Świat nanocząstek - ebook
Świat nanocząstek - ebook
Nanocząstki występowały w przyrodzie od zawsze, jednak dopiero niedawno poznano wielkie możliwości ich zastosowania w wielu dziedzinach techniki. Stało się to za przyczyną ogromnego zainteresowania nanocząstkami, zarówno w środowisku naukowym, pragnącym zrozumieć i wyjaśnić zjawiska w nanoskali, jak i przemysłowym, chcącym wykorzystać niezwykłe cechy nanocząstek do poprawy jakości całej gamy produktów.
Publikacja przedstawia specyficzne właściwości nanocząstek, wynikające z ich rozmiarów, metody ich charakteryzowania, wytwarzania oraz obszary zastosowania. Skierowana jest do studentów kierunków ścisłych i technicznych − fizyki, chemii, inżynierii materiałowej − oraz wydziałów mechanicznych, budowlanych i elektrycznych. Będzie użyteczna również dla pracowników przedsiębiorstw działających w innowacyjnych sektorach gospodarki, wykorzystujących zaawansowane materiały.
Spis treści
Wprowadzenie Krzysztof J. Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska
1. Różne sposoby postrzegania nanotechnologii Witold Łojkowski, Anna Świderska-Środa, Joanna Sobczyk
1.1. Wprowadzenie
1.2. Czym jest nanotechnologia
1.3. Jaka jest dzisiejsza nanotechnologia
1.4. Nanotechnologia w oczach środowiska akademickiego
1.5. Nanotechnologia z punktu widzenia przemysłu
1.6. Nanotechnologia w oczach rządów i instytucji finansujących naukę
1.7. Nanotechnologia w świecie przepisów, praw i standardów
1.8. Nanotechnologia w odbiorze społeczeństwa
1.9. Wpływ polityki edukacyjnej na rozwój nanotechnologii
1.10. Podsumowanie
Literatura
2. Technologie otrzymywania nanocząstek Urszula Narkiewicz
2.1. Metody wytwarzania nanocząstek w fazie ciekłej
2.1.1. Strącanie
2.1.2. Metoda zol–żel
2.1.3. Metody koloidalne
2.1.4. Metody solwotermalne
2.2. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie gazowej
2.3. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie stałej
2.4. Inne metody otrzymywania nanocząstek
2.4.1. Metoda samoorganizacji
2.4.2. Metoda wyładowania łukowego
2.4.3. Rozdrabnianie wybuchowe i elektroeksplozja
2.4.4. Techniki mikrofalowe
2.4.5. Techniki ultradźwiękowe
2.4.6. Metoda próżniowego odparowania przepływającego płynu
2.4.7. Metoda elektroosadzania
2.4.8. Powlekanie obrotowe
2.4.9. Strącanie w płynach w stanie nadkrytycznym
2.4.10. Kontrolowana krystalizacja z amorficznych prekursorów
2.4.11. Metody z udziałem mikroorganizmów
Literatura
3. Nanomateriały węglowe Urszula Narkiewicz
3.1. Zerowymiarowe nanomateriały węglowe
3.2. Jednowymiarowe nanomateriały węglowe
Literatura
4. Nanocząstki tlenków o szerokiej przerwie energetycznej jako luminofory i znaczniki biologiczne Marek Godlewski, Michał Marek Godlewski
4.1. Wstęp
4.2. Procesy rekombinacji promienistej
4.3. Luminofory w lampach fluorescencyjnych
4.4. Ziemie rzadkie jako aktywatory świecenia luminoforów
4.5. Czy nanorozmiary są potrzebne
4.6. Znaczniki fluorescencyjne do zastosowań w biologii i medycynie
4.7. Znaczniki fluorescencyjne nowej generacji
4.8. Zastosowanie luminoforów domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich w badaniach biomedycznych
