14 Неизвестное использование нанотехнологий | Преимущества и приложения

Термин «нанотехнология» впервые был введен профессором Норио Танигучи в 1974 году. Он описывал полупроводниковые процессы, которые демонстрируют характерный контроль порядка нанометра.

Насколько мал один нанометр? Человеческий волос имеет ширину примерно 50 микрометров. Один нанометр равен 50 000-й ширины волоса.

Современная нанотехнология началась в 1981 году, когда ученые разработали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы «видеть» отдельные атомы.

Что такое нанотехнологии?

Нанотехнология - это наука, технология и инженерия, осуществляемые в наномасштабе, от 1 до 100 нанометров. Это может быть сложная тема, и каждый день делают новые открытия.

Нанотехнологии могут дать беспрецедентную информацию о материалах и оборудовании и, вероятно, повлияют на различные области, включая физику устройств, материаловедение, супрамолекулярную химию, коллоидную науку, а также электротехнику и машиностроение.

Эту тему можно лучше объяснить, предоставив четкие и краткие объяснения приложений нанотехнологий. Мы перечислили несколько менее популярных применений нанотехнологий и их преимущества, показывая, как они на самом деле влияют на нашу повседневную жизнь.

14. Нанотехнологии в пищевой промышленности

Роль нанотехнологий в различных аспектах пищевой промышленности | Предоставлено:Frontiers

За последние два десятилетия применения нанотехнологий возникли в связи с растущей потребностью в использовании наночастиц в различных областях пищевой микробиологии и пищевой науки, включая переработку пищевых продуктов, упаковку, безопасность, идентификацию пищевых патогенов и продление срока хранения пищевых продуктов. .

Наноинженерные частицы, используемые, например, в пищевой промышленности, сводят к минимуму утечку углекислого газа в газированных напитках, уменьшают жирность и повышают пищевую ценность. Они также поддерживают отток влаги и контролируют рост бактерий, чтобы продукты оставались свежими.

Технологии интеллектуальной упаковки в сочетании с наноразмерными датчиками позволяют обнаруживать зараженные продукты питания и присутствие бактерий и пестицидов.

Сегодня наноразмерные ингредиенты используются для улучшения вкуса, текстуры и цвета пищи. Наночастицы диоксида титана, диоксида кремния и аморфного кремнезема используются в качестве пищевых добавок.

В пищевой промышленности ожидается значительный рост коммерческого применения наночастиц благодаря их новым и уникальным свойствам. Таким образом, воздействие наночастиц на человека будет продолжать расти, а связанное с этим воздействие на здоровье останется главной проблемой общества.

13. Молекулярная коммуникация

Наномашины - это полностью функциональные устройства, которые могут выполнять множество задач, таких как приведение в действие, зондирование, хранение данных и вычисления. Чтобы эти машины были более эффективными и действенными, их необходимо соединить в сеть.

Молекулярная коммуникация - это парадигма сетей нанокоммуникаций, которая использует молекулы для коммуникации между наномашинами. Эти системы используют отсутствие или присутствие определенного типа молекулы для цифрового кодирования данных.

Он работает, доставляя молекулы в среду (например, воду или воздух) для передачи. Коммуникационные сигналы требуют небольшого количества энергии и могут быть биосовместимы. Кроме того, этот метод не требует антенн определенного размера.

Поскольку молекулярная коммуникация основана на коммуникации между биологическими материалами, она предлагает широкий спектр биомедицинских и экологических приложений.

Например, нано-коммуникация внутри человеческого тела может иметь несколько приложений для здоровья, таких как тканевая инженерия, усиленная иммунная система, интерфейс мозг-машина и таргетированная доставка лекарств.

В настоящее время ученые работают над моделями сквозной связи между био-нано-машинами.

Читайте:первый интерфейс "мозг-мозг" позволяет трем людям обмениваться мыслями прямо друг другу в голову

12. Рост нервных клеток

Изображение предоставлено:Себастьян Каулитцки / Shutterstock

Способность регенерировать нервные клетки в организме может значительно уменьшить последствия травм и болезней. Ученые работают над нанотехнологиями, чтобы улучшить регенерацию нервных клеток.

