SlideShare a Scribd company logo
 

 

                  

 

 




    NANOYOU Teachers Training Kit in Nanotechnologies




    Chapter 5‐ Overview 
    of Nanomaterials 
    Module 1‐ Fundamental concepts in nanoscience and nanotechnologies




    Written by Luisa Filipponi and Duncan Sutherland
    Interdisciplinary Nanoscience Centre 
    Aarhus University, Denmark 
    January 2010 
     
    Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 unless indicated in text or figure captions  
 

 

 

                                              NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

 



Contents 
Biomimetic nanomaterials .............................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                      5

    Gecko‐inspired adhesive (or Bio‐rubber) ...................................................................................................................   
                                                                                                                                                               5

    Self‐healing adhesives ...............................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                          6

    Biomimetic membranes, capsules and bioreactors ...................................................................................................   
                                                                                                                                                      6

    Biomimetic energy nanomaterials .............................................................................................................................   
                                                                                                                                                                 7

Self‐assembled nanomaterials .......................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                    7

    Liquid crystals ............................................................................................................................................................   
                                                                                                                                                                                8

       Liquid crystals´ phases and their properties ........................................................................................................  0 
                                                                                                                                                            1

       What is special about liquid crystals ....................................................................... Error! Bookmark not defined. 

       LCs applications ...................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                           1

Nanostructured Metals and Alloys ..............................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                               1

    Metal nanoparticles .................................................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                                         1

       Plasmonic structures ............................................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                                        1

       Reinforcements ....................................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                          1

       Environmental applications .................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                   1

    Nanocrystalline metals ............................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                       1

    Ferrofluids ................................................................................................................................................................  5 
                                                                                                                                                                                1

Polymers ......................................................................................................................................................................  6 
                                                                                                                                                                               1

    Conductive Polymers  ...............................................................................................................................................  6 
                       .                                                                                                                                                1


                                                                                Page 2 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                               NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Block Copolymers .....................................................................................................................................................  6 
                                                                                                                                                                          1

       Responsive “smart” polymers ..............................................................................................................................  8 
                                                                                                                                                                 1

       Biomedical applications .......................................................................................................................................  8 
                                                                                                                                                                      1

       Nano‐reactors ......................................................................................................................................................  8 
                                                                                                                                                                           1

       Artificial moving parts .........................................................................................................................................  9 
                                                                                                                                                                        1

       Other applications ...............................................................................................................................................  9 
                                                                                                                                                                         1

    Polymeric nanofibres ...............................................................................................................................................  9 
                                                                                                                                                                        1

Semiconductors ...........................................................................................................................................................  0 
                                                                                                                                                                          2

    Quantum dots ..........................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                           2

    Semiconducting oxides ............................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                      2

       Titanium dioxide ..................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                          2

       Zinc dioxide ..........................................................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                                              2

       ITO .......................................................................................................................... Error! Bookmark not defined. 

    Photonic crystals ......................................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                            2

Ceramic and glassy materials ......................................................................................................................................  5 
                                                                                                                                                                   2

    Porous alumina ........................................................................................................................................................  5 
                                                                                                                                                                           2

    Zeolites  ....................................................................................................................................................................  5 
            .                                                                                                                                                                     2

    Aerogels ...................................................................................................................................................................  6 
                                                                                                                                                                                2

Carbon‐based materials...............................................................................................................................................  6 
                                                                                                                                                                     2

    Carbon nanotubes ...................................................................................................................................................  8 
                                                                                                                                                                        2

       Mechanical properties .........................................................................................................................................  9 
                                                                                                                                                                      2

       Electrical and thermal properties ........................................................................................................................  0 
                                                                                                                                                                 3
                                                                                 Page 3 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                             NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

       Chemical reactivity ..............................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                         3

       Applications .........................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                             3

Composites ..................................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                             3

    Inorganic nano composites ......................................................................................................................................  2 
                                                                                                                                                                    3

       Structural nanocomposites ..................................................................................................................................  3 
                                                                                                                                                                   3

       Nanocomposites with enhanced magnetic properties ........................................................................................  4 
                                                                                                                                                3

    Polymer Nanocomposites ........................................................................................................................................  5 
                                                                                                                                                                   3

       Nanoparticle‐ polymer nanocomposites ..............................................................................................................  7 
                                                                                                                                                          3

       Carbon nanotubes in polymer composites  ..........................................................................................................  8 
                                             .                                                                                                           3

       Polymer‐clay nanocomposites .............................................................................................................................  9 
                                                                                                                                                                3

Nanocoatings ...............................................................................................................................................................  1 
                                                                                                                                                                            4

    Tribological nanocoatings  .......................................................................................................................................  2 
                             .                                                                                                                                        4

    Responsive nanocoatings ........................................................................................................................................  3 
                                                                                                                                                                    4

       Self‐cleaning surfaces ..........................................................................................................................................  4 
                                                                                                                                                                        4

 

 

 

 

 
  This  document  has  been  created  in  the  context  of  the  NANOYOU  project (WP4  Task  4.1).  All  information  is 
  provided “as is” and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose. The 
  user  thereof  uses  the  information  at  its  sole  risk  and  liability.  The  document  reflects  solely  the  views  of  its 
 
  authors.  The  European  Commission  is  not  liable  for  any  use  that  may  be  made  of  the  information  contained 


                                                                              Page 4 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 



          Chapter 5 Overview of Nanomaterials 
This  chapter  provides  an  overview  of  nanomaterials,  their  properties  and  functions.  The  application 
areas of the cited nanomaterials are also mentioned. The second Module of this Teachers Training Kit is 
devoted to applications of nanotechnologies. 


Biomimetic nanomaterials 
The  first  class  of  engineered  nanomaterials  that  we  review  is  Biomimetic  materials.  As  mentioned  in 
Chapter  2  of  Module  1  (“Natural  Nanomaterials”),  Nature  is  the  best  nanotechnology  platform. 
Through thousands of years of evolution Nature has developed an enormous array of materials, ranging 
from feathers, to shells, wood, bone, and many more that have intricate hierarchical structures at the 
nano,  micron  and  macro  level  which  confer  specific  properties  to  the  material,  such  as  strength, 
lightweight,  permeability,  colour  etc.  Natural  materials  provide  an  amazing  platform  for  inspiring 
material  engineers  to  fabricate  advanced  materials  that  posses  specific  functions.  As  a  matter  of  fact 
numerous “macro” materials we use today were developed after inspiration from natural materials. One 
example is Velcro, which was developed in 1948 by a Swiss engineer named George de Mistral who got 
inspired by the clinging mechanism of cockleburs to dog hair and to fabric. Often the nanostructure in 
the  natural  material  plays  a  crucial  role,  which  inspires  scientists  to  mimic  them  starting  from  a 
molecular  level  (molecular  biomimetics).  This  is  also  called  biomimetic  nanotechnology.    Here  we 
provide some examples of those biomimetic nanomaterials. 

    Gecko­inspired adhesive (or Bio­rubber) 
In Chapter 2 we discussed the adhesive properties of the Gecko foot, and how these are not related to a 
glue in the foot, but rather to van der Waals and capillary forces exerted by million of nanostructures 
(called  saete)  that  make  up  the  foot.  This  allows  the  animal  to  walk  upside  down,  against  gravity,  on 
many different surfaces, even on wet ones. Moreover a Gecko can walk on a dirty surface without losing 
adherence, since its feet is also self‐cleaning. A truly amazing material! Scientists have been inspired by 
this  animal  to  design  and  fabricate  adhesives  for  numerous  applications.  For  instance  a  group  of 
researchers at the University of California, Berkeley, has developed adhesive gecko‐like foot surfaces for 
use  in  climbing  robots.  The  adhesive  is  made  of  patches  of  microfiber  arrays  with  42  million 
polypropylene microfibers per cm2. The patches can support up to 9 N cm‐2: a patch 2 cm2 can support a 
load of 400 g. This result is very close to the loads supported by a gecko, which are about 10 N cm‐2. This 
                                                       Page 5 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

gecko‐like adhesive is very similar in functionality to the natural gecko foot, yet not as good. Researchers 
still have to make it topography independent (capable of attaching to any surface) and self‐cleaning. In 
another  university  a  biomimetic  gecko  tape  has  been  produced  using  polymer  surfaces  covered  with 
carbon nanotubes hairs, which can stick and un‐stick on a variety of surfaces, including Teflon.  

                Other gecko‐inspired nanomaterials are under development for medical applications, which 
                will be covered in Chapter 1 of Module 2 (“Applications of Nanotechnologies: Medicine & 
                Healthcare”). 

Self­healing adhesives 
Diatoms are a type of algae with nanostructured amorphous silica surfaces. Some diatom species have 
evolved  strong,  self‐healing  underwater  adhesives.  Some  are  free‐floating;  others  have  adhesive 
properties in water: for instance diatoms in the Antarctic seas can attach to ice. Others secrete viscous 
mucilage which binds colonies together while protecting the silica shells from wear as they rub against 
each other. Molluscs are another species of animals that have adhesive properties under water. Both 
diatoms and molluscs have strong underwater glues that can also resist stress and self‐heal if necessary. 
For these reasons they serve as a biomimetic model for self‐healing materials. Researchers have studied 
those  natural  adhesives  and  found  that  their  self‐healing  properties  are  due  to  the  properties  of  the 
proteins  that  compose  them.  These  proteins  have  “sacrificial”  bonds  that  allow  the  molecule  to  be 
reversibly stretched by their breaking and re‐bonding. The sacrificial bond behaviour has been observed 
in many other materials such as wool. The detailed analysis of these natural materials is inspiring new 
nano‐adhesives with self‐healing properties. 

    Biomimetic membranes, capsules and bioreactors 
The  bilipid  membrane  has  served  as  a  biomimetic  model  for  decades.  A  simple  example  is  liposomes 
(lipid vesicles) which are easily formed by shaking vigorously oil in water. Planar supported bilayers are 
also inspired by the lipid membrane and are formed by simply “dipping” a suitable substrate inside an 
organic aqueous phase.  

                Inside  the  cell  there  are  numerous  self‐assembled  structures  that  encapsulate  specific 
                biomolecules and release them as a consequence of molecular signalling. These structures 
                are inspiring a wide range of nanocapsules for application in drug delivery. In some cases 
                bacteria  or  viruses  are  used  as  templates  for  fabricating  these  nanocapsules.  These 


                                                       Page 6 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

nanomaterials  are  described  in  more  details  in  Chapter  1  of  Module  2  (“Applications  of 
Nanotechnologies: Medicine & Healthcare”). 

    Biomimetic energy nanomaterials  
Many  challenges  that  we  are  now  facing  in  the  energy  area  (improvements  needed  in  solar  panels, 
hydrogen  fuel  cells,  rechargeable  batteries  etc.)  can  be  solved  through  the  use  of  nano‐engineered 
materials.  Some  of  these  materials  are  developed  through  direct  inspiration  from  Nature,  such  as  the 
new types of solar photovoltaic cells, which try to imitate the natural nanomachinery of photosynthesis. 
Another  interesting  example  is  that  of  using  battery  electrodes  with  self‐assembling  nanostructures 
grown by genetic engineered viruses.  

                 Both examples will be described in more details in Chapter 3 of Module 2 (“Applications of 
                 Nanotechnologies: Energy”) 


Self­assembled nanomaterials 
The concept of self‐assembly derives from observing that, in natural biological processes, molecules self‐
assemble to create complex structures with nanoscale precision. Examples are the formation of the DNA 
duple  helix  or  the  formation  of  the  membrane  cell  from  phospholipids.  In  self‐assembly,  sub  units 
spontaneously  organize  and  aggregate  into  stable,  well  defined  structures  through  non  covalent 
interaction. This process is guided by information that is coded into the characteristics of the sub units 
and  the  final  structure  is  reached  by  equilibrating  to  the  form  of  the  lowest  free  energy.  An  external 
factor, such as a change in temperature or a change in pH, can disrupt this organization. For instance, a 
protein  self‐assembles  in  a  specific  structure,  but  if  exposed  to  conditions  such  as  high  heat  or  high 
acidity, it can denature, which means that its structure is damaged, and the protein unfolds. This means 
that  the  protein  looses  its  function  as  its  structure  is  damaged.  So  in  Nature  self‐organized  structures 
have specific functions. 

Molecules in Nature change conformation and move from one self‐organized structure into another as 
they bind to certain ions or atoms. A lot of examples can be given, like hemoglobulin (that captures and 
releases an iron ion), or the potassium‐sodium pump, chlorophyll etc. 

The  use  of  self‐assembly  to  create  new  materials  is  a  bottom‐up  approach  to  nanofabrication,  and  is 
thus an essential tool in nanotechnology (see Chapter 7 of Module 1 “Fabrication techniques”).  Instead 

                                                       Page 7 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

of  carving  nanostructures  out  of  larger  materials  (which  is  the  typical  top‐down  approach,  like 
micromachining and microlithography,  used to fabricate integrated electronic circuits), nanostructures 
are created from the bottom, from atomic building blocks that self‐assemble in larger structures. In the 
laboratory  scientists  can  make  use  of  this  self‐organization  of  matter  as  a  way  of  programming  the 
building of novel structures with specific functions.  

    Liquid crystals 
A liquid crystal is a fourth state of matter: it has 
property  between  those  of  a  conventional  liquid 
and those of a solid crystal. Like a liquid, it flows, 
and  like  a  crystal,  it  can  display  long‐range 
molecular  order  (Figure  1).  In  terms  of 
classifications,  LCs  (together  with  polymers  and 
colloids),  are  often  classified  as  “soft  matter”         Figure 1. The liquid crystal phase is in between a solid 
                                                               and  a  liquid  phase  (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO, 
(Figure  2)  and  treated  under  the  branch  of 
                                                               Aarhus  University,  Creative  Commons  Attribution 
physical chemistry of condensed matter. 
                                                               ShareAlike 3.0). 
 


                                                                                        Figure  2.  Diagram  showing 
                                                                                        where  the  branch  of  "liquid 
                                                                                        crystals"     fit  into     the 
                                                                                        classification  of  physical 
                                                                                        chemistry  of  condensed 
                                                                                        matter.  

                                                                                                                   

                                                                                        

                                                                                        

A fascinating and characteristic feature of liquid‐crystalline systems is that they change their molecular 
and  supermolecular  organization  drastically  as  an  effect  of  very  small  external  perturbations:  The 
molecules in liquid crystal displays for instance are reoriented by relatively weak electrical fields.  If one 

                                                       Page 8 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

dissolves  a  small  amount  of  chiral  molecules  in  an  achiral  liquid‐crystalline  host  phase,  this  results  in 
remarkable  macroscopic  chirality  effects,  ranging  from  helical  superstructures  to  the  appearance  of 
ferroelectricity.  

    Liquid crystal self­assembly 
Liquid  crystals  are  partly  ordered  materials,  somewhere  between  their  solid  and  liquid  phases.  This 
means  that  LCs  combine  the  fluidity  of  ordinary  liquids  with  the  interesting  electrical  and  optical 
properties of crystalline solids.  

The molecules of liquid crystals are often shaped like rods or plates or some other forms that encourage 
them to align collectively along a certain direction (Figure 5).  

                                                                         Figure  5.  Example  of  the  self‐organization  of 
                                                                         anisometric  (i.e.,  with  asymmetrical  parts) 
                                                                         molecules  in  liquid‐crystalline  phases.  On  the 
                                                                         left: rod‐like molecules form a nematic liquid, 
                                                                         in  which  the  longitudinal  axes  of  the 
                                                                         molecules  are  parallel  aligned  to  a  common 
                                                                         preferred  direction  ("director").  On  the  right: 
                                                                         disc‐like  (discotic)  molecules  arrange  to 
                                                                         molecule‐stacks  (columns),  in  which  the 
                                                                         longitudinal  axes  are  also  aligned  parallel  to 
                                                                         the director. As a result of their orientational 
                                                                         order,  liquid  crystals  exhibit  anisotropic 
                                                                         physical  properties,  just  like  crystals. 
                                                                         (Reprinted        from:      http://www.ipc.uni‐
                                                                         stuttgart.de/~giesselm/AG_Giesselmann/Fors
 
                                                                         chung/Fluessigkristalle/Fluessigkristalle.html). 
 

Liquid crystals are temperature sensitive since they turn into solid if it is too cold and into liquid if it is 
too hot. This phenomenon can, for instance, be observed on laptop screens when it is very hot or very 
cold. 

 

                                                       Page 9 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Liquid crystals´ phases and their properties 
A liquid crystal is formed by the self‐assembly of molecules in ordered structures, or phases. An external 
perturbation, such as a change in temperature or magnetic field, even very small, can induce the LC to 
assume  a  different  phase.  Different  phases  can  be  distinguished  by  their  different  optical  properties 
(Figure 3).  

                                                             Figure 3. Schematic representation of molecules in a solid 
                                                             (left,  molecules  are  well  organized),  in  a  liquid  crystal 
                                                             (centre) molecules have a long range distance order) and in 
                                                             a  liquid  (right)  molecules  are  not  ordered.  (Image  credit: 
                                                             Copyright  IPSE  Educational  Resources,  University  of 
                                                             Wisconsin Madison) 


                                                                                                      

Liquid crystals are divided in three groups: 

‐ Thermotropic LC: they consist of organic molecules, typically having coupled double bonds, and exhibit 
a phase transition as temperature is changed (Figure 4, left) 

‐ Lyotropic LC: they consist of organic molecules, typically amphiphilic (water‐loving) and exhibit a phase 
transition  as  a  function  of  both  temperature  and  concentration  of  the  LC  molecules  in  a  solvent 
(typically water) (Figure 4, right) 

‐ Metallotropic LC: they are composed of both organic and inorganic molecules, and their LC transition 
depend  not  only  on  temperature  and  concentration,  but  also  on  the  organic‐inorganic  composition 
ration. 


                                                                                     Figure  4.  (Left)  chemical  structure 
                                                                                     of       N‐(4‐Methoxybenzylidene)‐4‐
                                                                                     butylaniline       (MBBA);       (Right): 
                                                                                     Structure  of  lyotropic  liquid  crystal: 
                                                                                     1 is a bilayer and 2 is a micelle. The 
                                                                                     red  heads  of  surfactant  molecules 
    
                                                                                     are  in  contact  with  water,  whereas 
                                                                                     the tails are immersed in oil (blue). 
                                                           Page 10 of 44 
                                                                                     (Image  credit:  Wiki  commons, 
                                                                                     Creative  Commons  Attribution 
    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                                                                     ShareAlike 3.0). 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                  NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

       Lyotropic  liquid‐crystalline  phases  are  abundant  in  living  systems,  such  as  biological  membranes, 
cell membranes, many proteins (like the protein solution extruded by a spider to generate silk), as well 
as tobacco mosaic virus. Soap is another well know material which is in fact a lyotropic LC. The thickness 
of the soap bubbles determines the colours of light they reflect. 

    LCs applications 
The  order  of  liquid  crystals  can  be  manipulated  with  mechanical,  magnetic  or  electric  forces.  What  is 
interesting is that this change of order can be obtained with very small variations of these forces. The 
properties of liquid crystals are useful in many applications. The colour of some liquid crystals depends 
on the orientation of its molecules, so any perturbation that disturbs this orientation (e.g., a difference 
in magnetic or electric field; a difference in temperature; or the presence of certain chemicals) can be 
detected with a colour change.  

                     The  EXPERIMENT  B  in  the  Experiment  Module  deals  with  synthesizing  and  testing 
                     different  temperature  sensitive  liquid  crystals.  In  this  experiment  students  test  how 
                     different LCs are sensitive to different temperature ranges and build a LC thermometer. 

                The details of how a thermotropic LC works are described in the background document for 
                the EXPERIMENT B in the Experiment Module. 

                 

Liquid  crystals  are  routinely  used  in  displays  for  cell  phones,  cameras,  laptop  computer  and  other 
electronics.  In  these  displays,  an  electric  field  changes  the  orientation  of  the  molecules  in  the  liquid 
crystal,  and  affects  the  polarization  of  light  passing  through  them.  ‐  Because  of  their  sensitivity  to 
temperature, and the property of changing colour, they are also used in thermometers. In miniaturized 
sensors, liquid crystals can detect certain chemicals, electric fields and changes in temperature.  

                 Liquid  crystal  displays  (LCDs)  are  discussed  in  Chapter  4  of  Module  2  “Applications  of 
                 Nanotechnologies: ICT” of Module 2. 

                  

In the future LCs might have very interesting applications. Recently, it has been found that the inclusion 
of specific molecules, often in the order of nanometres, in the liquid crystal can lead to new electrical 
and optical properties in the LC. For instance, LC materials have been modified to induce new photonic 
                                                       Page 11 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

functions, for application to waveguide and optical storage (ICT application area). Another class of LCs 
under development is photoconductive LCs, with the aim of having new materials for PVs cells and light 
emitting  diodes  (Energy  application  area).  Another  area  of  study  is  to  modify  LCs  in  ways  that  allow 
using  them  in  stimuli‐responsive  materials  and  as  templates  for  nanoporous  polymers  (potential 
nanomedicine application area).  


Nanostructured Metals and Alloys 
This section covers metal nanoparticles; nanocrystalline materials consisting of a single metal or of alloys 
made of two or more metals and nanostructured metal surfaces. 

    Metal nanoparticles 
Metal  nanoparticles  are  a  clear  example  of  how  at  the  nanometre  scale  the  properties  of  matter  can 
change. For instance metal gold is notably yellow in colour and used for jewellery. As the noblest of all 
metals, gold  is very stable (for instance, it does  not  react with oxygen or sulphur). However, if gold is 
shrunk to a nanoparticle, it changes colour, becoming red if it is spherical (Figure 6) and even colourless 
if  it  is  shaped  in  a  ring.  Moreover,  gold  nanoparticles  become  very  reactive  and  can  be  used  as  new 
catalysts  (this  will  be  discussed  in  Chapter  2  “Applications  of  nanotechnologies:  Environment”  of 
Module 2). 

 
                                                Figure 6. Gold colloid is ruby red, not 
                                                golden!  (Image  credit:  L.  Filipponi, 
                                                iNANO,  Aarhus  University,  Creative 
                                                Commons  Attribution  ShareAlike 
                                                3.0).
 

    Plasmonic structures 
Noble  metal  nanoparticles,  meaning  gold,  silver,  platinum  and  palladium  nanoparticles  show  localized 
surface  plasmon‐resonances  (LSPR),  an  effect  that  was  described  in  Chapter  4  of  Module  2 
(“Fundamental  nano‐effects”).  The  energy  of  the  LSPR  depends  on  the  particle  shape,  size, 
composition,  inter‐particle  spacing,  and  dielectric  environment.  The  surface  of  the  nanoparticles  can 
be  functionalised  with  numerous  chemical  and  biochemical  molecules  enabling  specific  binding  of 
organic molecules such as antibodies, making them useful in sensors . 
                                                       Page 12 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

For this reason they are of special interest for optical detection and sensing in analytical chemistry and 
molecular  biology.  The  refractive  index  can  be  used  as  the  sensing  parameter:  changes  in  the  local 
dielectric environment, induced by the sensing process, are used for detecting the binding of molecules 
in the particle nano‐environment. The change in aggregation between  the  nanoparticles as a result of 
analyte attachment affects the LSPR energy, so this effect can be used for highly miniaturized sensors. 
Figure 7 schematically illustrates those two LSPR‐based detection methods.  

                                                                  Figure  7.  (Top)  LSPR  sensor  based  on  a  change  of 
                                                                  refractive  index  induced  by  analyte  attachment  on  a 
                                                                  functionalized surface; (Bottom) LSPR sensor based on a 
                                                                  change  in  nanoparticle  aggregation  induced  by  the 
                                                                  attachment on functionalized nanoparticles. 

                                          

                                          

                                          

                                          

Localised  surface  plasmons  have  been  explored  in  a  range  of  nanoparticles  shapes  such  as  disks, 
triangles,  spheres  and  stars.  Also  more  complex  structures  have  been  studied,  such  as  holes  in  thin 
metal  film,  nanoshells  and  nanorings.  Based  on  nanostructured  metallic  surfaces  a  variety  of  optical 
applications  are  possible.  An  important  feature  of  plasmonic  structures  is  that  they  allow  label  free 
detection, which is important in optical sensing. Currently plasmonic components are investigated with 
respect to future applications in, cancer therapy, solar cells, waveguides, optical interconnect, cameras 
LEDs, OLEDs and more.  

                The  application  of  metal  nanoparticles  in  medical  diagnostics  and  targeted  treatment  is 
                discussed in details in Chapter 1 of Module 2 “Applications of Nanotechnologies: Medicine 
                and Healthcare”. 

