Нанотехнология – это наука о работе с частицами в наномасштабе (от 1 до 100 нанометров). Она позволит нам по-новому взглянуть на материалы, и, вероятно, повлияет на различные области, включая физику устройств, материаловедение, супрамолекулярную и коллоидную химию, электронику. Сегодня рассказываем о том, как используется эта наука на практике.
Пищевая промышленность
Наночастицы, используемые в пищевой промышленности, сводят к минимуму утечку диоксида углерода в газированных напитках, уменьшают жирность и повышают пищевую ценность пищи. 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, присутствие бактерий и пестицидов. Также наноразмерные ингредиенты используются для улучшения вкуса, текстуры и цвета пищи.
Моллекулярная коммуникация
Наномашины – это функциональные устройства, которые могут выполнять множество задач, таких как приведение в действие, обнаружение, хранение данных и вычисления. Молекулярная коммуникация – это парадигма в сетях нанокоммуникаций, в которой молекулы используются для коммуникации между наномашинами. Она работает, доставляя молекулы в среду (например, воду или воздух) для передачи данных.
В организме человека нанокоммуникация может быть использована для биоинженерии на тканевом уровне, усиления иммунной системы или таргетной доставки лекарств.
Выращивание нервных клеток
Нервные клетки (вопреки распространенному мнению) умеют восстанавливаться, однако, это медленный процесс. Магнитные наночастицы могут использоваться для ускорения этого процесса – создания механического напряжения для стимуляции удлинения аксонов (или нервных волокон).
Улучшенные солнечные панели
За последние несколько лет наночастицы были интегрированы в солнечные панели для повышения эффективности при одновременном снижении затрат на их производство и установку.
В частности, доказали свою полезность частицы кремния: они обладают низкой объемной плотностью, высокой активностью и уникальными фотолюминесцентными характеристиками. Поэтому эти наночастицы также используются в интегрированных полупроводниках, люминесцентных дисплеях, солнечных батареях и литий-ионных аккумуляторах.
Наноискусство
Это течение в искусстве позволяет ученым стать творцами – например, создать картину или скульптуру на поверхности человеческого волоса. Сначала ученые анализируют текстуры молекул и атомов, делают их микроскопические изображения и настраивают полученное изображение, чтобы создать уникальное произведение искусства.
В 2015 году Джонти Гурвиц разработал новый метод создания нано-скульптур с использованием фотограмметрии и многофотонной литографии.
Диагностика и лечение болезней
Методы диагностики, основанные на нанотехнологиях, имеют два важных преимущества:
- Быстрое тестирование, которое позволяет врачам провести диагностические тесты и начать лечение в течение дня;
- Выявление серьезных заболеваний на более ранних стадиях, что может помочь врачам остановить болезнь раньше и с меньшим ущербом для пациента.
Например, ученые разрабатывают наночастицы под названием NanoFlares для обнаружения раковых клеток в кровотоке. Другой хороший пример – датчики с нанопорами, которые могут идентифицировать отдельные вирусные частицы.
Повышение доступности топлива
Нанотехнологии могут решить проблему нехватки ископаемого топлива (бензина и дизельного топлива) разными способами:
- Уменьшить потребность двигателя в топливе;
- Производить топливо из другого сырья.
Доказано, что нанотехнологии в сочетании с газификацией, пиролизом, анаэробным сбраживанием, переэстерификацией и гидрогенизацией являются экономичными и, скорее всего, скоро заменят традиционные системы в коммерческих масштабах.
Дисплеи для электронных устройств
Кремниевые нанопроволоки и углеродные нанотрубки позволяют разрабатывать дисплеи с низким энергопотреблением. Ученые успешно разработали несколько типов графена в качестве прозрачного проводника для разработки гибких и недорогих OLED-экранов.
Вычисления и хранения в памяти
С помощью наноэлектроники компьютерные процессоры можно сделать более мощными. В настоящее время ученые изучают ряд методов, в том числе новые типы нанолитографии, и способы использования наноматериалов, например, нанопроволок вместо обычных компонентов CMOS.
Крупные технологические компании начали производство наноэлектронной памяти в начале 2010-х годов. В 2013 году компания Samsung выпустила 10-нанометровую многоуровневую флеш-память NAND.
Квантовая физика
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.
Разработки в этой области включают квантовые вычисления, квантовый симулятор, квантовую связь и квантовое зондирование.
Быстрая зарядка смартфонов и автомобилей
Ученые придумали двумерные дихалькогениды переходных металлов, которые можно использовать в качестве суперконденсаторов. Материал небольшой и обеспечивает скоростной перенос электронов, благодаря чему зарядка устройств происходит куда быстрее. Он изготовлен из проволоки нанометровой толщины с двухмерным покрытием.
Нанопокрытие и наноструктурированные поверхности
Покрытие с контролируемой толщиной на атомных или наноразмерных уровнях стало обычным явлением в наши дни. Разработки включают оксидные покрытия из наночастиц, которые каталитически разрушают химические вещества, самоочищающиеся окна (покрытые активированным диоксидом титана), разработанные, чтобы быть отталкивать бактерии и влагу.
Исследование космоса
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 также улучшить характеристики космических зондов и скафандров. Ученые используют материалы на основе углеродных нанотрубок, чтобы уменьшить вес космического корабля при сохранении его прочности.
Очищение воздуха и воды
Есть два способа использования нанотехнологий для этого:
- Катализ процессов очистки (активно используется).
- Мембраны для фильтрации (в разработке).
Катализаторы, состоящие из наночастиц, используются для эффективного превращения паров, выходящих из промышленных предприятий и транспортных средств, в безвредные газы. А наноструктурированные мембраны можно использовать для отделения CO2 от выхлопных газов на промышленных предприятиях.
Кажется, что нанотехнологии – это нечто очень далекое от нас, но, как видите, спектр их применения широк и будет расти из года в год.
