¿Aplicación de nanomateriales en la producción química?
Las atractivas propiedades de los nanomateriales en términos de propiedades estructurales, optoelectrónicas y químicas han despertado un gran interés entre físicos, científicos de materiales y químicos. Desde que se formó el concepto de nanomateriales a principios de la década de 1980, los países de todo el mundo le han concedido gran importancia. Sus propiedades físicas y químicas únicas han hecho que la gente se dé cuenta de que su desarrollo puede brindar nuevas oportunidades para la investigación en física, química, materiales, biología, medicina y otras disciplinas. Las perspectivas de aplicación de los nanomateriales son muy amplias. En los últimos años también se ha utilizado en el campo de la producción química y ha demostrado su encanto único.
1. Aplicación en catálisis
Los catalizadores juegan un papel importante en muchos campos químicos y químicos. Pueden controlar el tiempo de reacción y mejorar la eficiencia y velocidad de la reacción. La mayoría de los catalizadores tradicionales no sólo tienen una baja eficiencia catalítica, sino que también se preparan basándose en la experiencia, lo que no sólo provoca un enorme desperdicio de materias primas, dificulta la mejora de los beneficios económicos, sino que también provoca contaminación del medio ambiente. Hay muchos centros activos en la superficie de las nanopartículas que proporcionan las condiciones necesarias para su uso como catalizadores. Cuando las nanopartículas sirven como catalizadores, la eficiencia de la reacción se puede mejorar enormemente, se pueden controlar las velocidades de reacción e incluso se pueden llevar a cabo reacciones que antes eran imposibles. La velocidad de reacción de las nanopartículas como catalizadores es de 10 a 15 veces mayor que la de los catalizadores ordinarios.
Los fotocatalizadores semiconductores se utilizan ampliamente como catalizadores, especialmente en la preparación de compuestos orgánicos. Cada partícula semiconductora dispersa en la solución puede considerarse aproximadamente como una microbatería en cortocircuito. Cuando un sistema de dispersión de semiconductores se ilumina con luz con una energía mayor que la brecha de energía del semiconductor, las nanopartículas semiconductoras absorben la luz para generar electrones. Par de agujeros. Bajo la acción de un campo eléctrico, los electrones y los huecos se separan y se mueven a diferentes posiciones en la superficie de la partícula, donde sufren reacciones redox con componentes similares en la solución.
Las reacciones fotocatalíticas implican una variedad de tipos de reacciones, como oxidación de alcoholes e hidrocarburos, redox de iones inorgánicos, deshidrogenación catalítica e hidrogenación de compuestos orgánicos, síntesis de aminoácidos, reacción de fijación de nitrógeno y tratamiento de purificación de agua. cambio agua-gas, etc., algunos de los cuales son difíciles de lograr con catálisis heterogénea. Los fotocatalizadores semiconductores heterogéneos pueden degradar eficazmente los contaminantes orgánicos del agua. Por ejemplo, el TiO2_2 nanométrico tiene alta actividad fotocatalítica, resistencia a ácidos y álcalis, estabilidad a la luz, no es tóxico, es barato y fácil de obtener, y es la mejor opción para preparar fotocatalizadores soportados. Se informa que se preparó un fotocatalizador soportado de TiO/SiO 2 con alta actividad catalítica utilizando gel de sílice como matriz. Las nanopartículas de níquel o compuestos de cobre y zinc son excelentes catalizadores para la hidrogenación de algunos compuestos orgánicos y pueden reemplazar los costosos catalizadores de platino o botón. El catalizador negro de nanoplatino puede reducir la temperatura de oxidación del etileno de 600 °C a temperatura ambiente. El uso de nanopartículas como catalizadores para mejorar la eficiencia de la reacción, optimizar las rutas de reacción y aumentar la velocidad de la reacción es un tema de investigación importante que no puede ignorarse en la futura ciencia de la catálisis y puede traer cambios revolucionarios a la aplicación de la catálisis en la industria.
2. Aplicación en recubrimientos
Debido a la particularidad de su superficie y estructura, los nanomateriales tienen excelentes propiedades difíciles de obtener con materiales comunes y muestran una gran vitalidad. La tecnología de recubrimiento de superficies también es un tema candente en el mundo actual. Los nanomateriales ofrecen grandes oportunidades para los recubrimientos de superficies, permitiendo funcionalizar materiales. Con la ayuda de la tecnología de recubrimiento tradicional y la adición de nanomateriales se pueden obtener recubrimientos nanocompuestos, consiguiendo un salto funcional y modificando las funciones de los recubrimientos tradicionales. Los revestimientos se pueden dividir en revestimientos estructurales y revestimientos funcionales según sus usos. Los recubrimientos estructurales se refieren a recubrimientos que mejoran y modifican ciertas propiedades del sustrato; los recubrimientos funcionales le dan al sustrato propiedades que este no tiene, obteniendo así funciones que los recubrimientos tradicionales no tienen. Los recubrimientos estructurales incluyen recubrimientos súper duros resistentes al desgaste, antioxidantes, resistentes al calor, retardantes de llama, resistentes a la corrosión y decorativos. Los recubrimientos funcionales incluyen recubrimientos ópticos con extinción, reflexión de la luz y absorción selectiva de la luz, recubrimientos eléctricos con propiedades conductoras, aislantes y semiconductoras, y recubrimientos sensibles con sensibilidad al oxígeno, sensibilidad a la humedad y sensibilidad a los gases. Agregar nanomateriales a los recubrimientos puede mejorar aún más sus capacidades protectoras y lograr el propósito de resistir la radiación ultravioleta, la intrusión atmosférica, la degradación y la decoloración. Utilizado en productos sanitarios, puede esterilizar y limpiar.