 

 

 
                                                       Page 13 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Reinforcements 
Metal  nanoparticles  are  used  as  reinforcements  in  alloys  for  application  in  lightweight  construction 
within the aerospace sector and increasingly in the automotive sector. The method is used for instance 
to  harden  steel.  For  instance,  titanium  nanoparticles  are  used  as  alloy  compound  to  steel,  and  the 
resulting  material  shows  improved  properties  with  respect  to  robustness,  ductility,  corrosion  and 
temperature resistance. Particles of iron carbide are also precipitated into steel to make it harder. The 
nanoparticles  block  the  movement  of  the  dislocations  in  the  crystalline  material  (this  effect  was 
described in details in Chapter 4 of Module 1 “Fundamental “nano‐effects”) increasing hardness. The 
trade off between steel strength and ductility is an important issue, since modern construction requires 
high  strength  whereas  safety  and  stress  redistribution  require  high  ductility.  The  presence  of  hard 
nanoparticles  in  the  steel  matrix  could  lead  to  a  material  with  a  combination  of  these  properties, 
effectively matching high strength with exceptional ductility. 

    Environmental applications 
Some forms of metal nanoparticles have important environment applications.  

      Zero‐valent  (Fe0)  iron  nanoparticles  are  under  investigation  for  the  remediation  of  contaminated 
      groundwater  and  soil.  Iron  when  exposed  to  air  oxidizes  easily  to  rust;  however,  when  it  oxidizes 
      around contaminants such as trichloroethylene (TCE), carbon tetrachloride, dioxins, or PCBs, these 
      organic molecules are broken down into simple, far less toxic carbon compounds. Iron nanoparticles 
      are  more  effective  than  conventional  ‘iron  powder’,  which  is  already  used  to  clean  up  industrial 
      wastes. Iron nanoparticles are 10 to 1000 times more reactive then commonly used iron powders.  

      Silver  nanoparticles  have  a  strong  anti‐bacterial  capacity.  They  are  used  in  numerous  products  to 
      prevent or reduce the adherence of bacteria to surfaces. 

                Metal nanoparticles and their use in environment applications are covered in the Chapter 2 
                of Module 2  “Applications of Nanotechnologies: Environment”. 

 

    Nanocrystalline metals 
Nanocrystalline metals are classical metals and alloys that have an ultra‐fine crystalline structure below 
100 nm. They exhibit extraordinary mechanical and physical properties which makes them interesting 

                                                       Page 14 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                     NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

for many applications. Examples of nanocrystalline metal materials are Al, Mg, and Al‐Mg alloys which 
offer high strength and are lightweight. Other examples are Ti‐ and Ti‐Al‐alloys. 

Some  crystalline  metals  offer  exceptional  magnetic  properties.  An  example  is  the  “Finemet” 
nanocrystalline soft magnetic alloys, which consist of melt‐spun Fe‐Si‐B alloys containing small amounts 
of Nb and Cu.  

The application of nanomaterials in the field of magnetic materials is very important and promising, with 
applications  in  magnetic  recording,  giant‐magneto  resistance,  magnetic  refrigeration  and  magnetic 
sensing.  These  novel  materials  are  composed  of  magnetic  nanoparticles  dispersed  in  a  magnetic  or 
nonmagnetic  matrix  (particle‐dispersed  nanocomposites)  or  of  stacked  magnetic  thin  films  (magnetic 
multilayer nanocomposites).  

                   We will cover the application of nanostructured magnetic materials for memory storage in 
                   the Chapter 4 of Module 2  “Applications of Nanotechnologies: ICT”. 

                    

    Ferrofluids 
                                           Ferrofluids  are  colloidal  mixtures  composed  of  ferromagnetic  or 
                                           ferrimagnetic nanoparticles (such as magnetite) suspended in a carrier 
                                           fluid,  usually  an  organic  solvent  or  water.  The  ferromagnetic  nano‐
                                           particles  are  coated  with  a  surfactant  to  prevent  their  agglomeration 
                                           (due  to  van  der  Waals  and  magnetic  forces).  Although  the  name  may 
                                           suggest otherwise, ferrofluids do not display ferromagnetism, since they 
                                do  not  retain  magnetization  in  the  absence  of  an  externally  applied 
    Figure  8    A  ferrofluid  with  a 
    magnet  underneath.  (Image 
                                field.  Rather  they  display  bulk‐like  paramagnetism,  and  are  often 
                                referred  to  as  “superparamagnetic”  materials  due  to  their  large 
    credit:  G.  F.  Maxwell,  Wiki 
    Commons,           GNU      magnetic  susceptibility.  When  a  paramagnetic  fluid  is  subjected  to  a 
                                  Free 
    documentation licence).     sufficiently  strong  vertical  magnetic  field,  the  surface  spontaneously 
forms a regular pattern of corrugations; this effect is known as the normal‐field instability (Figure 8).  

Ferrofluids have numerous applications: in mechanical engineering, particularly for vehicle suspension 
and  breaking  systems,  due  to  their  low‐friction  properties;  in  the  ICT  area,  as  liquid  seals  (ferrofluidic 
seals) around the spinning drive shafts in hard disks; and in the biomedical sector as drug carriers. 
                                                          Page 15 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

Polymers  
A polymer is a large molecule made of a chain of individual basic units called monomers joined together 
in  sequence.  A  copolymer  is  a  macromolecule  containing  two  or  more  types  of  monomers.  When  the 
polymer is a good conductor of electricity, it is refereed to as conductive polymer (or organic metal). In 
this  section  nanostructuring  of  polymers  is  described  and  the  effect  this  can  have  on  polymers´ 
properties. The focus is on co‐polymers since these are extremely useful in nanotechnologies. 

    Conductive Polymers 
Polymers  that  are  good  conductors  of  electricity  are  called  conductive  polymers  and  include 
polyacetylene,  polyaniline,  polypyrrole,  polythiophene,  and  many  more  have  been  synthesised.  These 
polymers  are  characterized  by  having  alternating  double‐single  chemical  bonds,  so  they  are  π‐
coniugated.  The  π  ‐coniugation  of  the  carbon  bonds  along  the  oriented  polymer  chains  provides  a 
pathway for the flow of conduction electrons, and is thus responsible for the good electrical conduction 
properties of the material.  A detailed SEM analysis of conductive polymers has revealed that these are 
made  of  a  sequence  of  metallic  nanoparticles  about  10nm  in  diameter.  The  high  conductivity  of 
polymers  such  as  polyacetylene  and  polyaniline  is  related  to  the  nanostructure  of  the  polymer. 
Polyaniline and its analogous change colour when  a suitable voltage is applied, or when reacting with 
specific  chemicals  (electrochromic  and  chemochromic).  For  this  reason  they  are  promising  for  use  in 
light‐emitting diodes (LEDs). Other applications are the surface finish of printed‐circuit boards, corrosion 
protection  of  metal  surfaces,  semitransparent  antistatic  coatings  for  electronic  products,  polymeric 
batteries, and electromagnetic shielding. 

    Block Copolymers 
A copolymer is a macromolecule containing two or more type of monomers, and a block copolymer has 
these  basic  units  or  monomer  types  joined  together  in  long  individual  sequences  called  blocks.  An 
example is the diblock polymer (A)m(B)n, which is made of a linear sequence of m monomers of type A 
joined together to a linear sequence of n monomers of type B. A transition section joints the two blocks: 

[end group]‐[polyA]m‐[transition member]‐[polyB]n‐[end group] 

Often, block copolymers are made of a hydrophilic (water‐attracted) block, and a hydrophobic (water‐
repellent) block. In general, macromolecules having hydrophilic and hydrophobic regions, such as lipids, 
self‐assembled in ordered structures when in water: the hydrophobic region packs together, avoiding 

                                                       Page 16 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                     NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

                                                                             the  water  molecules,  leaving  the  hydrophilic 
                                                                             molecules  to  the  exterior  of  the  structure.  In 
                                                                             the  same  way,  block  copolymers  made  of 
                                                                             hydrophilic  and  hydrophobic  blocks  when 
                                                                             mixed  in  a  selective  solvent,  like  water,  can 
                                                                             self‐assemble  into  ordered  architectures  in 
                                                                             the nanoscale regime.  

                                                                             The  geometry  and  degree  of  order  of  these 
                                                                             structures  depends  on  the  concentration  and 
                                                                             the  volume  ratio  between  insoluble  and 
                                                           soluble  blocks.  Depending  on  these 
    Figure 9. Different geometries formed by block copolymers in 
                                                           parameters,  the  block  copolymer  can  form 
    selective solvent conditions. Image adapted from Smart et al. 
                                                           spherical  micelles  (nanospheres),  cylindrical 
    Nano Today (2008), 3 (3‐4), 38‐45, Copyright (2008) with 
    permission from Elsevier.                              micelles,  and  membranes.  Both  cylindrical 
                                                           and spherical micelles consist of a nonsoluble 
(hydrophobic) core surrounded by a soluble corona. Membranes are made of two monolayers of block 
copolymer  aligned  so  to  form  a  sandwich‐like  membrane:  soluble  block‐insoluble  block‐soluble  block. 
Molecules  that  at  low  concentration  form  spherical  aggregates  will  assemble  into  cylindrical  and 
eventually membrane‐like structures, as the concentration is increased (Figure 9). 

Among spherical micelles, if the lengths of the projections formed by the hydrophilic corona are short 
compared to the sphere diameter, the nanostructure is called “hairy nanosphere”, whereas if the sphere 
is small and the projections long, it is called “star polymer” (Figure 10).    


    Figure  10.  Sketch  of  a  star  polymer  and  of  a  hairy  polymer.
    (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO,  Aarhus  University, 
    Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). 

 

 

 

                                                               Page 17 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Responsive “smart” polymers 
Block copolymers form nanostructures that are very sensitive to external fields. For instance moderate 
electrical fields or shear stimulation can trigger macroscopic re‐arrangements in specific directions. This 
is  a  versatile  property  for  making  materials  that  respond  and  change  on  demand.  The  intrinsic 
macromolecular  nature  of  these  copolymers  leads  to  very  slow  and  kinetically  controlled  phase 
transitions.  Thus  metastable  or  intermediate  phases  have  longer  lifetimes,  which  is  desirable  in 
applications that want to exploit the phase transition properties of these materials. 

    Biomedical applications 
The  ability  of  block  copolymers  to  form  nanoparticles  and  nanostructures  in  aqueous  solutions  makes 
them  particularly  useful  for  biomedical  applications,  such  as  therapeutics  delivery,  tissue  engineering 
and  medical  imaging.  In  the  field  of  therapeutic  delivery,  materials  that  can  encapsulate  and  release 
drugs  are  needed.  Hydrogels  are  very  useful  for  the  controlled  release  of  drugs  and  block  copolymer 
hydrogels  are  particularly  advantageous  for  the  possibility  of  conferring  some  stimuli‐activated 
properties,  such  as  temperature‐sensitivity.  Block  copolymers  form  nanostructures  with  both 
hydrophilic  and  hydrophobic  areas,  so  they  can  form  vesicles  that  can  encapsulate  and  carry  both 
hydrophobic  and  hydrophilic  therapeutic  agents.  Micelles  formed  using  block  copolymers  have  a 
hydrophilic corona that makes them more resistant to the interaction of proteins, in particular plasma 
proteins, therefore these types of micelles exhibit long circulation times in vivo. Insoluble domains can 
also be engineered so to exploit the sensitivity of specific hydrophobic polymers to external stimuli such 
as pH, oxidative species, temperature and hydrolytic degradation. 

Block  copolymers  are  also  of  interest  for  preparing  scaffolds  for  tissue  engineering.  For  instance  very 
long  micelles  that  mimic  the  natural  extracellular  matrix  were  recently  prepared  exploiting  the  self‐
assembly properties of a peptide copolymer.  

    Nano­reactors 
The ability to generate compartmentalized volumes at the nanometre level is one of the fundamental 
mechanisms  used  by  cells  in  synthesising  biomolecules  and  performing  the  biochemical  processes 
necessary for their function. This motif is now reassembled using block copolymer micelles and vesicles 
as  nanoreactors.  This  approach  has  been  employed  for  carrying  enzymatic  reactions  in  nanosized 
compartments.  



                                                       Page 18 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                     NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

It has been shown that this approach can be expanded also into a nonaqueous solvent. For instance a 
recent work reports of block polymer nanostructures in ionic liquid and the ability of micelles to shuttle 
from an aqueous solvent to an ionic liquid as a function of temperature. This opens the way to use block 
copolymer technology in more sophisticated synthetic routes.  

    Artificial moving parts 
Block copolymers structures can also be used to mimic the ability of biomolecules to convert chemical 
energy  into  mechanical  energy,  for  instance  by  using  a  pH  sensitive  block  copolymer  whose  micelles 
swell based on pH variation. Thus these materials are investigated to create artificial muscles or moving 
nanostructures.  

    Other applications 
The  application  of  block  copolymers  is  not  limited  to  the  biomedical  field.  They  can  be  used  in 
conjunction with other materials to form block copolymers nanocomposites. For instance star polymers 
are used in industry to improve metal strength.  

Finally, block copolymers can form nanoporous membranes for applications in filtering systems and fuel 
cell technology. 

    Polymeric nanofibres  
Nanostructured fibrous materials, or nanofibres, are an important class of nanomaterials, now readily 
available  thanks  to  recent  developments  in  electrospinning  and  related  fabrication  technologies. 
Differently from conventional woven fabrics, that have the typical structure illustrate in Figure 11. 

                                               Nanofibres have some unique properties: they are highly porous, i.e., 
                                               they have a large interconnected void volume in the range of 50% or 
                                               even  grater  then  90%  and  possess  a  very  high  surface‐to‐volume 
                                               ratio. It is possible to increase the mechanical stability of nanofibrous 
                                               structures  by  annealing  the  fabric  so  to  join  together  the  crossing 
                                               points of those fibres.   

                                                

    Figure  11.  A  typical  sample  of  electruspun  polystyrene.  (Image  credit:  T.  Uyar,  Interdisciplinary  Nanoscience  Canter
    (iNANO), Aarhus University. Copyright 2008. Reprint not permitted). 

                                                               Page 19 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

These properties make nanofibrous scaffolds useful for many biomedical and industrial applications. 

In  addition,  researchers  have  succeeded  in  making  coaxial  nanofibres  composed  on  two  different 
polymers or composite coaxial fibres. Researchers also try to make aligned nanofibres. These types of 
materials, particularly if made of conducting polymers, could have important application for electronic 
and medical devices.  

                                                                           Nanofibres  have  a  broad  spectrum  of 
                                                                           applications as schematized in Figure 12. 

                                                                            

                                                                            

                                                                            

                                                                               Figure  12.  Overview  of  polymer  nanofibres 
                                                                               applications.

 

             The two areas that have so far received most attention are the medical field (e.g., wound 
             healing  membranes)  and  filtration  applications.  These  will  be  covered  in  the  Chapter  1 
             “Applications  of  nanotechnologies:  Medicine  and  healthcare”  and  Chapter  2 
“Applications  of  nanotechnologies:  Environment”),  respectively.  Nanofibres  are  also  considered  for 
composite  material  reinforcement.  As  nanofibres  are  a  relatively  recent  type  of  nanomaterial  it  is 
expected that in the future many more applications will be explored.  


Semiconductors 
Semiconductors,  unlike  metals,  have  a  band  gap.  The  band  gap  is  between  the  valence  band  and  the 
conduction band. In intrinsic semiconductors which posses no impurities (like boron, silicon, germanium, 
indium) there are no electronic states in the band gap. The properties of semiconductors, in particular 
the band gap, are manipulated by addition of dopants: impurities able to donate charge carriers in the 
form of electrons (n‐type) or holes (p‐type).  


                                                       Page 20 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

Like for metals, the reduction of the size of the semiconductor triggers the insurgence of novel physical 
properties. The most evident example is that of quantum dots. 

    Quantum dots 
Quantum dots are made of semiconductor materials such as CdSe, ZnSe, CdTe, about 10 nm in size.  Like 
in the case of metal nanoparticles, electrons in quantum dots are localized in space. A QD has a discrete, 
quantized  energy  spectrum,  therefore  they  can  absorb  a  specific  wavelength,  and  emit  a 
monochromatic colour. Depending on their size, QD emit different colours, as shown in Figure 13. The 
reason for this was described in Chapter 4 of Module 2 (“Fundamental nano‐effects”): the width of the 
bandgap  is  related  to  the  size  of  the  semiconductor,  smaller  sizes  lead  to  a  blue  shift  in  the  emission 
spectra. 
                                                     Figure  13.  Ten  distinguishable  emission  colours  of  ZnS‐capped  CdSe 
                                                     QDs excited with a near‐UV lamp. From left to right (blue to red), the 
                                                     emission  maxima  are  located  at  443,  473,  481,  500,  518,  543,  565, 
                                                     587,  610,  and  655  nm.  (Reprinted  by  permission  from  Macmillan 
                                                     Publishers from Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotech. (2001) 19, 
                                                     631‐635, Copyright 2001). 

 

           QD like metal nanoparticles hold great promise for nano‐enhanced imaging which will bring 
           progress to fields like environmental monitoring, medical diagnostic and treatment. QD are 
           also  investigated  as  novel  light  sources  to  improve  LED  technology  and  in  solar  cell 
           technology.  These  applications  of  QDs  in  the  energy  and  ICT  sector  will  be  reviewed  in 
Chapter  3  “Applications  of  Nanotechnologies:  Energy”  and  Chapter  4  “Application  of 
Nanotechnologies: ICT” of Module 2. 

    Semiconducting oxides 
Semiconducting oxides like TiO2 and ZnO in bulk (macro) form are widely used in industry in many 
products. When they are in a nanoscale form, they display interesting physical properties that allow 
designing new materials and improve old ones. Below is a short description of these properties. 

    Titanium dioxide 
Titanium dioxide (TiO2) is a mineral mainly found in two forms, rutile and anatase. Titanium dioxide is 
the  most  widely  used  white  pigment  because  of  its  brightness  (white  colour)  and  very  high  refractive 

                                                       Page 21 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

index (n=2.4). It is used in paints, plastics, toothpastes, papers, inks, foods and medicines. In sunscreens 
with  a  physical  blocker,  titanium  dioxide  is  used  both  because  of  its  high  refractive  index  and  its 
resistance to discolouration under ultraviolet light. This is because TiO2 is a UV filter, it adsorbs UV light.  
TiO2, particularly in the anatase form, can be employed also as a photocatalyst under UV light. It oxidizes 
water to create hydroxyl (OH) radicals, and it can also oxidize oxygen or organic materials directly. For 
this reason TiO2 is added to confer sterilizing, deodorizing and anti‐fouling properties to paints, cements, 
windows, and tiles. 

Titanium nanoparticles (30‐50nm, often referred to as nano‐TiO2) are at the centre of much attention 
due to their optical and catalytic properties: they retain the ability to adsorb UV light but light scattering 
is dramatically reduced, so that TiO2 goes from appearing white to transparent (a detailed explanation of 
this effect is given in Chapter 4 of Module 1 (“Fundamental nano‐effects”). Nano‐TiO2 is thus suitable 
for  transparent  coatings,  and  for  new  generation  sunscreens,  which  are  characterised  by  a  high 
protective factor but transparent appearance.  The catalytic properties of TiO2 when in a nano‐size are 
also greatly enhanced due to the large surface‐to‐volume ration. This property is increasingly used for 
chemical  catalysis  applications  such  as  photo‐catalytic  purification  of  water  and  air  to  decompose 
organic pollutants (solar photocatalytic remediation). Thin films of TiO2 are used in windows to confer 
self‐cleaning  properties  to  the  glass  (this  of  application  of  nano‐TiO2  nanoparticles  is  reviewed  in  the 
“nanocoatings” section of this document).  

            Another important application of nano‐TiO2 is in organic solar cells, like the Grätzel solar 
            cell,  where  nano‐TiO2  is  used  as  the  catalyst  to  promote  light‐induced  electrical  charge 
            separation. The use of titanium dioxide in this type of solar cells is covered in more detail in 
Chapter 2 “Applications of Nanotechnologies: Environment” of Module 2. 

One  limitation  of  using  TiO2  as  a  photocatalist  is  that  this  material  only  adsorbs  UV  light  which 
represents about 5% of the solar spectrum. In this context, nanotechnology could bring an improvement 
in  the  form  of  nanoparticles  with  surfaces  modified  with  organic  or  inorganic  dyes  to  increase  the 
photoresponse window of TiO2 from UV to visible light.  

    Zinc dioxide 
Zinc oxide (ZnO) has some similar properties to TiO2, i.e., its nanoparticles scatter light so it can be used 
for transparent UV filters, in creams or coatings. Like TiO2 it is used for solar photocatalytic remediation 


                                                       Page 22 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

but compared to TiO2 it has a weaker photocatalytic effect. ZnO also suffers from the same limitation of 
adsorbing only a fraction of the solar spectrum so research is underway to increase its photoresponse.  

A  peculiarity  of  ZnO  is  that  it  has  a  tendency  to  grow  in  self‐organised  nanostructures.  By  controlling 
crystal growth conditions, a variety of crystal shapes are possible. Researchers have been able to grow 
nanoscale  wires,  rods,  rings  etc.  ZnO  nanocolumns  are  of  particular  interest  since  low‐temperature 
photoluminescence  measurements  have  revealed  intense  and  detailed  ultraviolet  light  emission  near 
the optical band gap of ZnO at 3.37 eV. ZnO thus can act as an optical amplification medium and as a 
laser resonator. 

    NANOYOU VIRTUAL GAME: Students can try to synthesise ZnO nanowires through a virtual lab excersise. 
    Details are found at www.nanoyou.eu/virtual‐lab.html 


 

ZnO  wires  arrayed  on  a  surface  are  also  being  investigated  as  piezoelectric  elements  for  miniaturised 
power  sources.  This  would  allow  creating  flexible,  portable  power  sources  that  could  be  included  in 
textiles so that they are able to scavenge energy from body motion, light wind, air flow etc .  

                                                                     Figure  14.  Patterned  ZnO  grown  as  vertical 
                                                                     pillars  in  an  arrayed  format.  (Reprinted  with 
                                                                     permission  from  Xu  et  al.,  Journal  of  American 
                                                                     Chemical  Society  2008,  130,  14958‐14959. 
                                                                     Copyright 2008 American Chemical Society.  

 

                The use of ZnO  for the development of miniaturized power sources is described in details 
                in Chapter 3 of Module 2 “Applications of Nanotechnologies: Energy”. 

                 

 

 

 
                                                       Page 23 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    ITO 
ITO is a semiconducting material whose main feature is the combination of electrical conductivity and 
optical transparency. ITO is made of Indium(III)‐oxide (In2O3) to around 90% and Tin(V)‐oxide (SnO2) to 
around  10%.  It  is  widely  used  in  its  thin‐film  form  as  transparent  electrodes  in  liquid  crystal  displays, 
touch screens, LEDs, thin‐film solar cells, semiconducting sensors etc. ITO is an infrared absorber thus it 
is  now  used  as  a  thermal  insulation  coating  on  window  glass.  Its  anti‐static  properties  make  it 
additionally useful in applications like packaging and storing of electronic equipment. Since the material 
is  very  expensive  alternative  materials,  such  as  fluor  tin  oxides  and  aluminium  zinc  oxides  are 
considered. The use of ITO in “smart coatings” is further discussed in the “Nanocoatings” section of this 
document. 

    Photonic crystals  
A  photonic  crystal  consists  of  a  lattice  of  periodic  dielectric  or  metal‐dielectric  nanostructures  that 
affects  the  propagation  of  electromagnetic  waves.  Essentially,  photonic  crystals  contain  regularly 
repeating internal regions of high and low dielectric constant. Photons (behaving as waves) propagate 
through this structure ‐ or not ‐ depending on their wavelength. The periodicity of the photonic crystal 
structure has to be of the same length‐scale as half the wavelength of the electromagnetic waves, i.e. 
~200 nm (blue) to 350 nm (red) for photonic crystals operating in the visible part of the spectrum. Such 
crystals  have  to  be  artificially  fabricated  by  methods  such  as  electron‐beam  lithography  and  X‐ray 
lithography.  

Photonic crystals exist in Nature. For instance in Chapter 2 of Module 1 “Natural Nanomaterials” it was 
shown how the beautiful blue wings of some butterflies own their colour to their internal nanostructure 
which is in fact a photonic crystal structure. 