Они показали, как магнитные наночастицы можно использовать для создания механического напряжения для стимуляции удлинения аксонов (или нервных волокон). Они также описали, как выровненные нановолокна могут обеспечить биоактивную матрицу, в которой нервные клетки могут регенерировать.

Читайте:новое медицинское оборудование использует магнитное поле для ускорения восстановления мышц

Несколько исследований доказали, что углеродные нанотрубки способствуют полноценному росту нейронов и образованию новых синапсов. Однако этот рост не является беспорядочным и неограниченным.

11. Лучшие солнечные панели

Поскольку глобальный интерес к зеленой энергии продолжает расти, ученые продолжают изучать способы повышения эффективности солнечных элементов. За последние несколько лет несколько достижений в области нанотехнологий были интегрированы в солнечные панели для повышения эффективности при одновременном снижении затрат на их производство и установку.

В частности, доказали свою полезность наночастицы кремния:они обладают низкой объемной плотностью, активным состоянием поверхности и уникальными фотолюминесцентными характеристиками. Поэтому эти наночастицы также используются в интегрированных полупроводниках, люминесцентных дисплеях, солнечных элементах и ​​литий-ионных батареях.

Последние достижения в области солнечных элементов на основе графена привели к уменьшению отражательной способности на 20% и увеличению преобразования энергии как минимум на 40% по сравнению с традиционными солнечными элементами.

Читайте:Наночастицы золота могут улучшить хранение солнечной энергии

10. НаноАрт

Нано-скульптура, созданная Джонти Гурвицем

Ученые становятся художниками благодаря «НаноАрту». Это произведение искусства, выполненное в молекулярном и атомном масштабе. Он отображает естественные или синтетические наноструктуры, которые наблюдаются с помощью электронных микроскопов в лабораториях.

Чтобы создать наноискусство, ученые сначала анализируют текстуры молекул и атомов, делают их микроскопические изображения и настраивают полученное изображение для создания уникального произведения искусства. Одна из целей таких искусств - познакомить людей с полезными крошечными предметами и достижениями в их синтезе.

В 2015 году Джонти Гурвиц разработал новый метод создания нано-скульптур с использованием фотограмметрии и многофотонной литографии. Гурвиц - творческий художник, который теперь известен как самая маленькая человеческая форма, когда-либо созданная с использованием нанотехнологий.

9. Медицинская диагностика и лечение

Методы диагностики, основанные на нанотехнологиях, могут дать два основных преимущества:

• Быстрое тестирование, которое может позволить врачам провести диагностические тесты и начать лечение в течение дня.
• Выявление серьезных заболеваний на ранних стадиях, что может помочь врачам остановить болезнь (-ы) раньше, с меньшим ущербом для пациента.

Например, ученые разрабатывают наночастицы под названием NanoFlares для обнаружения раковых клеток в кровотоке. Эти наночастицы предназначены для связывания с генетическими целями в раковых клетках и выработки флуоресцентного сигнала при обнаружении этой конкретной цели.

Еще один хороший пример - датчики с нанопорами, которые могут идентифицировать отдельные вирусные частицы. Датчики с нанопорами в сочетании с методами искусственного интеллекта могут обеспечить быстрое обнаружение вирусов.

Эту технологию также можно использовать для борьбы с инфекциями:исследователи разработали прототип перевязочного материала для катетера, который включает наночастицы гексаметафосфата хлоргексидина. Он может подавлять рост бактерий и уменьшать колонизацию раны. В ближайшем будущем эти типы молекул можно будет использовать в материалах для ухода за ранами для борьбы с инфекциями.

Читайте:новая лекарственная капсула может вводить инсулин и заменять инъекции

8. Повышение доступности топлива

Нанотехнологии могут решить проблему нехватки ископаемого топлива (бензина и дизельного топлива) по-разному -

• Это может увеличить пробег двигателей.
• Он может эффективно и экономично производить топливо из обычного сырья.

Наноматериалы являются исключительными кандидатами для многочисленных систем биотоплива из-за их уникальных свойств, таких как каталитическая активность, долговечность, стабильность, высокая степень кристалличности и эффективное хранение, которые в совокупности могут помочь оптимизировать систему в целом.

