Aplicatii Ale Nanotehnologiilor

7/31/2019 Aplicatii Ale Nanotehnologiilor

1/22

Aplicatii ale nanotehnologiilor

Scris de MihaielaMiercuri, 08 Iunie 2011 21:28 - Ultima actualizare Miercuri, 08 Iunie 2011 22:30

III. APLICAII ALE NANOTEHNOLOGIILOR

III.1. Materiale textile

Nanotehnologia poate fi utilizat pentru a crea materiale textile cu performane superioare, fra le compromite calitile acestora referitoare la aspect, calitate sau confort. De exemplu,

nanomaterialele pot fi adugate esturilor pentru a le face rezistente la pete.

III.2. Celule solare

Utilizarea nanoparticulelor la fabricarea celulelor solare este benefic deoarece:

1 / 22


2/22



Pot reduce costurile de fabricare prin utilizarea unei tehnologii de temperatur sczut nlocul procesului de sedimentare/stratificare in vid la temperaturi inalte folosit pentru producerea

de celule conventionale realizate cu material semiconductor cristalin.

Pot reduce costurile de instalare prin producerea de role flexibile n loc de panouri rigidecristaline. n prezent, celulele solare disponibile n domeniul nanotehnologiei nu sunt la fel deeficiente ca i cele tradiionale. Cu toate acestea, costul lor redus compenseaz acestdezavantaj. n versiunile pe termen lung, att n domeniul nanotehnologiei ar trebui s fiecosturi mai mici i, folosind puncte cuantice , ar trebui s poat s ajung la niveluri mairidicate de eficien dect cele convenionale.

Celule solare sensibile la culoare: conversia luminii solare n energie electric la nivelmolecular.

Celule solare convenionale

Celulele solare convenionale bazate pe siliciu sunt construite prin plasarea cristalelor de naltpuritate un ul peste cellalt, ntr-o structur tip sandvi.

Avantaje:

Prezint eficien energetic bun

Dezavantaje:

2 / 22
http://www.i-sis.org.uk/QDAUESC.phphttp://www.i-sis.org.uk/QDAUESC.php


3/22



Sunt scumpe.

Necesit mult energie pentru producerea unei celule solare.

Absorb energie doar pentru un interval limitat.

Soluii:

1. Dezvoltarea de nanocristale de siliciu, proiectate pentru a absorbi mai mult energie solar

2. Abordri biomimetrice care imit procesul natural de fotosintez

Celule solare pe baz de pigmeni (Celule Grtzel)

Curentul se obine prin absorbie de lumin cu ajutorul unui pigment, utilizndu-se un semiconductor.

Semiconductorul nanostructurat are o suprafa intern imens pentru a maximiza absorbialuminii i a reduce dimensiunea celulei .

Lumina este captat mai degrab de pigment dect de matricea semi-conductoare. Aceasta nseamn c o gam spectral mai mare este utilizat n celul.

3 / 22


4/22



III.3. Crema cu protecie solar

Dioxidul de titan i confer cremei cu protecie solar ridicat aspectul alb. Nanoparticulele deoxizi de titan au proprietatea de protecie UV asemntoare cu materialul brut, dar pierd din

aspectul alb cnd mrimea particulelor este mai mic.

III.4. Suprafee cu proprietatea de auto-curare

4 / 22


5/22



Sticla cu proprietatea de auto-curare funcioneaz n dou moduri.

1. Procesul numit foto-cataliz reprezint aciunea luminii pe suprafaa de sticl, care practic"mnnc" murdria de pe suprafa.

2. Procesul cunoscut sub denumirea de hidrofilicitate. Acesta nseamn c sticla iubete apa,iar apa pluvial care intr n contact cu suprafaa va forma un film continuu care nlturmizeria.

Aceste dou procese sunt introduse cu ajutorul unui strat de dioxid de titan de pe suprafaaexterioar a sticlei. Dioxidul de titan este un pigment anorganic care este larg folosit ntr-o gamntreag de produse, iar n acest caz , acesta reprezint un strat foarte subire pe suprafaaexterioar a sticlei . Acesta are o grosime de aproximativ 25nm.

III.5. Stocarea energiei si Reducerea consumului de energie

5 / 22


6/22



Dispozitivele nanostructurate au potenialul de a servi ca baz pentru sistemele de energie degeneraie nou, care utilizeaz interfee dens ambalate si filme subiri. Cercetatorii au dezvoltatdin metal-izolator-metal nano-condensatori. Este posibil cuprinderea unui milion de astfel decondensatoare mici pe o suprafa de un centimetru ptrat. Utilizarea unor astfel decondensatoare n baterii i alte dispozitive de stocare a energiei ar putea crete enorm eficienai capacitatea unor astfel de dispozitive.