                Photonic crystals are now receiving much attention because of their potentials in particular 
                in  the  optical‐communication  industry.  Researches  are  considering  using  light  and 
                photonic  crystals  (in  alternative  to  electrons  travelling  in  wires)  for  the  new  generation 
integrated circuits. Light can travel much faster in a dielectric medium than an electron in a wire, and it 
can  carry  a  larger  amount  of  information  per  second.  Given  the  impact  that  semiconductor  materials 
have  had  on  every  sector  of  society,  photonic  crystals  could  play  an  even  greater  role  in  the  21st 
century.  Photonics  and  their  impact  in  the  ICT  sector  are  analysed  in  Chapter  4  of  Module  2 
(“Application of Nanotechnologies: ICT”) 

                                                       Page 24 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

Ceramic and glassy materials 
Ceramic  materials  by  definition  are  ionically  bound;  they  are  hard  materials,  both  electrically  and 
thermally very stable. In this category are included for instance Al2O3, Si3N4, MgO, SiO2, Na2O, CaO, and 
ZrO2.  Ceramics  are  characterised  by  being  hard  yet  brittle,  therefore  in  many  cases  they  are  used  as 
composites  where  they  are  mixed  with  other  materials  (e.g.,  metals)  to  increase  their  mechanical 
performance. Composite hard nanocoatings are particularly important for cutting tools (see the section 
“Inorganic composites” in this document). 

Ceramic  exist  both  in  a  crystalline  and  non‐crystalline  form  (for  instance  the  broad  family  of  “glass”). 
Nanostructures  within  the  material  have  important  consequences  for  their  properties  as  discussed  in 
the next sessions. 

    Porous alumina 
Porous  alumina  membranes  produced  by  anodic  aluminium  oxidation  are  characterized  by  having 
hexagonally  close‐packed  channels  with  diameters  ranging  from  10nm  to  250  nm  or  grater.    This 
material is often used as a template for the synthesis of other materials.  

    Zeolites 
Zeolites  are  natural  crystalline  materials  with  pores  having  regular  arrangements.  They  are  also  often 
used in the template synthesis of nanomaterial. They can also be used to prepare organized structures 
of a certain material to confer new optical properties to it. For instance, selenium 
can  be  incorporated  in  the  channels  of 
                                                             Figure  15.  A  schematic 
mordenite,  a  natural  zeolite.  The  difference  of  a 
                                                             representation  of  a  zeolite. 
mordenite‐selenium  crystal  compared  to  a 
                                                             (Image  credit:  Wikimedia 
natural  selenium  crystal  is  noteworthy:  the  Commons,  image  for  public 
optical  absorption  spectrum  is  considerably  domain). 
shifted  to  higher  energies  for  the  mordenite‐
selenium crystal. 

 

 

 

                                                       Page 25 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Aerogels 
Silicon  dioxide  (SiO2)  is  the  main  fraction  of  quartz.  It  is  chemically  robust  and 
finds widespread applications.  In commercial products it appears as additive in 
rubber  products  for  vehicle  tires  but  it  is  also  the  component  of  new  types  of 
aerogels. Generally speaking an aerogel is a solid with up to 95% of the volume 
consisting  of  nanoscale  pores.  Aerogels  Figure  16.  The  thermal  insulating 
are  manufactured  with  a  sol‐gel  properties  of  a  silica  aerogel.  (Image 
technique  and  can  be  made  of  carbon,  credit: Wikimedia Commons, image for 
metal oxide, polymers or silicates.                  public domain). 

Due  to  their  high  porosity  aerogels  have  an  extremely  high  surface  area  and  very  low  thermal 
conductivity. Thus they are suitable for thermal insulation and as filter materials (Figure 16). Another 
prominent property is their low specific weight, making them interesting for lightweight construction. 
Aerogels  are  also  interesting  for  their  optical  properties,  namely  high  optical  transparencies.    Silica 
aerogels  are  made  of  pores  of  about  10  nm  arranged  in  distances  between  10  and  100nm.  They  are 
resistant  and  chemically  inert  to  liquid  metals,  heat  resistant  up  to  1200  ºC  and  non‐toxic,  thus  they 
have also biomedical applications, such as substrates for cell growth and analysis. One of the problems 
of  SiO2  aerogels  that  needs  to  be  addressed  is  that  this  material  needs  to  be  costly  protected  against 
humidity, since it is not water resistant and suffers from a loss of stability and thermal conductivity once 
it gets wet. 


Carbon­based materials 
In  Nature  there  are  some  pure  materials  that  have  striking  different  properties  even  though  they  are 
made of the same atoms. For instance, graphite and diamond (Figure 17): two very popular materials, 
one used conventionally in pencils and the other in jewellery. These two materials could not be more 
different: graphite is soft, light, flexible, and conducts electricity while diamond is extremely strong, hard 
and  does  not  conduct  electricity.  Both  materials  are  made  of  atoms  of  carbon  linked  through  strong 
bindings (covalent), but in graphite each carbon uses three out of his four electrons to form single bonds 
with its neighbours, forming a linear sheet, whereas in diamonds each carbon uses all its four electrons 
to form four single bonds, resulting in a 3‐D structure. The different properties of graphite and diamond 
are a consequence of the different way the carbon atoms in the materials are bonded together.  


                                                       Page 26 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 


                                                       Figure 17. Two allotropes of carbon and their respective 
                                                       chemical structure: (left, top and bottom): diamond; right 
                                                       (top and bottom): graphite.(Image credit: Wiki Commons, 
                                                       Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) 

                                                 Graphite and diamond are two pure forms (allotropes) of 
                                                 carbon. In 1985 a new allotrope of carbon was discovered 
                                                 formed  of  60  atoms  of  carbons  linked  together  though 
                                                 single  covalent  bonds  arranged  in  a  highly  symmetrical, 
                                                 closed shell that resembles a soccer ball. This material was 
officially  named  Buckminster  fullerene  and  is  often  referred  to  as  buckyball,  fullerene  or  simply  C60. 
Since its discovery, fullerenes with 70, 80 and even more carbons were discovered.  


                                                                Figure  18.  Eight  allotropes  of  carbon:  (a)  diamond, 
                                                                (b)  graphite,  (c)  lonsdaleite,  (d)  C60,  (e)  C540,  (f) 
                                                                C70,  (g)  amorphous  carbon  and  (h)  a  carbon 
                                                                nanotube.  Image  by  Michael  Ströc,  (GNU  Free 
                                                                Documentation License). 

                                                                 

                                                                In the early 1990s, an incredibly new carbon form 
                                                                was  discovered,  carbon  nanotubes.  These  appear 
                                                                like  graphite  sheets  rolled  up  with  fullerene‐type 
                                                                end  caps,  but  have  totally  different  properties 
                                                                compared  to  graphite.  Figure  18  shows  different 
                                                                forms  of  carbon  allotropes  (image  d  and  h  are 
                                                                structures of a C60 and a nanotube, respectively). 

                                                                 

It  is  now  known  that  fullerenes  and  carbon  nanotubes  form  naturally  in  common  places  like  flames 
(produced  by  burning  methane,  ethylene  and  benzene)  and  in  soot.  Scientists  have  now  developed 
methods to synthesize these nanomaterials with control over their final properties. 

                                                       Page 27 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Carbon nanotubes 
Carbon nanotubes can be as single‐wall nanotubes (SWNTs), with a diameter of approximately 1.4nm, or 
multi‐wall  nanotubes  (MWNTs),  consisting  of  2  to  30  concentric  tubes  with  an  outer  diameter  of  30‐
50nm. The structure of a SWNT can be conceptualized by wrapping a one‐atom‐thick layer of graphite 
called graphene into a cylinder. To complete the nanotube, imagine adding two half fullerenes on each 
end of the nanotube.  

Carbon nanotubes can range in length from a few tens of nanometres to several micrometers, and can 
have  metallic  properties  (comparable  to,  or  even  better  than  copper)  or  can  be  semiconductors  (like 
silicon  in  transistors),  depending  on  their  structure.  These  nanomaterials  are  truly  amazing  and  have 
great potential in numerous fields as illustrated in Figure 19. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


    Figure 19. Overview of application areas of carbon nanotubes. (Reprinted from: M.A.H. Hyder, Master 
    Thesis, Technical University of Hamburg‐Harburg, Germany, Copyright M. A. H. Hyder 2003). 


 

                                                       Page 28 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

                The application of CNTs in the energy, environment, medicine and ICT sectors are covered 
                in the respective application chapters in Module 2. 

                 

    Mechanical properties 
The chemical bonding of nanotubes is composed entirely of sp2 bonds (carbon double bonds), similar to 
those of graphite (whereas in diamonds all bonds are sp3). This bonding structure, which is stronger than 
the  sp3  bonds  found  in  diamonds,  provides  the  molecules  with  their  unique  strength.  Nanotubes 
naturally align themselves into "ropes" held together by Van der Waals forces.  

        Theoretical predictions say that carbon nanotubes are 100 times stronger than steel but have 
        one sixth of its weight. Therefore they are ideal in lightweight construction, for instance for the 
      automotive  and  aviation  industry.  Carbon  nanotubes  are  already  used  in  some  consumer 
products to add strength (without compromising weight) such as tennis rackets.  

The mechanical properties of carbon nanotubes are summarised in the table below. Young modulus (Y) 
is a measure of how stiff, or elastic, a material is. The higher the value is, the less a material deforms 
when a force is applied. The tensile strength describes the maximum force that can be applied per unit 
area before the material snaps or breaks. A third interesting measure of a material is its density, which 
gives an idea of how light a material is. From the table below it can be seen that wood is very light but 
weak, while nanotubes are many times stronger than steel and yet much lighter. 

            Material                       Young´s                        Tensile                        Density 
                                           Modulus (GPa)                  Strenght (GPa)                 (g/cm3) 
            Single‐wall                    800                            >30                            1.8 
            nanotube 
            Multi‐wall                     800                            >30                            2.6 
            nanotube 
            Diamond                        1140                           >20                            3.52 
            Graphite                       8                              0.2                            2.25 
            Steel                          208                            0.4                            7.8 
            Wood                           16                             0.008                          0.6 
Table 1 

                                                       Page 29 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

           Because  of  their  mechanical  properties  carbon  nanotubes  are  very  interesting  as  fillers  in 
           polymeric and inorganic composites. 

 

    Electrical and thermal properties 
The  electrical  properties  of  a  material  are  based  on  the  movement  of  electrons  and  the  spaces  or 
“holes”  they  leave  behind.  These  properties  are  based  on  the  chemical  and  physical  structure  of  the 
material.  In  nanoscale  materials  some  interesting  electrical  properties  appear.  Carbon  nanotubes  are 
the best example of this effect at the nanoscale. If one considers “building” a nanotube by rolling up a 
graphene  sheet,  the  resulting  nanotube  can  be  conductive  (and  indeed,  very  conductive!)  or 
semiconductive with relatively large band gaps. The electrical properties of the nanotube depend on the 
way it was “rolled up” (better known as chirality). If it is rolled up so that its hexagons line up straight 
along the tube’s axis, the nanotube acts as a metal (conductive). If it is rolled up on the diagonal, so the 
hexagons spiral along the axis, it acts as a semiconductor.  

Why  is  it  so?  Graphene  (that  is,  one  layer  of  graphite)  is  not  an  insulator,  but  neither  a  metal  nor  a 
semiconductor; it has electrical properties somehow in between, it is called a “semimetal”. When rolled 
up, it leads to a structure that is either metallic or semiconducting. On the other hand diamond has a 
tetrahedral  structure  (derived  from  the  fact  that  carbons  are  hybridized  sp3  rather  than  sp2  like  in 
graphene) and is insulator. 

One interesting property found in single walled carbon nanotubes (SWCNT) is that electric conductance 
within them is ballistic (which means that all electrons in the conductor go into one end come out of the 
other end without scattering, regardless of how far they need to travel).  

Researchers  are  also  investigating  if  nanotubes  can  be  superconductors  near  room  temperature, 
meaning  ballistic  conductors  that  also  exhibit  a  resistance  of  zero.  A  superconductor  can  transport  an 
enormous amount of current flow at tiny voltages. At present known superconductors work at very low 
temperatures. This field of research is very important since if a material was superconductive at room 
temperature,  it  would  carry  current  with  no  resistance  at  room  temperature,  with  no  energy  lost  as 
heat. This could lead to faster, lower‐power electronics and the ability to carry electricity long distances 
with 100 per cent efficiency.  



                                                       Page 30 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

                Nanotubes  as  superconductors,  and  their  applications,  is  further  discussed  Chapter  3 
                “Applications of Nanotechnologies: Energy” of Module 2. 

In terms of thermal properties, carbon nanotubes dissipate heat better than any other known material 
and are excellent thermal conductors. 

    Chemical reactivity 
Carbon  nanotubes  are  very  stable;  they  can  withstand  the  attack  of  numerous  chemicals  and  resist 
exposure  to  a  large  temperature  range.  However,  their  chemical  structure  can  be  changed  by  the 
addition  of  specific  ligands  with  functional  groups  that  allow  the  interaction  with  different  chemicals. 
This allows using them in sensors.  

    Applications 
Carbon  nanotubes  are  very  promising  materials  for  numerous  applications  (these  will  be  described  in 
more  details  in  Module  2).  Applications  include:  nanomedicine  (drug  deliver),  environment  (chemical 
sensors),  energy  (supercapacitors,  hydrogen  storage  materials,  solar  cells),  ICT  (integrated  circuits, 
electronic paper), advanced materials for construction, transport, sport equipment, and more. 

Scientists have now developed methods to control the synthesis of carbon nanotubes to obtain regular 
structures with specific properties. To date, thought, the synthetic processes lead to moderate amount 
of  CNTs  and,  mostly,  very  limited  length  (on  the  order  of  millimetres).  Often  these  processes  lead  to 
CNTs which are not totally pure (traces of the catalyst used in the synthesis are present in the product) 
and this has been associated with toxicity issues of CNTs. 

The  cost  associated  to  the  production  of  carbon  nanotubes  is  extremely  high.  In  the  future  this  cost 
must be considerably reduced to allow large‐scale production and use of CNTs. 


Composites 
The idea behind nanocomposites is to use building blocks with dimensions in the nanometre range to 
design  and  create  new  materials  with  unprecedented  flexibility  and  improvements  in  their  physical 
properties. This concept is exemplified in many naturally occurring materials, like the bone, which is a 
hierarchical nanocomposite built from ceramic tablets and organic binders (see Chapter 2 of Module 1 
“natural  Nanomaterials”).  When  designing  the  nanocomposite,  scientists  can  chose  constituents  with 

                                                       Page 31 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

different  structures  and  composition  and  hence  properties,  so  that  materials  built  from  them  can  be 
multifunctional.  

As a general definition a nanocomposite is a conventional material reinforced by nanoscale particles or 
nanostructures which are dispersed through the bulk material. The base material itself generally consists 
of non‐nanoscale matrices. Nanocomposite typically  consists of an inorganic (host) solid containing an 
organic component or vice versa or two (or more) inorganic/organic phases in some combinatorial form. 
At least one component must be in the nanosize. In general, nanocomposite materials can demonstrate 
different mechanical, electrical, optical, electrochemical, catalytic, and structural properties which are 
different  from  that  of  the  individual  components.  Apart  from  the  properties  of  the  individual 
components, interfaces in a nanocomposite play an important role in determining the overall properties 
of  the  material.  Due  to  the  high  surface  area  of  nanostructures,  nanocomposites  present  many 
interfaces between the intermixed phases, and often the special properties of the nanocomposite are a 
consequence of the interaction of its phases at interfaces. In comparison, the interfaces in conventional 
composites constitute a much smaller volume fraction of the bulk material.  

In this chapter, nanocomposites are sub‐divided in two main groups: inorganic nanocomposites, which 
are  characterised  by  an  inorganic  matrix  (e.g.,  ceramic)  reinforced  by  nanoscale  particles  or 
nanostructures  of  inorganic  (e.g.,  metal)  or  organic  (e.g.,  carbon‐based)  nature;  and  polymer 
nanocomposites, which are characterised by an organic matrix (e.g., polymer) reinforced by nanoscale 
particles or nanostructures by inorganic (e.g., clay) or organic nature. 

    Inorganic nano composites 
High‐performance ceramics are sought in many applications, like highly efficient gas turbines, aerospace 
materials, automobiles etc. The field of ceramics that focuses on improving their mechanical properties 
is referred to as structural ceramics.  

Nanocomposite technology is also applicable to functional ceramics such as ferroelectric, piezoelectric, 
varistor and ion‐conducting materials. In this case the properties of these nanocomposites relate to the 
dynamic behaviour of ionic and electronic species in electro‐ceramic materials. Among these materials 
here we limit the review to nanocomposite with enhanced magnetic properties. 

 

 
                                                       Page 32 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

    Structural nanocomposites 
Presently  even  the  best  processed  ceramics  pose  many  unsolved  problems  such  as  poor  resistance  to 
creep, fatigue and thermal shock; degradation of mechanical properties at high temperatures; and low 
fracture  toughness  and  strength.  To  solve  these  problems  one  approach  has  been  incorporating  a 
second phase such as particulates, platelets, whiskers, and fibres in the micron‐size range at the matrix 
grain boundaries. However, the results obtained with these methods have been generally disappointing. 
Recently, the concept of nanocomposites have been considered, where nanometre‐size second phase 
dispersions are inserted into ceramic matrices. Large improvements in both the fracture toughness and 
the strength of a ceramic can often be achieved with nanometre‐range particles embedded in a matrix 
of  larger  grains  at  their  grain  boundaries.  These  can  involve  the  incorporation  of  a  nano‐ceramic  in  a 
bulk  ceramic,  a  nano‐metal  in  a  ceramic,  or  a  nano‐ceramic  in  a  metal.  Another  possibility  is  the 
incorporation  of  a  polymer  in  a  ceramic.  Without  going  too  much  into  the  details,  we  list  here  some 
examples of inorganic nanocomposites that have improved structural properties: 

           The incorporation of fine SiC and Si3N4 nanoparticles in an alumina matrix (Al2O3, a structural 
           ceramic material) first demonstrated the concept of structural nanocomposites. The dispersion 
           of these particles have shown to improve the fracture toughness from 3 to 4.8 MPa m1/2 and 
           the strength from 350 to 1050 MPa at only 5 vol. % additions of SiC. 

           One possibility for the fabrication of advanced structural ceramics is the dispersion of metallic 
           second‐phase  particles  into  ceramics  which  improves  their  mechanical  properties,  such  as 
           fracture  toughness, and influences other properties including magnetic and  optical properties. 
           Nanomposites  of  this  type  are  Al2O3/W  or  MgO/Fe.  Granular  films  can  also  be  made  with  a 
           ceramic phase embedded  with nanosize metal granules (such as Fe/Al2O3, Fe/SiO2). Such films 
           often show unusual or enhanced transport, optical and magnetic properties. The inclusion of 
           nanosized metals in a thin ceramic film can transform it from an insulator to a conductive film. 

          Another  possibility  is  to  add  fine,  rigid  ceramic  reinforcements  to  a  ductile  metal  or  alloy 
          matrix (called metal matrix composites, or MMC). The reinforcement can be either in the form 
          of  particles  (e.g.,  silicon  carbide,  aluminium  oxide),  fibres  (e.g.,  silicon  oxide,  carbon)  or  a 
          mixture  of  both  (hybrid  reinforcement).  Materials  produced  with  this  method  are  particularly 
          useful in the aerospace, automotive and aircraft industry. The advantage of MMCs is that they 
          combine  metallic  properties  (ductility  and  toughness)  with  ceramic  characteristics  (high 
          strength and modulus), leading to materials having greater strength to shear and compression 
                                                       Page 33 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

           and to higher working temperature capabilities. The properties of MMCs are controlled by the 
           size  and  volume  fraction  of  the  reinforcements  as  well  as  by  the  nature  of  the 
           matrix/reinforcement  interface.  The  attention  is  now  oriented  towards  the  incorporation  of 
           nanoparticles  and  nanotubes  for  structural  applications,  since  these  materials  exhibit  even 
           greater improvements in the physical, mechanical and tribological properties compared to MMC 
           with micron‐size reinforcements. 

           Nanoscale ceramic powders with carbon nanotubes provide another method for creating dense 
           ceramic‐matrix  composites  with  enhanced  mechanical  properties.  For  instance  hot  pressed  α‐
           alumina  with  mixed  carbon  nanotubes  results  in  lightweight  composites  with  enhanced 
           strength  and  fracture  toughness  compared  to  polycrystalline  alumina.  The  processing 
           conditions greatly influence the properties of this material, though. In metal matrix composites 
           (MMC)  the  incorporation  of  carbon  nanotubes  is  considered  very  promising  since  these 
           materials  have  higher  strength,  stiffness  and  electrical  conductivity  compared  to  conventional 
           metals.  

    Nanocomposites with enhanced magnetic properties 
Materials with outstanding magnet properties are of high demand as these are employed in nearly all 
important  technical  fields,  e.g.,  electrical  power,  mechanical  power,  high‐power  electromotors, 
miniature motors, computer elements, magnetic high density recording, telecommunication, navigation, 
aviation  and  space  operations,  medicine,  sensor  techniques,  magnetic  refrigeration,  materials  testing 
and  household  applications.  Recent  developments  in  the  field  of  magnetic  materials  have  involved 
materials with a nanocrystalline structure or, in the case of thin‐films, layers of nanometre thickness.  

Nanostructuring of bulk magnetic materials leads to soft or hard magnets with improved properties.  

An  example  is  the  “Finemet”  nanocrystalline  soft  magnetic  alloys,  which  consist  of  melt‐spun  Fe‐Si‐B 
alloys containing small amounts of Nb and Cu. When annealing at temperatures above the crystallization 
temperature,  the  Fe‐Si‐B‐Nb‐Cu  amorphous  phase  transforms  to  a  crystalline  solid  with  grain  sized  of 
about  10nm.  These  alloys  have  excellent  magnetic  induction  and  large  permeability,  and  a  very  small 
coercive field.  

Nanosized magnetic powders can have extreme properties and have no hysteresis at any temperature. 
These  materials  are  called  superparamagnetic  and  one  example  is  nanosized  powders  of  a  Ni‐Fe‐Co 
alloy. 
                                                       Page 34 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

Nanostructuring  has  also  been  studied  in  the  context  of  hard  magnets  (permanent  magnets).  The 
strongest  known  magnets  are  made  of  neodymium  (Nd),  iron  and  boron  (e.g.,  Nd2Fe14B).  In  these 
materials  is  has  been  found  that  the  coercive  field  decreases  significantly  below  ~40  nm  and  the 
remnant magnetization increases. Another approach to improve the magnetization curve of permanent 
magnets  has  been  to  make  nanocomposites  made  of  hard  magnetic  phases,  such  as  Nd2Fe14B  and 
Sm2Fe17N3, within soft magnetic matrices (e.g., soft α‐phase of iron). The effect of the inclusion of a soft 
iron mixed in with a hard material is to increase the remnant field.  

The  size  of  the  grain  size  of  the  material  also  influences  the  magnetization  saturation  point.  For 
instance the magnetization of ferrite increases significantly below a grain size of 20nm. Thus reducing 
the  size  of  the  grains  in  the  magnet  increases  the  energy  product  (which  is  the  product  of 
magnetization and coercivity). The coercivity also increases with decreasing the grain sizes. In the case 
of  nanocomposite  magnetic  films  this  is  true  if  the  grains  are  isolated  (no  interaction),  but  when  the 
grains start contacting and exchange interaction kicks in, the coercivity falls rapidly with grain size. The 
coercivity  is  thus  highest  at  percolation,  when  the  grains  just  start  touching  each  other.  This  effect  is 
important in the context of designing thin film nanocomposites (magnetic multilayer nanocomposites) 
for instance for high magnetic density recording. 

              Magnetic  multilayer  nanocomposites  are  becoming  an  essential  component  of  the  new 
              generation data storage devices like Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM). 
              This  and  other  nanostructured  devices  made  of  nanomagnets  with  application  in  the  ICT 
sector are discussed in Chapter 4 of Module 2 (“Applications of Nanotechnologies: ICT”). 

    Polymer Nanocomposites  
Polymer composites are materials where a polymer is filled with an inorganic synthetic and/or natural 
compound  in  order  to  increase  several  properties,  like  heat  resistance  or  mechanical  strength,  or  to 
decrease  other  properties,  like  electrical  conductivity  or  permeability  for  gases  like  oxygen  or  water 
vapour.  Materials  with  synergistic  properties  are  used  to  prepare  composites  with  tailored 
characteristics; for instance high‐modulus but brittle carbon fibres are added to low‐modulus polymers 
to  create  a  stiff,  light‐weight  polymer  composite  with  some  degree  of  toughness.  Current  polymer 
composites are really filled polymers, since these materials lack an intense interaction at the interface 
between the two mixed partners. Progress in this field has involved moving from macro scale fillers, to 
micron‐scale fillers, to even smaller fillers.  

