Применение нанотехнологий обычно включает в себя промышленное, медицинское и энергетическое использование. К ним относятся более прочные строительные материалы, доставка терапевтических лекарств и водородные топливные элементы с более высокой плотностью, которые являются экологически чистыми. Поскольку наночастицы и наноустройства очень универсальны за счет модификации их физико-химических свойств, они нашли применение в наноразмерной электронике, лечении рака, вакцинах, водородных топливных элементах и батареях с нанографеном. [1]
Использование нанотехнологией материалов меньшего размера позволяет регулировать молекулы и вещества на наноразмерном уровне, что может дополнительно улучшить механические свойства материалов или предоставить доступ к менее физически доступным участкам тела. [1] [2] [3]
Промышленное применение
Возможные применения углеродных нанотрубок
Нанотрубки могут помочь в лечении рака. Было доказано, что они являются эффективными убийцами опухолей у людей с раком почек или груди. [4] [5] Многослойные нанотрубки вводятся в опухоль и обрабатываются специальным лазером, который генерирует излучение в ближнем инфракрасном диапазоне в течение примерно полминуты. Эти нанотрубки вибрируют под действием лазера, и выделяется тепло. Когда опухоль достаточно нагревается, опухолевые клетки начинают умирать. Благодаря таким процессам опухоли почек уменьшились на четыре пятых. [4]
Ультрачерные материалы, состоящие из «лесов» углеродных нанотрубок, важны в космосе, где света больше, чем удобно для работы. Ультрачерный материал можно наносить на камеры и телескопы, чтобы уменьшить количество света и обеспечить получение более детальных изображений. [6]
Нанотрубки перспективны при 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 очищать бляшки в кровеносных сосудах, не разрушая при этом здоровые ткани. Исследователи протестировали этот тип модифицированных нанотрубок на мышах с большим количеством налета; мыши, получавшие лечение нанотрубками, показали статистически значимое снижение образования бляшек по сравнению с мышами в группе плацебо. [7] Для того, чтобы это лечение можно было применять людям, необходимы дальнейшие исследования.
Нанотрубки могут быть использованы в бронежилетах будущих солдат. Этот тип брони был бы очень прочным и очень эффективным для защиты тел солдат от снарядов и электромагнитного излучения. Также возможно, что нанотрубки в броне могут играть роль в отслеживании условий солдат. [8] Солдаты с этим типом брони появляются в видеоигре-шутере от первого лица Crysis .
Строительство
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 приобретать ряд новых свойств. Открытие высокоупорядоченной кристаллической наноструктуры аморфного геля CSH и применение фотокатализатора и технологии покрытия привело к созданию нового поколения 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 считают, что нанотехнология все еще находится на стадии изучения и может улучшить обычные материалы, такие 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, а это означает, что они вряд ли будут содержать строительные материалы в больших объемах. [11] В особых случаях нанотехнологии могут помочь снизить затраты на решение сложных проблем. Но в большинстве случаев традиционный способ строительства остается более экономичным. [11] По мере совершенствования производственных технологий затраты на применение нанотехнологий в строительстве со временем снижаются и, как ожидается, еще больше снизятся. [11]
Наноэлектроника
Наноэлектроника относится к применению нанотехнологий в электронных компонентах. Наноэлектроника направлена на улучшение характеристик электронных устройств на дисплеях и энергопотребления при их уменьшении. [12] Таким образом, наноэлектроника может помочь в достижении цели, поставленной в законе Мура , который предсказывает продолжающуюся тенденцию к уменьшению размеров интегральных схем.
наноэлектроника - это мультидисциплинарная 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 на этом масштабе длины становится существенным. [13] Различная физика устройства и новые квантовые эффекты электронов могут привести к захватывающим приложениям. [13]
Приложения для здоровья
Нанобиотехнологии
Термины нанобиотехнология и бионанотехнология относятся к комбинации идей, методов и наук биологии и нанотехнологии. Более конкретно, нанобиотехнология относится к применению наноразмерных объектов для биотехнологии, в то время как бионанотехнология относится к использованию биологических компонентов в нанотехнологиях. [14]
Наиболее заметное пересечение нанотехнологий и биологии находится в области наномедицины , где использование наночастиц и наноустройств имеет множество клинических применений для доставки терапевтических лекарств, мониторинга состояния здоровья и диагностики заболеваний. [15] Поскольку большая часть биологических процессов в организме человека происходит на клеточном уровне, небольшой размер наноматериалов позволяет использовать их в качестве инструментов, которые могут легко циркулировать в организме 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 [16], что позволяет варьировать химическую реактивность и эффекты диффузии, которые можно изучать и изменять для разнообразных применений.
