14 Onbekende toepassingen van nanotechnologie | Voordelen en toepassingen

De term 'nanotechnologie' werd voor het eerst gebruikt door professor Norio Taniguchi in 1974. Hij beschreef halfgeleiderprocessen die karakteristieke controle vertonen in de orde van grootte van een nanometer.

Hoe klein is een nanometer? Het mensenhaar is ongeveer 50 micrometer breed. Eén nanometer is 50.000ste van een haarbreedte.

De moderne nanotechnologie begon in 1981 toen wetenschappers de scanning tunneling microscoop ontwikkelden om individuele atomen te "zien".

Wat is nanotechnologie precies?

Nanotechnologie is wetenschap, technologie en engineering die wordt uitgevoerd op nanoschaal, tussen 1 en 100 nanometer. Het kan een ingewikkeld onderwerp zijn en er worden elke dag nieuwe ontdekkingen gedaan.

Nanotechnologie kan ongekende inzichten bieden in materialen en apparatuur en zal waarschijnlijk invloed hebben op verschillende gebieden, waaronder apparaatfysica, materiaalwetenschap, supramoleculaire chemie, colloïdale wetenschap en elektrische en mechanische engineering.

Het onderwerp kan beter worden uitgelegd door duidelijke en beknopte uitleg te geven over toepassingen van nanotechnologie. We hebben een aantal minder populaire toepassingen van nanotechnologie en hun voordelen op een rijtje gezet en laten zien hoe ze ons dagelijks leven beïnvloeden.

14. Nanotechnologie in de voedingsindustrie

De rol van nanotechnologie in verschillende aspecten van voedingssectoren | Tegoed:Grenzen 

In de afgelopen twee decennia zijn er toepassingen van nanotechnologie ontstaan ​​met de groeiende behoefte aan het gebruik van nanodeeltjes op verschillende gebieden van de voedselmicrobiologie en voedselwetenschap, waaronder voedselverwerking, verpakking, veiligheid, identificatie van door voedsel overgedragen pathogenen en verlenging van de houdbaarheid van voedselproducten .

Nano-engineered deeltjes die in de voedingsindustrie worden gebruikt, minimaliseren bijvoorbeeld de kooldioxidelekkage in koolzuurhoudende dranken, verminderen het vetgehalte en verbeteren de voedingswaarde. Ze houden ook de vochtafvoer in stand en beheersen de groei van bacteriën om het voedsel vers te houden.

Slimme verpakkingstechnieken gecombineerd met sensoren op nanoschaal maken de detectie van besmet voedsel en de aanwezigheid van bacteriën en pesticiden mogelijk.

Tegenwoordig worden ingrediënten op nanoschaal gebruikt om de smaak, textuur en kleur van voedsel te verbeteren. De nanodeeltjes titaniumdioxide, siliciumdioxide en amorf silica worden gebruikt als voedseladditieven.

In de voedingsindustrie wordt verwacht dat commerciële toepassingen van nanodeeltjes aanzienlijk zullen groeien vanwege hun nieuwe en unieke eigenschappen. De blootstelling van de mens aan nanodeeltjes zal dus blijven toenemen, en de bijbehorende gezondheidseffecten zullen een eerste publieke zorg blijven.

13. Moleculaire communicatie

Nanomachines zijn volledig functionele apparaten die tal van taken kunnen uitvoeren, zoals bediening, detectie, gegevensopslag en computergebruik. Om effectiever en efficiënter te zijn, moeten deze machines in de vorm van een netwerk met elkaar worden verbonden.

Moleculaire communicatie is het paradigma in nanocommunicatienetwerken, die moleculen gebruiken voor communicatie tussen nanomachines. Deze systemen gebruiken de aan- of afwezigheid van een bepaald type molecuul om gegevens digitaal te coderen.

Het werkt door moleculen af ​​te leveren in een medium (zoals water of lucht) voor transmissie. De communicatiesignalen vragen weinig energie en kunnen biocompatibel gemaakt worden. Deze techniek is ook niet afhankelijk van antennes van specifieke afmetingen.

