세라믹 나노입자

Ceramic nanoparticle
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나노 구조 재료

세라믹 나노입자는 세라믹으로 구성된 나노입자의 일종으로 일반적으로 무기질, 내열성, 비금속성 고체로 분류되며 금속성 화합물과 비금속성 화합물로 모두 만들 수 있다. 그 재료는 독특한 특성을 제공한다. 매크로 스케일의 세라믹은 부서지고 단단하며 충격에 의해 부서진다. 그러나 세라믹 나노입자는 유전체, 강전, 압전, 화전, 강자성, 자기저항성, 초전도성, 전기광학 [1]등 보다 다양한 기능을 담당한다.

도자 나노입자가 발견된 것은 1980년대 초창기에 세라믹 나노입자가 발견되었다. 그들은 나노 입자를 용액과 젤로 혼합하여 나노 입자를 형성하는 솔겔이라는 과정을 이용하여 형성되었다. 이후 방법에는 소결(압력과 열)이 포함되었다. 소재가 너무 작아서 기본적으로 흠이 없다. 더 큰 규모의 물질은 그것들을 부서지기 쉽게 만드는 결함을 가지고 있다.

2014년 연구원들은 나노트러스 형성을 위해 중합체와 세라믹 입자가 포함된 레이저 공정을 발표했다. 이 구조물은 파쇄를 반복한 끝에 원형을 회복할 수 있었다.

세라믹 나노입자는 박테리아 감염, 녹내장, 그리고 가장 일반적으로 화학요법이 암에서 전달되는 여러 질병에서 약물전달 메커니즘으로 사용되어 왔다.[2] 가장 오래된 것으로 알려진 도자 나노입자는 기원전 6세기까지 인도의 킬라디에서 온 도자기 파편에서 발견되었다.

특성.

세라믹 나노입자는 크기와 분자 구조 때문에 독특한 성질을 가지고 있다. 이러한 특성은 종종 다음과 같은 다양한 전기 및 자기물리 현상 측면에서 나타난다.

  • 유전체 - 전류를 통해 전자 전달 거리를 단축하기 위해 전기장에 의해 극성을 낼 수 있는 전기 절연체(전자가 화합물의 음과 양이 되도록 정렬됨)
  • 한 방향 이상에서 양극화되는 강전 - 유전 물질(전기장을 통해 음극과 양극이 뒤집힐 수 있음)
  • 압전 - 기계적 응력 하에서 전하를 축적하는 재료
  • 열전 - 온도 변화 시 임시 전압을 생성할 수 있는 재료
  • 강자성 - 자석화 후 자기장을 유지할 수 있는 물질
  • 자기저항성 - 외부 자기장 아래에서 전기저항을 변화시키는 물질
  • 초전도성 - 임계 온도까지 냉각 시 전기 저항이 전혀 없는 재료
  • 전기 광학 - 전기장 아래에서 광학적 특성을 바꾸는 재료

나노트러스

세라믹 나노입자는 공기의 85% 이상이며 매우 가볍고 튼튼하며 유연하며 내구성이 뛰어나다. 프랙탈 나노트러스(fractal nanotruss)는 알루미나(alumina) 또는 산화알루미늄으로 만들어진 나노구조물이다[3]. 최대 압축량은 50나노미터 두께에서 약 1마이크론이다. 압축 후 구조적 손상 없이 원형으로 되돌릴 수 있다.

합성

솔겔

나노케라믹스를 만드는 한 가지 과정은 화학 용액 증착이라고도 알려진 솔겔 공정이다. 여기에는 액체 단계에서 나노 입자로 만들어진 화학 용액 또는 솔과 용제에 담근 분자로 이루어진 전구체(주로 젤이나 폴리머)가 포함된다. 솔과 젤을 혼합하여 일반적으로 세라믹의 한 종류인 산화물을 만든다. 여분의 제품(액체용제)은 증발한다. 입자 욕구는 고체 제품을 생산하기 위해 밀도화라고 불리는 과정에서 가열된다.[4] 이 방법은 얇은 필름에 젤을 가열하여 필름 위에 나노세라믹 층을 형성함으로써 나노콤포사이트를 생산하는 데도 적용될 수 있다.

투포톤 석판화

이 과정은 2-포톤 석판술이라는 레이저 기술을 사용하여 중합체를 3차원 구조로 에칭한다. 레이저가 닿은 부분을 단단하게 하고 나머지는 단단하게 하지 않는다. 그런 다음 경화되지 않은 재료는 용해되어 "껍질"을 만든다. 그리고 나서 껍질은 세라믹, 금속, 금속 유리 등으로 코팅된다. 완성된 상태에서는 세라믹의 나노트러스[5](나노트러스)를 납작하게 만들어 원래의 상태로 되돌릴 수 있다.

시네터

또 다른 접근법에서는 고온을 이용한 나노세라믹 분말을 통합하기 위해 소결제를 사용하였다. 이로 인해 세라믹의 성질을 손상시키고 최종 제품을 얻는데 더 많은 시간이 소요되는 거친 소재가 발생하였다. 이 기술은 또한 가능한 최종 기하학적 구조를 제한한다. 이러한 문제를 극복하기 위해 전자레인지 소거가 개발되었다. 방사선은 자석으로부터 생성되며, 전자파를 생성하여 분말을 진동시키고 가열한다. 이 방법은 외부로부터의 열 전달이 아닌 전체 물질의 부피에 걸쳐 즉각적으로 전달되도록 한다.[1]

나노포더는 마이크로파가 통과할 수 있도록 저단열 보드로 구성된 단열 상자에 넣어둔다. 그 상자는 흡수를 돕기 위해 온도를 높인다. 상자 안에는 실온에서 마이크로파를 흡수해 소결 과정을 초기화하는 용의자 등이 있다. 마이크로파는 용의자를 약 600 °C로 가열하여 나노케라믹스를 작동시켜 마이크로파를 흡수하기에 충분하다.