                                                       Page 35 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

In  recent  years  scientists  have  started  to  explore  a  new  approach  to  the  production  of  polymer 
composites  with  the  use  of  nanoscale  fillers,  in  which  the  filler  is  below  100nm  in  at  least  one 
dimension.  Nanoscale  fillers  include:  nanoparticles; 
nanotubes;  and  layered  (also  called  “plate‐like”)  Figure  20.  Schematic  of  nanoscale  fillers.  make 
inorganic materials such as clays (Figure 20).                own  copy.  (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO, 
                                                                    Aarhus  University,  Creative  Commons  Attribution 
                                                                    ShareAlike 3.0). 

                                                                    

                                                                    

                                                                     

Although some nanofilled composites have been used for more then a century, such as carbon black 
and fumed silica filled polymers, only recently researchers have started  to systematically produce and 
study those materials. The motivation has been the realization of the exceptional combined properties 
that have been observed in some polymer nanocomposites. This, together with substantial development 
in the chemical processing of nanoparticles and in the in situ processing of nanocomposites has led to 
unprecedented control over the morphology of these materials.  

One  of  the  most  common  reasons  for  adding  fillers  to  polymers  is  to  improve  their  mechanical 
performance. In traditional composites this often compromises the ductility of the polymer and in some 
cases  impacts  negatively  its  strength,  because  of  stress  concentration  caused  by  the  fillers.  Well 
dispersed  nanofillers,  such  as  nanoparticles  or  nanotubes,  can  improve  the  modulus  and  the  strength 
and  maintain  (or  even  improve)  ductility  because  their  small  size  does  not  create  large  stress 
concentration. For all nanofillers, a key requirement is the homogeneous dispersion of the filler within 
the polymer matrix. As it will be discussed in the next sessions, this is a challenge in many cases, and a 
topic of intense research.  

Although the scientific community has made remarkable progress in this field in the last years, polymer 
nanocomposites  have  just  started  to  be  explored,  and  many  research  question  still  need  to  be 
addressed. What is clear so far is that the use of nanoscale fillers opens the doors for the development 
of  materials  with  exceptional  properties.  For  instance,  nanoparticles  do  not  scatter  light  significantly, 
thus  it  is  possible  to  make  polymer  composites  with  altered  electrical  or  mechanical  properties  that 
remain  optically  clear.  Nanoparticles  are  also  of  interest  not  just  for  their  small  size,  but  for  their 
                                                       Page 36 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

inherent  unique  properties.  Carbon  nanotubes  for  instance  display  the  so  far  highest  values  of  elastic 
modulus, as high as 1 TPa, and strengths that can be as high as 500 GPa. This could allow for instance 
the fabrication of polymeric composites with exceptional strength and flexibility.  

Another  outstanding  property  that  the  use  of  nanoscale  fillers  confers  to  the  nanocomposites  is  an 
exceptionally large interfacial area. The increase of surface area below 100nm is dramatic. The interface 
controls  the  degree  of  interaction  between  the  filler  and  the  polymer,  and  is  thus  responsible  for  the 
composite  properties.  Thus  the  largest  challenge  in  nanocomposite  science  is  learning  to  control  the 
interface.  

Nanoscale  fillers  can  potentially  allow  creating  a  vast  variety  of  different  polymeric  materials  with 
advanced properties. In general macroscopic reinforcement elements have the limitation of containing 
always  imperfections,  but  as  the  reinforcements  become  smaller  and  smaller,  structural  perfection 
could  be  reached.  The  ideal  reinforcements  would  have  atomic  or  molecular  dimensions  and  be 
intimately connected with the polymer. The use of nanoscale fillers, though, also introduces a series of 
fabrication  challenges.  Because  of  their  small  size  and  high  surface  area,  nanoscale  fillers  such  as 
nanoparticles have a strong tendency to agglomerate rather to disperse homogeneously in a matrix. This 
leads to particle‐matrix mixtures with high viscosities, which can make the processing of those materials 
quite  challenging.  The  result  is  that  even  the  most  exciting  polymer  nanocomposites  have  very  low 
fractions  of  particle  content,  and  relatively  weak  mechanical  properties  when  compared  with  those 
predicted in theory. Therefore polymer nanocomposites are a type of exciting advanced materials that 
hold great promise in many application, but which are still mainly in a development stage. The intense 
research efforts in this area though suggest that these materials will become more readily accessible in 
the near future. 

    Nanoparticle­ polymer nanocomposites 
Nanoparticles  are  a  type  of  nanofillers  that  offer  the  opportunity  to  develop  polymers  with  new  or 
advanced properties. As discussed before the size of a nanoparticle affects its properties; for instance Au 
nanoparticles  have  different  optical  absorption  spectrum  depending  on  the  particle  size.  One  of  the 
advantages of using nanoparticles in polymer composites is that the particle size and distribution can be 
tuned.  Materials  that  cannot  be  grown  easily  as  single  crystals  can  be  used  at  the  nanoscale  and 
dispersed in a polymer to take advantage of the single‐crystal properties.  



                                                       Page 37 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

In  general,  nanoparticle‐filled  polymer  display  better  mechanical  properties,  at  least  at  low  volume 
fractions and if well dispersed in the polymer. The reason is that nanoparticles are much smaller than 
the critical crack size for polymers and thus don’t initiate failure. Thus nanoparticles provide a way for 
simultaneously  toughening  and  strengthening  polymers.  Proper  dispersion  is  critical,  though,  for 
achieving this.  

The  size  scale  of  nanoparticle/polymer  composites  ranges  from  hybrid  nanocomposites,  in  which  the 
polymer matrix and the filler are so intimately mixed that they are no longer truly distinct, to discrete 
particles in a continuous matrix.  Hybrid nanocomposites often arise by the use of block copolymers, and 
this is discussed in a separate section of this chapter (see the section “Polymers”). 

In  terms  of  properties,  the  use  of  nanoparticle  in  filling  polymers  not  only  can  influence  the  polymer 
mechanical  properties,  but  also  the  polymer  mobility  and  relaxation  behaviour,  which  in  turn  are 
connected with the glass transition temperature of the polymer (Tg), that is, the temperature at which a 
polymer  becomes  brittle  on  cooling  or  soft  on  heating.  In  general,  adding  well  dispersed,  exfoliated 
nanofiller  increases  the  Tg  of  the  polymer.  Nanoparticle‐filled  polymers  show  also  an  increase  in  the 
abrasion resistance of the composite.  

One  of  the  most  exciting  opportunities  of  using  nanoparticles  in  polymer  composites  is  to  create 
composites  with  combined  functionalities,  such  as  electrically  conducting  composites  with  good  wear 
properties that are optically clear. This is possible since nanoparticles do not scatter light.                           

    Carbon nanotubes in polymer composites 
Carbon nanotubes have very distinct properties compared to graphite, as summarized in Table 1 (page 
29). In the context of nanocomposites, SWNT are the most promising nanotube fillers. Some properties 
are particularly interesting, in particular their flexibility under mechanical stress, their behaviour under 
high temperature conditions and their electrical properties. As with other applications that make use of 
carbon nanotubes, in composites it has been observed that the processing conditions ultimately affect 
nanotubes  properties,  and  as  a  consequence  the  composite,  as  well  as  the  nanotubes  purity.  Carbon 
nanotubes  can  also  be  doped,  for  instance  with  nitrogen  and  boron,  which  changes  their  surface 
reactivity. For instance nitrogen atoms inserted in the lattice of nanotubes makes them more dispersed 
is  solution  (carbon  nanotubes  are  insoluble  in  water).  Modified  nanotubes  present  different  electrical 
and optical properties and hence their use could lead to composites with novel properties. 


                                                       Page 38 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

It should be noted that the inclusion of carbon nanotubes in a polymer does not necessarily improve 
its  mechanical  properties.  Although  in  theory  the  modulus  of  nanotubes  is  much  higher  then  any 
graphite fibre, and hence of the composite should have outstanding mechanical properties, it has been 
demonstrated that a number variables influence this outcome. For SWNT composites, the SWNT are in a 
bundle;  until  SWNT  are  isolated  from  the  bundles  or  the  bundles  are  crosslinked,  the  modulus  of 
composites made from these materials will be limited. For this reason researchers are concentrating on 
developing  processing  methods  that  allow  obtaining  significant  volume  fractions  of  exfoliated 
nanotubes.  As  it  will  be  also  discussed  later  for  clay‐polymer  nanocomposites,  the  structural 
arrangement  of  the  nanofiller  within  the  polymer  is  also  important:  if  the  nanotubes  are  not  straight 
when placed in the composite, then the modulus of the composite significantly decreases. 

Apart  from  mechanical  enhancement  of  polymers,  nanotubes  are  also  of  interest  for  their  electrical 
properties.  Carbon  nanotubes  are  inherently  more  conductive  then  graphite.  It  has  been  found  for 
instance  that  nanotube/PPV  composites  show  large  increase  in  electrical  conductivity  compared  to 
simple PPV, of nearly 8 orders of magnitude. Recently an improvement of 4.5 orders of magnitude in the 
electrical conductivity of nanotube/PVA  nanocomposites has been reported. 

Finally,  nanotube/polymer  composites  are  promising  in  the  context  of  light‐emitting  devices.  These 
devices were developed after the discovery of electroluminescence from conjugated polymer materials 
(such as PPV). The practical advantages of polymer‐based LEDs are low cost, low operating voltage, ease 
of fabrication and flexibility. Small loadings of nanotubes in these polymer systems are used to tune the 
colour of emitted light from organic LEDs.  

    Polymer­clay nanocomposites 
In the late 1980s it was discovered that adding 5% in weight of nano‐sized clays to Nylon 6, a synthetic 
polymer,  greatly  increased  its  mechanical  and  thermal  properties.  Since  then,  polymer‐clay 
nanocomposites have been widely studied and many commercial products are available. These hybrid 
materials are made of organic polymer matrices and clay fillers. Clays are a type of layered silicates that 
are characterized by a fine 2D crystal structure; among these, mica has been the most studied. Mica is 
made  up  of  large  sheets  of  silicate  held  together  by  relatively  strong  bonds.  Smectic  clays,  such  as 
montmorillonite, have relatively weak bonds between layers. Each layer consists of two sheets of silica 
held  together  by  cations  such  as  Li+,  Na+,  K+  and  Ca2+.  The  presence  of  the  cations  is  necessary  for 
compensating  the  overall  negative  charge  of  the  single  layers.  The  layers  are  20‐200  nm  in  diameter 
laterally  and  come  into  aggregates  called  tactoids,  which  can  be  about  1  nm  or  more  thick.  Naturally 
                                                       Page 39 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

occurring clays include montmorillonite (MMT), hecrite, and heir synthetic equivalents are saponite and 
laponite, respectively.  

For these layered silicates to be useful as filler in nanocomposites, the layers must be separated, and 
the  clay  throughout  mixed  in  the  polymer  matrix.  This  is  not  trivial  as  silicate  clays  are  inherently 
hydrophilic,  whereas  polymers  tend  to  be  hydrophobic.  The  solution  is  to  exchange  the  cations  that 
keep  together  the  layers  in  the  silicate  with  larger  inorganic  ions  that  can  thus  open  the  galleries 
between  the  layers  (intercalation).  When  the  silicate  layers  get  completely  separated,  the  material  is 
called exfoliated. In the case of intercalation, extended polymer chains are present between clay layers, 
resulting  in  a  multilayer  structure  with  alternated  polymer/clay  phases  at  repeated  distances  of  few 
nanometres;  in  the  exfoliated  state  the  silicate  layers  are  totally  separated  and  dispersed  in  a 
continuous polymer matrix. Those two states are schematized in Figure 21.   


    Figure 21. Principle of formation of clay monolayer 
    containing  nanocomposites  with  enhanced 
    mechanical  and  barrier  properties.  (Reprinted  with 
    permission  from:  Weiss,  J.;  Takhistov,  P.; 
    McClements,  D.  J.,  “Functional  Materials  in  Food 
    Nanotechnology”.  In  Journal  of  Food  Science  2006; 
    Vol.  71,  pp  R107‐R116.  Copyright  2006  Wiley‐
    Blackwell). 
 

 

As  mentioned  before,  the  fabrication  of  a  polymer‐clay  nanocomposite  requires  mixing  two 
components that are intrinsically non‐compatible. Surfactants are ionic, and thus interact well with the 
clay, but not with the polymer. An ideal solution is the use of “macro‐surfactants” like block copolymers 
combining  hydrophilic  and  hydrophobic  blocks  that  can  interact  with  the  clay  and  the  polymer, 
respectively. For instance poly(ethylene oxide), or PEO, is an excellent intercalation material.  

Although  homogenous  dispersion  of  the  filler  in  the  polymer  is  an  important  parameter,  another 
important aspect is the packing (or alignment) of the filler in the polymer. To understand this concept it 
is  useful  to  consider  a  natural  nanocomposite,  bone.  The  unique  properties  of  bone  are  a  list  of 

                                                       Page 40 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

apparent contradictions: Rigid, but flexible; lightweight, but solid enough to support tissue; mechanically 
strong,  but  porous.  In  order  to  meet  these  different  demands,  bone  has  a  hierarchical  structure  that 
extends  from  the  nanoscale  to  the  macroscopic  length  scale.  The  hierarchical  structure  of  bone  is 
responsible for its load transfer ability (see Chapter 2 of Module 1 “Natural Nanomaterials” for details 
on the structure of bone). Nanoparticle‐filled polymer composites have mechanical properties that are 
actually disappointing compared to theoretical predictions, and this is due to the difficulty in obtaining 
well‐dispersed large volume fractions of the reinforcing nanomaterial and a lack of structural control. 
Taking this into consideration, recently some scientists have reported the fabrication of ultrastrong and 
stiff layered polymer nanocomposites. In this work bottom‐up assembly of clay/polymer nanocomposite 
allowed  the  preparation  of  a  homogeneous,  transparent  material,  where  the  clay  nanosheets  are 
oriented plenary. It was found that the stiffness and tensile strength of these multilayer nanocomposites 
are one order of magnitude grater then those of analogous nanocomposites. 

Nanocalys  are  used  as  fillers  in  polymers  also  to  increase  the  thermal  stability  of  polymers.  This 
property  was  first  demonstrated  in  the  late  1960s  for  montmorillonite/PMMA  composites.  The 
dispersion  of  the  clays  is  critical  to  increasing  the  thermal  stability  (that  is,  increase  the  degradation 
temperature) of the polymer.  

In addition to thermal stability, the flammability properties of many clay/polymer nanocomposites are 
also improved. Combining traditional flame retardants with intercalated or, better, exfoliated clays can 
result in further improvements in flame retardance. 

Finally, polysaccharide/clay nanocomposites are a class of materials that are important especially for the 
food  industry.  These  composite  make  use  of  naturally  occurring  polymers,  such  as  starch,  mixed  with 
clay to make biopolymer film with enhanced properties, particularly permeability to water vapour. 


Nanocoatings 
Nanocoatings are a type of nanocomposites.  The layer thickness of a nanocoating is usually in the 1‐100 
nm range. Nanocomposite films include multilayer thin‐films, in which the phases are separated along 
the  thickness  of  the  film,  or  granular  films,  in  which  the  different  phases  are  distributed  within  each 
plane of the film (Figure 22).  




                                                       Page 41 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 


                                                                        Figure 22. Schematic of possible structures for 
                                                                        nanostructured  coatings.  (Left)  multilayeres 
                                                                        microstructure        (e.g.,     TiN/TiC)        for 
                                                                        nanocomposite             coatings;          (right) 
                                                                        homogeneous  nanostructured  coating  (e.g., 
                                                                        NiCoCrAlY  alloy).  (Image  credit:  L.  Filipponi, 
                                                                        iNANO, Aarhus University, Creative Commons 
                                                                        Attribution ShareAlike 3.0). 
 

Nanocoatings  allow  to  change  properties  of  some  materials,  for  instance  change  the  transmission  of 
visible  and  IR  radiation  in  glass,  or  to  introduce  new  properties  such  as  “self‐cleaning”  effects.  In  this 
document  this  first  type  of  nanocoating  will  be  discussed  under  the  umbrella  term  “responsive 
nanocoatings”. 

Another important area of application of nanocoatings is tribological coatings. Tribology is the science 
and  technology  of  interacting  surfaces  in  relative  motion.  Tribological  properties  include  friction, 
lubrication  and  wear.  Tribological  coatings  are  those  coatings  that  are  applied  to  the  surface  of  a 
component in order to control its friction and wear. In this area the term “thin films” is often employed 
in alternative of nanocoatings due to the fact that it is an area of innovation that started years ago and 
has now reached the nanoscale.   

    Tribological nanocoatings 
Tribological coatings play a key role in the performance of internal mechanical components of a vehicle, 
such  as  the  engine  and  power  train.  They  are  also  key  elements  in  cutting  tools  and  machinery  in 
general. By reducing wear and friction these coatings increase the lifetime of the working material while 
also reducing the dissipation of energy as heat, thus increasing the efficiency of the moving part. When 
applied to machinery and tools, tribological coatings can reduce (or eliminate) the need for lubricants, 
increase  cutting  speed,  increase  the  rate  of  material  removal,  reduce  maintenance  costs  or  reduce 
processing cycle times.   

Traditional  materials  used  in  coatings  for  tribological  applications  are  carbides,  cemented  carbides, 
metal ceramic oxides, nitrides and carbon‐based coatings. Since the microstructure controls many of the 
physical  properties  of  the  coating,  having  a  nano‐scaled  microstructure  may  lead  to  significant 
improvements  of  the  coatings´  mechanical  (e.g.,  hardness),  chemical  (e.g.,  corrosion  resistance)  and 
                                                       Page 42 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

electrical  properties.  Thus  nanocomposite  coatings  are  presently  investigated  in  alternative  to  the 
traditional approach of using specific alloying elements in single‐phase coating materials to improve, for 
instance, properties such as hardness. One type of nanocomposite coatings are multilayered thin‐films 
made of different layers in the orders on nanometres. These films are usually used for their enhanced 
hardness  and  elastic  moduli,  which  is  higher  in  multilayered  films  than  in  homogeneous  thin  films  of 
either component, and wear properties. Commercial multilayer coatings made with multilayer periods in 
the  nanoscale  range  already  exist,  such  as  WC/C  coatings  used  in  the  cutting  tool  industry.  Other 
examples  are  films  of  alternating  layers  of  TiN  and  NbN,  or  TiAlN/CrN  multilayers  which  are  more 
efficient than TiAlN films. 

    Responsive nanocoatings 
Responsive  nanocoatings  are  those  where  the  properties  of  the  material  in  the  coating  react  to 
environment conditions, such as light or heat, either in a passive or an active way. These coatings allow 
changing the properties of some materials, such as glass, by conferring new or improved properties. 

The use of glass in modern building is very common, since it allows the construction of transparent and 
seemingly  lightweight  structures.  However  the  relative  high  transmittance  of  visible  and  infrared  (IR) 
light is a major disadvantage, since this leads to a large heat transfer which is particularly undesirable in 
summer.  The  problem  is  reversed  in  winter,  when  heat  is  dispersed  through  the  glass.  In  order  to 
address  these  problems  various  types  of  nano‐coatings  that  modulate  light  transmission  in  glass  are 
under  investigation  and  commercialised.  The  aim  is  to  reduce  indoor  heating  in  summer,  so  less  air‐
conditioning is required to keep the ambient cool, with consequent energy saving. One type of coating is 
referred to as “low‐e” meaning “low emissivity”, which is based on a thin silver film, about 10nm thick, 
surrounded by dielectric layers. Metallic layers have been widely used to increase the reflectivity of light 
(and reduce transmittance) for years, but they have the disadvantage of giving a mirror‐like appearance. 
Silver looses its metallic appearance when scaled to a nano‐film therefore eliminating this problem. Such 
a coating is commercialised by Von Ardenne.  

“Low‐e”  coatings  are  a  type  of  passive  nano‐coatings,  since  the  properties  of  the  layers  are 
unperturbed during its operation. Another class of coatings used in glasses are those often indicated as 
dynamic  or  “smart  coatings”.  In  this  case  the  environmental  conditions,  such  as  radiation  intensity  or 
temperature, induce a change in the properties of the coating (e.g., darkening of windows). When the 
effect  is  a  change  in  the  colour  (meaning  also  transparency)  they  are  called  “chromogenic  smart 
materials”. The change can be induced actively, by pressing a button. This is the case of electrochromic 
                                                       Page 43 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 
 

 

 

                                 NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5 

coatings  where  applying  a  small  voltage  induces  a  change  in  transmittance,  and  in  the  case  of 
gaschromic  coatings,  which  change  their  transmittance  at  the  presence  of  specific  gases.  Gaschromic 
glazing makes use of the properties of tungsten oxide thin films (WO3) which go from colourless to blue 
in the presence of hydrogen with a suitable catalyst. Gaschromic windows follow a double pan model: 
on one pane a film of WO3 is deposited with a thin layer of catalysts on top. Hydrogen gas is fed into the 
gap  producing  coloration  (windows  colour  with  1.1‐10  %  hydrogen  which  is  below  the  flammability 
concentration).  To  switch  the  colour  of  the  window  back,  another  gas  is  purged  in  (oxygen).  Smart 
coatings can also be passive in the sense of changing their optical properties due to a change of external 
temperature  (thermochromic) or light  incidence (photochromic). Another example of nanotechnology 
applied  to  smart  coatings  is  the  use  of  a  family  of  wavelength‐selective  films  for  manufacturing  ‘heat 
mirrors’. One of these materials is indium‐tin‐oxide (ITO), an infrared absorber. A 300 nm ITO coating on 
glass  provides  more  then  80%  transmission  for  the  wavelengths  predominant  in  sunlight.  The 
transmission  properties  of  the  window  can  be  varied  by  changing  the  thickness  and  material 
composition of the coating, so that a combination of materials could be used to produce smart windows 
that reflect solar energy in summer but transmit solar energy in winter.   

    Self­cleaning surfaces 
Another  example  of  functional  nanocoating  is  photocatalytic  coatings  (commercialised  as  “self‐
cleaning”  glass)  which  use  the  catalytic  properties  of  titanium  dioxide  (TiO2).  Pilkington  Activ™  Self 
Cleaning Glass is a commercial example of a glass with a photocatalytic coating that renders the material 
easier  to  clean.  Superhydrophobic  coatings  have  surfaces  that  mimic  the  one  found  in  the  Lotus  leaf 
(see  Chapter  2  “Natural  Nanomaterials”  for  details)  and  are  developed  for  many  applications  that 
require resistance to dirt and easiness in cleaning. Both materials are covered in Chapter 2 of Module 2 
“Application of nanotechnologies: Environment”. 