Consumul de energie poate fi redus prin diferite metode:

Materiale compozite (combinaia de nanomateriale cu materiale convenionale):

mbuntirea izolaiei termice.

Reducerea consumului de combustibil - ex. n sectorul transporturilor, reducerea maseivehiculului i a rezistenei la frecare .

Sisteme de nclzire i iluminare mbuntite

nlocuirea becurilor cu filament cu dispozitive de iluminat noi realizate cu ajutorul punctelorcuantice .

Baterii

6 / 22


7/22



Durat mai lung de via i mbuntirea performanelor bateriilor

Nanomaterialele, precum punctele cuantice (nanoparticule semiconductoare) pot fi utilizate n

dispozitive de iluminat noi cu consum sczut de energie

III.6. Nanoparticule de argint

De secole, argintul este utilizat pentru capacitatea sa de a distruge bacteriile - de la vechii

7 / 22


8/22



romani care tratau apa cu monede de argint, la NASA care folosete metalul pentru a purificaapa de la bordul navetei spaiale. Nanoparticulele de argint (Ag) sunt ncorporate n plasturiimedicinali, datorit capacitii lor de a inhiba transmiterea de virui.

III.7. Diagnostice

Cei care sufer de cancer pancreatic au o rat de supravieuire extrem de sczut (mai puin de5%, dup 5 ani), deoarece acesta este de obicei diagnosticat cnd se afl n stadiu avansat.

Oamenii de tiint au creat instrumente pentru diagnosticarea precoce a cancerului pancreaticprin ataarea unei molecule, care se leag n mod specific la celulele de cancer pancreatic lananoparticule de oxizi de fier, care sunt clar vizibile cu ajutorul tehnicii de imagistic medicalcare folosete un instrument numit MRI scanner.

III.8. Nanotehnologia n medicin

8 / 22


9/22



Nanotehnologia furnizeaz instrumente noi care sunt folosite pentru nelegerea, cercetarea itratarea bolilor.

Nanomaterialelor li se pot da funcionaliti biologice astfel nct s poat interaciona cucelulele i cu constituenii lor (proteinele, lipidele, ADN-ul etc.) ntr-un mod specific. Dacnanomaterialele au funcionaliti corecte, pot induce sau opri anumite reacii metabolice.

Nanomaterialele sunt deseori la fel de mari ca (sau mai mici dect) multe structuri i procese

biologice.

a) Tratarea bolilor

n mod tradiional, majoritatea medicamentelor sunt administrate fie oral, fie prin injectare.Acest lucru duce la unele probleme:

Efectele terapeutice pot fi reduse datorit timpului necesar pentru ca medicamentul s-i facefectul.

Injeciile pot fi dureroase, pot fi administrate cu dificultate, pot fi scumpe i chiar periculoase.

Obiectiv a crea un medicament care vizeaz exclusiv o boal, rapid i cu precizie, frefecte secundare.

Sistemele de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano pot fi:

9 / 22


10/22



Cu int specific, astfel nct celulele sntoase s nu fie lezate i s necesite mai puinemedicamente.

Cu eliberare prelungit (eliberate n mod continuu pentru a furniza tratament permanent).

Cum?

Majoritatea sistemelor de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano fie separmoleculele dintr-un suport polimeric biocompatibil, fie l ncapsuleaz ntr-un rezervor la scalnanometric.

b) Imagistica bolilor

Prin elaborare i sintez atent pot fi create nanoparticule multifuncionale care se leag nmod specific de anumite tipuri de specii din corp (de ex. celulele canceroase, colesterolul).Datorit faptului c nanoparticulele sunt create s fie vizibile prin tehnici de imagistic medical,ele pot fi folosite ca markeri sau taguri pentru a permite doctorilor s monitorizeze nivelul irspndirea bolii.

c) Repararea esuturilor lezate

Pot fi sintetizate noi materiale compozite biocompatibile care vor fi absorbite de corp pentru a

10 / 22


11/22



repara rana, de ex. prin folosirea materialelor nanoporoase i a polimerilor biocompatibili.

Aceast imagine la microscopul cu scanare electronic arat o structur-schem de hidrogel

(hydrogel scaffold) crescut pentru studiul ingineriei esutului cerebral i a regenerrii nervoase

(D Nisbet, Universitatea Monash, NISE Network, www.nisenet.org, autorizat n condiiile reelei

NISE).

d) Laboratoratoarele pe un cip i biosenzorii

Dispozitivele de diagnostic n miniatur sunt n curs de dezvoltare pentru a da un diagnosticprecis i rapid, prin prelevarea unei cantitati mici de lichid.

