Нанотехнологии влияют на сферу потребительских товаров , несколько продуктов, включающих наноматериалы , уже находятся в различных предметах; многие из которых люди даже не осознают, что содержат наночастицы , продукты с новыми функциями, начиная от простоты очистки и заканчивая устойчивостью к царапинам . Примеры того, что автомобильные бамперы становятся легче, одежда становится более пятноотталкивающей , солнцезащитный крем более устойчив к радиации, синтетические кости становятся прочнее, экраны мобильных телефонов становятся легче, стеклянная упаковка для напитков обеспечивает более длительный срок хранения, а мячи для различных видов спорта становятся более долговечными. [1] Используя нанотехнологии, в среднесрочной перспективе современный текстиль станет «умным», благодаря встроенной «носимой электронике», такие новые продукты также имеют многообещающий потенциал, особенно в области косметики , и имеют многочисленные потенциальные применения в тяжелой промышленности . Прогнозируется, что нанотехнологии станут основным двигателем технологий и бизнеса в этом столетии и обещают более высокопроизводительные материалы, интеллектуальные системы и новые методы производства со значительным влиянием на все аспекты общества.
Сложный набор инженерных и научных задач в пищевой и биоперерабатывающей промышленности для производства высококачественных и безопасных продуктов питания с помощью эффективных и устойчивых средств может быть решен с помощью нанотехнологий. Идентификация бактерий и мониторинг качества продуктов питания с использованием биосенсоров ; интеллектуальные, активные и умные системы упаковки продуктов питания ; наноинкапсуляция биоактивных пищевых соединений — вот несколько примеров новых приложений нанотехнологий для пищевой промышленности. [2] Нанотехнологии могут применяться в производстве, переработке, безопасности и упаковке продуктов питания. Процесс нанесения нанокомпозитного покрытия может улучшить упаковку продуктов питания путем размещения антимикробных агентов непосредственно на поверхности покрытой пленки. Нанокомпозиты могут увеличивать или уменьшать газопроницаемость различных наполнителей в зависимости от того, что требуется для различных продуктов. Они также могут улучшать механические и термостойкие свойства и снижать скорость пропускания кислорода. Проводятся исследования по применению нанотехнологий для обнаружения химических и биологических веществ для сенсоров в продуктах питания. [ необходима цитата ]
Сложный набор инженерных и научных задач в пищевой и биоперерабатывающей промышленности для производства высококачественных и безопасных продуктов питания с помощью эффективных и устойчивых средств может быть решен с помощью нанотехнологий. Идентификация бактерий и мониторинг качества продуктов питания с использованием биосенсоров; интеллектуальные, активные и умные системы упаковки продуктов питания; наноинкапсуляция биоактивных пищевых соединений — вот несколько примеров новых приложений нанотехнологий для пищевой промышленности.[2] Нанотехнологии могут применяться в производстве, переработке, безопасности и упаковке продуктов питания. Процесс нанесения нанокомпозитного покрытия может улучшить упаковку продуктов питания путем размещения антимикробных агентов непосредственно на поверхности покрытой пленки. Нанокомпозиты могут увеличивать или уменьшать газопроницаемость различных наполнителей в зависимости от того, что требуется для различных продуктов. Они также могут улучшать механические и термостойкие свойства и снижать скорость пропускания кислорода. Проводятся исследования по применению нанотехнологий для обнаружения химических и биологических веществ для сенсоров в продуктах питания. [ необходима цитата ]
Новые продукты питания входят в число потребительских товаров, созданных с помощью нанотехнологий, которые поступают на рынок со скоростью 3-4 в неделю, согласно Проекту по новым нанотехнологиям (PEN), основанному на инвентаризации, которую он составил из 609 известных или заявленных нанопродуктов. В списке PEN три продукта — торговая марка рапсового масла для приготовления пищи под названием Canola Active Oil, чай под названием Nanotea и шоколадный диетический коктейль под названием Nanoceuticals Slim Shake Chocolate. Согласно информации компании, размещенной на веб-сайте PEN, рапсовое масло от Shemen Industries of Israel содержит добавку под названием «нанокапли», предназначенную для переноса витаминов, минералов и фитохимических веществ через пищеварительную систему и мочевину. [3] По словам американского производителя RBC Life Sciences Inc., в коктейле используются «нанокластеры», пропитанные какао, для улучшения вкуса и пользы для здоровья без необходимости использования дополнительного сахара . [4]
