Применение нанотехнологий
Приложения нанотехнологий обычно включают промышленное, медицинское и энергетическое использование. К ним относятся более прочные строительные материалы, доставка терапевтических лекарств и водородные топливные элементы более высокой плотности, которые являются экологически чистыми. Поскольку наночастицы и наноустройства очень универсальны за счет модификации их физико-химических свойств, они нашли применение в наноэлектронике, лечении рака, вакцинах, водородных топливных элементах и нанографеновых батареях. [1]
Использование нанотехнологий материалов меньшего размера позволяет регулировать молекулы и вещества на наноуровне, что может еще больше улучшить механические свойства материалов или предоставить доступ к менее физически доступным областям тела. [1] [2] [3]
| Часть серии статей о |
| Влияние нанотехнологии |
|---|
| Здоровье и безопасность |
| Относящийся к окружающей среде |
| Другие темы |
Промышленное применение
[ редактировать ]Потенциальные применения углеродных нанотрубок
[ редактировать ]Нанотрубки могут помочь в лечении рака. Было доказано, что они являются эффективными убийцами опухолей у людей с раком почек или молочной железы. [4] [5] Многостенные нанотрубки вводятся в опухоль и обрабатываются специальным типом лазера, генерирующего ближнее инфракрасное излучение в течение примерно полминуты. Эти нанотрубки вибрируют под воздействием лазера и выделяют тепло. Когда опухоль достаточно нагрета, опухолевые клетки начинают умирать. Подобные процессы позволили уменьшить опухоли почек на четыре пятых. [4]
Ультрачерные материалы, состоящие из «лесов» углеродных нанотрубок, важны в космосе, где света больше, чем удобно работать. Ультрачерный материал можно применять в системах камер и телескопов, чтобы уменьшить количество света и обеспечить получение более детальных изображений. [6]
Нанотрубки обещают помочь в лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Они могут сыграть важную роль в очистке кровеносных сосудов. Теоретически нанотрубки с прикрепленными к ним молекулами SHP1i будут сигнализировать макрофагам о необходимости очистить кровеносные сосуды от налета, не разрушая здоровых тканей. Исследователи протестировали этот тип модифицированных нанотрубок на мышах с большим количеством бляшек; мыши, получившие лечение нанотрубками, показали статистически значимое снижение образования бляшек по сравнению с мышами в группе плацебо. [7] Для применения этого лечения на людях необходимы дальнейшие исследования.
Нанотрубки могут быть использованы в бронежилетах 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 сыграть роль в контроле за состоянием солдат. [8]
Строительство
[ редактировать ]Способность нанотехнологий наблюдать и контролировать материальный мир на наноскопическом уровне 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 приобрести ряд новых свойств. Открытие высокоупорядоченной кристаллической наноструктуры аморфного геля CSH и применение фотокатализаторов и технологий нанесения покрытий привели к созданию нового поколения материалов с такими свойствами, как водостойкость, свойство самоочищения, износостойкость и защита от коррозии. [10] Среди новых наноинженерных полимеров — высокоэффективные суперпластификаторы для бетона и высокопрочные волокна с исключительной энергопоглощающей способностью. [10]
Эксперты полагают, что нанотехнологии все еще находятся на стадии исследования и имеют потенциал для улучшения традиционных материалов, таких как сталь. [10] Понимание составных наноструктур таких материалов и изучение различных применений наноматериалов может привести к разработке новых материалов с расширенными свойствами, такими как электропроводность, а также способность воспринимать температуру, влажность и напряжение. [10]
