nanomateriaal

• Natuurwetenschappen
• Secundair onderwijs

nanomateriaal

nano

micro

mega

tera

 10-9 

 10-6

 10 6

 10 9 

De grens ligt op 100 nanometer. Nanomateriaal 

Eén nanometer is 10-9 meter

stofeigenschappen

Nanomaterialen zijn interessant omdat ze net door hun kleine omvang andere eigenschappen krijgen. De hardheid, kleur, elektrische geleidbaarheid... kunnen veranderen door de grootte van de deeltjes. vb hout doen branden

Goed/Fout Vragen
Nanomaterialen hebben dezelfde eigenschappen als hun grotere tegenhangers.

1. juist
2. fout

Goed/Fout Vragen

Nanodeeltjes kunnen in zowel vaste stoffen als vloeistoffen voorkomen.

1. juist
2. fout

bekijk de video in lernova en beantwoord de vragen

Natuurlijke en kunstmatige nanomaterialen

Je leert...

1- nanodeeltjes en nanotechnologie te definiëren.

2- enkele bronnen kennen van natuurlijke nanomaterialen.

3- enkele kunstmatige bronnen van nanomaterialen kennen.

4- dat er misschien wel risico's verbonden zijn aan nanotechnologie en nanopartikels.

Is de figuur een voorstelling
van nanomateriaal?

1. ja
2. nee

Is de figuur een voorstelling
van nanomateriaal?

1. ja
2. nee

Is de figuur een
voorstelling
van nanomateriaal?

1. ja
2. nee

Is de figuur een voorstelling
van nanomateriaal?

1. ja
2. nee

natuurlijk nanomateriaal :Vulkanen 

Bij een vulkaanuitbarsting ontstaan er vele natuurlijke nanodeeltjes. De zeer kleine asdeeltjes komen met een temperatuur van meer dan 1400 °C in de atmosfeer terecht waar ze chemisch reageren met de omgeving. Dit leidt tot een grote verzameling van nanodeeltjes in de grootteorde van 100 tot 200 nm. De deeltjes die in de atmosfeer gesuspendeerd zijn bestaan hoofdzakelijk uit silicaat en ijzerverbindingen. Ook de gassen die tijdens een uitbarsting worden uitgestoten (zwaveldioxide, koolstofdioxide, waterstofsulfide…) kunnen aanleiding geven tot nanomaterialen.

Welke van de volgende eigenschappen is typerend voor een suspensie?

1. Het is een homogeen mengsel van vloeistoffen.
2. Het zijn fijne vaste deeltjes die in een vloeistof zweven.
3. Het mengsel bestaat uit gasdeeltjes in een vaste stof.
4. De deeltjes in het mengsel blijven voor altijd gelijkmatig verdeeld.

natuurlijk nanomateriaal :woestijnen

Zandstormen of beter gezegd stofstormen brengen eveneens nanodeeltjes in de atmosfeer. Er wordt geschat dat 50% van de aerosol in de troposfeer mineralen zijn die afkomstig zijn uit de woestijn. De chemische samenstelling van de deeltjes bestaat vooral uit silicium met daarnaast sporen van aluminium, calcium en ijzer. 

Wat is een kenmerk van een aerosol?

1. Het zijn vloeibare deeltjes opgelost in een gas.
2. Het is een mengsel van twee vaste stoffen.
3. Het zijn vaste of vloeibare deeltjes zwevend in een gas.
4. Het zijn gasdeeltjes opgelost in een vloeistof.

oefeningen in lernova

natuurlijk nanomateriaal :Bosbranden

As en roet die ontstaan door bosbranden vormen tevens een bron van nanodeeltjes. Roet bestaat uit onder andere complexe koolstofhoudende nanodeeltjes, iets wat niet voorkwam bij vulkanen of zandstormen. Andere nanodeeltjes die kunnen ontstaan zijn aerosolen met organische moleculen of met metaalverbindingen in.

natuurlijk nanomateriaal :Oppervlaktewa​ter/drinkwater

Ook in ons drinkwater vind je nanodeeltjes. De meeste van die deeltjes zijn opgebouwd uit calciumcarbonaat (kalk) of calciumsulfaat (gips), vaak in aanwezigheid van andere mineralen zoals ijzeroxide. Maar ook zwavelverbindingen kunnen aanwezig zijn. De oorsprong van die nanodeeltjes vind je in de aardbodem (oplossen en afzetten van zouten) of bij bacteriën die nanodeeltjes aanmaken. 

natuurlijk nanomateriaal :​Zee en oceanen

Door de golven en getijden kunnen oceanen materiaal dat in de oceaan terechtkomt mechanisch afbreken tot op micro- en nanoschaal. Daarnaast brengen ze ook nanodeeltjes zout in de atmosfeer.

