Het gebruik van brand om nanodeeltjes te produceren, kan een revolutie teweegbrengen in verschillende industrieën

Vuur is misschien wel de vroegste ontdekking van de mensheid. Het was cruciaal in de voortschrijdende samenleving—Allting veel van de meest transformerende uitvindingen van de mensheid, van koken en het smeden van wapens tot het genereren van energie en het inschakelen van autoverbrandmotoren.

Tegenwoordig blijft brand de toegangspoort tot enkele van de meest geavanceerde nanotechnologieën die momenteel worden ontwikkeld voor gebruik in kankerbehandelingen en als ademsensoren voor vroege detectie van diabetes en andere metabole ziekten.

Nanotechnologieën zijn te vinden in bijna elk aspect van ons dagelijks leven. Ik heb bijvoorbeeld eerder geschreven over de nanotechnologie die wordt gebruikt in de mRNA -vaccins die ons door de pandemie hebben geholpen, en heb gesprekken gefaciliteerd om te bespreken Hoe nanotechnologie onze wijn, darm en klimaat beïnvloedt.

Gassensoren met nanodeeltjes die via vuur zijn gemaakt, kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt Controleer of er geen methanol is in alcoholische dranken. Methanol is een zeer giftige alcoholverontreiniging en heeft Wereldwijd talloze vergiftigingen veroorzaakt.

Vuur is hoe de meest gebruikte nanodeeltjes – en bij uitbreiding, nanotechnologieën – worden gemaakt. Een derde van het gewicht van een autoband bestaat bijvoorbeeld uit Koolstof zwarte nanodeeltjesdie worden gemaakt met behulp van vuur. Deze nanodeeltjes helpen de band te versterken. De witte verf die we op onze muren gebruiken en de coatings op sommige pillen bevatten Fire-gemaakte titania nanodeeltjes. Evenzo, Fumed silica– die wordt gebruikt in de optische vezels die nodig zijn voor internet en communicatiesystemen – zijn ook in brand gesmeed.

Hoe nanotechnologie wordt gemaakt

Dus hoe zijn nanodeeltjes, welke zijn 80 tot 100 duizend keer kleiner dan de dikte van een menselijk haar, vormt in een vuur?

Ik ben gespecialiseerd in het maken van nanodeeltjes in brand – specifiek met behulp van een technologie die wordt genoemd vlamspraypyrolyse.

In mijn onderzoek verbrand ik brandbare chemicaliën die de doelmetaalelementen bevatten om mijn nanodeeltjes te vormen. Alles wordt geoxideerd tijdens de verbranding: koolstof wordt CO₂waterstof wordt waterdamp en metaalelementen worden metaaloxiden.

Tijdens de milliseconden dat deze metaaloxidedeeltjes in het vuur doorbrengen, botsen ze en groeien ze uit tot nano- of micro-delen. Ik verzamel deze deeltjes op een filter bovenop het vuur. Belangrijke eigenschappen zoals de grootte en kristalstructuur van de geproduceerde nanodeeltjes hangen af ​​van hoeveel tijd deze deeltjes doorbrengen in het vuur.

Hoe meer tijd de deeltjes moeten botsen in het smeden vuur, hoe groter ze groeien. We kunnen ook gecompliceerde deeltjes maken bestaande uit meerdere elementen door een mengsel van verschillende chemicaliën te verbranden. Dit proces is zowel veelzijdig als schaalbaar, waardoor elk jaar miljoenen tonnen nanodeeltjes kunnen worden geproduceerd.

Beperkingen overwinnen

In staat zijn om nanodeeltjes massaal te produceren is een van de grootste uitdagingen van het produceren van nanotechnologieën op grotere schaal. Dit komt omdat de meeste nanodeeltjes die in nanotechnologieën worden gebruikt, alleen kunnen worden gemaakt via “natte chemie” of door het gebruik van vloeistoffen.

