การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนาโนในอุตสาหกรรมเคมี

อนุภาคนาโนมีข้อดีหลายประการในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสง ประการแรก ขนาดอนุภาคมีขนาดเล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะมีขนาดใหญ่ และประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงก็สูง นอกจากนี้ อิเล็กตรอนและหลุมส่วนใหญ่ที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคนาโนจะไม่รวมตัวกันอีกครั้งก่อนถึงพื้นผิว ดังนั้น ยิ่งอิเล็กตรอนและรูสามารถเข้าถึงพื้นผิวได้มากเท่าไร กิจกรรมปฏิกิริยาเคมีก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ประการที่สอง อนุภาคนาโนที่กระจายอยู่ในตัวกลางมักจะโปร่งใส และง่ายต่อการใช้วิธีการทางแสงในการสังเกตผลของการถ่ายโอนประจุ การถ่ายโอนโปรตอน โครงสร้างระดับพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ และความหนาแน่นของสถานะพื้นผิวระหว่างอินเทอร์เฟซ ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมใช้ นาโนไททาเนียมไดออกไซด์-เฟอร์ริกออกไซด์ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในการบำบัดน้ำเสีย (รวมถึงระบบ SO32 หรือ Cr2O72) และได้รับผลลัพธ์ที่ดี

ผงสังกะสีไททาเนตทรงกลมสีขาวที่มีขนาดอนุภาคประมาณ 30~60 นาโนเมตร เตรียมโดยวิธีการละลายด้วยการตกตะกอน มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และมีกิจกรรมทางเคมีสูง การใช้เป็นตัวดูดซับเพื่อกำจัดซัลเฟอร์ไดออกไซด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับผงสังกะสีไททาเนตที่เตรียมโดยวิธีการหลอมเหลวแบบเฟสแข็ง

วัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิตระดับนาโนเป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีระดับนาโนที่สำคัญ ในอดีตวัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิตส่วนใหญ่มักทำจากเรซินผสมกับคาร์บอนแบล็กพ่น แต่ประสิทธิภาพไม่ได้ดีเป็นพิเศษ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิต บริษัท Panasonic Corporation ของประเทศญี่ปุ่นจึงได้พัฒนาสารเคลือบนาโนที่ป้องกันไฟฟ้าสถิตได้ดี สารเคลือบทำจากอนุภาคนาโนออกไซด์ที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ เช่น Fe2O3, TiO2, ZnO เป็นต้น ซึ่งสามารถมีบทบาทในการป้องกันไฟฟ้าสถิตเนื่องจากมีสภาพนำไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ อนุภาคนาโนออกไซด์ยังมีสีต่างๆ ดังนั้น สีของสารเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิตจึงสามารถควบคุมได้ด้วยการเคลือบ สารเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิตระดับนาโนนี้ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติในการป้องกันไฟฟ้าสถิตที่ดีเท่านั้น แต่ยังเอาชนะความจำเจของสารเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิตแบบคาร์บอนแบล็กที่มีเพียงสีเดียวได้อีกด้วย

นอกจากนี้ หากเติมผง Nano-TiO2 ลงในเครื่องสำอางในสัดส่วนที่เหมาะสม ก็สามารถป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยทั่วไปเชื่อกันว่าระบบจำเป็นต้องมีนาโนไททาเนียมไดออกไซด์เพียง 0.5-1% เท่านั้นจึงจะป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตได้อย่างสมบูรณ์ ในปัจจุบันเครื่องสำอางนาโนไททาเนียมไดออกไซด์บางชนิดได้รับการเปิดตัวในญี่ปุ่นและประเทศอื่นๆ รังสีอัลตราไวโอเลตไม่เพียงแต่ทำให้ผลิตภัณฑ์เนื้อสัตว์เกิดการออกซิไดซ์และเปลี่ยนสีเท่านั้น แต่ยังทำลายวิตามินและสารอะโรมาติกในอาหารอีกด้วย ส่งผลให้คุณค่าทางโภชนาการของอาหารลดลง ตัวอย่างเช่น หากอาหารได้รับการบรรจุด้วยวัสดุบรรจุภัณฑ์พลาสติกใสที่ทำจากนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ 0.1-0.5% ก็ไม่เพียงแต่สามารถป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตไม่ให้ทำลายอาหารได้เท่านั้น แต่ยังสามารถรักษาความสดใหม่ของอาหารได้อีกด้วย การเติมอนุภาคนาโนโลหะลงในเส้นใยเคมีหรือกระดาษสามารถลดไฟฟ้าสถิตได้อย่างมาก วัตถุที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำที่ถูกเผาเป็นผงซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดนาโนนั้นสามารถนำไปใช้ในการแยกและเพิ่มความเข้มข้นของไอโซโทปของก๊าซ ก๊าซหายากที่ผสมกัน และสารประกอบอินทรีย์ และยังสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ เครื่องตรวจจับองค์ประกอบทางเคมี และเป็นวัสดุกั้นส่วนแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูงได้อีกด้วย อนุภาคนาโนยังสามารถใช้เป็นสารเคลือบนำไฟฟ้า หมึกพิมพ์ และสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งได้

