नैनोकम्पोजिट

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नैनोकम्पोजिट एक बहुचरण ठोस सामग्री है जो चरणों में से एक तथा 100 नैनोमीटर एनएम से कम के एक, दो या तीन के आयाम होते हैं तथा इसमें सामग्री बनाने वाले विभिन्न चरणों के बीच नैनो-स्केल दोहराने वाली संरचनाएं होती हैं

नैनोकम्पोजिट के पीछे का विचार है कि नैनोमीटर सीमा में आयामों के साथ बंद भवनों का उपयोग किया जा सकता है जिससे अभूतपूर्व लचीलेपन और उनके भौतिक गुणों के साथ नई सामग्री तैयार की जा सके

व्यापक अर्थों में इस परिभाषा को छिद्रित संचार माध्यम, कोलाइड, जैल और बहुलक सम्मिलित हो सकते हैं लेकिन इसका सम्पूर्ण आव्यूह और नैनो-आयामी चरणओं के ठोस संयोजन से लिया जाता है जो संरचना और रसायन विज्ञान में असमानताओं के कारण गुणों में भिन्न होते हैं तथा नैनोकंपोजिट के यांत्रिक, विद्युत, ताप, प्रकाश, विद्युत रसायन, उत्प्रेरक गुण घटक सामग्री से स्पष्ट रूप से भिन्न होते हैं इन प्रभावों के लिए आकार सीमा प्रस्तावित की गई है जो इस प्रकार है-[1]

  1. <5 एनएम उत्प्रेरक गतिविधि के लिए।
  2. <20 एनएम एक कठिन चुंबकीय सामग्री को नरम बनाने के लिए।
  3. <50 एनएम अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन के लिए।
  4. <100 एनएम अनुचुम्बकत्व, यांत्रिक मजबूती या आव्यूह और अव्यवस्था आंदोलन को प्रतिबंधित करने के लिए।

नैनोकंपोजिट्स प्रकृति में पाए जाते हैं उदाहरण ऐबालोन हड्डी की संरचना में नैनोकण की भरपूर सामग्री का उपयोग इन सामग्रियों की भौतिक और रासायनिक प्रकृति की समझ में पहले से है जोस-याकामन एट अल द्वारा [2] रंग की गहराई की उत्पत्ति और नीले रंग के अम्ल तथा जैव-जंग के प्रतिरोध की जांच की गई तथा इसे एक नैनोकण तंत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया गया 1950 के दशक के मध्य से नैनोस्केल ऑर्गेनो-मिट्टी का उपयोग बहुलक समाधानों के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए किया गया है जैसे रंग पिगमेंट के रूप में या भाग का गठन जैसे सौंदर्य प्रसाधनों में एक गाढ़े पदार्थ के रूप में रखते हुए 1970 के दशक तक बहुलक/मिट्टी के खनिज सम्मिश्रण पाठ्यपुस्तकों के विषय थे [3][4] जबकि नैनोकंपोजिट्स शब्द खास उपयोग में नहीं था।

यांत्रिक शब्दों में नैनोकम्पोजिट्स मजबूत करने वाले चरण के असाधारण उच्च सतह से पहले अनुपात या इसके असाधारण उच्च पहलू के कारण पारंपरिक समग्र सामग्री से भिन्न होते हैं तथा प्रबल करने वाली सामग्री कणों जैसे खनिज, पत्रक जैसे एक्सफ़ोलीएटेड मिट्टी के ढेर या रेशा जैसे कार्बन नैनोट्यूब या इलेक्ट्रॉन चक्रण रेशे से बनी हो सकती है [5] आव्यूह और सुदृढीकरण चरण के बीच मूल बिन्दु का क्षेत्र अधिकतर पारंपरिक समग्र सामग्रियों की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है तथा सुदृढीकरण के आसपास के क्षेत्र में आव्यूह सामग्री महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होते हैं अजयन एट अल [6] ने बहुलक नैनोकम्पोजिट्स के साथ स्थानीय रसायन विज्ञान से संबंधित गुण, ऊष्मा तापी इलाज की डिग्री, बहुलक श्रृंखला गतिशीलता, बहुलक श्रृंखला रचना, बहुलक श्रृंखला क्रम या क्रिस्टलीयता की डिग्री सभी आव्यूह के थोक में सुदृढीकरण के साथ समन्वय बिन्दु से लगातार भिन्न हो सकते हैं।

