Uudised - Nanomeetrilised haruldased muldmetallid, uus jõud tööstusrevolutsioonis

Nanomeetrilised haruldased muldmetallid, uus jõud tööstusrevolutsioonis

Nanotehnoloogia on uus interdistsiplinaarne valdkond, mis arenes järk-järgult 1980. aastate lõpus ja 1990. aastate alguses. Kuna sellel on suur potentsiaal luua uusi tootmisprotsesse, uusi materjale ja uusi tooteid, käivitab see uuel sajandil uue tööstusrevolutsiooni. Nanoteaduse ja nanotehnoloogia praegune arengutase on sarnane arvuti- ja infotehnoloogia tasemega 1950. aastatel. Enamik sellele valdkonnale pühendunud teadlasi ennustab, et nanotehnoloogia arengul on lai ja kaugeleulatuv mõju paljudele tehnoloogia aspektidele. Teadlased usuvad, et sellel on kummalised omadused ja ainulaadne jõudlus. Peamised piiravad efektid, mis viivad nanomaterjalide kummaliste omadusteni, on eripinna efekt, väikese suuruse efekt, liidese efekt, läbipaistvuse efekt, tunneliefekt ja makroskoopiline kvantefekt. Need efektid muudavad nanosüsteemi füüsikalised omadused valguse, elektri, soojuse ja magnetismi osas tavapäraste materjalide omadustest erinevaks ning pakuvad palju uusi omadusi. Tulevikus on teadlastel nanotehnoloogia uurimisel ja arendamisel kolm peamist suunda: suurepärase jõudlusega nanomaterjalide ettevalmistamine ja rakendamine; erinevate nanoseadmete ja -varustuse kavandamine ja ettevalmistamine; nanopiirkondade omaduste tuvastamine ja analüüsimine. Praegu on nano-haruldastel muldmetallidel peamiselt järgmised rakendussuunad ja nende rakendamist tuleb tulevikus edasi arendada.

Nanomeetriline lantaanoksiid (La2O3)

Nanomeetrilist lantaanoksiidi kantakse piesoelektrilistele materjalidele, elektrotermilistele materjalidele, termoelektrilistele materjalidele, magnetoresistentsmaterjalidele, luminestsentsmaterjalidele (sinine pulber), vesiniku säilitamise materjalidele, optilisele klaasile, lasermaterjalidele, erinevatele sulammaterjalidele, orgaaniliste keemiatoodete valmistamise katalüsaatoritele ja autode heitgaaside neutraliseerimise katalüsaatoritele ning valguse muundamise põllumajanduskiledele kantakse ka nanomeetrilisele lantaanoksiidile.

Nanomeetriline tseeriumoksiid (CeO2)

Nano-tseeriumoksiidi peamised kasutusalad on järgmised: 1. Klaasi lisandina suudab nano-tseeriumoksiid neelata ultraviolett- ja infrapunakiiri ning seda on kasutatud autoklaasidel. See mitte ainult ei takista ultraviolettkiiri, vaid alandab ka auto sisetemperatuuri, säästes seeläbi kliimaseadme elektrit. 2. Nano-tseeriumoksiidi kasutamine autode heitgaaside puhastuskatalüsaatoris aitab tõhusalt vältida suure hulga autode heitgaaside õhku paiskamist. 3. Nano-tseeriumoksiidi saab kasutada plastide värvimiseks pigmentides ning ka katte-, tindi- ja paberitööstuses. 4. Nano-tseeriumoksiidi kasutamine poleerimismaterjalides on laialdaselt tunnustatud kui ülitäpne nõue räniplaatide ja safiirmonokristallide substraatide poleerimiseks. 5. Lisaks saab nano-tseeriumoksiidi kasutada ka vesiniku salvestamise materjalides, termoelektrilistes materjalides, nano-tseeriumoksiidi volframelektroodides, keraamilistes kondensaatorites, piesoelektrilises keraamikas, nano-tseeriumoksiidi ränikarbiidi abrasiivides, kütuseelementide toorainetes, bensiinikatalüsaatorites, mõnedes püsimagnetmaterjalides, mitmesugustes legeerterastes ja värvilistes metallides jne.