อนุภาค Ti(OH)4 ที่เคลือบ ZnCO3 ได้รับการได้มาจากการตกตะกอนร่วมทางเคมี หลังการอบเบื้องต้นที่อุณหภูมิหนึ่ง ผง ZnO ที่เคลือบไว้ส่วนใหญ่จะละลายไป ZnTiO3 จำนวนเล็กน้อย (ZnTiO3 มีโครงสร้างผลึกคล้ายกับ TiO2(R)) ในระบบช่วยกระตุ้นให้ TiO2 เปลี่ยนจากแอนาเทสเป็นรูไทล์ และได้รับผงไททาเนียมไดออกไซด์รูไทล์ที่มีขนาดอนุภาคประมาณ 20~60 นาโนเมตร การทดสอบประสิทธิภาพทางแสงได้ดำเนินการโดยใช้เครื่องวัดแสงอัลตราไวโอเลต และผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าผงมีการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตที่แข็งแกร่งตั้งแต่ 240 ถึง 400 นาโนเมตร โดยมีอัตราการดูดซับมากกว่า 92% และประสิทธิภาพการดูดซับนั้นสูงกว่าผง TiO2 ทั่วไปมาก นอกจากนี้ เนื่องมาจากผลกระทบด้านขนาดและปริมาตรของอนุภาคนาโน ลักษณะทางสเปกตรัมของอนุภาคนาโนจึงแสดงปรากฏการณ์ “การเลื่อนไปทางน้ำเงิน” หรือ “การเลื่อนไปทางแดง” ในการเตรียมวัสดุเรืองแสงระยิบระยับยาวนานที่ใช้พื้นฐานอะลูมิเนตละเอียดมาก ตำแหน่งพีคหลักของสเปกตรัมการแผ่รังสีของผงเรืองแสงละเอียดมากที่สังเคราะห์โดยวิธีทางเคมีอ่อนจะมีสีน้ำเงินเข้มกว่าของผงเรืองแสงที่เตรียมโดยวิธีการผสมเชิงกลและการเผาผนึกในเฟสแข็ง 12 นาโนเมตร เส้นโค้งการสลายตัวของแสงระยิบระยับแสดงให้เห็นว่าอัตราการสลายตัวของแสงระยิบระยับของผงเรืองแสงที่สังเคราะห์ด้วยวิธีนี้จะเร็วกว่าอัตราการสลายตัวของผงเรืองแสงที่สังเคราะห์โดยวิธีเฟสแข็งมาก เนื่องมาจากขนาดอนุภาคผงลดลงอย่างมาก

นักวิจัยยังพบว่าพวกเขาสามารถใช้โครงสร้างที่มีรูพรุนเฉพาะ พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ (พื้นที่ผิวของนาโนท่อคาร์บอนหนึ่งกรัมสูงถึงหลายร้อยตารางเมตร) และความแข็งแรงเชิงกลสูงของนาโนท่อคาร์บอนเพื่อสร้างนาโนรีแอ็กเตอร์ที่สามารถจำกัดปฏิกิริยาทางเคมีให้อยู่ในช่วงที่เล็กมากได้ ในนาโนรีแอ็กเตอร์ สารตั้งต้นจะมีทิศทางและการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบในระดับโมเลกุล แต่ในขณะเดียวกัน การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารตั้งต้นและสารตัวกลางของปฏิกิริยาก็จะถูกจำกัดด้วย การวางแนว การจัดเรียง และการจำกัดนี้จะส่งผลและกำหนดทิศทางและความเร็วของปฏิกิริยา นักวิทยาศาสตร์ใช้ตะแกรงโมเลกุลขนาดนาโนเป็นเครื่องปฏิกรณ์ ในการออกซิเดชันที่ไวต่อแสงของโอเลฟินนั้น โมเลกุลของสารตั้งต้นจะถูกวางไว้ในรูพรุนของเครื่องปฏิกรณ์ และสารทำให้ไวต่อแสงจะอยู่ในสารละลาย ดังนั้นจึงเกิดผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันแบบซิงเกิลเท่านั้น สารประกอบแมโครไซคลิกที่มีขนาดรูพรุนบางขนาดสามารถสังเคราะห์ได้โดยการทำปฏิกิริยาสารประกอบแอลกอฮอล์โลหะกับกรดคาร์บอกซิลิก การใช้โคพอลิเมอร์แบบบล็อกและแบบกราฟต์จะส่งผลให้เกิดการแยกไมโครเฟส ซึ่งสามารถสร้าง “โครงสร้างนาโน” ที่แตกต่างกันเป็นนาโนรีแอคเตอร์ได้