14 unbekannte Anwendungen der Nanotechnologie | Vorteile und Anwendungen

Der Begriff „Nanotechnologie“ wurde erstmals 1974 von Professor Norio Taniguchi geprägt. Er beschrieb Halbleiterprozesse, die eine charakteristische Kontrolle in der Größenordnung eines Nanometers aufweisen.

Wie klein ist ein Nanometer? Das menschliche Haar ist ungefähr 50 Mikrometer breit. Ein Nanometer entspricht dem 50.000stel einer Haarbreite.

Die moderne Nanotechnologie begann 1981, als Wissenschaftler das Rastertunnelmikroskop entwickelten, um einzelne Atome zu „sehen“.

Was genau ist Nanotechnologie?

Nanotechnologie ist Wissenschaft, Technologie und Ingenieurwesen auf der Nanoskala zwischen 1 und 100 Nanometern. Es kann ein kompliziertes Thema sein, bei dem jeden Tag neue Entdeckungen gemacht werden.

Die Nanotechnologie kann beispiellose Einblicke in Materialien und Ausrüstung bieten und wird sich wahrscheinlich auf verschiedene Bereiche auswirken, darunter Gerätephysik, Materialwissenschaften, supramolekulare Chemie, kolloidale Wissenschaft sowie Elektro- und Maschinenbau.

Das Thema kann durch klare und prägnante Erläuterungen zu nanotechnologischen Anwendungen besser erklärt werden. Wir haben einige weniger beliebte Anwendungen der Nanotechnologie und ihre Vorteile aufgelistet und zeigen, wie sie sich tatsächlich auf unser tägliches Leben auswirken.

14. Nanotechnologie in der Lebensmittelindustrie

Rolle der Nanotechnologie in verschiedenen Aspekten des Lebensmittelsektors | Credit:Frontiers 

In den letzten zwei Jahrzehnten sind Nanotechnologieanwendungen mit dem wachsenden Bedarf an Nanopartikelanwendungen in verschiedenen Bereichen der Lebensmittelmikrobiologie und Lebensmittelwissenschaft entstanden, einschließlich Lebensmittelverarbeitung, Verpackung, Sicherheit, Identifizierung von lebensmittelbedingten Krankheitserregern und Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln .

Nanotechnologische Partikel, die beispielsweise in der Lebensmittelindustrie verwendet werden, minimieren den Kohlendioxidaustritt in kohlensäurehaltigen Getränken, reduzieren Fett und erhöhen den Nährwert. Sie halten auch den Feuchtigkeitsabfluss aufrecht und kontrollieren das Wachstum von Bakterien, um Lebensmittel frisch zu halten.

Intelligente Verpackungstechniken in Kombination mit nanoskaligen Sensoren ermöglichen die Erkennung kontaminierter Lebensmittel und das Vorhandensein von Bakterien und Pestiziden.

Heutzutage werden nanoskalige Zutaten verwendet, um den Geschmack, die Textur und die Farbe von Lebensmitteln zu verbessern. Die Nanopartikel von Titandioxid, Siliziumdioxid und amorphem Siliziumdioxid werden als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet.

In der Lebensmittelindustrie wird erwartet, dass die kommerziellen Anwendungen von Nanopartikeln aufgrund ihrer neuartigen und einzigartigen Eigenschaften stark zunehmen werden. Daher wird die Exposition des Menschen gegenüber Nanopartikeln weiter zunehmen, und die damit verbundenen gesundheitlichen Auswirkungen werden weiterhin ein Hauptanliegen der Öffentlichkeit sein.

13. Molekulare Kommunikation

Nanomaschinen sind voll funktionsfähige Geräte, die zahlreiche Aufgaben wie Betätigung, Erfassung, Speicherung von Daten und Computer ausführen können. Um effektiver und effizienter zu sein, sollten diese Maschinen in Form eines Netzwerks miteinander verbunden werden.