Omdat moleculaire communicatie is geïnspireerd op communicatie tussen biologische materialen, biedt het een breed scala aan biomedische en milieutoepassingen.

Nanocommunicatie in het menselijk lichaam kan bijvoorbeeld verschillende gezondheidstoepassingen hebben, zoals weefselengineering, verbeterd immuunsysteem, Brain-Machine Interface en gerichte medicijnafgifte.

Wetenschappers werken momenteel aan modellen voor end-to-end communicatie tussen bio-nanomachines.

Lezen:met de eerste Brain-to-Brain-interface kunnen 3 mensen gedachten rechtstreeks naar elkaars hoofd delen

12. Groeiende zenuwcellen

Afbeelding tegoed:Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

Het vermogen om zenuwcellen in het lichaam te regenereren zou de effecten van trauma en ziekte aanzienlijk kunnen verminderen. Wetenschappers werken aan nanotechnologie om de regeneratie van zenuwcellen te verbeteren.

Ze hebben laten zien hoe magnetische nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om mechanische spanning op te wekken om de verlenging van axonen (of zenuwvezels) te stimuleren. Ze hebben ook beschreven hoe uitgelijnde nanovezels kunnen zorgen voor een bioactieve matrix waar zenuwcellen zich kunnen regenereren.

Lezen:Nieuwe medische apparatuur gebruikt magnetisch veld om spierherstel te versnellen

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat koolstofnanobuisjes de volledige groei van neuronen en de vorming van nieuwe synapsen vergemakkelijken. Deze groei is echter niet willekeurig en onbeperkt.

11. Betere zonnepanelen

Terwijl de wereldwijde belangstelling voor groene energie blijft toenemen, zijn wetenschappers doorgegaan met het bestuderen van manieren om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren. In de afgelopen jaren zijn verschillende ontwikkelingen in nanotechnologie geïntegreerd in zonnepanelen om de efficiëntie te verbeteren en tegelijkertijd de productie- en installatiekosten te verlagen.

Vooral silicium nanodeeltjes zijn nuttig gebleken:ze hebben een lage bulkdichtheid, een actieve oppervlaktetoestand en unieke fotoluminescente eigenschappen. Daarom worden deze nanodeeltjes ook gebruikt in geïntegreerde halfgeleiders, lichtgevende beeldschermen, zonne-energiecellen en lithium-ionbatterijen.

Recente ontwikkelingen in op grafeen gebaseerde zonnecellen hebben geresulteerd in 20% minder reflectie en ten minste 40% meer energieconversie in vergelijking met traditionele zonnecellen.

Lezen:Gouden nanodeeltjes kunnen de opslag van zonne-energie verbeteren

10. NanoArt

Een nanosculptuur gemaakt door Jonty Hurwitz

Wetenschappers worden kunstenaars dankzij ‘NanoArt’. Het is een kunstwerk gemaakt op moleculaire en atomaire schaal. Het toont natuurlijke of synthetische nanostructuren die worden waargenomen door elektronenmicroscopen in laboratoria.

Om een ​​nanokunst te maken, analyseren wetenschappers eerst de texturen van moleculen en atomen, maken er microscopische afbeeldingen van en stemmen het resulterende beeld af om een ​​uniek kunstwerk te produceren. Een van de doelstellingen van dergelijke kunsten is om mensen vertrouwd te maken met nuttige kleine voorwerpen en de vooruitgang in hun synthese.

In 2015 ontwikkelde Jonty Hurwitz een nieuwe methode voor het genereren van nanosculpturen met behulp van fotogrammetrie en multifotonlithografie. Hurwitz is een creatieve kunstenaar die nu wordt erkend voor de kleinste menselijke vorm die ooit is gebouwd met behulp van nanotechnologie.