Literatura
5. Nanocząstki a kataliza heterogeniczna Marcin Pisarek
5.1. Wprowadzenie
5.2. Kataliza heterogeniczna (kataliza kontaktowa)
5.2.1. Wymagania stawiane katalizatorom
5.2.2. Etapy reakcji chemicznych w katalizie heterogenicznej
5.3. Otrzymywanie nanocząstek stosowanych w katalizie
5.4. Metody charakteryzowania nanocząstek stosowanych w katalizie
5.5. Przykłady zastosowania nanocząstek w reakcjach katalitycznych. Wpływ czynników morfologicznych, strukturalnych, chemicznych oraz geometrycznych
5.6. Podsumowanie
Literatura
6. Nanocząstki zwiększające przewodność elektryczną Ewelina Ciecierska
6.1. Nanorurki węglowe
6.2. Grafen
Literatura
7. Nanocząstki w zastosowaniach biomedycznych Agata Roguska
7.1. Wprowadzenie
7.2. Nanocząstki metali szlachetnych
7.3. Nanoczątski hyroksyapatytowe
7.4. Nanocząstki magnetyczne
7.5. Kropki kwantowe
7.6. Nośniki leków
7.7. Biosensory
7.8. Podsumowanie
Literatura
8. Metody i procedury charakteryzowania morfologii nanocząstek Anna Świderska-Środa
8.1. Parametry opisu budowy nanocząstek i techniki ich pomiaru
8.1.1. Fundamentalne elementy charakterystyki nanoobiektów
8.1.2. Techniki badawcze, stosowane w miernictwie nonoobiektów
8.2. Znaczenie procedur w analizie morfologicznej nanocząstek
8.2.1. Procedura badań nanomateriałów stosowana w Laboratorium Nanostruktur
8.3. Nanometrologia w dokumentach UE
8.4. Podsumowanie
Literatura
9. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii sił atomowych Michał Woźniak
9.1. Sonda skanująca
9.2. Rozdzielczość pikselowa
9.3. Warunki środowiskowe
Literatura
10. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii elektronowej Tomasz Płociński
10.1. Oddziaływanie wiązki elektronów z materią
10.2. Detektory
10.3. Mikroskopy wysokorozdzielcze HR STEM/TEM, wyposażone w korektor aberracji sferycznej i/lub chromatycznej
10.4. Uchwyty
10.5. Mikroanaliza składu chemicznego nanocząstek
10.6. Przygotowanie nanocząstek do obserwacji w mikroskopie elektronowym
Literatura
11. Metody opisu kształtu i pomiary wielkości nanocząstek Krzysztof Rożniatowski, Tomasz Wejrzanowski
11.1. Wstęp
11.2. Parametry lokalne i globalne
11.3. Ograniczenia pomiarowe
11.4. Obrazowanie nanocząstek
11.5. Parametry opisujące wielkość i kształt
11.6. Analiza obrazu i wyznaczanie wielkości parametrów
11.7. Podsumowanie
Literatura
12. Pomiar rozkładu wielkości nanocząstek metodą rozpraszania światła laserowego Agnieszka Opalińska
Literatura
13. Pomiar stabilności koloidów i zawiesin nanocząstek Jacek Wojnarowicz, Agnieszka Opalińska
13.1. Układy dyspersyjne
13.1.1. Stabilność koloidów i zawiesin
13.1.2. Siły i oddziaływania między cząsteczkami
13.1.3. Niestabilność Ostwalda
13.1.4. Ruchy Browna
13.1.5. Teoria DLVO (podwójna warstwa elektryczna)
13.1.6. Zmienność układów dyspersyjnych
13.1.7. Termodynamiczny aspekt stabilności układu dyspersyjnego
13.1.8. Efekt steryczny
13.1.9. Podsumowanie
13.2. Proces destabilizacji zawiesin i koloidów
13.3. Zasada pomiaru stabilności metodą MLS
13.3.1. Stabilność
13.3.2. Zmiana wielkości cząstek
13.3.3. Migracja cząstek