Из-за сложности оборудования наноматериалы имеют высокую стоимость по сравнению с обычными материалами, а это означает, что они вряд ли будут представлять собой строительные материалы в больших объемах. [11] В особых случаях нанотехнологии могут помочь снизить затраты на решение сложных проблем. Но в большинстве случаев традиционный метод строительства остается более экономически эффективным. [11] По мере совершенствования производственных технологий затраты на применение нанотехнологий в строительстве со временем снижаются и, как ожидается, снизятся еще больше. [11]
Наноэлектроника относится к применению нанотехнологий в электронных компонентах. Наноэлектроника стремится улучшить производительность электронных устройств на дисплеях и энергопотребление, одновременно сокращая их. [12] Таким образом, наноэлектроника может помочь достичь цели, поставленной в законе Мура , который предсказывает продолжающуюся тенденцию к уменьшению размеров 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 составлять порядка 100 нм, квантовый эффект на этом масштабе становится существенным. [13] Другая физика устройств и новые квантовые эффекты электронов могут привести к интересным приложениям. [13]
Приложения для здоровья
[ редактировать ]Нанобиотехнологии
[ редактировать ]Термины нанобиотехнология и бионанотехнология относятся к сочетанию идей, методов и наук биологии и нанотехнологий. Более конкретно, нанобиотехнология относится к применению наноразмерных объектов для биотехнологии, а бионанотехнология относится к использованию биологических компонентов в нанотехнологиях. [1]
Наиболее заметное пересечение нанотехнологий и биологии происходит в области наномедицины , где использование наночастиц и наноустройств имеет множество клинических применений при 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 легко циркулируют внутри организма и напрямую взаимодействуют 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] позволяющий варьировать химическую активность и диффузионные эффекты, которые можно изучать и изменять для самых разных применений.
Распространенным применением наномедицины является терапевтическая доставка лекарств, когда наночастицы, содержащие лекарства для терапевтического лечения заболеваний, вводятся в организм и действуют как сосуды, доставляющие лекарства в целевую область. Сосуды наночастиц, которые могут быть изготовлены из органических или синтетических компонентов, можно дополнительно функционализировать, регулируя их размер, форму, поверхностный заряд и прикрепление к поверхности (белки, покрытия, полимеры и т. д.). [2] Возможность функционализации наночастиц таким образом особенно полезна при воздействии на области тела, которые обладают определенными физико-химическими свойствами, которые не позволяют целевому лекарству достичь одной целевой области; например, некоторые наночастицы способны обходить гематоэнцефалический барьер и доставлять терапевтические лекарства в мозг. [16] Наночастицы недавно начали использоваться в лечении рака и в вакцинах. [17] [18] [19] [20] Магнитные нанороботы продемонстрировали возможности предотвращения и лечения бактерий, устойчивых к противомикробным препаратам. Применение наномоторных имплантатов предложено для достижения тщательной дезинфекции дентина. [21] [22]
Визуализация in vivo также является ключевой частью наномедицины, поскольку наночастицы можно использовать в качестве контрастных веществ для обычных 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 обеспечивать высокий контраст, что приводит к более высокой чувствительности изображений и, таким образом, может быть применимо при изучении фармакокинетики или визуальной диагностике заболеваний. [14] [2]
Энергетические приложения
[ редактировать ]Энергетические применения нанотехнологий небольшого размера связаны с использованием наночастиц для более эффективного хранения энергии. Это способствует использованию возобновляемых источников энергии посредством зеленых нанотехнологий путем генерации, хранения и использования энергии без выбросов вредных парниковых газов, таких как углекислый газ.
