DOI: https://doi.org/10.1007/s43994-024-00165-7
تاريخ النشر: 2024-05-30
المؤلف: Nuha Al‐Harbi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على تكنولوجيا النانو، مع التركيز بشكل خاص على المواد النانوية، التي تُعرف بأنها مواد بأبعاد تتراوح من 1 إلى 100 نانومتر. تُصنف هذه المواد النانوية بناءً على ركيزتها إلى عدة أنواع، بما في ذلك المواد القائمة على الكربون، والمواد المعدنية، والسيراميك، والمواد الدهنية، والمواد شبه الموصلة، ومواد البوليمر. يتم إنتاج هذه المواد باستخدام طرق فيزيائية متنوعة مثل تكثيف الغاز الخامل (IGC)، والتبخر الفيزيائي، وتفريغ القوس الكهربائي، والرذاذ، وتقنيات الليزر. يتم تحقيق توصيف المواد النانوية من خلال عدة طرق تحليلية، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-V)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل برونور-إيميت-تيلر (BET)، وتصوير الميكروسكوب الإلكتروني الماسح بتأثير المجال (FESEM)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIRS)، وتصوير الميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل حجم زيتا.
تؤكد الخاتمة على الأبحاث الواسعة التي أجريت على المواد النانوية، مع تسليط الضوء على تصنيفها حسب الشكل والحجم والمصدر. تشير إلى نهجين رئيسيين للتخليق: الطرق من الأعلى إلى الأسفل والطرق من الأسفل إلى الأعلى، والتي تشمل تقنيات فيزيائية وكيميائية وبيولوجية. تتناول المراجعة بشكل خاص الطرق الفيزيائية لإنتاج المواد النانوية وتؤكد على أهمية تقنيات التوصيف المختلفة في تحديد خصائصها. يمتد الطابع بين التخصصات لأبحاث المواد النانوية عبر مجالات مثل الفيزياء، وعلوم المواد، والهندسة، والكيمياء، مما يساهم بشكل كبير في التقدم في قطاعات تطبيقية متنوعة، بما في ذلك علوم البيئة، والزراعة، ومعالجة الأغذية، والطب، والمعالجة الكيميائية، والتطبيقات العسكرية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التعريفات والتصنيفات المتطورة للمواد النانوية، والتي تعتبر عمومًا أنها تحتوي على بعد واحد على الأقل في نطاق 1-100 نانومتر. يبرز النص الغموض في تعريف المواد النانوية، حيث يصنفها بعض الباحثين على أنها مواد أصغر من بضع نانومترات، بينما يمد آخرون التعريف ليشمل تلك التي تقل عن ميكرومتر واحد. يتم تعريف المصطلحات الرئيسية المتعلقة بالمواد النانوية، بما في ذلك تكنولوجيا النانو، وتصنيع النانو، وأنواع مختلفة من الأجسام النانوية مثل الجسيمات النانوية، والأنابيب النانوية، والأنابيب النانوية، كل منها يتميز بخصائص أبعاد وبنية محددة.
يتم استكشاف تخليق المواد النانوية من خلال ثلاث طرق رئيسية: العمليات الفيزيائية، والكيميائية، والبيولوجية. تتبع الطرق الفيزيائية، مثل الطحن الكروي الميكانيكي وتقنيات الليزر، عادة نهج من الأعلى إلى الأسفل، بينما تستخدم الطرق الكيميائية والبيولوجية استراتيجيات من الأسفل إلى الأعلى. تؤكد المقدمة أيضًا على تأثير عوامل مختلفة، بما في ذلك نوع المادة، وظروف التفاعل، ودرجة الحموضة، على كفاءة وخصائص إنتاج المواد النانوية. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على التقنيات الفيزيائية لتوليد المواد النانوية، وطرق توصيفها، وتطبيقاتها المتنوعة عبر المجالات البيئية والزراعية والعسكرية.
