Zamonaviy materialshunoslikda nanofizika va nanomaterialshunoslik o’rni va istiqbollari

Zamonaviy materialshunoslikda nanofizika va nanomaterialshunoslik o’rni va istiqbollari

Nanotexnologiya - hajmi 100 nm dan past bo'lgan ob'ektlar haqidagi fan. Nanomateryallarni ishlab chiqish va qo'llash bo'yicha tadqiqotlar materialshunoslik va nanotexnologiyaga muhandislik asosidagi yondashuvni oladi. Nanomateriallar ko'pincha qiziqarli optik, elektron va mexanik xususiyatlarga ega. Nanometr aniqligi bilan yirik, murakkab tuzilmalarni qurish qobiliyati tez sur'atlar bilan o'sib bormoqda va fanning bir nechta sohalarida qo'llanilishini qondirish uchun bir nechta yuqoridan pastga reduktiv yondashuvlar va pastdan yuqoriga qo'shimcha yondashuvlardan iborat. Nano-funktsional materiallarning fizik-kimyoviy xususiyati va strukturaviy moslashuvchanligi uning kimyo va kimyo muhandisligida keng qo'llanilishiga yordam beradi; fizika va elektronika; biokimyo va tibbiyot fanlari, qidiruv va konchilik; informatika va muhandislik. Bir nechta nufuzli nashr etilgan kitoblar va maqolalar orqali katta ma'lumotlar to'plamiga kirish mumkin bo'lib, ularning yagona maqsadi nanomateriallarni fanning bir qancha sohalarida tobora ortib borayotgan qo'llanilishi uchun kuchliroq nazariy asos yaratishga hissa qo'shishdir. Aniqlanishicha, nanomateriallar va nanotexnologiyadagi taraqqiyot bir qancha global muammolarni hal qilishda katta salohiyatga ega va agar fanlar yoki fan sohalari o'rtasidagi to'g'ri sinergiya bilan to'g'ri foydalanilsa, Yerdagi hayot sifatini oshiradi.

KIRISh

Nanotexnologiyalar uchun funktsional xususiyatlarga ega yangi materiallarni ishlab chiqish bo'yicha ilmiy tadqiqotlar butun dunyo e'tiborini tortdi va quyoshdan himoya qiluvchi vositalar, elektr jihozlari, kosmetika, to'qimachilik va sport anjomlari kabi yuzlab mahsulotlar; hammasi erishilgan ilmiy yutuqlarga asoslanadi. Nanotexnologiya tibbiyot sohasida, ayniqsa dori vositalarini yetkazib berish, biosensorlar va boshqa biomedikal ilovalarda qo'llanilishini topdi. Nanomateriallar ham atrof-muhitni muhofaza qilishda qo'llash uchun ishlab chiqilmoqda, masalan. atrof-muhitni ifloslantiruvchi moddalarni tozalash orqali turli xil atrof-muhit bo'linmalarini tiklash (Liddy, 2009). Nanotexnologiyadagi yutuqlarga turtki bo'lgan bir nechta ilovalar bir nechta fanlarda mavjud. Bu Shummer (2004) da yaqqol ko'rinib turibdiki, muallif 2002 va 2003 yillarda nanotexnologiyaga oid deb hisoblangan jurnallarda chop etilgan 600 ta nashrdan namuna olgan va jurnal mavzu toifalaridan foydalangan holda vizual tadqiqotlarni amalga oshirgan. Shuningdek, Grodal va Toma (2008) ishi nanotexnologiya va biotexnologiya o'rtasidagi tushunchalarning migratsiyasini aniqladi. Mualliflar "nano-biotexnologiya" kalit so'zi faolligi asosiy nanotexnologiya yoki biotexnologiyaga qaraganda ko'proq darajada o'sib borayotganini aniqladilar. Materiallarning sifatini ularning nano-tuzilmalarini qayta tashkil etish yoki