Наночастицы, используемые в солнечных элементах, увеличивают количество энергии, поглощаемой солнечным светом. [23]
Нанотехнологии позволяют использовать водородную энергию с гораздо большей мощностью. [24] Водородные топливные элементы, хотя сами по себе и не являются источником энергии, позволяют хранить энергию солнечного света и других возобновляемых источников экологически безопасным способом без каких-либо выбросов CO 2 . [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 долговечность и цена со временем значительно улучшаются. [25] Кроме того, обычные топливные элементы слишком велики, чтобы их можно было хранить в объеме, но исследователи обнаружили, что нанолезвия могут хранить большие объемы водорода, который затем можно сохранить внутри углеродных нанотрубок для долгосрочного хранения. [25]
Нанографеновые батареи
[ редактировать ]Нанотехнологии приводят к появлению нанографеновых батарей, которые могут более эффективно хранить энергию и весить меньше. [26] Литий-ионные батареи были основной аккумуляторной технологией в электронике в течение последнего десятилетия, но текущие ограничения технологии затрудняют уплотнение батарей из-за потенциальной опасности нагрева и взрыва. [24] Графеновые батареи, тестируемые в экспериментальных электромобилях, обещают емкость в 4 раза большую, чем нынешние батареи, а стоимость на 77% ниже. [26] Кроме того, графеновые батареи обеспечивают стабильный жизненный цикл до 250 000 циклов. [27] что позволит электромобилям и продуктам длительного пользования стать надежным источником энергии на десятилетия.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Рамсден, Джереми Дж. (2016). Нанотехнологии . дои : 10.1016/C2014-0-03912-3 . ISBN 978-0-323-39311-9 . [ нужна страница ]
- ^ Перейти обратно: а б с Чунг, Ын Джи; Леон, Лоррейн; Ринальди, Карлос, ред. (2020). Наночастицы для биомедицинских применений (PDF) . дои : 10.1016/C2017-0-04750-X . ISBN 978-0-12-816662-8 . [ нужна страница ]
- ^ Гопинатх, Субаш CB; Лакшмиприя, Тангавел; Мэриленд Аршад, МК; Уда, Миннесота; Ад-Дури, Яруб (2019). «Наноэлектроника в приложениях биосенсора». Нанобиосенсоры для биомолекулярного нацеливания . стр. 211–224. дои : 10.1016/B978-0-12-813900-4.00009-9 . ISBN 978-0-12-813900-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Берк, Эндрю; Дин, Сюаньфэн; Сингх, Рави; Крафт, Роберт А.; Леви-Поляченко, Николь; Райландер, Марисса Николь; Сот, Крис; Бьюкенен, Кара; Уитни, Джон; Фишер, Джессика; Хэтчер, Хизер К.; Д'Агостино, Ральф; Кок, Нэнси Д.; Аджаян, премьер-министр; Кэрролл, Дэвид Л.; Акман, Стивен; Торти, Фрэнк М.; Торти, Сьюзи В. (4 августа 2009 г.). «Долгосрочная выживаемость после однократного лечения опухолей почек многостенными углеродными нанотрубками и ближним инфракрасным излучением» . Труды Национальной академии наук . 106 (31): 12897–12902. Бибкод : 2009PNAS..10612897B . дои : 10.1073/pnas.0905195106 . ПМЦ 2722274 . ПМИД 19620717 .
- ^ Таджабади, Махдис (28 июня 2019 г.). «Применение углеродных нанотрубок в терапии рака молочной железы». Исследования наркотиков . дои : 10.1055/a-0945-1469 . ПМИД 31252436 .
- ^ Чу, Дженнифер (13 сентября 2019 г.). «Инженеры MIT разработали «самый черный на сегодняшний день материал»» . Новости МТИ .
- ^ Эриксон, Мэнди (29 июля 2019 г.). «Нанотерапия уменьшает образование бляшек в артериях мышей» (пресс-релиз). Стэнфордская медицина.
- ^ Махаджан, Ю.Р. (6 августа 2010 г.). «Углеродные нанотрубки и стремление к созданию совершенного бронежилета» . Нановерк .
- ^ Фойер, Карл (ноябрь 2006 г.). «Нанотехнологии и строительство» . ЭЛКОШ .
- ^ Перейти обратно: а б с д Соболев Константин; Гутьеррес, Мигель Феррада (2005). «Как нанотехнологии могут изменить конкретный мир» (PDF) . Бюллетень Американского керамического общества . 84 (11): 16–20.
