10 примеров нанотехнологий, оказавших большое влияние
 |
| Фото: builtin.com |
Манипуляции с материалами в нанометрическом масштабе можно увидеть во всем, от спортивной одежды до пива.
«Это нанотехнологии — вам это нравится?» — спрашивает миллиардер-супергерой Железный Человек, которого играет Роберт Дауни-младший, когда металлическая жидкость расползается по его телу, образуя бронированный экзоскелет, активируемый толчком его нагрудника.
Хотя эта боевая сцена из фильма «Мстители: Войны бесконечности» от Marvel — просто вымысел, ряд амбициозных достижений в области нанотехнологий можно приравнять к сценариям, придуманным только в научной фантастике: внутри вашего тела вживляются датчики, играющие роль доктора. Самовосстанавливающиеся материалы, позволяющие самолетам автоматически восстанавливаться в полете. Самособирающийся ответ на изменение климата, когда объекты генерируют круговую экономию энергии за счет движения.
На самом деле, вы, вероятно, уже несколько раз невольно сталкивались с коммерциализированными атомными инновациями. Нанотехнологии, отрасль, изучающая свойства материи в наномасштабе, фактически уже впервые применяются в повседневных приложениях.
Что такое нанотехнологии?
Нанотехнологии изучают уникальные изменения свойств на наноуровне посредством манипулирования атомами и молекулами. Намерение состоит в том, чтобы затем использовать эти явления для использования в дизайне, характеристике, производстве и применении в интересах материалов, конструкций, устройств и систем. Этот масштаб колеблется от одной базовой единицы, имеющей размер, аналогичный атомам или молекулам, до 100 нанометров. «Нанометр» переводится как «одна миллиардная часть метра».
Для справки: волосяные фолликулы или лист бумаги имеют толщину около 100 000 нанометров. Ногти растут со скоростью один нанометр в секунду. Клетки и бактерии измеряются в микрометрах — совершенно другой масштаб для объектов, размеры которых превышают нанометровые измерения.
Если бы каждый человек был размером с нанометр, все население мира смогло бы поместиться в одну машинку из спичечных коробков Hot Wheels, отмечает Австралийская академия наук.
Важно отметить, что нанотехнологии — это не просто миниатюризация того, что происходит на уровне глаз. Когда объектами манипулируют в нанометрическом масштабе, они могут приобретать необычные свойства — изменение цвета или повышенную пластичность — которые расходятся с их представлением в макроскопическом масштабе. Изменение площади поверхности может привести к изменению физического, химического, оптического или механического состава. Материалы могут стать более прочными, прочными или проводящими, чем их аналоги в натуральную величину.
Однако это не вся научная фантастика и костюмы супергероев Marvel. Например, витражи, украшающие европейские средневековые соборы и замки, являются одними из самых ранних известных случаев использования нанотехнологий. Ремесленники обнаружили, что они могут создавать глубокие пурпурные и насыщенные красные цвета, добавляя вкрапления хлорида золота или желтоватого янтаря из нитрата серебра. Когда атомные частицы перестраиваются, они по-разному отражают свет.
Понимание этих непредсказуемых свойств, возникающих в результате манипулирования наноматериалами с помощью инновационной инженерии и изготовления макромасштабных технологий, является задачей исследователей в этой области.
По сути, нанотехнологии могут буквально изменить мир, каким мы его знаем.
Виды нанотехнологий
Существует четыре основных классификации, которые сортируют различные типы нанотехнологий, происходящих в настоящее время, упорядоченные по последовательности, в которой они разрабатываются, или по средам, в которых они работают:
• Нисходящий (сверху вниз): этот подход сводит структуры и механизмы, используемые в настоящее время, к наномасштабу — от атомных уровней до 100 нанометров — для разработки новых технологий.
• Восходящий (снизу вверх): начиная с основных единиц нанометрической структуры, таких как атом или молекула, нанотехнологи строят с нуля.
• Сухая: тип нанотехнологии, классифицируемый по ее работе с неорганическими материалами, такими как металлы и полупроводники, которые не работают с водой.
• Влажный: основное внимание уделяется процессам, требующим воды, и биологическим системам, существующим в водной среде, таким как клетки.
Текущие примеры и использование нанотехнологий
Нанотехнологии вокруг нас. Взгляните на некоторые из способов, которыми непостижимо маленькие инновации проникли в вашу повседневную жизнь.
