Industriella tillämpningar av nanoteknik

Nanoteknik påverkar området konsumentvaror , flera produkter som innehåller nanomaterial finns redan i en mängd olika föremål; många av vilka folk inte ens inser innehåller nanopartiklar , produkter med nya funktioner som sträcker sig från lättstädade till reptåliga . Exempel på att bilstötfångare görs lättare, kläder är mer fläckavvisande , solskyddsmedel är mer strålningsbeständiga, syntetiska ben är starkare, mobiltelefonskärmar är lättare, glasförpackningar för drycker ger längre hållbarhet och bollar för olika sporter görs mer hållbara. Genom att använda nanoteknik kommer moderna textilier på medellång sikt att bli "smarta", genom inbäddad "bärbar elektronik", sådana nya produkter har också en lovande potential, särskilt inom kosmetikaområdet, och har många potentiella tillämpningar inom tung industri . Nanoteknik förutspås vara en viktig drivkraft för teknik och affärer under detta århundrade och har löften om material med högre prestanda, intelligenta system och nya produktionsmetoder med betydande inverkan på alla aspekter av samhället.

Livsmedel

En komplex uppsättning tekniska och vetenskapliga utmaningar inom livsmedels- och bioprocessindustrin för att tillverka högkvalitativa och säkra livsmedel på effektiva och hållbara sätt kan lösas genom nanoteknik. Bakterieidentifiering och livsmedelskvalitetsövervakning med hjälp av biosensorer ; intelligenta, aktiva och smarta livsmedelsförpackningssystem; nanoinkapsling av bioaktiva livsmedelsföreningar är några exempel på nya tillämpningar av nanoteknik för livsmedelsindustrin. Nanoteknik kan användas vid produktion, bearbetning, säkerhet och förpackning av livsmedel. En nanokompositbeläggningsprocess skulle kunna förbättra livsmedelsförpackningarna genom att placera antimikrobiella medel direkt på ytan av den belagda filmen. Nanokompositer kan öka eller minska gaspermeabiliteten för olika fyllmedel som behövs för olika produkter. De kan också förbättra de mekaniska egenskaperna och värmebeständigheten och sänka syreöverföringshastigheten. Forskning pågår för att tillämpa nanoteknik för att detektera kemiska och biologiska ämnen för sinnesintryck i livsmedel.

En komplex uppsättning tekniska och vetenskapliga utmaningar inom livsmedels- och bioprocessindustrin för att tillverka högkvalitativa och säkra livsmedel på effektiva och hållbara sätt kan lösas genom nanoteknik. Bakterieidentifiering och livsmedelskvalitetsövervakning med hjälp av biosensorer; intelligenta, aktiva och smarta livsmedelsförpackningssystem; nanoinkapsling av bioaktiva livsmedelsföreningar är några exempel på nya tillämpningar av nanoteknik för livsmedelsindustrin.[2] Nanoteknik kan användas vid produktion, bearbetning, säkerhet och förpackning av livsmedel. En nanokompositbeläggningsprocess skulle kunna förbättra livsmedelsförpackningarna genom att placera antimikrobiella medel direkt på ytan av den belagda filmen. Nanokompositer kan öka eller minska gaspermeabiliteten för olika fyllmedel som behövs för olika produkter. De kan också förbättra de mekaniska egenskaperna och värmebeständigheten och sänka syreöverföringshastigheten. Forskning pågår för att tillämpa nanoteknik för att detektera kemiska och biologiska ämnen för sinnesintryck i livsmedel.

Nano-livsmedel

Nya livsmedel är bland de konsumentprodukter som skapats av nanoteknik som kommer ut på marknaden i en hastighet av 3 till 4 per vecka, enligt Project on Emerging Nanotechnologies ( PEN), baserat på en inventering som den har upprättat av 609 kända eller påstådda nano- Produkter. På PEN:s lista finns tre livsmedel - ett märke av rapsolja som heter Canola Active Oil, ett te som heter Nanotea och en chokladdietshake som heter Nanoceuticals Slim Shake Chocolate. Enligt företagsinformation som publicerats på PEN:s webbplats innehåller rapsoljan, av Shemen Industries of Israel, en tillsats som kallas "nanodroppar" utformad för att transportera vitaminer, mineraler och fytokemikalier genom matsmältningssystemet och urea. Shaken, enligt den amerikanska tillverkaren RBC Life Sciences Inc., använder kakaoinfunderade "NanoClusters" för att förbättra smaken och hälsofördelarna med kakao utan att behöva extra socker .