- ^ Перейти обратно: а б с Мохан, Прем (17 сентября 2011 г.). «ТЕМА СЕМИНАРА ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА: ЗНАЧЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ» . ТЕМЫ СЕМИНАРА ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА . Проверено 9 апреля 2021 г. [ самостоятельно опубликованный источник? ]
- ^ «Электроника и связь». Основы и применение нанокремния в плазмонике и фуллеринах . 2018. стр. 431–485. дои : 10.1016/B978-0-323-48057-4.00014-1 . ISBN 978-0-323-48057-4 .
- ^ Перейти обратно: а б с Раза, Хасан (2019). Основы наноэлектроники . Нанонаука и технологии. дои : 10.1007/978-3-030-32573-2 . ISBN 978-3-030-32571-8 . [ нужна страница ]
- ^ Перейти обратно: а б с Пелаз, Беатрис; Алексиу, Кристоф; Альварес-Пуэбла, Рамон А.; Алвес, Фрауке; Эндрюс, Энн М.; Ашраф, Сумайра; Балог, Лайош П.; Баллерини, Лаура; Бесетти, Алессандра; Брендель, Корнелия; Айрон, Сюзанна; Каррил, Моника; Чан, Уоррен CW; Чен, Чунин; Чен, Сяодун; Чен, Сяоюань; Ченг, Чжэнь; Цуй, Дасян; Блэк, Цзяньчжун; Дуллин, Кристиан; Эскудеро, Альберто; Фелиу, Неус; Гао, Минъюань; Джордж, Майкл; Гогоци, Юрий; Грюнвеллер, Арнольд; Гу, Чжунвэй; Снейк, Наоми Дж.; Хапп, Норберт; Хартманн, Роланд К.; Херсам, Марк Дж.; Хунцикер, Патрик; Цзянь, Цзи; Цзян, Синъюй; Юнгеблут, Филипп; Кадиресан, Пранав; Катаока, Кадзунори; Хадемосейни, Али; Копечек, Йиндржих; Котов, Николай А.; Круг, Харальд Ф.; Ли, Дон Су; Лер, Клаус-Майкл; Леонг, Кам В.; Лян, Син-Цзе; Лин Лим, Мэй; Лиз-Марсан, Луис М.; Ма, Сяовэй; Макиарини, Пол; Мэн, Хуан; Мёвальд, Хельмут; Малвани, Пол; Нел, Андре Э.; Не, Шуминг; Нордландер, Питер; Окано, Теруо; Оливейра, Хосе; Пак, Тай Хён; Пеннер, Реджинальд М.; Прато, Маурицио; Пунтес, Виктор; Ротелло, Винсент М.; Самаракун, Амила; Шаак, Раймонд Э.; Шен, Юцин; Сьоквист, Себастьян; Скиртач, Андре Г.; Солиман, Махмуд Г.; Стивенс, Молли М.; Сун, Син-Вэнь; Тан, Бен Чжун; Титце, Райнер; Удугама, Буддхиша Н.; ВанЭппс, Дж. Скотт; Вейль, Таня; Вайс, Пол С.; Уиллнер, Итамар; Ву, Ючжоу; Ян, Лили; Юэ, Чжао; Чжан, Цянь; Чжан, Цян; Чжан, Сянь-Эн; Чжао, Юлян; Чжоу, Синь; Парак, Вольфганг Дж. (28 марта 2017 г.). «Разнообразные применения наномедицины» . АСУ Нано . 11 (3): 2313–2381. дои : 10.1021/acsnano.6b06040 . ПМК 5371978 . ПМИД 28290206 .
- ^ Соарес, Сара; Соуза, Жуан; Паис, Альберто; Виторино, Карла (20 августа 2018 г.). «Наномедицина: принципы, свойства и вопросы регулирования» . Границы в химии . 6 : 360. Бибкод : 2018FrCh....6..360V . дои : 10.3389/fchem.2018.00360 . ПМК 6109690 . ПМИД 30177965 .
- ^ Чжоу, Ицюнь; Пэн, Чжили; Семь, Элиф С.; Леблан, Роджер М. (январь 2018 г.). «Пересечение гематоэнцефалического барьера с помощью наночастиц». Журнал контролируемого выпуска . 270 : 290–303. дои : 10.1016/j.jconrel.2017.12.015 . ПМИД 29269142 . S2CID 25472949 .
