14ナノテクノロジーのなじみのない使用法|メリットとアプリケーション
「ナノテクノロジー」という用語は、1974年に谷口紀男教授によって最初に造られました。彼はナノメートルのオーダーで特徴的な制御を示す半導体プロセスを説明していました。
1ナノメートルはどれくらい小さいですか？人間の髪の毛の幅は約50マイクロメートルです。 1ナノメートルは髪の毛の幅の50,000分の1です。
現代のナノテクノロジーは、科学者が個々の原子を「見る」ための走査型トンネル顕微鏡を開発した1981年に始まりました。
ナノテクノロジーとは正確には何ですか？
ナノテクノロジーは、1〜100ナノメートルのナノスケールで実行される科学、技術、および工学です。毎日新しい発見がなされる複雑なトピックになる可能性があります。
ナノテクノロジーは、材料や機器に前例のない洞察を提供することができ、デバイス物理学、材料科学、超分子化学、コロイド科学、電気および機械工学などのさまざまな分野に影響を与える可能性があります。
このトピックは、ナノテクノロジーアプリケーションの明確で簡潔な説明を提供することでよりよく説明できます。ナノテクノロジーのあまり人気のない使用法とその利点をリストアップし、それらが実際に私たちの日常生活にどのように影響するかを示しています。
14。食品産業におけるナノテクノロジー
食品セクターのさまざまな側面におけるナノテクノロジーの役割|クレジット：フロンティア
過去20年間で、食品加工、包装、安全性、食品由来の病原体の特定、食品の貯蔵寿命の延長など、食品微生物学および食品科学のさまざまな分野でのナノ粒子の使用の必要性が高まるにつれて、ナノテクノロジーのアプリケーションが出現しました。 。
たとえば、食品業界で使用されるナノエンジニアリング粒子は、炭酸飲料の二酸化炭素漏れを最小限に抑え、脂肪を減らし、栄養価を高めます。また、水分の流出を維持し、食品を新鮮に保つためにバクテリアの成長を制御します。
ナノスケールセンサーと組み合わせたスマートパッケージング技術により、汚染された食品やバクテリアや農薬の存在を検出できます。
今日、ナノスケールの材料は、食品の風味、食感、色を改善するために使用されています。二酸化チタン、二酸化ケイ素、アモルファスシリカのナノ粒子が食品添加物として使用されています。
食品産業では、ナノ粒子の商業的用途は、その斬新でユニークな特性により、かなりの速度で成長すると予想されています。したがって、ナノ粒子への人間の曝露は増加し続け、それに関連する健康への影響は依然として主要な公共の関心事です。
13。分子通信
ナノマシンは、作動、検知、データの保存、コンピューティングなどの多数のタスクを実行できる完全に機能するデバイスです。より効果的かつ効率的にするには、これらのマシンをネットワークの形で相互接続する必要があります。
分子通信は、ナノマシン間の通信に分子を使用するナノ通信ネットワークのパラダイムです。これらのシステムは、特定の種類の分子の有無を使用して、データをデジタルエンコードします。
これは、分子を媒体（水や空気など）に送り込んで伝達することで機能します。通信信号はほとんどエネルギーを必要とせず、生体適合性を持たせることができます。また、この手法は特定のサイズのアンテナに依存していません。
分子通信は生物学的材料間の通信に触発されているため、生物医学および環境への幅広い応用を提供します。
たとえば、人体内部のナノコミュニケーションには、組織工学、強化された免疫システム、ブレインマシンインターフェイス、標的化ドラッグデリバリーなど、いくつかの健康アプリケーションがあります。
科学者たちは現在、バイオナノマシン間のエンドツーエンド通信のモデルに取り組んでいます。
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12。成長する神経細胞
画像クレジット：Sebastian Kaulitzki / Shutterstock
体内の神経細胞を再生する能力は、外傷や病気の影響を大幅に減らす可能性があります。科学者たちは、神経細胞の再生を改善するためにナノテクノロジーに取り組んでいます。
