Aplicațiile nanotehnologiei

Cu nanotehnologia, un număr mare de materiale și produse îmbunătățite se bazează pe schimbarea proprietăților fizice atunci când dimensiunea lor este mică. Nanoparticulele, de exemplu, beneficiază de creșterea lor drastică a suprafeței în raport cu volumul. Proprietățile lor optice, de ex. fluorescența devine o funcție a diametrului particulelor. Aduse într-un material grosier, nanoparticulele pot influența puternic proprietățile mecanice ale materialului, cum ar fi rigiditatea sau elasticitatea. De exemplu, polimerii tradiționali pot fi întăriți cu nanoparticule, astfel încât noile materiale să poată fi utilizate ca înlocuitori ușori (în greutate) pentru metale. Aceste materiale îmbunătățite nanotehnologic permit reducerea greutății însoțite de stabilitate sporită și funcționalitate îmbunătățită. Printre numeroasele aplicații ale nanotehnologiei vom arăta câteva.

Medicament

Același subiect în detaliu: Nanomedicina .

Grupurile de cercetare medicală și biologică au exploatat proprietățile unice ale nanomaterialelor pentru diverse aplicații (de exemplu, imagistica celulară și agenți de contrast terapeutici pentru tratamentul cancerului). Termeni precum nanotehnologia biomedicală , nanobiotecnologia și nanomedicina sunt folosiți pentru a descrie acest câmp hibrid. Funcționalitățile pot fi adăugate la nanomateriale pentru a le interfața cu moleculele sau structurile biologice. Mărimea nanomaterialelor este similară cu cea a majorității moleculelor și structurilor biologice; prin urmare, nanomaterialele pot fi utile în domeniul cercetării și aplicațiilor biomedicale, atât in vivo , cât și in vitro . În acest fel, integrarea nanomaterialelor cu biologia a condus la dezvoltarea de echipamente de diagnosticare, agenți de contrast, instrumente analitice, aplicații de kinetoterapie și vehicule de livrare a medicamentelor.

Diagnostic

Nanotehnologia-pe-un-cip ( nanotehnologia-pe-un-cip ) este încă o dimensiune a tehnologiei laborator-pe-un-cip . Particulele magnetice, limita pentru un anticorp adecvat, sunt utilizate pentru a clasifica molecule, structuri sau microorganisme specifice. Nanoparticulele de aur legate de segmente mici de ADN pot fi utilizate pentru detectarea secvenței genetice într-o probă. Probele de codificare optică multicoloră au fost realizate prin scufundarea punctelor cuantice de diferite dimensiuni în microbere de polimeri. Tehnologia nanopore pentru analiza acidului nucleic transformă firele de nucleotide direct în semnături electronice.

Administrare farmacologică

Nanotehnologia a fost un boom în medicină, permițând livrarea medicamentelor către celule specifice folosind nanoparticule. Consumul masiv de medicamente și efectele sale secundare pot fi reduse semnificativ prin depunerea agentului activ numai în regiunea bolnavă, fără a fi nevoie de o doză mai mare. Această abordare extrem de selectivă reduce costurile și suferința umană. Un exemplu poate fi găsit în dendrimeri și materiale nanoporoase. Un alt exemplu este utilizarea copolimerilor bloc, care formează micele pentru încapsularea medicamentului, ^[1] , care transportă molecule mici de medicament în locația dorită. O altă intuiție se bazează pe sisteme electromecanice mici, NEMS ( sisteme nanoelectromecanice ), care ar permite eliberarea activă a medicamentelor. Unele aplicații potențial importante includ tratamentul cancerului cu nanoparticule de fier sau de coajă de aur. Medicamentul personalizat sau direcționat reduce consumul de droguri și costurile de tratament, ceea ce este cu siguranță benefic pentru întreaga societate și, prin urmare, reduce costul cheltuielilor de sănătate publică. Nanotehnologia favorizează, de asemenea, noi oportunități în sistemele de livrare implantabile , de multe ori preferabile utilizării medicamentelor injectabile, deoarece acestea prezintă frecvent cinetică de prim rang (concentrația sanguină crește rapid, dar scade exponențial cu timpul). Această creștere rapidă poate provoca dificultăți de toxicitate și eficacitatea medicamentului poate scădea pe măsură ce concentrația sa scade sub nivelul la care a fost vizat.