Konsumtionsvaror

Ytor och beläggningar

Den mest framträdande tillämpningen av nanoteknik i hushållet är självrengörande eller " lätt att rengöra" ytor på keramik eller glas. Nanokeramiska partiklar har förbättrat jämnheten och värmebeständigheten hos vanlig hushållsutrustning som plattjärnet .

De första solglasögonen med skyddande och antireflekterande ultratunna polymerbeläggningar finns på marknaden. För optik erbjuder nanotekniken även reptåliga ytbeläggningar baserade på nanokompositer. Nanooptik kan möjliggöra en ökad precision av pupillreparation och andra typer av ögonlaserkirurgi.

Textilier

Användningen av konstruerade nanofibrer gör redan kläderna vatten- och fläckavvisande eller skrynkelfria. Textilier med en nanoteknologisk finish kan tvättas mer sällan och vid lägre temperaturer. Nanoteknik har använts för att integrera små kolpartiklars membran och garantera fullständigt skydd mot elektrostatiska laddningar för bäraren. Många andra applikationer har utvecklats av forskningsinstitutioner som Textiles Nanotechnology Laboratory vid Cornell University , och Storbritanniens Dstl och dess spin-out-företag P2i .

sporter

Nanoteknik kan också spela en roll i sporter som fotboll , fotboll och baseboll . Material till nya atletiska skor kan göras för att göra skon lättare (och atleten snabbare). Basebollträn som redan finns på marknaden är gjorda av kolnanorör som förstärker hartset, vilket sägs förbättra dess prestanda genom att göra det lättare. Andra föremål som sporthanddukar, yogamattor, träningsmattor finns på marknaden och används av spelare i National Football League , som använder antimikrobiell nanoteknik för att förhindra parasuram från sjukdomar orsakade av bakterier som Meticillin-resistent Staphylococcus aureus (allmänt känd som MRSA) ).

Flyg- och fordonstillverkare

Lättare och starkare material kommer att vara till stor nytta för flygplanstillverkarna, vilket leder till ökad prestanda. Rymdfarkoster kommer också att gynnas, där vikten är en viktig faktor. Nanoteknik kan därmed bidra till att minska storleken på utrustningen och därmed minska den bränsleförbrukning som krävs för att få den i luften. Hängglidare kanske kan halvera sin vikt samtidigt som de ökar sin styrka och seghet genom att använda nanotekniska material. Nanotech sänker massan av superkondensatorer som i allt högre grad kommer att användas för att ge kraft till elektriska hjälpmotorer för att lansera hängglidare från flatland till termiska jakthöjder.

Ungefär som flygindustrin skulle lättare och starkare material vara användbara för att skapa fordon som är både snabbare och säkrare. Förbränningsmotorer kan också dra nytta av delar som är mer slitstarka och mer värmebeständiga.

Militär

Biologiska sensorer

Nanoteknik kan förbättra militärens förmåga att upptäcka biologiska agens. Genom att använda nanoteknik skulle militären kunna skapa sensorsystem som kunde upptäcka biologiska agens. Sensorsystemen är redan väl utvecklade och kommer att vara en av de första formerna av nanoteknik som militären kommer att börja använda.

Enhetligt material

Nanopartiklar kan injiceras i materialet på soldaternas uniformer för att inte bara göra materialet mer hållbart, utan också för att skydda soldater från många olika faror som höga temperaturer, stötar och kemikalier. Nanopartiklarna i materialet skyddar soldater från dessa faror genom att gruppera sig när något träffar pansaret och förstyva nedslagsområdet. Denna styvhet hjälper till att minska påverkan av vad som än träffar pansaret, oavsett om det var extrem värme eller en trubbig kraft. Genom att minska kraften från stöten skyddar nanopartiklarna soldaten som bär uniformen från alla skador som stöten kunde ha orsakat.

