Praca zbiorowa pod redakcją
Anny Świderskiej-Środy
Witolda Łojkowskiego
Małgorzat y Lewandowskiej
Krzysztofa J. Kurzydłowskiego

Świat
nanocząsteczek

Projekt okładki i stron tytułowych Bartosz Dobrowolski

Ilustracja na okładce Adam Presz

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redaktor prowadzący Iwona Lewandowska

Redaktor Małgorzata Galus

Produkcja Mariola Grzywacka

Praca zbiorowa pod redakcją

Anny Świderskiej-Środy

Instytut Wysokich Ciśnień, Polska Akademia Nauk

Wydział Zarządzania, Politechnika Białostocka

Witolda Łojkowskiego

Wydział Zarządzania, Politechnika Białostocka

Małgorzaty Lewandowskiej

Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

Krzysztofa J. Kurzydłowskiego

Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło.

A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Publikacja została dofinansowana ze środków Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Copyright © for chapter 15. by Roman Pielaszek

ISBN 978-83-01-18818-4

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2016 r., (wyd. I)

Warszawa 2016

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl., www.pwn.pl

Informacje w sprawie współpracy reklamowej: reklama@pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Karolina Kaiser/Mobisfera

Spis treści

1. Wprowadzenie
Krzysztof J. Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska

2. 1. Różne sposoby postrzegania nanotechnologii
Witold Łojkowski, Anna Świderska-Środa, Joanna Sobczyk

1. 1.1. Wprowadzenie

2. 1.2. Czym jest nanotechnologia

3. 1.3. Jaka jest dzisiejsza nanotechnologia

4. 1.4. Nanotechnologia w oczach środowiska akademickiego

5. 1.5. Nanotechnologia z punktu widzenia przemysłu

6. 1.6. Nanotechnologia w oczach rządów i instytucji finansujących naukę

7. 1.7. Nanotechnologia w świecie przepisów, praw i standardów

8. 1.8. Nanotechnologia w odbiorze społeczeństwa

9. 1.9. Wpływ polityki edukacyjnej na rozwój nanotechnologii

10. 1.10. Podsumowanie

11. Literatura

3. 2. Technologie otrzymywania nanocząstek
Urszula Narkiewicz

1. 2.1. Metody wytwarzania nanocząstek w fazie ciekłej

1. 2.1.1. Strącanie

2. 2.1.2. Metoda zol–żel

3. 2.1.3. Metody koloidalne

4. 2.1.4. Metody solwotermalne

2. 2.2. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie gazowej

3. 2.3. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie stałej

4. 2.4. Inne metody otrzymywania nanocząstek

1. 2.4.1. Metoda samoorganizacji

2. 2.4.2. Metoda wyładowania łukowego

3. 2.4.3. Rozdrabnianie wybuchowe i elektroeksplozja

4. 2.4.4. Techniki mikrofalowe

5. 2.4.5. Techniki ultradźwiękowe

6. 2.4.6. Metoda próżniowego odparowania przepływającego płynu

7. 2.4.7. Metoda elektroosadzania

8. 2.4.8. Powlekanie obrotowe

9. 2.4.9. Strącanie w płynach w stanie nadkrytycznym

10. 2.4.10. Kontrolowana krystalizacja z amorficznych prekursorów

11. 2.4.11. Metody z udziałem mikroorganizmów

5. Literatura

4. 3. Nanomateriały węglowe
Urszula Narkiewicz

1. 3.1. Zerowymiarowe nanomateriały węglowe

2. 3.2. Jednowymiarowe nanomateriały węglowe

3. Literatura

5. 4. Nanocząstki tlenków o szerokiej przerwie energetycznej jako luminofory i znaczniki biologiczne
Marek Godlewski, Michał Marek Godlewski

1. 4.1. Wstęp

2. 4.2. Procesy rekombinacji promienistej

3. 4.3. Luminofory w lampach fluorescencyjnych

4. 4.4. Ziemie rzadkie jako aktywatory świecenia luminoforów

5. 4.5. Czy nanorozmiary są potrzebne

6. 4.6. Znaczniki fluorescencyjne do zastosowań w biologii i medycynie

7. 4.7. Znaczniki fluorescencyjne nowej generacji

8. 4.8. Zastosowanie luminoforów domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich w badaniach biomedycznych