सुदृढीकरण सतह क्षेत्र का अर्थ यह है कि अपेक्षाकृत कम मात्रा में नैनोस्केल सुदृढीकरण समग्र के दीर्घ मापक्रम गुणों पर एक अवलोकनीय प्रभाव डाल सकता है उदाहरण कार्बन नैनोट्यूब जोड़ने से विद्युत चालकता और तापीय चालकता में सुधार होता है तथा अन्य प्रकार के नैनोकणों के परिणामस्वरूप प्रकाशिकी ढांकता हुआ गर्मी प्रतिरोध या यांत्रिक गुण जैसे कठोरता, सामग्री की ताकत और पहनने और क्षति के प्रतिरोध में वृद्धि हो सकती है सामान्य तौर पर प्रसंस्करण के दौरान नैनो सुदृढीकरण को आव्यूह में फैलाया जाता है कुछ नैनोकणों का वजन द्रव्यमान अंश में कहा जाता है इसका प्रतिशत बहुत कम है तथा 0.5 प्रतिशत से 5 प्रतिशत के क्रम में फिलर रिसाव की दहलीज के कारण विशेष रूप से सबसे अधिक प्रयोग किए जाने वाले गैर-गोलाकार उच्च पहलू अनुपात फिलर्स का उदाहरण है नैनोमीटर-पतली प्लेटलेट्स जैसे मिट्टी या नैनोमीटर-व्यास सिलेंडर जैसे कार्बन नैनोट्यूब आदि असममित नैनोकणों का अभिविन्यास और व्यवस्था समन्वय बिन्दु पर ताप सम्पत्ति नैनोकम्पोजिट की प्रति इकाई मात्रा में समन्वय बिन्दु घनत्व और नैनोकणों का प्राकृतिक बहुलक नैनोकम्पोजिट्स की प्रभावी तापीय चालकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।[7]