Наиболее заметным применением нанотехнологий в домашнем хозяйстве является самоочищающиеся или « легкоочищаемые » поверхности на керамике или стекле. Нанокерамические частицы улучшили гладкость и термостойкость обычных бытовых приборов, таких как утюг . [ необходима цитата ]
На рынке появились первые солнцезащитные очки с защитными и антибликовыми сверхтонкими полимерными покрытиями. Для оптики нанотехнологии также предлагают устойчивые к царапинам покрытия на основе нанокомпозитов. Нанооптика может позволить повысить точность восстановления зрачка и других видов лазерной хирургии глаза. [ необходима цитата ]
Использование разработанных нановолокон уже делает одежду водоотталкивающей и пятноотталкивающей или не мнется. Текстиль с нанотехнологической отделкой можно стирать реже и при более низких температурах. Нанотехнология использовалась для интеграции мембраны из крошечных углеродных частиц и обеспечения полной защиты поверхности от электростатических зарядов для пользователя. Многие другие приложения были разработаны исследовательскими институтами, такими как Лаборатория текстильных нанотехнологий в Корнеллском университете , а также британская Dstl и ее дочерняя компания P2i . [ требуется цитата ]
Нанотехнологии также могут играть роль в таких видах спорта, как футбол , американский футбол , [5] и бейсбол . [6] Материалы для новой спортивной обуви могут быть сделаны для того, чтобы сделать обувь легче (а спортсмена быстрее). [7] Бейсбольные биты, которые уже есть на рынке, сделаны из углеродных нанотрубок, которые усиливают смолу, что, как говорят, улучшает ее характеристики, делая ее легче. [6] Другие предметы, такие как спортивные полотенца, коврики для йоги, коврики для упражнений, есть на рынке и используются игроками Национальной футбольной лиги , которые используют антимикробную нанотехнологию для предотвращения парашурама от болезней, вызванных бактериями, такими как метициллин-резистентный золотистый стафилококк (широко известный как MRSA). [5]
Более легкие и прочные материалы будут иметь огромное значение для производителей самолетов, что приведет к повышению производительности. Космические корабли также выиграют, где вес является основным фактором. Таким образом, нанотехнологии могут помочь уменьшить размер оборудования и тем самым уменьшить расход топлива, необходимый для его подъема в воздух. Дельтапланы могут вдвое уменьшить свой вес, одновременно увеличив свою прочность и жесткость за счет использования нанотехнологических материалов. Нанотехнологии снижают массу суперконденсаторов , которые будут все чаще использоваться для подачи питания на вспомогательные электродвигатели для запуска дельтапланов с равнины на высоты, преследующие тепловые потоки. [ необходима цитата ]
Подобно аэрокосмической отрасли, более легкие и прочные материалы были бы полезны для создания транспортных средств, которые будут и быстрее, и безопаснее. Двигатели внутреннего сгорания также могли бы выиграть от более износостойких и термостойких деталей. [ необходима цитата ]
Нанотехнологии могут улучшить способность военных обнаруживать биологические агенты. Используя нанотехнологии, военные смогут создавать сенсорные системы, которые смогут обнаруживать биологические агенты. [8] Сенсорные системы уже хорошо развиты и станут одной из первых форм нанотехнологий, которые начнут использовать военные. [9]
Наночастицы могут быть введены в материал солдатской формы, чтобы не только сделать материал более прочным, но и защитить солдат от множества различных опасностей, таких как высокие температуры, удары и химикаты. [8] Наночастицы в материале защищают солдат от этих опасностей, группируясь вместе, когда что-то ударяет по броне, и делая область удара более жесткой. Эта жесткость помогает смягчить воздействие любого удара по броне, будь то экстремальная температура или тупая сила. Уменьшая силу удара, наночастицы защищают солдата, носящего форму, от любых травм, которые мог бы вызвать удар.
Другой способ, которым нанотехнологии могут улучшить форму солдат, — это создание лучшей формы камуфляжа. Подвижные пигментные наночастицы, введенные в материал, могут создать лучшую форму камуфляжа. [10] Эти подвижные пигментные частицы смогут менять цвет формы в зависимости от области, в которой находятся солдаты. Все еще проводится много исследований по этому самоизменяющемуся камуфляжу.