9. Literatura

6. 5. Nanocząstki a kataliza heterogeniczna
Marcin Pisarek

1. 5.1. Wprowadzenie

2. 5.2. Kataliza heterogeniczna (kataliza kontaktowa)

1. 5.2.1. Wymagania stawiane katalizatorom

2. 5.2.2. Etapy reakcji chemicznych w katalizie heterogenicznej

3. 5.3. Otrzymywanie nanocząstek stosowanych w katalizie

4. 5.4. Metody charakteryzowania nanocząstek stosowanych w katalizie

5. 5.5. Przykłady zastosowania nanocząstek w reakcjach katalitycznych. Wpływ czynników morfologicznych, strukturalnych, chemicznych oraz geometrycznych

6. 5.6. Podsumowanie

7. Literatura

7. 6. Nanocząstki zwiększające przewodność elektryczną
Ewelina Ciecierska

1. 6.1. Nanorurki węglowe

2. 6.2. Grafen

3. Literatura

8. 7. Nanocząstki w zastosowaniach biomedycznych
Agata Roguska

1. 7.1. Wprowadzenie

2. 7.2. Nanocząstki metali szlachetnych

3. 7.3. Nanoczątski hyroksyapatytowe

4. 7.4. Nanocząstki magnetyczne

5. 7.5. Kropki kwantowe

6. 7.6. Nośniki leków

7. 7.7. Biosensory

8. 7.8. Podsumowanie

9. Literatura

9. 8. Metody i procedury charakteryzowania morfologii nanocząstek
Anna Świderska-Środa

1. 8.1. Parametry opisu budowy nanocząstek i techniki ich pomiaru

1. 8.1.1. Fundamentalne elementy charakterystyki nanoobiektów

2. 8.1.2. Techniki badawcze, stosowane w miernictwie nonoobiektów

2. 8.2. Znaczenie procedur w analizie morfologicznej nanocząstek

1. 8.2.1. Procedura badań nanomateriałów stosowana w Laboratorium Nanostruktur

3. 8.3. Nanometrologia w dokumentach UE

4. 8.4. Podsumowanie

5. Literatura

10. 9. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii sił atomowych
Michał Woźniak

1. 9.1. Sonda skanująca

2. 9.2. Rozdzielczość pikselowa

3. 9.3. Warunki środowiskowe

4. Literatura

11. 10. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii elektronowej
Tomasz Płociński

1. 10.1. Oddziaływanie wiązki elektronów z materią

2. 10.2. Detektory

3. 10.3. Mikroskopy wysokorozdzielcze HR STEM/TEM, wyposażone w korektor aberracji sferycznej i/lub chromatycznej

4. 10.4. Uchwyty

5. 10.5. Mikroanaliza składu chemicznego nanocząstek

6. 10.6. Przygotowanie nanocząstek do obserwacji w mikroskopie elektronowym

7. Literatura

12. 11. Metody opisu kształtu i pomiary wielkości nanocząstek
Krzysztof Rożniatowski, Tomasz Wejrzanowski

1. 11.1. Wstęp

2. 11.2. Parametry lokalne i globalne

3. 11.3. Ograniczenia pomiarowe

4. 11.4. Obrazowanie nanocząstek

5. 11.5. Parametry opisujące wielkość i kształt

6. 11.6. Analiza obrazu i wyznaczanie wielkości parametrów

7. 11.7. Podsumowanie

8. Literatura

13. 12. Pomiar rozkładu wielkości nanocząstek metodą rozpraszania światła laserowego
Agnieszka Opalińska

1. Literatura

14. 13. Pomiar stabilności koloidów i zawiesin nanocząstek
Jacek Wojnarowicz, Agnieszka Opalińska

1. 13.1. Układy dyspersyjne

1. 13.1.1. Stabilność koloidów i zawiesin

2. 13.1.2. Siły i oddziaływania między cząsteczkami

3. 13.1.3. Niestabilność Ostwalda

4. 13.1.4. Ruchy Browna

5. 13.1.5. Teoria DLVO (podwójna warstwa elektryczna)

