Промышленные применения нанотехнологий - Industrial applications of nanotechnology

Часть цикла статей о
Влияние нанотехнологии
Здоровье и безопасность
Опасности Наномедицина Нанотоксикология Углеродные наноматериалы
Относящийся к окружающей среде
Зеленые нанотехнологии Энергетические приложения Загрязнение
Другие темы
Приложения Промышленное применение Социальное влияние Регулирование
Научный портал  Технологический портал

Нанотехнологии влияет на сферу потребительские товары, несколько продуктов, которые включают наноматериалы уже во множестве предметов; многие из которых люди даже не подозревают, содержат наночастицы, продукты с новыми функциями, начиная от легко очистить к устойчив к царапинам. Примеры того, что автомобильные бамперы сделаны легче, одежда - больше. пятновыводитель солнцезащитный крем более устойчив к радиации, синтетические кости прочнее, экраны сотовых телефонов легче, стеклянная упаковка для напитков обеспечивает более длительный срок хранения, а мячи для различных видов спорта стали более прочными.^[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 множество потенциальных применений в тяжелой промышленности. Предполагается, что нанотехнологии станут основным двигателем технологий и бизнеса в этом веке и обещают создание материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками, интеллектуальных систем и новых методов производства, которые окажут значительное влияние на все аспекты жизни общества.

Еда

Сложный комплекс инженерных и научных задач в еда и биотехнология промышленность для производства высококачественных и безопасная еда эффективными и устойчивыми способами можно решить с помощью нанотехнологий. Идентификация бактерий и качества продуктов питания мониторинг с использованием биосенсоры; интеллектуальные, активные и умные системы упаковки пищевых продуктов; нанокапсулирование биоактивный пищевые соединения - несколько примеров новых применений нанотехнологий в пищевой промышленности.^[2] Нанотехнологии могут применяться в производстве, переработке, обеспечении безопасности и упаковке пищевых продуктов. Нанокомпозитное покрытие может улучшить упаковку пищевых продуктов за счет размещения антимикробных агентов непосредственно на поверхности покрытой пленки.Нанокомпозиты может увеличивать или уменьшать газопроницаемость различных наполнителей, что необходимо для различных продуктов. Они также могут улучшить механические и термостойкие свойства и снизить скорость передачи кислорода. В настоящее время проводятся исследования по применению нанотехнологий для обнаружения химических и биологических веществ в пищевых продуктах.^{[нужна цитата ]}

Как правило, фальсификация пищевых веществ запрещена, в соответствии с Закон о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах (раздел 402).^[3] Добавки к пище должны соответствовать всем правилам поправки к пищевым добавкам 1958 года, а также Закон о модернизации FDA 1997 г.. Кроме того, красящие добавки должны соответствовать всем правилам, установленным Поправками к красящим добавкам 1960 года. Оценка безопасности должна проводиться для всех пищевых веществ для представления и утверждения FDA США. Обязательная информация в этой оценке включает в себя идентичность, технические эффекты, самоограниченные уровни использования, пищевое воздействие и исследования безопасности для используемых производственных процессов, включая использование нанотехнологий. Производители пищевых продуктов обязаны оценивать, влияют ли на идентичность, безопасность или нормативный статус пищевой субстанции значительные изменения в производственных процессах, такие как использование нанотехнологий. В своем руководящем документе, опубликованном в апреле 2012 года, FDA США обсуждает, какие соображения и рекомендации могут применяться к такой оценке.^{[нужна цитата ]}

Нано-продукты

Новые продукты входят в число потребительских товаров, созданных с помощью нанотехнологий, которые поступают на рынок от 3 до 4 в неделю, согласно данным Проект по новым нанотехнологиям (PEN) на основе инвентаризации 609 известных или заявленных нанопродуктов. В списке PEN три продукта - марки рапс растительное масло 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, масло канолы, производимое Shemen Industries of Israel, содержит добавку под названием «нанокапли», предназначенную для переноса витаминов, минералов и фитохимических веществ через пищеварительную систему и мочевину.^[4] В коктейле, по заявлению американского производителя RBC Life Sciences Inc., используются «NanoClusters», наполненные какао, для улучшения вкуса и польза для здоровья какао без необходимости дополнительный сахар.^[5]

