14 Innovatieve Nanotechnologie-toepassingen: Van Geneeskunde Tot Materialen

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

Hoe klein is één nanometer? Het menselijk haar is ongeveer 50 micrometer breed. Eén nanometer is 50.000ste deel van een haarbreedte.

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

Wat Is Nanotechnologie Precies?

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

Nanotechnologie kan ongekende inzichten bieden in materialen en apparatuur en zal waarschijnlijk diverse velden beïnvloeden, waaronder apparaatfysica, materiaalwetenschap, supramoleculaire chemie, colloïdale wetenschap en elektrische en mechanische engineering.

Het onderwerp kan beter uitgelegd worden door duidelijke en beknopte uitleg van nanotechnologie-toepassingen te geven. We hebben enkele minder bekende toepassingen van nanotechnologie en hun voordelen opgesomd, die laten zien hoe ze daadwerkelijk ons dagelijks leven beïnvloeden.

14. Nanotechnologie In De Voedingsmiddelenindustrie

Rol van nanotechnologie in verschillende aspecten van voedingssectoren | Credit: Frontiers

In de afgelopen twee decennia zijn nanotechnologie-toepassingen gekomen met de groeiende behoefte aan nanopartikels in verschillende velden van voedingsmiddelenmicrobiologie en voedingsmiddelenwetenschap, inclusief voedingsverwerking, verpakking, veiligheid, identificatie van voedingsbesmetting en houdbaarheidsverlenging van voedingsproducten.

Nano-geengineerde deeltjes gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie, minimaliseren koolstofdioxide-lekkage in gefriseerde dranken, verminderen vet en verbeteren de voedingswaarde. Ze behouden ook vochtuitstroom en controleren de groei van bacteriën om voedsel vers te houden.

Slimme verpakkingsmethodes gecombineerd met nanoschaal-sensoren maken detectie van besmette voedingsmiddelen en de aanwezigheid van bacteriën en bestrijdingsmiddelen mogelijk.

Vandaag de dag worden nanoschaal-ingrediënten gebruikt om de smaak, textuur en kleur van voedsel te verbeteren. De nanopartikels van titaniumdioxide, siliciumdioxide en amorfe silice worden gebruikt als voedingsadditieven.

In de voedingsmiddelenindustrie worden commerciële toepassingen van nanopartikels verwacht om met een significante snelheid te groeien door hun nieuwe en unieke eigenschappen. Daarom zal de menselijke blootstelling aan nanopartikels doorgaan te stijgen, en de geassocieerde gezondheidsimpact blijft een primaire publieke zorg.

13. Moleculaire Communicatie

Nanomachines zijn volledig functionele apparaten die talloze taken kunnen uitvoeren zoals actuering, sensoring, dataopslag en rekenen. Om effectiever en efficiënter te zijn, moeten deze machines in de vorm van een netwerk met elkaar verbonden zijn.

Moleculaire communicatie is het paradigma in nano-communicatienetwerken, dat moleculen gebruikt voor communicatie tussen nanomachines. Deze systemen gebruiken de afwezigheid of aanwezigheid van een specifiek type molecuul om data digitaal te coderen.

Het werkt door moleculen in een medium (zoals water of lucht) te leveren voor transmissie. De communicatiesignalen vereisen weinig energie en kunnen biocompatibel gemaakt worden. Ook, deze techniek is niet afhankelijk van specifieke antennegroottes.

Aangezien moleculaire communicatie geïnspireerd is op communicatie tussen biologische materialen, biedt het een breed scala aan biomedische en milieu-toepassingen.

Nano-communicatie binnen het menselijk lichaam, kan bijvoorbeeld diverse gezondheidstoepassingen hebben, zoals weefselengineering, verbeterd immuunsysteem, Brain-Machine Interface en gerichte medicijnafgifte.

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

12. Zenuwcellen Laten Groeien

Image credit: Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

De capaciteit om zenuwcellen in het lichaam te regenereren, kan de effecten van trauma en ziekte aanzienlijk verminderen. Wetenschappers werken aan nanotechnologie om de regeneratie van zenuwcellen te verbeteren.