Ett annat sätt som nanoteknik kan förbättra soldaternas uniformer är genom att skapa en bättre form av kamouflage. Mobila pigmentnanopartiklar som injiceras i materialet kan ge en bättre form av kamouflage. Dessa mobila pigmentpartiklar skulle kunna ändra färgen på uniformerna beroende på vilket område soldaterna befinner sig i. Det pågår fortfarande mycket forskning om detta självföränderliga kamouflage.

Nanoteknik kan förbättra termiskt kamouflage . Termiskt kamouflage hjälper till att skydda soldater från människor som använder mörkerseendeteknik. Ytor på många olika militära föremål kan utformas på ett sätt så att elektromagnetisk strålning kan hjälpa till att sänka de infraröda signaturerna för föremålet som ytan är på. Ytor på soldatuniformer och ytor på militärfordon är några ytor som kan utformas på detta sätt. Genom att sänka den infraröda signaturen för både soldaterna och militärfordonen som soldaterna använder, kommer det att ge bättre skydd mot infrarödstyrda vapen eller infraröda övervakningssensorer.

Kommunikationsmetod

Det finns ett sätt att använda nanopartiklar för att skapa belagda polymertrådar som kan vävas in i soldaternas uniformer. Dessa polymertrådar skulle kunna användas som en form av kommunikation mellan soldaterna. Systemet med trådar i uniformerna skulle kunna ställas in på olika ljusvåglängder, vilket eliminerar möjligheten för någon annan att lyssna i. Detta skulle minska risken för att något som helst avlyssnas av oönskade lyssnare.

Medicinskt system

Ett medicinskt övervakningssystem för soldater att bära kan göras med nanoteknik. Detta system skulle kunna övervaka deras hälsa och stressnivåer. Systemen skulle kunna reagera på medicinska situationer genom att släppa läkemedel eller komprimera sår efter behov. Detta innebär att om systemet upptäckte en skada som blödde, skulle det kunna tryckas ihop runt såret tills ytterligare medicinsk behandling kunde erhållas. Systemet skulle också kunna släppa ut droger i soldatens kropp av hälsoskäl, som smärtstillande medel mot en skada. Systemet skulle kunna informera sjukvårdarna vid basen om soldatens hälsostatus hela tiden att soldaten bär systemet. Den energi som behövs för att kommunicera denna information tillbaka till basen skulle produceras genom soldatens kroppsrörelser.

Vapen

Nanovapen är namnet på militär teknik som för närvarande är under utveckling som försöker utnyttja nanoteknikens kraft på det moderna slagfältet .

Risker inom militären

• Människor som statliga myndigheter, kriminella och företag kan använda nanorobotar för att avlyssna samtal som hålls privat.
• Grey goo : en okontrollerbar, självreplikerande nanomaskin eller robot.
• Nanopartiklar som används i olika militära material kan potentiellt utgöra en fara för de soldater som bär materialet, om materialet tillåts bli utslitet. När uniformerna slits ner är det möjligt för nanomaterial att bryta av och komma in i soldaternas kroppar. Att ha nanopartiklar in i soldaternas kroppar skulle vara mycket ohälsosamt och kan skada dem allvarligt. Det finns inte mycket information om vad den faktiska skadan på soldaterna skulle bli, men det har gjorts studier om effekten av att nanopartiklar kommer in i en fisk genom dess hud. Studierna visade att de olika fiskarna i studien led av olika grader av hjärnskador. Även om hjärnskador skulle vara en allvarlig negativ effekt, säger studierna också att resultaten inte kan tas som ett korrekt exempel på vad som skulle hända soldater om nanopartiklar kom in i deras kroppar. Det finns mycket strikta regler för de forskare som tillverkar produkter med nanopartiklar. Med dessa strikta regler kan de till stor del minska risken för att nanopartiklar slits av material och kommer in i soldaternas system.