6. 13.1.6. Zmienność układów dyspersyjnych

7. 13.1.7. Termodynamiczny aspekt stabilności układu dyspersyjnego

8. 13.1.8. Efekt steryczny

9. 13.1.9. Podsumowanie

2. 13.2. Proces destabilizacji zawiesin i koloidów

3. 13.3. Zasada pomiaru stabilności metodą MLS

1. 13.3.1. Stabilność

2. 13.3.2. Zmiana wielkości cząstek

3. 13.3.3. Migracja cząstek

4. 13.3.4. Połączenie niestabilności

5. 13.3.5. Podsumowanie

4. 13.4. Stabilność elektrostatyczna – potencjał zeta

1. 13.4.1. Pomiary potencjału zeta metodą elektroforetyczną

2. 13.4.2. Pomiary potencjału zeta metodą elektroakustyczną

3. 13.4.3. Pomiary potencjału zeta metodą potencjału strumieniowego

4. 13.4.4. Podsumowanie

5. 13.5. Podsumowanie rozdziału

6. Literatura

15. 14. Pomiar rozmiaru nanokryształów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego
Stanisław Gierlotka

1. 14.1. Wstęp

2. 14.2. Dyfrakcja promieniowania na kryształach

1. 14.2.1. Analogie do dyfrakcji światła

2. 14.2.2. Specyficzne cechy dyfrakcji na kryształach

3. 14.2.3. Dyfrakcja na polikryształach

4. 14.2.4. Jak rozmiar krystalitu uwidacznia się na dyfraktogramach

3. 14.3. Określanie średniego rozmiaru krystalitów – metoda Scherrera

4. 14.4. Małe krystality z naprężeniami – metoda Williamsona–Halla

5. 14.5. Badanie rozkładu wielkości krystalitów przez analizę kształtu piku dyfrakcyjnego

1. 14.5.1. Ograniczenie metody analizy kształtu piku

6. 14.6. Podsumowanie, czyli jak postępować w praktyce

7. Literatura

16. 15. Badanie rozkładu wielkości nanokrystalitów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego
Roman Pielaszek

1. 15.1. Zasada działania

2. 15.2. Proszki monodyspersyjne – metoda Scherrera

3. 15.3. Proszki polidyspersyjne

1. 15.3.1. Metoda Integral Breadth (uogólniona)

2. 15.3.2. Metoda Scherrera uogólniona, FW/M

3. 15.3.3. Nanokryształy dużych cząsteczek

4. 15.3.4. Metody bezpośredniego dopasowania

5. 15.3.5. Narzędzia internetowe

4. 15.4. Oszacowanie i redukcja błędów pomiarowych

1. 15.4.1. Błąd oznaczenia stałej sieci nanokryształów

2. 15.4.2. Błąd oznaczenia rozmiaru ziarna nanokryształów

3. 15.4.3. Określanie poziomu tła piku

5. 15.5. Ograniczenia metod rentgenowskich

6. 15.6. Podstawy fizyczne (dla dociekliwych)

1. 15.6.1. Równanie Debye’a

2. 15.6.2. Równanie Debye’a dla kryształów, warunek Bragga

3. 15.6.3. Profil linii i stała Scherrera dla kryształów prostopadłościennych

4. 15.6.4. Profil linii i stała Scherrera dla kryształów kulistych

5. 15.6.5. Profil linii dla proszków polidyspersyjnych (wielościany)

6. 15.6.6. Profil linii dyfrakcyjnej dla proszków polidyspersyjnych (ziarna kuliste)

7. 15.6.7. FW/M – metoda Scherrera dla proszków polidyspersyjnych

8. 15.6.8. Metoda Integral Breadth (uogólniona)

9. 15.6.9. Oszacowanie błędów pomiarowych stałej sieci

10. 15.6.10. Oszacowanie błędów pomiaru rozmiaru ziarna

7. Literatura

17. 16. Znaczenie morfologii w kształtowaniu właściwości nanocząstek
Anna Świderska-Środa

1. Literatura

18. 17. Toksyczność nanocząstek i sposoby jej wyznaczania
Agnieszka Gajewicz, Tomasz Puzyn, Przemysław Oberbek, Michał Woźniak