 

 

 




                                                       Page 44 of 44 

    The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme 
                                        (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433 

 

More Related Content

PPT
Polymer Nanocomposite
PPTX
Nanocomposites materials
PPTX
Metal matrix Nanocomposite
PPTX
Introduction to nanoscience and nanomaterials in nature
PDF
Nanoscience in nature
PPTX
Polymer nanocomposites, nanofillers and their applications
PPTX
Nano materials
PPTX
Aerospace 4
Polymer Nanocomposite
Nanocomposites materials
Metal matrix Nanocomposite
Introduction to nanoscience and nanomaterials in nature
Nanoscience in nature
Polymer nanocomposites, nanofillers and their applications
Nano materials
Aerospace 4

What's hot (20)

PPTX
Synthesis and characterization of nanocomposites
PDF
ZnO-Nanostructures_Presentation
PPTX
Introduction to Nano-materials
PDF
Nanomaterials
PPT
Lecture 3 Properties of Nanomaterial- Surface to Volume Ratio.ppt
PDF
INTRODUCTION TO NANOMATERIALS - by A. Alagarasi
PPTX
Nano composite and nano grain
PPTX
Graphene by ISMAIL ALSARHI
PPTX
Electrochemical synthesis of nanoparticles
PDF
Applications of nanomaterials by dr.ck
PPTX
Nanophysics lec (1)
PPTX
Graphene ppt
PPT
nanotechnology
PPTX
Properties of nanoparticles
PPTX
Composites of nano zincoxide for efficientphotocatalytic activity
PPTX
Polymer nanocomposite
PPTX
nano technology in civil engineering
PPT
Unique Properties At The Nanoscale
PPT
Nanomaterials
Synthesis and characterization of nanocomposites
ZnO-Nanostructures_Presentation
Introduction to Nano-materials
Nanomaterials
Lecture 3 Properties of Nanomaterial- Surface to Volume Ratio.ppt
INTRODUCTION TO NANOMATERIALS - by A. Alagarasi
Nano composite and nano grain
Graphene by ISMAIL ALSARHI
Electrochemical synthesis of nanoparticles
Applications of nanomaterials by dr.ck
Nanophysics lec (1)
Graphene ppt
nanotechnology
Properties of nanoparticles
Composites of nano zincoxide for efficientphotocatalytic activity
Polymer nanocomposite
nano technology in civil engineering
Unique Properties At The Nanoscale
Nanomaterials
Ad

Viewers also liked (6)

PDF
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
PDF
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
PDF
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
PDF
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
PDF
Introduction to nanoscience and nanotechnologies
PPTX
Carbon nanotubes ppt
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 14-18)
Fundamental "Nano-effects" - Nanoscience and nanotechnologies
History of nanotechnologies - Nanoscience and nanotechnologies
Fabrication methods - Nanoscience and nanotechnologies
Introduction to nanoscience and nanotechnologies
Carbon nanotubes ppt
Ad

Similar to Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies (20)

PDF
Application of nanotechnologies: environment
PDF
Application of nanotechnologies: energy
PDF
Application of nanotechnologies: ICT
PDF
City poland _15_mw_[revisionii][proj]
PDF
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcare
PDF
Solar energy market overview nov 25 2011_eng_final
PDF
2008 Annual Report Wasso Hospital, Ngorongoro, Tanzania
PDF
Psy 6100 course procedures summer 2011
DOC
Mock exam 2 nd bachillerato unit 3
PDF
رسالة في قانون العلم.pdf
PDF
رسالة في قانون العلم.pdf
PDF
Otorhinolaryngology sample
PDF
Zurich Commercial Property PDS (Product Disclosure Statement / Policy Wording)
PDF
Zurich Business Pack PDS
PDF
سيد الحرية الحمراء.pdf
PDF
A Farmer's Guide to Organic Fruit and Vegetable ~ Wales, United Kingdom
PDF
A Farmer’s Guide to Organic Fruit and Vegetable
PDF
perl_tk_tutorial
PDF
perl_tk_tutorial
PDF
بطلان الدولة المدنية.pdf
Application of nanotechnologies: environment
Application of nanotechnologies: energy
Application of nanotechnologies: ICT
City poland _15_mw_[revisionii][proj]
Application of nanotechnologies: Medicine and healthcare
Solar energy market overview nov 25 2011_eng_final
2008 Annual Report Wasso Hospital, Ngorongoro, Tanzania
Psy 6100 course procedures summer 2011
Mock exam 2 nd bachillerato unit 3
رسالة في قانون العلم.pdf
رسالة في قانون العلم.pdf
Otorhinolaryngology sample
Zurich Commercial Property PDS (Product Disclosure Statement / Policy Wording)
Zurich Business Pack PDS
سيد الحرية الحمراء.pdf
A Farmer's Guide to Organic Fruit and Vegetable ~ Wales, United Kingdom
A Farmer’s Guide to Organic Fruit and Vegetable
perl_tk_tutorial
perl_tk_tutorial
بطلان الدولة المدنية.pdf

More from NANOYOU (20)

PDF
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
PPT
Experiment amb materials superhidròfobs
PPT
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'or
PPT
Experiment amb nanomaterials naturals
PDF
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
PDF
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
PDF
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
PDF
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
PDF
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
PDF
Experiment with liquid crystals - Teacher guide
PDF
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
PDF
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
PDF
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
PDF
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
PDF
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
DOC
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
PDF
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
PDF
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
PDF
Role play - Nano based solar cell - Nanotechnology
PDF
Role play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology
Teachers' guide - NANOYOU project - Education on nanotechnologies
Experiment amb materials superhidròfobs
Experiment amb nanosensors colorimètrics d'or
Experiment amb nanomaterials naturals
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 14 -18)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric cold nanosensors - Teacher guide (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with liquid crystals - Teacher guide
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 14-18)
Experiment with superhydrophobic materials - Student laboratory worksheet (ag...
Experiment with superhydrophobic materials - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Student laboratory worksheet ...
Experiment with colorimetric gold nanosensors - Teacher guide (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Student laboratory worksheet (age 11-13)
Experiment with natural nanomaterials - Teacher guide (age 11-13)
Characterization methods - Nanoscience and nanotechnologies
Role play - Nano based solar cell - Nanotechnology
Role play - Revolution for the light bulb - Nanotechnology

Recently uploaded (20)

PDF
RTP_AR_KS1_Tutor's Guide_English [FOR REPRODUCTION].pdf
PDF
Empowerment Technology for Senior High School Guide
PDF
Supply Chain Operations Speaking Notes -ICLT Program
PPTX
Introduction-to-Literarature-and-Literary-Studies-week-Prelim-coverage.pptx
PDF
advance database management system book.pdf
PDF
Paper A Mock Exam 9_ Attempt review.pdf.
PPTX
Final Presentation General Medicine 03-08-2024.pptx
PPTX
1st Inaugural Professorial Lecture held on 19th February 2020 (Governance and...
PDF
Hazard Identification & Risk Assessment .pdf
PPTX
Radiologic_Anatomy_of_the_Brachial_plexus [final].pptx
PDF
Indian roads congress 037 - 2012 Flexible pavement
PPTX
Introduction to Building Materials
PDF
Black Hat USA 2025 - Micro ICS Summit - ICS/OT Threat Landscape
PDF
Trump Administration's workforce development strategy
PDF
IGGE1 Understanding the Self1234567891011
PPTX
Unit 4 Skeletal System.ppt.pptxopresentatiom
PPTX
Onco Emergencies - Spinal cord compression Superior vena cava syndrome Febr...
PDF
Complications of Minimal Access Surgery at WLH
PDF
Chinmaya Tiranga quiz Grand Finale.pdf
PPTX
History, Philosophy and sociology of education (1).pptx
RTP_AR_KS1_Tutor's Guide_English [FOR REPRODUCTION].pdf
Empowerment Technology for Senior High School Guide
Supply Chain Operations Speaking Notes -ICLT Program
Introduction-to-Literarature-and-Literary-Studies-week-Prelim-coverage.pptx
advance database management system book.pdf
Paper A Mock Exam 9_ Attempt review.pdf.
Final Presentation General Medicine 03-08-2024.pptx
1st Inaugural Professorial Lecture held on 19th February 2020 (Governance and...
Hazard Identification & Risk Assessment .pdf
Radiologic_Anatomy_of_the_Brachial_plexus [final].pptx
Indian roads congress 037 - 2012 Flexible pavement
Introduction to Building Materials
Black Hat USA 2025 - Micro ICS Summit - ICS/OT Threat Landscape
Trump Administration's workforce development strategy
IGGE1 Understanding the Self1234567891011
Unit 4 Skeletal System.ppt.pptxopresentatiom
Onco Emergencies - Spinal cord compression Superior vena cava syndrome Febr...
Complications of Minimal Access Surgery at WLH
Chinmaya Tiranga quiz Grand Finale.pdf
History, Philosophy and sociology of education (1).pptx