सिरेमिक-मैट्रिक्स नैनोकम्पोजिट्स

मिट्टी का आव्यूह संयोजन सीएमसी में मिट्टी आव्यूह में अन्त: स्थापित रेशे होते हैं जो आव्यूह और रेशे में कार्बन रेशा सहित कोई भी मिट्टी की सामग्री सम्मिलित हो सकती है अधिकांश मात्रा में व्याप्त मिट्टी अधिकतर ऑक्साइड के समूह से होती है जैसे नाइट्राइड, बोराइड, सिलिकाइड्स जबकि दूसरा घटक अधिकतर धातु का होता है विशेष रूप से प्रकाश, विद्युत और चुंबकीय गुणों को प्राप्त करने के लिए आदर्श रूप से दोनों घटकों को एक दूसरे में बारीकी से फैलाया जाता है[8] साथ ही धातु श्रांतिकी, संक्षारण प्रतिरोध और अन्य सुरक्षात्मक गुण [9]मिश्रण के द्विआधारी चरण आरेख को मिट्टी की धातु नैनोकंपोजिट बनावट पर विचार किया जाना चाहिए और दोनों घटकों के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया से बचने के उपाय किए जाने चाहिए जिससे अंतिम बिंदु मुख्य रूप से धात्विक घटक के लिए महत्वपूर्ण हो जो मिट्टी के साथ आसानी से प्रतिक्रिया कर सकता है और इस तरह अपने धात्विक चरित्र को खो सकता है और यह आसानी से पालन की जाने वाली बाधा नहीं है क्योंकि सिरेमिक घटक की तैयारी के लिए उच्च प्रक्रिया तापमान की आवश्यकता होती है इस प्रकार सबसे सुरक्षित उपाय सावधानी से अमिश्रणीय धातु और सिरेमिक चरणों का चयन करना है इस तरह के संयोजन का एक अच्छा उदाहरण TiO2|TiO को मिट्टी के सम्मिश्रण द्वारा दर्शाया गया है2और ताँबा जिसका मिश्रण 'क्यू-ओ-टी' के गिब्स त्रिकोण में बड़े क्षेत्रों में अमिश्रणीय पाया गया [10]सिरेमिक आव्यूह नैनोकम्पोजिट्स की अवधारणा को पतली फिल्म पर भी लागू किया गया था जो एक अंतर्निहित आणविकता पर जमा कुछ एनएम की सूक्ष्म मोटाई की ठोस परतें हैं और जो तकनीकी सतहों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं उपज जमा करना तथा गैस की धारा व उपजखोखले कैथोड प्रभाव तकनीक द्वारा नैनोकम्पोजिट परतों की तैयारी के लिए एक प्रभावी तकनीक के रूप में निकला यह प्रक्रिया एक निर्वात-आधारित निक्षेपण भौतिकी तकनीक के रूप में संचालित होती है और कुछ µm/s तक उच्च निक्षेपण दर और गैस चरण में नैनोकणों की वृद्धि से जुड़ी होती है संरचना के सिरेमिक सीमा में नैनोकम्पोजिट परतें TiO2 | TiO से तैयार की गई थीं2और कॉपर खोखले कैथोड तकनीक द्वारा[11] जिसने एक उच्च घर्षण का गुणांक और एक उच्च संक्षारण प्रतिरोध दिखाया गया है।

मेटल-मैट्रिक्स नैनोकंपोजिट्स

धातु आव्यूह नैनोकम्पोजिट को प्रबलित धातु आव्यूह संयोजन के रूप में भी परिभाषित किया जा सकता है इस प्रकार के संयोजन को निरंतर और गैर-निरंतर प्रबलित सामग्री के रूप में वर्गीकृत किया जाता है तथा महत्वपूर्ण नैनोकंपोजिट्स में से एक कार्बन नैनोट्यूब धातु आव्यूह संयोजन है जो एक उभरती हुई नई सामग्री है जिसे कार्बन नैनोट्यूब सामग्री की उच्च तन्यता और विद्युत चालकता का लाभ उठाने के लिए विकसित किया जा रहा है [12] इन क्षेत्रों में इष्टतम गुण रखने वाले सीएनटी-एमएमसी की प्राप्ति के लिए महत्वपूर्ण सजातीय तकनीकों का विकास है जो आर्थिक रूप से उत्पादक हैं धातु आव्यूह में नैनोट्यूब के समान फैलाव प्रदान करते हैं और मजबूत करने के लिए नेतृत्व करते हैं धातु आव्यूह और कार्बन नैनोट्यूब के बीच अंतराफलक आसंजन कार्बन नैनोट्यूब धातु आव्यूह संयोजन के अलावा बोरॉन नाइट्राइड प्रबलित धातु आव्यूह संयोजन और कार्बन नाइट्राइड धातु आव्यूह संयोजन धातु आव्यूह नैनोकम्पोजिट पर नए शोध के क्षेत्र हैं [13]एक निकट अध्ययन, एकल और बहु-दीवार वाले प्रबलित बहुलक के यांत्रिक गुणों यंग के मापांक, संपीड़ित उपज शक्ति, फ्लेक्सुरल मापांक और फ्लेक्सुरल उपज शक्ति की तुलना टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड नैनोट्यूब प्रबलित पीपीएफ नैनो संयोजन से करता है जो सुझाव देता है कि टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड नैनोट्यूब प्रबलित पीपीएफ नैनोकम्पोजिट में काफी उच्च यांत्रिक गुण के होते हैं और टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड नैनोट्यूब कार्बन नैनोट्यूब की तुलना में बेहतर प्रबलन पदार्थ होते हैं [14] यांत्रिक गुणों में वृद्धि को बहुलक आव्यूह में अकार्बनिक नैनोट्यूब के एक समान फैलाव कार्बन नैनोट्यूब की तुलना में जो माइक्रोन आकार के समुच्चय के रूप में एकत्र हैं और टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड नैनोट्यूब घनत्व में वृद्धि की उपस्थिति में बहुलक के तिर्यक बन्ध घनत्व में वृद्धि के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है तथा यह यांत्रिक गुणों में वृद्धि की ओर जाता है और इन परिणामों से पता चलता है कि कार्बन नैनोट्यूब की तुलना में अकार्बनिक नैनो प्रोद्योगिकी सामान्य रूप से बेहतर पदार्थ हो सकते हैं।