Ze hebben getoond hoe magnetische nanopartikels gebruikt kunnen worden om mechanische spanning te genereren voor het stimuleren van de uitrekking van axonen (of zenuwevezels). Ze hebben ook beschreven hoe uitgelijnde nanovezels een bioactieve matrix kunnen bieden waar zenuwcellen kunnen regenereren.

Verscheidene studies hebben beweten dat koolstofnanobuisjes de volledige groei van neuronen en de vorming van nieuwe synapsen faciliteren. Echter, deze groei is niet willekeurig en onbeperkt.

11. Betere Zonnepanelen

Naarmate het wereldwijde belang in groene energie toeneemt, hebben wetenschappers doorgestudeerd manieren om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren. In de afgelopen jaren zijn diverse vooruitgang in nanotechnologie geïntegreerd in zonnepanelen om de efficiëntie te verbeteren terwijl de productie- en installatiekosten worden verlaagd.

Siliciumnanopartikels, in het bijzonder, hebben zich als nuttig bewezen: ze hebben een lage bulkdichtheid, actieve toestandsoppervlakte en unieke fotoluminescente kenmerken. Daarom worden deze nanopartikels ook gebruikt in geïntegreerde halfgeleiders, luminescente displayapparaten, zonne-energiecellen en lithium-ionbatterijen.

Recente vooruitgang in grafene-gebaseerde zonnecellen hebben geresulteerd in 20% minder reflectantie en ten minste 40% meer energieomzetting vergeleken met traditionele zonnecellen.

10. NanoArt

Een nano-beeldhouwwerk gecreëerd door Jonty Hurwitz

Wetenschappers worden kunstenaars, dankzij 'NanoArt'. Het is een kunstwerk gedaan op een moleculaire en atomaire schaal. Het afbeeldt natuurlijke of synthetische nanostucturen die geobserveerd worden door elektronenmicroscopen in laboratoria.

Om nanoart te creëren, analyseren wetenschappers eerst de texturen van moleculen en atomen, vangen microscopische afbeeldingen van hen en stemmen de resulterende afbeelding af om een uniek kunstwerk te produceren. Een van de doelstellingen van dergelijke kunst is om mensen vertrouwd te maken met nuttige kleine objecten en vooruitgang in hun synthese.

In 2015 ontwikkelde Jonty Hurwitz een nieuwe methode voor het genereren van nano-beeldhouwwerken met behulp van fotogrammetrie en multi-fotonen lithografie. Hurwitz is een creatieve kunstenaar die nu erkend is voor de kleinste menselijke vorm ooit gebouwd met nanotechnologie.

9. Medische Diagnostiek En Behandeling

Nanotech-gebaseerde diagnostische methoden kunnen twee grote voordelen bieden –

• Snelle testen, die artsen in staat kunnen stellen diagnostische tests uit te voeren en behandeling binnen een dag te starten.
• Detectie van ernste ziekten in vroege stadia, wat artsen kan helpen ziekte(s) eerder te stoppen, met minder schade aan de patiënt.

Bijvoorbeeld, wetenschappers ontwikkelen nanopartikels genaamd NanoFlares om kankercellen in de bloedstroom te detecteren. Deze nanopartikels zijn ontworpen om te binden met genetische doelen in kankercellen en een fluoresceerend signaal te produceren wanneer die specifieke doel gevonden wordt.

Een ander goed voorbeeld is nanopore-sensoren die individuele virusdeeltjes kunnen identificeren. Nanopore-sensoren gecombineerd met kunstmatige intelligentie-technieken kunnen een snelle, point-of-use detectie van virussen bieden.

De technologie kan ook gebruikt worden om infecties te bestrijden: onderzoekers hebben een prototype van een katheterverband ontwikkeld dat nanopartikels van chlorhexidine hexametafosfaat incorporeert. Het kan de groei van bacteriën remmen en wondkolonisatie verminderen. In de nabije toekomst zouden dergelijke typen moleculen gebruikt kunnen worden in wondzorgmaterialen om infecties te controleren.

8. Brandstofbeschikbaarheid Verbeteren

Nanotechnologie kan de tekortkoming van fossiele brandstoffen (benzine en diesel) op verschillende manieren aanpakken –

• Het kan het kilometerverbruik van motors verbeteren.
• Het kan brandstoffen efficiënt en economisch produceren uit conventionele grondstoffen.