Katalys

Kemisk katalys drar särskilt nytta av nanopartiklar på grund av det extremt stora förhållandet mellan yta och volym . Tillämpningspotentialen för nanopartiklar i katalys sträcker sig från bränsleceller till katalysatorer och fotokatalytiska enheter. Katalys är också viktigt för tillverkning av kemikalier. Till exempel nanopartiklar med en distinkt kemisk omgivning ( ligander ), eller specifika optiska egenskaper .

Platinananopartiklar övervägs i nästa generations bilkatalytiska omvandlare eftersom den mycket höga ytan av nanopartiklar kan minska mängden platina som krävs. Vissa farhågor har dock väckts på grund av experiment som visar att de kommer att självantända om metan blandas med den omgivande luften. Pågående forskning vid Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Frankrike kan lösa deras verkliga användbarhet för katalytiska tillämpningar. Nanofiltrering kan komma att bli en viktig tillämpning, även om framtida forskning måste vara noga med att undersöka eventuell toxicitet.

Konstruktion

Nanoteknik har potential att göra byggandet snabbare, billigare, säkrare och mer varierat. Automatisering av nanoteknikkonstruktion kan möjliggöra skapandet av strukturer från avancerade hem till massiva skyskrapor mycket snabbare och till mycket lägre kostnad. Inom en snar framtid kan nanoteknik användas för att känna av sprickor i arkitekturens fundament och kan skicka nanobotar för att reparera dem.

Nanoteknik är ett aktivt forskningsområde som omfattar ett antal discipliner som elektronik, biomekanik och beläggningar. Dessa discipliner hjälper till inom områdena byggnadsteknik och byggmaterial. Om nanoteknik implementeras i byggandet av bostäder och infrastruktur kommer sådana strukturer att bli starkare. Om byggnader är starkare kommer färre av dem att kräva ombyggnad och mindre avfall kommer att produceras.

Nanoteknik i byggandet innebär att man använder nanopartiklar som aluminiumoxid och kiseldioxid. Tillverkare undersöker också metoderna för att tillverka nanocement. Om cement med partiklar i nanostorlek kan tillverkas och bearbetas kommer det att öppna upp ett stort antal möjligheter inom områdena keramik, höghållfasta kompositer och elektroniska applikationer.

Nanomaterial har fortfarande en hög kostnad i förhållande till konventionella material, vilket innebär att de sannolikt inte kommer att förekomma i byggmaterial med stora volymer. Dagen då denna teknik minskar förbrukningen av konstruktionsstål har ännu inte övervägts.

Cement

Mycket analys av betong görs på nanonivå för att förstå dess struktur. Sådan analys använder olika tekniker utvecklade för studier i den skalan, såsom Atomic Force Microscopy (AFM), svepelektronmikroskopi (SEM) och Focused Ion Beam (FIB). Detta har kommit till som en sidovinst av utvecklingen av dessa instrument för att studera nanoskalan i allmänhet, men förståelsen av betongens struktur och beteende på grundläggande nivå är en viktig och mycket lämplig användning av nanoteknik. En av de grundläggande aspekterna av nanoteknik är dess tvärvetenskapliga karaktär och det har redan förekommit korsningsforskning mellan mekanisk modellering av ben för medicinsk ingenjörskonst till den av betong, vilket har möjliggjort studiet av kloriddiffusion i betong (som orsakar korrosion av armering). Betong är trots allt ett makromaterial starkt påverkat av dess nanoegenskaper och att förstå det på denna nya nivå ger nya vägar för förbättring av styrka, hållbarhet och övervakning som beskrivs i följande stycken

Kiseldioxid (SiO2) finns i konventionell betong som en del av den normala blandningen. En av de framsteg som gjorts av studien av betong på nanoskala är dock att partikelpackning i betong kan förbättras genom att använda nano-kiseldioxid som leder till en förtätning av mikro- och nanostrukturen vilket resulterar i förbättrade mekaniska egenskaper. Nano-kiseldioxidtillsats till cementbaserade material kan också kontrollera nedbrytningen av den grundläggande CSH-reaktionen (kalcium-silikathydrat) hos betong orsakad av kalciumläckage i vatten samt blockera vatteninträngning och därför leda till förbättringar i hållbarhet. Relaterat till förbättrad partikelpackning, högenergifräsning av vanlig portlandcement (OPC) klinker och standardsand, ger en större partikelstorleksminskning jämfört med konventionell OPC och som ett resultat är tryckhållfastheten för det raffinerade materialet också 3 till 6 gånger högre (vid olika åldrar).