Потребительские товары

Поверхности и покрытия

Самым известным применением нанотехнологий в домашнем хозяйстве является самоочистка или "легко очистить «поверхности на керамике или стекле. Нанокерамика частицы улучшили гладкость и термостойкость обычного бытового оборудования, такого как плоский утюг.^{[нужна цитата ]}

На рынке появились первые солнцезащитные очки с защитным и антибликовым ультратонким полимерным покрытием. Для оптики нанотехнология также предлагает устойчивые к царапинам покрытия на основе нанокомпозитов. Нанооптика может позволить повысить точность восстановления зрачка и других видов лазерной хирургии глаза.^{[нужна цитата ]}

Текстиль

Использование специально разработанных нановолокон уже делает одежду водоотталкивающей, пятноотталкивающей или без складок. Текстиль с нанотехнологией Конец можно стирать реже и при более низких температурах. Нанотехнологии были использованы для интеграции крошечных углеродных частиц мембраны и обеспечения полной защиты поверхности от электростатических зарядов для пользователя. Многие другие приложения были разработаны исследовательскими институтами, такими как Лаборатория текстильных нанотехнологий в Корнелл Университет, и Великобритании Dstl и его дочерняя компания P2i.^{[нужна цитата ]}

Косметика

Одна область применения находится в солнцезащитные кремы. Традиционный подход к химической защите от УФ-излучения страдает его плохой долговременной стабильностью. Солнцезащитный крем на основе минеральных наночастиц, таких как оксид титана предлагают несколько преимуществ. Наночастицы оксида титана обладают сравнимой защитой от ультрафиолета, как и основной материал, но теряют косметически нежелательное отбеливание при уменьшении размера частиц.^{[нужна цитата ]}

Спортивный

Нанотехнологии также могут играть роль в таких видах спорта, как футбольный, футбол,^[6] и бейсбол.^[7] Материалы для новой спортивной обуви могут быть сделаны таким образом, чтобы сделать обувь легче (а спортсмена - быстрее).^[8] Бейсбольные биты, уже представленные на рынке, изготовлены из углеродных нанотрубок, которые усиливают смолу, что, как говорят, улучшает ее характеристики, делая ее легче.^[7] Другие предметы, такие как спортивные полотенца, коврики для йоги, коврики для упражнений, присутствуют на рынке и используются игроками Национальная футбольная лига, которые используют антимикробные нанотехнологии для предотвращения парасурама от болезней, вызванных такими бактериями, как Метициллин-резистентный золотистый стафилококк (широко известный как MRSA).^[6]

Производители авиакосмической и автомобильной промышленности

Более легкие и прочные материалы будут иметь огромное значение для производителей самолетов, что приведет к повышению производительности. Космический корабль также выиграет, если вес является основным фактором. Таким образом, нанотехнология может помочь уменьшить размер оборудования и тем самым снизить расход топлива, необходимый для его доставки в воздух. Дельтапланы могут снизить их вес вдвое, увеличив при этом их прочность и ударную вязкость за счет использования нанотехнологических материалов. Нанотехнологии снижают массу суперконденсаторы которые будут все чаще использоваться для обеспечения питания вспомогательных электродвигателей для запуска дельтапланов с равнин на высоты, требующие теплового преследования.^{[нужна цитата ]}

Как и в авиакосмической отрасли, для создания более быстрых и безопасных транспортных средств были бы полезны более легкие и прочные материалы. Для двигателей внутреннего сгорания также могут быть полезны более износостойкие и жаростойкие детали.^{[нужна цитата ]}