9. Medische diagnostiek en behandeling

Op Nanotech gebaseerde diagnostische methoden kunnen twee belangrijke voordelen bieden –

• Snel testen, waardoor artsen diagnostische tests kunnen uitvoeren en binnen een dag met de behandeling kunnen beginnen.
• Detectie van ernstige ziekten in eerdere stadia, waardoor artsen ziekte(s) eerder kunnen stoppen, met minder schade voor de patiënt.

Wetenschappers ontwikkelen bijvoorbeeld nanodeeltjes genaamd NanoFlares om kankercellen in de bloedbaan te detecteren. Deze nanodeeltjes zijn ontworpen om te binden met genetische doelen in kankercellen en een fluorescerend signaal te produceren wanneer dat specifieke doelwit wordt gevonden.

Een ander goed voorbeeld zijn sensoren met nanoporiën die individuele virusdeeltjes kunnen identificeren. Nanopore-sensoren in combinatie met kunstmatige-intelligentietechnieken kunnen een snelle detectie van virussen bieden.

De technologie kan ook worden gebruikt om infecties te bestrijden:onderzoekers hebben een prototype van katheterverband ontwikkeld waarin nanodeeltjes van chloorhexidinehexametafosfaat zijn verwerkt. Het kan de groei van bacteriën remmen en wondkolonisatie verminderen. In de nabije toekomst zouden dit soort moleculen kunnen worden gebruikt in wondverzorgingsmaterialen om infecties onder controle te houden.

Lezen:Nieuwe medicijncapsule kan insuline leveren en injecties vervangen

8. Brandstofbeschikbaarheid verbeteren

Nanotechnologie kan het tekort aan fossiele brandstoffen (benzine en diesel) op verschillende manieren aanpakken –

• Het kan de kilometerstand van motoren verhogen.
• Het kan efficiënt en economisch brandstoffen produceren uit conventionele grondstoffen.

Nanomaterialen zijn uitzonderlijke kandidaten voor tal van biobrandstofsystemen vanwege hun unieke eigenschappen zoals katalytische activiteit, duurzaamheid, stabiliteit, de hoge mate van kristalliniteit en efficiënte opslag, die samen zouden kunnen helpen het totale systeem te optimaliseren.

Nanotechnologie gecombineerd met vergassing, pyrolyse, anaërobe vergisting, transverestering en hydrogenering is bewezen economisch en efficiënt, maar is nog grotendeels beperkt tot laboratoria en kleinschaligheid. Ze zullen binnenkort (waarschijnlijk in de komende drie decennia) traditionele systemen op commerciële schaal vervangen.

Verschillende metaaloxide-nanokatalysatoren, waaronder calciumoxide, titanium, strontiumoxide en magnesiumoxide, zijn gemaakt met een hoge katalytische prestatie voor de productie van biodiesel. Op koolstof gebaseerde nanokatalysatoren hebben ook een groot potentieel voor de productie van biodiesel uit verschillende grondstoffen.

Lezen:Nieuwe katalytische reactoren zetten broeikasgassen om in industriële brandstoffen

7. Displays en opto-elektronische apparaten

Quantum Dots met geleidelijk toenemende emissie van violet naar donkerrood | Wikimedia Commons

Silicium nanodraden en koolstof nanobuisjes maken het mogelijk om energiezuinige displays te ontwikkelen. Omdat deze nanostructuren zeer geleidend zijn, kunnen ze met ongekende efficiëntie worden gebruikt in veldemissiedisplays.

In OLED's worden nanomaterialen en nanofabricagetechnieken gebruikt om transparante elektroden te vervaardigen en OLED's in te pakken om ze te beschermen tegen externe schade (zoals water).

Wetenschappers hebben met succes enkele nanometers grafeen ontwikkeld als transparant geleidend materiaal, wat de weg vrijmaakte voor goedkope, flexibele OLED's.

Organische lichtemitterende transistors (een alternatief voor OLED's) kunnen nieuwe deuren openen in organische opto-elektronica en dienen als testbed om fundamentele fotonische problemen aan te pakken, zoals het uitdoven van excitonen en fotonenverlies.