Geef de chemische formule van tafel zout

natuurlijk nanomateriaal :​Biologisch materiaal

Een cel is het beste voorbeeld van nanotechnologie. Bijna alles wat in de cel voorkomt heeft afmetingen in de grootteorde van nanometer. DNA heeft een diameter van 2,5 nm, virussen zijn ongeveer 100 nm, bacteriën zijn dan weer 10 keer groter dan virussen. De cellen zelf zijn ongeveer 50 micrometer, maar binnenin voldoen proteïnen, ribosomen, micellen, organellen... aan het criterium van nanomaterialen en nanotechnologie.

Menselijke activiteit

Kunstmatige nanodeeltjes zijn gemaakt door de mens. Vaak gebeurt dit ongewild zoals bij schuren, boren, zagen of lassen van materiaal. Deze handelingen zorgen ervoor dat het materiaal verpulverd wordt waardoor er kans is dat er nanodeeltjes in het milieu terechtkomen.

• asbest
• verkeer
• microplastiek

Asbest

Asbest is een mineraal dat in de jaren 60 veel gebruikt werd wegens zijn uitstekende brandbestendige eigenschappen. Je vindt het nu nog steeds terug in dakbedekking, betonconstructies, vloerbedekking, remblokken... Het probleem bij asbest ontstaat wanneer het mineraal gebroken wordt, zoals bij zagen, schuren of boren. Omdat sommige nanodeeltjes (nanotubes) lijken op asbestvezels stellen wetenschappers zich de vraag of die nanodeeltjes niet even risicovol zijn als asbest.

Waarom wordt asbest tegenwoordig beschouwd als gevaarlijk voor de gezondheid?

A)

1. Asbest bevat zware metalen die giftig zijn bij aanraking.
2. De vezels van asbest kunnen bij inademing diep in de longen terechtkomen en asbestose en longkanker veroorzaken.
3. Asbest vervuilt het water bij contact en is schadelijk bij consumptie.
4. Asbest is radioactief en kan stralingsziekte veroorzaken.

bekijk de video in lernova en beantwoord de vragen

Menselijke activiteit: Verkeer

Katalysatoren in wagens zorgen dat platinadeeltjes in de omgeving terechtkomen, de slijtage van banden zorgt voor rubberpartikels, de verbranding van diesel en benzine geeft roet af...

Menselijke activiteit: Microplastics

die zich massaal verspreiden in het milieu

zijn geproduceerd door menselijke activiteit. 

Hoewel er meestal wordt gesproken over microplastics, bestaan er ook nanoplastics. 

Ze komen overal voor: in de lucht, in het water, in planten, dieren én in mensen. 

Onderzoek en ontwikkeling

Eigenschappen en toepassingen van nanodeeltjes

• Roestvrij staal (RVS)
• Koolstofgebaseerde nanomaterialen
• Nanocoatings
• Titaandioxide
• Kwantumdots
• Nanomedicijnen

Eigenschappen en toepassingen van nanodeeltjes: Roestvrij staal

het kleuren van roestvrij staal (RVS). 

RVS bevat chroom dat reageert met zuurstofgas 

uit de lucht en zo een zeer dunne beschermende 

laag vormt van chroomoxide op een voorwerp. 

Het RVS krijgt op dit moment de typische metaalkleur.

De beschermende chroomoxidelaag kan elektrochemisch 

verdikt worden waardoor het voorwerp een andere kleur krijgt.

Dit specifiek kleureffect (brons, goud, rood, purper, blauw en groen) is het gevolg van lichtinterferentie en wordt bepaald door de laagdikte van de  chroomoxidelaag die tussen 20 en 360 nanometer ligt!

Eigenschappen en toepassingen van nanodeeltjes

• Koolstofgebaseerde nanomaterialen

1. Fullerenen
2. Grafeen
3. Koolstofnanobuisje

Fullerenen

of buckyballs zijn moleculen opgebouwd uit koolstofatomen met een holle, kooiachtige structuur. Hun diameter bedraagt circa 1 nm. Afhankelijk van het aantal koolstofatomen waaruit ze zijn opgebouwd, hebben ze als brutoformule C60, C70 ...

Door hun vorm zouden fullerenen kunnen dienst doen als een soort van kleine taxi om medicijnen of stukjes DNA af te leveren in cellen, zonder dat er gevaar is voor afbraak tijdens het transport. Deze toepassing kan een fantastische doorbraak zijn in de strijd tegen kanker of genetische aandoeningen. 