Eantioanele nu vor trebui s fie trimise la laborator pentru analiz, economisindu-se timp iresurse.

11 / 22


12/22



Dispozitivele de diagnostic miniaturizate includ biosenzorii, micromatricile (microarrays) idispozitivele numite laboratoare-pe-uncip (LOC), denumite i sisteme miniaturizate deanaliz total (TAS)

Laboratoare pe un cip

Laboratoare integrate miniaturizate care permit separarea i analiza eantioanelor biologicentr-un singur dispozitiv (de ex. sngele).

Sunt fabricate din sisteme microfluidice, care includ micropompe i microvalve, integrate cucomponente microelectronice. Dispozitivul mai poate integra unul sau mai muli senzori.

Nanotehnologia poate miniaturiza componentele i poate mbunti funcii specifice, de ex.prin folosirea electrozilor de mrime nanometric sau a membranelor nanoporoase.

Viziunea Theranostics

Nanotehnologia poate permite integrarea diagnosticului unei boli, imagistica, terapia irezultatul ntr-un singur proces cunoscut sub numele de theranostics

Medicamentele pot fi legate de nanoparticule (cum ar fi punctele cuantice) care sufer oschimbare a unei proprieti (cum ar fi schimbarea culorii) odat ce medicamentul i-a atins

inta.

12 / 22


13/22



mpreun cu un sistem lent de eliberare a intei, nanoparticulele ar putea s-i schimbe treptatculoarea n timp ce acioneaz, informnd astfel doctorii de progresul terapiei.

Un exemplu de theranostic este folosirea particulelor nanoshell de aur pentru imagistica itratarea celulelor canceroase n acelai timp.

b) Tehnologia de expunere, de ex. diodele organice care emit lumin(OLED-uri)

Fabricate prin folosirea straturilor subiri de molecule organice care pot fi depuse cu uurin peun substrat.

Avantaje

Consum mai puin energie dect ecranele LCD

Au o calitate bun a imaginii

Mult mai subiri i mai luminoase dect panourile LCD

Funcioneaz bine n lumina soarelui i n unghiuri diferite

13 / 22


14/22



Dezavantaje

Durat de funcionare mic datorit degradrii moleculare

Moleculele sunt sensibile la umiditate; necesit ambalare costisitoare

Create n mod curent pentru a necesita materiale scumpe pentru fabricarea electrozilor.

III.9. Armura pentru soldaii Robocop"

Rzboinicul bionic este deja un concept accesibil, care a fost popularizat de filmele SF. Totui,ceea ce i-a propus armata american e cat se poate de real. Conform proiectului Robocop",pan cel mai tarziu n anul 2020, toi soldaii vor fi mbrcai n armuri nanometrice", realizatedin materiale ce conin fibre din nanotuburi. Noile echipamente i vor apra de orice glon i deefectele devastatoare ale exploziilor. Pe corpul soldatului se vor afla peste o mie de senzorinanometrici, care vor sesiza n timp util apropierea unui glon sau a unui rapnel, iar apoi vor

comanda" costumului s se ntreasc" n zona probabil de impact.

14 / 22


15/22



Aceast tehnologie implic faptul c fiecare centimetru ptrat de material va conine senzori imecanisme de ntrire", prin repoziionarea nanotuburilor. Uniformele duale, care vor putea fialternativ flexibile ca orice panz sau mai rezistente decat kevlarul, vor putea trece dintr-o staren alta i la comanda verbal a purttorului. i asta nu e tot. Acelai material va putea imitaculorile mediului atat de bine ncat, n cateva fraciuni de secund, soldatul va deveni aproapeinvizibil de la distan.

Casca protectoare a capului va fi chiar mai rezistent decat hainele i, n plus, va fi dotat cusisteme de extindere a acuitii vizuale i auditive, plus un translator automat al cuvintelor,rostite de militar n limba englez, n orice limb vorbit pe Terra. Dac adugm sistemele denight-vision, cu infraroii, e limpede c vom avea de-a face cu un veritabil robot miniatural.Toat aparatura va fi realizat cu ajutorul nanotehnologiei, pentru ca, n ciuda complexitii

tehnice, casca s rman uoar i confortabil.

III.10. Arme

Mitraliere cu patru evi i sistem de ghidare prin laser, realizate din nanotuburi, care folosescmuniie de mai multe tipuri

15 / 22


16/22



III.11. Camuflaj

Materialul din nanofibre al uniformei se va colora precum mediul ambiant, iar soldatul va deveniinvizibil de la distane mari.

