14 纳米技术的不熟悉用途 |优点和应用
“纳米技术”一词最早由谷口纪夫教授于 1974 年创造。他描述的是表现出纳米级特性控制的半导体工艺。
一纳米有多小？人的头发大约有 50 微米宽。一纳米是头发宽度的五万分之一。
现代纳米技术始于 1981 年，当时科学家们开发了扫描隧道显微镜来“看到”单个原子。
究竟什么是纳米技术？
纳米技术是在纳米尺度上进行的科学、技术和工程，介于 1 和 100 纳米之间。这可能是一个复杂的话题，每天都有新发现。
纳米技术可以提供对材料和设备的前所未有的见解，并可能影响各个领域，包括器件物理、材料科学、超分子化学、胶体科学以及电气和机械工程。
通过提供对纳米技术应用的清晰简洁的解释，可以更好地解释该主题。我们列出了纳米技术的一些不太受欢迎的用途及其优势，展示了它们如何实际影响我们的日常生活。
14。食品工业中的纳米技术
纳米技术在食品领域不同方面的作用|信用：前沿
在过去的二十年中，随着纳米颗粒在食品微生物学和食品科学的不同领域（包括食品加工、包装、安全、食源性病原体的鉴定和食品的保质期延长）中使用的需求不断增长，纳米技术的应用不断涌现。 .
例如，用于食品工业的纳米工程颗粒可最大限度地减少碳酸饮料中的二氧化碳泄漏，减少脂肪并提高营养价值。它们还能保持水分流出并控制细菌的生长以保持食物新鲜。
智能包装技术与纳米传感器相结合，可以检测受污染的食物以及细菌和农药的存在。
今天，纳米级成分被用于改善食物的风味、质地和颜色。二氧化钛、二氧化硅、无定形二氧化硅纳米粒子用作食品添加剂。
在食品工业中，由于纳米颗粒具有新颖独特的特性，因此预计其商业应用将以显着的速度增长。因此，人类对纳米粒子的接触将继续增加，其相关的健康影响仍将是公众关注的主要问题。
13。分子通讯
纳米机器是功能齐全的设备，可以执行许多任务，例如驱动、传感、存储数据和计算。为了更有效和高效，这些机器应该以网络的形式互连。
分子通信是纳米通信网络中的范式，它使用分子在纳米机器之间进行通信。这些系统利用特定类型分子的存在与否来对数据进行数字编码。
它的工作原理是将分子输送到介质（如水或空气）中进行传输。通信信号需要很少的能量并且可以制成生物相容的。此外，该技术不依赖于特定尺寸的天线。
由于分子通讯受到生物材料间通讯的启发，因此在生物医学和环境方面具有广泛的应用。
例如，人体内部的纳米通信可以有多种健康应用，如组织工程、增强免疫系统、脑机接口和靶向给药。
科学家们目前正在研究生物纳米机器之间端到端通信的模型。
阅读：首个脑对脑接口让 3 个人直接向彼此的头脑分享想法
12。生长神经细胞
图片来源：Sebastian Kaulitzki/Shutterstock
在体内再生神经细胞的能力可以显着降低创伤和疾病的影响。科学家们正在研究纳米技术以改善神经细胞的再生。
他们展示了如何使用磁性纳米粒子产生机械张力以刺激轴突（或神经纤维）的伸长。他们还描述了排列的纳米纤维如何提供生物活性基质，神经细胞可以在其中再生。
阅读：新型医疗设备利用磁场加速肌肉恢复
多项研究证明，碳纳米管促进神经元的充分生长和新突触的形成。然而，这种增长不是不分青红皂白的和无限的。
11。更好的太阳能电池板
随着全球对绿色能源的兴趣不断增加，科学家们不断研究提高太阳能电池效率的方法。在过去几年中，纳米技术的多项进步已被集成到太阳能电池板中，以提高效率，同时降低其制造和安装成本。
特别是硅纳米颗粒已被证明是有用的：它们具有低堆积密度、活性表面状态和独特的光致发光特性。因此，这些纳米颗粒还被用于集成半导体、发光显示器件、太阳能电池和锂离子电池。
