Novice - Nanometrski redkozemeljski materiali, nova sila industrijske revolucije

Nanometrski redkozemeljski materiali, nova sila industrijske revolucije

Nanotehnologija je novo interdisciplinarno področje, ki se je postopoma razvijalo konec osemdesetih in v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja. Ker ima velik potencial za ustvarjanje novih proizvodnih procesov, novih materialov in novih izdelkov, bo v novem stoletju sprožila novo industrijsko revolucijo. Trenutna raven razvoja nanoznanosti in nanotehnologije je podobna ravni računalništva in informacijske tehnologije v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Večina znanstvenikov, ki se ukvarjajo s tem področjem, napoveduje, da bo imel razvoj nanotehnologije širok in daljnosežen vpliv na številne vidike tehnologije. Znanstveniki verjamejo, da ima nenavadne lastnosti in edinstveno delovanje. Glavni učinki omejitve, ki vodijo do nenavadnih lastnosti nanomaterialov redkih zemelj, so učinek specifične površine, učinek majhnosti, učinek vmesnika, učinek prosojnosti, učinek tunela in makroskopski kvantni učinek. Zaradi teh učinkov se fizikalne lastnosti nanosistemov razlikujejo od lastnosti običajnih materialov na področju svetlobe, elektrike, toplote in magnetizma ter predstavljajo številne nove značilnosti. V prihodnosti bodo za znanstvenike tri glavne smeri raziskovanja in razvoja nanotehnologije: priprava in uporaba nanomaterialov z odličnimi zmogljivostmi; načrtovanje in priprava različnih nano naprav in opreme; odkrivanje in analiza lastnosti nanoregij. Trenutno imajo nano redke zemlje predvsem naslednja navodila za uporabo, njihovo uporabo pa je treba v prihodnosti še bolj razviti.

Nanometrski lantanov oksid (La2O3)

Nanometrski lantanov oksid se uporablja za piezoelektrične materiale, elektrotermične materiale, termoelektrične materiale, magnetorezistentne materiale, luminiscenčne materiale (modri prah), materiale za shranjevanje vodika, optično steklo, laserske materiale, različne zlitine, katalizatorje za pripravo organskih kemičnih izdelkov in katalizatorje za nevtralizacijo avtomobilskih izpušnih plinov, nanometrski lantanov oksid pa se uporablja tudi za kmetijske filme za pretvorbo svetlobe.

Nanometrski cerijev oksid (CeO2)

Glavne uporabe nano cerijevega oksida so naslednje: 1. Kot dodatek steklu lahko nano cerijev oksid absorbira ultravijolične in infrardeče žarke ter se uporablja za avtomobilska stekla. Ne le da preprečuje ultravijolične žarke, ampak tudi znižuje temperaturo v avtomobilu in s tem prihrani elektriko za klimatsko napravo. 2. Uporaba nano cerijevega oksida v katalizatorju za čiščenje izpušnih plinov avtomobilov lahko učinkovito prepreči izpust velike količine izpušnih plinov avtomobilov v zrak. 3. Nano cerijev oksid se lahko uporablja v pigmentih za barvanje plastike, uporablja pa se lahko tudi v industriji premazov, črnil in papirja. 4. Uporaba nano cerijevega oksida v polirnih materialih je bila splošno priznana kot visoko natančna zahteva za poliranje silicijevih rezin in safirnih monokristalnih substratov. 5. Poleg tega se nano cerijev oksid lahko uporablja tudi za materiale za shranjevanje vodika, termoelektrične materiale, volframove elektrode iz nano cerijevega oksida, keramične kondenzatorje, piezoelektrično keramiko, abrazive iz nano cerijevega oksida in silicijevega karbida, surovine za gorivne celice, bencinske katalizatorje, nekatere trajno magnetne materiale, različna legirana jekla in neželezne kovine itd.