Военный

Биологические датчики

Нанотехнологии могут улучшить способность военных обнаруживать биологические агенты. Используя нанотехнологии, военные смогут создавать сенсорные системы, которые могут обнаруживать биологические агенты.^[9] Сенсорные системы уже хорошо разработаны и станут одной из первых форм нанотехнологии, которую начнут использовать военные.^[10]

Однородный материал

Наночастицы могут быть введены в материал на униформе солдат, чтобы не только сделать материал более прочным, но и защитить солдат от множества различных опасностей, таких как высокие температуры, удары и химические вещества.^[9] Наночастицы в материале защищают солдат от этих опасностей, группируясь, когда что-то ударяет по броне, и укрепляют область удара. Эта жесткость помогает уменьшить воздействие всего, что поразило броню, будь то сильный жар или тупая сила. Уменьшая силу удара, наночастицы защищают солдата в униформе от любых травм, которые мог бы причинить удар.

Другой способ, которым нанотехнологии могут улучшить форму солдат, - это создание лучшей формы камуфляжа. Наночастицы подвижного пигмента, введенные в материал, могут обеспечить лучшую маскировку.^[11] Эти подвижные частицы пигмента могут изменять цвет униформы в зависимости от области, в которой находятся солдаты. Этот самоизменяющийся камуфляж все еще ведется много исследований.

Нанотехнологии могут улучшить тепловой камуфляж. Тепловой камуфляж помогает защитить солдат от людей, использующих технологии ночного видения. Поверхности многих различных военных предметов могут быть спроектированы таким образом, чтобы электромагнитное излучение могло помочь снизить инфракрасные сигнатуры объекта, на котором находится поверхность.^[11] Поверхности униформы солдат и поверхности военной техники - это несколько поверхностей, которые могут быть сконструированы таким образом. Понизив инфракрасная подпись как солдат, так и военных транспортных средств, которые используют солдаты, он обеспечит лучшую защиту от оружия с инфракрасным наведением или инфракрасных датчиков наблюдения.

Способ связи

Существует способ использовать наночастицы для создания полимерных нитей с покрытием, которые можно вплетать в солдатскую форму.^[12] Эти полимерные нити могли использоваться как форма общения между солдатами. Система нитей в униформе может быть настроена на разные длины световых волн, что исключает возможность прослушивания кем-либо еще.^[12] Это снизит риск того, что что-либо будет перехвачено нежелательными слушателями.

Медицинская система

Система медицинского наблюдения за солдатами может быть создана с использованием нанотехнологий. Эта система сможет следить за их здоровьем и уровнем стресса. Системы смогут реагировать на медицинские ситуации, выпуская лекарства или сжимая раны по мере необходимости.^[11] Это означает, что если система обнаружит кровоточащую травму, она сможет сжимать рану до тех пор, пока не будет получено дальнейшее лечение. Система также сможет вводить в тело солдата лекарства для здоровья, например, обезболивающие при травмах. Система могла бы 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 производиться за счет движений тела солдата.^[11]

Оружие

Нанооружие - это имя, данное военным технологии в настоящее время разрабатывается, цель которого - использовать возможности нанотехнологий в современных поле битвы.^{[13][14][15][16]}

Риски в военных

• Такие люди, как государственные учреждения, преступники и предприятия могут использовать нанороботов для подслушивать о разговорах наедине.^[11]
• Серая слизь: неуправляемая самовоспроизводящаяся наномашина или робот.
• Наночастицы, используемые в различных военных материалах, могут потенциально представлять опасность для солдат, которые носят этот материал, если материал изнашивается. По мере износа униформы наноматериал может отламываться и попадать в тела солдат.^[17] Попадание наночастиц в тела солдат было бы очень вредным для здоровья и могло бы серьезно повредить им. Информации о том, каков будет реальный урон солдатам, не так много, но были исследования о влиянии наночастиц, проникающих в рыбу через ее кожу. Исследования показали, что разные рыбы в исследовании страдали от разной степени повреждения мозга. Хотя повреждение головного мозга было бы серьезным негативным эффектом, исследования также говорят, что результаты нельзя рассматривать как точный пример того, что произойдет с солдатами, если наночастицы попадут в их тела.^[18] Существуют очень строгие правила для ученых, производящих продукты с наночастицами. Благодаря этим строгим правилам они могут значительно снизить опасность истирания наночастиц материалов и попадания в системы солдат.^[19]