Nanomeetriline praseodüümoksiid (Pr6O11)

Nanomeetrilise praseodüümoksiidi peamised kasutusalad on järgmised: 1. Seda kasutatakse laialdaselt ehituskeraamikas ja igapäevaseks kasutamiseks mõeldud keraamikas. Seda saab segada keraamilise glasuuriga värvilise glasuuri valmistamiseks ja seda saab kasutada ka eraldi glasuurialuse pigmendina. Valmistatud pigment on helekollane, puhta ja elegantse tooniga. 2. Seda kasutatakse püsimagnetite valmistamiseks ja laialdaselt erinevates elektroonikaseadmetes ja mootorites. 3. Seda kasutatakse nafta katalüütiliseks krakkimiseks. Katalüüsi aktiivsust, selektiivsust ja stabiilsust saab parandada. 4. Nanopraseodüümoksiidi saab kasutada ka abrasiivpoleerimiseks. Lisaks on nanomeetrilise praseodüümoksiidi kasutamine optiliste kiudude valdkonnas üha ulatuslikum. Nanomeetriline neodüümoksiid (Nd2O3) Nanomeetriline neodüümoksiid on oma ainulaadse positsiooni tõttu haruldaste muldmetallide valdkonnas turul juba aastaid kuum koht. Nano-neodüümoksiidi kasutatakse ka värviliste materjalide puhul. 1,5–2,5% nano-neodüümoksiidi lisamine magneesiumi- või alumiiniumisulamisse võib parandada sulami kõrge temperatuuritaluvust, õhutihedust ja korrosioonikindlust ning seda kasutatakse laialdaselt lennundusmaterjalina. Lisaks tekitab nano-neodüümoksiidiga legeeritud nano-ütriumalumiiniumgranaat lühilainelise laserkiire, mida kasutatakse laialdaselt alla 10 mm paksuste õhukeste materjalide keevitamiseks ja lõikamiseks tööstuses. Meditsiinilisest küljest kasutatakse nano-Nd_2O_3-ga legeeritud Nano-YAG-laserit kirurgiliste haavade eemaldamiseks või desinfitseerimiseks kirurgiliste nugade asemel. Nanomeetrilist neodüümoksiidi kasutatakse ka klaasi ja keraamiliste materjalide, kummitoodete ja lisandite värvimiseks.

Samariumoksiidi nanoosakesed (Sm2O3)

Nanosuuruses samariumoksiidi peamised kasutusalad on: nanosuuruses samariumoksiid on helekollane ja seda kasutatakse keraamiliste kondensaatorite ja katalüsaatorite valmistamiseks. Lisaks on nanosuuruses samariumoksiidil tuumaomadused ja seda saab kasutada aatomienergia reaktori struktuurimaterjalina, varjestusmaterjalina ja juhtmaterjalina, et tuumalõhustumisel tekkivat tohutut energiat saaks ohutult kasutada. Euroopiumoksiidi nanoosakesi (Eu2O3) kasutatakse enamasti fosforites. Eu3+ kasutatakse punase fosfori aktivaatorina ja Eu2+ sinise fosforina. Y0O3:Eu3+ on parim fosfor valgusviljakuse, katte stabiilsuse, taaskasutuskulude jms osas ning seda kasutatakse laialdaselt valgusviljakuse ja kontrasti paranemise tõttu. Hiljuti on nanosuuruses euroopiumoksiidi kasutatud ka stimuleeritud emissioonfosforina uutes röntgendiagnostika süsteemides. Nanosuuruses euroopiumoksiidi saab kasutada ka värviliste läätsede ja optiliste filtrite tootmiseks, magnetmullide salvestusseadmetes ning see võib näidata oma andeid ka aatomireaktorite juhtmaterjalides, varjestusmaterjalides ja konstruktsioonimaterjalides. Peenete osakestega gadoliiniumi euroopiumoksiidi (Y2O3:Eu3+) punane fosfor valmistati, kasutades toorainena nano-ütriumoksiidi (Y2O3) ja nano-europiumoksiidi (Eu2O3). Haruldaste muldmetallide kolmevärvilise fosfori valmistamisel leiti, et: (a) seda saab hästi ja ühtlaselt segada rohelise ja sinise pulbriga; (b) Hea katte toimivus; (c) Kuna punase pulbri osakeste suurus on väike, suureneb eripind ja luminestsentsosakeste arv, saab haruldaste muldmetallide kolmevärvilistes fosforites punase pulbri hulka vähendada, mille tulemuseks on madalamad kulud.

