Нанофазная керамика - Nanophase ceramic

Нанофазная керамика находятся керамика которые нанофазные материалы (то есть материалы с размером зерна менее 100 нанометров).[1][2]У них есть потенциал для сверхпластическая деформация.[1] Из-за небольшого размера зерна и дополнительных свойств границ зерен, таких как пластичность, твердость и реакционная способность, наблюдаются резкие изменения по сравнению с керамикой с более крупными зернами.

Структура

Структура нанофазной керамики не слишком отличается от структуры керамика. Основное отличие - это количество площади поверхности на массу. Частицы керамика имеют небольшую площадь поверхности, но когда эти частицы сжимаются в пределах нескольких нанометров, площадь поверхности равна той же величине массы керамика сильно увеличивается.[3] Таким образом, в целом, нанофазные материалы имеют большую площадь поверхности, чем у материала аналогичной массы в большем масштабе.[3] Это важно, потому что, если площадь поверхности очень велика, частицы могут контактировать с большей частью своего окружения, что, в свою очередь, увеличивает реакционную способность материала.[3] Реакционная способность материала изменяет его механические свойства и химические свойства, среди прочего.[3] Особенно это касается нанофазной керамики.

Характеристики

Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, чем обычная керамика из-за их улучшенной реактивности.[3] Нанофазная керамика демонстрирует механические свойства, отличные от их аналогов, такие как более высокие твердость, выше вязкость разрушения, и высокий пластичность.[4] Эти свойства далеки от керамика которые ведут себя как хрупкие материалы с низкой пластичностью.

Оксид титана

Чувствительность скорости деформации для TiO
2.[5]
Микротвердость TiO
2.[5]

Оксид титана (TiO
2), имеет повышенную твердость и пластичность в наномасштабе. В эксперименте крупинки оксид титана которые имели средний размер 12 нанометров, были сжаты при 1,4 ГПа и спеченный при 200 ° С.[5] В результате твердость зерна была примерно в 2,2 раза выше, чем у зерна оксид титана со средним размером 1,3 микрометра при той же температуре и давлении.[5] В том же эксперименте пластичность из оксид титана был измерен. В скорость деформации чувствительность 250 нанометрового зерна оксид титана составляла около 0,0175, а зерно размером около 20 нанометров имело скорость деформации чувствительность примерно 0,037; значительное увеличение.[5]

Обработка

Нанофазная керамика может быть обработана из атомарных, молекулярных или объемных прекурсоров.[6] Газовая конденсация, химическое осаждение, аэрозольные реакции, биологические шаблоны, химическое осаждение из паровой фазы, и физическое осаждение из паровой фазы представляют собой методы, используемые для синтеза нанофазной керамики из молекулярных или атомных предшественников.[6] Обработка нанофазной керамики из сыпучих прекурсоров механическим истиранием, кристаллизация от аморфное состояние, и фазовое разделение используются для создания нанофазной керамики.[6] Синтез нанофазной керамики из атомных или молекулярных предшественников желателен больше, потому что может иметь место больший контроль над микроскопическими аспектами нанофазной керамики.[6]

Газовая конденсация

Синтез нанофазной керамики с использованием газовой конденсации.[5]

Газовая конденсация - это один из способов производства нанофазной керамики. Сначала керамика-прекурсор испаряется из источников внутри газоконденсатной камеры.[5] Затем керамика конденсируется в газе (в зависимости от синтезируемого материала) и транспортируется по конвекция к холодному пальцу, заполненному жидким азотом.[5] Затем керамические порошки соскребают с холодного пальца и собирают в воронку под холодным пальцем.[5] Затем керамические порошки уплотняются в устройстве для уплотнения при низком давлении, а затем в устройстве для уплотнения при высоком давлении.[5] Все это происходит в вакууме, поэтому никакие примеси не могут попасть в камеру и повлиять на результаты нанофазной керамики.[5]

Приложения

Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, которые делают ее оптимальной для множества применений.

Доставки лекарств

Материалы, используемые для доставки лекарств в последние десять лет, в основном были полимеры. Однако нанотехнологии открыли двери для использования керамика с преимуществами, ранее не замеченными в полимеры. Большое отношение площади поверхности к объему нанофазных материалов делает возможным высвобождение больших количеств лекарств в течение длительных периодов времени. Наночастицы, которые нужно заполнить лекарствами, можно легко изменять по размеру и составу, что позволяет увеличить эндоцитоз лекарств в клетки-мишени и увеличила дисперсию через фенестрации в капиллярах. Хотя все эти преимущества относятся к наночастицам в целом (включая полимеры ), керамика обладает другими, уникальными способностями. В отличие от полимеры, медленная деградация керамики позволяет более длительное высвобождение препарата. Полимеры также имеют тенденцию набухать в жидкости, что может вызвать нежелательный выброс лекарств. Отсутствие набухания у большинства керамических изделий позволяет лучше контролировать процесс. Керамика также может быть создана, чтобы соответствовать химическому составу биологических клеток в организме, увеличивая биоактивность и биосовместимость. Нанофазные керамические носители лекарственных средств также способны воздействовать на определенные клетки. Это может быть сделано путем изготовления материала для связи с определенной ячейкой или путем приложения внешнего магнитного поля, притягивающего носитель к определенному месту.

Костное замещение

Нанофазная керамика имеет большой потенциал для использования в ортопедическая медицина. Кость и коллаген имеют структуры на наноуровне. Наноматериалы могут быть изготовлены для имитации этих структур, что необходимо для трансплантатов и имплантатов, чтобы успешно адаптироваться к изменяющимся нагрузкам и справляться с ними. Поверхностные свойства нанофазной керамики также очень важны для замещения и регенерации кости. Нанофазная керамика имеет гораздо более грубую поверхность, чем более крупные материалы, а также большую площадь поверхности. Это способствует реактивности и абсорбции белков, которые способствуют развитию тканей. Нано-гидроксиапатит - это однофазная керамика, которая используется в качестве заменителя кости. Размер нанозерна увеличивает сцепление, рост и дифференциацию остеобласты на керамику. Поверхности нанофазной керамики также можно модифицировать, чтобы сделать их пористыми. остеобласты для создания кости внутри конструкции. Разрушение керамики также важно, потому что скорость может быть изменена путем изменения кристалличности. Таким образом, по мере роста кости заменитель может уменьшаться с той же скоростью.

Рекомендации

  1. ^ а б Авербак, Роберт С. (21 мая 1992 г.). «Нанофазная керамика: окончательный отчет» (PDF). Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн. Получено 22 ноября 2014.
  2. ^ Лэй Ян; Брайан У. Шелдон и Томас Дж. Вебстер (2010). «Нанофазная керамика для улучшения доставки лекарств: современные возможности и проблемы» (PDF). Бюллетень Американского керамического общества. п. 24. Получено 22 ноября, 2014.
  3. ^ а б c d е "Что такого особенного в наномасштабе?". nano.gov. Проверено 1 декабря 2014 года.
  4. ^ Шлуфарска, Изабела, Накано, Айитиро, Вашиста, Прия. (5 августа 2005 г.). «Кроссовер механического отклика нанокристаллической керамики» sciencemag.com. Том 309 стр. 911-913. По состоянию на 1 декабря 2014 г.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k Сигель, Р. В. (1991). "Кластерные нанофазные материалы". Ежегодный обзор материаловедения. 21: 559–578. Bibcode:1991AnRMS..21..559S. Дои:10.1146 / annurev.ms.21.080191.003015.
  6. ^ а б c d Сигел, Ричард В. «СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ». Апрель 1995 г. Проверено 7 декабря 2014 г.