja, kao što je inhibicija rasta kristala na određenim površinama aditivima za premazivanje, oblikom kapljica emulzije i micela u pripremi prekursora, ili oblik pora u okolnom čvrstom matriksu. Neke primjene nanočestica mogu zahtijevati specifične oblike, kao i specifične veličine ili raspone veličina.

Amorfne čestice obično poprimaju sferni oblik (zbog njihove mikrostrukturne izotropije).

Proučavanje finih čestica naziva se mikromeritika.

Varijacije

Proizvedene su polučvrste i mehke nanočestice. Prototip nanočestice polučvrste prirode je liposom. Različite vrste nanočestica liposoma trenutno se klinički koriste kao sistemi za isporuku lijekova i vakcina protiv raka.

Razlaganje biopolimera u njihove nanorazmjerne građevne blokove smatra se potencijalnim putem za proizvodnju nanočestica s poboljšanom biokompatibilnošću i biorazgradljivošću. Najčešći primjer je proizvodnja nanoceluloze iz drvne pulpe. Drugi primjeri su nanolignin, nanohitin ili nanoškrob.

Nanočestice čija je jedna polovina hidrofilna, a druga polovina hidrofobna nazivaju se Janus čestice i posebno su efikasne za stabilizaciju emulzija. Mogu se samostalno montirati na sučeljima voda/ulje i djelovati kao Pickering stabilizatori.

Nanočestice hidrogela napravljene od ljuske jezgre N-izopropilakrilamid hidrogela mogu se interno bojiti afinitetnim mamcima. Ovi afinitetni mamci omogućavaju nanočesticama da izoluju i uklone nepoželjne proteine dok istovremeno povećavaju ciljne analite.

Uticaj nukleacije

Nukleacija postavlja temelj za sintezu nanočestica. Inicijalne jezgre igraju vitalnu ulogu u veličini i obliku nanočestica koje će se na kraju formirati djelujući kao šablonska jezgra za samu nanočesticu. Dugoročna stabilnost je također određena početnim postupcima nukleacije. Homogena nukleacija nastaje kada se jezgra formiraju jednoliko u cijeloj matičnoj fazi i rjeđa je. Heterogena nukleacija se, međutim, formira na područjima kao što su površine kontejnera, nečistoće i drugi defekti. Kristali se mogu formirati istovremeno ako je nukleacija brza, stvarajući monodisperzniji proizvod. Međutim, spore brzine nukleacije mogu uzrokovati stvaranje polidisperzne populacije kristala različitih veličina. Kontrola nukleacije omogućava kontrolu veličine, disperznosti i faze nanočestica.

Proces nukleacije i rasta unutar nanočestica može se opisati burst nukleacijom, Ostwaldovim zrenjem ili dvostepenim mehanizmom-autokataliza modelom.

Nukleacija

Originalna teorija nukleacije u formiranju nanočestica iz 1927. bila je klasična teorija nukleacije (CNT). Vjerovalo se da se promjene u veličini čestica mogu opisati samo nukleacijom praska. Viktor LaMer je 1950. godine koristio CNT kao osnovu za nukleaciju za svoj model rasta nanočestica. Postoje tri dijela modela LaMer: 1. Brzo povećanje koncentracije slobodnih monomera u rastvoru, 2. brza nukleacija monomera koju karakteriše eksplozivni rast čestica, 3. Rast čestica kontrolisan difuzijom monomera. Ovaj model opisuje da je rast na jezgru spontan, ali ograničen difuzijom prekursora na površinu jezgra. LaMerov model nije bio u stanju da objasni kinetiku nukleacije ni u jednom modernom sistemu.

Ostwaldovo zrenje

Ostwaldovo sazrijevanje je proces koji se obično izbjegava u sintezi nanočestica jer je poznato da negativno utječe na funkcionalnost nanočestica. U ovom procesu, velike čestice rastu na račun manjih čestica zbog difuzije molekula disperzne faze kroz kontinuiranu fazu.

Svojstva materijala u obliku nanočestica neobično su različita od onih u masi, čak i kada su podijeljene na čestice mikrometarske veličine. Mnogi od njih proizlaze iz prostornog ograničenja subatomskih čestica (tj. elektrona, protona, fotona) i električnih polja oko ovih čestica. Veliki odnos površine i zapremine je takođe značajan faktor na ovoj skali.

 

Rasuti materijali (>100 nm veličine) očekuje se da imaju stalna fizička svojstva (kao što su toplotna i električna provodljivost, krutost, gustoća i viskozitet ) bez obzira na njihovu veličinu, za nanočestice, međutim, ovo je drugačije: volumen površinskog sloja (nekoliko atomskih promjera -wide) postaje značajan dio zapremine čestice; dok je ta frakcija beznačajna za čestice prečnika od jednog mikrometra ili više.  Drugim riječima, omjer površina/zapremina utječe na određena svojstva nanočestica izraženije nego u velikim česticama.

 

Efekti kvantne mehanike postaju uočljivi za objekte na nanoskali. Oni uključuju kvantno ograničenje u poluprovodničkim česticama, lokalizirane površinske plazmone u nekim metalnim česticama i superparamagnetizam u magnetskim materijalima. Kvantne tačke su nanočestice poluprovodničkog materijala koje su dovoljno male (obično ispod 10 nm ili manje) da imaju kvantizovane elektronske energetske nivoe.

Kvantni efekti su odgovorni za tamnocrvenu do crnu boju zlatnih ili silicijskih nanoprašaka i suspenzija nanočestica. Apsorpcija sunčevog zračenja je mnogo veća u materijalima koji se sastoje od nanočestica nego u tankim filmovima kontinuiranih listova materijala. U solarnim PV i solarno termalnim aplikacijama, kontrolom veličine, oblika i materijala čestica, moguće je kontrolisati apsorpciju sunca.

Umjetne nanočestice mogu se stvoriti od bilo kojeg čvrstog ili tekućeg materijala, uključujući metale, dielektrike i poluprovodnike. Oni mogu biti interno homogeni ili heterogeni, npr. sa strukturom jezgro-ljuska.

Postoji nekoliko metoda za stvaranje nanočestica, uključujući kondenzaciju plina, atriciju, kemijsku precipitaciju, ionsku implantaciju, pirolizu, hidrotermalnu sintezu i biosintezu.

Mnoga svojstva nanočestica, posebno stabilnost, rastvorljivost i hemijska ili biološka aktivnost, mogu se radikalno promijeniti oblaganjem različitim supstancama – proces koji se naziva funkcionalizacija. Funkcionalizirani katalizatori na bazi nanomaterijala mogu se koristiti za katalizu mnogih poznatih organskih reakcija.

Na primjer, suspenzije čestica grafena mogu se stabilizirati funkcionalizacijom sa grupama galne kiseline.