Ingineria țesuturilor

Nanotehnologia poate ajuta la reproducerea sau repararea țesuturilor deteriorate. „Ingineria țesuturilor” utilizează proliferarea celulară stimulată artificial folosind schele adecvate (schele) bazate pe factori de nanomaterial și de creștere. Ingineria țesuturilor ar putea înlocui tratamentele convenționale de astăzi, cum ar fi transplanturile de organe sau implanturile artificiale. Formele avansate de inginerie a țesuturilor pot duce la o viață prelungită .

Pentru pacienții cu insuficiență de organ în stadiul final, este posibil să nu existe celule suficient de sănătoase pentru expansiune și transplant în Matricea ExtraCelulară (ECM). În acest caz, au nevoie de celule stem pluripotente. O sursă potențială pentru aceste celule sunt iPS ( celule stem pluripontente induse ), celule stem pluripotente induse, adică celule obișnuite din corpul pacientului care sunt reprogramate într-o stare pluripotentă, având avantajul de a evita respingerea (și complicațiile). amenințătoare asociate tratamentelor imunosupresoare). O altă sursă potențială de celule provine de la embrioni, dar aceasta are două dezavantaje:
1) Problema clonării, care din punct de vedere tehnic este foarte dificilă (în special pentru a preveni anomaliile), trebuie rezolvată.
2) Este necesară colectarea embrionilor. Deoarece fiecare dintre noi a fost odată un embrion, această sursă - spun unii - rămâne problematică din punct de vedere etic.

Chimie și mediu

Cataliza chimică și tehnicile de filtrare sunt două exemple notabile în care nanotehnologia joacă întotdeauna un rol. Sinteza oferă materiale noi cu caracteristici și proprietăți chimice adecvate: de exemplu, nanoparticule cu un mediu tipic (lianți) sau proprietăți optice specifice. În acest sens, chimia este într-adevăr o nanoștiință fundamentală. Într-un sens, toate sintezele chimice pot fi înțelese în termeni de nanotehnologie, datorită capacității sale de a fabrica anumite molecule. Astfel, chimia formează o bază pentru nanotehnologie care furnizează molecule, polimeri etc. personalizați, precum și clustere și nanoparticule .

Cataliză

Cataliza chimică beneficiază în special de nanoparticule, datorită suprafeței extrem de mari în raport cu volumul. Aplicarea potențială a nanoparticulelor în cataliză variază de la celule de combustibil la convertoare catalitice și dispozitive fotocatalitice. Cataliza este, de asemenea, importantă pentru producția de substanțe chimice.

Se ia în considerare acum utilizarea nanoparticulelor de platină în următoarea generație de convertoare catalitice auto, deoarece suprafața mai mare a nanoparticulelor ar putea reduce cantitatea de platină necesară. ^[2] Cu toate acestea, unele preocupări au fost ridicate din cauza experimentelor care arată că ar arde spontan dacă metanul ar ajunge să se amestece cu aerul ambiant. ^[3] Cercetările în desfășurare la Centrul Național al Cercetării Științifice (CNRS) din Franța ar putea demonstra adevăratul lor avantaj în aplicațiile catalitice. ^[4]

Filtrare

Același subiect în detaliu: Nanofiltrarea .

Nanofiltrarea poate deveni o aplicație importantă, deși cercetările viitoare trebuie să fie atente pentru a explora posibila toxicitate. ^{[5] [6]}

Se așteaptă o influență puternică a nanochimiei asupra tratamentului apelor murdare, purificării aerului și dispozitivelor de stocare a energiei. Metodele chimice sau mecanice pot fi utilizate pentru tehnici eficiente de filtrare. O clasă de tehnici de filtrare se bazează pe utilizarea membranelor cu găuri de dimensiuni adecvate, prin care lichidul este comprimat prin membrană. Membranele nanoporoase sunt potrivite pentru filtrarea mecanică cu pori extrem de mici de 10 nm („nanofiltrare”) și pot fi compuse din nanotuburi . Nanofiltrarea este utilizată în principal pentru îndepărtarea ionilor sau separarea diferitelor fluide. La scară largă, tehnica filtrării cu membrană se numește ultrafiltrare, care funcționează între 10 și 100 nm. Un domeniu important de aplicare pentru ultrafiltrare este cel al medicinei, cum ar fi de exemplu în dializa renală. Nanoparticulele magnetice oferă o metodă eficientă și fiabilă de eliminare a poluanților din metale grele din apa murdară folosind tehnici de separare magnetică. Utilizarea particulelor la scară nanometrică crește eficiența absorbției poluanților și este relativ ieftină în comparație cu metodele tradiționale de filtrare și precipitare.