Nanometrski prazeodimov oksid (Pr6O11)

Glavne uporabe nanometrskega prazeodimovega oksida so naslednje: 1. Široko se uporablja v gradbeni keramiki in keramiki za vsakodnevno uporabo. Lahko se meša s keramično glazuro za izdelavo barvne glazure, lahko pa se uporablja tudi kot samostojen pigment pod glazuro. Pripravljen pigment je svetlo rumene barve s čistim in elegantnim tonom. 2. Uporablja se za izdelavo trajnih magnetov in se pogosto uporablja v različnih elektronskih napravah in motorjih. 3. Uporablja se za katalitično kreking nafte. Izboljša se lahko aktivnost, selektivnost in stabilnost katalize. 4. Nano-prazeodimov oksid se lahko uporablja tudi za abrazivno poliranje. Poleg tega je uporaba nanometrskega prazeodimovega oksida na področju optičnih vlaken vse bolj obsežna. Nanometrski neodimov oksid (Nd2O3) Nanometrski neodimov oksid je zaradi svojega edinstvenega položaja na področju redkih zemelj že vrsto let postal vroča točka na trgu. Nano-neodimov oksid se uporablja tudi za neželezne materiale. Dodajanje 1,5 % do 2,5 % nano-neodimovega oksida v magnezijevo ali aluminijevo zlitino lahko izboljša visokotemperaturno delovanje, zrakotesnost in odpornost zlitine proti koroziji, zato se pogosto uporablja kot vesoljski material za letalstvo. Poleg tega nano-itrijev aluminijev granat, dopiran z nano-neodimovim oksidom, proizvaja kratkovalovni laserski žarek, ki se v industriji pogosto uporablja za varjenje in rezanje tankih materialov debeline pod 10 mm. V medicini se nano-YAG laser, dopiran z nano-Nd_2O_3, uporablja za odstranjevanje kirurških ran ali razkuževanje ran namesto kirurških nožev. Nanometrski neodimov oksid se uporablja tudi za barvanje steklenih in keramičnih materialov, gumijastih izdelkov in dodatkov.

Nanodelci samarijevega oksida (Sm2O3)

Glavne uporabe nanodelcev samarijevega oksida so: nanodelec samarijevega oksida je svetlo rumene barve, ki se uporablja za keramične kondenzatorje in katalizatorje. Poleg tega ima nanodelec samarijevega oksida jedrske lastnosti in se lahko uporablja kot strukturni material, zaščitni material in kontrolni material atomskih reaktorjev, tako da se lahko ogromna energija, ki nastane pri jedrski fisiji, varno uporablja. Nanodelci evropijevega oksida (Eu2O3) se večinoma uporabljajo v fosforjih. Eu3+ se uporablja kot aktivator rdečega fosforja, Eu2+ pa kot modri fosfor. Y0O3:Eu3+ je najboljši fosfor glede svetlobne učinkovitosti, stabilnosti premaza, stroškov predelave itd. in se pogosto uporablja zaradi izboljšane svetlobne učinkovitosti in kontrasta. V zadnjem času se nanodelec evropijevega oksida uporablja tudi kot fosfor s stimulirano emisijo za nove rentgenske medicinske diagnostične sisteme. Nanodelec evropijevega oksida se lahko uporablja tudi za izdelavo barvnih leč in optičnih filtrov, za magnetne naprave za shranjevanje mehurčkov, lahko pa se pokaže tudi v kontrolnih materialih, zaščitnih materialih in strukturnih materialih atomskih reaktorjev. Drobni delci rdečega fosforja gadolinijevega evropijevega oksida (Y2O3:Eu3+) so bili pripravljeni z uporabo nano itrijevega oksida (Y2O3) in nano evropijevega oksida (Eu2O3) kot surovin. Pri uporabi za pripravo redkozemeljskega tribarvnega fosforja so ugotovili, da: (a) se lahko dobro in enakomerno meša z zelenim in modrim prahom; (b) ima dober premaz; (c) ker je velikost delcev rdečega prahu majhna, se specifična površina poveča in število luminiscentnih delcev se poveča, se lahko količina rdečega prahu v redkozemeljskih tribarvnih fosforjih zmanjša, kar ima za posledico nižje stroške.