takomillashtirish orqali yaxshilash nanotexnologiyaning bir shakli bo'lib, qo'shimcha nanotexnologiya sifatida qaraladi. Materiallar hajmining qisqarishi muammolarni hal qilish potentsialini va yangi iqtisodiy imkoniyatlarni ta'minlaydigan fizik-kimyoviy xususiyatlarning o'zgarishiga olib kelganda, bunday ilovalar evolyutsion nanotexnologiya deb ataladigan narsalarga misol bo'ladi (Jones, 2004). Venn diagrammasi (1-rasm) fan va nanotexnologiyaning bir qancha sohalarida mavjud bo'lgan munosabatlarni tasviriy tushuntirishni beradi. So'nggi paytlarda nanozarrachalar, nanomembrana va nano kukunlari og'ir metallar (masalan, kadmiy, mis, qo'rg'oshin, simob, nikel, rux), minerallar va ozuqa moddalari (masalan, fosfat, ammiak, nitrat va boshqalar) kimyoviy va biologik moddalarni aniqlash va olib tashlashda qo'llanilishini topdi. nitrit), siyanid, mikroorganiklar, suv o'tlari (masalan, siyanobakterial toksinlar) viruslar, bakteriyalar, parazitlar va farmatsevtika vositalari (masalan, antibiotiklar). Suvni tozalash dasturlari uchun funktsional materiallar sifatida baholanadigan to'rtta nano o'lchamdagi materiallar mavjud; ular metall nanozarrachalar, uglerod asosidagi nanomateriallar, zeolitlar va dendrimerlardir. Uglerod nanotubalari va tolalari ham ijobiy natijalarni ko'rsatdi. Nanomateriallar yuqori sirt maydoni (sirt/hajm nisbati) tufayli suvni tozalashda qo'llaniladigan boshqa usullarga qaraganda yaxshiroq natijalar beradi. Nanozarrachalar mikroblarga qarshi xossalari tufayli farmatsevtika, kosmetika, tibbiy asboblar, oziq-ovqat mahsulotlari, kiyim-kechak va suvni tozalash kabi keng doiradagi ilovalarda qo'llaniladi (Dhermendra va boshq., 2008). Umuman olganda, nanotexnologiya neft va gaz operatsiyalarining ko'p jihatlarida ko'plab muhim ilovalarni va neft konlarini qidirishda keng qo'llash istiqbollarini taqdim etdi. Metall nanozarrachalar, metall oksidi nanozarrachalari, uglerod nanotubalari va magnit nanozarralar kabi nano o'lchamdagi materiallarning turli to'plamlari neft va gaz operatsiyalarining turli turlarida keng qo'llanilgan. NANOMATERYALLARNING KIMYOSI VA TUZATISH QO'LLANISHI Oqava suvlarni tozalash jarayonlari chiqindi suv sifatini yaxshilash uchun mo'ljallangan. Turli tozalash jarayonlari quyidagilarni kamaytirishi mumkin: (i) muallaq qattiq moddalar, (ii) biologik parchalanadigan materiallar, (iii) patogen bakteriyalar, (iv) nitratlar va fosfatlar va boshqalar. Oqava suvlarni tozalash uch turga bo'linadi: (a) birlamchi, (b) Ikkilamchi va (c) Uchinchi darajali muolajalar (Abdel-Rauf va boshq., 2012). Tozalash turiga va tozalash bosqichlariga qarab, nanomateriallar suv tizimlaridan ifloslantiruvchi moddalar va mikroblarni samarali olib tashlash uchun tanlanadi. Ommaviy holatdagi hamkasblari bilan taqqoslaganda, ehtiyotkorlik bilan sintez qilingan nanomateriallar yaxshi sozlanishi elektron xususiyatlar, yaxshi sozlanishi optik xususiyatlar va yuqori reaktivlik afzalliklariga ega (Deniz va boshq., 2015).