彼らは、磁性ナノ粒子を使用して、軸索（または神経線維）の伸長を刺激するための機械的張力を生成する方法を示しました。彼らはまた、整列したナノファイバーが神経細胞が再生できる生物活性マトリックスをどのように提供できるかについても説明しています。
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いくつかの研究は、カーボンナノチューブがニューロンの完全な成長と新しいシナプスの形成を促進することを証明しました。ただし、この成長は無差別で無制限ではありません。
11。より良いソーラーパネル
グリーンエネルギーへの世界的な関心が高まり続ける中、科学者たちは太陽電池の効率を高める方法を研究し続けています。過去数年にわたって、ナノテクノロジーのいくつかの進歩がソーラーパネルに統合され、製造と設置のコストを削減しながら効率を向上させてきました。
特にシリコンナノ粒子は有用であることが証明されています。かさ密度が低く、表面状態が活性で、独自のフォトルミネッセンス特性を備えています。したがって、これらのナノ粒子は、統合された半導体、発光ディスプレイデバイス、太陽エネルギーセル、およびリチウムイオン電池にも使用されます。
グラフェンベースの太陽電池の最近の進歩により、従来の太陽電池と比較して、反射率が20％低くなり、エネルギー変換が少なくとも40％多くなりました。
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10。 NanoArt
JontyHurwitzによって作成されたナノ彫刻
「ナノアート」のおかげで、科学者は芸術家になりつつあります。これは、分子および原子スケールで作成されたアートワークです。実験室の電子顕微鏡で観察される天然または合成のナノ構造を描写しています。
ナノアートを作成するために、科学者は最初に分子と原子のテクスチャを分析し、それらの顕微鏡画像をキャプチャし、結果の画像を調整してユニークな芸術作品を作成します。このような芸術の目的の1つは、人々に有用な小さなオブジェクトとその合成の進歩を理解させることです。
2015年、Jonty Hurwitzは、写真測量と多光子リソグラフィーを使用してナノ彫刻を生成するための新しい方法を開発しました。ハーウィッツは、ナノテクノロジーを使用して構築された史上最小の人間の形で現在認められている創造的な芸術家です。
9。医療診断と治療
ナノテクベースの診断方法は、2つの大きな利点を提供できます–
- クイックテスト。医師が診断テストを実行し、1日以内に治療を開始できる場合があります。
- 早期の深刻な病気の検出。これにより、医師は患者へのダメージを抑えながら、病気を早期に止めることができます。
たとえば、科学者たちは血流中の癌細胞を検出するためにNanoFlaresと呼ばれるナノ粒子を開発しています。これらのナノ粒子は、癌細胞の遺伝子標的と結合し、その特定の標的が見つかったときに蛍光シグナルを生成するように設計されています。
もう1つの良い例は、個々のウイルス粒子を識別できるナノポアセンサーです。人工知能技術と組み合わせたナノポアセンサーは、ウイルスの迅速なポイントオブユース検出を提供する可能性があります。
この技術は、感染症と闘うためにも使用できます。研究者は、クロルヘキシジンヘキサメタホスフェートのナノ粒子を組み込んだカテーテルドレッシングのプロトタイプを開発しました。バクテリアの増殖を抑制し、傷のコロニー形成を減らすことができます。近い将来、これらのタイプの分子は、感染を制御するために創傷治療材料に使用される可能性があります。
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8。燃料の可用性の向上
ナノテクノロジーは、さまざまな方法で化石燃料（ガソリンとディーゼル）の不足に対処できます–
- エンジンの燃費を向上させることができます。
- 従来の原材料から効率的かつ経済的に燃料を生産できます。
ナノマテリアルは、触媒活性、耐久性、安定性、高度な結晶化度、効率的な貯蔵など、システム全体の最適化に役立つ独自の特性を備えているため、多くのバイオ燃料システムの優れた候補です。