СОЛНЦЕЗАЩИТНЫЙ КРЕМ
Оксид цинка и диоксид титана, созданные в лаборатории и измельченные до ультратонких частиц, являются синтетическими ингредиентами, добавляемыми в повседневные солнцезащитные продукты, поскольку они хорошо поглощают УФ-излучение. Неорганические наночастицы также эффективно поглощают и рассеивают видимый свет, делая их легкими и прозрачными при нанесении на кожу.
ОДЕЖДА
Капельки дождя, скатывающиеся, а затем скатывающиеся с вашей ветровки, и удивительная устойчивость к вонючим вещам спортивной одежды недельной давности, сваленной в углу вашей спальни, — все это можно отнести к нановолокнам или нанотехнологиям, адаптированным к одежде.
Наночастицы кремнезема, вплетенные в ткань или распыленные на ее поверхность, сохраняют нас сухими под зонтами и в водоотталкивающей одежде.
Наночастицы серебра, обычно используемые в футболках и носках, обладают антимикробными свойствами, убивают пахучие бактерии и требуют менее частых циклов стирки. Добавление меди в смесь создает защитный слой, который разрушает пищу и грязь при контакте с теплом или под воздействием солнечных лучей. Делая еще один шаг вперед, наночастицы меди и кремнезема химически дезодорируют, активно воздействуя на молекулы, вызывающие зловоние, а затем модифицируя их.
В одном исследовании было обнаружено, что диоксид титана повышает устойчивость хлопчатобумажных тканей к складкам.
Заглядывая вперед, исследователи изучают различные породы листвы, чтобы воспроизвести их супергидрофобные и самоочищающиеся свойства для создания сверхводостойких тканей с узором из наносиликоновых шипов, связанных с явлением, называемым «эффектом лотоса».
МЕБЕЛЬ
Покрытия, лаки, обивка, а также композитные и пластиковые материалы, которыми обставлена домашняя мебель, иногда имеют нанотехнологический оттенок.
Согласно статье, опубликованной в Международном журнале научных исследований и инновационных технологий, при нанесении на древесину наносеребро, медь и цинк защищают мебель от вредителей и грибков за счет естественного производства биоцидов. Финишное покрытие из диоксида титана также может отталкивать пыль и загрязнения.
По словам исследователей из Хелуанского университета в Египте, использование наноматериалов может привести к увеличению жизненного цикла мебельной продукции при одновременном снижении затрат на техническое обслуживание и ремонт.
В целях безопасности добавление небольшого количества углеродных нановолокон в пенополиуретан в мягкой мебели может снизить воспламеняемость примерно на 35 процентов по сравнению с обычными антипиренами, обнаруженными исследователями из Национального института стандартов и технологий.
КЛЕИ
Суперковалентные связи, скрепляющие наноклеи, вдохновлены сильнейшей моделью сил Ван-дер-Ваальса — пальцами ног геккона.
Миллиард с лишним крошечных эластичных волосков, известных как щетинки, которые выстилают ноги рептилии, расщепляются на еще более мелкие лопаточки — около 200 нанометров в ширину и длину — на каждом конце, помогая ящерице в единственной в своем роде силе захвата.
В 2012 году группа ученых выпустила клейкий клей, получивший название «Geckskin», который мог прикрепить 700 фунтов к гладкой поверхности с использованием углеродных нанотрубок.
«Хотя углеродные нанотрубки в тысячи раз тоньше человеческого волоса, они могут быть прочнее стали, легче пластика, лучше проводить электричество по сравнению с медью и по теплу от алмаза», — пишет Майкл Бергер, редактор интернет-издания по нанотехнологиям Nanowerk.
Более тонкие линии склеивания дают нанонаполнителям преимущество перед традиционно используемыми клеями микромасштаба, что увеличивает прочность и долговечность. Молекулярные цепи, связанные смесью кремния, серы, углерода и водорода, создали в 2007 году нано-клей, который не только выдерживал высокие температуры, но и становился прочнее по мере повышения температуры.
АВТОМОБИЛЬНАЯ КРАСКА
Нанокерамические покрытия соединяются с прозрачной отделкой автомобиля, образуя глянцевый, защищенный полимером герметик, который отталкивает воду, загрязняющие вещества, УФ-лучи и, что немаловажно, повреждает мочевую кислоту из птичьего помета. Чаще всего они изготавливаются из диоксида кремния, но также могут быть получены из карбида кремния или графена.
