Skoči na vsebino

LASTNOSTI IN KLASIFIKACIJA NANOMATERIALOV

Velikost delca in specifična površina sta pomembni karakteristiki nanodelcev z vidika biološke reaktivnosti. Ob manjšanju velikosti delca se njegova specifična površina povečuje, s tem pa se povečuje tudi delež atomov in molekul na površini delca. Povečanje specifične površine predstavlja povečanje reaktivnosti skupin na površini nanodelca in s tem tudi povečanje reaktivnosti delcev nanometrskih velikosti v primerjavi z večjimi delci enake kemijske sestave.


Poleg povečane kemijske reaktivnosti ravno majhnost daje nanomaterialom posebne lastnosti, ki jih pri večjih delcih istega materiala ne najdemo, kot npr. hitrejša difuzija v plinih ali tekočinah, spremenjene optične in fizikalne lastnosti (kvantni pojavi), večja težnja po združevanju v skupke (aglomeracija), itd.


V primerjavi z mikrodelci imajo nanodelci zelo veliko specifično površino in visoko število delcev na enoto mase. Razmerje med površino in prostornino (ali maso) za delec s premerom 60 nm je 1000-krat večje kot pri delcu s premerom 60 μm, zato je tudi reaktivnost približno 1000-krat večja.


Velikost nanodelcev je primerljiva z velikostjo posameznih delov žive celice. Zato nanodelci lahko vplivajo na celične membrane in s tem na delovanje celic, nekateri nanodelci pa lahko v živo celico tudi vstopijo, se v njej kopičijo in vplivajo na celične mehanizme. Večja specifična površina nanodelcev pomeni tudi, da je celica izpostavljena več aktivnim molekulam na površini delca, kar ima lahko pozitivne (vnos učinkovin) kot tudi negativne posledice (npr. strupenost, nastanek reaktivnih kisikovih radikalov).


Materiali, zmanjšani na nanoraven, lahko kažejo bistveno drugačne lastnosti v primerjavi s tistimi, ki jih kažejo na makroravni. Npr. motne snovi postanejo transparentne (baker), inertni materiali postanejo katalizatorji (platina), temperatura oksidacije kovin se zniža (aluminij), temperatura tališča se zniža (zlato) in izolatorji postanejo prevodniki (silicij).

 

Nanomateriale lahko razvrstimo glede na njihovo dimenzijo, morfologijo, sestavo, uniformnost in stopnjo aglomeracije.


Dimenzionalnost (D)


- 0D nanomateriali so nanodelci z nobeno dimenzijo, večjo od 100 nm. 0D nanomateriali vključujejo kroglice ali skupke, ki jih obravnavamo kot točkaste (point-like) delce.


- 1D nanomateriali so materiali z eno dimenzijo, večjo od 100 nm (oz. z dvema dimenzijama, manjšima od 100 nm). Navadno gre za tanke iglice, žičke ali nitke.


- 2D nanomateriali imajo dve dimenziji, večji od 100 nm (oz. eno razsežnost, manjšo od 100 nm). Vključujejo 2D nanostrukturirane plasti, pri katerih so nanostrukture trdno pritrjene na podlago, ali pa gre za nanoporozne filtre, ki se uporabljajo za ločitev majhnih delcev in njihovo filtriranje, za tanke luske ali površinske sloje.


- 3D nanomateriali so v vseh treh dimenzijah večji od 100 nm, vendar so nanofazni, vsebujejo stikajoča se zrna nanometrskih velikosti, največkrat z različnimi orientacijami. Vključujejo t.i. ultrafine prahove, koloide, disperzije nanodelcev ter nanoporozne materiale.

 

Oblika


Značilnosti oblike delcev, ki jih moramo upoštevati, so: poroznost, razcepljenost, togost, upogljivost in razmerje med dolžino in širino oz. premerom. Nanomateriali z velikim razmerjem med dolžino in premerom vključujejo nanocevke in nanožice z različnimi oblikami. Oblike delcev z nizkim razmerjem vključujejo okrogle, ovalne, kockaste, prizmatične, spiralne ali stebrne oblike. Zbirke več delcev obstajajo v obliki prahu, suspenzij ali koloidov. Oblika nanodelca tudi določa njegov aerodinamični ali hidrodinamični premer, kar je pomembno za razumevanje uhajanja nanodelcev v ozračje in tudi za potovanje delcev po zraku ter telesnih tekočinah.


Majhni in približno okrogli delci so podvrženi hitremu gibanju v plinu ali tekočini. Lahko prehajajo skozi luknjice filtrov in trkajo med seboj ter z molekulami medija, v katerem se gibljejo. Nitkasti delci imajo običajno večjo maso, zato so bolj podvrženi sedimentaciji, lažje jih je prestreči s filtri, hkrati pa se lažje srečajo med seboj in se pri trčenju združijo. Njihova togost ali gibkost vplivata na to, ali se bodo nitke med seboj združile v snope, ki se lahko spet razpršijo, ali pa v kroglaste skupke, v katerih se nitke ukrivijo in se težko spet osvobodijo. Na te procese seveda močno vplivata tudi kemijska sestava delcev in električna nabitost oziroma polarnost delcev.


Nanodelci, ki so približno kroglasti, se v alveolnih območjih pljuč lažje izognejo celicam makrofagov, zato ne povzročajo toliko vnetnih procesov kot nitkasti delci. So pa po velikosti bližji receptorjem celične membrane, zato pljučna celica takega delca ne spozna kot sovražni tujek in ga s procesom endocitoze spusti vase in posledično tudi v krvni obtok.


Tanki lističi materiala, ki prav tako spadajo v družino nanodelcev, če so tanjši od 100 nm, se običajno gubajo ali zvijajo pod vplivom trkov okoliških molekul. Tudi v idealno brezzračnem prostoru so dvodimenzionalne snovi energijsko nestabilne, zato pride do neenakomerne razporeditve naboja, kar poveča sposobnost vezave tankih lističev na podlago, tudi na sluzi in druge telesne tekočine. Ko se lističi enkrat prilepijo na podlago, jih je zelo težko odstraniti.

 

Sestava


Nanomateriali so lahko sestavljeni iz nanodelcev ene ali več snovi. Nanodelci, ki jih najdemo v naravi, so pogosto aglomeracije materialov z različnimi sestavami, medtem ko so materiali, sestavljeni iz nanodelcev ene spojine, sintetizirani z različnimi metodami.

 

Pojavnost in združevanje (aglomeracija) nanodelcev


Nanodelci lahko, na osnovi svoje kemijske sestave in elektromagnetnih lastnosti, obstajajo kot razpršeni aerosoli, kot suspenzije/koloidi ali pa v aglomeriranem stanju. V aglomeriranem stanju se lahko nanodelci obnašajo kot večji delci, odvisno od velikosti aglomerata. Stabilnost takih aglomeratov je odvisna od kemijskega okolja, običajno od velikosti pH vrednosti in od mehanske obremenitve.