13.3.4. Połączenie niestabilności
13.3.5. Podsumowanie
13.4. Stabilność elektrostatyczna – potencjał zeta
13.4.1. Pomiary potencjału zeta metodą elektroforetyczną
13.4.2. Pomiary potencjału zeta metodą elektroakustyczną
13.4.3. Pomiary potencjału zeta metodą potencjału strumieniowego
13.4.4. Podsumowanie
13.5. Podsumowanie rozdziału
Literatura
14. Pomiar rozmiaru nanokryształów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Stanisław Gierlotka
14.1. Wstęp
14.2. Dyfrakcja promieniowania na kryształach
14.2.1. Analogie do dyfrakcji światła
14.2.2. Specyficzne cechy dyfrakcji na kryształach
14.2.3. Dyfrakcja na polikryształach
14.2.4. Jak rozmiar krystalitu uwidacznia się na dyfraktogramach
14.3. Określanie średniego rozmiaru krystalitów – metoda Scherrera
14.4. Małe krystality z naprężeniami – metoda Williamsona–Halla
14.5. Badanie rozkładu wielkości krystalitów przez analizę kształtu piku dyfrakcyjnego
14.5.1. Ograniczenie metody analizy kształtu piku
14.6. Podsumowanie, czyli jak postępować w praktyce
Literatura
15. Badanie rozkładu wielkości nanokrystalitów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Roman Pielaszek
15.1. Zasada działania
15.2. Proszki monodyspersyjne – metoda Scherrera
15.3. Proszki polidyspersyjne
15.3.1. Metoda Integral Breadth (uogólniona)
15.3.2. Metoda Scherrera uogólniona, FW1_ 5/4_ 5M
15.3.3. Nanokryształy dużych cząsteczek
15.3.4. Metody bezpośredniego dopasowania
15.3.5. Narzędzia internetowe
15.4. Oszacowanie i redukcja błędów pomiarowych
15.4.1. Błąd oznaczenia stałej sieci nanokryształów
15.4.2. Błąd oznaczenia rozmiaru ziarna nanokryształów
15.4.3. Określanie poziomu tła piku
15.5. Ograniczenia metod rentgenowskich
15.6. Podstawy ?zyczne (dla dociekliwych)
15.6.1. Równanie Debye’a
15.6.2. Równanie Debye’a dla kryształów, warunek Bragga
15.6.3. Pro?l linii i stała Scherrera dla kryształów prostopadłościennych
15.6.4. Pro?l linii i stała Scherrera dla kryształów kulistych
15.6.5. Pro?l linii dla proszków polidyspersyjnych (wielościany)
15.6.6. Pro?l linii dyfrakcyjnej dla proszków polidyspersyjnych (ziarna kuliste)
15.6.7. FW1_ 5/4_5M – metoda Scherrera dla proszków polidyspersyjnych
15.6.8. Metoda Integral Breadth (uogólniona)
15.6.9. Oszacowanie błędów pomiarowych stałej sieci
15.6.10. Oszacowanie błędów pomiaru rozmiaru ziarna
Literatura
16. Znaczenie morfologii w kształtowaniu właściwości nanocząstek Anna Świderska-Środa
Literatura
17. Toksyczność nanocząstek i sposoby jej wyznaczania Agnieszka Gajewicz, Tomasz Puzyn, Przemysław Oberbek, Michał Woźniak
17.1. Czy nanocząstki są toksyczne
17.2. Potencjalne mechanizmy toksyczności nanocząstek
17.3. Ocena ryzyka stwarzanego przez nanocząstki
17.4. Metody eksperymentalne
17.4.1. Metody in vitro
17.4.2. Metody mikroskopowe
17.4.3. Metody in vivo
17.4.4. Podstawowe badania toksykometryczne
17.5. Metody komputerowe (in silico)
17.5.1. Zbieranie danych eksperymentalnych
17.5.2. Podział związków na zbiór uczący i testowy
17.5.3. Obliczenie deskryptorów
17.5.4. Kalibracja i walidacja modelu
17.6. Przykłady zastosowania metod QSAR do nanocząstek