Bugungi kunda mavjud remediatsiya texnologiyalarining aksariyati tejamkor emas, chunki ular kimyoviy iste'mol qilishning yuqori xarajatlarini (tozalash vositalari, qorayishga qarshi vositalar, biotsidlar va boshqalar), yuqori energiya xarajatlarini, yuqori texnik xarajatlarni, past samaradorlikni (≤50%), yuqori konsentratlarni qayta ishlash xarajatlari; ayniqsa, kuchli ifloslangan suv bilan ishlaganda, masalan. qishloq xo'jaligi chiqindi suvlari, to'qimachilik chiqindi suvlari va boshqalar. Bundan tashqari, ular ko'p vaqt talab etadi, xususan, nasos va tozalash usullari (Sharma va Bhattacharya, 2017). Shunday qilib, zaharli birikmalarni sirt va er osti va boshqa muhitlardan olib tashlash qobiliyatiga in situ kirish juda qiyin va buni tez, samarali va oqilona xarajatlar bilan amalga oshirish yakuniy maqsad va ko'proq tadqiqotlar talab etiladi. Ikkinchidan, maishiy va sanoat maqsadlarida foydalanish uchun suvning ahamiyatini ortiqcha ta'kidlab bo'lmaydi, ammo ifloslangan suvning halokatli oqibatlari ham tashvishlidir va butun dunyo e'tiborini tortadi. Nanozarrachalarni ishlab chiqarishda qo'llanilgan sintetik yo'l haqida ma'lumotlar mavjud, ular kimyoviy usullar, fotokimyoviy usullar, elektrokimyoviy usullar va boshqalarni o'z ichiga oladi. Nanozarrachalarni yuqoridan pastga yoki pastdan yuqoriga yondashuv yordamida sintez qilish mumkin. Tadqiqot maqolalarida kumush nanozarrachalar (AgNP) sintezining turli usullari haqida xabar berilgan. Ko'p qirrali pastdan yuqoriga yondashuvlar kimyoviy kamaytirish, fotokimyoviy va elektrokimyoviy usullarni o'z ichiga oladi. Zarrachalarning yadrolanishi bilan bog'liq mexanizmlar har qanday sintetik usulning natijasini bashorat qilishning kaliti sifatida muhokama qilindi. Nanomateryaldan oxirgi foydalanish yoki qo'llanilishi sintetik yo'lni tanlashni belgilaydi va bu oson qaror emas, chunki mahsulotning o'lchami va shakli metall kashshofga, qopqoq tanloviga, reaktsiya haroratiga va boshqa omillarga bog'liq (Pacioni va boshqalar. ., 2015). Kimyoviy qaytarilish usuli yordamida bir qancha nanozarrachalar tayyorlangan. Metall tuzlari natriy borgidrid, gidrazin yoki formaldegid yordamida kamaytirildi. Suvli eritmadagi metall ionlari kuchli qaytaruvchi vosita bilan, keyin esa kuchsizroq qaytaruvchi vosita bilan ishlov berilsa, sezilarli o'lchamdagi barqaror, kolloid zarrachalar hosil qilishi kutiladi (Landage va boshq., 2014; Tinwala va boshq., 2014). Kumush ionini kumush nanozarrachalarga (AgNP) kamaytirish mexanizmi 2-rasmda sitratni qaytaruvchi vosita sifatida tasvirlangan. Suvning ifloslanishi butun dunyo bo'ylab ekologik muammo bo'lib, nanotexnologiya global tahdidni hal qilish imkonini beradigan samarali vositadir. Kumush nanozarrachalar boshqa metall-nanozarrachalar qatorida mikrobial toksiklikni namoyon etishi, kuchli biosidal ta'sirga ega, ammo past konsentratsiyada inson tanasi uchun toksik bo'lmaganligi ma'lum (Harikumar va boshq., 2010). Suvni tozalash uchun biosintezlangan Ag nanopartikullarining mikroblarga qarshi salohiyati adabiyotlarda qayd etilgan (3-rasm). Kumush materiallar Escherichia coli va Klebsiella turlari va Carica papayya o'simlik ekstrakti yordamida sintez qilingan. Mahsulot