Molekulare Kommunikation ist das Paradigma in Nanokommunikationsnetzwerken, die Moleküle für die Kommunikation zwischen Nanomaschinen verwenden. Diese Systeme nutzen das Fehlen oder Vorhandensein eines bestimmten Molekültyps, um Daten digital zu kodieren.

Es funktioniert, indem es Moleküle zur Übertragung in ein Medium (wie Wasser oder Luft) liefert. Die Kommunikationssignale benötigen wenig Energie und können biokompatibel gemacht werden. Außerdem ist diese Technik nicht auf Antennen einer bestimmten Größe angewiesen.

Da die molekulare Kommunikation von der Kommunikation zwischen biologischen Materialien inspiriert ist, bietet sie eine breite Palette von biomedizinischen und umweltbezogenen Anwendungen.

Die Nanokommunikation im menschlichen Körper kann beispielsweise verschiedene Gesundheitsanwendungen haben, wie z. B. Gewebezüchtung, verbessertes Immunsystem, Gehirn-Maschine-Schnittstelle und gezielte Medikamentenabgabe.

Wissenschaftler arbeiten derzeit an Modellen für eine durchgängige Kommunikation zwischen Bio-Nano-Maschinen.

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12. Wachsende Nervenzellen

Bildnachweis:Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

Die Fähigkeit, Nervenzellen im Körper zu regenerieren, könnte die Auswirkungen von Traumata und Krankheiten deutlich verringern. Wissenschaftler arbeiten an Nanotechnologie, um die Regeneration von Nervenzellen zu verbessern.

Sie haben gezeigt, wie magnetische Nanopartikel verwendet werden können, um mechanische Spannungen zu erzeugen, um die Verlängerung von Axonen (oder Nervenfasern) zu stimulieren. Sie haben auch beschrieben, wie ausgerichtete Nanofasern eine bioaktive Matrix bereitstellen können, in der sich Nervenzellen regenerieren können.

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Mehrere Studien haben bewiesen, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen das vollständige Wachstum von Neuronen und die Bildung neuer Synapsen ermöglichen. Dieses Wachstum ist jedoch nicht wahllos und unbegrenzt.

11. Bessere Sonnenkollektoren

Da das weltweite Interesse an grüner Energie weiter zunimmt, haben Wissenschaftler weiterhin Möglichkeiten untersucht, die Effizienz von Solarzellen zu verbessern. In den letzten Jahren wurden mehrere Fortschritte in der Nanotechnologie in Solarmodule integriert, um die Effizienz zu verbessern und gleichzeitig die Herstellungs- und Installationskosten zu senken.

Insbesondere Silizium-Nanopartikel haben sich als nützlich erwiesen:Sie haben eine geringe Schüttdichte, einen aktiven Oberflächenzustand und einzigartige photolumineszierende Eigenschaften. Daher werden diese Nanopartikel auch in integrierten Halbleitern, Lumineszenzanzeigegeräten, Solarzellen und Lithium-Ionen-Batterien verwendet.

Jüngste Fortschritte bei Solarzellen auf Graphenbasis haben im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen zu 20 % weniger Reflexion und mindestens 40 % mehr Energieumwandlung geführt.

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10. NanoArt

Eine Nanoskulptur von Jonty Hurwitz

Wissenschaftler werden dank „NanoArt“ zu Künstlern. Es ist ein Kunstwerk auf molekularer und atomarer Ebene. Es zeigt natürliche oder synthetische Nanostrukturen, die in Labors mit Elektronenmikroskopen beobachtet werden.

Um eine Nanokunst zu schaffen, analysieren Wissenschaftler zunächst die Texturen von Molekülen und Atomen, nehmen mikroskopische Bilder davon auf und stimmen das resultierende Bild ab, um ein einzigartiges Kunstwerk zu produzieren. Eines der Ziele solcher Künste ist es, Menschen mit nützlichen kleinen Objekten und Fortschritten in ihrer Synthese vertraut zu machen.

2015 entwickelte Jonty Hurwitz eine neue Methode zur Erzeugung von Nanoskulpturen mittels Photogrammetrie und Multiphotonenlithographie. Hurwitz ist ein kreativer Künstler, der heute für die kleinste menschliche Form bekannt ist, die jemals mit Nanotechnologie gebaut wurde.

