Определение за наноматериали
Въпреки широкото определение, ние категоризираме като наноматериали тези, които имат поне едно измерение в наноскалата, т.е. по-малко от 100 nm. Материалите, които имат едно измерение в наноскалата, са слоеве (напр. графен), тънки филми или повърхностни покрития. Някои от детайлите в компютърните чипове попадат в тази категория. Материалите с две измерения в наноскалата са наножици и нанотръби, а материалите с три измерения в наноскалата са наночастици, например колоиди и квантови точки (наноразмерен кристал от полупроводников материал). Нанокристалните материали, съставени от наноразмерни зърна, също попадат в тази категория. Част от тези материали вече са добре познати и успешно се прилагат в практиката, но други все още са обект на проучвания.
Два основни фактора определят наноматериалите като такива и ги отличават съществено от останалите материали – увеличена относителна повърхност и квантови ефекти. Тези фактори могат да променят или подобряват свойства като реактивност, сила, електрически характеристики. Колкото по-малък е размерът на частиците, толкова повече атоми се намират на повърхността на материала. Например при размер на частиците 30 nm 5% от атомите са на повърхността, при 10 nm – 20 % от атомите, при 3 nm – 50 % от атомите. По този начин наночастиците имат много по-голяма площ на единица маса в сравнение с по-големите частици. Тъй като растежът и каталитичните химични реакции протичат на повърхността, това означава, че дадена маса от материал от наночастици ще бъде много по-реактивна, отколкото материал от по-големи частици.
За да си представим по-добре влиянието на размера на частиците, нека вземем за пример една сребърна монета, направена от 31 грама сребро и с обща площ около 3000 кв.мм. Ако същото количество сребро се раздели на малки частици с диаметър 10 nm, то общата площ на тези частици ще бъде 7000 кв.м. – колкото футболно игрище или над 2 милиона пъти повече, отколкото площта на монетата.
Свойства на наноматериалите
В комбинация с ефектите повърхност-площ квантовите ефекти могат да започнат да доминират обичайните свойства на материята, когато размерът на частиците е намален до наноскалата. Това може да повлияе на оптичното, електрическото или магнитното поведение на материалите, особено когато размерът на структурата или частиците се доближи до най-ниските стойности в наноскалата. Материали, които използват тези ефекти, са квантови точки и квантово-каскадни лазерни диоди за оптоелектрониката.
За други материли, напр. твърди кристали, колкото по-малък е размерът на техните структурни елементи, толкова по-голяма площ на взаимодействие има между частиците. Това може значително да повлияе на механичните и електрическите свойства. Например повечето метали се състоят от малки кристални зърна, като границите между зърната забавят или предотвратяват разпространението на дефекти, което увеличава якостта на материала. Ако структурните зърна са много малки (в наноскалата), това ще увеличи площта на взаимодействие и ще направи материалът по-здрав. Например нанокристален никел е толкова здрав, колкото закалена стомана.