Nanomaterialen zijn uitzonderlijke kandidaten voor talloze biobrandstofsystemen vanwege hun unieke eigenschappen zoals katalytische activiteit, duurzaamheid, stabiliteit, hoge graad van kristallijnheid en efficiënte opslag, die collectief het algehele systeem kunnen optimaliseren.

Nanotechnologie gecombineerd met vergassing, pyrolyse, anaerobe vergisting, transesterificatie en hydrogenatie is beweten economisch en efficiënt te zijn, maar zijn nog steeds meestal beperkt tot laboratoria en kleine schaal. Ze zullen waarschijnlijk (waarschijnlijk in de komende drie decennia) traditionele systemen op commerciële schaal vervangen.

Verscheidene metaaloxide nano-katalysatoren, waaronder calciumoxide, titanium, strontiumoxide en magnesiumoxide, zijn gecreëerd met een hoge katalytische prestatie voor de productie van biodiesel. Koolstof-gebaseerde nano-katalysatoren houden ook grote beloften in voor biodieselproductie uit diverse grondstoffen.

7. Displays En Optoelektronische Apparaten

Quantum Dots met geleidelijk stijgende emissie van violet tot donkerrood | Wikimedia Commons

Siliciumnanodraden en koolstofnanobuisjes maken het mogelijk om laag-energieverbruik displays te ontwikkelen. Aangezien deze nanostucturen hoog geleidend zijn, kunnen ze gebruikt worden in veldemissie-displays met ongekende efficiëntie.

In OLEDs worden nanomaterialen en nanofabricagetechnieken gebruikt om transparante elektrode te fabriceren en OLEDs in te pakken om ze te beschermen tegen externe schade (zoals water). Wetenschappers hebben met succes een paar nanometer grafene als transparante geleider ontwikkeld, wat de weg baande voor goedkope, flexibele OLEDs.

Organische licht-emitterende transistors (een alternatief voor OLEDs) kunnen nieuwe deuren openen in organische optoelektronica en dienen als testbeds om fundamentele fotonische kwesties aan te pakken zoals exciton quenching en fotonverlies.

Quantum Dots — kleine halfgeleiderdeeltjes van een paar nanometer groot — zijn zowel electro-actief (electroluminescent) als foto-actief (fotoluminescent). De unieke fysieke eigenschappen ervan maken het een veelbelovend materiaal voor next-generation displays.

Vergeleken met OLEDs en organische luminescente materialen, hebben quantum dots-gebaseerde materialen een langere levensduur, zuivere kleuren, en lager energieverbruik en productiekosten.

6. Computing En Geheugenopslag

Voortgang van het productieproces van nanometer-halfgeleiders

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

Ze zijn in staat geweest om Field effect transistors te ontwikkelen met heterostructurele halfgeleider-nanodraden en halfgeleidende koolstofnanobuisjes.

Tech-giganten begonnen de productie van nano-elektronisch geheugen in de vroege jaren 2010. In 2013 produceerde Samsung een 10-nanometer multi-level cell NAND flash geheugen. In 2017 produceerde Taiwan Semiconductor Manufacturing Company SRAM geheugen met een 7-nanometer proces.

5. Kwantum Nanoscience

Kwantum nanoscience verwijst naar de tak van natuurwetenschap en nanotechnologie die kwantummechanica gebruikt om coherente kwantumeffecten in geengineerde nanostucturen te verkennen.

In de afgelopen jaren heeft kwantum een nieuwe betekenis gekregen door het toenemende onderzoek naar de realisatie van kwantumcomputers. Vandaag de dag zijn kwantummechanische fenomenen — zoals kwantumcoherentie, superpositie en verwarving — geengineerd op nanoschalen.

Toepassingen in dit gebied omvatten kwantumcomputing, kwantumsimulator, kwantumcommunicatie en kwantumsensing.

4. Snel Opladen Smartphones En Elektrische Voertuigen

Recente substantiële inspanningen zijn gericht op het ontwikkelen van nanogestructureerde elektrodematerialen, die de state-of-the-art energiedopslagsystemen zoals lithium-ionbatterijen kunnen verbeteren.

