ナノテクノロジーの応用

ナノテクノロジーの応用には、一般的に産業、医療、エネルギー用途が含まれます。これには、より耐久性の高い建築材料、治療薬の送達、環境に優しい高密度水素燃料電池が含まれます。ナノ粒子とナノデバイスは、その生理化学的特性の改変により非常に多用途であるため、ナノスケールエレクトロニクス、癌治療、ワクチン、水素燃料電池、ナノグラフェン電池などに使用されています。^[1]

ナノテクノロジーではより小さなサイズの材料を使用することで、分子や物質をナノスケールレベルで調整することが可能となり、材料の機械的特性をさらに高めたり、身体の物理的にアクセスしにくい部位へのアクセスを可能にしたりすることができる。^{[1] [2] [3]}

ナノチューブは癌治療に役立ちます。腎臓癌や乳癌の患者に効果的な腫瘍殺傷剤として実証されています。^{[4] [5]}多層ナノチューブを腫瘍に注入し、約30秒間近赤外線を発生する特殊なレーザーで治療します。これらのナノチューブはレーザーに反応して振動し、熱が発生します。腫瘍が十分に加熱されると、腫瘍細胞は死に始めます。このようなプロセスにより、腎臓腫瘍を最大5分の4まで縮小することができました。^[4]

カーボンナノチューブの「森」でできた超黒色材料は、作業に不便なほど多くの光がある宇宙空間で重要です。超黒色材料をカメラや望遠鏡のシステムに適用すると、光の量を減らし、より詳細な画像を撮影できるようになります。^[6]

ナノチューブは心血管疾患の治療に有望です。血管の浄化に重要な役割を果たす可能性があります。理論的には、SHP1i分子を付着させたナノチューブは、マクロファージに信号を送り、健康な組織を破壊することなく血管内のプラークを浄化します。研究者は、このタイプの改変ナノチューブを、プラークが大量に蓄積したマウスでテストしました。ナノチューブ治療を受けたマウスは、プラセボ群のマウスと比較して、プラークの蓄積が統計的に有意に減少しました。^[7]この治療法を人間に施すには、さらなる研究が必要です。

ナノチューブは将来の兵士の防弾チョッキに使用される可能性があります。このタイプの防弾チョッキは非常に頑丈で、弾丸や電磁放射線から兵士の身体を保護するのに非常に効果的です。また、防弾チョッキ内のナノチューブが兵士の状態を監視する役割を果たす可能性もあります。^[8]

ナノテクノロジーは、物質世界をナノレベルで観察し制御する能力があり、建設開発に大きな可能性をもたらします。ナノテクノロジーは、セメント、鉄、木材、ガラスなどの建設資材の強度と耐久性を向上させるのに役立ちます。^[9]

ナノテクノロジーを応用することで、材料はさまざまな新しい特性を獲得することができます。アモルファスCSHゲルの高度に秩序化された結晶ナノ構造の発見と光触媒およびコーティング技術の応用により、耐水性、自己洗浄性、耐摩耗性、腐食防止などの特性を備えた新世代の材料が生まれました。^[10]新しいナノエンジニアリングポリマーの中には、コンクリート用の高効率な流動化剤や、並外れたエネルギー吸収能力を備えた高強度繊維があります。^[10]

専門家は、ナノテクノロジーはまだ探索段階にあり、鋼鉄などの従来の材料を改良する可能性を秘めていると考えています。^[10]このような材料の複合ナノ構造を理解し、ナノ材料のさまざまな用途を探索することで、電気伝導性、温度、湿度、応力の感知能力などの拡張された特性を備えた新しい材料の開発につながる可能性があります。^[10]

装置の複雑さのため、ナノ材料は従来の材料に比べてコストが高く、大量の建築材料として使用される可能性は低い。^[11]特殊なケースでは、ナノテクノロジーは複雑な問題のコスト削減に役立ちます。しかし、ほとんどの場合、従来の建設方法の方がコスト効率に優れています。^[11]製造技術の向上により、ナノテクノロジーを建設に適用するコストは時間の経過とともに低下しており、さらに低下すると予想されています。^[11]

ナノエレクトロニクスとは、電子部品へのナノテクノロジーの応用を指します。ナノエレクトロニクスは、ディスプレイ上の電子デバイスの性能と消費電力を改善し、それらを小型化することを目的としています。^{[12]したがって、ナノエレクトロニクスは、集積回路のサイズの継続的な縮小傾向を予測する}ムーアの法則で設定された目標の達成に役立ちます。

