Нанофазная керамика — это керамика, которая является нанофазными материалами (то есть материалами с размером зерна менее 100 нанометров).
Они обладают потенциалом для сверхпластической деформации. Из-за малого размера зерна и дополнительных границ зерен такие свойства, как пластичность, твердость и реакционная способность, резко отличаются от керамики с более крупными зернами.
Состав
Структура нанофазной керамики не слишком отличается от структуры керамики. Главное отличие заключается в величине площади поверхности на единицу массы. Частицы керамики имеют небольшую площадь поверхности, но когда эти частицы уменьшаются до нескольких нанометров, площадь поверхности того же количества массы керамики значительно увеличивается. Таким образом, в целом нанофазные материалы имеют большую площадь поверхности, чем у материала аналогичной массы в большем масштабе. Это важно, потому что если площадь поверхности очень большая, частицы могут контактировать с большим количеством своего окружения, что, в свою очередь, увеличивает реакционную способность материала. Реакционная способность материала изменяет механические свойства материала и химические свойства, среди прочего. Это особенно актуально для нанофазной керамики.
Характеристики
Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, чем обычная керамика, благодаря своей улучшенной реакционной способности. Нанофазная керамика проявляет другие механические свойства, чем ее аналог, такие как более высокая твердость, более высокая вязкость разрушения и высокая пластичность. Эти свойства далеки от керамики, которая ведет себя как хрупкие, малопластичные материалы.
Диоксид титана
Диоксид титана (TiO
2), как было показано, имеет повышенную твердость и пластичность в наномасштабе. В эксперименте зерна диоксида титана, которые имели средний размер 12 нанометров, были сжаты при 1,4 ГПа и спечены при 200 °C. Результатом была твердость зерна примерно в 2,2 раза больше, чем у зерен диоксида титана со средним размером 1,3 микрометра при той же температуре и давлении. В том же эксперименте измерялась пластичность диоксида титана. Чувствительность к скорости деформации зерна диоксида титана размером 250 нанометров составила около 0,0175, тогда как зерно размером около 20 нанометров имело чувствительность к скорости деформации около 0,037; значительное увеличение.
Обработка
Нанофазная керамика может быть получена из атомных, молекулярных или объемных прекурсоров. Газовая конденсация, химическое осаждение, аэрозольные реакции, биологическое шаблонирование, химическое осаждение из паровой фазы и физическое осаждение из паровой фазы являются методами, используемыми для синтеза нанофазной керамики из молекулярных или атомных прекурсоров. Для обработки нанофазной керамики из объемных прекурсоров используются механическое истирание, кристаллизация из аморфного состояния и разделение фаз для создания нанофазной керамики. Синтез нанофазной керамики из атомных или молекулярных прекурсоров более желателен, поскольку может возникнуть больший контроль над микроскопическими аспектами нанофазной керамики.
Конденсация газа
Газовая конденсация — один из способов получения нанофазной керамики. Сначала исходная керамика испаряется из источников в камере газовой конденсации. Затем керамика конденсируется в газе (в зависимости от синтезируемого материала) и транспортируется посредством конвекции в заполненный жидким азотом холодный палец. Затем керамические порошки соскребаются с холодного пальца и собираются в воронке под холодным пальцем. Затем керамические порошки консолидируются в устройстве уплотнения низкого давления, а затем в устройстве уплотнения высокого давления. Все это происходит в вакууме, поэтому никакие примеси не могут попасть в камеру и повлиять на результаты нанофазной керамики.
Приложения
Нанофазная керамика обладает уникальными свойствами, которые делают ее оптимальным материалом для самых разных областей применения.
Доставка наркотиков
Материалами, используемыми для доставки лекарств в последние десять лет, в основном были полимеры. Однако нанотехнологии открыли двери для использования керамики с преимуществами, ранее не наблюдавшимися у полимеров. Большое отношение площади поверхности к объему нанофазных материалов позволяет высвобождать большие количества лекарств в течение длительных периодов времени. Наночастицы, заполняемые лекарствами, можно легко манипулировать по размеру и составу, чтобы обеспечить повышенный эндоцитоз лекарств в целевые клетки и повышенную дисперсию через фенестрации в капиллярах. Хотя все эти преимущества относятся к наночастицам в целом (включая полимеры), керамика обладает другими уникальными способностями. В отличие от полимеров, медленная деградация керамики обеспечивает более длительное высвобождение лекарства. Полимеры также имеют тенденцию набухать в жидкости, что может вызвать нежелательный выброс лекарств. Отсутствие набухания, демонстрируемое большинством керамик, позволяет повысить контроль. Керамику также можно создавать в соответствии с химией биологических клеток в организме, увеличивая биоактивность и биосовместимость. Нанофазные керамические носители лекарств также способны воздействовать на определенные клетки. Это можно сделать, изготовив материал, который будет прикрепляться к определенной ячейке, или приложив внешнее магнитное поле, притягивающее носитель к определенному месту.
Замена костной ткани
Нанофазная керамика имеет большой потенциал для использования в ортопедической медицине. Кость и коллаген имеют структуры наномасштаба. Наноматериалы могут быть изготовлены для моделирования этих структур, что необходимо для того, чтобы трансплантаты и имплантаты могли успешно адаптироваться к различным нагрузкам и справляться с ними. Поверхностные свойства нанофазной керамики также очень важны для замещения и регенерации костной ткани. Нанофазная керамика имеет гораздо более шероховатую поверхность, чем более крупные материалы, а также увеличенную площадь поверхности. Это способствует реактивности и абсорбции белков, которые способствуют развитию тканей. Наногидроксиапатит — это нанофазная керамика, которая используется в качестве заменителя кости. Размер нанозерен увеличивает сцепление, рост и дифференциацию остеобластов на керамике. Поверхности нанофазной керамики также можно сделать пористыми, что позволит остеобластам создавать кость внутри структуры. Деградация керамики также важна, поскольку скорость можно изменить, изменив кристалличность. Таким образом, по мере роста кости заменитель может уменьшаться с одинаковой скоростью.