Применение нанотехнологий обычно включает промышленные, медицинские и энергетические применения. Они включают более прочные строительные материалы, терапевтическую доставку лекарств и более плотные водородные топливные элементы, которые являются экологически чистыми. Поскольку наночастицы и наноустройства являются весьма универсальными за счет модификации своих физико-химических свойств, они нашли применение в наноэлектронике, лечении рака, вакцинах, водородных топливных элементах и нанографеновых батареях. [1]
Использование нанотехнологиями материалов меньшего размера позволяет регулировать молекулы и вещества на наноуровне, что может дополнительно улучшить механические свойства материалов или предоставить доступ к физически менее доступным областям тела. [1] [2] [3]
Нанотрубки могут помочь в лечении рака. Было показано, что они являются эффективными убийцами опухолей у пациентов с раком почек или груди. [4] [5] Многослойные нанотрубки вводятся в опухоль и обрабатываются специальным типом лазера, который генерирует ближнее инфракрасное излучение в течение примерно половины минуты. Эти нанотрубки вибрируют в ответ на лазер, и выделяется тепло. Когда опухоль достаточно нагрета, опухолевые клетки начинают умирать. Такие процессы смогли уменьшить опухоли почек до четырех пятых. [4]
Ультрачерные материалы, состоящие из «лесов» углеродных нанотрубок, важны в космосе, где света больше, чем удобно для работы. Ультрачерный материал может быть применен к системам камер и телескопов, чтобы уменьшить количество света и обеспечить более детальные изображения. [6]
Нанотрубки показывают многообещающие результаты в лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Они могут играть важную роль в очистке кровеносных сосудов. Теоретически нанотрубки с прикрепленными к ним молекулами SHP1i будут давать макрофагам сигнал очищать бляшки в кровеносных сосудах, не разрушая при этом здоровые ткани. Исследователи протестировали этот тип модифицированных нанотрубок на мышах с большим количеством бляшек; мыши, получавшие лечение нанотрубками, показали статистически значимое снижение бляшек по сравнению с мышами в группе плацебо. [7] Для того, чтобы это лечение можно было применять к людям, необходимы дальнейшие исследования.
Нанотрубки могут быть использованы в бронежилетах для будущих солдат. Этот тип брони будет очень прочным и высокоэффективным для защиты тел солдат от снарядов и электромагнитного излучения. Также возможно, что нанотрубки в броне могут играть роль в наблюдении за состоянием солдат. [8]
Способность нанотехнологий наблюдать и контролировать материальный мир на наноуровне может предложить большой потенциал для развития строительства. Нанотехнологии могут помочь улучшить прочность и долговечность строительных материалов, включая цемент, сталь, дерево и стекло. [9]
Применяя нанотехнологии, материалы могут получить ряд новых свойств. Открытие высокоупорядоченной кристаллической наноструктуры аморфного геля CSH и применение фотокатализатора и технологии покрытия приводит к новому поколению материалов с такими свойствами, как водостойкость, самоочищение, износостойкость и защита от коррозии. [10] Среди новых наноинженерных полимеров есть высокоэффективные суперпластификаторы для бетона и высокопрочные волокна с исключительной способностью поглощать энергию. [10]
Эксперты полагают, что нанотехнологии остаются на стадии исследования и обладают потенциалом для улучшения традиционных материалов, таких как сталь. [10] Понимание композитных наноструктур таких материалов и изучение различных применений наноматериалов может привести к разработке новых материалов с расширенными свойствами, такими как электропроводность, а также способность определять температуру, влажность и напряжение. [10]
Из-за сложности оборудования наноматериалы имеют высокую стоимость по сравнению с обычными материалами, что означает, что они вряд ли будут использоваться в качестве строительных материалов в больших объемах. [11] В особых случаях нанотехнологии могут помочь снизить затраты на решение сложных задач. Но в большинстве случаев традиционный метод строительства остается более экономически эффективным. [11] С улучшением производственных технологий затраты на применение нанотехнологий в строительстве со временем снижаются и, как ожидается, будут снижаться еще больше. [11]
Наноэлектроника относится к применению нанотехнологий в электронных компонентах. Наноэлектроника направлена на улучшение производительности электронных устройств на дисплеях и энергопотребления при их уменьшении. [12] Таким образом, наноэлектроника может помочь достичь цели, установленной в законе Мура , который предсказывает продолжающуюся тенденцию к уменьшению размера интегральных схем.