Lezen:onderzoekers creëren kleinste pixels voor grote flexibele beeldschermen

Quantum Dots - kleine halfgeleiderdeeltjes van enkele nanometers groot - zijn zowel elektro-actief (elektroluminescent) als foto-actief (fotoluminescent). De unieke fysieke eigenschappen maken het een veelbelovend materiaal voor displays van de volgende generatie.

Vergeleken met OLED's en organische lichtgevende materialen, hebben materialen op basis van kwantumdots een langere levensduur, zuiverdere kleuren en een lager stroomverbruik en lagere productiekosten.

6. Computing en geheugenopslag

Vooruitgang van het productieproces van nanometer-halfgeleiders 

Met nano-elektronica kunnen computerprocessors krachtiger worden gemaakt dan mogelijk is met traditionele fabricagemethoden voor halfgeleiders. Wetenschappers bestuderen momenteel een aantal technieken — waaronder nieuwe soorten nanolithografie — en manieren om nanomaterialen, zoals kleine moleculen en nanodraden, te gebruiken in plaats van conventionele CMOS-componenten.

Ze hebben veldeffecttransistoren kunnen ontwikkelen met behulp van heterogestructureerde halfgeleidernanodraden en halfgeleidende koolstofnanobuizen.

Techreuzen begonnen begin 2010 met de productie van nano-elektronisch geheugen. In 2013 produceerde Samsung een 10 nanometer NAND-flashgeheugen met meerdere niveaus. In 2017 produceerde Taiwan Semiconductor Manufacturing Company SRAM-geheugen met behulp van een proces van 7 nanometer.

Lezen:nieuw type computergeheugen kan bestaande RAM en flashdrives vervangen

5. Kwantum nanowetenschap

Kwantum-nanowetenschap verwijst naar de tak van de natuurwetenschap en nanotechnologie die de kwantummechanica gebruikt om coherente kwantumeffecten in kunstmatige nanostructuren te onderzoeken.

De afgelopen jaren heeft kwantum een ​​nieuwe betekenis gekregen door het toenemende onderzoek naar de realisatie van kwantumcomputers. Tegenwoordig worden kwantummechanische verschijnselen - zoals kwantumcoherentie, superpositie en verstrengeling - op nanoschaal ontwikkeld.

Toepassingen op dit gebied zijn onder meer kwantumcomputing, kwantumsimulator, kwantumcommunicatie en kwantumdetectie.

Lees:18 meest interessante feiten over kwantumcomputers

4. Snel opladen van smartphones en elektrische voertuigen

De laatste tijd zijn substantiële inspanningen gericht op het ontwikkelen van nanogestructureerde elektrodematerialen, die geavanceerde energieopslagsystemen zoals lithium-ionbatterijen zouden kunnen verbeteren.

Sommige onderzoekers hebben tweedimensionale overgangsmetaaldichalcogeniden bedacht die als supercondensatoren kunnen worden gebruikt. Het materiaal is klein en maakt een snellere elektronenoverdracht mogelijk, waardoor sneller laden en ontladen mogelijk is. Het is gemaakt van nanometer dikke draden met een coating van 2D-materiaal.

Zulke voorbeelden zijn er genoeg. Een in Israël gevestigd bedrijf genaamd StoreDot bouwt nanomaterialen, die (in combinatie met gepatenteerde organische verbindingen) het potentieel hebben om de ultieme snellaadstandaard te worden in verschillende industrieën, waaronder smartphones, elektrische voertuigen en huishoudelijke apparaten.

Hun unieke combinatie van energiedichtheid en snel opladen heeft nieuwe deuren geopend voor de volgende generatie flitsbatterijen. Volgens het bedrijf kunnen hun smartphonebatterijen en flitsbatterijen voor elektrische voertuigen (gebouwd met niet-ontvlambare, organische verbindingen) worden opgeladen in respectievelijk 60 seconden en 5 minuten (met een bereik van 300 mijl).