Nanodelci gadolinijevega oksida (Gd2O3)

Njegove glavne uporabe so naslednje: 1. Njegov vodotopni paramagnetni kompleks lahko izboljša signal NMR slikanja človeškega telesa pri zdravljenju. 2. Osnovni žveplov oksid se lahko uporablja kot matrična mreža osciloskopske cevi in rentgenskega zaslona s posebno svetlostjo. 3. Nano-gadolinijev oksid v nano-gadolinijevem galijevem granatu je idealen posamezen substrat za magnetni mehurčkasti pomnilnik. 4. Kadar ni omejitve Camot cikla, se lahko uporablja kot trdni magnetni hladilni medij. 5. Uporablja se kot zaviralec za nadzor ravni verižne reakcije v jedrskih elektrarnah, da se zagotovi varnost jedrskih reakcij. Poleg tega je uporaba nano-gadolinijevega oksida in nano-lantanovega oksida koristna za spreminjanje območja vitrifikacije in izboljšanje toplotne stabilnosti stekla. Nano-gadolinijev oksid se lahko uporablja tudi za izdelavo kondenzatorjev in zaslonov za ojačanje rentgenskih žarkov. Trenutno si svet močno prizadeva za razvoj uporabe nano-gadolinijevega oksida in njegovih zlitin v magnetnem hlajenju in je dosegel prebojni napredek.

Nanodelci terbijevega oksida (Tb4O7)

Glavna področja uporabe so naslednja: 1. Fosforji se uporabljajo kot aktivatorji zelenega prahu v tribarvnih fosforjih, kot so fosfatna matrica, aktivirana z nanoterbijevim oksidom, silikatna matrica, aktivirana z nanoterbijevim oksidom, in nanocerijeva oksidno magnezijeva aluminatna matrica, aktivirana z nanoterbijevim oksidom, ki vsi v vzbujenem stanju oddajajo zeleno svetlobo. 2. Magnetooptični materiali za shranjevanje. V zadnjih letih so bili raziskani in razviti magnetooptični materiali iz nanoterbijevega oksida. Magnetooptični disk iz amorfne folije Tb-Fe se uporablja kot računalniški element za shranjevanje, njegova zmogljivost shranjevanja pa se lahko poveča za 10–15-krat. 3. Magnetooptično steklo, Faradayevo optično aktivno steklo, ki vsebuje nanometrski terbijev oksid, je ključni material za izdelavo rotatorjev, izolatorjev, obročalcev in se pogosto uporablja v laserski tehnologiji. Nanometrski terbijev oksid (nanometrski disprozijev oksid) se uporablja predvsem v sonarjih in se pogosto uporablja na številnih področjih, kot so sistemi za vbrizgavanje goriva, krmiljenje tekočih ventilov, mikropozicioniranje, mehanski aktuatorji, mehanizmi in regulatorji kril letalskih vesoljskih teleskopov. Glavne uporabe nanodisprozijevega oksida Dy2O3 so: 1. Nanodisprozijev oksid se uporablja kot aktivator fosforja, trivalentni nanodisprozijev oksid pa je obetaven aktivacijski ion tribarvnih luminiscentnih materialov z enim samim luminiscentnim središčem. Sestavljen je predvsem iz dveh emisijskih pasov, eden oddaja rumeno svetlobo, drugi pa modro svetlobo, luminiscenčni materiali, dopirani z nanodisprozijevim oksidom, pa se lahko uporabljajo kot tribarvni fosforji. 2. Nanometrski disprozijev oksid je potrebna kovinska surovina za pripravo terfenolne zlitine z veliko magnetostrikcijsko zlitino nano-terbijevega oksida in nano-disprozijevega oksida, ki lahko izvaja nekatere natančne mehanske gibe. 3. Nanometrski disprozijev oksid se lahko uporablja kot magnetooptični pomnilniški material z visoko hitrostjo snemanja in občutljivostjo branja. 4. Uporablja se za pripravo nanometrskih disprozijevih oksidnih svetilk. Delovna snov, ki se uporablja v nano-disprozijevih oksidnih svetilkah, je nano-disprozijev oksid, ki ima prednosti visoke svetlosti, dobre barve, visoke barvne temperature, majhne velikosti in stabilnega loka ter se uporablja kot vir svetlobe za filme in tiskanje. 5. Nanometrski disprozijev oksid se zaradi velikega prečnega prereza zajemanja nevtronov uporablja za merjenje energijskega spektra nevtronov ali kot absorber nevtronov v industriji atomske energije.