Катализ

Химическая катализ преимущества, особенно от наночастиц, из-за чрезвычайно большого отношение поверхности к объему. Возможности применения наночастиц в катализе варьируются от топливная ячейка к каталитические преобразователи и фотокаталитический устройств. Катализ также важен для производства химикатов. Например, наночастицы с четко выраженным химическим окружением (лиганды ) или конкретный оптические свойства.^{[нужна цитата ]}

Наночастицы платины рассматриваются в следующем поколении автомобильных каталитических нейтрализаторов, потому что очень большая площадь поверхности наночастиц может снизить необходимое количество платины.^[20] Однако были высказаны некоторые опасения в связи с экспериментами, демонстрирующими, что они будут самовозгорание если метан смешивается с окружающим воздухом.^[21] Текущие исследования в Национальный центр научных исследований (CNRS) во Франции может решить их истинную полезность для каталитических применений.^[22] Нанофильтрация может стать важным приложением, хотя будущие исследования должны быть осторожны, чтобы изучить возможную токсичность.^[23]

Строительство

Нанотехнологии могут сделать строительство быстрее, дешевле, безопаснее и разнообразнее. Автоматизация строительства с использованием нанотехнологий может позволить создавать конструкции от современных домов до массивных небоскребов гораздо быстрее и с гораздо меньшими затратами. В ближайшем будущем нанотехнологии можно будет использовать для обнаружения трещин в основах архитектуры и отправки наноботов для их ремонта.^[24][25]

Нанотехнологии - это активная область исследований, охватывающая ряд дисциплин, таких как электроника, биомеханика и покрытия. Эти дисциплины помогают в области гражданского строительства и строительных материалов.^[24] Если нанотехнологии внедрить в строительство домов и инфраструктуры, такие конструкции будут прочнее. Если здания будут более прочными, то меньшее их количество потребует реконструкции и будет меньше отходов.

Нанотехнологии в строительстве включают использование наночастиц, таких как оксид алюминия и кремнезем. Производители также исследуют методы производства наноцемента. Если цемент с наноразмерными частицами можно будет производить и обрабатывать, это откроет большое количество возможностей в области керамики, высокопрочных композитов и электронных приложений. ^[24]

Наноматериалы по-прежнему имеют высокую стоимость по сравнению с обычными материалами, а это означает, что они вряд ли будут использоваться в строительных материалах большого объема. День, когда эта технология сократит потребление конструкционной стали, еще не предвидится.^[26]

Цемент

Большой объем анализа бетона проводится на наноуровне, чтобы понять его структуру. В таком анализе используются различные методы, разработанные для исследований в этом масштабе, такие как атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая электронная микроскопия (SEM) и сфокусированный ионный пучок (FIB). Это стало дополнительным преимуществом разработки этих инструментов для изучения наномасштаба в целом, но понимание структуры и поведения бетона на фундаментальном уровне является важным и очень подходящим применением нанотехнологий. Одним из фундаментальных аспектов нанотехнологии является ее междисциплинарный характер, и уже было проведено перекрестное исследование между механическим моделированием костей для медицинской инженерии и моделированием бетона, что позволило изучить диффузию хлоридов в бетоне (которая вызывает коррозию арматуры). В конце концов, бетон - это макроматериал, на который сильно влияют его нано-свойства, и понимание его на этом новом уровне открывает новые возможности для улучшения прочности, долговечности и мониторинга, как описано в следующих параграфах.