El uso de recubrimientos de nanomateriales en letreros puede utilizar sus propiedades ópticas para almacenar energía solar y ahorrar energía. Agregar nanomateriales apropiados a materiales de construcción como vidrio y pintura puede reducir la transmisión de luz y la transferencia de calor y producir efectos de aislamiento térmico y retardantes de llama. Panasonic Corporation de Japón ha desarrollado nanorrecubrimientos con buen blindaje electrostático, utilizando nanopartículas que incluyen óxido de hierro, dióxido de titanio y óxido de zinc. Estas partículas de nanoóxido con propiedades semiconductoras tienen una conductividad más alta que los óxidos convencionales a temperatura ambiente, por lo que pueden desempeñar un papel en el blindaje electrostático. Los colores de las nanopartículas de óxido son diferentes, por lo que los recubrimientos de blindaje electrostático se pueden controlar mediante la combinación. la monotonía de la pintura de protección electrostática de negro de carbón con un solo color. El color de los nanomateriales no sólo cambia con el tamaño de las partículas, sino que también tiene el efecto de cambiar de color con el ángulo. En la industria de pulverización decorativa para automóviles, agregar nano-TiO2 a la capa superior con brillo metálico de automóviles y sedanes puede producir efectos de color ricos y misteriosos en el recubrimiento, dando así a la capa superior tradicional para automóviles un aspecto completamente nuevo. La nanosílice es un material resistente a la radiación ultravioleta. Agregar nanosílice al recubrimiento puede duplicar la resistencia al envejecimiento, la suavidad y la resistencia del recubrimiento. Los nanorrecubrimientos tienen buenas perspectivas de aplicación y traerán una nueva revolución tecnológica a la tecnología de recubrimientos y promoverán la investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales compuestos.
3. Aplicación en otros productos de química fina.
La química fina es un enorme campo industrial con una gran cantidad de productos y amplios usos, que afecta a todos los aspectos de la vida humana. La superioridad de los nanomateriales sin duda traerá buenas noticias a la industria de la química fina y mostrará su fortaleza única. Los nanomateriales pueden desempeñar un papel importante en industrias de química fina como las del caucho, los plásticos y los recubrimientos. Si se añade nanosílice al caucho, se puede mejorar la resistencia del caucho a la radiación ultravioleta y a la reflexión infrarroja. Agregar Al2O3 y SiO2_2 nanométricos al caucho ordinario puede mejorar la resistencia al desgaste y las propiedades dieléctricas del caucho, y su elasticidad es significativamente mejor que la del caucho relleno con sílice negra. Agregar ciertos nanomateriales a los plásticos puede mejorar la resistencia y dureza del plástico y, en consecuencia, también se puede mejorar la densidad y la impermeabilidad.
Se ha añadido nanosílice como aditivo a selladores y adhesivos en el exterior, lo que mejora enormemente sus propiedades de sellado y adhesión. Además, los nanomateriales también tienen buenas aplicaciones en la modificación de fibras y la fabricación de vidrio orgánico. Agregar sílice de superficie modificada al vidrio orgánico puede hacer que el vidrio orgánico resista la radiación ultravioleta y logre el propósito del envejecimiento. Agregar A12O3 no solo afectará la transparencia del vidrio, sino que también mejorará la resistencia al impacto a altas temperaturas del vidrio. Anatasa TiO2 con un cierto tamaño de partícula tiene excelentes propiedades de protección ultravioleta, tiene una textura fina, no es tóxica e inodoro, y se puede agregar a los cosméticos para mejorar el rendimiento de los mismos. La aplicación del dióxido de titanio ultrafino también se puede extender a industrias como la de recubrimientos, plásticos y fibras sintéticas. Recientemente, se han desarrollado dióxido de titanio para envases de alimentos y dióxido de titanio nacarado para recubrimientos de acabado para automóviles de alta gama. Nano-TiO2_2 puede absorber fuertemente los rayos ultravioleta del sol y producir una fuerte actividad fotoquímica. Puede degradar fotocatalíticamente contaminantes orgánicos en aguas residuales industriales. Tiene las ventajas de alta purificación, ausencia de contaminación secundaria, amplia aplicabilidad, etc., y tiene buenas perspectivas de aplicación en el tratamiento de agua respetuoso con el medio ambiente. En el campo de las ciencias medioambientales, además de utilizar nanomateriales como catalizadores para tratar los residuos emitidos en la producción industrial, también aparecerán nanopelículas con funciones únicas. Esta membrana puede detectar la contaminación causada por agentes químicos y biológicos y filtrar estos agentes para eliminar la contaminación.