طرق
تستعرض هذه القسم أنواعًا مختلفة من المواد النانوية المصنفة حسب حجمها، وشكلها، وخصائصها الفيزيائية، وتركيبها الكيميائي. تشمل المواد النانوية القائمة على الكربون الفوليرينات، والأنابيب النانوية الكربونية، والجرافين، وألياف الكربون النانوية، كل منها يظهر خصائص فيزيائية وكيميائية مميزة. تُنتج المواد النانوية القائمة على المعادن، التي تتراوح عادة من 10 إلى 100 نانومتر، باستخدام تقنيات متنوعة وتشمل معادن مثل الذهب، والفضة، والنحاس، التي تمتلك خصائص ضوئية فريدة بسبب الرنين السطحي المحصور (SPR). تجد هذه المواد تطبيقات في مجالات مثل المبيدات الحيوية، والاستشعار عن بعد، والتصوير الطبي، مع أمثلة محددة تشمل أكسيد السيريوم لكفاءة الاحتراق وأكسيد الحديد الفائق المغناطيسية للتصوير بالرنين المغناطيسي.
تُنتج المواد النانوية السيراميكية، التي تتميز بتكوينها غير العضوي وغير المعدني، من خلال المعالجة الحرارية وتستخدم في تطبيقات تتراوح من التحفيز الكيميائي إلى تصنيع البطاريات. تُستخدم المواد النانوية القائمة على الدهون، التي تتراوح أحجامها بين 10 إلى 1000 نانومتر، بشكل أساسي في التطبيقات البيولوجية. تربط المواد النانوية شبه الموصلة بين خصائص المعادن وغير المعادن، وتجد استخدامًا في الخلايا الشمسية ومصابيح LED. أخيرًا، تعتبر المواد النانوية البوليمرية، التي يمكن أن تشكل كريات نانوية أو كبسولات نانوية، مهمة في صناعة الأدوية. كما تؤكد هذه القسم على أهمية تقنيات التوصيف، مثل تصوير الميكروسكوب الإلكتروني الماسح بتأثير المجال (FESEM)، لتحليل الخصائص الشكلية، والكيميائية، والفيزيائية لهذه المواد النانوية.
مناقشة
توفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة عامة على مختلف المواد النانوية، بما في ذلك الفوليرينات، والأنابيب النانوية الكربونية، والجرافين، وألياف الكربون النانوية، والفحم الكربوني، مع تسليط الضوء على خصائصها الهيكلية وتطبيقاتها. الفوليرينات، الممثلة بالرمز الكيميائي (C60)، هي جزيئات كربونية كروية ذات موصلية كهربائية عالية، مما يجعلها قيمة في الأجهزة الإلكترونية. تختلف الأنابيب النانوية الكربونية، التي تُنتج من خلال طرق مثل الليزر أو القوس الكهربائي، في الحجم من تكوينات جدار واحد إلى تكوينات متعددة الجدران ويمكن أن تُملأ بجزيئات الفوليرين. يتم مناقشة الجرافين، وهو شبكة سداسية ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون، وألياف الكربون النانوية، وهي ألياف ملتفة تُنتج بطريقة مشابهة للجرافين، لخصائصها الفريدة.
تتوسع القسم أكثر في توضيح تقنيات التخليق المختلفة للمواد النانوية، مثل الطحن الكروي الميكانيكي، وتكثيف الغاز الخامل، وترسيب البخار الفيزيائي (PVD)، والتبخر بالليزر، كل منها له مزايا وعيوب مميزة. على سبيل المثال، يُلاحظ أن الطحن الكروي الميكانيكي ينتج مواد نانوية عالية النقاء ولكنه يتطلب طاقة ووقتًا كبيرين. بالمقابل، يُعتبر PVD صديقًا للبيئة ويسمح بالتحكم في حجم الجسيمات النانوية ولكنه يحمل تكاليف إنتاج عالية. تغطي المناقشة أيضًا طرق التوصيف مثل مطيافية UV-Vis، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، وتصوير الميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM)، التي تعتبر أساسية لتحليل خصائص وهياكل المواد النانوية. أخيرًا، يتم التأكيد على التطبيقات البيئية للمواد النانوية، وخاصة في المعالجة البيولوجية لإزالة الملوثات من الماء والتربة، مما يبرز إمكانياتها في مواجهة التحديات البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s43994-024-00165-7
Publication Date: 2024-05-30
Author(s): Nuha Al‐Harbi et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The section provides an overview of nanotechnology, specifically focusing on nanomaterials, which are defined as materials with dimensions ranging from 1 to 100 nm. These nanomaterials are categorized based on their substrate into several types, including carbon-based, metal-based, ceramic, lipid-based, semiconductor, and polymer nanomaterials. The production of these materials employs various physical methods such as inert gas condensation (IGC), physical evaporation, electric arc discharge, sputtering, and laser techniques. Characterization of nanomaterials is achieved through several analytical methods, including ultraviolet-visible (UV-V) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, field emission scanning electron microscopy (FESEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS), transmission electron microscopy (TEM), and Zeta size analysis.