9. Medizinische Diagnostik und Behandlung

Nanotech-basierte Diagnosemethoden können zwei große Vorteile bieten –

• Schnelltest, mit dem Ärzte möglicherweise innerhalb eines Tages diagnostische Tests durchführen und mit der Behandlung beginnen können.
• Erkennung schwerwiegender Krankheiten in früheren Stadien, die Ärzten helfen können, Krankheiten früher zu stoppen und den Patienten weniger zu schädigen.

Wissenschaftler entwickeln beispielsweise Nanopartikel namens NanoFlares, um Krebszellen im Blutkreislauf zu erkennen. Diese Nanopartikel wurden entwickelt, um an genetische Ziele in Krebszellen zu binden und ein Fluoreszenzsignal zu erzeugen, wenn dieses bestimmte Ziel gefunden wird.

Ein weiteres gutes Beispiel sind Nanoporen-Sensoren, die einzelne Viruspartikel identifizieren können. Nanoporen-Sensoren in Kombination mit Techniken der künstlichen Intelligenz können eine schnelle Erkennung von Viren am Einsatzort ermöglichen.

Auch Infektionen lassen sich mit der Technologie bekämpfen:Forscher haben einen Prototypen für einen Katheterverband entwickelt, der Nanopartikel von Chlorhexidinhexametaphosphat enthält. Es kann das Wachstum von Bakterien hemmen und die Wundbesiedelung verringern. In naher Zukunft könnten diese Arten von Molekülen in Wundversorgungsmaterialien verwendet werden, um Infektionen zu kontrollieren.

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8. Verbesserung der Kraftstoffverfügbarkeit

Nanotechnologie kann den Mangel an fossilen Brennstoffen (Benzin und Diesel) auf unterschiedliche Weise angehen –

• Es kann die Laufleistung von Motoren erhöhen.
• Es kann effizient und wirtschaftlich Kraftstoffe aus konventionellen Rohstoffen herstellen.

Nanomaterialien sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie katalytische Aktivität, Haltbarkeit, Stabilität, der hohen Kristallinität und effizienten Speicherung außergewöhnliche Kandidaten für zahlreiche Biokraftstoffsysteme, die gemeinsam zur Optimierung des Gesamtsystems beitragen könnten.

Nanotechnologie in Kombination mit Vergasung, Pyrolyse, anaerober Vergärung, Umesterung und Hydrierung hat sich als wirtschaftlich und effizient erwiesen, ist jedoch immer noch meist auf Labore und kleinen Maßstab beschränkt. Sie werden bald (wahrscheinlich in den nächsten drei Jahrzehnten) traditionelle Systeme im kommerziellen Maßstab ersetzen.

Mehrere Metalloxid-Nanokatalysatoren, darunter Calciumoxid, Titan, Strontiumoxid und Magnesiumoxid, wurden mit einer hohen katalytischen Leistung zur Herstellung von Biodiesel entwickelt. Auch kohlenstoffbasierte Nanokatalysatoren bergen großes Potenzial für die Biodieselproduktion aus verschiedenen Rohstoffen.

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7. Displays und optoelektronische Geräte

Quantenpunkte mit stufenweiser Emission von Violett zu Dunkelrot | Wikimedia Commons

Silizium-Nanodrähte und Kohlenstoff-Nanoröhrchen ermöglichen die Entwicklung von Displays mit niedrigem Energieverbrauch. Da diese Nanostrukturen hochleitfähig sind, können sie mit beispielloser Effizienz in Feldemissionsdisplays verwendet werden.

In OLEDs werden Nanomaterialien und Nanofabrikationstechniken verwendet, um transparente Elektroden herzustellen und OLEDs zu verpacken, um sie vor äußeren Schäden (wie Wasser) zu schützen.

Wissenschaftlern ist es gelungen, wenige Nanometer Graphen als transparente Leitung zu entwickeln, die den Weg für kostengünstige, flexible OLEDs ebnete.