III.12. Supra-oameni

Exoscheletul pe care este construit costumul are articulaii pneumatice care vor accelera mersulmilitarului i i vor permite acestuia s ridice i s transporte cu uurin greuti foarte mari,muchii suportand doar 10% din efortul necesar.

16 / 22


17/22



III.13. Casc

Dotat cu vedere stereoscopic i night-vision, casca este capabil s proiecteze informaii ischeme pe interiorul vizorului. Acesta nu poate fi penetrat de gloane.

III.14. Haine inteligente

Hainele sunt prevzute cu senzori care estimeaz zona unde va lovi glonul i apoi, cu ajutorulunui mecanism special, reorienteaz nanotuburile, devenind mai rezistente decat Kevlarul nlocul vizat.

Nanotuburile pot fi incluse n esturile obinuite. Singura problem e c, o vreme, vor costacam mult. Deja exist materiale realizate cu nanotuburi, care cost 10.000 de dolari metrul.Este vorba de esturi de mtase acoperite cu nanofibre ce conin aur, care arat exact ca o

estur fcut din fir de aur, dar are toate calitile mtsii. i fibra de bumbac poate fiacoperit cu nanotuburi din argint, prin simpla atracie dintre sarcinile pozitive ale bumbacului i

17 / 22


18/22



ionii negativi de argint.

De ce esturi cu argint? Pentru c acest metal are reale caliti antibacteriene i antivirotice,fiind capabil s curee inclusiv aerul care trece printr-o astfel de estur. Prezenananotuburilor de argint nu va permite murdrirea materialului, pentru c de el nu se va puteaaga" nicio celul moart de piele, niciun fir de praf, nicio bacterie i nici mcar un virus.

De pete nici nu va mai fi vorba! Cei care au realizat acest material spun c el nu trebuieneaprat s aib aparen metalic, aspectul fiind dual, prin poziionarea diferit a fibrelor dinnanotuburi. Toate casele vor avea n curand perdele cu nanotuburi de argint, care vor ionizaaerul i vor reduce poluarea pan aproape de zero.

III.15. Cucerirea spaiului cosmic cu ajutorul roboilor minusculi

Pentru fiecare 100 de nanocomputere va fi lansat i cate unul capabil s funcioneze ca server,care le va coordona pe celelalte i va transmite, prin unde radio, informaii ctre PmantUn grup

de cercettori de la Universitatea din Glasgow a reuit s construiasc nite dispozitivenanometrice, dotate cu aparatur foarte sofisticat, care pot transmite prin unde radio informaii

18 / 22


19/22



meteo i audio-video la distane comparabile cu distana dintre Pmant i celelalte planete aleSistemului Solar.

Aceste dispozitive urmeaz s fie lansate cu sutele de mii pe cate o planet. Unele dintre elevor avea rol de server, celelalte funcionand precum computerele ntr-o reea wireless.Nanocomputerele au fost deja realizate de ctre Centrul de Cercetare Nanoelectronic dinGlasgow, iar praful inteligent" este gata s fie lansat n spaiu.

Cu ajutorul unor navete spaiale, reelele de spioni nanometrici vor fi lansate mai ntai natmosferele planetelor alturate, Marte i Venus, iar n urmtorii ani i pe celelalte planete aleSistemului Solar. Pe fiecare planet, reeaua va fi distribuit" de vant, fiind de fapt ncontinu micare, n funcie de condiiile atmosferice.

Aripa portant a dispozitivelor a fost realizat dup modelul seminelor de ppdie care potzbura, la propriu, la cea mai mic adiere. Stratul de polimer dublat cu nanotuburi, careprotejeaz nanocomputerele, este foarte rezistent la intemperii i numai dac se vor scufunda

n lav acestea vor fi distruse. Pe ap, plutesc exact ca firele de praf.

19 / 22


20/22



III.16. Nanodoctori, n 30 de ani

Cum ar fi s putem nghii un doctor mic de tot, care s poat cltori prin sange pan la oricecelul bolnav a corpului? Nanodoctorul s-ar putea pricepe la toate: s ofere medicaie, sextirpe tumori, s fac analize i s pun umrul" la reconstrucia esuturilor distruseaccidental. Dei pare ficiune, aceti roboi medicali pot fi realizai prin nanotehnologie.Medicamentele pe care le facem azi sunt foarte puin eficiente din cauza msurilor deprecauie. Cand facem un antibiotic, destinat uciderii bacteriilor, trebuie s avem grij ca el s

nu ucid i celulele corpului nostru.