Кремнезем (SiO2) присутствует в обычном бетоне как часть обычной смеси. Однако одно из достижений, сделанных при изучении бетона на наномасштабе, заключается в том, что упаковка частиц в бетоне может быть улучшена за счет использования нанокремнезема, что приводит к уплотнению микро- и наноструктуры, что приводит к улучшенным механическим свойствам. Добавление нанокремнезема к материалам на основе цемента также может контролировать деградацию фундаментальной реакции C-S-H (силикат-гидрат кальция) бетона, вызванной выщелачиванием кальция в воде, а также блокировать проникновение воды и, следовательно, вести к повышению долговечности. Связанный с улучшенной упаковкой частиц, высокоэнергетический помол обычного портландцемента (OPC) клинкера и стандартного песка приводит к большему уменьшению размера частиц по сравнению с обычным OPC, и, как результат, прочность на сжатие очищенного материала также составляет от 3 до 6. раз выше (в разном возрасте).^[25]

Стали

Сталь - широко доступный 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. Текущие конструкции стальных конструкций основаны на снижении допустимого напряжения, срока службы или режима регулярных проверок. Это существенно влияет на стоимость жизненного цикла конструкций и ограничивает эффективное использование ресурсов. Концы напряжения несут ответственность за возникновение трещин, в результате которых возникает усталостное разрушение. Добавление наночастицы меди уменьшает неровность поверхности стали, что, в свою очередь, ограничивает количество очагов напряжения и, следовательно, усталостное растрескивание. Достижения в этой технологии за счет использования наночастиц приведут к повышению безопасности, уменьшению необходимости в регулярных проверках и более эффективных материалах для строительства без проблем усталости.^[24]

Стальные тросы можно укрепить с помощью углеродных нанотрубок. Более прочные тросы сокращают затраты и сроки строительства, особенно в подвесных мостах, поскольку тросы проходят от конца до конца пролета.^[24]

Использование наночастиц ванадия и молибдена снижает проблемы замедленного разрушения, связанные с использованием высокопрочных болтов. Это снижает эффекты водородного охрупчивания и улучшает микроструктуру стали за счет уменьшения влияния межзеренной фазы цементита.^[24]

Сварные швы и зона термического влияния (HAZ), примыкающая к сварным швам, могут быть хрупкими и выходить из строя без предупреждения при внезапной динамической нагрузке. Добавление наночастиц, таких как магний и кальций, делает зерна ЗТВ более мелкими в листовой стали. Это добавление наночастиц приводит к увеличению прочности сварного шва. Повышение прочности приводит к меньшим требованиям к ресурсам, поскольку требуется меньше материала для поддержания напряжений в допустимых пределах.^[24]

Дерево

Нанотехнологии открывают перед лесной промышленностью большие возможности для разработки новых продуктов, существенного снижения затрат на переработку и открытия новых рынков для материалов на биологической основе.

Дерево также состоит из нанотрубок или «нанофибрилл»; а именно лигноцеллюлозные (древесно-тканевые) элементы, 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 предположили, что создание функциональных возможностей на лигноцеллюлозных поверхностях в наномасштабе может открыть новые возможности для таких вещей, как самостерилизующиеся поверхности, внутренний самовосстановление и электронные лигноцеллюлозные устройства. Эти незаметные активные или пассивные наноразмерные датчики будут обеспечивать обратную связь о характеристиках продукта и условиях окружающей среды во время эксплуатации путем мониторинга структурных нагрузок, температуры, содержания влаги, грибков гниения, тепловых потерь или тепла, а также потерь кондиционированного воздуха. Однако в настоящее время исследования в этих областях ограничены.

