セラミックナノ粒子

セラミックナノ粒子は、セラミックでできたナノ粒子の一種で、一般的には無機質で耐熱性のある非金属固体として分類され、金属化合物と非金属化合物の両方から作ることができます。この材料はユニークな特性を持っています。マクロスケールのセラミックは脆くて硬いため、衝撃を受けると壊れてしまいます。しかし、セラミックナノ粒子は、誘電性、強誘電性、圧電性、焦電性、強磁性、磁気抵抗性、超伝導性、電気光学性など、より多様な機能を発揮します。[ ^1]

セラミックナノ粒子は 1980 年代初頭に発見されました。ナノ粒子はゾルゲルと呼ばれるプロセスを使用して形成され、溶液とゲル内でナノ粒子を混合してナノ粒子を形成します。その後の方法は焼結(圧力と熱、例:熱間静水圧プレス) を含みます。材料は非常に小さいため、基本的に欠陥はありません。より大きなサイズの材料には、脆くする欠陥があります。

2014年、研究者らはポリマーとセラミック粒子をレーザー加工してナノトラスを形成する方法を発表しました。この構造は、繰り返し粉砕しても元の形状を回復することができました。^[要出典]

セラミックナノ粒子は、細菌感染症、緑内障、そして最も一般的には実験的な癌治療における化学療法の送達など、いくつかの疾患における薬物送達メカニズムとして使用されてきました。^[2]

セラミックナノ粒子は、そのサイズと分子構造により、独特の特性を持っています。これらの特性は、次のようなさまざまな電気および磁気物理現象の観点からよく示されます。

• 誘電体- 電界によって分極（化合物の負側と正側が存在するように電子が整列する）できる電気絶縁体であり、電流中の電子移動距離を短縮します。
• 強誘電体- 複数の方向に分極する誘電体材料（負側と正側は電界によって反転できる）
• 圧電性- 機械的ストレス下で電荷を蓄積する材料
• 焦電体- 温度変化によって一時的な電圧を発生できる物質
• 強磁性体- 磁化後に磁場を維持できる材料
• 磁気抵抗- 外部磁場下で電気抵抗が変化する材料
• 超伝導- 臨界温度まで冷却すると電気抵抗がゼロになる材料
• 電気光学- 電界下で光学特性が変化する材料

セラミックナノ粒子は85%以上が空気で、非常に軽く、強く、柔軟で耐久性があります。フラクタルナノトラスは、アルミナ、または酸化アルミニウムで作られたナノ構造アーキテクチャ^[3]です。最大圧縮は、厚さ50ナノメートルから約1ミクロンです。圧縮後、構造的な損傷なしに元の形状に戻ることができます。

ナノセラミックスを製造する方法の1つに、ゾルゲル法（化学溶液堆積法とも呼ばれる）がある。この方法では、液相のナノ粒子からなる化学溶液（ゾル）と、溶媒に浸した分子からなる前駆体（通常はゲルまたはポリマー）を使用する。ゾルとゲルを混合して、一般的にセラミックの一種である酸化物材料を生成する。余分な生成物（液体溶媒）は蒸発する。その後、粒子は緻密化と呼ばれるプロセスで加熱され、固体生成物を生成する。^[4]この方法は、薄膜上のゲルを加熱して、薄膜上にナノセラミック層を形成することで、ナノ複合材料の製造にも応用できる。

このプロセスでは、2光子リソグラフィーと呼ばれるレーザー技術を使用して、ポリマーを3次元構造にエッチングします。レーザーは、触れた部分を硬化させ、残りの部分は硬化させません。次に、硬化していない材料を溶解して「シェル」を生成します。次に、シェルをセラミック、金属、金属ガラスなどでコーティングします。完成した状態では、セラミックのナノトラス^[5]を平らにして元の状態に戻すことができます。

別のアプローチでは、高温でナノセラミック粉末を固めるために焼結が使用されました。この方法では、セラミックの特性を損なう粗い材料ができ、最終製品を得るのに時間がかかります。この技術では、最終的な形状も制限されます。マイクロ波焼結は、このような問題を克服するために開発されました。マグネトロンから放射され、電磁波を発生させて粉末を振動させて加熱します。この方法により、熱は外側から内側へではなく、材料の体積全体に瞬時に伝達されます。^[1]

ナノパウダーは、マイクロ波が通過できるように低断熱ボードで構成された断熱ボックス内に置かれます。ボックスは吸収を促進するために温度を上げます。ボックス内には、室温でマイクロ波を吸収して焼結プロセスを開始するサスペクターがあります。マイクロ波はサスペクターを約 600 °C まで加熱し、ナノセラミックがマイクロ波を吸収するのに十分な温度にします。

1980 年代初頭、ゾルゲル法を使用して、最初のナノ粒子、具体的にはナノセラミックスが形成されました。このプロセスは、2000 年代初頭に焼結法に、その後マイクロ波焼結法に置き換えられました。これらの技術はいずれも、大規模生産には適さないことが判明しました。

2002年、研究者たちはセラミックを強化するために貝殻の微細構造をリバースエンジニアリングしようと試みました。 ^[6]彼らは貝殻の耐久性がその「微細構造」に由来することを発見しました。研究は、セラミックがそのような構造をどのように利用できるかに焦点を当て始めました。

2012年に研究者らはセラミック^[7]とナノトラス^{[5]と呼ばれる}ナノ構造を使用して海綿の構造を再現しました。2015年現在、最大の成果は1mmの立方体です。格子構造は元の厚さの最大85%まで圧縮され、元の形状に戻ることができます。これらの格子は、構造的完全性と柔軟性を確保するために、クロスメンバーを備えた三角形に安定化されています。

医療技術では、骨の修復にセラミックナノ粒子が使用されています。エネルギー供給と貯蔵、通信、輸送システム、建設、医療技術などの分野での使用が提案されています。その電気的特性により、エネルギーを100％に近い効率で転送できる可能性があります。ナノトラスは、最終的にはコンクリートや鋼鉄の代わりに建築材料として応用できる可能性があります。^{[8] [9]}