17.7. Podsumowanie
Literatura
18. Bezpieczeństwo i higiena pracy z nanocząstkami Anna Świderska-Środa
18.1. Ochrona zdrowia pracowników
18.1.1. Rekomendowane limity stężeń nanocząstek w środowisku pracy
18.1.2. Rekomendowane środki ochrony pracowników
18.2. Ryzyko pożaru i eksplozji w środowisku pracy
18.2.1. Środki ochrony przeciwpożarowej
18.3. Przekazywanie informacji w łańcuchu dostaw
18.3.1. Karty charakterystyki materiału
18.3.2. Etykiety znamionowe na pojemnikach
18.4. Podsumowanie
Literatura
19. Nanomateriały w świetle przepisów Unii Europejskiej Anna Świderska-Środa, Agnieszka Baran
19.1. Definicje i normy
19.1.1. Definicja nanomateriału
19.1.2. Działania normalizacyjne w nanotechnologii
19.2. Kluczowe regulacje Unii Europejskiej dotyczące substancji chemicznych, w tym nanomateriałów
19.2.1. System kontroli substancji chemicznych w Unii Europejskiej
19.3. Przepisy sektorowe zawierające odniesienia do nanomateriałów
19.3.1. Produkty kosmetyczne
19.3.2. Produkty biobójcze
19.3.3. Produkty spożywcze
19.4. Przepisy na poziomie krajowym odnoszące się do nanomateriałów
19.5. Podsumowanie
Literatura
20. Polityka i działania Unii Europejskiej w odniesieniu do nanomateriałów Anna Świderska-Środa
Literatura
21. Rynek nanocząstek tlenków metali Elżbieta Krawczyk-Dembicka
21.1. Nanotechnologia na świecie
21.2. Nanotechnologia w Polsce
21.3. Rynek nanocząstek tlenków metali
21.3.1. Nanocząstki tlenku glinu (Al2O3)
21.3.2. Nanocząstki tlenku antymonu cyny (ATO)
21.3.3. Nanocząstki tlenku bizmutu (Bi2O3)
21.3.4. Nanocząstki ditlenku ceru (CeO2)
21.3.5. Nanocząstki tlenku kobaltu (CoO)
21.3.6. Nanocząstki tlenku miedzi (CuO)
21.3.7. Nanocząstki tlenku żelaza (Fe2O3 oraz Fe3O4)
21.3.8. Nanocząstki tlenku indu (In2O3)
21.3.9. Nanocząstki tlenku magnezu (MgO)
21.3.10. Nanocząstki tlenku manganu (MnO oraz Mn2O3)
21.3.11. Nanocząstki tlenku niklu (NiO)
21.3.12. Nanocząstki ditlenku krzemu (SiO2)
21.3.13. Nanocząstki ditlenku tytanu (TiO2)
21.3.14. Nanocząstki tlenku itru (Y2O3)
21.3.15. Nanocząstki tlenku cynku (ZnO)
21.3.16. Nanocząstki ditlenku cyrkonu (ZrO2)
Literatura
Ważniejsze skróty i akronimy
Skorowidz
| Kategoria: | Chemia |
| Zabezpieczenie: |
Watermark
|
| ISBN: | 978-83-01-18818-4 |
| Rozmiar pliku: | 17 MB |
FRAGMENT KSIĄŻKI
Słowo „cząstka” ma logiczne powiązanie z rzeczownikiem „część”, stosowanym do opisu czegoś, co jest fragmentem większej całości. W technice na ogół stosuje się je w odniesieniu do małych drobin, zwykle ciał stałych. W takim kontekście jest również rozumiane w niniejszej książce, przy czym przedmiotem rozważań są w naszym przypadku cząstki o wymiarach nanometrowych, w praktyce mniejszych od 0,1 mikrometra. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na błędne stosowanie terminu „nanocząsteczka” zamiast „nanocząstka”. Różnica pomiędzy tymi terminami jest bardzo istotna. Tymczasem w prasie codziennej, audycjach radiowych, programach telewizyjnych, a nawet w artykułach naukowych, patentach czy wystąpieniach na konferencjach naukowych, mylone są one ze sobą lub stosowane wymiennie.