एक अन्य प्रकार का नैनो संयोजन ऊर्जावान नैनो संयोजन है आम तौर पर एक सिलिका बेस के साथ एक हाइब्रिड सोल-जेल के रूप में जो धातु ऑक्साइड और नैनो-स्केल एल्यूमीनियम चूर्ण के साथ संयुक्त होने पर क्रोमियम व मैग्नीज के मिश्रण की सामग्री बना सकता है।[15][16][17][18]


पॉलिमर-मैट्रिक्स नैनोकंपोजिट्स

Main article: Polymer nanocomposite

एक बहुलक आव्यूह में उचित रूप से नैनोकणों को जोड़ने से इसके प्रदर्शन में वृद्धि हो सकती है अधिकतर नाटकीय रूप से केवल नैनोस्केल भराव की प्रकृति और गुणों पर पूंजीकरण करके[19] इन सामग्रियों को नैनोफिल्ड बहुलक संयोजन शब्द से बेहतर तरीके से वर्णित किया गया है[19] यह रणनीति विशेष रूप से उच्च प्रदर्शन संयोजन उत्पन्न करने में प्रभावी होती है जब फिलर का एक समान फैलाव हासिल किया जाता है तब नैनोस्केल फिलर के गुण आव्यूह की तुलना में काफी अलग होते हैं फैलाव की एकरूपता सभी नैनो संयोजन में थर्मोडायनामिक के रूप से संचालित चरण पृथक्करण द्वारा प्रतिपादित है नैनोस्केल फिलर्स के कलन विधि से समुच्चय उत्पन्न होते हैं जो संरचनात्मक दोषों के रूप में काम करते हैं और परिणामस्वरूप विफलता होती है परत-दर-परत (LbL) सभा जब नैनो विद्युतीय कण की नैनोमीटर-स्केल परतें और बहुलक परतें एक-एक करके जुड़ती हैं जहां बहु विद्युत अपघट्य की पसंद मिट्टी को अन्त: स्तर के रूप में सभा के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है [20] एलबीएल संयोजन या बैच मिश्रण द्वारा बनाए गए पारंपरिक नैनोकंपोजिट्स की तुलना में 10-1000 गुना बेहतर प्रदर्शन पैरामीटर प्रदर्शित करते हैं।