Unele echipamente de tratare a apei, inclusiv nanotehnologia, sunt deja pe piață, precum și în curs de dezvoltare. Într-un studiu recent, metodele de separare nano-structurate cu costuri reduse s-au dovedit eficiente în producția de apă potabilă. ^[5]

Putere

Același subiect în detaliu: Nanotehnologia aplicată energiei .

Cele mai avansate proiecte nanotehnologice legate de energie sunt: ​​stocarea, conversia, îmbunătățirea producției prin reducerea prețurilor materialelor și a proceselor, economisirea energiei (printr-o izolare termică mai bună, de exemplu) și creșterea surselor de energie regenerabile.

Reducerea consumului de energie

O reducere a consumului de energie poate fi realizată prin sisteme de izolare mai bune, prin utilizarea unor sisteme de iluminare sau de ardere mai eficiente și prin utilizarea de materiale mai ușoare și mai puternice în sectorul transporturilor. Becurile utilizate în prezent transformă aproximativ 5% din energie electrică în lumină. Abordările nanotehnologice, cum ar fi diodele emițătoare de lumină ( LED-uri ) sau atomii cuantici închiși (QCA, Quantum Caged Atoms) ar duce la o reducere puternică a consumului de energie pentru iluminat.

Creșteți eficiența producției de energie

Cele mai bune celule solare de astăzi au straturi de semiconductori diferiți stivuite împreună pentru a absorbi lumina la diferite energii, dar pot gestiona doar 40% din energia solară. Celulele solare disponibile în comerț au o eficiență mult mai mică (15-20%). Nanotehnologia ar putea contribui la creșterea eficienței conversiei luminii prin utilizarea nanostructurilor cu un continuum de benzi interzise .

Gradul de eficiență al motorului cu ardere internă este de aproximativ 30-40% în prezent. Nanotehnologia ar putea îmbunătăți arderea prin proiectarea catalizatorilor specifici cu suprafață maximizată. În 2005, oamenii de știință de la Universitatea din Toronto au dezvoltat un spray de substanță pe bază de nanoparticule care, atunci când este aplicată pe o suprafață, o transformă instantaneu într-un colector solar. ^[7]

Utilizarea unor sisteme energetice mai ecologice

Un exemplu de formă de energie ecologică este utilizarea celulei de combustibil cu hidrogen, produsă ideal folosind energie regenerabilă. Probabil cel mai important material nanostructurat din celulele de combustie pe bază de carbon este grupul de particule de metal nobil cu un diametru de 1-5 nm. Materialele adecvate pentru depozitarea hidrogenului conțin un număr mare de pori mici de dimensiuni nanometrice. Cu toate acestea, sunt investigate multe materiale nanostructurate, cum ar fi nanotuburi, zeoliți sau alanați. Nanotehnologia poate contribui la reducerea suplimentară a poluanților produși de motoarele cu ardere internă prin intermediul filtrelor nanoporoase, care pot curăța mecanic evacuarea, cu convertoare catalitice bazate pe particule nanometrice de metal nobil sau cu acoperiri catalitice pe pereții cilindrilor și nanoparticule catalitice precum aditivi pentru combustibili.

Reciclarea bateriei

Același subiect în detaliu: Nanobateria .

Datorită densității relativ mici de energie a bateriilor, timpul de funcționare este limitat, necesitând înlocuirea sau reîncărcarea. Numărul ridicat de baterii și acumulatori epuizați reprezintă o problemă de eliminat. Utilizarea bateriilor cu conținut de energie mai mare sau utilizarea bateriilor reîncărcabile sau a supercondensatorilor cu o rată de reîncărcare mai mare care utilizează nanomateriale ar putea ajuta la rezolvarea problemei eliminării bateriilor.