Доказано, что нанотехнологии в сочетании с газификацией, пиролизом, анаэробным сбраживанием, переэтерификацией и гидрогенизацией являются экономичными и эффективными, но все еще в основном ограничиваются лабораториями и небольшими масштабами. Вскоре (вероятно, в ближайшие три десятилетия) они заменят традиционные системы в коммерческих масштабах.

Несколько нанокатализаторов оксидов металлов, включая оксид кальция, титан, оксид стронция и оксид магния, были созданы с высокими каталитическими характеристиками для производства биодизельного топлива. Нанокатализаторы на основе углерода также обладают большим потенциалом для производства биодизельного топлива из различного сырья.

Читайте:Новые каталитические реакторы превращают парниковые газы в промышленное топливо

7. Дисплеи и оптоэлектронные устройства

Квантовые точки с постепенно меняющимся светом от фиолетового до темно-красного | Wikimedia Commons

Кремниевые нанопроволоки и углеродные нанотрубки позволяют разрабатывать дисплеи с низким энергопотреблением. Поскольку эти наноструктуры обладают высокой проводимостью, их можно использовать в автоэмиссионных дисплеях с беспрецедентной эффективностью.

В органических светодиодах наноматериалы и технологии нанотехнологий используются для производства прозрачных электродов и упаковки органических светодиодов для защиты их от внешних повреждений (например, воды).

Ученые успешно разработали несколько нанометров графена в качестве прозрачного проводника, что проложило путь для недорогих гибких OLED.

Органические светоизлучающие транзисторы (альтернатива OLED) могут открыть новые двери в органической оптоэлектронике и служить испытательными полигонами для решения фундаментальных фотонных проблем, таких как гашение экситонов и потеря фотонов.

Читайте:Исследователи создают самые маленькие пиксели для больших гибких экранов дисплея

Квантовые точки - крошечные полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров - являются как электроактивными (электролюминесцентными), так и фотоактивными (фотолюминесцентными). Его уникальные физические свойства делают его многообещающим материалом для дисплеев следующего поколения.

По сравнению с OLED и органическими люминесцентными материалами материалы на основе квантовых точек имеют более длительный срок службы, более чистые цвета, более низкое энергопотребление и более низкие производственные затраты.

6. Вычисления и хранение в памяти

Развитие производственного процесса нанометровых полупроводников

С помощью наноэлектроники компьютерные процессоры можно сделать более мощными, чем это возможно с помощью традиционных методов производства полупроводников. В настоящее время ученые изучают ряд методов, в том числе новые типы нанолитографии, и способы использования наноматериалов, таких как небольшие молекулы и нанопроволоки, вместо обычных компонентов КМОП.

Им удалось разработать полевые транзисторы с использованием гетероструктурированных полупроводниковых нанопроволок и полупроводниковых углеродных нанотрубок.

Технологические гиганты начали производство наноэлектронной памяти в начале 2010-х годов. В 2013 году Samsung выпустила 10-нанометровую многоуровневую флеш-память NAND. В 2017 году Тайваньская компания по производству полупроводников произвела память SRAM с использованием 7-нанометрового процесса.

Прочтите:новый тип компьютерной памяти может заменить существующую оперативную память и флэш-накопители

5. Квантовая нанонаука

Квантовая нанонаука относится к разделу физической науки и нанотехнологий, который использует квантовую механику для исследования когерентных квантовых эффектов в созданных наноструктурах.

В последние годы квант приобрел новое значение в связи с расширением исследований по созданию квантовых компьютеров. Сегодня квантово-механические явления, такие как квантовая когерентность, суперпозиция и запутанность, разрабатываются на наномасштабе.

Приложения в этой области включают квантовые вычисления, квантовый симулятор, квантовую связь и квантовое зондирование.

Прочтите:18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

4. Быстрая зарядка смартфонов и электромобилей

В последнее время значительные усилия были сосредоточены на разработке наноструктурированных электродных материалов, которые могут улучшить современные системы накопления энергии, такие как литий-ионные батареи.