- ^ Пак, Кён Су; Сунь, Сяоци; Эйкинс, Мариса Э.; Мун, Джеймс Дж. (февраль 2021 г.). «Системы доставки невирусной вакцины против COVID-19» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 169 : 137–151. дои : 10.1016/j.addr.2020.12.008 . ПМЦ 7744276 . ПМИД 33340620 .
- ^ Дебеле, Тилахун Аяне; Да, Ченг-Фа; Су, Вэнь-Пин (15 декабря 2020 г.). «Иммунотерапия рака и применение наночастиц в иммунотерапии рака в качестве доставки иммунотерапевтических средств и в качестве иммуномодуляторов» . Раки . 12 (12): 3773. doi : 10.3390/cancers12123773 . ПМЦ 7765190 . ПМИД 33333816 .
- ^ Дасгупта, Дебаян; Палли, Дхарма; Сайни, Дипак К.; Бхат, Рамрей; Гош, Амбариш (21 декабря 2020 г.). «Наномоторы чувствуют локальные физико-химические неоднородности в микроокружении опухоли» . Angewandte Chemie, международное издание . 59 (52): 23690–23696. дои : 10.1002/anie.202008681 . ПМЦ 7756332 . ПМИД 32918839 .
- ^ Патил, Гури (30 сентября 2020 г.). «Наномоторы как зонды для определения среды рака» . phys.org (пресс-релиз). Индийский институт науки.
- ^ Дасгупта, Дебаян; Педди, Шанмукх; Сайни, Дипак Кумар; Гош, Амбариш (июль 2022 г.). «Мобильные наноботы для предотвращения неудач при лечении корневых каналов» . Передовые материалы по здравоохранению . 11 (14): e2200232. дои : 10.1002/adhm.202200232 . ПМЦ 7613116 . ПМИД 35481942 .
- ^ Рагхунатх, Ранджини (16 мая 2022 г.). «Крошечные боты, способные глубоко чистить зубы» . Medicalxpress.com (пресс-релиз). Индийский институт науки.
- ^ Серрано, Елена; Рус, Гильермо; Гарсиа-Мартинес, Хавьер (декабрь 2009 г.). «Нанотехнологии для устойчивой энергетики». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 13 (9): 2373–2384. Бибкод : 2009RSERv..13.2373S . дои : 10.1016/j.rser.2009.06.003 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сарно, Мария (2020). «Нанотехнологии в хранении энергии: суперконденсаторы». Катализ, зеленая химия и устойчивая энергетика . Исследования в области науки о поверхности и катализа. Том. 179. стр. 431–458. дои : 10.1016/B978-0-444-64337-7.00022-7 . ISBN 978-0-444-64337-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хусейн, Ахмед Кадхим (февраль 2015 г.). «Применение нанотехнологий в возобновляемых источниках энергии - всесторонний обзор и понимание». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 42 : 460–476. Бибкод : 2015RSERv..42..460H . дои : 10.1016/j.rser.2014.10.027 .
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Юн; Ян, Цзе; Сун, Цзянь (март 2017 г.). «Модель наноэнергетической системы и наномасштабный эффект графеновой батареи в электромобиле, использующем возобновляемые источники энергии». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 69 : 652–663. Бибкод : 2017RSERv..69..652L . дои : 10.1016/j.rser.2016.11.118 .
- ^ Сюй, Ханьян; Чен, Хао; Лай, Хайвэнь; Ли, Чжэн; Донг, Сяочжун; Цай, Шэнъин; Чу, Синъюань; Гао, Чао (июнь 2020 г.). «Емкостное хранение заряда обеспечивает сверхвысокую емкость катода в алюминиево-графеновой батарее» . Журнал энергетической химии . 45 : 40–44. Бибкод : 2020JEnCh..45...40X . дои : 10.1016/j.jechem.2019.09.025 .