Gadoliiniumoksiidi nanoosakesed (Gd2O3)

Selle peamised kasutusalad on järgmised: 1. Selle vees lahustuv paramagnetiline kompleks võib parandada inimkeha NMR-kuvamissignaali meditsiinilises ravis. 2. Aluselist vääveloksiidi saab kasutada ostsilloskoobi torude ja röntgenekraanide maatriksvõrguna, millel on eriline heledus. 3. Nano-gadoliinium-galliumgranaadis sisalduv nano-gadoliiniumoksiid on ideaalne üksik substraat magnetmullmälu jaoks. 4. Kui Camot' tsükli piirangut pole, saab seda kasutada tahke magnetilise jahutuskeskkonnana. 5. Seda kasutatakse inhibiitorina tuumaelektrijaamade ahelreaktsiooni taseme kontrollimiseks, et tagada tuumareaktsioonide ohutus. Lisaks on nano-gadoliiniumoksiidi ja nano-lantaanoksiidi kasutamine abiks klaasistumise piirkonna muutmisel ja klaasi termilise stabiilsuse parandamisel. Nano-gadoliiniumoksiidi saab kasutada ka kondensaatorite ja röntgenikiirgust intensiivistavate ekraanide tootmiseks. Praegu teeb maailm suuri pingutusi nano-gadoliiniumoksiidi ja selle sulamite rakenduste arendamiseks magnetilises jahutamises ning on teinud läbimurdelisi edusamme.

Terbiumoksiidi nanoosakesed (Tb4O7)

Peamised rakendusvaldkonnad on järgmised: 1. Fosforeid kasutatakse rohelise pulbri aktivaatoritena kolmevärvilistes fosforites, näiteks nano-terbiumoksiidiga aktiveeritud fosfaatmaatriks, nano-terbiumoksiidiga aktiveeritud silikaatmaatriks ja nano-terbiumoksiidiga aktiveeritud tseeriumoksiidi magneesiumaluminaatmaatriks, mis kõik kiirgavad ergastatud olekus rohelist valgust. 2. Magnetooptilised salvestusmaterjalid. Viimastel aastatel on uuritud ja arendatud nano-terbiumoksiidi magnetooptilisi materjale. Arvuti salvestuselemendina kasutatakse Tb-Fe amorfsest kilest valmistatud magnetooptilist ketast, mille salvestusmahtu saab suurendada 10–15 korda. 3. Magnetoptiline klaas, Faraday optiliselt aktiivne klaas, mis sisaldab nanomeetri terbiumoksiidi, on võtmematerjal rotaatorite, isolaatorite, annulaatorite valmistamiseks ja seda kasutatakse laialdaselt lasertehnoloogias. Nanomeetri terbiumoksiidi ehk nanomeetri düsproosiumoksiidi kasutatakse peamiselt sonarites ja seda on laialdaselt kasutatud paljudes valdkondades, näiteks kütuse sissepritsesüsteemides, vedeliku ventiilide juhtimises, mikropositsioneerimises, mehaanilistes ajamites, mehhanismides ja lennukite kosmoseteleskoopide tiiva regulaatorites. Dy2O3 nanodüsproosiumoksiidi peamised kasutusalad on: 1. Nanodüsproosiumoksiidi kasutatakse fosfori aktivaatorina ja kolmevalentne nanodüsproosiumoksiid on paljutõotav aktiveeriv ioon kolmevärvilistes luminestsentsmaterjalides, millel on üks luminestsentskeskus. See koosneb peamiselt kahest emissiooniribast, millest üks on kollase valguse emissioon ja teine sinise valguse emissioon, ning nanodüsproosiumoksiidiga legeeritud luminestsentsmaterjale saab kasutada kolmevärviliste fosforitena. 2. Nanomeetriline düsproosiumoksiid on vajalik metalli tooraine terfenooli sulami valmistamiseks suure magnetostriktiivse sulami nano-terbiumoksiidi ja nano-düsproosiumoksiidiga, mis võimaldab teostada täpseid mehaanilise liikumise toiminguid. 3. Nanomeetrilist düsproosiumoksiidi metalli saab kasutada magnetooptilise salvestusmaterjalina, millel on suur salvestuskiirus ja lugemistundlikkus. 4. Kasutatakse nanomeetriliste düsproosiumoksiidlampide valmistamiseks. Nano-düsproosiumoksiidlambis kasutatav tööaine on nano-düsproosiumoksiid, millel on eelised kõrge heledus, hea värvus, kõrge värvustemperatuur, väike suurus ja stabiilne kaar ning mida on kasutatud valgusallikana filmide ja trükiste jaoks. 5. Nanomeetrilist düsproosiumoksiidi kasutatakse neutronite energiaspektri mõõtmiseks või neutronite neelajana aatomienergia tööstuses tänu oma suurele neutronite püüdmise ristlõikepindalale.