Некоторые исследователи придумали двумерные дихалькогениды переходных металлов, которые можно использовать в качестве суперконденсаторов. Материал небольшой и обеспечивает более быстрый перенос электронов, что обеспечивает более быструю зарядку и разрядку. Он изготовлен из проволоки нанометровой толщины с двухмерным покрытием оболочки материала.

Таких примеров много. Израильская компания StoreDot создает наноматериалы, которые (в сочетании с запатентованными органическими соединениями) могут стать окончательным стандартом быстрой зарядки в различных отраслях, включая смартфоны, электромобили и бытовую технику.

Их уникальное сочетание плотности энергии и быстрой зарядки открыло новые возможности для флеш-батарей следующего поколения. По данным компании, их аккумуляторы для смартфонов и аккумуляторные батареи для электромобилей (изготовленные из негорючих органических соединений) можно зарядить за 60 секунд и 5 минут (обеспечивая дальность действия 300 миль) соответственно.

3. Нанопокрытие и наноструктурированные поверхности

Гидрофобное нанопокрытие

Покрытие с контролируемой толщиной на атомарном или наноразмерном уровне стало обычным явлением в наши дни. В последнее время применяются оксидные покрытия из наночастиц, которые каталитически разрушают химические вещества, и самоочищающиеся окна (покрытые активированным диоксидом титана), обладающие антибактериальными и водоотталкивающими свойствами.

Промежуточные слои нанометрового размера обеспечивают превосходное сцепление и постепенное согласование термических и упругих свойств, тем самым улучшая адгезию. Эти типы слоев также улучшают износостойкость и устойчивость к царапинам твердых покрытий.

Более того, улучшенный контроль пористости на наномасштабе сделал текстиль намного лучше:он позволил создать водонепроницаемые, дышащие, устойчивые к пятнам ткани.

Прочтите:Водоотталкивающая поверхность может эффективно кипятить воду, оставаясь при этом прохладной

2. Исследование космоса

Источник:НАСА

Нанотехнологии могут сделать космические полеты более практичными. Последние достижения в области наноматериалов помогли инженерам создать легкий космический корабль и сократить количество топлива, необходимого для отправки ракет в космос.

Новый материал в сочетании с нанороботами и наносенсорами может еще больше улучшить характеристики космического зонда и скафандров. Ученые используют материалы на основе углеродных нанотрубок, чтобы уменьшить вес космического корабля, сохранив при этом его конструктивную прочность.

Эти углеродные нанотрубки могут позволить легким солнечным элементам, которые используют давление солнечного света (свет, отражающийся на солнечных элементах), приводят в движение космический зонд. Это экономит больше топлива во время межпланетных миссий. Кроме того, бортовые наносенсоры могут отслеживать уровни следов химикатов на космической станции для анализа работы систем жизнеобеспечения.

1. Лучшее качество воздуха и воды

Нанотехнологии используются двумя основными способами для уменьшения загрязнения воздуха.

1. Катализаторы - в настоящее время используются и регулярно совершенствуются.
2. Наноструктурированные мембраны - в настоящее время разрабатываются.

Катализаторы, состоящие из наночастиц, используются для эффективного преобразования паров, выходящих из промышленных предприятий и транспортных средств, в безвредные газы.

С другой стороны, наноструктурированные мембраны можно использовать для отделения CO2 от выхлопных газов промышленных предприятий. Цель - разработать технологию, которая может быть реализована на всех типах электростанций без дорогостоящей модернизации.

Точно так же нанотехнологии также используются для решения трех основных проблем, связанных с качеством воды.

1. Устранение промышленных загрязнений из подземных вод.
2. Удалите из воды соли и металлы.
3. Улучшите стандартные фильтры для эффективного удаления вирусных клеток.

В первом случае наночастицы превращают загрязняющие химические вещества в безвредный раствор. Это недорогой процесс, который можно использовать для обнаружения загрязнителей, рассеянных в подземных прудах.

Читайте:Новая технология фильтрации улучшает очистку сточных вод, делает ее энергоэффективной

Что касается второй проблемы, методы деионизации, основанные на электродах из нановолокна, обещают снизить энергозатраты и стоимость преобразования соленой воды в питьевую. В третьем случае для удаления вирусных клеток из воды используются фильтры шириной всего несколько нанометров.