Nanocząstki (ang. nanoparticles) to po prostu cząstki materii o wielkości nanometrowej, tj. z zakresu 1–100 nm. Nie są jednoznacznie zdefiniowane, ponieważ nanocząstki dowolnej substancji mogą mieć różny kształt, wielkość, nie muszą być jednoskładnikowe (np. nanocząstki kompozytów o różnym składzie). Nanocząsteczki to natomiast nic innego, jak cząsteczki, inaczej molekuły (ang. molecules). W przeciwieństwie do nanocząstki cząsteczka związku jest jednoznacznie zdefiniowana – wiadomo, jaki jest jej skład, wzór chemiczny i wielkość (przeważnie w skali nano lub subnano). Cząsteczkę definiuje się jako trwały układ co najmniej dwóch atomów (tego samego pierwiastka lub atomów różnych pierwiastków), połączonych wiązaniem chemicznym dowolnego typu. Można więc w uproszczeniu powiedzieć, że nanocząstka może się składać z wielu cząsteczek. Wiadomo na przykład, że cząsteczka ditlenku węgla składa się z 2 atomów tlenu i jednego atomu węgla, ma budowę liniową, a jej wymiar wynosi 0,232 nm (podczas gdy tzw. średnica efektywna cząsteczki gazu CO₂ w warunkach normalnych wynosi 0,33 nm). Ze względu na swoje skuteczne właściwości antybakteryjne ostatnio powszechnie stosowane jest nanosrebro, w związku z czym często na etykietach różnych produktów można znaleźć informację, że dany produkt zawiera „nanocząsteczki srebra”, podczas gdy srebro (podobnie jak inne metale) nie tworzy cząsteczek. Średnica atomu srebra to 0,32 nm, a nanocząstki srebra w jego roztworach koloidalnych są wielkości w zakresie przeważnie od 1 do 100 nm.
Przy tych rozważaniach warto zwrócić uwagę, jak niewielki jest to rozmiar. Gdyby obserwator na księżycu spoglądał na ziemię, stojący na ziemi człowiek miałby podobny rozmiar, co obiekt wysokości 5 nanometrów obserwowany przez człowieka z wysokości 1 metra. Dokładne badanie nanocząstek wymaga zatem zaawansowanych technik, dostępnych dopiero od kilkunastu lat. A bez dokładnego ich zbadania trudno o świadome wykorzystywanie ich wielu cennych i nowych cech. Z tego powodu światowy rynek nanocząstek będzie się dynamicznie rozwijał, w miarę doskonalenia technik ich wytwarzania i charakteryzowania, choć już obecnie jest dobrze rozwinięty.
Nanocząstki są bardzo różnorodne pod względem chemicznym. Najczęściej są to tlenki metali, metale, związki krzemu, różne odmiany węgla, materiały ceramiczne inne niż tlenki metali (np. węgliki metali), półprzewodniki, cząstki organiczne lub biologiczne. Zwyczajowo, ponieważ są one bryłami, do uznania ich za obiekty nanometrowe wystarczy, gdy jeden z charakterystycznych ich wymiarów (długość, szerokość lub grubość) spełnia kryterium <100 nm.
Warto jednak zwrócić uwagę Czytelnika na formalne znaczenie terminu „nanocząstka” według normy ISO/TS 80004-2:2015 „Nanotechnologies – Vocabulary – Part 2: Nano-objects”. Cząstki materii o wielkości nanometrowej, tj. z zakresu 1–100 nm, nazwane są nanoobiektami (ang. nanoobjects). Pod względem budowy nanoobiekty podzielone są na trzy grupy morfologiczne: nanocząstki, nanowłókna i nanopłytki. W przypadku nanocząstek przyjęto, że stosunek pomiędzy minimalnym i maksymalnym wymiarem nanoobiektu nie przekracza wartości 3. Jednak zwyczajowo i w literaturze przedmiotu określenie nanocząstka stosowane jest wymiennie z wyrażeniem nanoobiekt. W niniejszej książce przyjęto również taką konwencję. Nanocząstki mogą mieć więc różny kształt – płatków, kulek, walców, płytek czy form dendrytycznych. Nanocząstki mogą mieć strukturę amorficzną (nieuporządkowaną) lub krystaliczną (uporządkowaną).