Organische lichtemittierende Transistoren (eine Alternative zu OLEDs) könnten neue Türen in der organischen Optoelektronik öffnen und als Testumgebungen dienen, um grundlegende photonische Probleme wie Exzitonenlöschung und Photonenverlust anzugehen.

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Quantum Dots – winzige Halbleiterpartikel mit einer Größe von wenigen Nanometern – sind sowohl elektroaktiv (elektrolumineszierend) als auch photoaktiv (photolumineszierend). Seine einzigartigen physikalischen Eigenschaften machen es zu einem vielversprechenden Material für Displays der nächsten Generation.

Im Vergleich zu OLEDs und organischen Lumineszenzmaterialien haben Materialien auf Quantenpunktbasis eine längere Lebensdauer, reinere Farben und einen geringeren Stromverbrauch und geringere Herstellungskosten.

6. Computer und Speicher

Fortschritt des Herstellungsprozesses von Nanometer-Halbleitern 

Mit Nanoelektronik können Computerprozessoren leistungsfähiger gemacht werden, als dies mit herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren möglich ist. Wissenschaftler untersuchen derzeit eine Reihe von Techniken – einschließlich neuer Arten der Nanolithographie – und Möglichkeiten, Nanomaterialien wie kleine Moleküle und Nanodrähte anstelle herkömmlicher CMOS-Komponenten zu verwenden.

Sie konnten Feldeffekttransistoren mit heterostrukturierten Halbleiter-Nanodrähten und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren entwickeln.

Technologiegiganten begannen Anfang der 2010er Jahre mit der Produktion nanoelektronischer Speicher. Im Jahr 2013 produzierte Samsung einen 10-Nanometer-Multi-Level-Cell-NAND-Flash-Speicher. 2017 stellte die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company SRAM-Speicher in einem 7-Nanometer-Prozess her.

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5. Quanten-Nanowissenschaften

Quantennanowissenschaft bezieht sich auf den Zweig der Physik und Nanotechnologie, der die Quantenmechanik nutzt, um kohärente Quanteneffekte in konstruierten Nanostrukturen zu erforschen.

In den letzten Jahren hat Quanten durch die zunehmende Forschung zur Realisierung von Quantencomputern eine neue Bedeutung bekommen. Heutzutage werden quantenmechanische Phänomene – wie Quantenkohärenz, Superposition und Verschränkung – im Nanomaßstab erzeugt.

Zu den Anwendungen in diesem Bereich gehören Quantencomputer, Quantensimulator, Quantenkommunikation und Quantensensorik.

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4. Schnellladefähige Smartphones und Elektrofahrzeuge

In letzter Zeit konzentrierten sich wesentliche Bemühungen auf die Entwicklung nanostrukturierter Elektrodenmaterialien, die hochmoderne Energiespeichersysteme wie Lithium-Ionen-Batterien verbessern könnten.

Einige Forscher haben zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide entwickelt, die als Superkondensatoren verwendet werden können. Das Material ist klein und ermöglicht einen schnelleren Elektronentransfer, wodurch ein schnelleres Laden und Entladen ermöglicht wird. Es besteht aus nanometerdicken Drähten mit 2D-Materialschalenbeschichtung.

Solche Beispiele gibt es genug. Ein in Israel ansässiges Unternehmen namens StoreDot stellt Nanomaterialien her, die (in Kombination mit proprietären organischen Verbindungen) das Potenzial haben, der ultimative Schnellladestandard in verschiedenen Branchen zu werden, darunter Smartphones, Elektrofahrzeuge und Haushaltsgeräte.

Ihre einzigartige Kombination aus Energiedichte und Schnellladung hat der nächsten Generation von Flash-Akkus neue Türen geöffnet. Nach Angaben des Unternehmens können ihre Smartphone-Batterien und Elektrofahrzeug-Blitzbatterien (aus nicht brennbaren, organischen Verbindungen hergestellt) in 60 Sekunden bzw. 5 Minuten (mit einer Reichweite von 300 Meilen) aufgeladen werden.