Informatie si comunicare

Procesele actuale de fabricație de înaltă tehnologie se bazează pe strategii tradiționale de sus în jos , în care nanotehnologia a fost întotdeauna introdusă în liniște. Scara de dimensiuni critice a circuitelor integrate este întotdeauna la scară nanomatică (cu 50 nm în jos) în ceea ce privește dimensiunea limitativă a tranzistoarelor în procesoare sau dispozitive DRAM .

Memorie electronică

Modelele de memorie electronică din trecut depindeau în mare măsură de formarea tranzistoarelor. Cu toate acestea, cercetarea în domeniul electronicelor bazate pe comutatoare transversale a oferit o alternativă utilizând interconectări reconfigurabile cu matrice de cabluri verticale și orizontale pentru a crea memorie de înaltă densitate. Doi lideri în acest domeniu sunt Nantero, care a dezvoltat un nanotub de carbon bazat pe memoria transversală numită Nano-RAM și Hewlett-Packard, care au propus utilizarea materialului memristor ca înlocuitor viitor pentru memoria Flash .

Noi dispozitive semiconductoare

Un exemplu de astfel de dispozitive noi se bazează pe spintronică . Dependența rezistenței unui material (datorită rotirii electronilor) de un câmp extern se numește magnetorezistență . Acest efect poate fi amplificat semnificativ (GMR, Giant Magneto-Resistance - Giant magnetoresistance ) pentru obiecte la scară nanometrică, de exemplu atunci când două straturi feromagnetice sunt separate de un strat nemagnetic de câțiva nanometri gros (de exemplu, Co-Cu-Co). Efectul GMR a condus la o creștere bruscă a densității de stocare a datelor pe hard disk și a făcut posibilă gama de gigaocteți. MagnetoRezistența la tunel (TMR) este foarte asemănătoare cu GMR și se bazează pe efectul de tunelare dependent de rotire al electronilor prin straturile feromagnetice adiacente. Atât efectele GMR, cât și cele ale TMR pot fi utilizate pentru a crea memorie principală nevolatilă pentru computere, cum ar fi așa-numita memorie cu acces aleator magnetic sau MRAM .

În 1999, cel mai recent tranzistor CMOS dezvoltat la Laboratorul pentru Electronică și Tehnologia Informației din Grenoble, Franța, a măsurat limitele principale ale tranzistorului MOSFET cu un diametru de 18 nm (aproximativ 70 de atomi așezați unul lângă altul). Aceasta a fost de aproape o zecime din mărimea celui mai mic tranzistor industrial din 2003 (130nm în 2003, 90nm în 2004, 65nm în 2005 și 45nm în 2007). A permis integrarea teoretică a șapte miliarde de conexiuni pe o monedă de 1 €. Cu toate acestea, tranzistorul CMOS, creat în 1999, nu a fost un simplu experiment de cercetare pentru a studia modul în care funcționează tehnologia CMOS, ci mai degrabă o demonstrație a modului în care funcționează această tehnologie acum că noi înșine ne apropiem din ce în ce mai mult de o scară moleculară. Astăzi ar fi imposibil să înțelegem pe deplin ansamblul coordonat al unui număr mare de tranzistori pe un circuit și ar fi, de asemenea, imposibil să creăm acest lucru industrial. ^[8]

Dispozitive optoelectronice noi

În tehnologia modernă de comunicații, dispozitivele electrice analogice tradiționale sunt înlocuite din ce în ce mai mult cu cele optice sau optoelectronice, datorită lățimii și capacității lor enorme. Două exemple promițătoare sunt cristalele fotonice și punctele cuantice . Cristalele fotonice sunt materiale cu o variație periodică a indicelui de refracție cu o constantă de rețea care este jumătate din lungimea de undă a luminii utilizate. Acestea oferă un spațiu de bandă selectabil pentru propagarea unei anumite lungimi de undă, astfel încât seamănă cu un semiconductor, dar pentru lumină sau fotoni în loc de electroni . Punctele cuantice sunt obiecte la scară nanomatică, care pot fi utilizate, printre multe alte lucruri, pentru construcția laserelor. Avantajul unui laser cuantic cu puncte față de laserul semiconductor tradițional este că lungimea lor de undă emisă depinde de diametrul punctului. Laserele cu puncte cuantice sunt mai accesibile și oferă o calitate a fasciculului mai mare decât diodele laser convenționale.