Technologia wytwarzania nanocząstek to jeden z najważniejszych działów nanotechnologii. Formalnie definiuje się nanotechnolgię jako technologię wytwarzania obiektów materialnych o charakterystycznych rozmiarach w zakresie od 1 do 100 nm oraz praktyczne wykorzystywanie nowych właściwości materiałów, które pojawiają się przy tak małych rozmiarach tych obiektów. Obiektami tymi mogą być warstwy, materiały zbudowane z kryształów o tak małych rozmiarach, włókna, nanocząstki właśnie i inne. W rozdziale 1 objaśniono dokładniej termin „nanotechnologia” i jego rozumienie przez różne środowiska: naukowców, przemysł, organizacje zajmujące się regulacją rynków, a także społeczeństwa.
Nanocząstki byłyby jedynie ciekawostką naukową, mającą mały wpływ na rozwój techniki, gdyby nie było możliwości ich przemysłowego wytwarzania. Nanocząstki występują w handlu w postaci proszku lub zawiesiny i właśnie odpowiedź na pytanie, w jakiej postaci mają być dostarczone nanocząstki, jest kluczowa zarówno dla ich odbiorcy, jak i producenta, ponieważ od tego między innymi zależy wybór odpowiedniej technologii otrzymywania nanocząstek. Zagadnieniom tym poświęcony jest rozdział 2. Zawarto w nim opis zarówno procesów rozdrabniania (ang. top down) jak i metod addytywnych (ang. bottom up), w których cząstki są „składane” atom po atomie. Proces takiego składania można prowadzić zarówno w środowiskach gazowych, jak i ciekłych. Szczególną uwagę poświęcono nanocząstkom węglowym, tj. fulerenom, nanorurkom węglowym i grafenowi, którym poświęcony jest rozdział 3.
Mnogość technik wytwarzania nanocząstek w dużym stopniu powiązana jest z mnogością ich aplikacji, których liczba stale rośnie. Wiele z nich zostało omówionych w rozdziałach 4–7. W rozdziałach tych omówiono zastosowanie nanocząstek w optoelektronice, katalizie oraz w wytwarzaniu materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Uwzględniono także wykorzystanie nanocząstek w naukach o życiu i medycynie.
Istota nanotechnologii to wykorzystanie nowych cech materiału, które się uwidaczniają, gdy rozmiar cząstki jest mniejszy od 100 nm. Skoro właściwości nanocząstek zależą silnie od ich rozmiaru i kształtu, dokładny pomiar tych parametrów jest warunkiem koniecznym do otrzymywania powtarzalnych materiałów o stałych właściwościach. Zagadnienia nanometrologii są więc jednymi z najważniejszych z punktu widzenia praktycznych zastosowań nanocząstek. W rozdziale 8 opisano metody i procedury analizy morfologicznej nanocząstek.
Nanocząstki są tak małe, że do ich zobrazowania potrzebne są specjalne mikroskopy o dużym powiększeniu, rzędu 10 000 razy. Dopiero bowiem jeśli pomnożymy 0,1 mikrometra przez 10 000, otrzymamy 1 milimetr. Cząstka o wymiarze maksymalnym dla nanocząstek, czyli 100 nm = 0,1 mikrometra, w przypadku powiększenia 10 000 razy jest więc zobrazowana jako obiekt o wymiarze 1 milimetra, co daje potencjalnie możliwość rozpoznania jej cech geometrycznych, w tym kształtu. Oczywiście mniejsze nanocząstki mogą być przy takim powiększeniu niewidoczne, co oznacza, że w praktyce potrzebne są nam większe powiększenia, zwykle przekraczające 100 000. Gdy tę i nawet poprzednią wartość, 10 000, zestawimy z powiększeniami uzyskiwanymi względnie prostymi mikroskopami opartymi na świetle widzialnym, które dają powiększenia rzędu 1000 razy, staje się jasne, że zobrazowanie nanocząstek wymaga zaawansowanych mikroskopów, w których wykorzystuje się optykę elektronową. Więcej na temat metod obrazowania nanocząstek Czytelnik znajdzie w rozdziałach 9 i 10, w których omówiono techniki mikroskopii sił atomowych oraz mikroskopii elektronowej.