Нанотехнологии могут улучшить тепловой камуфляж . Тепловой камуфляж помогает защитить солдат от людей, которые используют технологию ночного видения. Поверхности многих различных военных предметов могут быть спроектированы таким образом, что электромагнитное излучение может помочь снизить инфракрасные сигнатуры объекта, на котором находится поверхность. [10] Поверхности солдатской формы и поверхности военной техники — это несколько поверхностей, которые могут быть спроектированы таким образом. Снижение инфракрасной сигнатуры как солдат, так и военной техники, которую используют солдаты, обеспечит лучшую защиту от инфракрасного управляемого оружия или инфракрасных датчиков наблюдения.
Существует способ использования наночастиц для создания полимерных нитей с покрытием, которые можно вплести в форму солдат. [11] Эти полимерные нити можно использовать как форму общения между солдатами. Система нитей в форме может быть настроена на разные длины волн света, что исключает возможность подслушивания кем-либо еще. [11] Это снизит риск перехвата чего-либо нежелательными слушателями.
Система медицинского наблюдения для солдат может быть создана с использованием нанотехнологий. Эта система сможет следить за их здоровьем и уровнем стресса. Системы смогут реагировать на медицинские ситуации, высвобождая лекарства или сжимая раны по мере необходимости. [10] Это означает, что если система обнаружит кровоточащую рану, она сможет сжимать рану до тех пор, пока не будет оказана дальнейшая медицинская помощь. Система также сможет высвобождать лекарства в тело солдата по медицинским показаниям, например, обезболивающие при травме. Система сможет информировать медиков на базе о состоянии здоровья солдата в любое время, когда солдат носит систему. Энергия, необходимая для передачи этой информации обратно на базу, будет вырабатываться посредством движений тела солдата. [10]
Нанооружие — это название военной технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки и направлена на использование мощи нанотехнологий на современном поле боя . [12] [13] [14]
Химический катализ особенно выигрывает от наночастиц из-за чрезвычайно большого отношения поверхности к объему . Потенциал применения наночастиц в катализе варьируется от топливных элементов до каталитических преобразователей и фотокаталитических устройств. Катализ также важен для производства химикатов. Например, наночастицы с определенным химическим окружением ( лиганды ) или определенными оптическими свойствами . [ требуется цитата ]
Наночастицы платины рассматриваются в следующем поколении автомобильных каталитических нейтрализаторов, поскольку очень большая площадь поверхности наночастиц может снизить необходимое количество платины. [18] Однако были высказаны некоторые опасения из-за экспериментов, демонстрирующих, что они будут самопроизвольно воспламеняться, если метан смешивается с окружающим воздухом. [19] Текущие исследования в Национальном центре научных исследований (CNRS) во Франции могут разрешить их истинную полезность для каталитических применений. [20] Нанофильтрация может стать важным применением, хотя будущие исследования должны быть осторожными, чтобы изучить возможную токсичность. [21]
Нанотехнологии обладают потенциалом сделать строительство более быстрым, дешевым, безопасным и разнообразным. Автоматизация нанотехнологий в строительстве может позволить создавать конструкции от современных домов до огромных небоскребов гораздо быстрее и с гораздо меньшими затратами. В ближайшем будущем нанотехнологии могут быть использованы для обнаружения трещин в фундаментах архитектуры и отправки наноботов для их ремонта. [22] [23]
Нанотехнологии — это активная область исследований, которая охватывает ряд дисциплин, таких как электроника, биомеханика и покрытия. Эти дисциплины помогают в областях гражданского строительства и строительных материалов. [22] Если нанотехнологии будут внедрены в строительство домов и инфраструктуры, такие конструкции будут прочнее. Если здания будут прочнее, то меньшее их количество будет нуждаться в реконструкции и будет производиться меньше отходов.