Как правило, покрытия могут прослужить от двух до пяти лет, хотя более концентрированные смеси на рынке могут прослужить более десяти лет.
СПОРТИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В игру вступают нанотехнологии с их углеродными нанотрубками, наночастицами диоксида кремния, наноглиной и фуллеренами, которые улучшают результаты спортсменов и их оборудования. Наноматериалы могут повысить прочность, жесткость и долговечность снаряжения при одновременном снижении веса, трения или износостойкости униформы. Вот почему клюшки для гольфа и гоночные велосипеды легче. Вот почему пловцы и конькобежцы скользят быстрее.
По данным интернет-издания по нанотехнологиям AZoNano, углеродные нанотрубки, наиболее распространенный наноматериал, используемый в спортивных товарах, в шесть раз легче и в 100 раз прочнее стали и жестче алмаза.
В теннисе эти углеродные нанотрубки используются для усиления каркаса ракетки, обеспечивая игроку больше контроля и мощности. Покрытия из наноглины внутри теннисных мячей действуют как барьер, который удерживает накачиваемые газы и предотвращает утечки, оптимизируя отскок и позволяя играть дольше.
Но насколько хорошо слишком хорошо? Этическая дилемма возникает в связи с так называемым «технологическим допингом», когда регулирующие органы проводят черту между талантом и технологией.
Как сообщает The Guardian, международный руководящий орган запретил купальники, содержащие наноткани, после того, как 168 мировых рекордов были побиты соревнующимися пловцами в этих костюмах, что «дало конкурентам несправедливое преимущество». Боди Speedo LZR Racer может быть связано с более чем 90 процентами золотых медалей, завоеванных на Олимпийских играх 2008 года в Пекине, благодаря конструкции полиуретановых панелей, которые отталкивают воду, повышают плавучесть и уменьшают сопротивление.
КОМПЬЮТЕРЫ
Как показала десятилетняя эволюция смартфонов, в мире компьютеров меньше значит больше. Агрессивное внимание к эффективности компьютерных систем обусловлено концепцией, известной как закон Мура, установленный в 1965 году, который предсказывал, что количество транзисторов, включенных в схему заданного размера, может удваиваться каждые два года в соответствии с достижениями. До сих пор прав был американский инженер и автор принципа Гордон Мур.
В 2021 году IBM объявила об успешной разработке кремниевого полупроводника размером всего два нанометра. В пресс-релизе говорится, что его производительность на 45% выше, чем у самых современных чипов, что более чем в три раза превышает его размер. Для справки, это позволило бы втиснуть 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь.
Ученые ожидают, что закон Мура упрется в неизбежную стену, подтолкнув к ней первичный композит — кремний. предел оптимизации. Более тонкие наноматериалы, такие как графен, и структурные образования, такие как одномерные углеродные нанотрубки, в настоящее время рассматриваются в качестве основы для следующего поколения вычислительных транзисторов.
ЛЕКАРСТВЕННОЕ СРЕДСТВО
Аналитическая и консалтинговая компания GlobalData определила некоторые нанотехнологические тенденции, набирающие популярность в уходе за пациентами.
Спецификация мишени — это метод, при котором наночастицы прикрепляются к лекарствам или искусственным везикулам, известным как липосомы (по сути, заключенные в оболочку капли воды, предназначенные для определенной цели), чтобы найти определенные клетки и ткани. По данным GlobalData, это позволяет медицине лечить больные или раковые «целевые клетки» напрямую, избегая при этом здоровых.
Другое использование в разработке, контролируемое высвобождение лекарства, даст практикующим врачам возможность контролировать высвобождение лекарства или терапевтического соединения с помощью триггера. Внутренне это может быть активировано изменением ткани по мере ее развития вокруг опухоли или внешними раздражителями, такими как тепло, свет или ультразвук.
ЕДА
От Heinz до Hershey, бытовые бренды, заполняющие ящики вашего холодильника и кухонные шкафы, вероятно, содержат нанотехнологии. По оценкам AZoNano, более 400 глобальных компаний участвуют в новых лабораторных разработках.
По данным Центра безопасности пищевых продуктов, ведущие игроки в этой области — серебро, диоксид титана, кремнезем, глина, золото и цинк — являются наиболее часто используемыми элементами, используемыми для манипулирования пищевыми продуктами на наноуровне.