Grafeen

Daar waar grafiet uit meerdere lagen koolstofatomen is opgebouwd, is grafeen slechts één koolstoflaagje uit grafiet.

Grafeen is door zijn opbouw een prima elektrische geleider. Een eigenschap die wel eens een belangrijke rol zou kunnen spelen bij de verdere miniaturisering van computerchips. Andere toepassingen waar aan gedacht wordt zijn: waterzuivering via filtratie, coating op voedingsmiddelen tegen voedselbederf, touchscreens, zonnecellen... 

Koolstofnanobuisjes

 Zijn tot een cilinder opgerold grafeen.  De diameter bedraagt circa 1 nm. Net zoals bij grafeen zijn ze ook goede elektrische geleiders. 

Daarnaast zijn ze uitzonderlijk sterk, elastisch en flexibel. Ze worden onder andere gebruikt om materialen lichter en sterker te maken zoals bij onderdelen van racewagens, racefietsen en tennis- en badmintonraketten. 

Andere mogelijke toepassingen zijn, zoals bij grafeen, te vinden in de elektronica. 

De grote moeilijkheid bij nanobuisjes is de productie ervan. 

Nanocoatings

Je brengt een coating aan op een product om de levensduur en duurzaamheid van het product te verlengen. In dat opzicht lijkt het een beetje op een vernislaag, maar in tegenstelling tot vernis is coating veel dunner. Je spreekt over een nanocoating als de dikte van de coating maximaal 150 nanometer is of als de coating nanodeeltjes bevat. Een nanocoating is (bijna) altijd dunner dan een vernislaag die al snel 50 micrometer dik kan zijn.

Afhankelijk van de ondergrond en de gewenste eigenschappen heb je de keuze uit drie soorten coatings:

• hydrofobe coatings,
  
• hydrofiele coating
  
• glas- of keramische coating.
  

 

Hydrofobe coating

Deze coating bestaat uit SiO2 en wordt vooral toegepast voor zijn waterafstotende en dus ook vuilafstotende eigenschappen. Door de coating kan het vuil zich niet hechten aan het behandelde oppervlak en kan zo gemakkelijk afgeveegd worden. Ook water kan het behandelde oppervlak niet binnendringen waardoor een dergelijke coating uitermate geschikt is om kledij, schoenen en textiel te beschermen of waterdicht te maken. Daarnaast wordt de coating ook toegepast bij vloeren, (auto)ramen, werkoppervlakken in de voedingsindustrie, zeilen, tentdoeken, tuinmeubels, brillenglazen, poreuze oppervlakken...

Hydrofiele coating

Een hydrofiele coating bevat naast SiO2 ook TiO2 waardoor de coating een zelfreinigende werking krijgt. Onder invloed van UV-licht breekt titaandioxide organische stoffen af. Daarnaast trekt het ook water aan waardoor er aan het behandelde voorwerp altijd een heel dun laagje water gehecht is. Dat waterlaagje zorgt ervoor dat vuil (bv.. vetdruppels) niet het voorwerp binnendringt en bij een regenbui gewoon van het oppervlak afspoelt. Deze coating wordt toegepast op gladde oppervlakken zoals grote glaspartijen, zonnepanelen, ramen...

Glascoating of keramische coating

De term glascoating komt van de hoge concentratie SiO2 in de coating. Glas bestaat namelijk uit siliciumdioxide, SiO2. Na toepassen van de coating krijgt het behandelde voorwerp een zeer harde beschermlaag. De harde laag biedt een extra bescherming tegen krassen en stoten waardoor het een populaire coating is in de autoindustrie. Maar ook standbeelden, machines... kunnen met een glascoating beschermd worden.

De naam glascoating is misschien wat verwarrend omdat de coating niet gebruikt wordt om glas te beschermen, maar om een eerder glasachtige laag te vormen ter bescherming van materialen.

Titaniumdioxide  (TiO2)

 wordt al sinds de jaren '60 als kleurstof gebruikt in voedsel. Het zit/zat in medicijnen en voedingsmiddelen, zoals snoep, koffiecreamer, bak- en taartdecoratieproducten en witte sauzen. Bij voedingsmiddelen stond het op de verpakking in de ingrediëntenlijst vermeld als E171. Maar ook tandpasta of latexverf worden wit door het titaanoxide. Vanaf 14 januari 2022 is het gebruik van titaniumdioxide in voedingsmiddelen officieel verboden.