Обычное применение наномедицины - это доставка терапевтических лекарств, когда наночастицы, содержащие лекарства для терапевтического лечения заболеваний, вводятся в организм и действуют как сосуды, доставляющие лекарства к целевой области. Сосуды для наночастиц, которые могут быть изготовлены из органических или синтетических компонентов, можно дополнительно функционализировать, регулируя их размер, форму, поверхностный заряд и поверхностные присоединения (белки, покрытия, полимеры и т. Д.). [17] Возможность функционализации наночастиц таким образом особенно полезна при нацеливании на участки тела, которые обладают определенными физико-химическими свойствами, которые не позволяют целевому лекарству достичь целевого участка в одиночку; например, некоторые наночастицы способны преодолевать гематоэнцефалический барьер и доставлять терапевтические препараты в мозг. [18] Наночастицы недавно были использованы в лечении рака и вакцинах. [19] [20]
Визуализация in vivo также является ключевой частью наномедицины, поскольку наночастицы могут использоваться в качестве контрастных агентов для обычных методов визуализации, таких как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). [15] Способность наночастиц локализоваться и циркулировать в определенных клетках, тканях или органах благодаря их конструкции может обеспечить высокий контраст, что приводит к более высокой чувствительности визуализации и, таким образом, может применяться при изучении фармакокинетики или визуальной диагностике заболеваний. [15] [17]
Энергетические приложения
В энергетических применениях нанотехнологии относится к использованию небольшого размера наночастиц для хранения энергии более эффективно. Это способствует использованию возобновляемых источников энергии с помощью зеленых нанотехнологий путем производства, хранения и использования энергии без выделения вредных парниковых газов, таких как двуокись углерода.
Солнечные батареи
Наночастицы, используемые в солнечных элементах, увеличивают количество энергии, поглощаемой солнечным светом. [21] Солнечные элементы в настоящее время создаются из слоев кремния, которые поглощают солнечный свет и преобразуют его в полезное электричество. [22] Используя благородные металлы, такие как золото, покрытое поверх кремния, исследователи обнаружили, что они могут более эффективно преобразовывать энергию в электрический ток. [22] Большая часть энергии, которая теряется во время этого преобразования, происходит из-за тепла, однако при использовании наночастиц выделяется меньше тепла, что позволяет производить больше электроэнергии. [22]
Водородные топливные элементы
Нанотехнологии позволяют использовать водородную энергию с гораздо большей мощностью. [23] Водородные топливные элементы, хотя сами они не являются источником энергии, позволяют хранить энергию солнечного света и других возобновляемых источников экологически безопасным способом без каких-либо выбросов CO2. [23] Некоторые из основных недостатков традиционных водородных топливных элементов заключаются в том, что они дороги и недостаточно долговечны для коммерческого использования, [24] однако при использовании наночастиц значительно улучшаются как долговечность, так и цена. [24] Кроме того, обычные топливные элементы слишком велики, чтобы их можно было хранить в объеме, но исследователи обнаружили, что нанолопасти могут хранить большие объемы водорода, которые затем могут быть сохранены внутри углеродных нанотрубок для длительного хранения. [24]
Нанографеновые батареи
Нанотехнологии приводят к появлению нанографеновых батарей, которые могут более эффективно накапливать энергию и меньше весить. [25] Литий-ионные батареи были основной технологией в электронике в течение последнего десятилетия, но текущие ограничения в технологии затрудняют уплотнение батарей из-за потенциальной опасности перегрева и взрыва. [23] Графеновые батареи, испытываемые в экспериментальных электромобилях, обещали, что их емкость в 4 раза больше, чем у современных аккумуляторов, а стоимость будет на 77% ниже. [25] Кроме того, графеновые батареи обеспечивают стабильный жизненный цикл до 250 000 циклов [26], что позволит электромобилям и продуктам длительного пользования оставаться надежным источником энергии на десятилетия.
Рекомендации
- ^ a b «Нанотехнологии - 2-е издание» . www.elsevier.com . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ «Наночастицы для биомедицинских приложений - 1-е издание» . www.elsevier.com . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ «Наноэлектроника - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ 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 С. (4 августа 2009 г.). «Долгосрочная выживаемость после однократного лечения опухолей почек с использованием многослойных углеродных нанотрубок и ближнего инфракрасного излучения» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (31): 12897–12902. Bibcode : 2009PNAS..10612897B . DOI : 10.1073 / pnas.0905195106 . ISSN 1091-6490 . PMC 2722274 . PMID 19620717 .
- ^ Таджабади, Махди (28.06.2019). «Применение углеродных нанотрубок в терапии рака груди» . Исследования наркотиков . DOI : 10.1055 / а-0945-1469 . ISSN 2194-9387 . PMID 31252436 .
- ^ «Инженеры Массачусетского технологического института разрабатывают« самый черный на сегодняшний день »материал» . Новости Массачусетского технологического института | Массачусетский технологический институт . Проверено 10 апреля 2021 .
- ^ [email protected], Автор: Мэнди Эриксон Мэнди Эриксон - научный писатель из отдела коммуникаций. Пишите ей по адресу. «Нанотерапия уменьшает образование бляшек в артериях мышей» . Центр новостей . Проверено 10 апреля 2021 .
- ^ «Углеродные нанотрубки и поиски совершенной бронежилета» . Нановерк . Проверено 10 апреля 2021 .