Ho _ 2O _ 3 nanometrov

Glavne uporabe nano-holmijevega oksida so naslednje: 1. Kot dodatek kovinskim halogenskim žarnicam je kovinska halogenska žarnica vrsta plinske svetilke, ki je razvita na osnovi visokotlačne živosrebrne žarnice, njena značilnost pa je, da je žarnica napolnjena z različnimi redkozemeljskimi halogenidi. Trenutno se uporabljajo predvsem redkozemeljski jodidi, ki pri plinskem praznjenju oddajajo različne spektralne črte. Delovna snov, ki se uporablja v nano-holmijevi oksidni svetilki, je nano-holmijev oksid jodid, ki lahko doseže višjo koncentracijo kovinskih atomov v območju obloka, s čimer se močno izboljša učinkovitost sevanja. 2. Nanometrski holmijev oksid se lahko uporablja kot dodatek itrijevega železa ali itrijevega aluminijevega granata; 3. Nano-holmijev oksid se lahko uporablja kot itrijev železov aluminijev granat (Ho:YAG), ki lahko oddaja 2μm laser, stopnja absorpcije človeškega tkiva pri 2μm laserju pa je visoka. Je skoraj tri velikostne razrede višja kot pri Hd:YAG0. Zato uporaba Ho:YAG laserja za medicinske operacije ne le izboljša učinkovitost in natančnost delovanja, temveč tudi zmanjša območje toplotne poškodbe. Prosti žarek, ki ga ustvari nano kristal holmijevega oksida, lahko odstrani maščobo brez prekomernega segrevanja, s čimer zmanjša toplotno poškodbo zdravih tkiv. Poroča se, da lahko zdravljenje glavkoma z nanometrskim holmijevim oksidnim laserjem v Združenih državah Amerike zmanjša bolečino pri operaciji. 4. V magnetostriktivno zlitino Terfenol-D se lahko doda tudi majhna količina nanodelcev holmijevega oksida, da se zmanjša zunanje polje, potrebno za nasičeno magnetizacijo zlitine. 5. Poleg tega se lahko optična vlakna, dopirana z nano-holmijevim oksidom, uporabljajo za izdelavo optičnih komunikacijskih naprav, kot so optični vlakenski laserji, optični ojačevalniki, optični vlakenski senzorji itd. To bo imelo pomembnejšo vlogo v današnji hitri optični komunikaciji.

Nanometrski itrijev oksid (Y2O3)

