Carbură de wolfram

1. Introducere

Știința si tehnologia la scară nano constau în studiul, producerea și manipularea controlată a structurilor și fenomenelor care posedă sau au loc la dimensiuni nanometrice. . Acestea reprezintă domenii interdisciplinare complexe, care necesită cunoștiințe din fizică, chimie, știința materialelor, inginerie mecanică, electrică și chimică. Ideile și conceptele din spatele nanoștiinței și nanotehnologiei au început cu o discuție intitulată „There’s plenty of room at the bottom” lansată de către fizicianul Richard Feynman la o întâlnire a Societății Americane de Fizică de la Institutul de Tehnologie din California (Caltech) la 29 decembrie 1959, cu mult înainte de a fi folosit termenul de „nanotehnologie”. În discursul său, laureatul premiului Nobel pentru fizică, Richard Feynman a descris un proces în care oamenii de știință ar putea fi capabili să manipuleze și să controleze moleculele și atomii individuali. Un deceniu mai târziu, în timpul încercărilor sale de a dezvolta noi tehnologii de prelucrare de ultra-precizie, profesorul Norio Taniguchi a formulat termenul „nanotehnologie”, însă abia în anul 1981, apariția microscopului de scanare cu efect de tunel a făcut posibilă observarea atomilor ca structuri individuale, iar atunci a luat naștere nanotehnologia modernă. În prezent, nanoparticulele sunt considerate ca având potențialul de a aduce imense beneficii în diverse arii precum industria farmaceutică, industria cosmetică, industria optică și electronică, în transporturi, în industria alimentară, în decontaminarea apelor, în tehnologia informației și a comunicațiilor, în medicină, cât și în producția de materiale cu proprietăți mecanice superioare celor existente, dar mult mai ușoare, ceea ce explica investițiile și eforturile imense din ultimii douazeci de ani, în activitățile de cercetare din domeniul nanotehnologiilor.

Nanoparticulele sunt particule a căror dimensiune variază între 1 și 100 de nanometri (nm). În fapt, acestea pot fi considerate structuri intermediare între materialele masive, brute și structurile atomice sau moleculare. Datorită faptului că, la același volum, suprafața specifică este mai mare, nanomaterialele pot avea caracteristici diferite de cele ale aceluiași material, care nu posedă o structură nanometrică. În timp ce particulele cu dimensiuni mai mari de 100 nm, au proprietăți fizice constante indiferent de dimensiunea lor, în cazul nanoparticulelor, dimensiunea este cea care determina, cel mai adesea, proprietățile fizice si chimice, ale materialelor. Aceasta este scara de mărime, la care așa numitele „efecte cuantice” guvernează comportamentul și proprietățile particulelor. Așadar, proprietățile materialelor se schimbă pe măsură ce dimensiunile lor se apropie de scara nanometrică și pe măsură ce procentul de atomi de la suprafața materialului devine semnificativ. De aceea, proprietățile fizico-chimice ale nanomaterialelor pot diferi de cele ale substanțelor sau particulelor cu dimensiuni mai mari. Aceste proprietăți poti fi electrice, optice, magnetice, mecanice sau chimice. Astfel, proprietățile "extreme" sau complet noi revelate la scară nanometrică ale materialelor deschid un spectru imens de aplicații în toate domeniile industriale. În funcție de dimensiunile lor, nanomaterialele pot fi clasificate în:

1) Nanomateriale 3D, cu dimensiuni mai mici de 100 nm, de exemplu nanoparticule, puncte cuantice.

2) Nanomateriale 2D, cu dimensiuni mai mici de 100 nm, de exemplu nanotuburi, nanofibre, nanofire etc.

3) Nanomateriale cu o singură dimensiune, mai mică de 100 nm, de exemplu, fibre subțiri, straturi și acoperiri de suprafață.

Contrar convingerilor noastre, nanoparticulele au o istorie surprinzător de lungă. Existența lor nu poate fi vazută exclusiv ca rezultat al activității intense de cercetare contemporane și nici al eforturilor umane, întrucât, nanoparticulele au existat dintotdeauna în natură, atât sub formă de compuși organici (proteine, polizaharide, virusuri etc.), cât și sub formă de compuși anorganici (oxihidroxizi ai fierului, aluminosilicati, metale etc.), fiind produși de intemperii, erupții vulcanice, incendii sau procese microbiologice. Așadar, nanoparticulele nu sunt obținute neapărat în laborator, prin mijloace moderne de sinteză, ci au putut fi găsite în natură din vremuri timpurii, de aceea, utilizări ale nanoparticulelor pot fi identificate chiar și în antichitate. În timp ce folosirea mineralelor argiloase drept nanomateriale de origine naturală nu pare foarte sofisticată, armarea controlată a unei matrici ceramice cu nanofibre naturale de azbest, în urmă cu peste 4500 de ani, pentru a izola obiectele împotrivă căldurii, a focului și coroziunii, precum și pentru a spori rezistența acestora la rupere este, de departe, mult mai interesantă. Efecte impresionante au fost obținute și prin folosirea nanoparticulelor metalice ca pigmenți în sticlărie și lustru. Astfel, primele obiecte ceramice cu lustru metalic au apărut în Mesopotamia, în secolul al IX-lea I.Hr. De asemenea, egiptenii au fost cei care au sintetizat pentru prima data nanoparticule de PbS, care erau folsite în vopsirea părului și în fabricarea cosmeticelor[1].

În aceasta lucrare, ma voi axa pe metode de sinteză mai puțin cunoscute, dar cu un potențial imens de aplicabilitate, a nanoparticuleleor de carbură de wolfram, dar si pe utilizarea acestora drept catalizator, în membranele electrolitice pe baza de polimeri, întalnite în celulele de combustie cu hidrogen. Prima metoda de sinteză prezentată are calitatea de a fi una dintre extrem de puținele metode eficiente de producție a WC, la un preț scăzut, direct din minereul de scheelit în timp ce a doua metodă, va reprezenta punctul de plecare în studiul potențialului drept catalizator a nanoparticulelor de WC care, în ultimii ani, a atras interesul a numeroși oameni de știință.