- ^ «ЭЛКОШ: Нанотехнологии и строительство» . www.elcosh.org . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ а б в г «Как нанотехнологии могут изменить бетонный мир. Успешное копирование природных процессов строительства снизу вверх - одно из самых многообещающих направлений» . ResearchGate . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ а б в Мохан, Прем (17 сентября 2011 г.). «ТЕМЫ СЕМИНАРА ГРАЖДАНСКОГО ИНЖЕНЕРА: ЗНАЧЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ» . ТЕМЫ СЕМИНАРА ГРАЖДАНСКОГО ИНЖЕНЕРА . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ «Наноэлектроника - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ а б в Раза, Хасан (26.11.2019). Основы наноэлектроники: материалы, устройства и системы . Springer Nature. ISBN 978-3-030-32573-2.
- ^ «Нанотехнологии - 2-е издание» . www.elsevier.com . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ а б в Пелаз, Беатрис; Алексиу, Кристоф; Альварес-Пуэбла, Рамон А .; Алвес, Фрауке; Эндрюс, Энн М .; Ашраф, Сумаира; Balogh, Lajos P .; Балерини, Лаура; Бестетти, Алессандра; Брендель, Корнелия; Бози, Сусанна (28 марта 2017 г.). «Разнообразные применения наномедицины» . САУ Нано . 11 (3): 2313–2381. DOI : 10.1021 / acsnano.6b06040 . ISSN 1936-086X . PMC 5371978 . PMID 28290206 .
- ^ Соарес, Сара; Соуза, Жуан; Паис, Альберто; Виторино, Карла (2018). «Наномедицина: принципы, свойства и нормативные вопросы» . Границы химии . 6 : 360. Bibcode : 2018FrCh .... 6..360V . DOI : 10.3389 / fchem.2018.00360 . ISSN 2296-2646 . PMC 6109690 . PMID 30177965 .
- ^ а б «Наночастицы для биомедицинских приложений - 1-е издание» . www.elsevier.com . Проверено 2 апреля 2021 .
- ^ Чжоу, Ицюнь; Пэн, Чжили; Seven, Elif S .; Леблан, Роджер М. (28 января 2018 г.). «Преодоление гематоэнцефалического барьера с помощью наночастиц» . Журнал контролируемого выпуска . 270 : 290–303. DOI : 10.1016 / j.jconrel.2017.12.015 . ISSN 0168-3659 . PMID 29269142 . S2CID 25472949 .
- ^ Пак, Кён Су; Сунь, Сяоци; Айкинс, Мариса Э .; Луна, Джеймс Дж. (2021-02-01). «Системы доставки невирусной вакцины против COVID-19» . Расширенные обзоры доставки лекарств . 169 : 137–151. DOI : 10.1016 / j.addr.2020.12.008 . ISSN 0169-409X . PMC 7744276 . PMID 33340620 .
- ^ Дебеле, Тилахун Аяне; Да, Чэн-Фа; Су, Вэнь-Пин (15.12.2020). «Иммунотерапия рака и применение наночастиц в иммунотерапии рака в качестве доставки иммунотерапевтических агентов и иммуномодуляторов» . Раки . 12 (12): 3773. DOI : 10,3390 / cancers12123773 . ISSN 2072-6694 . PMC 7765190 . PMID 33333816 .
- ^ Серрано, Елена; Русь, Гильермо; Гарсиа-Мартинес, Хавьер (01.12.2009). «Нанотехнологии для устойчивой энергетики» . Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 13 (9): 2373–2384. DOI : 10.1016 / j.rser.2009.06.003 . ISSN 1364-0321 .
- ^ а б в «Явления нанотехнологий в свете солнечной энергии» . ResearchGate . Проверено 9 апреля 2021 .
- ^ а б в Сарно, Мария (01.01.2020). «Нанотехнологии в хранении энергии: суперконденсаторы» . Исследования в области наук о поверхности и катализа . 179 : 431–458. DOI : 10.1016 / B978-0-444-64337-7.00022-7 . ISBN 9780444643377. ISSN 0167-2991 .
- ^ а б в Хусейн, Ахмед Кадхим (01.02.2015). «Применение нанотехнологий в возобновляемых источниках энергии - всесторонний обзор и понимание» . Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 42 : 460–476. DOI : 10.1016 / j.rser.2014.10.027 . ISSN 1364-0321 .
- ^ а б Ли, Юн; Ян, Цзе; Сон, Цзянь (2017-03-01). «Модель наноэнергетической системы и наноразмерный эффект графеновой батареи в электромобиле с использованием возобновляемых источников энергии» . Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 69 : 652–663. DOI : 10.1016 / j.rser.2016.11.118 . ISSN 1364-0321 .
- ^ Сюй, Ханян; Чен, Хао; Лай, Хайвэнь; Ли, Чжэн; Дун, Сяочжун; Цай, Шэнъин; Чу, Синюань; Гао, Чао (01.06.2020). «Емкостное накопление заряда обеспечивает сверхвысокую катодную емкость в алюминиево-графеновой батарее» . Журнал энергетической химии . 45 : 40–44. DOI : 10.1016 / j.jechem.2019.09.025 . ISSN 2095-4956 .