1. 17.1. Czy nanocząstki są toksyczne

2. 17.2. Potencjalne mechanizmy toksyczności nanocząstek

3. 17.3. Ocena ryzyka stwarzanego przez nanocząstki

4. 17.4. Metody eksperymentalne

1. 17.4.1. Metody in vitro

2. 17.4.2. Metody mikroskopowe

3. 17.4.3. Metody in vivo

4. 17.4.4. Podstawowe badania toksykometryczne

5. 17.5. Metody komputerowe (in silico)

1. 17.5.1. Zbieranie danych eksperymentalnych

2. 17.5.2. Podział związków na zbiór uczący i testowy

3. 17.5.3. Obliczenie deskryptorów

4. 17.5.4. Kalibracja i walidacja modelu

6. 17.6. Przykłady zastosowania metod QSAR do nanocząstek

7. 17.7. Podsumowanie

8. Literatura

19. 18. Bezpieczeństwo i higiena pracy z nanocząstkami
Anna Świderska-Środa

1. 18.1. Ochrona zdrowia pracowników

1. 18.1.1. Rekomendowane limity stężeń nanocząstek w środowisku pracy

2. 18.1.2. Rekomendowane środki ochrony pracowników

2. 18.2. Ryzyko pożaru i eksplozji w środowisku pracy

1. 18.2.1. Środki ochrony przeciwpożarowej

3. 18.3. Przekazywanie informacji w łańcuchu dostaw

1. 18.3.1. Karty charakterystyki materiału

2. 18.3.2. Etykiety znamionowe na pojemnikach

4. 18.4. Podsumowanie

5. Literatura

20. 19. Nanomateriały w świetle przepisów Unii Europejskiej
Anna Świderska-Środa, Agnieszka Baran

1. 19.1. Definicje i normy

1. 19.1.1. Definicja nanomateriału

2. 19.1.2. Działania normalizacyjne w nanotechnologii

2. 19.2. Kluczowe regulacje Unii Europejskiej dotyczące substancji chemicznych, w tym nanomateriałów

1. 19.2.1. System kontroli substancji chemicznych w Unii Europejskiej

3. 19.3. Przepisy sektorowe zawierające odniesienia do nanomateriałów

1. 19.3.1. Produkty kosmetyczne

2. 19.3.2. Produkty biobójcze

3. 19.3.3. Produkty spożywcze

4. 19.4. Przepisy na poziomie krajowym odnoszące się do nanomateriałów

5. 19.5. Podsumowanie

6. Literatura

21. 20. Polityka i działania Unii Europejskiej w odniesieniu do nanomateriałów
Anna Świderska-Środa

1. Literatura

22. 21. Rynek nanocząstek tlenków metali
Elżbieta Krawczyk-Dembicka

1. 21.1. Nanotechnologia na świecie

2. 21.2. Nanotechnologia w Polsce

3. 21.3. Rynek nanocząstek tlenków metali

1. 21.3.1. Nanocząstki tlenku glinu (Al2O3)

2. 21.3.2. Nanocząstki tlenku antymonu cyny (ATO)

3. 21.3.3. Nanocząstki tlenku bizmutu (Bi2O3)

4. 21.3.4. Nanocząstki ditlenku ceru (CeO2)

5. 21.3.5. Nanocząstki tlenku kobaltu (CoO)

6. 21.3.6. Nanocząstki tlenku miedzi (CuO)

7. 21.3.7. Nanocząstki tlenku żelaza (Fe2O3 oraz Fe3O4)

8. 21.3.8. Nanocząstki tlenku indu (In2O3)

9. 21.3.9. Nanocząstki tlenku magnezu (MgO)

10. 21.3.10. Nanocząstki tlenku manganu (MnO oraz Mn2O3)

11. 21.3.11. Nanocząstki tlenku niklu (NiO)

12. 21.3.12. Nanocząstki ditlenku krzemu (SiO2)

13. 21.3.13. Nanocząstki ditlenku tytanu (TiO2)

14. 21.3.14. Nanocząstki tlenku itru (Y2O3)

15. 21.3.15. Nanocząstki tlenku cynku (ZnO)

16. 21.3.16. Nanocząstki ditlenku cyrkonu (ZrO2)

4. Literatura

23. Ważniejsze skróty i akronimy

Wprowadzenie
Krzysztof J. Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska

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 CO_2 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.