Нанотехнологии в строительстве включают использование наночастиц, таких как оксид алюминия и кремний. Производители также изучают методы производства наноцемента. Если цемент с наночастицами может быть изготовлен и обработан, это откроет множество возможностей в области керамики, высокопрочных композитов и электронных приложений. [22]
Наноматериалы по-прежнему имеют высокую стоимость по сравнению с обычными материалами, что означает, что они вряд ли будут использоваться в крупносерийных строительных материалах. День, когда эта технология сократит потребление конструкционной стали, пока не рассматривается. [24]
Большая часть анализа бетона проводится на наноуровне для понимания его структуры. Такой анализ использует различные методы, разработанные для исследования в этом масштабе, такие как атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и фокусированный ионный пучок (ФИП). Это стало побочным эффектом разработки этих инструментов для изучения наномасштаба в целом, но понимание структуры и поведения бетона на фундаментальном уровне является важным и очень уместным применением нанотехнологий. Одним из фундаментальных аспектов нанотехнологий является ее междисциплинарная природа, и уже были проведены перекрестные исследования между механическим моделированием костей для медицинской инженерии и бетоном, что позволило изучить диффузию хлоридов в бетоне (что вызывает коррозию арматуры). Бетон, в конце концов, является макроматериалом, на который сильно влияют его наносвойства, и его понимание на этом новом уровне открывает новые возможности для улучшения прочности, долговечности и мониторинга, как изложено в следующих параграфах.
Кремнезем (SiO2) присутствует в обычном бетоне как часть обычной смеси. Однако одним из достижений, достигнутых в ходе изучения бетона в наномасштабе, является то, что упаковка частиц в бетоне может быть улучшена с помощью нанокремнезема, что приводит к уплотнению микро- и наноструктуры, что приводит к улучшению механических свойств. Добавление нанокремнезема в материалы на основе цемента также может контролировать деградацию фундаментальной реакции CSH (кальций-силикатгидрат) бетона, вызванную выщелачиванием кальция в воде, а также блокировать проникновение воды и, следовательно, приводит к улучшению долговечности. В связи с улучшенной упаковкой частиц, высокоэнергетическое измельчение клинкера обычного портландцемента (OPC) и стандартного песка приводит к большему уменьшению размера частиц по сравнению с обычным OPC, и, как следствие, прочность на сжатие очищенного материала также в 3-6 раз выше (в разном возрасте). [23]
Сталь — широкодоступный материал, играющий важную роль в строительной отрасли. Использование нанотехнологий в стали помогает улучшить физические свойства стали. Усталость или структурное разрушение стали происходит из-за циклической нагрузки. Современные стальные конструкции основаны на снижении допустимого напряжения, срока службы или режима регулярного осмотра. Это оказывает значительное влияние на стоимость жизненного цикла конструкций и ограничивает эффективное использование ресурсов. Концентраторы напряжения ответственны за возникновение трещин, из-за которых возникает усталостное разрушение. Добавление наночастиц меди уменьшает неровность поверхности стали, что затем ограничивает количество концентраторов напряжения и, следовательно, усталостное растрескивание. Достижения в этой технологии за счет использования наночастиц приведут к повышению безопасности, уменьшению необходимости в регулярном осмотре и более эффективным материалам, свободным от проблем усталости для строительства. [22]
Стальные тросы можно укрепить с помощью углеродных нанотрубок. Более прочные тросы снижают стоимость и период строительства, особенно в подвесных мостах, поскольку тросы прокладываются от одного конца пролета до другого. [22]
Использование наночастиц ванадия и молибдена улучшает проблемы замедленного разрушения, связанные с высокопрочными болтами. Это снижает эффекты водородной хрупкости и улучшает микроструктуру стали за счет снижения эффектов межзеренной цементитной фазы. [22]
Сварные швы и зона термического влияния (ЗТВ), прилегающая к сварным швам, могут быть хрупкими и разрушаться без предупреждения при воздействии внезапной динамической нагрузки. Добавление наночастиц, таких как магний и кальций, делает зерна ЗТВ более мелкими в листовой стали. Это добавление наночастиц приводит к повышению прочности сварного шва. Повышение прочности приводит к снижению потребности в ресурсах, поскольку для поддержания напряжений в допустимых пределах требуется меньше материала. [22]
Нанотехнологии открывают перед деревообрабатывающей промышленностью широкие возможности для разработки новых продуктов, существенного снижения затрат на обработку и открытия новых рынков для материалов на биологической основе.