नैनो कण जैसे रासायनिक पदार्थ,[21] कार्बन नैनोट्यूब,[22] मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड और टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड का उपयोग अस्थि ऊतक रचना के अनुप्रयोगों के लिए यंत्रवत् रूप से मजबूत अजैवनिम्नीकरण नैनोकम्पोजिट बनाने के लिए प्रबल पदार्थ के रूप में इसे प्रयोग किया जा रहा है तथा कम सांद्रता ~0.2 वज़न प्रतिशत पर बहुलक आव्यूह में इन नैनोकणों को जोड़ने से बहुलक नैनो संयोजन के संपीड़न और फ्लेक्सुरल यांत्रिक गुणों में महत्वपूर्ण सुधार होता है [23][24][25] संभावित रूप से इन नैनो संयोजन से हड्डी के प्रत्यारोपण के रूप में एक उपन्यास यांत्रिक रूप से मजबूत हल्के वजन के समग्र रूप में प्रयोग किया जा सकता है इसमें परिणाम यह बताते हैं कि यांत्रिक सुदृढीकरण नैनोसंरचना आकृति विज्ञान, दोष, बहुलक, आव्यूह में नैनो प्रौद्योगिकी और बहुलक के घनत्व पर निर्भर है सामान्य तौर पर द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉनिक संरचना बहुलक को एक-आयामी संरचना से बेहतर मजबूत कर सकते हैं और अकार्बनिक नैनोमटेरियल्स कार्बन आधारित नैनोमटेरियल्स की तुलना में बेहतर मजबूत करने वाले पदार्थ हैं यांत्रिक गुणों के अलावा कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित बहुलक नैनो संयोजन का उपयोग गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला को बढ़ाने के लिए किया गया है जिससे ऊर्जा रूपांतरण और भंडारण, संवेदन और जैसे क्षेत्रों में उच्च वर्धित मूल्य अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए कार्यात्मक सामग्री को जन्म दिया गया है जैव चिकित्सा टिशू रचना उदाहरण विद्युत चालकता की वृद्धि के लिए बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब आधारित बहुलक नैनोकम्पोजिट का उपयोग किया गया है [26]सम्मिश्र में भराव या नियंत्रित नैनोस्ट्रक्चर का नैनोस्केल फैलाव नए भौतिक गुणों और उपन्यास व्यवहारों को पेश कर सकता है जो अधूरे आव्यूहों में अनुपस्थित हैं यह मूल आव्यूह की प्रकृति को प्रभावी ढंग से बदलता है[19]इस तरह की समग्र सामग्री को 'वास्तविक नैनोकंपोजिट्स या 'हाइब्रिड्स' शब्द से बेहतर ढंग से वर्णित किया जा सकता है ऐसे नए गुणों के कुछ उदाहरण अग्नि प्रतिरोध या ज्वाला मंदता और त्वरित हैं।

ऊतक रचना, औषधि प्राप्त, कोशिकीय चिकित्सक, जैव चिकित्सा का बहुलक नैनो संयोजन है इसमें श्रृंखला का उपयोग किया जाता है और बहुलक नैनोकणों के बीच अद्वितीय बातचीत के कारण मूल ऊतक संरचना और गुणों की नकल करने के लिए संपत्ति संयोजनों की एक श्रृंखला को रचनीय किया जाता है मंड, कोशिका, एल्गिनेट, चिटोसन, कोलेजन, जिलेटिन, और विनाइल अल्कोहल पीवीए, पॉली (एथिलीन ग्लाइकॉल) (पीईजी) सहित जैव चिकित्सा अनुप्रयोग के लिए बहुलक नैनोकम्पोजिट बनावट करने के लिए प्राकृतिक और सजातीय बहुलक की एक श्रृंखला का उपयोग किया जाता है पॉली (कैप्रोलैक्टोन) (पीसीएल), पॉली (लैक्टिक-को-ग्लाइकोलिक अम्ल) (पीएलजीए), और पॉली (ग्लिसरॉल ) (पीजीएस) वांछित संपत्ति संयोजन प्राप्त करने के लिए मिट्टी, बहुलक, धातु ऑक्साइड और कार्बन-आधारित नैनो सामग्री सहित नैनोकणों की एक श्रृंखला को बहुलक नेटवर्क के भीतर सम्मिलित किया गया है।