UV-ko'rinadigan spektroskopiya, skanerlash elektron mikroskopiya (SEM) va energiya dispersiv rentgen tahlili (EDS) yordamida tavsiflangan. Kumush nanozarrachalar donador faollashtirilgan uglerodga adsorbsiyalangan va ifloslangan suvni tozalash uchun bakterial filtr sifatida ishlatilgan. Nanozarrachalar sintezida ishtirok etadigan enzimatik reaktsiya mikrob tomonidan taqdim etilgan nitrat reduktaza bo'lishi mumkin. Nitrat ionlari tomonidan qo'zg'atilgan bu ferment kumush, nikel va temir ionlarini nol oksidlanish darajasi bilan metall holatga tushiradi. Metall ionlarining kamayishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin bo'lgan mexanizm bu oltin nanozarrachalar uchun taklif qilingan elektron moki enzimatik metalni kamaytirish jarayonidir (Harikumar va boshq., 2010). Pestitsidlarni suvli eritmada olib tashlash Pestitsidlarning atrof-muhitdagi o'zaro ta'sirini tushuntirish uchun bir nechta tadqiqotlar o'tkazildi va pestitsidlarning adsorbentga adsorbsiyalanishi aniqlandi (Adeola, 2018; Ololade va boshq., 2018). Shunday qilib, xitosan boncuklariga yuklangan yoki ko'milgan kumush oksidi nanopartikullari sintez qilingan va suvdan pestitsidlarni olib tashlash uchun qo'llanilgan (Rahmanifar va Dehaghi, 2013). AgO ni tayyorlash uchun oddiy yondashuv qabul qilindi.

Nanomateryallarning fizik-kimyoviy xossalari Hajmi va sirt ta'siri Noan'anaviy neft va gaz resurslari yanada rivojlanib borgani sari, ko'proq an'anaviy kimyoviy moddalar rezervuarni quyish talablarini qondira olmaydi. Nanomateriallar nafaqat in'ektsiyani samarali ravishda yaxshilashi, balki o'ziga xos kirib borish qobiliyatini ham taqdim etishi mumkin, ayniqsa noan'anaviy neft va gaz resurslarida. Bu suv omborlarida kimyoviy moddalarning tarqalish tezligini sezilarli darajada oshiradigan va nano-suyuqlikni yuboradigan kichik o'lchamli effektdir.

952 afr. J. Biotexnologiya. suv omborlaridagi maqsadli hududlarga, qayta tiklash koeffitsientini sezilarli darajada oshirish uchun (Ayatullohi va Zerafat, 2012). Nano-zarralar ham kuchli sirt ta'siriga ega. Nanozarrachalarning o'ziga xos sirt maydoni katta, shuning uchun nanopartikullar va boshqa vositalar (masalan, mineral sirt va metall tuzi) o'rtasidagi kimyoviy bog'lanishlarning bog'lanish kuchi ortadi. Barcha nanomateriallarning yuzasi (kremniy, vanadiy, molibden va volfram oksidi) faol modifikatsiyalash joylari (masalan, oxirgi kislorod va ko'prik kislorodi) bilan boyitilgan bo'lib, ular nanomateriallar yuzasida stabilizatsiyani o'zgartirish va yaxshilash uchun asos bo'ladi. Faqat sirti o'zgartirilgan nanokimyoviy moddalar namlanish qobiliyatini o'zgartirish, mikro-zarrachalar migratsiyasini inhibe qilish, nanofiltratsiya va kesish qalinlashuvining maxsus xususiyatlarini taqdim etadi, shuning uchun ular neft konlarini rivojlantirishning har bir bosqichida haqiqiy talabni qondira oladi (Liu va boshq., 2016) Nanometr fotokatalitik xususiyati Nanometr fotokatalitik agenti ultrabinafsha nurlanish ostida redoks qobiliyatiga ega, shuning uchun ifloslantiruvchi moddalarni tozalash uchun nanometrli fotokatalitik texnologiya qo'llaniladi. Ushbu texnologiya, ayniqsa, organik moddalarni tozalash uchun juda mos keladi va