Древесина также состоит из нанотрубок или «нанофибрилл»; а именно, лигноцеллюлозных (древесная ткань) элементов, которые в два раза прочнее стали. Сбор этих нанофибрилл приведет к новой парадигме в устойчивом строительстве, поскольку и производство, и использование будут частью возобновляемого цикла. Некоторые разработчики предполагают, что наращивание функциональности лигноцеллюлозных поверхностей в наномасштабе может открыть новые возможности для таких вещей, как самостерилизующиеся поверхности, внутреннее самовосстановление и электронные лигноцеллюлозные устройства. Эти ненавязчивые активные или пассивные наномасштабные датчики будут обеспечивать обратную связь по производительности продукта и условиям окружающей среды во время эксплуатации путем мониторинга структурных нагрузок, температуры, содержания влаги, грибков гниения, потерь или прироста тепла и потери кондиционированного воздуха. Однако в настоящее время исследования в этих областях кажутся ограниченными.
Благодаря своему естественному происхождению, древесина лидирует в междисциплинарных исследованиях и методах моделирования. BASF разработали высоководоотталкивающее покрытие на основе действия листьев лотоса в результате включения наночастиц кремния и оксида алюминия и гидрофобных полимеров. Механические исследования костей были адаптированы для моделирования древесины, например, в процессе сушки. [23]
Проводятся исследования по применению нанотехнологий к стеклу, еще одному важному материалу в строительстве. Наночастицы диоксида титана (TiO 2 ) используются для покрытия остекления, поскольку они обладают стерилизационными и противообрастающими свойствами. Частицы катализируют мощные реакции, которые разрушают органические загрязнители, летучие органические соединения и бактериальные мембраны. TiO 2 является гидрофильным (притягивается к воде), что может притягивать капли дождя, которые затем смывают частицы грязи. Таким образом, внедрение нанотехнологий в стекольную промышленность включает свойство самоочищения стекла. [22]
Противопожарное стекло — еще одно применение нанотехнологий. Это достигается путем использования прозрачного вспучивающегося слоя, зажатого между стеклянными панелями (промежуточный слой), образованного наночастицами кремния (SiO 2 ), который при нагревании превращается в жесткий и непрозрачный противопожарный щит. Большая часть стекла в строительстве находится на внешней поверхности зданий. Поэтому свет и тепло, проникающие в здание через стекло, должны быть предотвращены. Нанотехнологии могут обеспечить лучшее решение для блокировки света и тепла, проникающих через окна. [22]
Покрытия являются важной областью в строительстве, покрытия широко используются для покраски стен, дверей и окон. Покрытия должны обеспечивать защитный слой, связанный с основным материалом, чтобы создать поверхность с желаемыми защитными или функциональными свойствами. Покрытия должны обладать способностью к самовосстановлению посредством процесса «самосборки». Нанотехнологии применяются к краскам для получения покрытий, обладающих способностью к самовосстановлению и защитой от коррозии под изоляцией. Поскольку эти покрытия являются гидрофобными и отталкивают воду от металлической трубы, а также могут защищать металл от воздействия соленой воды. [22]
Системы на основе наночастиц могут обеспечить лучшую адгезию и прозрачность. Покрытие TiO 2 захватывает и расщепляет органические и неорганические загрязнители воздуха с помощью фотокаталитического процесса, что приводит к использованию дорог в экологически чистых целях. [22]
Огнестойкость стальных конструкций часто обеспечивается покрытием, полученным методом распыления на цементный раствор. Наноцемент имеет потенциал для создания новой парадигмы в этой области применения, поскольку полученный материал может использоваться как прочное, долговечное, высокотемпературное покрытие. Он обеспечивает хороший метод повышения огнестойкости, и это более дешевый вариант, чем обычная изоляция. [22]
В строительстве наноматериалы широко используются от самоочищающихся окон до гибких солнечных панелей и краски, блокирующей Wi-Fi. Самовосстанавливающийся бетон, материалы для блокировки ультрафиолетового и инфракрасного излучения, покрытия, поглощающие смог, и светоизлучающие стены и потолки — это новые наноматериалы в строительстве. Нанотехнологии — это обещание сделать «умный дом» реальностью. Датчики с поддержкой нанотехнологий могут контролировать температуру, влажность и токсины в воздухе, для чего необходимы улучшенные батареи на основе нанотехнологий. Компоненты здания будут интеллектуальными и интерактивными, поскольку датчик использует беспроводные компоненты, он может собирать широкий спектр данных. [22]
Если нанодатчики и наноматериалы станут повседневной частью зданий, как в случае с умными домами , каковы будут последствия воздействия этих материалов на людей? [22]