Was ist ein Nanokomposit?
Ein Nanokomposit ist ein künstlich hergestelltes Material, das für eine verbesserte Leistung in einer Reihe einzigartiger Anwendungen entwickelt wurde: strukturell, funktional oder kosmetisch. Wie bei anderen Verbundstoffen enthält der Nanoverbundstoff ein Grundmedium oder eine Matrix aus Kunststoff, Metall oder Keramik in Kombination mit Nanopartikeln in Suspension. Die Füllstoffpartikel sind viel kleiner als die in regulären Kompositen und haben die Größe großer Moleküle, mindestens hundertmal kleiner als der Kern einer menschlichen Eizelle.
Das feste Grundmedium eines Nanokomposits beginnt als Flüssigkeit, die auf eine Oberfläche gesprüht, extrudiert oder in eine Form gespritzt werden kann. Die Füllstoffpartikel wirken je nach Form: rund wie eine Kugel oder lang und dünn wie eine Röhre. Fullerene, Nanopartikel, die vollständig aus Kohlenstoffatomen wie Buckyballs oder Nanoröhren bestehen, sind um Größenordnungen kleiner als die in herkömmlichen Verbundwerkstoffen vorkommenden Kohlenstofffasern oder Perlenfüllstoffe. Diese Fullerene können eine beliebige Anzahl reaktiver Moleküle tragen, die in medizinischen Anwendungen verwendet werden.
Je kleiner die Größe der im Grundmedium suspendierten Füllstoffteilchen ist, desto größer ist die zur Wechselwirkung verfügbare Oberfläche und desto größer ist das Potenzial, die Materialeigenschaften zu beeinflussen. In den Umformphasen von Nanokompositen muss das Basismedium leicht in Formen fließen können. Bei einigen Anwendungen muss der Füllstoff mit dem Durchfluss in bestimmten Richtungen, in denen Festigkeit oder Leitfähigkeit erforderlich sind, fluchten und ihn nicht stören. Füllstoffe mit hohen Verhältnissen von Länge zu Breite passen sich gut dem Fluss einer flüssigen Basis an, die noch nicht fest geworden ist.
Die vergrößerte Oberfläche der kleineren Partikel in Nanokompositen erzwingt deren Diffusion und zwingt sie zu einer gleichmäßigeren Verteilung, was zu gleichmäßigeren Materialeigenschaften führt. Das Verklumpen von Nanopartikeln während des Fließens und Abbindens des Grundmediums wird durch Restatomladungen verursacht oder wenn sich verzweigte Partikel beim Ineinanderfließen verwickeln. Unerwünschte und ungleichmäßige Verklumpungen tragen zu Restspannungen im Material bei, wenn das Grundmedium fest wird. Eine ungleichmäßige Verteilung von Nanopartikeln an kritischen Stellen kann dazu führen, dass ein Design versagt, nicht mehr funktioniert oder bricht. Eine Methode, die eine gleichmäßige Verteilung der Partikel garantiert, ist die Sonochemie, bei der sich - bei Vorhandensein von Ultraschallwellen - Blasen bilden und zusammenfallen, wodurch die Nanopartikel gleichmäßiger verteilt werden.
Einige der zahlreichen Anwendungen für Nanokompositmaterialien sind elektronisch, optisch und biomedizinisch. Nanokomposite, die ein polymeres Basismedium mit Kohlenstoffnanoröhren kombinieren, werden zum Verpacken von Elektronik verwendet, bei denen Gehäuse erforderlich sind, um statische elektrische Ladungen und thermische Aufbauten abzuleiten. Für eine optische Transparenz streuen Nanopartikel mit einer optimalen Größe das Licht nicht, sondern lassen es durch, während sie dem Material noch mehr Festigkeit verleihen. In der Photovoltaik ist die Solarabsorption umso größer, je kleiner die Partikel sind, was zu einer höheren Stromerzeugung führt. Nanopartikel in Kontaktlinsen auf Polymerbasis ändern ihre Farbe in Abhängigkeit von der Glukosemenge in der Tränenflüssigkeit des Patienten, was auf den Insulinbedarf eines Diabetikers hinweist.