Glavne uporabe nano itrijevega oksida so naslednje: 1. Dodatki za jeklo in neželezne zlitine. Zlitina FeCr običajno vsebuje 0,5 % do 4 % nano itrijevega oksida, ki lahko izboljša odpornost proti oksidaciji in duktilnost teh nerjavnih jekel. Po dodatku ustrezne količine mešanice redkih zemelj, bogatih z nanometrskim itrijevim oksidom, v zlitino MB26 so se njene celovite lastnosti očitno izboljšale. Lahko nadomesti nekatere srednje močne in močne aluminijeve zlitine za obremenjene komponente letal. Dodatek majhne količine nano itrijevega oksida redkih zemelj v zlitino Al-Zr lahko izboljša prevodnost zlitine. Zlitino uporablja večina tovarn žice na Kitajskem. Nano itrijev oksid je bil dodan bakrovi zlitini za izboljšanje prevodnosti in mehanske trdnosti. 2. Keramični material iz silicijevega nitrida, ki vsebuje 6 % nano itrijevega oksida in 2 % aluminija. Uporablja se lahko za razvoj delov motorja. 3. Vrtanje, rezanje, varjenje in druge mehanske obdelave se izvajajo na velikih komponentah z uporabo laserskega žarka iz nano neodimovega oksida in aluminijevega granata z močjo 400 vatov. 4. Zaslon elektronskega mikroskopa, sestavljen iz monokristala Y-Al granata, ima visoko fluorescenčno svetlost, nizko absorpcijo razpršene svetlobe ter dobro odpornost na visoke temperature in mehansko obrabo. 5. Zlitina z visoko strukturo nano itrijevega oksida, ki vsebuje 90 % nano gadolinijevega oksida, se lahko uporablja v letalstvu in drugih primerih, ki zahtevajo nizko gostoto in visoko tališče. 6. Visokotemperaturni protonsko prevodni materiali, ki vsebujejo 90 % nano itrijevega oksida, so zelo pomembni za proizvodnjo gorivnih celic, elektrolitskih celic in plinskih senzorjev, ki zahtevajo visoko topnost vodika. Poleg tega se nano itrijev oksid uporablja tudi kot material, odporen proti visokotemperaturnemu pršenju, redčilo goriva za atomske reaktorje, dodatek materialu za trajne magnete in getter v elektronski industriji.

Poleg zgoraj navedenega se lahko nano redki zemeljski oksidi uporabljajo tudi v oblačilnih materialih za varstvo zdravja ljudi in varstvo okolja. Trenutne raziskovalne enote imajo vse določene smeri: proti ultravijoličnemu sevanju; onesnaženost zraka in ultravijolično sevanje sta nagnjena k kožnim boleznim in kožnemu raku; preprečevanje onesnaževanja otežuje oprijem onesnaževal na oblačilih; preučuje se tudi v smeri ohranjanja toplote. Ker je usnje trdo in se zlahka stara, je v deževnih dneh najbolj nagnjeno k plesni. Usnje se lahko zmehča z beljenjem z nano redkimi zemeljskimi cerijevimi oksidi, ki se ne stara zlahka in ne plesni ter je udoben za nošenje. V zadnjih letih so nano premazi v središču raziskav nanomaterialov, glavne raziskave pa se osredotočajo na funkcionalne premaze. Y2O3 z 80 nm se v Združenih državah Amerike lahko uporablja kot premaz za zaščito pred infrardečim sevanjem. Učinkovitost odbijanja toplote je zelo visoka. CeO2 ima visok lomni količnik in visoko stabilnost. Ko se premazu dodajo nano prah itrijevega oksida, nano lantanovega oksida in nano cerijevega oksida, se zunanja stena lahko upre staranju, saj se zunanji premaz stene zlahka stara in odpada, ker je barva dolgo časa izpostavljena sončni svetlobi in ultravijoličnim žarkom, in po dodatku cerijevega oksida in itrijevega oksida se lahko upre ultravijoličnim žarkom. Poleg tega je velikost delcev zelo majhna, nano cerijev oksid pa se uporablja kot ultravijolični absorber, ki naj bi se uporabljal za preprečevanje staranja plastičnih izdelkov zaradi ultravijoličnega obsevanja, rezervoarjev, avtomobilov, ladij, rezervoarjev za skladiščenje nafte itd., kar lahko najbolje zaščiti velike zunanje oglasne panoje in prepreči plesen, vlago in onesnaženje pri notranjih stenskih premazih. Zaradi majhne velikosti delcev se prah ne oprime stene. In jih je mogoče očistiti z vodo. Še vedno obstaja veliko uporab nano oksidov redkih zemelj, ki jih je treba nadalje raziskati in razviti, in iskreno upamo, da bo imela svetlejšo prihodnost.