3. Nanobeschichtung und nanostrukturierte Oberflächen

Hydrophobe Nanobeschichtung 

Beschichtungen mit einer auf atomarer oder nanoskaliger Ebene kontrollierten Dicke sind heutzutage üblich geworden. Zu den jüngsten Anwendungen gehören nanopartikuläre Oxidbeschichtungen, die chemische Mittel katalytisch zerstören, und selbstreinigende Fenster (mit aktiviertem Titandioxid beschichtet), die antibakteriell und wasserabweisend sind.

Die nanoskaligen Zwischenschichten sorgen für eine hervorragende Haftung und eine abgestufte Abstimmung von thermischen und elastischen Eigenschaften und verbessern so die Haftung. Diese Art von Schichten verbessern auch verschleiß- und kratzfeste Hartbeschichtungen.

Darüber hinaus hat die verbesserte Porositätskontrolle im Nanobereich Textilien viel besser gemacht:Sie hat wasserdichte, atmungsaktive und schmutzabweisende Stoffe ermöglicht.

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2. Weltraumforschung

Bildnachweis:NASA

Nanotechnologie kann die Raumfahrt praktischer machen. Jüngste Fortschritte bei Nanomaterialien haben Ingenieuren geholfen, leichte Raumschiffe zu bauen und die Menge an Treibstoff zu reduzieren, die zum Senden von Raketen in den Weltraum erforderlich ist.

Neue Materialkombinationen mit Nanorobotern und Nanosensoren können die Leistung von Raumsonden und Raumanzügen weiter verbessern. Wissenschaftler verwenden Materialien auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren, um das Gewicht des Raumfahrzeugs zu verringern und gleichzeitig seine strukturelle Festigkeit zu erhalten.

Diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen können leichte Solarzellen ermöglichen, die den Sonnenlichtdruck (Lichtreflexion an den Solarzellen) nutzen, um die Raumsonde anzutreiben. Das spart mehr Treibstoff bei interplanetaren Missionen. Darüber hinaus können Nanosensoren an Bord den Gehalt an Spurenchemikalien in der Raumstation überwachen, um die Leistung von Lebenserhaltungssystemen zu analysieren.

1. Bessere Luft- und Wasserqualität

Nanotechnologie wird in zweierlei Hinsicht zur Verringerung der Luftverschmutzung eingesetzt.

1. Katalysatoren – derzeit im Einsatz und werden regelmäßig verbessert.
2. Nanostrukturierte Membranen – derzeit in Entwicklung.

Katalysatoren aus Nanopartikeln werden eingesetzt, um aus Industrieanlagen und Fahrzeugen austretende Dämpfe effektiv in ungefährliche Gase umzuwandeln.

Nanostrukturierte Membranen hingegen können verwendet werden, um CO2 aus den Abgasströmen von Industrieanlagen abzutrennen. Ziel ist es, eine Technologie zu entwickeln, die ohne aufwendige Nachrüstung in alle Kraftwerkstypen implementiert werden kann.

In ähnlicher Weise wird die Nanotechnologie auch verwendet, um drei große Probleme der Wasserqualität anzugehen.

1. Entfernen Sie die Verschmutzung von Industriewasser aus dem Grundwasser.
2. Entferne Salz oder Metalle aus dem Wasser.
3. Verbessern Sie Standardfilter, um Viruszellen effektiv zu eliminieren.

Im ersten Fall verwandeln Nanopartikel kontaminierende Chemikalien in eine ungefährliche Lösung. Es ist ein kostengünstiges Verfahren, das verwendet werden kann, um in unterirdischen Teichen verteilte Verunreinigungen zu erreichen.

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Für das zweite Problem sind Entionisierungstechniken auf der Grundlage von Nanofaserelektroden vielversprechend, um den Energiebedarf und die Kosten für die Umwandlung von Salzwasser in Trinkwasser zu senken. Im dritten Fall werden nur wenige Nanometer breite Filter verwendet, um Viruszellen aus dem Wasser zu entfernen.