ガス化、熱分解、嫌気性消化、エステル交換、水素化を組み合わせたナノテクノロジーは、経済的かつ効率的であることが証明されていますが、それでもほとんどが実験室と小規模に限定されています。それらはまもなく（おそらく今後30年間で）、商業規模で従来のシステムに取って代わります。
酸化カルシウム、チタン、酸化ストロンチウム、および酸化マグネシウムを含むいくつかの金属酸化物ナノ触媒は、バイオディーゼルを製造するための高い触媒性能で作成されています。炭素ベースのナノ触媒は、さまざまな原料からのバイオディーゼル生産にも大きな可能性を秘めています。
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7。ディスプレイとオプトエレクトロニクスデバイス
発光が紫から濃い赤に徐々に変化する量子ドット|ウィキメディアコモンズ
シリコンナノワイヤーとカーボンナノチューブは、低エネルギー消費ディスプレイの開発を可能にします。これらのナノ構造は導電性が高いため、これまでにない効率で電界放出ディスプレイに使用できます。
OLEDでは、ナノ材料とナノファブリケーション技術を使用して透明電極を製造し、OLEDを梱包して外部の損傷（水など）から保護します。
科学者たちは、透明な導電体として数ナノメートルのグラフェンを開発することに成功しました。これにより、安価で柔軟なOLEDへの道が開かれました。有機発光トランジスタ（OLEDの代替品）は、有機オプトエレクトロニクスに新しい扉を開き、励起子の消光や光子損失などの基本的なフォトニック問題に対処するためのテストベッドとして機能する可能性があります。
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量子ドット（サイズが数ナノメートルの小さな半導体粒子）は、電気活性（エレクトロルミネッセンス）と光活性（フォトルミネッセンス）の両方です。その独特の物理的特性により、次世代ディスプレイの有望な材料となっています。
OLEDや有機発光材料と比較して、量子ドットベースの材料は、寿命が長く、色が純粋で、消費電力と製造コストが低くなります。
6。コンピューティングとメモリストレージ
ナノメートル半導体の製造プロセスの進展
ナノエレクトロニクスを使用すると、コンピュータプロセッサを従来の半導体製造方法で可能なものよりも強力にすることができます。科学者たちは現在、新しいタイプのナノリソグラフィーを含む多くの技術と、従来のCMOSコンポーネントの代わりに小分子やナノワイヤーなどのナノ材料を使用する方法を研究しています。
彼らは、ヘテロ構造の半導体ナノワイヤーと半導体カーボンナノチューブを使用して電界効果トランジスタを開発することができました。
ハイテクの巨人は2010年代初頭にナノ電子メモリの生産を開始しました。 2013年、Samsungは10ナノメートルのマルチレベルセルNANDフラッシュメモリを製造しました。 2017年、Taiwan Semiconductor Manufacturing Companyは、7ナノメートルのプロセスを使用してSRAMメモリを製造しました。
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5。量子ナノサイエンス
量子ナノサイエンスとは、物理科学とナノテクノロジーの分野を指し、量子力学を利用して、工学的ナノ構造におけるコヒーレントな量子効果を探求します。
近年、量子コンピュータの実現に向けた研究の進展により、量子は新たな意味を帯びてきました。今日、量子コヒーレンス、重ね合わせ、エンタングルメントなどの量子力学的現象は、ナノスケールで設計されています。
この分野のアプリケーションには、量子コンピューティング、量子シミュレーター、量子通信、および量子センシングが含まれます。
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4。急速充電スマートフォンと電気自動車
最近、リチウムイオン電池などの最先端のエネルギー貯蔵システムを改善できるナノ構造の電極材料の開発に実質的な取り組みが集中しています。