Overview of nanomaterials - Nanoscience and nanotechnologies

  • 1.           NANOYOU Teachers Training Kit in Nanotechnologies Chapter 5‐ Overview  of Nanomaterials  Module 1‐ Fundamental concepts in nanoscience and nanotechnologies Written by Luisa Filipponi and Duncan Sutherland Interdisciplinary Nanoscience Centre  Aarhus University, Denmark  January 2010    Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 unless indicated in text or figure captions  
  • 2.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5    Contents  Biomimetic nanomaterials .............................................................................................................................................    5 Gecko‐inspired adhesive (or Bio‐rubber) ...................................................................................................................    5 Self‐healing adhesives ...............................................................................................................................................    6 Biomimetic membranes, capsules and bioreactors ...................................................................................................    6 Biomimetic energy nanomaterials .............................................................................................................................    7 Self‐assembled nanomaterials .......................................................................................................................................    7 Liquid crystals ............................................................................................................................................................    8 Liquid crystals´ phases and their properties ........................................................................................................  0  1 What is special about liquid crystals ....................................................................... Error! Bookmark not defined.  LCs applications ...................................................................................................................................................  1  1 Nanostructured Metals and Alloys ..............................................................................................................................  2  1 Metal nanoparticles .................................................................................................................................................  2  1 Plasmonic structures ............................................................................................................................................  2  1 Reinforcements ....................................................................................................................................................  4  1 Environmental applications .................................................................................................................................  4  1 Nanocrystalline metals ............................................................................................................................................  4  1 Ferrofluids ................................................................................................................................................................  5  1 Polymers ......................................................................................................................................................................  6  1 Conductive Polymers  ...............................................................................................................................................  6  . 1 Page 2 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 3.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Block Copolymers .....................................................................................................................................................  6  1 Responsive “smart” polymers ..............................................................................................................................  8  1 Biomedical applications .......................................................................................................................................  8  1 Nano‐reactors ......................................................................................................................................................  8  1 Artificial moving parts .........................................................................................................................................  9  1 Other applications ...............................................................................................................................................  9  1 Polymeric nanofibres ...............................................................................................................................................  9  1 Semiconductors ...........................................................................................................................................................  0  2 Quantum dots ..........................................................................................................................................................  1  2 Semiconducting oxides ............................................................................................................................................  1  2 Titanium dioxide ..................................................................................................................................................  1  2 Zinc dioxide ..........................................................................................................................................................  2  2 ITO .......................................................................................................................... Error! Bookmark not defined.  Photonic crystals ......................................................................................................................................................  4  2 Ceramic and glassy materials ......................................................................................................................................  5  2 Porous alumina ........................................................................................................................................................  5  2 Zeolites  ....................................................................................................................................................................  5  . 2 Aerogels ...................................................................................................................................................................  6  2 Carbon‐based materials...............................................................................................................................................  6  2 Carbon nanotubes ...................................................................................................................................................  8  2 Mechanical properties .........................................................................................................................................  9  2 Electrical and thermal properties ........................................................................................................................  0  3 Page 3 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 4.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Chemical reactivity ..............................................................................................................................................  1  3 Applications .........................................................................................................................................................  1  3 Composites ..................................................................................................................................................................  1  3 Inorganic nano composites ......................................................................................................................................  2  3 Structural nanocomposites ..................................................................................................................................  3  3 Nanocomposites with enhanced magnetic properties ........................................................................................  4  3 Polymer Nanocomposites ........................................................................................................................................  5  3 Nanoparticle‐ polymer nanocomposites ..............................................................................................................  7  3 Carbon nanotubes in polymer composites  ..........................................................................................................  8  . 3 Polymer‐clay nanocomposites .............................................................................................................................  9  3 Nanocoatings ...............................................................................................................................................................  1  4 Tribological nanocoatings  .......................................................................................................................................  2  . 4 Responsive nanocoatings ........................................................................................................................................  3  4 Self‐cleaning surfaces ..........................................................................................................................................  4  4           This  document  has  been  created  in  the  context  of  the  NANOYOU  project (WP4  Task  4.1).  All  information  is    provided “as is” and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose. The  user  thereof  uses  the  information  at  its  sole  risk  and  liability.  The  document  reflects  solely  the  views  of  its    authors.  The  European  Commission  is  not  liable  for  any  use  that  may  be  made  of  the  information  contained  Page 4 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 5.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Chapter 5 Overview of Nanomaterials  This  chapter  provides  an  overview  of  nanomaterials,  their  properties  and  functions.  The  application  areas of the cited nanomaterials are also mentioned. The second Module of this Teachers Training Kit is  devoted to applications of nanotechnologies.  Biomimetic nanomaterials  The  first  class  of  engineered  nanomaterials  that  we  review  is  Biomimetic  materials.  As  mentioned  in  Chapter  2  of  Module  1  (“Natural  Nanomaterials”),  Nature  is  the  best  nanotechnology  platform.  Through thousands of years of evolution Nature has developed an enormous array of materials, ranging  from feathers, to shells, wood, bone, and many more that have intricate hierarchical structures at the  nano,  micron  and  macro  level  which  confer  specific  properties  to  the  material,  such  as  strength,  lightweight,  permeability,  colour  etc.  Natural  materials  provide  an  amazing  platform  for  inspiring  material  engineers  to  fabricate  advanced  materials  that  posses  specific  functions.  As  a  matter  of  fact  numerous “macro” materials we use today were developed after inspiration from natural materials. One  example is Velcro, which was developed in 1948 by a Swiss engineer named George de Mistral who got  inspired by the clinging mechanism of cockleburs to dog hair and to fabric. Often the nanostructure in  the  natural  material  plays  a  crucial  role,  which  inspires  scientists  to  mimic  them  starting  from  a  molecular  level  (molecular  biomimetics).  This  is  also  called  biomimetic  nanotechnology.    Here  we  provide some examples of those biomimetic nanomaterials.  Gecko­inspired adhesive (or Bio­rubber)  In Chapter 2 we discussed the adhesive properties of the Gecko foot, and how these are not related to a  glue in the foot, but rather to van der Waals and capillary forces exerted by million of nanostructures  (called  saete)  that  make  up  the  foot.  This  allows  the  animal  to  walk  upside  down,  against  gravity,  on  many different surfaces, even on wet ones. Moreover a Gecko can walk on a dirty surface without losing  adherence, since its feet is also self‐cleaning. A truly amazing material! Scientists have been inspired by  this  animal  to  design  and  fabricate  adhesives  for  numerous  applications.  For  instance  a  group  of  researchers at the University of California, Berkeley, has developed adhesive gecko‐like foot surfaces for  use  in  climbing  robots.  The  adhesive  is  made  of  patches  of  microfiber  arrays  with  42  million  polypropylene microfibers per cm2. The patches can support up to 9 N cm‐2: a patch 2 cm2 can support a  load of 400 g. This result is very close to the loads supported by a gecko, which are about 10 N cm‐2. This  Page 5 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 6.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  gecko‐like adhesive is very similar in functionality to the natural gecko foot, yet not as good. Researchers  still have to make it topography independent (capable of attaching to any surface) and self‐cleaning. In  another  university  a  biomimetic  gecko  tape  has  been  produced  using  polymer  surfaces  covered  with  carbon nanotubes hairs, which can stick and un‐stick on a variety of surfaces, including Teflon.   Other gecko‐inspired nanomaterials are under development for medical applications, which  will be covered in Chapter 1 of Module 2 (“Applications of Nanotechnologies: Medicine &  Healthcare”).  Self­healing adhesives  Diatoms are a type of algae with nanostructured amorphous silica surfaces. Some diatom species have  evolved  strong,  self‐healing  underwater  adhesives.  Some  are  free‐floating;  others  have  adhesive  properties in water: for instance diatoms in the Antarctic seas can attach to ice. Others secrete viscous  mucilage which binds colonies together while protecting the silica shells from wear as they rub against  each other. Molluscs are another species of animals that have adhesive properties under water. Both  diatoms and molluscs have strong underwater glues that can also resist stress and self‐heal if necessary.  For these reasons they serve as a biomimetic model for self‐healing materials. Researchers have studied  those  natural  adhesives  and  found  that  their  self‐healing  properties  are  due  to  the  properties  of  the  proteins  that  compose  them.  These  proteins  have  “sacrificial”  bonds  that  allow  the  molecule  to  be  reversibly stretched by their breaking and re‐bonding. The sacrificial bond behaviour has been observed  in many other materials such as wool. The detailed analysis of these natural materials is inspiring new  nano‐adhesives with self‐healing properties.  Biomimetic membranes, capsules and bioreactors  The  bilipid  membrane  has  served  as  a  biomimetic  model  for  decades.  A  simple  example  is  liposomes  (lipid vesicles) which are easily formed by shaking vigorously oil in water. Planar supported bilayers are  also inspired by the lipid membrane and are formed by simply “dipping” a suitable substrate inside an  organic aqueous phase.   Inside  the  cell  there  are  numerous  self‐assembled  structures  that  encapsulate  specific  biomolecules and release them as a consequence of molecular signalling. These structures  are inspiring a wide range of nanocapsules for application in drug delivery. In some cases  bacteria  or  viruses  are  used  as  templates  for  fabricating  these  nanocapsules.  These  Page 6 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 7.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  nanomaterials  are  described  in  more  details  in  Chapter  1  of  Module  2  (“Applications  of  Nanotechnologies: Medicine & Healthcare”).  Biomimetic energy nanomaterials   Many  challenges  that  we  are  now  facing  in  the  energy  area  (improvements  needed  in  solar  panels,  hydrogen  fuel  cells,  rechargeable  batteries  etc.)  can  be  solved  through  the  use  of  nano‐engineered  materials.  Some  of  these  materials  are  developed  through  direct  inspiration  from  Nature,  such  as  the  new types of solar photovoltaic cells, which try to imitate the natural nanomachinery of photosynthesis.  Another  interesting  example  is  that  of  using  battery  electrodes  with  self‐assembling  nanostructures  grown by genetic engineered viruses.   Both examples will be described in more details in Chapter 3 of Module 2 (“Applications of  Nanotechnologies: Energy”)  Self­assembled nanomaterials  The concept of self‐assembly derives from observing that, in natural biological processes, molecules self‐ assemble to create complex structures with nanoscale precision. Examples are the formation of the DNA  duple  helix  or  the  formation  of  the  membrane  cell  from  phospholipids.  In  self‐assembly,  sub  units  spontaneously  organize  and  aggregate  into  stable,  well  defined  structures  through  non  covalent  interaction. This process is guided by information that is coded into the characteristics of the sub units  and  the  final  structure  is  reached  by  equilibrating  to  the  form  of  the  lowest  free  energy.  An  external  factor, such as a change in temperature or a change in pH, can disrupt this organization. For instance, a  protein  self‐assembles  in  a  specific  structure,  but  if  exposed  to  conditions  such  as  high  heat  or  high  acidity, it can denature, which means that its structure is damaged, and the protein unfolds. This means  that  the  protein  looses  its  function  as  its  structure  is  damaged.  So  in  Nature  self‐organized  structures  have specific functions.  Molecules in Nature change conformation and move from one self‐organized structure into another as  they bind to certain ions or atoms. A lot of examples can be given, like hemoglobulin (that captures and  releases an iron ion), or the potassium‐sodium pump, chlorophyll etc.  The  use  of  self‐assembly  to  create  new  materials  is  a  bottom‐up  approach  to  nanofabrication,  and  is  thus an essential tool in nanotechnology (see Chapter 7 of Module 1 “Fabrication techniques”).  Instead  Page 7 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 8.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  of  carving  nanostructures  out  of  larger  materials  (which  is  the  typical  top‐down  approach,  like  micromachining and microlithography,  used to fabricate integrated electronic circuits), nanostructures  are created from the bottom, from atomic building blocks that self‐assemble in larger structures. In the  laboratory  scientists  can  make  use  of  this  self‐organization  of  matter  as  a  way  of  programming  the  building of novel structures with specific functions.   Liquid crystals  A liquid crystal is a fourth state of matter: it has  property  between  those  of  a  conventional  liquid  and those of a solid crystal. Like a liquid, it flows,  and  like  a  crystal,  it  can  display  long‐range  molecular  order  (Figure  1).  In  terms  of  classifications,  LCs  (together  with  polymers  and  colloids),  are  often  classified  as  “soft  matter”  Figure 1. The liquid crystal phase is in between a solid  and  a  liquid  phase  (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO,  (Figure  2)  and  treated  under  the  branch  of  Aarhus  University,  Creative  Commons  Attribution  physical chemistry of condensed matter.  ShareAlike 3.0).    Figure  2.  Diagram  showing  where  the  branch  of  "liquid  crystals"  fit  into  the  classification  of  physical  chemistry  of  condensed  matter.                                    A fascinating and characteristic feature of liquid‐crystalline systems is that they change their molecular  and  supermolecular  organization  drastically  as  an  effect  of  very  small  external  perturbations:  The  molecules in liquid crystal displays for instance are reoriented by relatively weak electrical fields.  If one  Page 8 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 9.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  dissolves  a  small  amount  of  chiral  molecules  in  an  achiral  liquid‐crystalline  host  phase,  this  results  in  remarkable  macroscopic  chirality  effects,  ranging  from  helical  superstructures  to  the  appearance  of  ferroelectricity.   Liquid crystal self­assembly  Liquid  crystals  are  partly  ordered  materials,  somewhere  between  their  solid  and  liquid  phases.  This  means  that  LCs  combine  the  fluidity  of  ordinary  liquids  with  the  interesting  electrical  and  optical  properties of crystalline solids.   The molecules of liquid crystals are often shaped like rods or plates or some other forms that encourage  them to align collectively along a certain direction (Figure 5).   Figure  5.  Example  of  the  self‐organization  of  anisometric  (i.e.,  with  asymmetrical  parts)  molecules  in  liquid‐crystalline  phases.  On  the  left: rod‐like molecules form a nematic liquid,  in  which  the  longitudinal  axes  of  the  molecules  are  parallel  aligned  to  a  common  preferred  direction  ("director").  On  the  right:  disc‐like  (discotic)  molecules  arrange  to  molecule‐stacks  (columns),  in  which  the  longitudinal  axes  are  also  aligned  parallel  to  the director. As a result of their orientational  order,  liquid  crystals  exhibit  anisotropic  physical  properties,  just  like  crystals.  (Reprinted  from:  http://www.ipc.uni‐ stuttgart.de/~giesselm/AG_Giesselmann/Fors   chung/Fluessigkristalle/Fluessigkristalle.html).    Liquid crystals are temperature sensitive since they turn into solid if it is too cold and into liquid if it is  too hot. This phenomenon can, for instance, be observed on laptop screens when it is very hot or very  cold.    Page 9 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 10.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Liquid crystals´ phases and their properties  A liquid crystal is formed by the self‐assembly of molecules in ordered structures, or phases. An external  perturbation, such as a change in temperature or magnetic field, even very small, can induce the LC to  assume  a  different  phase.  Different  phases  can  be  distinguished  by  their  different  optical  properties  (Figure 3).   Figure 3. Schematic representation of molecules in a solid  (left,  molecules  are  well  organized),  in  a  liquid  crystal  (centre) molecules have a long range distance order) and in  a  liquid  (right)  molecules  are  not  ordered.  (Image  credit:  Copyright  IPSE  Educational  Resources,  University  of  Wisconsin Madison)                                              Liquid crystals are divided in three groups:  ‐ Thermotropic LC: they consist of organic molecules, typically having coupled double bonds, and exhibit  a phase transition as temperature is changed (Figure 4, left)  ‐ Lyotropic LC: they consist of organic molecules, typically amphiphilic (water‐loving) and exhibit a phase  transition  as  a  function  of  both  temperature  and  concentration  of  the  LC  molecules  in  a  solvent  (typically water) (Figure 4, right)  ‐ Metallotropic LC: they are composed of both organic and inorganic molecules, and their LC transition  depend  not  only  on  temperature  and  concentration,  but  also  on  the  organic‐inorganic  composition  ration.  Figure  4.  (Left)  chemical  structure  of  N‐(4‐Methoxybenzylidene)‐4‐ butylaniline  (MBBA);  (Right):  Structure  of  lyotropic  liquid  crystal:  1 is a bilayer and 2 is a micelle. The  red  heads  of  surfactant  molecules       are  in  contact  with  water,  whereas  the tails are immersed in oil (blue).  Page 10 of 44  (Image  credit:  Wiki  commons,  Creative  Commons  Attribution  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  ShareAlike 3.0).  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 11.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5         Lyotropic  liquid‐crystalline  phases  are  abundant  in  living  systems,  such  as  biological  membranes,  cell membranes, many proteins (like the protein solution extruded by a spider to generate silk), as well  as tobacco mosaic virus. Soap is another well know material which is in fact a lyotropic LC. The thickness  of the soap bubbles determines the colours of light they reflect.  LCs applications  The  order  of  liquid  crystals  can  be  manipulated  with  mechanical,  magnetic  or  electric  forces.  What  is  interesting is that this change of order can be obtained with very small variations of these forces. The  properties of liquid crystals are useful in many applications. The colour of some liquid crystals depends  on the orientation of its molecules, so any perturbation that disturbs this orientation (e.g., a difference  in magnetic or electric field; a difference in temperature; or the presence of certain chemicals) can be  detected with a colour change.   The  EXPERIMENT  B  in  the  Experiment  Module  deals  with  synthesizing  and  testing  different  temperature  sensitive  liquid  crystals.  In  this  experiment  students  test  how  different LCs are sensitive to different temperature ranges and build a LC thermometer.  The details of how a thermotropic LC works are described in the background document for  the EXPERIMENT B in the Experiment Module.    Liquid  crystals  are  routinely  used  in  displays  for  cell  phones,  cameras,  laptop  computer  and  other  electronics.  In  these  displays,  an  electric  field  changes  the  orientation  of  the  molecules  in  the  liquid  crystal,  and  affects  the  polarization  of  light  passing  through  them.  ‐  Because  of  their  sensitivity  to  temperature, and the property of changing colour, they are also used in thermometers. In miniaturized  sensors, liquid crystals can detect certain chemicals, electric fields and changes in temperature.   Liquid  crystal  displays  (LCDs)  are  discussed  in  Chapter  4  of  Module  2  “Applications  of  Nanotechnologies: ICT” of Module 2.    In the future LCs might have very interesting applications. Recently, it has been found that the inclusion  of specific molecules, often in the order of nanometres, in the liquid crystal can lead to new electrical  and optical properties in the LC. For instance, LC materials have been modified to induce new photonic  Page 11 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 12.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  functions, for application to waveguide and optical storage (ICT application area). Another class of LCs  under development is photoconductive LCs, with the aim of having new materials for PVs cells and light  emitting  diodes  (Energy  application  area).  Another  area  of  study  is  to  modify  LCs  in  ways  that  allow  using  them  in  stimuli‐responsive  materials  and  as  templates  for  nanoporous  polymers  (potential  nanomedicine application area).   Nanostructured Metals and Alloys  This section covers metal nanoparticles; nanocrystalline materials consisting of a single metal or of alloys  made of two or more metals and nanostructured metal surfaces.  Metal nanoparticles  Metal  nanoparticles  are  a  clear  example  of  how  at  the  nanometre  scale  the  properties  of  matter  can  change. For instance metal gold is notably yellow in colour and used for jewellery. As the noblest of all  metals, gold  is very stable (for instance, it does  not  react with oxygen or sulphur). However, if gold is  shrunk to a nanoparticle, it changes colour, becoming red if it is spherical (Figure 6) and even colourless  if  it  is  shaped  in  a  ring.  Moreover,  gold  nanoparticles  become  very  reactive  and  can  be  used  as  new  catalysts  (this  will  be  discussed  in  Chapter  2  “Applications  of  nanotechnologies:  Environment”  of  Module 2).    Figure 6. Gold colloid is ruby red, not    golden!  (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO,  Aarhus  University,  Creative    Commons  Attribution  ShareAlike  3.0).   Plasmonic structures  Noble  metal  nanoparticles,  meaning  gold,  silver,  platinum  and  palladium  nanoparticles  show  localized  surface  plasmon‐resonances  (LSPR),  an  effect  that  was  described  in  Chapter  4  of  Module  2  (“Fundamental  nano‐effects”).  The  energy  of  the  LSPR  depends  on  the  particle  shape,  size,  composition,  inter‐particle  spacing,  and  dielectric  environment.  The  surface  of  the  nanoparticles  can  be  functionalised  with  numerous  chemical  and  biochemical  molecules  enabling  specific  binding  of  organic molecules such as antibodies, making them useful in sensors .  Page 12 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 13.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  For this reason they are of special interest for optical detection and sensing in analytical chemistry and  molecular  biology.  The  refractive  index  can  be  used  as  the  sensing  parameter:  changes  in  the  local  dielectric environment, induced by the sensing process, are used for detecting the binding of molecules  in the particle nano‐environment. The change in aggregation between  the  nanoparticles as a result of  analyte attachment affects the LSPR energy, so this effect can be used for highly miniaturized sensors.  Figure 7 schematically illustrates those two LSPR‐based detection methods.   Figure  7.  (Top)  LSPR  sensor  based  on  a  change  of  refractive  index  induced  by  analyte  attachment  on  a  functionalized surface; (Bottom) LSPR sensor based on a  change  in  nanoparticle  aggregation  induced  by  the  attachment on functionalized nanoparticles.          Localised  surface  plasmons  have  been  explored  in  a  range  of  nanoparticles  shapes  such  as  disks,  triangles,  spheres  and  stars.  Also  more  complex  structures  have  been  studied,  such  as  holes  in  thin  metal  film,  nanoshells  and  nanorings.  Based  on  nanostructured  metallic  surfaces  a  variety  of  optical  applications  are  possible.  An  important  feature  of  plasmonic  structures  is  that  they  allow  label  free  detection, which is important in optical sensing. Currently plasmonic components are investigated with  respect to future applications in, cancer therapy, solar cells, waveguides, optical interconnect, cameras  LEDs, OLEDs and more.   The  application  of  metal  nanoparticles  in  medical  diagnostics  and  targeted  treatment  is  discussed in details in Chapter 1 of Module 2 “Applications of Nanotechnologies: Medicine  and Healthcare”.        Page 13 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 14.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Reinforcements  Metal  nanoparticles  are  used  as  reinforcements  in  alloys  for  application  in  lightweight  construction  within the aerospace sector and increasingly in the automotive sector. The method is used for instance  to  harden  steel.  For  instance,  titanium  nanoparticles  are  used  as  alloy  compound  to  steel,  and  the  resulting  material  shows  improved  properties  with  respect  to  robustness,  ductility,  corrosion  and  temperature resistance. Particles of iron carbide are also precipitated into steel to make it harder. The  nanoparticles  block  the  movement  of  the  dislocations  in  the  crystalline  material  (this  effect  was  described in details in Chapter 4 of Module 1 “Fundamental “nano‐effects”) increasing hardness. The  trade off between steel strength and ductility is an important issue, since modern construction requires  high  strength  whereas  safety  and  stress  redistribution  require  high  ductility.  The  presence  of  hard  nanoparticles  in  the  steel  matrix  could  lead  to  a  material  with  a  combination  of  these  properties,  effectively matching high strength with exceptional ductility.  Environmental applications  Some forms of metal nanoparticles have important environment applications.   Zero‐valent  (Fe0)  iron  nanoparticles  are  under  investigation  for  the  remediation  of  contaminated  groundwater  and  soil.  Iron  when  exposed  to  air  oxidizes  easily  to  rust;  however,  when  it  oxidizes  around contaminants such as trichloroethylene (TCE), carbon tetrachloride, dioxins, or PCBs, these  organic molecules are broken down into simple, far less toxic carbon compounds. Iron nanoparticles  are  more  effective  than  conventional  ‘iron  powder’,  which  is  already  used  to  clean  up  industrial  wastes. Iron nanoparticles are 10 to 1000 times more reactive then commonly used iron powders.   Silver  nanoparticles  have  a  strong  anti‐bacterial  capacity.  They  are  used  in  numerous  products  to  prevent or reduce the adherence of bacteria to surfaces.  Metal nanoparticles and their use in environment applications are covered in the Chapter 2  of Module 2  “Applications of Nanotechnologies: Environment”.    Nanocrystalline metals  Nanocrystalline metals are classical metals and alloys that have an ultra‐fine crystalline structure below  100 nm. They exhibit extraordinary mechanical and physical properties which makes them interesting  Page 14 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 15.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  for many applications. Examples of nanocrystalline metal materials are Al, Mg, and Al‐Mg alloys which  offer high strength and are lightweight. Other examples are Ti‐ and Ti‐Al‐alloys.  Some  crystalline  metals  offer  exceptional  magnetic  properties.  An  example  is  the  “Finemet”  nanocrystalline soft magnetic alloys, which consist of melt‐spun Fe‐Si‐B alloys containing small amounts  of Nb and Cu.   The application of nanomaterials in the field of magnetic materials is very important and promising, with  applications  in  magnetic  recording,  giant‐magneto  resistance,  magnetic  refrigeration  and  magnetic  sensing.  These  novel  materials  are  composed  of  magnetic  nanoparticles  dispersed  in  a  magnetic  or  nonmagnetic  matrix  (particle‐dispersed  nanocomposites)  or  of  stacked  magnetic  thin  films  (magnetic  multilayer nanocomposites).   We will cover the application of nanostructured magnetic materials for memory storage in  the Chapter 4 of Module 2  “Applications of Nanotechnologies: ICT”.    Ferrofluids  Ferrofluids  are  colloidal  mixtures  composed  of  ferromagnetic  or  ferrimagnetic nanoparticles (such as magnetite) suspended in a carrier  fluid,  usually  an  organic  solvent  or  water.  The  ferromagnetic  nano‐ particles  are  coated  with  a  surfactant  to  prevent  their  agglomeration  (due  to  van  der  Waals  and  magnetic  forces).  Although  the  name  may  suggest otherwise, ferrofluids do not display ferromagnetism, since they  do  not  retain  magnetization  in  the  absence  of  an  externally  applied  Figure  8    A  ferrofluid  with  a  magnet  underneath.  (Image  field.  Rather  they  display  bulk‐like  paramagnetism,  and  are  often  referred  to  as  “superparamagnetic”  materials  due  to  their  large  credit:  G.  F.  Maxwell,  Wiki  Commons,  GNU  magnetic  susceptibility.  When  a  paramagnetic  fluid  is  subjected  to  a  Free  documentation licence).   sufficiently  strong  vertical  magnetic  field,  the  surface  spontaneously  forms a regular pattern of corrugations; this effect is known as the normal‐field instability (Figure 8).   Ferrofluids have numerous applications: in mechanical engineering, particularly for vehicle suspension  and  breaking  systems,  due  to  their  low‐friction  properties;  in  the  ICT  area,  as  liquid  seals  (ferrofluidic  seals) around the spinning drive shafts in hard disks; and in the biomedical sector as drug carriers.  Page 15 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 16.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Polymers   A polymer is a large molecule made of a chain of individual basic units called monomers joined together  in  sequence.  