Ho _ 2O _ 3 nanomeetrit

Nanoholmiumoksiidi peamised kasutusalad on järgmised: 1. Metallhalogeenlampide lisandina on metallhalogeenlamp gaaslahenduslamp, mis on välja töötatud kõrgsurve-elavhõbedalambi baasil ja mille eripäraks on see, et pirn on täidetud mitmesuguste haruldaste muldmetallide halogeniididega. Praegu kasutatakse peamiselt haruldaste muldmetallide jodiide, mis kiirgavad gaaslahendusel erinevaid spektraaljooni. Nanoholmiumoksiidlambis kasutatav tööaine on nanoholmiumoksiidjodiid, mis võimaldab saavutada kaare tsoonis suurema metalli aatomite kontsentratsiooni, parandades seeläbi oluliselt kiirguse efektiivsust. 2. Nanomeetrilist holmiumoksiidi saab kasutada ütrium-raud- või ütriumalumiiniumgranaadi lisandina; 3. Nanoholmiumoksiidi saab kasutada ütrium-raud-alumiiniumgranaadina (Ho:YAG), mis võib kiirata 2 μm laserit ja inimkoe neeldumiskiirus 2 μm laseril on kõrge. See on peaaegu kolm suurusjärku kõrgem kui Hd:YAG0-l. Seega, Ho:YAG laseri kasutamine meditsiinilistes operatsioonides mitte ainult ei paranda operatsiooni efektiivsust ja täpsust, vaid vähendab ka termilise kahjustuse pinda. Nano-holmiumoksiidi kristalli tekitatud vaba kiir võib eemaldada rasva ilma liigse kuumuse tekitamata, vähendades seeläbi tervete kudede termilist kahjustust. On teatatud, et glaukoomi ravi nanomeetrilise holmiumoksiidi laseriga Ameerika Ühendriikides võib vähendada operatsiooni valu. 4. Magnetostriktiivses sulamis Terfenol-D saab lisada ka väikese koguse nanosuuruses holmiumoksiidi, et vähendada sulami küllastusmagnetiseerimiseks vajalikku välist välja. 5. Lisaks saab nano-holmiumoksiidiga legeeritud optilist kiudu kasutada optiliste sideseadmete, näiteks optiliste kiudlaserite, optiliste kiudvõimendite, optiliste kiudandurite jms valmistamiseks. See mängib tänapäeva kiires optilises kiudsides olulisemat rolli.

Nanomeetriline ütriumoksiid (Y2O3)