3. Nanocoating en nanogestructureerde oppervlakken

Hydrofobe nanocoating 

Coating met een gecontroleerde dikte op atomaire of nanoschaal is tegenwoordig gebruikelijk geworden. Recente toepassingen zijn onder meer coatings van nanodeeltjes die chemische stoffen katalytisch vernietigen, en zelfreinigende ramen (gecoat met geactiveerd titaniumdioxide) die antibacterieel en waterafstotend zijn ontworpen.

De tussenlagen op nanoschaal zorgen voor een superieure hechting en geleidelijke afstemming van thermische en elastische eigenschappen, waardoor de hechting wordt verbeterd. Dit soort lagen verbeteren ook slijtvaste en krasvaste harde coatings.

Bovendien heeft een verbeterde porositeitscontrole op nanoschaal textiel een stuk beter gemaakt:het heeft waterdichte, ademende, vlekbestendige stoffen mogelijk gemaakt.

Lezen:Waterafstotend oppervlak kan water effectief koken terwijl het koel blijft

2. Ruimteverkenning

Tegoed:NASA

Nanotechnologie kan ruimtevluchten praktischer maken. Recente ontwikkelingen op het gebied van nanomaterialen hebben ingenieurs geholpen lichtgewicht ruimtevaartuigen te maken en de hoeveelheid brandstof te verminderen die nodig is om raketten de ruimte in te sturen.

Nieuw materiaal in combinatie met nanorobots en nanosensoren kan de prestaties van ruimtesondes en ruimtepakken verder verbeteren. Wetenschappers gebruiken op koolstofnanobuisjes gebaseerde materialen om het gewicht van het ruimtevaartuig te verminderen met behoud van zijn structurele sterkte.

Deze koolstofnanobuisjes kunnen lichtgewicht zonnecellen mogelijk maken die de zonlichtdruk (licht dat op de zonnecellen weerkaatst) gebruiken om de ruimtesonde voort te stuwen. Dit bespaart meer brandstof tijdens interplanetaire missies. Bovendien kunnen nanosensoren aan boord de niveaus van sporenchemicaliën in het ruimtestation bewaken om de prestaties van levensondersteunende systemen te analyseren.

1. Betere lucht- en waterkwaliteit

Nanotechnologie wordt op twee belangrijke manieren gebruikt om luchtvervuiling te verminderen.

1. Katalysatoren – momenteel in gebruik en worden regelmatig verbeterd.
2. Nanogestructureerde membranen – momenteel in ontwikkeling.

Katalysatoren gemaakt van nanodeeltjes worden gebruikt om dampen die ontsnappen uit industriële installaties en voertuigen effectief om te zetten in onschadelijke gassen.

Nanogestructureerde membranen kunnen daarentegen worden gebruikt om CO2 te scheiden van de uitlaatstromen van industriële installaties. Het doel is om een ​​technologie te ontwikkelen die in alle soorten energiecentrales kan worden geïmplementeerd zonder dure aanpassingen achteraf.

Evenzo wordt nanotechnologie ook gebruikt om drie grote problemen in de waterkwaliteit aan te pakken.

1. Verwijder industriële watervervuiling uit grondwater.
2. Verwijder zout of metalen uit water.
3. Verbeter standaardfilters om viruscellen effectief te elimineren.

In het eerste geval transformeren nanodeeltjes vervuilende chemicaliën in een onschadelijke oplossing. Het is een goedkoop proces dat kan worden gebruikt om verontreinigingen te bereiken die zich in ondergrondse vijvers bevinden.

Lezen:Nieuwe filtratietechnologie verbetert de zuivering van afvalwater en maakt het energiezuinig

Voor het tweede probleem zijn deïonisatietechnieken op basis van nanovezelelektroden veelbelovend voor het verminderen van de energiebehoefte en de kosten van het omzetten van zout water in drinkwater. In het derde geval worden filters van slechts enkele nanometers breed gebruikt om viruscellen uit het water te verwijderen.