4. Aplicación en medicina
Las ciencias de la salud en el siglo XXI se desarrollarán a una velocidad inesperada y la demanda de medicamentos por parte de la gente es cada vez mayor. El control de la liberación de medicamentos, la reducción de los efectos secundarios, la mejora de la eficacia de los medicamentos y el desarrollo de terapias farmacológicas dirigidas se han incluido en la agenda de investigación. Las nanopartículas facilitarán el transporte de medicamentos dentro del cuerpo. Los medicamentos inteligentes envueltos en varias capas de nanopartículas ingresan al cuerpo humano y pueden buscar y atacar activamente células cancerosas o reparar tejidos dañados. Los nuevos instrumentos de diagnóstico que utilizan la nanotecnología pueden diagnosticar diversas enfermedades mediante la detección de proteínas y ADN en una pequeña cantidad de sangre. El MIT ha preparado un fármaco dirigido que utiliza materiales nanomagnéticos como portadores de fármacos, llamado "misiles dirigidos". Esta tecnología consiste en cargar medicamentos en la superficie de proteínas recubiertas con nanopartículas magnéticas, inyectarlas en los vasos sanguíneos humanos, transportarlos al sitio enfermo a través de la navegación por un campo magnético y luego liberar los medicamentos. Las nanopartículas son pequeñas y pueden fluir libremente en los vasos sanguíneos, por lo que pueden usarse para detectar y tratar enfermedades en diversas partes del cuerpo. También se han realizado muchos trabajos de investigación sobre la aplicación de nanopartículas en medicina clínica y radioterapia.
Según el People's Daily, China ha aplicado con éxito la nanotecnología en el campo médico. Nanjing Xike Group utiliza tecnología de nanoplata para desarrollar y producir apósitos médicos. Algodón antibacteriano de amplio espectro y larga duración. El principio de producción de este algodón antibacteriano es utilizar nanotecnología para convertir la plata en partículas ultrafinas de tamaño nanométrico, que luego se adhieren a tejidos de algodón. La plata previene las úlceras y acelera la cicatrización de heridas. Después de ser tratada con nanotecnología, la superficie de la plata aumenta drásticamente, la estructura de la superficie cambia y la capacidad bactericida aumenta aproximadamente 200 veces, lo que tiene un buen efecto inhibidor sobre las bacterias comunes de infección quirúrgica.
Como sistema de administración de fármacos, las micropartículas y nanopartículas no son tóxicas, son estables, bioactivas y no reaccionan con los fármacos. Los nanosistemas se utilizan principalmente para la administración de fármacos con elevados efectos secundarios, vidas medias biológicas cortas y fácil degradación por enzimas biológicas.
La nanobiología se utiliza para estudiar procesos biológicos a escala nanométrica con el fin de desarrollar ingeniería de aplicaciones moleculares basada en principios biológicos. Recubrir las partículas ultrafinas de hierro metálico con una capa de polímero con un espesor de 5 a 20 nm puede inmovilizar una gran cantidad de proteínas, especialmente enzimas, para controlar reacciones bioquímicas. Esto es de gran utilidad en tecnología bioquímica e ingeniería enzimática. A través de la combinación de nanotecnología y biología, estudiamos dispositivos biológicos moleculares y utilizamos nanosensores para obtener información biológica dentro de las células, comprendiendo así el estado del cuerpo y profundizando la explicación de la fisiología y patología por parte de las personas.
5. Conclusión
La nanociencia es una nueva ciencia que integra la ciencia básica y la ciencia aplicada, incluyendo la nanoelectrónica, los nanomateriales y la nanobiología. El siglo XXI será la era de la nanotecnología. Por ello, la Comisión Nacional de Ciencia y Tecnología y la Academia de Ciencias de China definen la nanotecnología como "la ciencia más importante y de vanguardia del siglo XXI". La aplicación de nanomateriales involucra varios campos y tiene amplias perspectivas de aplicación en maquinaria, electrónica, óptica, magnetismo, química, biología y otros campos. El nacimiento de la nanotecnología tendrá un profundo impacto en la sociedad humana y puede resolver fundamentalmente muchos problemas que enfrenta la humanidad, especialmente cuestiones importantes como la energía, la salud humana y la protección del medio ambiente.
A principios del siglo XX, la tarea principal de 265438+ era diseñar diversos materiales y dispositivos nuevos basados en las novedosas propiedades físicas y químicas de los nanomateriales. Mediante la transformación de productos tradicionales mediante la ciencia y la tecnología de nanomateriales, el aumento de su contenido de alta tecnología y el desarrollo de nuevos productos con nanoestructuras, hay señales prometedoras y tienen la base para formar nuevos puntos de crecimiento económico en el siglo XXI. Los nanomateriales se convertirán en una estrella brillante en el campo de la ciencia de materiales y desempeñarán un papel decisivo en nuevos materiales, energía, información y otros campos. Con el desarrollo continuo de su tecnología de preparación y modificación, los nanomateriales se utilizarán ampliamente en muchos campos, como la química fina y la producción farmacéutica.
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