Nanomalzeme Kimyası
Nanomalzeme kimyası, nanometre aralığında en az bir boyutu olan malzemelerin sentezini, yapısını ve boyuta bağlı özelliklerini incelemektedir; bu malzemelerde kuantum hapsi ve çok yüksek yüzey-hacim oranının, kütle halinden farklı davranışlar sergilemesine yol açtığı bilinmektedir.
Tanım
Nanomalzeme kimyası, nano ölçekli malzemelerin boyutunun, şeklinin ve yüzey kimyasının sentez yoluyla nasıl kontrol edildiğini ve bunların, karşılık gelen kütle halindeki katıdan farklı optik, elektronik ve katalitik özellikler ortaya çıkarmasını inceleyen bir alandır.
Kapsam
Bu alan, nano ölçekteki maddenin kimyasal prensiplerini kapsamaktadır: optik özellikleri boyuta bağlı olan sıfır boyutlu kuantum noktaları ve nanokristaller; grafen ve geçiş metali dikalkojenürleri gibi iki boyutlu tabakalar; nanoparçacıkların koloidal ve çözelti fazı sentezi ve bunların düzenli süperyapılar halinde birleştirilmesi; ve nanoyapılı katıların inşasında kullanılan yumuşak kimyasal, sol-jel ve şablon yöntemleri. Bu kapsamda, boyut ve şekil, elektronik, optik ve katalitik fonksiyonlarla ilişkilendirilmektedir.
Alt konular
Temel sorular
- Bir katı nanometre boyutlarına indirgendiğinde malzeme özellikleri neden değişir?
- Nanokristaller, nano tabakalar ve nanoparçacıklar kontrollü boyut ve şekilde nasıl sentezlenir?
- Yüzey atomlarının baskınlığı nano ölçekteki kimyayı nasıl değiştirir?
- Nano ölçekli yapı taşları işlevsel mimarilere nasıl birleştirilebilir?
Anahtar kavramlar
- Kuantum hapsi
- Yüzey-hacim oranı
- Koloidal nanokristal sentezi
- Şekil ve yüzey kontrolü
- Nanoyapıların kendi kendine birleşimi
- Yüzey ligandları ve kaplama ajanları
Temel kuramlar
- Nanokristallerde kuantum hapsi
- Bir yarı iletken kristal, eksiton ile boyut olarak karşılaştırılabilir hale geldiğinde, elektronik seviyeler ayrık hale gelir ve boyut küçüldükçe etkin bant aralığı genişler; böylece optik absorpsiyon ve emisyon, sadece parçacık boyutunu değiştirerek ayarlanabilir.
- Nanokristallerin şekil ve yüzey kontrolü
- Nanokristallerin özellikleri sadece boyuta değil, aynı zamanda şekle ve açıkta kalan kristal yüzeylere de bağlıdır; bunlar koloidal sentez sırasında yüzey aktif maddeler ve büyüme koşulları aracılığıyla kinetik olarak kontrol edilir ve katalitik ve plazmonik davranışı yönetir.
Klinik önem
Nanomalzeme kimyası, geniş bir teknoloji yelpazesinin temelini oluşturmaktadır: boyut ayarlı kuantum noktaları ekranlarda ve biyolojik görüntülemede kullanılmakta, yüksek yüzey alanına sahip nanoparçacıklar katalizör ve elektrot olarak işlev görmekte ve iki boyutlu malzemeler elektronik, sensörler ve membranlar için araştırılmaktadır.
Tarihçe
1980'li ve 1990'lı yıllarda yarı iletken nanokristallerin boyuta bağlı optik özellikler sergilediğinin fark edilmesi ve bu durumun Alivisatos'un 1996 tarihli derlemesinde kodifiye edilmesi, kuantum hapsini kimyasal olarak kontrol edilebilir bir fenomen olarak kabul ettirmiştir. Koloidal sentezdeki gelişmeler daha sonra boyut ve şeklin hassas kontrolünü sağlamış ve 2004 yılında grafenin izole edilmesi, iki boyutlu malzemelerin kimyasını açarak bu alanı nanokimya disiplinine genişletmiştir.
Öne çıkan isimler
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
İlgili konular
Temel eserler
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Sıkça sorulan sorular
- Bir nanoparçacık, aynı malzemenin kütle halinden neden farklı davranır?
- Nano ölçekte iki etki baskındır: atomların büyük bir kısmı yüzeyde yer alarak reaktiviteyi ve enerjiyi değiştirir; ve yeterince küçük yarı iletkenler için elektronlar kuantum hapsi altındadır, bu da enerji seviyelerini ayrıklaştırır ve optik ve elektronik özellikleri kütle haline göre kaydırır.
- Kuantum noktalarının rengi nasıl ayarlanabilir?
- Kuantum hapsi nedeniyle, bir yarı iletken nanokristalin etkin bant aralığı boyutu küçüldükçe artar. Daha küçük noktalar yapmak, absorpsiyonu ve emisyonu daha yüksek enerjiye (daha maviye) kaydırır; bu nedenle renk, sentez sırasında parçacık boyutunu kontrol ederek basitçe seçilebilir.