与传统太阳能电池相比，基于石墨烯的太阳能电池的最新进展导致反射率降低 20%，能量转换至少提高 40%。
阅读：金纳米粒子可以增强太阳能存储
10.纳米艺术
Jonty Hurwitz 创作的纳米雕塑
由于“纳米艺术”，科学家正在成为艺术家。这是在分子和原子尺度上完成的艺术品。它描绘了实验室电子显微镜观察到的天然或合成纳米结构。
为了创造纳米艺术，科学家们首先分析分子和原子的纹理，捕捉它们的显微图像，然后调整所得图像以制作出独特的艺术品。此类艺术的目标之一是让人们熟悉有用的微小物体及其合成方面的进步。
2015 年，Jonty Hurwitz 开发了一种使用摄影测量和多光子光刻技术生成纳米雕塑的新方法。 Hurwitz 是一位富有创造力的艺术家，他现在以使用纳米技术建造的最小的人类形式而闻名。
9.医学诊断与治疗
基于纳米技术的诊断方法可以提供两大好处 –
- 快速检测，可让医生在一天内进行诊断检测并开始治疗。
- 早期发现严重疾病，可以帮助医生更早地阻止疾病，减少对患者的伤害。
例如，科学家们正在开发一种名为 NanoFlares 的纳米粒子来检测血液中的癌细胞。这些纳米颗粒旨在与癌细胞中的基因靶标结合，并在发现该特定靶标时产生荧光信号。
另一个很好的例子是可以识别单个病毒颗粒的纳米孔传感器。纳米孔传感器与人工智能技术相结合，可以提供快速的病毒检测点。
该技术还可用于对抗感染：研究人员开发了一种导管敷料原型，其中包含六偏磷酸氯己定纳米颗粒。它可以抑制细菌的生长并减少伤口定植。在不久的将来，这些类型的分子可用于伤口护理材料以控制感染。
阅读：新药胶囊可输送胰岛素并替代注射剂
8.提高燃料可用性
纳米技术可以通过不同方式解决化石燃料（汽油和柴油）的短缺问题 –
- 它可以增加发动机的行驶里程。
- 它可以高效、经济地使用传统原材料生产燃料。
纳米材料具有催化活性、耐久性、稳定性、高结晶度和高效储存等独特性质，是众多生物燃料系统的绝佳候选材料，有助于优化整个系统。
纳米技术与气化、热解、厌氧消化、酯交换和氢化相结合已被证明是经济有效的，但仍主要限于实验室和小规模。它们很快（可能在未来三年内）以商业规模取代传统系统。
几种金属氧化物纳米催化剂，包括氧化钙、钛、氧化锶和氧化镁，已被创造出来，具有用于生产生物柴油的高催化性能。碳基纳米催化剂还具有利用各种原料生产生物柴油的巨大潜力。
阅读：新型催化反应器将温室气体转化为工业燃料
7.显示器和光电设备
量子点从紫色逐渐渐变为深红色 |维基共享资源
硅纳米线和碳纳米管使开发低能耗显示器成为可能。由于这些纳米结构具有高导电性，因此它们可以以前所未有的效率用于场发射显示器。
在 OLED 中，纳米材料和纳米制造技术用于制造透明电极和封装 OLED，以保护它们免受外部损坏（例如水）。
科学家们已成功开发出几纳米的石墨烯作为透明导体，这为廉价、灵活的 OLED 铺平了道路。有机发光晶体管（OLED 的替代品）可以为有机光电子学打开新的大门，并作为解决激子猝灭和光子损失等基本光子问题的试验平台。
阅读：研究人员为大型柔性显示屏创造最小的像素
量子点——几纳米大小的微小半导体颗粒——既具有电活性（电致发光）又具有光活性（光致发光）。其独特的物理特性使其成为下一代显示器的有前途的材料。
与OLED和有机发光材料相比，基于量子点的材料具有更长的寿命、更纯的色彩、更低的功耗和制造成本。
6.计算和内存存储
纳米半导体制造工艺进展
使用纳米电子学，计算机处理器可以比传统的半导体制造方法更强大。科学家们目前正在研究多种技术——包括新型纳米光刻技术——以及使用纳米材料（如小分子和纳米线）代替传统 CMOS 组件的方法。