The conclusion emphasizes the extensive research conducted on nanomaterials, highlighting their classification by shape, size, and source. It notes the two primary synthesis approaches: top-down and bottom-up methods, which encompass physical, chemical, and biological techniques. The review specifically addresses the physical methods for nanomaterial production and underscores the importance of various characterization techniques in determining their properties. The interdisciplinary nature of nanomaterial research spans fields such as physics, materials science, engineering, and chemistry, contributing significantly to advancements in diverse applied sectors, including environmental science, agriculture, food processing, medicine, chemical processing, and military applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the evolving definitions and classifications of nanomaterials, which are generally considered to have at least one dimension in the range of 1-100 nm. The text highlights the ambiguity in defining nanomaterials, with some researchers categorizing them as materials smaller than a few nanometers, while others extend the definition to include those under one micrometer. Key terms related to nanomaterials are defined, including nanotechnology, nanomanufacturing, and various types of nano-objects such as nanoparticles, nanorods, and nanotubes, each characterized by specific dimensional and structural properties.
The synthesis of nanomaterials is explored through three primary methods: physical, chemical, and biological processes. Physical methods, such as mechanical ball milling and laser techniques, typically follow a top-down approach, while chemical and biological methods employ bottom-up strategies. The introduction also emphasizes the influence of various factors, including material type, reaction conditions, and pH, on the efficiency and characteristics of nanomaterial production. The review aims to provide a comprehensive overview of physical techniques for generating nanomaterials, their characterization methods, and their diverse applications across environmental, agricultural, and military fields.
Methods
The section outlines various types of nanomaterials categorized by their size, shape, physical characteristics, and chemical composition. Carbon-based nanomaterials include fullerenes, carbon nanotubes, graphene, and carbon nanofibers, each exhibiting distinct physical and chemical properties. Metal-based nanomaterials, typically ranging from 10 to 100 nm, are produced using various techniques and include metals like gold, silver, and copper, which possess unique photoelectric properties due to confined surface plasmon resonance (SPR). These materials find applications in fields such as biocides, remote sensing, and medical imaging, with specific examples including cerium oxide for combustion efficiency and superparamagnetic iron oxide for MRI.
Ceramic nanomaterials, characterized by their inorganic and non-metallic composition, are produced through heat treatment and are utilized in applications ranging from chemical catalysis to battery manufacturing. Lipid-based nanomaterials, with sizes between 10 to 1000 nm, are primarily used in biological applications. Semiconductor nanomaterials bridge the properties of metals and nonmetals, finding use in solar cells and LEDs. Lastly, polymer nanomaterials, which can form nanospheres or nano-capsules, are significant in the pharmaceutical industry. The section also emphasizes the importance of characterization techniques, such as field emission scanning electron microscopy (FESEM), for analyzing the morphological, chemical, and physical properties of these nanomaterials.
Discussion
The discussion section of the research paper provides an overview of various nanomaterials, including fullerenes, carbon nanotubes, graphene, carbon nanofibers, and carbon black, highlighting their structural characteristics and applications. Fullerenes, represented by the chemical symbol (C60), are spherical carbon molecules with high electrical conductivity, making them valuable in electronic devices. Carbon nanotubes, produced through methods like laser or electric arc, vary in size from single-wall to multi-wall configurations and can be filled with fullerene molecules. Graphene, a two-dimensional hexagonal lattice of carbon atoms, and carbon nanofibers, coiled fibers produced similarly to graphene, are also discussed for their unique properties.
The section further elaborates on various synthesis techniques for nanomaterials, such as mechanical ball milling, inert gas condensation, physical vapor deposition (PVD), and laser ablation, each with distinct advantages and disadvantages. For instance, mechanical ball milling is noted for producing high-purity nanomaterials but requires significant energy and time. In contrast, PVD is environmentally friendly and allows for controlled nanoparticle size but has high production costs. The discussion also covers characterization methods like UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM), which are essential for analyzing the properties and structures of nanomaterials. Finally, the environmental applications of nanomaterials, particularly in bioremediation for the removal of pollutants from water and soil, are emphasized, showcasing their potential in addressing environmental challenges.