一部の研究者は、スーパーキャパシタとして使用できる二次元遷移金属ジカルコゲナイドを考案しました。材料は小さく、より速い電子移動を可能にし、より速い充電と放電を可能にします。ナノメートルの太さのワイヤーでできており、2D素材のシェルがコーティングされています。
そのような例はたくさんあります。 StoreDotという名前のイスラエルを拠点とする企業は、ナノマテリアルを構築しています。ナノマテリアルは、（独自の有機化合物と組み合わせて）スマートフォン、電気自動車、家電製品など、さまざまな業界で究極の急速充電規格になる可能性があります。
エネルギー密度と急速充電の独自の組み合わせにより、次世代フラッシュバッテリーの新たな扉が開かれました。同社によれば、スマートフォンのバッテリーと電気自動車のフラッシュバッテリー（不燃性の有機化合物で作られた）は、それぞれ60秒と5分（300マイルの範囲を提供）で充電できます。
3。ナノコーティングとナノ構造表面
疎水性ナノコーティング
原子またはナノスケールで制御された厚さのコーティングは、最近一般的になっています。最近の用途には、化学薬品を触媒的に破壊するナノ粒子酸化物コーティング、および抗菌性と撥水性を備えたように設計されたセルフクリーニングウィンドウ（活性化二酸化チタンでコーティング）が含まれます。
ナノスケールの中間層は、優れた結合と熱特性と弾性特性の段階的なマッチングを提供し、接着力を高めます。これらのタイプの層は、耐摩耗性と耐傷性のあるハードコーティングも改善します。
さらに、ナノスケールでの多孔性制御の改善により、テキスタイルが大幅に改善されました。これにより、防水性、通気性、防汚性のあるファブリックが可能になりました。
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2。宇宙探査
クレジット：NASA
ナノテクノロジーは宇宙飛行をより実用的にすることができます。ナノマテリアルの最近の進歩により、エンジニアは軽量の宇宙船を製造し、ロケットを宇宙に送るために必要な燃料の量を減らすことができました。
新しい材料をナノロボットやナノセンサーと組み合わせると、宇宙探査機や宇宙服の性能をさらに向上させることができます。科学者たちは、カーボンナノチューブベースの材料を使用して、宇宙船の構造的強度を維持しながら、宇宙船の重量を減らしています。
これらのカーボンナノチューブは、太陽光の圧力（太陽電池で反射する光）を使用して宇宙探査機を推進する軽量の太陽電池を可能にします。これにより、惑星間ミッションでより多くの燃料を節約できます。さらに、搭載されたナノセンサーは、宇宙ステーション内の微量化学物質のレベルを監視して、生命維持システムの性能を分析できます。
1。より良い空気と水質
ナノテクノロジーは、大気汚染を減らすために2つの主要な方法で使用されています。
- 触媒–現在使用されており、定期的に改善されています。
- ナノ構造膜–現在開発中です。
ナノ粒子から作られた触媒は、産業プラントや車両から逃げる蒸気を無害なガスに効果的に変換するために使用されます。
一方、ナノ構造の膜は、産業プラントの排気流からCO2を分離するために使用できます。目標は、費用のかかる改造を行わずに、あらゆるタイプの発電所に実装できる技術を開発することです。
同様に、ナノテクノロジーは水質の3つの主要な問題に取り組むためにも使用されています。
- 地下水から工業用水質汚染を取り除きます。
- 水から塩や金属を取り除きます。
- ウイルス細胞を効果的に排除するために標準フィルターを改善します。
最初のケースでは、ナノ粒子は汚染化学物質を無害な溶液に変換します。これは、地下の池に分散している汚染物質に到達するために使用できる安価なプロセスです。
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2番目の問題については、ナノファイバー電極に基づく脱イオン技術は、塩水を飲料水に変換するためのエネルギー要件とコストを削減する可能性を示しています。 3番目のケースでは、水からウイルス細胞を除去するために、幅がわずか数ナノメートルのフィルターが使用されます。
産業技術