Stål

Stål är ett allmänt tillgängligt material som har en stor roll i byggbranschen. Användningen av nanoteknik i stål bidrar till att förbättra stålets fysiska egenskaper. Trötthet, eller det strukturella felet hos stål, beror på cyklisk belastning. Nuvarande stålkonstruktioner är baserade på minskningen av tillåten spänning, livslängd eller regelbunden inspektion. Detta har en betydande inverkan på strukturernas livscykelkostnader och begränsar den effektiva resursanvändningen. Spänningshöjare är ansvariga för att initiera sprickor som leder till utmattningsbrott. Tillsatsen av kopparnanopartiklar minskar ytojämnheten hos stål, vilket då begränsar antalet spänningsstegrar och därmed utmattningssprickor. Framsteg inom denna teknik genom användning av nanopartiklar skulle leda till ökad säkerhet, mindre behov av regelbunden inspektion och effektivare material fria från utmattningsproblem för konstruktion.

Stålkablar kan förstärkas med kolnanorör. Starkare kablar minskar kostnaderna och byggtiden, särskilt i hängbroar, eftersom kablarna dras från änden till änden av spännet.

Användningen av nanopartiklar av vanadin och molybden förbättrar de fördröjda brottproblemen i samband med höghållfasta bultar. Detta minskar effekterna av väteförsprödning och förbättrar stålmikrostrukturen genom att minska effekterna av den intergranulära cementitfasen.

Svetsar och den värmepåverkade zonen (HAZ) intill svetsar kan vara spröda och misslyckas utan förvarning när de utsätts för plötslig dynamisk belastning. Tillsatsen av nanopartiklar som magnesium och kalcium gör HAZ-kornen finare i plåtstål. Detta tillskott av nanopartiklar leder till en ökning av svetshållfastheten. Ökningen i hållfasthet resulterar i ett mindre resursbehov eftersom det krävs mindre material för att hålla spänningarna inom tillåtna gränser.

Trä

Nanoteknik utgör en stor möjlighet för träindustrin att utveckla nya produkter, avsevärt minska bearbetningskostnaderna och öppna nya marknader för biobaserade material.

Trä är också sammansatt av nanorör eller "nanofibriller"; nämligen lignocellulosa (vedartad vävnad) element som är dubbelt så starka som stål. Att skörda dessa nanofibrer skulle leda till ett nytt paradigm inom hållbart byggande eftersom både produktion och användning skulle vara en del av ett förnybart kretslopp. Vissa utvecklare har spekulerat i att att bygga funktionalitet på lignocellulosaytor i nanoskala skulle kunna öppna nya möjligheter för sådant som självsteriliserande ytor, intern självreparation och elektroniska lignocellulosaenheter. Dessa icke-påträngande aktiva eller passiva sensorer i nanoskala skulle ge feedback om produktens prestanda och miljöförhållanden under drift genom att övervaka strukturella belastningar, temperaturer, fukthalt, sönderfallssvampar, värmeförluster eller -vinster och förlust av konditionerad luft. För närvarande förefaller dock forskningen inom dessa områden vara begränsad.

På grund av sitt naturliga ursprung är trä ledande inom tvärvetenskaplig forskning och modelleringsteknik. BASF har utvecklat en mycket vattenavvisande beläggning baserad på lotusbladets verkan som ett resultat av inkorporeringen av nanopartiklar av kiseldioxid och aluminiumoxid och hydrofoba polymerer. Mekaniska studier av ben har anpassats för att modellera trä, till exempel i torkningsprocessen.

