Materiały nanoporowate

{{}}

nanoporowate składają się z regularnej organicznej lub nieorganicznej fazy objętościowej, w której występuje porowata struktura. Materiały nanoporowate wykazują średnice porów, które najlepiej określa się ilościowo za pomocą jednostek nanometrów . Średnica porów w materiałach nanoporowatych wynosi zatem zwykle 100 nanometrów lub mniej. Pory mogą być otwarte lub zamknięte, a łączność porów i frakcja pustych przestrzeni różnią się znacznie, podobnie jak w przypadku innych materiałów porowatych. Otwarte pory to pory, które łączą się z powierzchnią materiału, podczas gdy pory zamknięte to kieszenie pustej przestrzeni w materiale sypkim. Otwarte pory są przydatne w technikach separacji molekularnej, badaniach adsorpcji i katalizy. Zamknięte pory są stosowane głównie w izolatorach termicznych i do zastosowań konstrukcyjnych.

Większość materiałów nanoporowatych można sklasyfikować jako materiały sypkie lub membrany. Węgiel aktywny i zeolity to dwa przykłady masowych materiałów nanoporowatych, podczas gdy błony komórkowe można traktować jako nanoporowate membrany. Porowaty ośrodek lub porowaty materiał to materiał zawierający pory (puste przestrzenie). Szkieletowa część materiału jest często nazywana „matrycą” lub „ramą”. Pory są zazwyczaj wypełnione cieczą (cieczą lub gazem).

1. Istnieje wiele naturalnych materiałów nanoporowatych, ale można również wytwarzać materiały sztuczne. Jedną z metod jest łączenie polimerów o różnych temperaturach topnienia, tak że po podgrzaniu jeden polimer ulega degradacji. Nanoporowaty materiał z porami o stałej wielkości ma właściwość przepuszczania tylko niektórych substancji, a blokowania innych. Termin odnosi się

Klasyfikacje

Klasyfikacja według rozmiaru

Termin nanomateriały obejmuje różnorodne formy materiałów o różnych zastosowaniach. Według IUPAC materiały porowate dzielą się na 3 kategorie:

• Materiały mikroporowate : 0,2–2 nm
• Materiały mezoporowate : 2–50 nm
• Materiały makroporowate : 50–1000 nm

Kategorie te są sprzeczne z klasyczną definicją materiałów nanoporowatych, ponieważ mają one średnicę porów od 1 do 100 nm. Zakres ten obejmuje wszystkie klasyfikacje wymienione powyżej. Jednak dla uproszczenia naukowcy zdecydowali się używać terminu nanomateriały i zamiast tego wymieniają związaną z nim średnicę.

Materiały mikroporowate i mezoporowate są rozróżniane jako odrębne klasy materiałów ze względu na różne zastosowania wynikające z wielkości porów w tych materiałach. W mylący sposób termin mikroporowaty jest używany do opisywania materiałów o mniejszych rozmiarach porów niż materiały powszechnie określane po prostu jako nanoporowate. Bardziej poprawnie, materiały mikroporowate są lepiej rozumiane jako podzbiór materiałów nanoporowatych, a mianowicie materiałów, które wykazują średnicę porów mniejszą niż 2 nm. Mając średnice porów ze skalą długości cząsteczek, takie materiały umożliwiają zastosowania wymagające selektywności molekularnej, takie jak membrany filtracyjne i separacyjne . Materiały mezoporowate, ogólnie odnoszące się do materiałów o średniej średnicy porów w zakresie 2-50 nm, są interesujące jako katalizatorów i adsorbenty ze względu na ich wysoki stosunek powierzchni do objętości.

Czasami klasyfikacja według wielkości staje się trudna, ponieważ mogą istnieć porowate materiały o różnych średnicach. Na przykład materiały mikroporowate mogą mieć kilka porów o średnicy od 2 do 50 nm z powodu przypadkowego upakowania ziaren. Te specyfiki należy wziąć pod uwagę przy kategoryzacji według wielkości porów.

Klasyfikacja według materiałów sieciowych

Oprócz klasyfikacji według wielkości materiały nanoporowate można dalej podzielić na organiczne i nieorganiczne materiały sieciowe. Materiał sieciowy to struktura „gospodarza” porów i miejsce, w którym medium (gaz lub ciecz) oddziałuje z podłożem. Chociaż istnieje wiele nieorganicznych nanoporowatych membran, niewiele jest organicznych ze względu na problemy ze stabilnością.