चुंबकीय नैनोकम्पोजिट्स

नैनोकंपोजिट्स बाहरी उत्तेजना का जवाब दे सकते हैं तथा इस तथ्य के कारण बढ़ी हुई रुचि समन्वय बिन्दु के बीच बड़ी मात्रा में उत्तेजना प्रतिक्रिया समग्र रूप से बड़ा प्रभाव डाल सकती है तथा बाहरी उत्तेजना कई रूप ले सकती है जैसे चुंबकीय क्षेत्र में विशेष रूप से चुंबकीय उत्तेजना दोनों के लिए चुंबकीय सामग्री की प्रतिक्रिया करने की क्षमता की प्रकृति के कारण चुंबकीय नैनोकम्पोजिट इन अनुप्रयोगों में उपयोगी होते हैं एक चुंबकीय क्षेत्र में प्रवेश की गहराई भी अधिक होती है जिससे एक क्षेत्र में वृद्धि होती है तथा नैनोकम्पोजिट प्रभावित होता है इसलिए प्रतिक्रिया एक चुंबकीय क्षेत्र के आव्यूह को एक नैनोकणों या नैनोरोड्स के साथ आसानी से भार रहित किया जा सकता है कोलाइडल क्रिस्टल, सूक्ष्म स्केल, गोले, प्रकार, नैनो प्रौद्योगिकी तथा[27][28]चुंबकीय नैनोकम्पोजिट का उपयोग बड़ी संख्या में अनुप्रयोगों में किया जा सकता है जिसमें उत्प्रेरक, चिकित्सा और तकनीकी सम्मिलित हैं उदाहरण पैलेडियम एक सामान्य संक्रमण धातु है जिसका उपयोग कटैलिसीस प्रतिक्रियाओं में किया जाता है प्रतिक्रिया में पैलेडियम की दक्षता बढ़ाने के लिए चुंबकीय नैनोपार्टिकल-समर्थित पैलेडियम परिसरों का उपयोग कटैलिसीस में किया जा सकता है[29]चिकित्सा क्षेत्र में चुंबकीय नैनोकण का भी उपयोग किया जा सकता है एक बहुलक आव्यूह में अन्त: स्थापित चुंबकीय सटीक दवा वितरण में सहायता कर सकते हैं अंत में उच्च आवृत्ति/उच्च तापमान अनुप्रयोगों में चुंबकीय नैनोकंपोजिट का उपयोग किया जा सकता है उदाहरण के लिए विद्युत अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए बहु-परत संरचनाओं का निर्माण किया जा सकता है शक्ति सूक्ष्म जैसे अनुप्रयोगों में उच्च परिचालन आवृत्तियों पर उच्च चुंबकीय पारगम्यता वांछित होती है [30] पारंपरिक चुंबकीय कोर सामग्री व उच्च परिचालन आवृत्ति पर पारगम्यता दोनों में कमी दिखती है [31] इस जगह में चुंबकीय नैनो संयोजन में अपेक्षाकृत उच्च पारगम्यता और कम नुकसान प्रदान करके बिजली उपकरणों की दक्षता में सुधार करने की काफी संभावनाएं हैं उदाहरण आव्यूह में अन्त: स्थापित आयरन ऑक्साइड नैनो कण हमें उच्च आवृत्ति पर उन नुकसानों को कम करने में सक्षम बनाता है [32] जो उच्च प्रतिरोधक आयरन ऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स धारा के नुकसान को कम करने में मदद करते हैं जो उच्च पारगम्यता प्राप्त करने में मदद करता है डीसी चुंबकीय गुण जैसे कि संतृप्ति चुंबकत्व इसके प्रत्येक घटक के बीच स्थित है जबकि नैनोकंपोजिट्स को बनाकर सामग्री के भौतिक गुणों को बदला जा सकता है।

गर्मी प्रतिरोधी नैनोकंपोजिट्स

हाल के वर्षों में बहुलक आव्यूह में कार्बन बिन्दु सीडी जोड़कर उच्च तापमान का सामना करने के लिए नैनोकंपोजिट तैयार किए गए हैं ऐसे नैनो संयोजन का उपयोग उन वातावरणों में किया जा सकता है जिनमें उच्च तापमान प्रतिरोध एक प्रमुख मानदंड हो। [33]


यह भी देखें

संदर्भ

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