Nano-ütriumoksiidi peamised kasutusalad on järgmised: 1. Terase ja värviliste sulamite lisandid. FeCr-sulam sisaldab tavaliselt 0,5–4% nano-ütriumoksiidi, mis võib parandada nende roostevabade teraste oksüdatsioonikindlust ja elastsust. Pärast õige koguse nanomeetrilise ütriumoksiidi rikka haruldaste muldmetallide segu lisamist MB26 sulamile paranesid sulami üldised omadused märkimisväärselt. See võib asendada mõningaid keskmise ja tugeva alumiiniumisulameid õhusõidukite pingestatud komponentides. Väikese koguse nano-ütriumoksiidi haruldaste muldmetallide lisamine Al-Zr sulamile võib parandada sulami juhtivust. Sulami on kasutusele võtnud enamik Hiina traaditehasi. Vasesulamile lisati nano-ütriumoksiidi juhtivuse ja mehaanilise tugevuse parandamiseks. 2. Räninitriidi keraamiline materjal, mis sisaldab 6% nano-ütriumoksiidi ja 2% alumiiniumi. Seda saab kasutada mootoriosade arendamiseks. 3. Suuremahuliste komponentide puurimine, lõikamine, keevitamine ja muu mehaaniline töötlemine toimub 400-vatise nano-neodüümoksiidi alumiiniumgranaadi laserkiire abil. 4. Y-Al granaadi monokristallist valmistatud elektronmikroskoobi ekraanil on kõrge fluorestsentsi heledus, madal hajutatud valguse neeldumine ning hea kõrge temperatuuritaluvus ja mehaaniline kulumiskindlus. 5. Kõrge nanoosakestega ütriumoksiidi struktuuriga sulamit, mis sisaldab 90% nanoosakestega gadoliiniumoksiidi, saab kasutada lennunduses ja muudes valdkondades, kus on vaja madalat tihedust ja kõrget sulamistemperatuuri. 6. Kõrge temperatuuriga prootonjuhtivad materjalid, mis sisaldavad 90% nanoosakestega ütriumoksiidi, on väga olulised kütuseelementide, elektrolüüselementide ja gaasisensorite tootmisel, mis nõuavad suurt vesiniku lahustuvust. Lisaks kasutatakse nanoosakestega ütriumoksiidi ka kõrge temperatuuriga pihustuskindla materjalina, aatomreaktori kütuse lahjendina, püsimagnetimaterjali lisandina ja getterina elektroonikatööstuses.

Lisaks eeltoodule saab nano-haruldaste muldmetallide oksiide kasutada ka rõivamaterjalides inimeste tervishoiu ja keskkonnakaitse eesmärgil. Praegustest uurimisüksustest lähtuvalt on neil kõigil teatud suunad: ultraviolettkiirguse vastane kaitse; õhusaaste ja ultraviolettkiirgus on altid nahahaigustele ja nahavähile; saasteainete kleepumine riietele on keeruline; seda uuritakse ka soojapidavuse seisukohast. Kuna nahk on kõva ja kergesti vanandub, on see vihmasel päeval kõige altid hallitusele. Nahka saab pehmendada nano-haruldaste muldmetallide tseeriumoksiidiga pleegitades, mis ei vanandu kergesti ega hallitusele ning on mugav kanda. Viimastel aastatel on nano-kattematerjalid olnud ka nano-materjalide uurimise keskmes ja peamine uurimistöö on keskendunud funktsionaalsetele katetele. Ameerika Ühendriikides toodetud 80 nm lainepikkusega Y2O3 saab kasutada infrapunakiirguse varjestuskattena. Soojuse peegeldamise efektiivsus on väga kõrge. CeO2-l on kõrge murdumisnäitaja ja kõrge stabiilsus. Kui kattele lisatakse nano-haruldaste muldmetallide ütriumoksiidi, nano-lantaanoksiidi ja nano-tseeriumoksiidi pulbrit, on välissein vananemiskindel, kuna välisseina kate vananeb kergesti ja kukub maha, kuna värv on pikka aega päikesevalguse ja ultraviolettkiirguse käes ning see peab ultraviolettkiirgusele vastu ka pärast tseeriumoksiidi ja ütriumoksiidi lisamist. Lisaks on selle osakeste suurus väga väike ja nano-tseeriumoksiidi kasutatakse ultraviolettkiirguse neelajana, mida eeldatavasti kasutatakse plasttoodete vananemise vältimiseks ultraviolettkiirguse, mahutite, autode, laevade, õlimahutite jms tõttu, mis kaitseb kõige paremini suuri välistingimustes kasutatavaid stende ja hoiab ära hallituse, niiskuse ja reostuse siseseinte katmisel. Väikese osakeste suuruse tõttu ei ole tolmul kerge seina külge kleepuda. Seda saab veega nühkida. Nano-haruldaste muldmetallide oksiidide kasutusalasid on veel palju, mida edasi uurida ja arendada, ning loodame siiralt, et sellel on helgem tulevik.