Het kan uren duren werken met vloeistof in bekers, mengen, verwarmen, vervolgens scheiden en centrifugeren alleen om kleine hoeveelheden materiaal te verkrijgen. Deze processen zijn vaak te duur en te gevaarlijk om voldoende te schalen voor haalbare commercialisering.

Bijvoorbeeld kwantumstippen (nanodeeltjes gemaakt van halfgeleidende materialen die zowel optische als elektrische eigenschappen hebben) – waarvan de ontdekking werd gevierd door de Chemie Noble Prize in 2023. Deze hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in vele technologieën – inclusief zonnecellen, koolstofvangst en contrastmiddelen die worden gebruikt bij medische beeldvorming.

Kwantumstippen worden echter op grote schaal in die technologieën gebruikt in die technologieën, omdat de onbetaalbare kosten om ze via natte chemie te maken zo hoog kan zijn als US $ 45.000 per gram.

Maar in tegenstelling tot natte chemie is vuur eenvoudig, goedkoop, schaalbaar en verrassend veilig. Dus wanneer processen die de productie van hoogwaardige nanodeeltjes mogelijk maken, zoals kwantumstippenmet brand worden ontwikkeld, dalen de kosten drastisch en worden ze onmiddellijk schaalbaar en van potentieel belang voor de industrie.

Vuur kan ook schadelijke deeltjes en bijproducten produceren.

Als u bijvoorbeeld een servet voor de uitlaat van uw auto plaatst, accumuleren zwarte spullen er op. Dit zwarte residu is roetdeeltjes geproduceerd door het vuur dat in de motor brandt. Evenzo zorgt het roken van sigaretten ervoor dat roet vormt en zich ophoopt in de long van een roker, vaak kanker veroorzaken.

Roet is ook, volgens sommige schattingen, de derde hoogste bijdrage aan de opwarming van de aarde na koolstofdioxide en methaan. Die beoordelingen kan zelfs onderschatten De ware bijdrage van roet aan broeikasgaseffecten.

Vlamspray -pyrolysetechnologie is ook gebruikt om verbrandingsomstandigheden te simuleren om niet alleen de impact van gegenereerd roet nauwkeuriger te bestuderen, maar ook te testenprocesveranderingen die de roetemissies vrijwel kunnen elimineren. Bijvoorbeeld, Eén studie Gebruikte vlamspraypyrolyse om aan te tonen dat het injecteren van lucht stroomafwaarts van verbranding van de vliegtuigbrandstof met meer dan 90 procent kan verminderen. Vlamspraypyrolyse kan een nuttig hulpmiddel blijven bij het onderzoeken van de effecten van vervuiling.

De toekomst van nanodeeltjes

Maar niet alle nanodeeltjes kunnen worden geproduceerd door vuur. Als zodanig kan onderzoek naar nieuwe recepten en processen om nanodeeltjes van hoge waarde te maken die nog niet mogelijk zijn om in brand te komen een grote impact hebben.

Een belangrijke focus van mijn huidige werk is bijvoorbeeld het onderzoeken van de mogelijkheid om brand te gebruiken om grafeen te maken. Grafeen is het sterkste materiaal dat op nanoschaal bekend is. Mijn Vorig werk laat zien dat door het gebruik van ultraviolet licht, grafeen kan worden omgezet in sterke macroscopische structuren, waardoor het mogelijk kan worden gebruikt bij 3D -printen.

Verder is er enorm onbenut potentieel in nanomedicine Om de nanodeeltjes te integreren die al mogelijk zijn om in brand te komen. Slechts ongeveer 30 soorten nanodeeltjes worden goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration-zoals die worden gebruikt in COVID-19-vaccins, evenals op ijzer gebaseerde nanodeeltjes die worden gebruikt voor de behandeling van bloedarmoede en nierziekte.

Al die goedgekeurde nanomedicines worden gegeven via injecties. Dit laat voldoende ruimte over Verken de voordelen van anorganische nanodeeltjes in de geneeskunde – vooral oraal beheerd therapeutica.