Ecrane

Producția de ecrane cu consum redus de energie ar putea fi realizată folosind nanotuburi de carbon (CNT, Carbon NanoTube ). Nanotuburile de carbon sunt conductoare electric și, datorită diametrului lor mic de câțiva nanometri, pot fi utilizate ca transmițătoare de câmp cu randament extrem de ridicat pentru afișarea emisiilor de câmp (FED). Principiul de funcționare seamănă cu cel al tubului catodic , dar la o scară mai mică.

Calculatoare cuantice

Același subiect în detaliu: calculatoare cuantice .

Noile abordări pentru calculul noilor computere cuantice exploatează pe deplin legile mecanicii cuantice, capabile să permită utilizarea algoritmilor cuantici rapizi. Calculatorul cuantic are un spațiu de memorie cuantică bit numit „ Qubit ” pentru a face multe calcule în același timp. Această abilitate poate îmbunătăți performanța sistemelor mai vechi.

Industria grea

O utilizare inevitabilă a nanotehnologiei va fi în industria grea .

Industrie aerospatiala

Materialele mai ușoare și mai puternice vor fi utilizate în mod disproporționat la fabricarea aeronavelor, ceea ce va duce la o creștere a performanței acestora. Și navele spațiale vor beneficia, unde greutatea este cel mai important factor. Nanotehnologia ar contribui la reducerea dimensiunii echipamentelor și, prin urmare, la scăderea consumului de combustibil necesar transportului aerian.

Planorele pot fi capabile să își înjumătățească greutatea, în timp ce își măresc rezistența și rezistența prin utilizarea materialelor nanotehnologice. Nanotehnologia scade masa supercondensatorilor, care vor fi din ce în ce mai folosiți pentru alimentarea motoarelor electrice auxiliare atunci când lansează deltaplanuri de pe câmpie la altitudini, în căutarea curenților ascendenți.

Structuri de construcție

Nanotehnologia are potențialul de a produce construcții mai rapide, mai ieftine, mai sigure și mai variate. Automatizarea construcției nanotehnologice ar permite crearea de structuri care variază de la case avansate la zgârie-nori falnici, dar și structuri prefabricate din lemn mult mai rapid și la un cost mult mai mic.

Rafinării

Folosind aplicații nanotehnologice, rafinăriile care produc materiale precum oțelul și aluminiul vor putea elimina orice impurități.

Fabricarea vehiculelor

La fel ca industria aerospațială, vor fi utilizate materiale mai ușoare și mai puternice pentru a crea vehicule mai rapide și mai sigure. Motoarele cu combustie vor beneficia, de asemenea, de piese care sunt mai rezistente atât la forța mecanică, cât și la căldură.

Bunuri de larg consum

Nanotehnologia face deja pușcă în domeniul bunurilor de larg consum, oferind produse cu funcții noi, de la „ ușor de curățat ” la rezistente la zgârieturi . Țesăturile actuale sunt rezistente la riduri și rezistente la pete ; pe termen mediu hainele vor deveni „strălucitoare”, prin „electronica purtabilă”. Mai multe produse îmbunătățite cu nanoparticule sunt deja utilizate. În special în domeniul cosmeticelor, astfel de produse noi au un potențial promițător.

Industria alimentară

Prin mijloace eficiente și durabile, un set complex de provocări inginerești și științifice din industria alimentară și a proceselor biologice pentru a produce alimente sigure și de înaltă calitate pot fi rezolvate prin intermediul nanotehnologiei. Identificarea bacteriilor și monitorizarea calității alimentelor folosind biosenzori; sisteme eficiente, inteligente și active de ambalare a alimentelor; nanoîncapsularea compușilor alimentari bioactivi sunt câteva exemple ale aplicațiilor emergente ale nanotehnologiei pentru industria alimentară. ^[9] Nanotehnologia poate fi aplicată în producția, prelucrarea, siguranța și ambalarea alimentelor. Un proces de acoperire cu nanocompozit ar putea îmbunătăți ambalarea alimentelor prin injectarea de agenți antimicrobieni direct pe suprafața filmului de acoperire. Nanocompozitele ar putea crește sau scădea permeabilitatea la gaz a diferitelor materiale de umplutură în funcție de necesitatea diferitelor produse. De asemenea, pot îmbunătăți rezistența mecanică și proprietățile de rezistență la căldură și rata de transmisie a oxigenului mai mică. Cercetările se concentrează pe aplicarea nanotehnologiei la detectarea substanțelor chimice și biologice din alimente.