역사

1980년대 초, 최초의 나노입자, 구체적으로는 나노케라믹스가 솔겔을 사용하여 형성되었다. 이 과정은 2000년대 초반에 소음을 낸 다음 마이크로파 소음을 내는 것으로 대체되었다. 이 기술들 중 어느 것도 대규모 생산에 적합하다고 증명되지 않았다.

2002년, 연구원들은 도자기 강화를 위해 조개껍질의 미세구조를 역설계하려고 노력했다.[6] 그들은 조개껍데기의 내구성이 "마이크로 아키텍처"에서 나온다는 것을 발견했다. 연구는 도자기가 그러한 건축물을 어떻게 채용할 수 있는지에 초점을 맞추기 시작했다.

2012년에 연구원들은 도자기와[7] 나노트러스라고 불리는 나노 건축물을 이용하여 해면체의 구조를 복제했다.[5] 2015년 기준으로 가장 큰 결과는 1mm 큐브다. 격자 구조는 원래 두께의 85%까지 압축해 원형을 회복할 수 있다. 이들 격자는 구조 건전성과 유연성을 위해 교차부재와 삼각형으로 안정화된다.

2020년, Kokarneswaran 외 연구진은 Nature에서 단벽 탄소 나노튜브 뭉치, 다벽 탄소 나노튜브, 구조와 같은 시트 등 탄소 나노구조의 다양한 형태 발견에 관한 논문을 발표했는데, 아마도 그래핀 산화물은 인도 케엘라디의 도자기 파편의 내부 검은 코팅에서 관찰되었을 것이다.기원전 6세기까지의 연탄.[8] 그것은 지금까지 관찰된 가장 오래된 나노구조물이다. 일반적으로 CNT와 그래핀은 벌크 카운터파트에 비해 기계적 강도가 뛰어난 것으로 알려져 있다. 케일라디 코팅에서 이 두 탄소 형태의 발견은 다음과 같은 의문을 제기한다. (i) 고대 킬라디 정착지는 이러한 성질의 중요성을 알고 의도적으로 그것을 개조하였는가? (ii) 검은 코팅이 샤드의 내부에서 관찰되는 것을 볼 때, 만약 이 도자기가 식용 준비나 보존을 위해 사용되었다면, 안시엔(ancien)t 문명은 CNT와 그래핀/그래핀 산화물 시트의 세포독성 특성을 인식할 수 있다.[8]

적용들

의료기술은 골격 수리에 세라믹 나노입자를 사용했다. 에너지 공급과 저장, 통신, 운송 시스템, 건설, 의료 기술 등의 분야에 대해 제안되었다. 그들의 전기적 특성은 에너지 전달 효율성이 100%에 근접하게 할 수 있다. 나노트루스는 콘크리트나 강철을 대체하는 건축 재료에 결국 적용할 수 있다.[9]

참조

  1. ^ a b Abdelrazek Khalil, Khalil (April 2012). "Advanced Sintering of Nano-Ceramic Materials". Ceramic Materials - Progress in Modern Ceramics. doi:10.5772/38287. ISBN 978-953-51-0476-6.
  2. ^ Thomas, SC; Harshita; Mishra, PK; Talegaonkar, S (2015). "Ceramic Nanoparticles: Fabrication Methods and Applications in Drug Delivery". Current Pharmaceutical Design. 21 (42): 6165–88. doi:10.2174/1381612821666151027153246. PMID 26503144.
  3. ^ Fesenmaier, Kimm. "Ceramics Don't Have To Be Brittle". Caltech. Archived from the original on 14 September 2014. Retrieved 11 September 2014.
  4. ^ Wang, Chen-Chi; Ying, Jackie Y. (September 15, 1999). "Sol−Gel Synthesis and Hydrothermal Processing of Anatase and Rutile Titania Nanocrystals". Chemistry of Materials. 11 (11): 3113–20. doi:10.1021/cm990180f.
  5. ^ a b Fesenmaier, Kimm. "Miniature Truss Work". Caltech. Archived from the original on 28 May 2014. Retrieved 23 May 2014.
  6. ^ Claire Diop, Julie. "R&D 2002:Nano Ceramics". MIT Technology Review. Retrieved December 1, 2002.
  7. ^ Fesenmaier, Kimm. "Made-to-Order Materials". Caltech. Archived from the original on 8 September 2013. Retrieved 5 September 2013.
  8. ^ a b Kokarneswaran, Manivannan, Selvaraj, 프라카시;Ashokan, Thennarasan, Perumal, 수레쉬, Sellappan, Pathikumar, 무루간, Kandhasamy Durai, Ramalingam, Sivanantham, 모한, Nagaboopathy, Chandrasekaran, Vijayanand(11월 13일 2020년)."탄소 나노 튜브의 6세기 기원전 토기에서 Keeladi, 인도의 디스커버리호".과학 보고서다. 10(1):19786.Bibcode:2020NatSR..1019786K.doi:10.1038/s41598-020-76720-z.ISSN 2045-2322.PMC7666134.PMID 33188244.텍스트는 창조적 공용 귀인 4.0국제 라이센스 하에 가능하다 이 원본에서 복사되었다.
  9. ^ Nissan, Ben (January 2014). "Nanoceramics in Biomedical Applications". MRS Bulletin. 29 (1): 28–32. doi:10.1557/mrs2004.13. hdl:10453/4163.

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