Glas

Det pågår forskning om tillämpningen av nanoteknik på glas, ett annat viktigt material i byggandet. Titandioxid (TiO ₂ ) nanopartiklar används för att belägga glas eftersom det har steriliserande och antifouling egenskaper. Partiklarna katalyserar kraftfulla reaktioner som bryter ner organiska föroreningar, flyktiga organiska föreningar och bakteriemembran. TiO ₂ är hydrofil (attraktion till vatten), vilket kan dra till sig regndroppar som sedan tvättar bort smutspartiklarna. Således införlivar introduktionen av nanoteknik i glasindustrin den självrengörande egenskapen hos glas.

Brandskyddsglas är en annan tillämpning av nanoteknik. Detta uppnås genom att använda ett genomskinligt svällande skikt inklämt mellan glaspaneler (ett mellanskikt) bildade av kiseldioxidnanopartiklar (SiO ₂ ), som förvandlas till en styv och ogenomskinlig brandsköld vid upphettning. Det mesta av glas i konstruktion finns på utsidan av byggnader. Så ljuset och värmen som kommer in i byggnaden genom glas måste förhindras. Nanotekniken kan ge en bättre lösning för att blockera ljus och värme som kommer genom fönster.

Beläggningar

Beläggningar är ett viktigt område inom byggnadsbeläggningar som används i stor utsträckning för att måla väggar, dörrar och fönster. Beläggningar bör tillhandahålla ett skyddande skikt bundet till basmaterialet för att producera en yta med de önskade skyddande eller funktionella egenskaperna. Beläggningarna bör ha självläkande förmåga genom en process av "självmontering". Nanoteknik tillämpas på färger för att erhålla beläggningar som har självläkande förmåga och korrosionsskydd under isolering. Eftersom dessa beläggningar är hydrofoba och stöter bort vatten från metallröret och kan även skydda metall från saltvattenangrepp.

Nanopartikelbaserade system kan ge bättre vidhäftning och transparens. TiO ₂ -beläggningen fångar upp och bryter ner organiska och oorganiska luftföroreningar genom en fotokatalytisk process, vilket leder till att vägarna blir miljövänliga.

Brandskydd och upptäckt

Brandbeständighet hos stålkonstruktioner tillhandahålls ofta av en beläggning framställd genom en spray-on-cementartad process. Nanocementet har potential att skapa ett nytt paradigm inom detta applikationsområde eftersom det resulterande materialet kan användas som en seg, hållbar, högtemperaturbeläggning. Det ger en bra metod att öka brandmotståndet och detta är ett billigare alternativ än konventionell isolering.

Risker i byggandet

I byggnadskonstruktioner används nanomaterial i stor utsträckning från självrengörande fönster till flexibla solpaneler till wi-fi-blockerande färg. Den självläkande betongen, material för att blockera ultraviolett och infraröd strålning, smogätande beläggningar och ljusavgivande väggar och tak är de nya nanomaterialen i byggandet. Nanoteknik är ett löfte om att göra det "smarta hemmet" till verklighet. Nanotech-aktiverade sensorer kan övervaka temperatur, luftfuktighet och luftburna gifter, vilket behöver förbättrade batterier som bygger på nanoteknik. Byggnadskomponenterna kommer att vara intelligenta och interaktiva eftersom sensorn använder trådlösa komponenter, den kan samla in ett stort antal data.

Om nanosensorer och nanomaterial blir en vardaglig del av byggnaderna, som med smarta hem , vilka är konsekvenserna av dessa material på människor?

1. Effekt av nanopartiklar på hälsa och miljö: Nanopartiklar kan också komma in i kroppen om byggnadens vattenförråd filtreras genom kommersiellt tillgängliga nanofilter. Luftburna och vattenburna nanopartiklar kommer in från byggnadsventilation och avloppssystem.
2. Effekt av nanopartiklar på samhällsfrågor: När sensorer blir vanliga, kan en förlust av integritet och autonomi bli resultatet av att användare interagerar med allt intelligentare byggnadskomponenter.

externa länkar

• Översikt över nanoteknologiska tillämpningar
• Projekt om framväxande nanoteknik