Nanocząstki mogą istotnie różnić się wielkością i kształtem. Ponieważ jedna i druga z wymienionych cech ma istotny wpływ na właściwości nanocząstek, zagadnieniem samym w sobie jest ilościowy opis ich geometrii. Tematowi temu poświęcony jest rozdział 11, w którym w szczególności omówiono metody komputerowej analizy obrazów. Temat ten jest do pewnego stopnia kontynuowany w rozdziale 12, w którym przedyskutowano kwestie statystycznego podejścia do nanocząstek, tworzących populacje różniące się nie tylko średnią wielkością, ale także stopniem rozproszenia wielkości.
Zazwyczaj nanocząstki łączą się w aglomeraty o rozmiarach nawet mikrometrowych i przechowywane są w zawiesinach w cieczy. Metody charakteryzowania zawiesin nanocząstek opisane są w rozdziałach 12 i 13. Skuteczną techniką otrzymywania informacji o wielkości nanocząstek oraz rozkładzie ich wielkości są metody wykorzystujące rozpraszanie promieni rentgenowskich na nanocząstkach, czyli dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego. Okazuje się, że badania z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego również dają precyzyjne informacje o rozmiarach nanocząstek. Tym zagadnieniom poświęcone są rozdziały 14 i 15.
Dla naukowca, inżyniera oraz każdej osoby intersującej się nanotechnologią najciekawsze są jednak fizyczne, chemiczne i biologiczne cechy nanocząstek. Zainteresowanie nanocząstkami wynika bowiem z ich szczególnych właściwości, istotnie różnych od właściwości cząstek tego samego materiału, lecz o większych rozmiarach. Podstawowe informacje na temat szczególnych właściwości nanocząstek zawarto w rozdziale 16. W dużym uproszczeniu szczególne ich właściwości są konsekwencją względnie dużego udziału w ich objętości atomów znajdujących się na powierzchni cząstki lub tuż pod nią. W przypadku cząstek o wymiarach 5–10 nm około ¼ atomów ma charakter „atomów powierzchniowych”, a skądinąd wiadomo, że atomy te mają specyficzną charakterystykę, inną niż atomy z dala od powierzchni. Różnice te dotyczą w szczególności stanów elektronowych i są konsekwencją „niewysycenia” wiązań.
Szczególne perspektywy wykorzystania nanocząstek związane są nie tylko z aktywnością ich atomów powierzchniowych, ale także ich wymiarami geometrycznymi jako takimi. Wynika to stąd, że nanocząstki mają wymiary dużo mniejsze niż wymiary komórek. Mogą zatem do nich wnikać, a także przez nie przenikać, co otwiera nowe możliwości w zakresie dozowania leków oraz projektowania nowych terapii z udziałem nanocząstek. Z tych samych powodów nanocząstki mogą być zagrożeniem dla środowiska i zdrowia ludzi. Toksyczności nanocząstek i sposobom jej wyznaczania poświęcony jest rozdział 17.
Praktyczne stosowanie nanocząstek wymaga utworzenia międzynarodowych norm dotyczących definicji nanocząstek oraz metod ich charakteryzowania. Tego samego wymaga bezpieczeństwo pracy z nanocząstkami (rozdział 18). Zagadnienie bezpieczeństwa pracy stało się szczególnie istotne z dwóch powodów. Skoro właściwości nanocząstek zależą od ich rozmiaru, to i ewentualna toksyczność też może zależeć od rozmiaru. Wtedy normy opracowane dla zwykłych materiałów nie mają zastosowania w przypadku nanomateriałów i muszą być podjęte intensywne badania w celu określenia dopuszczalnych norm ekspozycji na nie. Jest to warunek ich masowego stosowania w produktach rynkowych oraz bezpiecznej produkcji i recyklingu. Te bardzo aktualne tematy związane z uregulowaniami prawnymi dla nanocząstek dopuszczanych na rynek oraz samo oszacowanie rynku zawierają rozdziały 19–21.