ナノエレクトロニクスは、量子物理学、デバイス解析、システム統合、回路解析からなる学際的な分野です。^[13]半導体のド・ブロイ波長は100nm程度になる可能性があるため、この長さスケールでの量子効果が重要になります。^[13]さまざまなデバイス物理学と電子の新しい量子効果は、刺激的なアプリケーションにつながる可能性があります。^[13]

ナノバイオテクノロジーとバイオナノテクノロジーという用語は、生物学とナノテクノロジーのアイデア、技術、科学の組み合わせを指します。より具体的には、ナノバイオテクノロジーはナノスケールの物体をバイオテクノロジーに応用することを指し、バイオナノテクノロジーはナノテクノロジーにおける生物学的成分の使用を指します。^[1]

ナノテクノロジーと生物学の最も顕著な交差点はナノ医療の分野であり、ナノ粒子とナノデバイスの使用は、治療薬の送達、健康状態のモニタリング、および病気の診断において多くの臨床用途があります。^[14]人体の生物学的プロセスの多くは細胞レベルで発生するため、ナノ材料はサイズが小さいため、体内で容易に循環し、細胞間、さらには細胞内の環境と直接相互作用できるツールとして使用できます。さらに、ナノ材料はサイズのためにバルクの形態とは異なる生理化学的特性を持つことができ、^[15]さまざまな化学反応性と拡散効果を可能にし、多様な用途のために研究および変更することができます。

ナノ医療の一般的な用途は治療薬の送達であり、病気の治療のための薬物を含むナノ粒子が体内に導入され、薬物を標的部位に送達する容器として機能します。有機または合成成分で作ることができるナノ粒子容器は、サイズ、形状、表面電荷、表面付着物（タンパク質、コーティング、ポリマーなど）を調整することでさらに機能化できます。^[2]このようにナノ粒子を機能化する機会は、意図した薬物が単独では標的部位に到達するのを妨げる特定の生理化学的特性を持つ体の領域を標的とする場合、特に有益です。たとえば、一部のナノ粒子は血液脳関門を回避して治療薬を脳に送達できます。^[16]ナノ粒子は最近、癌治療やワクチンに使用されています。^{[17] [18] [19] [20]}磁気ナノロボットは、抗菌薬耐性菌を予防および治療する能力を実証しています。ナノモーターインプラントの応用は、象牙質の徹底的な消毒を達成するために提案されている。^{[21] [22]}

生体内イメージングもナノ医療の重要な部分であり、ナノ粒子はコンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像（MRI）、陽電子放出断層撮影（PET）などの一般的な画像技術の造影剤として使用できます。 ^{[14]ナノ粒子は設計により特定の細胞、組織、または臓器に局在して循環する能力があり、高コントラストを提供して感度の高い画像化を実現できるため、}薬物動態の研究や視覚的な病気の診断に応用できます。 ^{[14] [2]}

ナノテクノロジーのエネルギー応用は、ナノ粒子の小ささを利用してエネルギーをより効率的に貯蔵することに関係しています。これにより、二酸化炭素などの 有害な温室効果ガスを排出せずにエネルギーを生成、貯蔵、使用することで、グリーンナノテクノロジーによる再生可能エネルギーの使用が促進されます。

太陽電池に使われるナノ粒子は太陽光から吸収されるエネルギーの量を増加させている。^[23]

ナノテクノロジーは、水素エネルギーをはるかに高い容量で使用できるようにします。^[24]水素燃料電池は、それ自体はエネルギー源ではありませんが、太陽光やその他の再生可能資源からのエネルギーを、環境に優しい方法で、CO2を排出することなく貯蔵することができます_。 [ ^24]  従来の水素燃料電池の主な欠点のいくつかは、高価であり、商業用途には耐久性が十分ではないことです。^[25]しかし、ナノ粒子を使用することで、耐久性と価格の両方が経時的に大幅に改善されます。^[25]さらに、従来の燃料電池は大容量で貯蔵するには大きすぎますが、研究者はナノブレードが大量の水素を貯蔵できることを発見しました。これは、カーボンナノチューブ内に保存して長期貯蔵することができます。^[25]

ナノテクノロジーは、より効率的にエネルギーを蓄え、より軽量なナノグラフェン電池を生み出している。^[26] リチウムイオン電池は、過去10年間、電子機器における主要な電池技術であったが、現在の技術の限界により、熱や爆発の潜在的な危険性のために電池の高密度化が困難となっている。^[24]実験的な電気自動車でテストされているグラフェン電池は、現在の電池の4倍の容量と77%低いコストを約束している。^[26]さらに、グラフェン電池は最大25万サイクルの安定した寿命を提供し、^[27]電気自動車や長期製品に数十年にわたる信頼できるエネルギー源をもたらす。