Un nanorobot, capabil s administreze otrava numai bacteriilor pe care le vizm, ar simplificamult lucrurile", spune Ottilia Saxl, directorul executiv al Institutului pentru Nanotehnologii din

SUA. Bolile vor putea fi diagnosticate nainte ca omul s simt primele neplceri, ceea ce arsimplifica i mai mult tratarea lor. Organele umane care sufer avarii" de uzur, precum ficatul,rinichii i creierul, vor putea fi ajutate s-i refac celulele distruse.

Nanoroboii vor putea plasa celule stem exact la locul dezastrului" i apoi, dup ce ele se vormultiplica - transformandu-se ntr-un esut identic celui care trebuie s fie nlocuit, tot roboii voropri procesul, pentru a evita apariia de tumori. Nanoroboi atat de compleci vom avea pestenumai 30 de ani.

20 / 22


21/22



III.17. Nanotehnologia i TIC

a) Miniaturizarea i nanotehnologia

Sectorul Tehnologiei Informaiei i Comunicaiilor (TIC) a avut o expansiune rapid ntructactivitile de munc i cele sociale sunt transformate de noile tehnologii. Acest lucru anecesitat computere mai rapide, create cu ajutorul unor tranzistori mai mici realizai prinprocese de fabricaie avansate. Micorarea mrimii tranzistorului permite plasarea mai multortranzistori pe un circuit integrat, mrindperformana computerului. Legea lui Moore prevede c numrul de tranzistori plasai pe un

circuit integrat se dubleaz din doi n doi ani.

n prezent exist preocuparea pentru a continua aceast cale a miniaturizrii, deoarecematerialele din care sunt fabricai semiconductorii, metalele i izolaiile sunt reduse la scalnanometric, proprietile lor fiind determinate i dominate de efectele cuantice. Nanotehnologiaofer mai degrab prilejul de a cerceta dect a evita efectele cuantice pentru dezvoltareaurmtoarei generaii de circuite integrate. ntruct miniaturizarea nu poate continua la nesfritcu metodele i instrumentele care au fost folosite pn n prezent, va fi nevoie de alte abordri.

21 / 22


22/22



Graficul arat creterea numrului de tranzistori pe un cip pentru computer, conform predicieilui Moore. (Sursa imaginii: http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Wgsimon, CreativeCommons Attribution ShareAlike 3.0)b) Tehnologii n curs de dezvoltare n TICDispozitivele vor fi mai rapide, mai puternice i vor avea un numr mai mare de caracteristicidatorit nanotehnologiei.n domeniul fabricrii tranzistorilor convenionali se depun n mod constant eforturi pentrucrearea tranzistorilor mai mici. Elaborarea mai multor ansamble de circuite avansate esteposibil datorit noilor configuraii i complexitii mrite de fabricaie.

Fotografia unui wafer de procesoare Intel Penryn de 45nm.Prin folosirea proprietilor inerente ale nanomaterialelor n efectuarea calculelor, este posibilca viitoarele computere s nu se mai bazeze pe tehnologia tradiional bazat pe siliciu. Arputea fi folosite materiale precum nanofirele singulare sau punctele cuantice.

Un dispozitiv de memorie construit n jurul unui nanofir singular de oxid de zinc.Fiecare nanofirare un diametru mai mic de 100 nm.Noile tehnici de fabricaie permit sinteza circuitelor identice, fcnd posibil crearea dedispozitive flexibile, care se pot ntinde i apoi pot reveni la forma iniial. Aceste dispozitivepot fi rulate sau ndoite, fr s se deterioreze performana dispozitivului.III.18. Integrarea nanotehnologiei n dispozitivele de zi cu ziEvoluia sectorului TIC va depi ceea ce numim electronic(i anume, dispozitive careefectueaz o sarcin pentru noi). Exist perspectiva de a avea electronica ncorporat nhainele noastre sau n mediul nconjurtor, n ceea ce este conceput ca reea de dispozitivecare creeaz inteligena ambiental. Dispozitivele viitoare de comunicare mobil vor avea omulti -funcionalitate la un nivel cu mult mai nalt dect modelele curente.a) Tehnologia de magnetorezisten gigantic (MRG)Numeroase produse electronice populare au componente care folosesc un efect numit MRG.Rezistena electric a structurilor fcute din straturi foarte subiri de metale magnetice inemagnetice se poate schimba ntr-un grad neateptat de mare n prezena unui cmpmagnetic aplicat.

Aplicatii Ale Nanotehnologiilor

Documents

Transcript of Aplicatii Ale Nanotehnologiilor