Sommige onderzoekers zijn gekomen met tweedimensionale overgangsmetaal-dichalcogeniden die als supercondensatoren gebruikt kunnen worden. Het materiaal is klein en stelt snellere elektronenoverdracht in staat, wat snellere opladen en ontladen mogelijk maakt. Het is gemaakt van nanometer-dikke draden met 2D materiaalhulzen.

Er zijn tal van voorbeelden als die. Een Israëls bedrijf genaamd StoreDot bouwt nanomaterialen, die (gecombineerd met proprietaire organische verbindingen) het potentieel hebben om de ultieme snel-laadstandaard te worden in diverse industrieën, inclusief smartphones, elektrische voertuigen en huishoudelijke apparaten.

Hun unieke combinatie van energiedichtheid en snelladen heeft nieuwe deuren geopend voor de next-generation flashbatterij. Volgens het bedrijf kunnen hun smartphonebatterijen en elektrische voertuig flashbatterijen (gebouwd met niet-ontvlambare, organische verbindingen) in 60 seconden en 5 minuten (met een bereik van 300 mijl) respectievelijk opgeladen worden.

3. Nanocoating En Nanogestructureerde Oppervlakken

Hydrofobe nano-coating

Coating met dikte gecontroleerd op atomaire of nanoschaal is tegenwoordig gangbaar. Recente toepassingen omvatten nanopartikulierte oxide coatings die chemische agenten katalytisch vernietigen, en zelfreinigende ramen (gecoat in geactiveerd titaniumdioxide) geengineerd om antibacterieel en waterafstotend te zijn.

De nanoschaal-tussenlagen bieden superieure binding en gegraafde matching van thermische en elastische eigenschappen, wat de adhesie verbetert. Deze typen lagen verbeteren ook slijt- en kratvast harde coatings.

Bovendien heeft verbeterde porositeitscontrole op nanoschaal textiel veel beter gemaakt: het heeft waterdichte, ademende, vlekvaste stoffen mogelijk gemaakt.

2. Ruimtevaart

Credit: NASA

Nanotechnologie kan ruimtevlucht praktischer maken. Recente vooruitgang in nanomaterialen heeft ingenieurs geholpen lichte ruimtevaartuigen te maken en de hoeveelheid brandstof te verminderen die nodig is om raketten in de ruimte te sturen.

Nieuw materiaal gecombineerd met nanorobots en nanosensoren kan de prestaties van ruimtesonden en ruimtepakken verder verbeteren. Wetenschappers gebruiken koolstofnanobuis-gebaseerde materialen om het gewicht van het ruimtevaartuig te verminderen terwijl de structurele sterkte behouden blijft.

Deze koolstofnanobuisjes kunnen lichte zonnecellen mogelijk maken die de zonlichtdruk (licht dat reflecteert op de zonnecellen) gebruiken om de ruimtesonde voort te stuwen. Dit bespaart meer brandstof tijdens interplanetaire missies. Bovendien kunnen aanboord nanosensoren de niveaus van tracechemicaliën in het ruimtestation monitoren om de prestaties van levensondersteuningssystemen te analyseren.

1. Betere Lucht- En Waterkwaliteit

Nanotechnologie wordt op twee grote manieren gebruikt om luchtverontreiniging te verminderen.

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

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

Nanogestructureerde membranen, aan de andere kant, kunnen gebruikt worden om CO2 van industriële uitlaatstromen te scheiden. Het doel is een technologie te ontwikkelen die geïmplementeerd kan worden in alle typen elektriciteitscentrales zonder kostbare retrofitting.

Op dezelfde manier wordt nanotechnologie ook gebruikt om drie grote problemen in waterkwaliteit aan te pakken.

1. Industriële waterverontreiniging uit grondwater verwijderen.
2. Zout of metalen uit water verwijderen.
3. Standaardfilters verbeteren om viruscellen effectief te elimineren.

In het eerste geval transformeren nanopartikels verontreinigende chemicaliën in een onschadelijke oplossing. Het is een goedkoop proces dat gebruikt kan worden om verontreinigingen bereikt in ondergrondse vijvers.

Voor het tweede probleem tonen deionisatietechnieken gebaseerd op nanovezel-elektrodes belofte voor het verminderen van de energievereisten en kosten van het omzetten van zout water in drinkwater. In het derde geval worden filters van slechts een paar nanometer breed gebruikt om viruscellen uit water te verwijderen.