neft konlari oqava suvlarini chuqur tozalashda katta salohiyatga ega (Xu va boshq., 2010). Nanometr fotokatalitik agenti odatda TiO2 tomonidan ta'sir qiladi, uning fotokatalitik reaktsiyasi faqat ultrabinafsha nurlar (to'lqin uzunligi 385 nm dan kam) qo'zg'atilgandan keyin sodir bo'ladi (Li va Xu, 2010). Kesishning qalinlashuv xususiyati mavjud suvni yopish va profilni nazorat qilish materiallari asosan jel, hajmni kengaytiruvchi zarracha va polimer mikrosfera bilan ta'sir qiladi. Ushbu materiallar o'z-o'zidan deformatsiyalanmaydi va ularning fizik va kimyoviy xossalari atrof-muhit sharoitlariga qarab o'zgarmaydi. Nanomateryallarning kesish qalinlashuvi xususiyati bu vaziyatni hal qilish uchun texnik echim beradi. Kesish quyuqlashtiruvchi suyuqlik (STF) kesish quyuqlashtiruvchi suyuqlik, kesish qalinlashtiruvchi jel va boshqalardan iborat. Bender va Vagner (1996) bu turdagi nanomaterialning kesishma qalinlashuv mexanizmini tasvirlab berdi. Nano-korroziya va aşınma qarshilik Neft burg'ulash muhandisligi sohasida sirt va teshik asboblari murakkab aşınma, korroziya, yuqori harorat, yuqori bosim, yuqori H2S va yuqori CO2 tarkibiga duchor bo'ladi, bu esa asboblarning shikastlanishi va korroziyaga olib keladi, narx. ishlab chiqarishning ko'payishi va kamayishi va salbiy ta'sirning kuchayishi (masalan, faoliyat xavfi va atrof-muhitning ifloslanishi). Masalan, asosiy zaif qismlar (masalan, burg'ulash uchi, kengaytirish konusi, piston, rotator va sayqallangan novda) yuqori samarali nano qoplama yordamida yaxshilanishi mumkin. Yangi yuqori qattiqlikdagi aşınmaya bardoshli nanoqoplam an'anaviy aşınmaya bardoshli qoplamadan (masalan, bir fazali nanokristalli) farq qiladi. Yangi nanoqoplam, asosan, ikki fazali keramika yordamida kogerent va epitaksial o'sishning ko'p qatlamli nanomembrana tuzilmalarini yaratish uchun mikro tuzilmalarda davriy modulyatsiyani amalga oshiradi, shuning uchun zaif qismlar yuqori qattiqlik va aşınma qarshilik bilan ajralib turadi (Liu va boshq., 2016). Zarrachalar migratsiyasini inhibe qilish Neft konlarini o'zlashtirish jarayonida mineral mikro zarralar turli darajada ko'chib, g'ovakli muhitlarning o'tkazuvchanligini pasaytiradi va rezervuarlarga zarar etkazadi. Ba'zi eritmalar nanomateriallar yoki emulsiya yordamida ishlab chiqilishi mumkin. Nano-zarrachalar (magneziya, kremniy oksidi va alumina) o'z ichiga olgan nano-suyuqliklar yog'-suv oraliq tarangligi va kuchli adsorbsiya tendentsiyasiga ega. Al-Malki va boshqalarning tadqiqot natijalari. (2016) burg'ulash suyuqligi sepiolit nano-zarrachalari bilan qo'shilsa, uning reologik barqarorligi saqlanib, filtrlash qarshiligi va gil shishishini inhibe qilish yaxshilanganligini ko'rsatdi. FİZİKA VA ELEKTRONIKA NANOTEXNOLOGIK TAVSIYASI Nanomateriallar - 10−9 m gacha bo'lgan kamida bitta o'lchamdagi yagona birlik va o'lchamga ega bo'lgan materiallar. (6-rasm) Odatda, 1 dan 100 nm gacha bo'lgan nano o'lchovning odatiy ta'rifi (Buzea va boshq., 2007). Nanomateriallarni tadqiq qilish nanotexnologiyaga materialshunoslik va muhandislikka asoslangan yondashuvni qo'llaydi, materiallar sintezi, mikro-fabrikalash va boshqa rivojlanish tadqiqotlaridagi yutuqlardan foydalanadi.