Наноэлектроника — это междисциплинарная область, состоящая из квантовой физики, анализа устройств, системной интеграции и анализа схем. [13] Поскольку длина волны де Бройля в полупроводниках может быть порядка 100 нм, квантовый эффект в этом масштабе длины становится существенным. [13] Различная физика устройств и новые квантовые эффекты электронов могут привести к захватывающим приложениям. [13]
Термины нанобиотехнология и бионанотехнология относятся к объединению идей, методов и наук биологии и нанотехнологии. Более конкретно, нанобиотехнология относится к применению наномасштабных объектов для биотехнологии, в то время как бионанотехнология относится к использованию биологических компонентов в нанотехнологии. [1]
Наиболее заметное пересечение нанотехнологий и биологии находится в области наномедицины , где использование наночастиц и наноустройств имеет множество клинических применений в доставке терапевтических препаратов, мониторинге состояния здоровья и диагностике заболеваний. [14] Поскольку большая часть биологических процессов в организме человека происходит на клеточном уровне, малый размер наноматериалов позволяет использовать их в качестве инструментов, которые могут легко циркулировать внутри организма и напрямую взаимодействовать с межклеточной и даже внутриклеточной средой. Кроме того, наноматериалы могут иметь физико-химические свойства, которые отличаются от их объемной формы из-за их размера, [15] что позволяет изменять химическую реактивность и эффекты диффузии, которые можно изучать и изменять для разнообразных применений.
Распространенным применением наномедицины является терапевтическая доставка лекарств, где наночастицы, содержащие лекарства для терапевтического лечения заболеваний, вводятся в организм и действуют как сосуды, которые доставляют лекарства в целевую область. Сосуды наночастиц, которые могут быть изготовлены из органических или синтетических компонентов, могут быть дополнительно функционализированы путем корректировки их размера, формы, поверхностного заряда и поверхностных прикреплений (белков, покрытий, полимеров и т. д.). [2] Возможность функционализации наночастиц такими способами особенно полезна при нацеливании на области тела, которые обладают определенными физико-химическими свойствами, которые не позволяют предполагаемому лекарству достичь целевой области в одиночку; например, некоторые наночастицы способны обходить гематоэнцефалический барьер , чтобы доставлять терапевтические лекарства в мозг. [16] Наночастицы недавно использовались в терапии рака и вакцинах. [17] [18] [19] [20] Магнитные нанороботы продемонстрировали способность предотвращать и лечить бактерии, устойчивые к противомикробным препаратам. Для достижения полной дезинфекции дентина было предложено применение наномоторных имплантатов. [21] [22]
Визуализация in vivo также является ключевой частью наномедицины, поскольку наночастицы могут использоваться в качестве контрастных агентов для распространенных методов визуализации, таких как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). [14] Способность наночастиц локализоваться и циркулировать в определенных клетках, тканях или органах благодаря их конструкции может обеспечить высокую контрастность, что приводит к более высокой чувствительности визуализации, и, таким образом, может применяться при изучении фармакокинетики или визуальной диагностике заболеваний. [14] [2]
Энергетическое применение нанотехнологий связано с использованием малых размеров наночастиц для более эффективного хранения энергии. Это способствует использованию возобновляемой энергии посредством зеленой нанотехнологии путем генерации, хранения и использования энергии без выбросов вредных парниковых газов, таких как углекислый газ.
Наночастицы, используемые в солнечных батареях, увеличивают количество энергии, поглощаемой из солнечного света. [23]
Нанотехнологии позволяют использовать водородную энергию с гораздо большей производительностью. [24] Водородные топливные элементы, хотя они сами по себе не являются источником энергии, позволяют хранить энергию солнечного света и других возобновляемых источников экологически безопасным способом без каких-либо выбросов CO2. [ 24] Некоторые из основных недостатков традиционных водородных топливных элементов заключаются в том, что они дороги и недостаточно долговечны для коммерческого использования. [25] Однако при использовании наночастиц как долговечность, так и цена со временем значительно улучшаются. [25] Кроме того, обычные топливные элементы слишком велики для хранения в объеме, но исследователи обнаружили, что нанолезвия могут хранить большие объемы водорода, которые затем можно сохранить внутри углеродных нанотрубок для долгосрочного хранения. [25]
Нанотехнологии приводят к появлению нанографеновых батарей, которые могут более эффективно хранить энергию и весить меньше. [26] Литий-ионные батареи были основной технологией батарей в электронике в течение последнего десятилетия, но текущие ограничения в этой технологии затрудняют уплотнение батарей из-за потенциальных опасностей нагрева и взрыва. [24] Графеновые батареи, которые испытываются в экспериментальных электромобилях, обещали емкость в 4 раза большую, чем у существующих батарей, при стоимости на 77% ниже. [26] Кроме того, графеновые батареи обеспечивают стабильный жизненный цикл до 250 000 циклов, [27] что позволит электромобилям и долгосрочным продуктам стать надежным источником энергии на десятилетия.