A  copolymer  is  a  macromolecule  containing  two  or  more  types  of  monomers.  When  the  polymer is a good conductor of electricity, it is refereed to as conductive polymer (or organic metal). In  this  section  nanostructuring  of  polymers  is  described  and  the  effect  this  can  have  on  polymers´  properties. The focus is on co‐polymers since these are extremely useful in nanotechnologies.  Conductive Polymers  Polymers  that  are  good  conductors  of  electricity  are  called  conductive  polymers  and  include  polyacetylene,  polyaniline,  polypyrrole,  polythiophene,  and  many  more  have  been  synthesised.  These  polymers  are  characterized  by  having  alternating  double‐single  chemical  bonds,  so  they  are  π‐ coniugated.  The  π  ‐coniugation  of  the  carbon  bonds  along  the  oriented  polymer  chains  provides  a  pathway for the flow of conduction electrons, and is thus responsible for the good electrical conduction  properties of the material.  A detailed SEM analysis of conductive polymers has revealed that these are  made  of  a  sequence  of  metallic  nanoparticles  about  10nm  in  diameter.  The  high  conductivity  of  polymers  such  as  polyacetylene  and  polyaniline  is  related  to  the  nanostructure  of  the  polymer.  Polyaniline and its analogous change colour when  a suitable voltage is applied, or when reacting with  specific  chemicals  (electrochromic  and  chemochromic).  For  this  reason  they  are  promising  for  use  in  light‐emitting diodes (LEDs). Other applications are the surface finish of printed‐circuit boards, corrosion  protection  of  metal  surfaces,  semitransparent  antistatic  coatings  for  electronic  products,  polymeric  batteries, and electromagnetic shielding.  Block Copolymers  A copolymer is a macromolecule containing two or more type of monomers, and a block copolymer has  these  basic  units  or  monomer  types  joined  together  in  long  individual  sequences  called  blocks.  An  example is the diblock polymer (A)m(B)n, which is made of a linear sequence of m monomers of type A  joined together to a linear sequence of n monomers of type B. A transition section joints the two blocks:  [end group]‐[polyA]m‐[transition member]‐[polyB]n‐[end group]  Often, block copolymers are made of a hydrophilic (water‐attracted) block, and a hydrophobic (water‐ repellent) block. In general, macromolecules having hydrophilic and hydrophobic regions, such as lipids,  self‐assembled in ordered structures when in water: the hydrophobic region packs together, avoiding  Page 16 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 17.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  the  water  molecules,  leaving  the  hydrophilic  molecules  to  the  exterior  of  the  structure.  In  the  same  way,  block  copolymers  made  of  hydrophilic  and  hydrophobic  blocks  when  mixed  in  a  selective  solvent,  like  water,  can  self‐assemble  into  ordered  architectures  in  the nanoscale regime.   The  geometry  and  degree  of  order  of  these  structures  depends  on  the  concentration  and  the  volume  ratio  between  insoluble  and  soluble  blocks.  Depending  on  these  Figure 9. Different geometries formed by block copolymers in  parameters,  the  block  copolymer  can  form  selective solvent conditions. Image adapted from Smart et al.  spherical  micelles  (nanospheres),  cylindrical  Nano Today (2008), 3 (3‐4), 38‐45, Copyright (2008) with  permission from Elsevier.  micelles,  and  membranes.  Both  cylindrical  and spherical micelles consist of a nonsoluble  (hydrophobic) core surrounded by a soluble corona. Membranes are made of two monolayers of block  copolymer  aligned  so  to  form  a  sandwich‐like  membrane:  soluble  block‐insoluble  block‐soluble  block.  Molecules  that  at  low  concentration  form  spherical  aggregates  will  assemble  into  cylindrical  and  eventually membrane‐like structures, as the concentration is increased (Figure 9).  Among spherical micelles, if the lengths of the projections formed by the hydrophilic corona are short  compared to the sphere diameter, the nanostructure is called “hairy nanosphere”, whereas if the sphere  is small and the projections long, it is called “star polymer” (Figure 10).     Figure  10.  Sketch  of  a  star  polymer  and  of  a  hairy  polymer. (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO,  Aarhus  University,  Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0).        Page 17 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 18.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Responsive “smart” polymers  Block copolymers form nanostructures that are very sensitive to external fields. For instance moderate  electrical fields or shear stimulation can trigger macroscopic re‐arrangements in specific directions. This  is  a  versatile  property  for  making  materials  that  respond  and  change  on  demand.  The  intrinsic  macromolecular  nature  of  these  copolymers  leads  to  very  slow  and  kinetically  controlled  phase  transitions.  Thus  metastable  or  intermediate  phases  have  longer  lifetimes,  which  is  desirable  in  applications that want to exploit the phase transition properties of these materials.  Biomedical applications  The  ability  of  block  copolymers  to  form  nanoparticles  and  nanostructures  in  aqueous  solutions  makes  them  particularly  useful  for  biomedical  applications,  such  as  therapeutics  delivery,  tissue  engineering  and  medical  imaging.  In  the  field  of  therapeutic  delivery,  materials  that  can  encapsulate  and  release  drugs  are  needed.  Hydrogels  are  very  useful  for  the  controlled  release  of  drugs  and  block  copolymer  hydrogels  are  particularly  advantageous  for  the  possibility  of  conferring  some  stimuli‐activated  properties,  such  as  temperature‐sensitivity.  Block  copolymers  form  nanostructures  with  both  hydrophilic  and  hydrophobic  areas,  so  they  can  form  vesicles  that  can  encapsulate  and  carry  both  hydrophobic  and  hydrophilic  therapeutic  agents.  Micelles  formed  using  block  copolymers  have  a  hydrophilic corona that makes them more resistant to the interaction of proteins, in particular plasma  proteins, therefore these types of micelles exhibit long circulation times in vivo. Insoluble domains can  also be engineered so to exploit the sensitivity of specific hydrophobic polymers to external stimuli such  as pH, oxidative species, temperature and hydrolytic degradation.  Block  copolymers  are  also  of  interest  for  preparing  scaffolds  for  tissue  engineering.  For  instance  very  long  micelles  that  mimic  the  natural  extracellular  matrix  were  recently  prepared  exploiting  the  self‐ assembly properties of a peptide copolymer.   Nano­reactors  The ability to generate compartmentalized volumes at the nanometre level is one of the fundamental  mechanisms  used  by  cells  in  synthesising  biomolecules  and  performing  the  biochemical  processes  necessary for their function. This motif is now reassembled using block copolymer micelles and vesicles  as  nanoreactors.  This  approach  has  been  employed  for  carrying  enzymatic  reactions  in  nanosized  compartments.   Page 18 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 19.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  It has been shown that this approach can be expanded also into a nonaqueous solvent. For instance a  recent work reports of block polymer nanostructures in ionic liquid and the ability of micelles to shuttle  from an aqueous solvent to an ionic liquid as a function of temperature. This opens the way to use block  copolymer technology in more sophisticated synthetic routes.   Artificial moving parts  Block copolymers structures can also be used to mimic the ability of biomolecules to convert chemical  energy  into  mechanical  energy,  for  instance  by  using  a  pH  sensitive  block  copolymer  whose  micelles  swell based on pH variation. Thus these materials are investigated to create artificial muscles or moving  nanostructures.   Other applications  The  application  of  block  copolymers  is  not  limited  to  the  biomedical  field.  They  can  be  used  in  conjunction with other materials to form block copolymers nanocomposites. For instance star polymers  are used in industry to improve metal strength.   Finally, block copolymers can form nanoporous membranes for applications in filtering systems and fuel  cell technology.  Polymeric nanofibres   Nanostructured fibrous materials, or nanofibres, are an important class of nanomaterials, now readily  available  thanks  to  recent  developments  in  electrospinning  and  related  fabrication  technologies.  Differently from conventional woven fabrics, that have the typical structure illustrate in Figure 11.  Nanofibres have some unique properties: they are highly porous, i.e.,  they have a large interconnected void volume in the range of 50% or  even  grater  then  90%  and  possess  a  very  high  surface‐to‐volume  ratio. It is possible to increase the mechanical stability of nanofibrous  structures  by  annealing  the  fabric  so  to  join  together  the  crossing  points of those fibres.      Figure  11.  A  typical  sample  of  electruspun  polystyrene.  (Image  credit:  T.  Uyar,  Interdisciplinary  Nanoscience  Canter (iNANO), Aarhus University. Copyright 2008. Reprint not permitted).  Page 19 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 20.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  These properties make nanofibrous scaffolds useful for many biomedical and industrial applications.  In  addition,  researchers  have  succeeded  in  making  coaxial  nanofibres  composed  on  two  different  polymers or composite coaxial fibres. Researchers also try to make aligned nanofibres. These types of  materials, particularly if made of conducting polymers, could have important application for electronic  and medical devices.   Nanofibres  have  a  broad  spectrum  of  applications as schematized in Figure 12.        Figure  12.  Overview  of  polymer  nanofibres  applications.   The two areas that have so far received most attention are the medical field (e.g., wound  healing  membranes)  and  filtration  applications.  These  will  be  covered  in  the  Chapter  1  “Applications  of  nanotechnologies:  Medicine  and  healthcare”  and  Chapter  2  “Applications  of  nanotechnologies:  Environment”),  respectively.  Nanofibres  are  also  considered  for  composite  material  reinforcement.  As  nanofibres  are  a  relatively  recent  type  of  nanomaterial  it  is  expected that in the future many more applications will be explored.   Semiconductors  Semiconductors,  unlike  metals,  have  a  band  gap.  The  band  gap  is  between  the  valence  band  and  the  conduction band. In intrinsic semiconductors which posses no impurities (like boron, silicon, germanium,  indium) there are no electronic states in the band gap. The properties of semiconductors, in particular  the band gap, are manipulated by addition of dopants: impurities able to donate charge carriers in the  form of electrons (n‐type) or holes (p‐type).   Page 20 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 21.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Like for metals, the reduction of the size of the semiconductor triggers the insurgence of novel physical  properties. The most evident example is that of quantum dots.  Quantum dots  Quantum dots are made of semiconductor materials such as CdSe, ZnSe, CdTe, about 10 nm in size.  Like  in the case of metal nanoparticles, electrons in quantum dots are localized in space. A QD has a discrete,  quantized  energy  spectrum,  therefore  they  can  absorb  a  specific  wavelength,  and  emit  a  monochromatic colour. Depending on their size, QD emit different colours, as shown in Figure 13. The  reason for this was described in Chapter 4 of Module 2 (“Fundamental nano‐effects”): the width of the  bandgap  is  related  to  the  size  of  the  semiconductor,  smaller  sizes  lead  to  a  blue  shift  in  the  emission  spectra.  Figure  13.  Ten  distinguishable  emission  colours  of  ZnS‐capped  CdSe  QDs excited with a near‐UV lamp. From left to right (blue to red), the  emission  maxima  are  located  at  443,  473,  481,  500,  518,  543,  565,  587,  610,  and  655  nm.  (Reprinted  by  permission  from  Macmillan  Publishers from Macmillan Publishers Ltd: Nature Biotech. (2001) 19,  631‐635, Copyright 2001).    QD like metal nanoparticles hold great promise for nano‐enhanced imaging which will bring  progress to fields like environmental monitoring, medical diagnostic and treatment. QD are  also  investigated  as  novel  light  sources  to  improve  LED  technology  and  in  solar  cell  technology.  These  applications  of  QDs  in  the  energy  and  ICT  sector  will  be  reviewed  in  Chapter  3  “Applications  of  Nanotechnologies:  Energy”  and  Chapter  4  “Application  of  Nanotechnologies: ICT” of Module 2.  Semiconducting oxides  Semiconducting oxides like TiO2 and ZnO in bulk (macro) form are widely used in industry in many  products. When they are in a nanoscale form, they display interesting physical properties that allow  designing new materials and improve old ones. Below is a short description of these properties.  Titanium dioxide  Titanium dioxide (TiO2) is a mineral mainly found in two forms, rutile and anatase. Titanium dioxide is  the  most  widely  used  white  pigment  because  of  its  brightness  (white  colour)  and  very  high  refractive  Page 21 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 22.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  index (n=2.4). It is used in paints, plastics, toothpastes, papers, inks, foods and medicines. In sunscreens  with  a  physical  blocker,  titanium  dioxide  is  used  both  because  of  its  high  refractive  index  and  its  resistance to discolouration under ultraviolet light. This is because TiO2 is a UV filter, it adsorbs UV light.   TiO2, particularly in the anatase form, can be employed also as a photocatalyst under UV light. It oxidizes  water to create hydroxyl (OH) radicals, and it can also oxidize oxygen or organic materials directly. For  this reason TiO2 is added to confer sterilizing, deodorizing and anti‐fouling properties to paints, cements,  windows, and tiles.  Titanium nanoparticles (30‐50nm, often referred to as nano‐TiO2) are at the centre of much attention  due to their optical and catalytic properties: they retain the ability to adsorb UV light but light scattering  is dramatically reduced, so that TiO2 goes from appearing white to transparent (a detailed explanation of  this effect is given in Chapter 4 of Module 1 (“Fundamental nano‐effects”). Nano‐TiO2 is thus suitable  for  transparent  coatings,  and  for  new  generation  sunscreens,  which  are  characterised  by  a  high  protective factor but transparent appearance.  The catalytic properties of TiO2 when in a nano‐size are  also greatly enhanced due to the large surface‐to‐volume ration. This property is increasingly used for  chemical  catalysis  applications  such  as  photo‐catalytic  purification  of  water  and  air  to  decompose  organic pollutants (solar photocatalytic remediation). Thin films of TiO2 are used in windows to confer  self‐cleaning  properties  to  the  glass  (this  of  application  of  nano‐TiO2  nanoparticles  is  reviewed  in  the  “nanocoatings” section of this document).   Another important application of nano‐TiO2 is in organic solar cells, like the Grätzel solar  cell,  where  nano‐TiO2  is  used  as  the  catalyst  to  promote  light‐induced  electrical  charge  separation. The use of titanium dioxide in this type of solar cells is covered in more detail in  Chapter 2 “Applications of Nanotechnologies: Environment” of Module 2.  One  limitation  of  using  TiO2  as  a  photocatalist  is  that  this  material  only  adsorbs  UV  light  which  represents about 5% of the solar spectrum. In this context, nanotechnology could bring an improvement  in  the  form  of  nanoparticles  with  surfaces  modified  with  organic  or  inorganic  dyes  to  increase  the  photoresponse window of TiO2 from UV to visible light.   Zinc dioxide  Zinc oxide (ZnO) has some similar properties to TiO2, i.e., its nanoparticles scatter light so it can be used  for transparent UV filters, in creams or coatings. Like TiO2 it is used for solar photocatalytic remediation  Page 22 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 23.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  but compared to TiO2 it has a weaker photocatalytic effect. ZnO also suffers from the same limitation of  adsorbing only a fraction of the solar spectrum so research is underway to increase its photoresponse.   A  peculiarity  of  ZnO  is  that  it  has  a  tendency  to  grow  in  self‐organised  nanostructures.  By  controlling  crystal growth conditions, a variety of crystal shapes are possible. Researchers have been able to grow  nanoscale  wires,  rods,  rings  etc.  ZnO  nanocolumns  are  of  particular  interest  since  low‐temperature  photoluminescence  measurements  have  revealed  intense  and  detailed  ultraviolet  light  emission  near  the optical band gap of ZnO at 3.37 eV. ZnO thus can act as an optical amplification medium and as a  laser resonator.  NANOYOU VIRTUAL GAME: Students can try to synthesise ZnO nanowires through a virtual lab excersise.  Details are found at www.nanoyou.eu/virtual‐lab.html    ZnO  wires  arrayed  on  a  surface  are  also  being  investigated  as  piezoelectric  elements  for  miniaturised  power  sources.  This  would  allow  creating  flexible,  portable  power  sources  that  could  be  included  in  textiles so that they are able to scavenge energy from body motion, light wind, air flow etc .   Figure  14.  Patterned  ZnO  grown  as  vertical  pillars  in  an  arrayed  format.  (Reprinted  with  permission  from  Xu  et  al.,  Journal  of  American  Chemical  Society  2008,  130,  14958‐14959.  Copyright 2008 American Chemical Society.     The use of ZnO  for the development of miniaturized power sources is described in details  in Chapter 3 of Module 2 “Applications of Nanotechnologies: Energy”.          Page 23 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 24.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  ITO  ITO is a semiconducting material whose main feature is the combination of electrical conductivity and  optical transparency. ITO is made of Indium(III)‐oxide (In2O3) to around 90% and Tin(V)‐oxide (SnO2) to  around  10%.  It  is  widely  used  in  its  thin‐film  form  as  transparent  electrodes  in  liquid  crystal  displays,  touch screens, LEDs, thin‐film solar cells, semiconducting sensors etc. ITO is an infrared absorber thus it  is  now  used  as  a  thermal  insulation  coating  on  window  glass.  Its  anti‐static  properties  make  it  additionally useful in applications like packaging and storing of electronic equipment. Since the material  is  very  expensive  alternative  materials,  such  as  fluor  tin  oxides  and  aluminium  zinc  oxides  are  considered. The use of ITO in “smart coatings” is further discussed in the “Nanocoatings” section of this  document.  Photonic crystals   A  photonic  crystal  consists  of  a  lattice  of  periodic  dielectric  or  metal‐dielectric  nanostructures  that  affects  the  propagation  of  electromagnetic  waves.  Essentially,  photonic  crystals  contain  regularly  repeating internal regions of high and low dielectric constant. Photons (behaving as waves) propagate  through this structure ‐ or not ‐ depending on their wavelength. The periodicity of the photonic crystal  structure has to be of the same length‐scale as half the wavelength of the electromagnetic waves, i.e.  ~200 nm (blue) to 350 nm (red) for photonic crystals operating in the visible part of the spectrum. Such  crystals  have  to  be  artificially  fabricated  by  methods  such  as  electron‐beam  lithography  and  X‐ray  lithography.   Photonic crystals exist in Nature. For instance in Chapter 2 of Module 1 “Natural Nanomaterials” it was  shown how the beautiful blue wings of some butterflies own their colour to their internal nanostructure  which is in fact a photonic crystal structure.  Photonic crystals are now receiving much attention because of their potentials in particular  in  the  optical‐communication  industry.  Researches  are  considering  using  light  and  photonic  crystals  (in  alternative  to  electrons  travelling  in  wires)  for  the  new  generation  integrated circuits. Light can travel much faster in a dielectric medium than an electron in a wire, and it  can  carry  a  larger  amount  of  information  per  second.  Given  the  impact  that  semiconductor  materials  have  had  on  every  sector  of  society,  photonic  crystals  could  play  an  even  greater  role  in  the  21st  century.  Photonics  and  their  impact  in  the  ICT  sector  are  analysed  in  Chapter  4  of  Module  2  (“Application of Nanotechnologies: ICT”)  Page 24 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 25.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Ceramic and glassy materials  Ceramic  materials  by  definition  are  ionically  bound;  they  are  hard  materials,  both  electrically  and  thermally very stable. In this category are included for instance Al2O3, Si3N4, MgO, SiO2, Na2O, CaO, and  ZrO2.  Ceramics  are  characterised  by  being  hard  yet  brittle,  therefore  in  many  cases  they  are  used  as  composites  where  they  are  mixed  with  other  materials  (e.g.,  metals)  to  increase  their  mechanical  performance. Composite hard nanocoatings are particularly important for cutting tools (see the section  “Inorganic composites” in this document).  Ceramic  exist  both  in  a  crystalline  and  non‐crystalline  form  (for  instance  the  broad  family  of  “glass”).  Nanostructures  within  the  material  have  important  consequences  for  their  properties  as  discussed  in  the next sessions.  Porous alumina  Porous  alumina  membranes  produced  by  anodic  aluminium  oxidation  are  characterized  by  having  hexagonally  close‐packed  channels  with  diameters  ranging  from  10nm  to  250  nm  or  grater.    This  material is often used as a template for the synthesis of other materials.   Zeolites  Zeolites  are  natural  crystalline  materials  with  pores  having  regular  arrangements.  They  are  also  often  used in the template synthesis of nanomaterial. They can also be used to prepare organized structures  of a certain material to confer new optical properties to it. For instance, selenium  can  be  incorporated  in  the  channels  of  Figure  15.  A  schematic  mordenite,  a  natural  zeolite.  The  difference  of  a  representation  of  a  zeolite.  mordenite‐selenium  crystal  compared  to  a  (Image  credit:  Wikimedia  natural  selenium  crystal  is  noteworthy:  the  Commons,  image  for  public  optical  absorption  spectrum  is  considerably  domain).  shifted  to  higher  energies  for  the  mordenite‐ selenium crystal.        Page 25 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 26.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Aerogels  Silicon  dioxide  (SiO2)  is  the  main  fraction  of  quartz.  It  is  chemically  robust  and  finds widespread applications.  In commercial products it appears as additive in  rubber  products  for  vehicle  tires  but  it  is  also  the  component  of  new  types  of  aerogels. Generally speaking an aerogel is a solid with up to 95% of the volume  consisting  of  nanoscale  pores.  Aerogels  Figure  16.  The  thermal  insulating  are  manufactured  with  a  sol‐gel  properties  of  a  silica  aerogel.  (Image  technique  and  can  be  made  of  carbon,  credit: Wikimedia Commons, image for  metal oxide, polymers or silicates.   public domain).  Due  to  their  high  porosity  aerogels  have  an  extremely  high  surface  area  and  very  low  thermal  conductivity. Thus they are suitable for thermal insulation and as filter materials (Figure 16). Another  prominent property is their low specific weight, making them interesting for lightweight construction.  Aerogels  are  also  interesting  for  their  optical  properties,  namely  high  optical  transparencies.    Silica  aerogels  are  made  of  pores  of  about  10  nm  arranged  in  distances  between  10  and  100nm.  They  are  resistant  and  chemically  inert  to  liquid  metals,  heat  resistant  up  to  1200  ºC  and  non‐toxic,  thus  they  have also biomedical applications, such as substrates for cell growth and analysis. One of the problems  of  SiO2  aerogels  that  needs  to  be  addressed  is  that  this  material  needs  to  be  costly  protected  against  humidity, since it is not water resistant and suffers from a loss of stability and thermal conductivity once  it gets wet.  Carbon­based materials  In  Nature  there  are  some  pure  materials  that  have  striking  different  properties  even  though  they  are  made of the same atoms. For instance, graphite and diamond (Figure 17): two very popular materials,  one used conventionally in pencils and the other in jewellery. These two materials could not be more  different: graphite is soft, light, flexible, and conducts electricity while diamond is extremely strong, hard  and  does  not  conduct  electricity.  Both  materials  are  made  of  atoms  of  carbon  linked  through  strong  bindings (covalent), but in graphite each carbon uses three out of his four electrons to form single bonds  with its neighbours, forming a linear sheet, whereas in diamonds each carbon uses all its four electrons  to form four single bonds, resulting in a 3‐D structure. The different properties of graphite and diamond  are a consequence of the different way the carbon atoms in the materials are bonded together.   Page 26 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 27.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Figure 17. Two allotropes of carbon and their respective  chemical structure: (left, top and bottom): diamond; right  (top and bottom): graphite.(Image credit: Wiki Commons,  Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)  Graphite and diamond are two pure forms (allotropes) of  carbon. In 1985 a new allotrope of carbon was discovered  formed  of  60  atoms  of  carbons  linked  together  though  single  covalent  bonds  arranged  in  a  highly  symmetrical,  closed shell that resembles a soccer ball. This material was  officially  named  Buckminster  fullerene  and  is  often  referred  to  as  buckyball,  fullerene  or  simply  C60.  Since its discovery, fullerenes with 70, 80 and even more carbons were discovered.   Figure  18.  Eight  allotropes  of  carbon:  (a)  diamond,  (b)  graphite,  (c)  lonsdaleite,  (d)  C60,  (e)  C540,  (f)  C70,  (g)  amorphous  carbon  and  (h)  a  carbon  nanotube.  Image  by  Michael  Ströc,  (GNU  Free  Documentation License).    In the early 1990s, an incredibly new carbon form  was  discovered,  carbon  nanotubes.  These  appear  like  graphite  sheets  rolled  up  with  fullerene‐type  end  caps,  but  have  totally  different  properties  compared  to  graphite.  Figure  18  shows  different  forms  of  carbon  allotropes  (image  d  and  h  are  structures of a C60 and a nanotube, respectively).    It  is  now  known  that  fullerenes  and  carbon  nanotubes  form  naturally  in  common  places  like  flames  (produced  by  burning  methane,  ethylene  and  benzene)  and  in  soot.  Scientists  have  now  developed  methods to synthesize these nanomaterials with control over their final properties.  Page 27 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 28.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Carbon nanotubes  Carbon nanotubes can be as single‐wall nanotubes (SWNTs), with a diameter of approximately 1.4nm, or  multi‐wall  nanotubes  (MWNTs),  consisting  of  2  to  30  concentric  tubes  with  an  outer  diameter  of  30‐ 50nm. The structure of a SWNT can be conceptualized by wrapping a one‐atom‐thick layer of graphite  called graphene into a cylinder. To complete the nanotube, imagine adding two half fullerenes on each  end of the nanotube.   Carbon nanotubes can range in length from a few tens of nanometres to several micrometers, and can  have  metallic  properties  (comparable  to,  or  even  better  than  copper)  or  can  be  semiconductors  (like  silicon  in  transistors),  depending  on  their  structure.  These  nanomaterials  are  truly  amazing  and  have  great potential in numerous fields as illustrated in Figure 19.                      Figure 19. Overview of application areas of carbon nanotubes. (Reprinted from: M.A.H. Hyder, Master  Thesis, Technical University of Hamburg‐Harburg, Germany, Copyright M. A. H. Hyder 2003).    Page 28 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 29.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  The application of CNTs in the energy, environment, medicine and ICT sectors are covered  in the respective application chapters in Module 2.    Mechanical properties  The chemical bonding of nanotubes is composed entirely of sp2 bonds (carbon double bonds), similar to  those of graphite (whereas in diamonds all bonds are sp3). This bonding structure, which is stronger than  the  sp3  bonds  found  in  diamonds,  provides  the  molecules  with  their  unique  strength.  Nanotubes  naturally align themselves into "ropes" held together by Van der Waals forces.   Theoretical predictions say that carbon nanotubes are 100 times stronger than steel but have  one sixth of its weight. Therefore they are ideal in lightweight construction, for instance for the  automotive  and  aviation  industry.  Carbon  nanotubes  are  already  used  in  some  consumer  products to add strength (without compromising weight) such as tennis rackets.   The mechanical properties of carbon nanotubes are summarised in the table below. Young modulus (Y)  is a measure of how stiff, or elastic, a material is. The higher the value is, the less a material deforms  when a force is applied. The tensile strength describes the maximum force that can be applied per unit  area before the material snaps or breaks. A third interesting measure of a material is its density, which  gives an idea of how light a material is. From the table below it can be seen that wood is very light but  weak, while nanotubes are many times stronger than steel and yet much lighter.  Material  Young´s  Tensile  Density  Modulus (GPa)  Strenght (GPa)  (g/cm3)  Single‐wall  800  >30  1.8  nanotube  Multi‐wall  800  >30  2.6  nanotube  Diamond  1140  >20  3.52  Graphite  8  0.2  2.25  Steel  208  0.4  7.8  Wood  16  0.008  0.6  Table 1  Page 29 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 30.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Because  of  their  mechanical  properties  carbon  nanotubes  are  very  interesting  as  fillers  in  polymeric and inorganic composites.    Electrical and thermal properties  The  electrical  properties  of  a  material  are  based  on  the  movement  of  electrons  and  the  spaces  or  “holes”  they  leave  behind.  These  properties  are  based  on  the  chemical  and  physical  structure  of  the  material.  In  nanoscale  materials  some  interesting  electrical  properties  appear.  Carbon  nanotubes  are  the best example of this effect at the nanoscale. If one considers “building” a nanotube by rolling up a  graphene  sheet,  the  resulting  nanotube  can  be  conductive  (and  indeed,  very  conductive!)  or  semiconductive with relatively large band gaps. The electrical properties of the nanotube depend on the  way it was “rolled up” (better known as chirality). If it is rolled up so that its hexagons line up straight  along the tube’s axis, the nanotube acts as a metal (conductive). If it is rolled up on the diagonal, so the  hexagons spiral along the axis, it acts as a semiconductor.   Why  is  it  so?  Graphene  (that  is,  one  layer  of  graphite)  is  not  an  insulator,  but  neither  a  metal  nor  a  semiconductor; it has electrical properties somehow in between, it is called a “semimetal”. When rolled  up, it leads to a structure that is either metallic or semiconducting. On the other hand diamond has a  tetrahedral  structure  (derived  from  the  fact  that  carbons  are  hybridized  sp3  rather  than  sp2  like  in  graphene) and is insulator.  One interesting property found in single walled carbon nanotubes (SWCNT) is that electric conductance  within them is ballistic (which means that all electrons in the conductor go into one end come out of the  other end without scattering, regardless of how far they need to travel).   Researchers  are  also  investigating  if  nanotubes  can  be  superconductors  near  room  temperature,  meaning  ballistic  conductors  that  also  exhibit  a  resistance  of  zero.  A  superconductor  can  transport  an  enormous amount of current flow at tiny voltages. At present known superconductors work at very low  temperatures. This field of research is very important since if a material was superconductive at room  temperature,  it  would  carry  current  with  no  resistance  at  room  temperature,  with  no  energy  lost  as  heat. This could lead to faster, lower‐power electronics and the ability to carry electricity long distances  with 100 per cent efficiency.   Page 30 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 31.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Nanotubes  as  superconductors,  and  their  applications,  is  further  discussed  Chapter  3  “Applications of Nanotechnologies: Energy” of Module 2.  In terms of thermal properties, carbon nanotubes dissipate heat better than any other known material  and are excellent thermal conductors.  Chemical reactivity  Carbon  nanotubes  are  very  stable;  they  can  withstand  the  attack  of  numerous  chemicals  and  resist  exposure  to  a  large  temperature  range.  However,  their  chemical  structure  can  be  changed  by  the  addition  of  specific  ligands  with  functional  groups  that  allow  the  interaction  with  different  chemicals.  This allows using them in sensors.   Applications  Carbon  nanotubes  are  very  promising  materials  for  numerous  applications  (these  will  be  described  in  more  details  in  Module  2).  Applications  include:  nanomedicine  (drug  deliver),  environment  (chemical  sensors),  energy  (supercapacitors,  hydrogen  storage  materials,  solar  cells),  ICT  (integrated  circuits,  electronic paper), advanced materials for construction, transport, sport equipment, and more.  Scientists have now developed methods to control the synthesis of carbon nanotubes to obtain regular  structures with specific properties. To date, thought, the synthetic processes lead to moderate amount  of  CNTs  and,  mostly,  very  limited  length  (on  the  order  of  millimetres).  Often  these  processes  lead  to  CNTs which are not totally pure (traces of the catalyst used in the synthesis are present in the product)  and this has been associated with toxicity issues of CNTs.  The  cost  associated  to  the  production  of  carbon  nanotubes  is  extremely  high.  In  the  future  this  cost  must be considerably reduced to allow large‐scale production and use of CNTs.  Composites  The idea behind nanocomposites is to use building blocks with dimensions in the nanometre range to  design  and  create  new  materials  with  unprecedented  flexibility  and  improvements  in  their  physical  properties. This concept is exemplified in many naturally occurring materials, like the bone, which is a  hierarchical nanocomposite built from ceramic tablets and organic binders (see Chapter 2 of Module 1  “natural  Nanomaterials”).  When  designing  the  nanocomposite,  scientists  can  chose  constituents  with  Page 31 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 32.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  different  structures  and  composition  and  hence  properties,  so  that  materials  built  from  them  can  be  multifunctional.   As a general definition a nanocomposite is a conventional material reinforced by nanoscale particles or  nanostructures which are dispersed through the bulk material. The base material itself generally consists  of non‐nanoscale matrices. Nanocomposite typically  consists of an inorganic (host) solid containing an  organic component or vice versa or two (or more) inorganic/organic phases in some combinatorial form.  