Благодаря своему естественному происхождению древесина занимает лидирующие позиции в междисциплинарных исследованиях и методах моделирования. Компания BASF разработала покрытие с высокой водоотталкивающей способностью, основанное на свойствах листа лотоса в результате включения наночастиц диоксида кремния и алюминия и гидрофобных полимеров. Механические исследования костей были адаптированы к моделированию древесины, например, в процессе сушки.^[25]

Стекло

В настоящее время проводятся исследования по применению нанотехнологий к стеклу, еще одному важному материалу в строительстве. Диоксид титана (TiO₂) наночастицы используются для покрытия стекол, так как они обладают стерилизующими и противообрастающими свойствами. Частицы катализируют мощные реакции, разрушающие органические загрязнители, летучие органические соединения и бактериальные мембраны. TiO₂ является гидрофильным (притяжение к воде), может притягивать капли дождя, которые затем смывают частицы грязи. Таким образом, внедрение нанотехнологий в стекольную промышленность включает самоочищающиеся свойства стекла.^[24]

Огнезащитное стекло - еще одно применение нанотехнологий. Это достигается за счет использования прозрачного вспучивающегося слоя, зажатого между стеклянными панелями (промежуточный слой), образованного наночастицами кремнезема (SiO₂), который при нагревании превращается в жесткий и непрозрачный противопожарный щит. Большая часть стекла в строительстве находится на внешней поверхности зданий. Таким образом, нельзя допускать попадания света и тепла в здание через стекло. Нанотехнология может обеспечить лучшее решение для блокировки света и тепла, проникающих через окна.^[24]

Покрытия

Покрытия - важная область в строительстве. Покрытия широко используются для окраски стен, дверей и окон. Покрытия должны обеспечивать защитный слой, связанный с основным материалом, для создания поверхности с желаемыми защитными или функциональными свойствами. Покрытия должны обладать способностью к самовосстановлению за счет процесса «самосборки». Нанотехнология применяется к краскам для получения покрытий, обладающих способностью к самовосстановлению и защитой от коррозии под изоляцией. Поскольку эти покрытия гидрофобны и отталкивают воду от металлической трубы, а также могут защитить металл от воздействия соленой воды.^[24]

Системы на основе наночастиц могут обеспечить лучшую адгезию и прозрачность. TiO₂ Покрытие улавливает и разрушает органические и неорганические загрязнители воздуха с помощью фотокаталитического процесса, что приводит к тому, что дороги используются с пользой для окружающей среды.^[24]

Пожарная защита и обнаружение

Огнестойкость стальных конструкций часто обеспечивается покрытием, нанесенным методом напыления на цемент. Наноцемент может создать новую парадигму в этой области применения, поскольку полученный материал можно использовать в качестве прочного, долговечного высокотемпературного покрытия. Это хороший метод повышения огнестойкости и более дешевый вариант, чем обычная изоляция.^[24]

Риски в строительстве

В строительстве широко используются наноматериалы - от самоочищающихся окон до гибких солнечных панелей и краски, блокирующей Wi-Fi. Самовосстанавливающийся бетон, материалы для защиты от ультрафиолетового и инфракрасного излучения, покрытия, поглощающие смог, а также светоизлучающие стены и потолки - это новые наноматериалы в строительстве. Нанотехнологии обещают сделать «умный дом» реальностью. Датчики с поддержкой нанотехнологий могут контролировать температуру, влажность и переносимые по воздуху токсины, для чего нужны улучшенные батареи на основе нанотехнологий. Компоненты здания будут интеллектуальными и интерактивными, поскольку датчик использует беспроводные компоненты, он может собирать широкий спектр данных.^[24]

Если наносенсоры и наноматериалы станут повседневной частью зданий, как с умные дома, каковы последствия этих материалов для людей?^[24]

1. Влияние наночастиц на здоровье и окружающую среду: наночастицы также могут попадать в организм, если водоснабжение здания фильтруется через имеющиеся в продаже нанофильтры. Наночастицы в воздухе и в воде попадают из систем вентиляции и сточных вод.^[24]
2. Влияние наночастиц на социальные проблемы: поскольку датчики становятся обычным явлением, потеря конфиденциальности и автономии может возникнуть в результате взаимодействия пользователей со все более интеллектуальными компонентами здания.^[24]

Рекомендации

внешняя ссылка

• Обзор приложений нанотехнологий
• Проект по новым нанотехнологиям