他们已经能够利用异质结构半导体纳米线和半导体碳纳米管开发场效应晶体管。
科技巨头于 2010 年代初开始生产纳米电子存储器。 2013年，三星生产了10纳米多级单元NAND闪存。 2017年台积电采用7纳米工艺生产SRAM存储器。
阅读：新型计算机内存可替代现有 RAM 和闪存驱动器
5.量子纳米科学
量子纳米科学是指利用量子力学探索工程纳米结构中相干量子效应的物理科学和纳米技术的一个分支。
近年来，由于对实现量子计算机的研究不断增加，量子具有了新的意义。今天，量子力学现象——如量子相干、叠加和纠缠——都是在纳米尺度上设计的。
该领域的应用包括量子计算、量子模拟器、量子通信和量子传感。
阅读：关于量子计算机的 18 个最有趣的事实
4.快速充电的智能手机和电动汽车
最近，大量的努力集中在开发纳米结构的电极材料上，这可以改进最先进的储能系统，如锂离子电池。
一些研究人员提出了可用作超级电容器的二维过渡金属二硫属化物。该材料体积小，电子转移速度更快，从而实现更快的充电和放电。它是由纳米粗线制成，带有二维材料外壳涂层。
有很多这样的例子。一家名为 StoreDot 的以色列公司生产的纳米材料（与专有有机化合物结合）有可能成为智能手机、电动汽车和家用电器等各个行业的终极快速充电标准。
它们将能量密度和快速充电的独特结合为下一代闪光灯电池打开了新的大门。据该公司称，他们的智能手机电池和电动汽车闪光灯电池（由不可燃的有机化合物制成）可以分别在 60 秒和 5 分钟（提供 300 英里的范围）内充电。
3.纳米涂层和纳米结构表面
疏水纳米涂层
如今，以原子或纳米级控制厚度的涂层已变得很普遍。最近的应用包括催化破坏化学试剂的纳米颗粒氧化物涂层，以及设计为抗菌和防水的自清洁窗户（涂有活性二氧化钛）。
纳米级中间层提供了卓越的粘合和热弹性性能的分级匹配，从而增强了粘合力。这些类型的层还改善了耐磨和耐刮擦的硬涂层。
此外，纳米级孔隙率控制的改进使纺织品变得更好：它使防水、透气、防污织物成为可能。
阅读：防水表面可以在保持凉爽的同时有效地煮水
2.太空探索
图片来源：美国宇航局
纳米技术可以使太空飞行更加实用。纳米材料的最新进展帮助工程师制造了轻型航天器，并减少了将火箭送入太空所需的燃料量。
新材料与纳米机器人和纳米传感器相结合，可以进一步提高空间探测器和宇航服的性能。科学家们正在采用碳纳米管基材料来减轻航天器的重量，同时保持其结构强度。
这些碳纳米管可以使轻型太阳能电池使用阳光压力（太阳能电池上的光反射）来推动太空探测器。这在行星际任务期间可以节省更多燃料。此外，机载纳米传感器可以监测空间站中痕量化学物质的水平，以分析生命支持系统的性能。
1.更好的空气和水质
纳米技术正以两种主要方式用于减少空气污染。
- 催化剂——目前正在使用中，并定期得到改进。
- 纳米结构膜——目前正在开发中。
由纳米颗粒制成的催化剂用于将工厂和车辆逸出的蒸汽有效转化为无害气体。
另一方面，纳米结构膜可用于从工业工厂废气流中分离二氧化碳。目标是开发一种无需昂贵改造即可在所有类型的发电厂中实施的技术。
同样，纳米技术也被用于解决三大水质问题。
- 去除地下水中的工业水污染。
- 去除水中的盐分或金属。
- 改进标准过滤器以有效消除病毒细胞。
在第一种情况下，纳米粒子将污染的化学物质转化为无害的溶液。这是一种成本低廉的工艺，可用于处理分散在地下池塘中的污染物。
阅读：新型过滤技术可提高废水净化效果，使其更加节能
对于第二个问题，基于纳米纤维电极的去离子技术有望降低将盐水转化为饮用水的能源需求和成本。在第三种情况下，只有几纳米宽的过滤器用于去除水中的病毒细胞。
工业技术