Organiczny

Organiczne materiały nanoporowate to polimery wykonane z pierwiastków takich jak bor, węgiel, azot i tlen. Materiały te są zwykle mikroporowate, chociaż istnieją struktury mezoporowate/mikroporowate. Obejmują one kowalencyjne szkielety organiczne (COF), kowalencyjne szkielety triazynowe, polimery o wewnętrznej mikroporowatości (PIM), polimery hiperusieciowane (HCP) i sprzężone polimery mikroporowate (CMP). Każdy z nich ma inną strukturę i etapy produkcji. Ogólnie rzecz biorąc, aby stworzyć organiczne nanoporowate materiały, monomer z więcej niż 2 rozgałęzieniami (tj. wiązaniami kowalencyjnymi ) rozpuszcza się w rozpuszczalniku . Po dodaniu dodatkowych monomerów i polimeryzacji rozpuszczalnik jest usuwany, a pozostała struktura jest uważana za materiał nanoporowaty.

Organiczne materiały nanoporowate można dalej podzielić na sieci krystaliczne i amorficzne . Sieci krystaliczne to materiały, które mają dobrze określone rozmiary porów. Rozmiary porów są tak dobrze określone, że po prostu zmieniając monomer, można uzyskać różne rozmiary porów. COF są przykładem takiej struktury krystalicznej. Natomiast amorficzne materiały nanoporowate mają rozkład wielkości porów i są zwykle nieuporządkowane. Przykładem są PIM-y. Obie kategorie mają różne zastosowania w reakcjach sorpcji i katalizy gazów.

Nieorganiczny

Nieorganiczne materiały nanoporowate to materiały porowate, które obejmują wykorzystanie materiałów tlenkowych, węglowych, binarnych i czystych metali. Przykłady obejmują zeolity , nanoporowaty tlenek glinu i nanorurki z tytanu. Zeolity to krystaliczne uwodnione tektoglinokrzemiany. Materiał ten jest kombinacją metali alkalicznych/ziem alkalicznych, tlenku glinu i hydratów krzemionki. Są one używane w złożach jonowymiennych i do oczyszczania wody. Nanoporowaty tlenek glinu jest biokompatybilnym materiałem szeroko stosowanym w różnych implantach dentystycznych i ortopedycznych. Nanorurki tytanowe są również stosowane w ortopedii, ale są wyjątkowe, ponieważ mogą tworzyć tlenek tytanu warstwa po wystawieniu na działanie tlenu. Ponieważ powierzchnia materiału jest chroniona przed utlenianiem, materiał ten ma doskonałą biokompatybilność z niesamowitą wytrzymałością mechaniczną.

Aplikacje

Przechowywanie/wykrywanie gazu

Magazynowanie gazu ma kluczowe znaczenie dla zastosowań energetycznych, medycznych i środowiskowych. Materiały nanoporowate umożliwiają unikalną metodę magazynowania gazu poprzez adsorpcję . Kiedy substrat i gaz oddziałują ze sobą, cząsteczki gazu mogą fizyoadsorbować lub kowalencyjnie wiązać się z nanoporowatym materiałem, co jest znane odpowiednio jako magazynowanie fizyczne i magazynowanie chemiczne. Chociaż można przechowywać gazy w fazie masowej, na przykład w butelce, nanoporowate materiały umożliwiają większą gęstość przechowywania, co jest atrakcyjne dla zastosowań energetycznych.

Przykładem takiego zastosowania jest magazynowanie wodoru . Wraz z nadejściem zmian klimatu rośnie zainteresowanie pojazdami bezemisyjnymi, zwłaszcza pojazdami elektrycznymi zasilanymi ogniwami paliwowymi. Magazynując wodór w dużych gęstościach przy użyciu porowatych materiałów, można zwiększyć zasięg samochodu elektrycznego.

Innym przypadkiem zastosowania materiałów nanoporowatych jest podłoże dla czujników gazu. Na przykład pomiar rezystywności elektrycznej porowatego metalu może dostarczyć dokładnego stężenia gatunku analitu w postaci gazowej. Ponieważ rezystywność podłoża jest proporcjonalna do pola powierzchni ośrodka porowatego, użycie materiałów nanoporowatych zapewni wyższą czułość w wykrywaniu śladowych związków gazowych niż ich odpowiedniki w masie. Jest to szczególnie przydatne, ponieważ materiały nanoporowate mają większą efektywną powierzchnię znormalizowaną do powierzchni w widoku z góry

Zastosowania biologiczne

Materiały nanoporowate są również wykorzystywane w zastosowaniach biologicznych. Reakcje katalizowane przez enzymy w zastosowaniach biologicznych są szeroko wykorzystywane do metabolizmu i przetwarzania dużych cząsteczek. Materiały nanoporowate dają możliwość osadzania enzymów na porowatym podłożu, co wydłuża czas reakcji w przypadku implantów długoterminowych. Innym zastosowaniem jest sekwencjonowanie DNA. Powlekając nieorganiczną nanoporowatą membranę materiałem izolacyjnym, nanopory można wykorzystać do analizy pojedynczych cząsteczek. Przeciągając DNA przez te nanopory, można odczytać przepływający przez nie prąd jonowy, który można skorelować z jednym z czterech nukleotydów .