Нано-железо используется для очистки воды, разрушения органических загрязнителей и уничтожения микробных патогенов во время обеззараживания.
Воздушная, постоянно влажная текстура майонеза стала возможной благодаря наноэмульсии, в которой жирные капли масла переполняют воду и создают карманы. Разработчики считают, что они могут еще больше снизить процентное содержание жира в приправе, вводя молекулы жира с водой. Nestlé использует этот процесс, чтобы гарантировать равномерное размораживание замороженных продуктов, а Unilever снизила процентное содержание жира в своем мороженом с 16 до 1 процента.
С эстетической точки зрения, йогурт и кокосовая стружка полагаются на диоксид титана, чтобы казаться максимально ярко-белыми.
Вкус, внешний вид и текстура — не единственное применение нанотехнологий в пищевой промышленности. «Умная» упаковка, украшенная наносенсорами и антимикробными активаторами, такими как нано-серебро, находится в производстве для продления срока годности, повышения безопасности пищевых продуктов, индикации загрязненных или испорченных продуктов, ремонта разрывов упаковки и даже выпуска консервантов, пока пищевые продукты находятся в обертке. .
Сегодня нанотехнологии не позволяют пиву остыть, вливая хлопья наноглины в стенки пластиковых бутылок, препятствуя утечке шипучего углекислого газа и проникновению кислорода, который не испортит напиток.
Забегая вперед, биодоступность за счет наноструктур направлена на оптимизацию питательной ценности, чтобы продемонстрировать явные преимущества. Исследователи стремятся соединить поваренную соль до нанометрических размеров — примерно в тысячу раз меньше, чем обычно, сообщает The Guardian. Увеличение площади поверхности соли означает, что аромат может распространяться более эффективно. Это увеличило бы площадь поверхности соли в миллион раз, а это означает, что аромат может распространяться более эффективно, уменьшая потребление соли и проблемы с кровяным давлением без ущерба для вкуса.
ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА
Исследователи из Северо-восточного университета разработали огнезащитный аэрогель, состоящий из нановолокон целлюлозы и металлической фазы дисульфида молибдена. Сверхлегкий, прочный материал содержит сшивающую структуру. Создание нанобарьеров в материалах корпуса поможет блокировать доступ кислорода, одновременно препятствуя выделению токсичных веществ и «разжиганию» огня, в конечном итоге подтвердив его воспламеняемость.
В настоящее время команда Northeast ищет коммерческие возможности и возможности для разработки, чтобы встроить свои огнестойкие нанотехнологии в жилье, сообщается в блоге платформы отраслевых связей In-Part.
Будущее использование нанотехнологий
В своей юности сама индустрия все еще мечтает о том, что реинжиниринг материи в наномасштабе может сделать для общества.
Его прямое участие в реагировании на COVID-19 является ярким примером этого. Журнал технических инноваций Nano Today приписал 95-процентную эффективность двух вакцин на основе мРНК именно использованию наноносителей, состоящих из липидных наночастиц. Как отмечается в журнале, это выдающийся маркер современной медицины, который закладывает основу для борьбы с будущими пандемиями.
Нанотехнологии также обещают бороться с изменением климата за счет оптимизации производства энергии. В индивидуальном масштабе это может означать увеличение объема памяти, встроенной в аккумуляторы электромобилей, или, в масштабах всей отрасли, использование солнечных панелей с более высоким коэффициентом преобразования.
Nanowerk отметил работу Чжун Линь Вана, профессора Технологического института Джорджии, который занимается разработкой технологии наногенераторов с 2005 года.
Ван и его команда изучают, как собирать механическую энергию из органических и неорганических материалов, по сути управляя системой энергии посредством движения. Его работа показала, что наногенераторы могут приводиться в действие нерегулярным механическим движением, которое включает в себя непроизвольные биомеханизмы, такие как вибрация голосовых связок или импульсы сердцебиения, даже колесо хомяка или развевающийся на ветру флаг. Стимулы, с которыми в настоящее время проводятся эксперименты, включают свет, колебания температуры, глюкозу — любой природный источник, обладающий высокой эффективностью преобразования.
Хотя нанотехнологические инновации завтрашнего дня невелики, они имеют большое значение.
Комментарии