Nano-alimente

Produse nanotehnologii emergente (PEN), pe baza unui inventar cuprinzând 609 de nanoproduse cunoscute sau revendicate.

Pe lista PEN sunt trei alimente - un brand de ulei de rapiță de gătit numit Canola Active Oil , un ceai cunoscut sub numele de Nanotea, un shake dietetic de ciocolată numit Nanoceuticals Slim Shake Chocolate .

Conform informațiilor furnizate de companie postate pe site-ul PEN ^[10] , uleiul de rapiță, produs de Shemen Industries din Israel, conține un aditiv numit „nanoprops” conceput pentru a transporta vitamine, minerale și fitochimicale prin sistemul digestiv și uree.

Shake-ul , potrivit companiei americane RBC Life Sciences Inc. , folosește cacao infuzată „NanoCluster” pentru a intensifica gustul și a aduce beneficii sănătății cacaoi fără a fi nevoie să adăugați zahăr. ^[11]

Mediul de acasă

Cea mai notabilă aplicare a nanotehnologiei în mediul casnic este autocurățarea sau „ușor de curățat” pentru suprafețele din ceramică sau sticlă. Particulele nanoceramice au îmbunătățit netezimea și rezistența la căldură a echipamentelor casnice, cum ar fi fierul de păr .

Optică

Primii ochelari de soare care folosesc acoperiri polimerice ultra-subțiri de protecție și antireflex sunt pe piață. Pentru optică, nanotehnologia oferă și acoperiri de suprafață rezistente la zgârieturi pe bază de nanocompozite. Nano-optica ar putea permite o precizie crescută în repararea elevilor și alte tipuri de chirurgie cu laser practicate în oftalmologie.

Industria textila

Utilizarea monofibrelor se utilizează ca hidrofug și pentru pete sau pentru îmbrăcăminte care nu formează pliuri. Țesăturile cu finisaj nanotehnologic pot fi spălate mai rar și la o temperatură mai scăzută. Nanotehnologia a fost utilizată pentru a integra membrane subțiri de particule de carbon, asigurând o protecție completă a suprafeței de sarcinile electrostatice către purtător. Multe alte aplicații au fost dezvoltate de institute de cercetare, cum ar fi Laboratorul de nanotehnologie textilă ( Laboratorul de nanotehnologie textilă ) ^[12] la Universitatea din Cornell

Produse cosmetice

Un domeniu de aplicare este în cremele solare. Abordarea tradițională de protecție UV chimică suferă de stabilitatea sa scăzută pe termen lung. O protecție solară pe bază de nanoparticule minerale precum dioxidul de titan oferă numeroase beneficii. Particulele de dioxid de titan au o proprietate de protecție UV comparabilă cu materialul grosier, dar în plus elimină albirea nedorită din punct de vedere cosmetic pe măsură ce dimensiunea particulelor scade.

Agricultură

Aplicațiile nanotehnologiei au potențialul de a schimba întregul sector agricol și lanțul industriei alimentare de la producție la depozitare, prelucrare, ambalare, transport și chiar tratarea deșeurilor. Conceptele de aplicare ale NanoScience și Nanotehnologie au potențialul de a reproiecta ciclul de producție, restructurarea proceselor de procesare și stocare și redefinirea obiceiurilor alimentare ale oamenilor.

Provocările majore legate de agricultură, cum ar fi productivitatea scăzută în zonele arabile, suprafețele mari necultivate, restrângerea terenurilor arabile, risipa de intrări, cum ar fi apa, îngrășăminte, pesticide, risipa de produse și, desigur, securitatea alimentară în număr din ce în ce mai mare pot fi abordate prin diferite aplicații ale nanotehnologiei. Pentru mai multe informații, consultați Producția și conservarea alimentelor prin tehnologia Nano (în engleză) ^[13] .

Notă

linkuri externe

• ( RO ) Prezentare generală a aplicațiilor nanotehnologice , la comprehensionnano.com .
• ( RO ) Aplicarea nanotehnologiei în textile , pe educationmaster.org . Adus la 11 martie 2010 (arhivat din original la 25 februarie 2010) .