At least one component must be in the nanosize. In general, nanocomposite materials can demonstrate  different mechanical, electrical, optical, electrochemical, catalytic, and structural properties which are  different  from  that  of  the  individual  components.  Apart  from  the  properties  of  the  individual  components, interfaces in a nanocomposite play an important role in determining the overall properties  of  the  material.  Due  to  the  high  surface  area  of  nanostructures,  nanocomposites  present  many  interfaces between the intermixed phases, and often the special properties of the nanocomposite are a  consequence of the interaction of its phases at interfaces. In comparison, the interfaces in conventional  composites constitute a much smaller volume fraction of the bulk material.   In this chapter, nanocomposites are sub‐divided in two main groups: inorganic nanocomposites, which  are  characterised  by  an  inorganic  matrix  (e.g.,  ceramic)  reinforced  by  nanoscale  particles  or  nanostructures  of  inorganic  (e.g.,  metal)  or  organic  (e.g.,  carbon‐based)  nature;  and  polymer  nanocomposites, which are characterised by an organic matrix (e.g., polymer) reinforced by nanoscale  particles or nanostructures by inorganic (e.g., clay) or organic nature.  Inorganic nano composites  High‐performance ceramics are sought in many applications, like highly efficient gas turbines, aerospace  materials, automobiles etc. The field of ceramics that focuses on improving their mechanical properties  is referred to as structural ceramics.   Nanocomposite technology is also applicable to functional ceramics such as ferroelectric, piezoelectric,  varistor and ion‐conducting materials. In this case the properties of these nanocomposites relate to the  dynamic behaviour of ionic and electronic species in electro‐ceramic materials. Among these materials  here we limit the review to nanocomposite with enhanced magnetic properties.      Page 32 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 33.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Structural nanocomposites  Presently  even  the  best  processed  ceramics  pose  many  unsolved  problems  such  as  poor  resistance  to  creep, fatigue and thermal shock; degradation of mechanical properties at high temperatures; and low  fracture  toughness  and  strength.  To  solve  these  problems  one  approach  has  been  incorporating  a  second phase such as particulates, platelets, whiskers, and fibres in the micron‐size range at the matrix  grain boundaries. However, the results obtained with these methods have been generally disappointing.  Recently, the concept of nanocomposites have been considered, where nanometre‐size second phase  dispersions are inserted into ceramic matrices. Large improvements in both the fracture toughness and  the strength of a ceramic can often be achieved with nanometre‐range particles embedded in a matrix  of  larger  grains  at  their  grain  boundaries.  These  can  involve  the  incorporation  of  a  nano‐ceramic  in  a  bulk  ceramic,  a  nano‐metal  in  a  ceramic,  or  a  nano‐ceramic  in  a  metal.  Another  possibility  is  the  incorporation  of  a  polymer  in  a  ceramic.  Without  going  too  much  into  the  details,  we  list  here  some  examples of inorganic nanocomposites that have improved structural properties:  The incorporation of fine SiC and Si3N4 nanoparticles in an alumina matrix (Al2O3, a structural  ceramic material) first demonstrated the concept of structural nanocomposites. The dispersion  of these particles have shown to improve the fracture toughness from 3 to 4.8 MPa m1/2 and  the strength from 350 to 1050 MPa at only 5 vol. % additions of SiC.  One possibility for the fabrication of advanced structural ceramics is the dispersion of metallic  second‐phase  particles  into  ceramics  which  improves  their  mechanical  properties,  such  as  fracture  toughness, and influences other properties including magnetic and  optical properties.  Nanomposites  of  this  type  are  Al2O3/W  or  MgO/Fe.  Granular  films  can  also  be  made  with  a  ceramic phase embedded  with nanosize metal granules (such as Fe/Al2O3, Fe/SiO2). Such films  often show unusual or enhanced transport, optical and magnetic properties. The inclusion of  nanosized metals in a thin ceramic film can transform it from an insulator to a conductive film.  Another  possibility  is  to  add  fine,  rigid  ceramic  reinforcements  to  a  ductile  metal  or  alloy  matrix (called metal matrix composites, or MMC). The reinforcement can be either in the form  of  particles  (e.g.,  silicon  carbide,  aluminium  oxide),  fibres  (e.g.,  silicon  oxide,  carbon)  or  a  mixture  of  both  (hybrid  reinforcement).  Materials  produced  with  this  method  are  particularly  useful in the aerospace, automotive and aircraft industry. The advantage of MMCs is that they  combine  metallic  properties  (ductility  and  toughness)  with  ceramic  characteristics  (high  strength and modulus), leading to materials having greater strength to shear and compression  Page 33 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 34.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  and to higher working temperature capabilities. The properties of MMCs are controlled by the  size  and  volume  fraction  of  the  reinforcements  as  well  as  by  the  nature  of  the  matrix/reinforcement  interface.  The  attention  is  now  oriented  towards  the  incorporation  of  nanoparticles  and  nanotubes  for  structural  applications,  since  these  materials  exhibit  even  greater improvements in the physical, mechanical and tribological properties compared to MMC  with micron‐size reinforcements.  Nanoscale ceramic powders with carbon nanotubes provide another method for creating dense  ceramic‐matrix  composites  with  enhanced  mechanical  properties.  For  instance  hot  pressed  α‐ alumina  with  mixed  carbon  nanotubes  results  in  lightweight  composites  with  enhanced  strength  and  fracture  toughness  compared  to  polycrystalline  alumina.  The  processing  conditions greatly influence the properties of this material, though. In metal matrix composites  (MMC)  the  incorporation  of  carbon  nanotubes  is  considered  very  promising  since  these  materials  have  higher  strength,  stiffness  and  electrical  conductivity  compared  to  conventional  metals.   Nanocomposites with enhanced magnetic properties  Materials with outstanding magnet properties are of high demand as these are employed in nearly all  important  technical  fields,  e.g.,  electrical  power,  mechanical  power,  high‐power  electromotors,  miniature motors, computer elements, magnetic high density recording, telecommunication, navigation,  aviation  and  space  operations,  medicine,  sensor  techniques,  magnetic  refrigeration,  materials  testing  and  household  applications.  Recent  developments  in  the  field  of  magnetic  materials  have  involved  materials with a nanocrystalline structure or, in the case of thin‐films, layers of nanometre thickness.   Nanostructuring of bulk magnetic materials leads to soft or hard magnets with improved properties.   An  example  is  the  “Finemet”  nanocrystalline  soft  magnetic  alloys,  which  consist  of  melt‐spun  Fe‐Si‐B  alloys containing small amounts of Nb and Cu. When annealing at temperatures above the crystallization  temperature,  the  Fe‐Si‐B‐Nb‐Cu  amorphous  phase  transforms  to  a  crystalline  solid  with  grain  sized  of  about  10nm.  These  alloys  have  excellent  magnetic  induction  and  large  permeability,  and  a  very  small  coercive field.   Nanosized magnetic powders can have extreme properties and have no hysteresis at any temperature.  These  materials  are  called  superparamagnetic  and  one  example  is  nanosized  powders  of  a  Ni‐Fe‐Co  alloy.  Page 34 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 35.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Nanostructuring  has  also  been  studied  in  the  context  of  hard  magnets  (permanent  magnets).  The  strongest  known  magnets  are  made  of  neodymium  (Nd),  iron  and  boron  (e.g.,  Nd2Fe14B).  In  these  materials  is  has  been  found  that  the  coercive  field  decreases  significantly  below  ~40  nm  and  the  remnant magnetization increases. Another approach to improve the magnetization curve of permanent  magnets  has  been  to  make  nanocomposites  made  of  hard  magnetic  phases,  such  as  Nd2Fe14B  and  Sm2Fe17N3, within soft magnetic matrices (e.g., soft α‐phase of iron). The effect of the inclusion of a soft  iron mixed in with a hard material is to increase the remnant field.   The  size  of  the  grain  size  of  the  material  also  influences  the  magnetization  saturation  point.  For  instance the magnetization of ferrite increases significantly below a grain size of 20nm. Thus reducing  the  size  of  the  grains  in  the  magnet  increases  the  energy  product  (which  is  the  product  of  magnetization and coercivity). The coercivity also increases with decreasing the grain sizes. In the case  of  nanocomposite  magnetic  films  this  is  true  if  the  grains  are  isolated  (no  interaction),  but  when  the  grains start contacting and exchange interaction kicks in, the coercivity falls rapidly with grain size. The  coercivity  is  thus  highest  at  percolation,  when  the  grains  just  start  touching  each  other.  This  effect  is  important in the context of designing thin film nanocomposites (magnetic multilayer nanocomposites)  for instance for high magnetic density recording.  Magnetic  multilayer  nanocomposites  are  becoming  an  essential  component  of  the  new  generation data storage devices like Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM).  This  and  other  nanostructured  devices  made  of  nanomagnets  with  application  in  the  ICT  sector are discussed in Chapter 4 of Module 2 (“Applications of Nanotechnologies: ICT”).  Polymer Nanocomposites   Polymer composites are materials where a polymer is filled with an inorganic synthetic and/or natural  compound  in  order  to  increase  several  properties,  like  heat  resistance  or  mechanical  strength,  or  to  decrease  other  properties,  like  electrical  conductivity  or  permeability  for  gases  like  oxygen  or  water  vapour.  Materials  with  synergistic  properties  are  used  to  prepare  composites  with  tailored  characteristics; for instance high‐modulus but brittle carbon fibres are added to low‐modulus polymers  to  create  a  stiff,  light‐weight  polymer  composite  with  some  degree  of  toughness.  Current  polymer  composites are really filled polymers, since these materials lack an intense interaction at the interface  between the two mixed partners. Progress in this field has involved moving from macro scale fillers, to  micron‐scale fillers, to even smaller fillers.   Page 35 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 36.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  In  recent  years  scientists  have  started  to  explore  a  new  approach  to  the  production  of  polymer  composites  with  the  use  of  nanoscale  fillers,  in  which  the  filler  is  below  100nm  in  at  least  one  dimension.  Nanoscale  fillers  include:  nanoparticles;  nanotubes;  and  layered  (also  called  “plate‐like”)  Figure  20.  Schematic  of  nanoscale  fillers.  make  inorganic materials such as clays (Figure 20).  own  copy.  (Image  credit:  L.  Filipponi,  iNANO,  Aarhus  University,  Creative  Commons  Attribution  ShareAlike 3.0).         Although some nanofilled composites have been used for more then a century, such as carbon black  and fumed silica filled polymers, only recently researchers have started  to systematically produce and  study those materials. The motivation has been the realization of the exceptional combined properties  that have been observed in some polymer nanocomposites. This, together with substantial development  in the chemical processing of nanoparticles and in the in situ processing of nanocomposites has led to  unprecedented control over the morphology of these materials.   One  of  the  most  common  reasons  for  adding  fillers  to  polymers  is  to  improve  their  mechanical  performance. In traditional composites this often compromises the ductility of the polymer and in some  cases  impacts  negatively  its  strength,  because  of  stress  concentration  caused  by  the  fillers.  Well  dispersed  nanofillers,  such  as  nanoparticles  or  nanotubes,  can  improve  the  modulus  and  the  strength  and  maintain  (or  even  improve)  ductility  because  their  small  size  does  not  create  large  stress  concentration. For all nanofillers, a key requirement is the homogeneous dispersion of the filler within  the polymer matrix. As it will be discussed in the next sessions, this is a challenge in many cases, and a  topic of intense research.   Although the scientific community has made remarkable progress in this field in the last years, polymer  nanocomposites  have  just  started  to  be  explored,  and  many  research  question  still  need  to  be  addressed. What is clear so far is that the use of nanoscale fillers opens the doors for the development  of  materials  with  exceptional  properties.  For  instance,  nanoparticles  do  not  scatter  light  significantly,  thus  it  is  possible  to  make  polymer  composites  with  altered  electrical  or  mechanical  properties  that  remain  optically  clear.  Nanoparticles  are  also  of  interest  not  just  for  their  small  size,  but  for  their  Page 36 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 37.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  inherent  unique  properties.  Carbon  nanotubes  for  instance  display  the  so  far  highest  values  of  elastic  modulus, as high as 1 TPa, and strengths that can be as high as 500 GPa. This could allow for instance  the fabrication of polymeric composites with exceptional strength and flexibility.   Another  outstanding  property  that  the  use  of  nanoscale  fillers  confers  to  the  nanocomposites  is  an  exceptionally large interfacial area. The increase of surface area below 100nm is dramatic. The interface  controls  the  degree  of  interaction  between  the  filler  and  the  polymer,  and  is  thus  responsible  for  the  composite  properties.  Thus  the  largest  challenge  in  nanocomposite  science  is  learning  to  control  the  interface.   Nanoscale  fillers  can  potentially  allow  creating  a  vast  variety  of  different  polymeric  materials  with  advanced properties. In general macroscopic reinforcement elements have the limitation of containing  always  imperfections,  but  as  the  reinforcements  become  smaller  and  smaller,  structural  perfection  could  be  reached.  The  ideal  reinforcements  would  have  atomic  or  molecular  dimensions  and  be  intimately connected with the polymer. The use of nanoscale fillers, though, also introduces a series of  fabrication  challenges.  Because  of  their  small  size  and  high  surface  area,  nanoscale  fillers  such  as  nanoparticles have a strong tendency to agglomerate rather to disperse homogeneously in a matrix. This  leads to particle‐matrix mixtures with high viscosities, which can make the processing of those materials  quite  challenging.  The  result  is  that  even  the  most  exciting  polymer  nanocomposites  have  very  low  fractions  of  particle  content,  and  relatively  weak  mechanical  properties  when  compared  with  those  predicted in theory. Therefore polymer nanocomposites are a type of exciting advanced materials that  hold great promise in many application, but which are still mainly in a development stage. The intense  research efforts in this area though suggest that these materials will become more readily accessible in  the near future.  Nanoparticle­ polymer nanocomposites  Nanoparticles  are  a  type  of  nanofillers  that  offer  the  opportunity  to  develop  polymers  with  new  or  advanced properties. As discussed before the size of a nanoparticle affects its properties; for instance Au  nanoparticles  have  different  optical  absorption  spectrum  depending  on  the  particle  size.  One  of  the  advantages of using nanoparticles in polymer composites is that the particle size and distribution can be  tuned.  Materials  that  cannot  be  grown  easily  as  single  crystals  can  be  used  at  the  nanoscale  and  dispersed in a polymer to take advantage of the single‐crystal properties.   Page 37 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 38.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  In  general,  nanoparticle‐filled  polymer  display  better  mechanical  properties,  at  least  at  low  volume  fractions and if well dispersed in the polymer. The reason is that nanoparticles are much smaller than  the critical crack size for polymers and thus don’t initiate failure. Thus nanoparticles provide a way for  simultaneously  toughening  and  strengthening  polymers.  Proper  dispersion  is  critical,  though,  for  achieving this.   The  size  scale  of  nanoparticle/polymer  composites  ranges  from  hybrid  nanocomposites,  in  which  the  polymer matrix and the filler are so intimately mixed that they are no longer truly distinct, to discrete  particles in a continuous matrix.  Hybrid nanocomposites often arise by the use of block copolymers, and  this is discussed in a separate section of this chapter (see the section “Polymers”).  In  terms  of  properties,  the  use  of  nanoparticle  in  filling  polymers  not  only  can  influence  the  polymer  mechanical  properties,  but  also  the  polymer  mobility  and  relaxation  behaviour,  which  in  turn  are  connected with the glass transition temperature of the polymer (Tg), that is, the temperature at which a  polymer  becomes  brittle  on  cooling  or  soft  on  heating.  In  general,  adding  well  dispersed,  exfoliated  nanofiller  increases  the  Tg  of  the  polymer.  Nanoparticle‐filled  polymers  show  also  an  increase  in  the  abrasion resistance of the composite.   One  of  the  most  exciting  opportunities  of  using  nanoparticles  in  polymer  composites  is  to  create  composites  with  combined  functionalities,  such  as  electrically  conducting  composites  with  good  wear  properties that are optically clear. This is possible since nanoparticles do not scatter light.                            Carbon nanotubes in polymer composites  Carbon nanotubes have very distinct properties compared to graphite, as summarized in Table 1 (page  29). In the context of nanocomposites, SWNT are the most promising nanotube fillers. Some properties  are particularly interesting, in particular their flexibility under mechanical stress, their behaviour under  high temperature conditions and their electrical properties. As with other applications that make use of  carbon nanotubes, in composites it has been observed that the processing conditions ultimately affect  nanotubes  properties,  and  as  a  consequence  the  composite,  as  well  as  the  nanotubes  purity.  Carbon  nanotubes  can  also  be  doped,  for  instance  with  nitrogen  and  boron,  which  changes  their  surface  reactivity. For instance nitrogen atoms inserted in the lattice of nanotubes makes them more dispersed  is  solution  (carbon  nanotubes  are  insoluble  in  water).  Modified  nanotubes  present  different  electrical  and optical properties and hence their use could lead to composites with novel properties.  Page 38 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 39.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  It should be noted that the inclusion of carbon nanotubes in a polymer does not necessarily improve  its  mechanical  properties.  Although  in  theory  the  modulus  of  nanotubes  is  much  higher  then  any  graphite fibre, and hence of the composite should have outstanding mechanical properties, it has been  demonstrated that a number variables influence this outcome. For SWNT composites, the SWNT are in a  bundle;  until  SWNT  are  isolated  from  the  bundles  or  the  bundles  are  crosslinked,  the  modulus  of  composites made from these materials will be limited. For this reason researchers are concentrating on  developing  processing  methods  that  allow  obtaining  significant  volume  fractions  of  exfoliated  nanotubes.  As  it  will  be  also  discussed  later  for  clay‐polymer  nanocomposites,  the  structural  arrangement  of  the  nanofiller  within  the  polymer  is  also  important:  if  the  nanotubes  are  not  straight  when placed in the composite, then the modulus of the composite significantly decreases.  Apart  from  mechanical  enhancement  of  polymers,  nanotubes  are  also  of  interest  for  their  electrical  properties.  Carbon  nanotubes  are  inherently  more  conductive  then  graphite.  It  has  been  found  for  instance  that  nanotube/PPV  composites  show  large  increase  in  electrical  conductivity  compared  to  simple PPV, of nearly 8 orders of magnitude. Recently an improvement of 4.5 orders of magnitude in the  electrical conductivity of nanotube/PVA  nanocomposites has been reported.  Finally,  nanotube/polymer  composites  are  promising  in  the  context  of  light‐emitting  devices.  These  devices were developed after the discovery of electroluminescence from conjugated polymer materials  (such as PPV). The practical advantages of polymer‐based LEDs are low cost, low operating voltage, ease  of fabrication and flexibility. Small loadings of nanotubes in these polymer systems are used to tune the  colour of emitted light from organic LEDs.   Polymer­clay nanocomposites  In the late 1980s it was discovered that adding 5% in weight of nano‐sized clays to Nylon 6, a synthetic  polymer,  greatly  increased  its  mechanical  and  thermal  properties.  Since  then,  polymer‐clay  nanocomposites have been widely studied and many commercial products are available. These hybrid  materials are made of organic polymer matrices and clay fillers. Clays are a type of layered silicates that  are characterized by a fine 2D crystal structure; among these, mica has been the most studied. Mica is  made  up  of  large  sheets  of  silicate  held  together  by  relatively  strong  bonds.  Smectic  clays,  such  as  montmorillonite, have relatively weak bonds between layers. Each layer consists of two sheets of silica  held  together  by  cations  such  as  Li+,  Na+,  K+  and  Ca2+.  The  presence  of  the  cations  is  necessary  for  compensating  the  overall  negative  charge  of  the  single  layers.  The  layers  are  20‐200  nm  in  diameter  laterally  and  come  into  aggregates  called  tactoids,  which  can  be  about  1  nm  or  more  thick.  Naturally  Page 39 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 40.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  occurring clays include montmorillonite (MMT), hecrite, and heir synthetic equivalents are saponite and  laponite, respectively.   For these layered silicates to be useful as filler in nanocomposites, the layers must be separated, and  the  clay  throughout  mixed  in  the  polymer  matrix.  This  is  not  trivial  as  silicate  clays  are  inherently  hydrophilic,  whereas  polymers  tend  to  be  hydrophobic.  The  solution  is  to  exchange  the  cations  that  keep  together  the  layers  in  the  silicate  with  larger  inorganic  ions  that  can  thus  open  the  galleries  between  the  layers  (intercalation).  When  the  silicate  layers  get  completely  separated,  the  material  is  called exfoliated. In the case of intercalation, extended polymer chains are present between clay layers,  resulting  in  a  multilayer  structure  with  alternated  polymer/clay  phases  at  repeated  distances  of  few  nanometres;  in  the  exfoliated  state  the  silicate  layers  are  totally  separated  and  dispersed  in  a  continuous polymer matrix. Those two states are schematized in Figure 21.    Figure 21. Principle of formation of clay monolayer  containing  nanocomposites  with  enhanced  mechanical  and  barrier  properties.  (Reprinted  with  permission  from:  Weiss,  J.;  Takhistov,  P.;  McClements,  D.  J.,  “Functional  Materials  in  Food  Nanotechnology”.  In  Journal  of  Food  Science  2006;  Vol.  71,  pp  R107‐R116.  Copyright  2006  Wiley‐ Blackwell).      As  mentioned  before,  the  fabrication  of  a  polymer‐clay  nanocomposite  requires  mixing  two  components that are intrinsically non‐compatible. Surfactants are ionic, and thus interact well with the  clay, but not with the polymer. An ideal solution is the use of “macro‐surfactants” like block copolymers  combining  hydrophilic  and  hydrophobic  blocks  that  can  interact  with  the  clay  and  the  polymer,  respectively. For instance poly(ethylene oxide), or PEO, is an excellent intercalation material.   Although  homogenous  dispersion  of  the  filler  in  the  polymer  is  an  important  parameter,  another  important aspect is the packing (or alignment) of the filler in the polymer. To understand this concept it  is  useful  to  consider  a  natural  nanocomposite,  bone.  The  unique  properties  of  bone  are  a  list  of  Page 40 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 41.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  apparent contradictions: Rigid, but flexible; lightweight, but solid enough to support tissue; mechanically  strong,  but  porous.  In  order  to  meet  these  different  demands,  bone  has  a  hierarchical  structure  that  extends  from  the  nanoscale  to  the  macroscopic  length  scale.  The  hierarchical  structure  of  bone  is  responsible for its load transfer ability (see Chapter 2 of Module 1 “Natural Nanomaterials” for details  on the structure of bone). Nanoparticle‐filled polymer composites have mechanical properties that are  actually disappointing compared to theoretical predictions, and this is due to the difficulty in obtaining  well‐dispersed large volume fractions of the reinforcing nanomaterial and a lack of structural control.  Taking this into consideration, recently some scientists have reported the fabrication of ultrastrong and  stiff layered polymer nanocomposites. In this work bottom‐up assembly of clay/polymer nanocomposite  allowed  the  preparation  of  a  homogeneous,  transparent  material,  where  the  clay  nanosheets  are  oriented plenary. It was found that the stiffness and tensile strength of these multilayer nanocomposites  are one order of magnitude grater then those of analogous nanocomposites.  Nanocalys  are  used  as  fillers  in  polymers  also  to  increase  the  thermal  stability  of  polymers.  This  property  was  first  demonstrated  in  the  late  1960s  for  montmorillonite/PMMA  composites.  The  dispersion  of  the  clays  is  critical  to  increasing  the  thermal  stability  (that  is,  increase  the  degradation  temperature) of the polymer.   In addition to thermal stability, the flammability properties of many clay/polymer nanocomposites are  also improved. Combining traditional flame retardants with intercalated or, better, exfoliated clays can  result in further improvements in flame retardance.  Finally, polysaccharide/clay nanocomposites are a class of materials that are important especially for the  food  industry.  These  composite  make  use  of  naturally  occurring  polymers,  such  as  starch,  mixed  with  clay to make biopolymer film with enhanced properties, particularly permeability to water vapour.  Nanocoatings  Nanocoatings are a type of nanocomposites.  The layer thickness of a nanocoating is usually in the 1‐100  nm range. Nanocomposite films include multilayer thin‐films, in which the phases are separated along  the  thickness  of  the  film,  or  granular  films,  in  which  the  different  phases  are  distributed  within  each  plane of the film (Figure 22).   Page 41 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 42.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  Figure 22. Schematic of possible structures for  nanostructured  coatings.  (Left)  multilayeres  microstructure  (e.g.,  TiN/TiC)  for  nanocomposite  coatings;  (right)  homogeneous  nanostructured  coating  (e.g.,  NiCoCrAlY  alloy).  (Image  credit:  L.  Filipponi,    iNANO, Aarhus University, Creative Commons  Attribution ShareAlike 3.0).    Nanocoatings  allow  to  change  properties  of  some  materials,  for  instance  change  the  transmission  of  visible  and  IR  radiation  in  glass,  or  to  introduce  new  properties  such  as  “self‐cleaning”  effects.  In  this  document  this  first  type  of  nanocoating  will  be  discussed  under  the  umbrella  term  “responsive  nanocoatings”.  Another important area of application of nanocoatings is tribological coatings. Tribology is the science  and  technology  of  interacting  surfaces  in  relative  motion.  Tribological  properties  include  friction,  lubrication  and  wear.  Tribological  coatings  are  those  coatings  that  are  applied  to  the  surface  of  a  component in order to control its friction and wear. In this area the term “thin films” is often employed  in alternative of nanocoatings due to the fact that it is an area of innovation that started years ago and  has now reached the nanoscale.    Tribological nanocoatings  Tribological coatings play a key role in the performance of internal mechanical components of a vehicle,  such  as  the  engine  and  power  train.  They  are  also  key  elements  in  cutting  tools  and  machinery  in  general. By reducing wear and friction these coatings increase the lifetime of the working material while  also reducing the dissipation of energy as heat, thus increasing the efficiency of the moving part. When  applied to machinery and tools, tribological coatings can reduce (or eliminate) the need for lubricants,  increase  cutting  speed,  increase  the  rate  of  material  removal,  reduce  maintenance  costs  or  reduce  processing cycle times.    Traditional  materials  used  in  coatings  for  tribological  applications  are  carbides,  cemented  carbides,  metal ceramic oxides, nitrides and carbon‐based coatings. Since the microstructure controls many of the  physical  properties  of  the  coating,  having  a  nano‐scaled  microstructure  may  lead  to  significant  improvements  of  the  coatings´  mechanical  (e.g.,  hardness),  chemical  (e.g.,  corrosion  resistance)  and  Page 42 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 43.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  electrical  properties.  Thus  nanocomposite  coatings  are  presently  investigated  in  alternative  to  the  traditional approach of using specific alloying elements in single‐phase coating materials to improve, for  instance, properties such as hardness. One type of nanocomposite coatings are multilayered thin‐films  made of different layers in the orders on nanometres. These films are usually used for their enhanced  hardness  and  elastic  moduli,  which  is  higher  in  multilayered  films  than  in  homogeneous  thin  films  of  either component, and wear properties. Commercial multilayer coatings made with multilayer periods in  the  nanoscale  range  already  exist,  such  as  WC/C  coatings  used  in  the  cutting  tool  industry.  Other  examples  are  films  of  alternating  layers  of  TiN  and  NbN,  or  TiAlN/CrN  multilayers  which  are  more  efficient than TiAlN films.  Responsive nanocoatings  Responsive  nanocoatings  are  those  where  the  properties  of  the  material  in  the  coating  react  to  environment conditions, such as light or heat, either in a passive or an active way. These coatings allow  changing the properties of some materials, such as glass, by conferring new or improved properties.  The use of glass in modern building is very common, since it allows the construction of transparent and  seemingly  lightweight  structures.  However  the  relative  high  transmittance  of  visible  and  infrared  (IR)  light is a major disadvantage, since this leads to a large heat transfer which is particularly undesirable in  summer.  The  problem  is  reversed  in  winter,  when  heat  is  dispersed  through  the  glass.  In  order  to  address  these  problems  various  types  of  nano‐coatings  that  modulate  light  transmission  in  glass  are  under  investigation  and  commercialised.  The  aim  is  to  reduce  indoor  heating  in  summer,  so  less  air‐ conditioning is required to keep the ambient cool, with consequent energy saving. One type of coating is  referred to as “low‐e” meaning “low emissivity”, which is based on a thin silver film, about 10nm thick,  surrounded by dielectric layers. Metallic layers have been widely used to increase the reflectivity of light  (and reduce transmittance) for years, but they have the disadvantage of giving a mirror‐like appearance.  Silver looses its metallic appearance when scaled to a nano‐film therefore eliminating this problem. Such  a coating is commercialised by Von Ardenne.   “Low‐e”  coatings  are  a  type  of  passive  nano‐coatings,  since  the  properties  of  the  layers  are  unperturbed during its operation. Another class of coatings used in glasses are those often indicated as  dynamic  or  “smart  coatings”.  In  this  case  the  environmental  conditions,  such  as  radiation  intensity  or  temperature, induce a change in the properties of the coating (e.g., darkening of windows). When the  effect  is  a  change  in  the  colour  (meaning  also  transparency)  they  are  called  “chromogenic  smart  materials”. The change can be induced actively, by pressing a button. This is the case of electrochromic  Page 43 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433   
  • 44.       NANOYOU Teachers Training Kit – Module 1– Chapter 5  coatings  where  applying  a  small  voltage  induces  a  change  in  transmittance,  and  in  the  case  of  gaschromic  coatings,  which  change  their  transmittance  at  the  presence  of  specific  gases.  Gaschromic  glazing makes use of the properties of tungsten oxide thin films (WO3) which go from colourless to blue  in the presence of hydrogen with a suitable catalyst. Gaschromic windows follow a double pan model:  on one pane a film of WO3 is deposited with a thin layer of catalysts on top. Hydrogen gas is fed into the  gap  producing  coloration  (windows  colour  with  1.1‐10  %  hydrogen  which  is  below  the  flammability  concentration).  To  switch  the  colour  of  the  window  back,  another  gas  is  purged  in  (oxygen).  Smart  coatings can also be passive in the sense of changing their optical properties due to a change of external  temperature  (thermochromic) or light  incidence (photochromic). Another example of nanotechnology  applied  to  smart  coatings  is  the  use  of  a  family  of  wavelength‐selective  films  for  manufacturing  ‘heat  mirrors’. One of these materials is indium‐tin‐oxide (ITO), an infrared absorber. A 300 nm ITO coating on  glass  provides  more  then  80%  transmission  for  the  wavelengths  predominant  in  sunlight.  The  transmission  properties  of  the  window  can  be  varied  by  changing  the  thickness  and  material  composition of the coating, so that a combination of materials could be used to produce smart windows  that reflect solar energy in summer but transmit solar energy in winter.    Self­cleaning surfaces  Another  example  of  functional  nanocoating  is  photocatalytic  coatings  (commercialised  as  “self‐ cleaning”  glass)  which  use  the  catalytic  properties  of  titanium  dioxide  (TiO2).  Pilkington  Activ™  Self  Cleaning Glass is a commercial example of a glass with a photocatalytic coating that renders the material  easier  to  clean.  Superhydrophobic  coatings  have  surfaces  that  mimic  the  one  found  in  the  Lotus  leaf  (see  Chapter  2  “Natural  Nanomaterials”  for  details)  and  are  developed  for  many  applications  that  require resistance to dirt and easiness in cleaning. Both materials are covered in Chapter 2 of Module 2  “Application of nanotechnologies: Environment”.        Page 44 of 44  The research leading to these results has received funding from the European Community's Seventh Framework Programme  (FP7/2007‐2013) under grant agreement n° 233433