グリーンナノテクノロジー

グリーンナノテクノロジーとは、負の外部効果を生み出すプロセスの環境持続可能性を高めるためにナノテクノロジーを使用することを指します。また、持続可能性を高めるためにナノテクノロジーの製品を使用することも指します。これには、グリーンナノ製品の製造と、持続可能性をサポートするナノ製品の使用が含まれます。^{[引用が必要]}

グリーンナノテクノロジーという名称の「グリーン」という単語には2つの意味があります。1つは、ナノスケールの粒子を合成するために利用される環境に優しい技術を表し、もう1つは、クロロフィル植物の抽出物によって媒介されるナノ粒子の合成を指します。^{[1]グリーンナノテクノロジーは、「ナノテクノロジー製品の製造と使用に関連する環境と人間の健康への潜在的なリスクを最小限に抑えるための}クリーンテクノロジー の開発」と説明されています。また、ライフサイクル全体を通じてより環境に優しい新しいナノ製品への既存製品の置き換えを促進します。^[2]

グリーンナノテクノロジーには、環境や人間の健康に害を与えることなくナノ材料や製品を生産することと、環境問題の解決策となるナノ製品を製造するという2つの目標があります。グリーンナノテクノロジーでは、グリーンケミストリーとグリーンエンジニアリング^[3]の既存の原理を使用して、毒性成分を使用せず、低温で、可能な限り少ないエネルギーと再生可能な入力を使用して、設計とエンジニアリングのすべての段階でライフサイクル思考を使用してナノ材料とナノ製品を製造します。

グリーン ナノテクノロジーは、環境への影響が少ないナノ材料や製品を作ることに加え、ナノテクノロジーを使用して、非ナノ材料や製品の現在の製造プロセスをより環境に優しいものにすることも意味します。たとえば、ナノスケールの膜は、植物からの廃棄物から必要な化学反応生成物を分離するのに役立ちます。ナノスケールの触媒は、化学反応をより効率的にし、無駄を減らすことができます。ナノスケールのセンサーは、ナノ対応情報システムと連携して、プロセス制御システムの一部を形成することができます。ナノテクノロジーによって可能になった代替エネルギーシステムを使用することは、製造プロセスを「グリーン」にするもう 1 つの方法です。

グリーンナノテクノロジーの2つ目の目標は、直接的または間接的に環境に有益な製品の開発です。ナノ材料またはナノ製品は、直接的には、有害廃棄物処理場の浄化、水の淡水化、汚染物質の処理、環境汚染物質の感知と監視を行うことができます。間接的には、自動車やその他の輸送手段用の軽量ナノ複合材料により、燃料を節約し、製造に使用する材料を削減できます。ナノテクノロジー対応の燃料電池と発光ダイオード（LED）は、エネルギー生成による汚染を減らし、化石燃料の節約に役立ちます。自己洗浄ナノスケール表面コーティングにより、通常のメンテナンスルーチンで使用される多くの洗浄化学物質を削減または排除できます。 ^[4]バッテリー寿命の延長により、材料の使用と廃棄物が減ります。グリーンナノテクノロジーは、ナノ材料と製品を幅広いシステムの観点から見て、予期しない結果を最小限に抑え、ライフサイクル全体を通じて影響を予測できるようにします。 ^[5]

より効率的な太陽電池、実用的な燃料電池、環境に優しい電池などの目的でナノマテリアルを使用する研究が進行中です。エネルギーに関連する最も先進的なナノテクノロジー プロジェクトは、貯蔵、変換、材料と処理速度の削減による製造の改善、エネルギーの節約 (たとえば断熱性の向上による)、再生可能エネルギー源の強化です。

現在取り組んでいる主要なプロジェクトの一つは、太陽電池のナノテクノロジーの開発です。^[6]太陽電池は小さくなるほど効率が上がり、太陽エネルギーは再生可能な資源です。太陽エネルギーのワットあたりの価格は1ドル未満です。

従来の平面シリコン太陽電池よりも安価で効率的な太陽電池を作るために、ナノワイヤやその他のナノ構造材料を使用する研究が進行中です。 ^{[7] [8]}もう1つの例は、直径1〜5 nmの炭素担持貴金属粒子からなる触媒を使用する可能性のある、水素で動く燃料電池の使用です。小さなナノサイズの細孔を持つ材料は、水素貯蔵に適している可能性があります。ナノテクノロジーはバッテリーにも応用される可能性があり、ナノ材料の使用により、エネルギー含有量の高いバッテリーや、再充電率の高いスーパーキャパシタが可能になります。 ^[要出典]

ナノテクノロジーは、すでに太陽光発電（PV）パネルや太陽熱パネルのコーティングの性能向上に利用されています。疎水性とセルフクリーニング特性を組み合わせることで、特に悪天候時に、より効率的なソーラーパネルが実現します。ナノテクノロジーコーティングを施したPVは、より長期間清潔な状態を保ち、最大限のエネルギー効率が維持されると言われています。^[9]

ナノテクノロジーは、有毒金属イオン、有機・無機溶質、微生物に汚染された表層水、地下水、廃水、その他の環境物質の処理に新しいナノ材料の可能性を提供します。難分解性汚染物質に対する独自の活性のため、多くのナノ材料が水や汚染された場所の処理に使用するための研究開発が活発に行われています。^{[10] [11]}

現在、水処理に応用されているナノテク技術の市場には、逆浸透（RO）、ナノ濾過、限外濾過膜などがある。実際、新興製品としては、ナノファイバーフィルター、カーボンナノチューブ、さまざまなナノ粒子などが挙げられる。^[12]

ナノテクノロジーは、細菌、ウイルス、重金属など、従来の水処理システムでは処理が難しい汚染物質をより効率的に処理することが期待されています。この効率性は、ナノマテリアルの非常に高い比表面積に由来し、汚染物質の溶解、反応性、吸着性を高めます。^{[13] [14]}

ナノ修復とは、環境修復のためにナノ粒子を使用することです。^{[15] [16]}ナノ修復は地下水処理に最も広く使用されており、廃水処理についても広範な研究が行われています。^{[17] [18] [19] [20]}ナノ修復は土壌や堆積物の浄化にもテストされています。^{[21]さらに多くの予備研究では、ナノ粒子を使用して}ガスから有毒物質を除去することを検討しています。^[22]

いくつかのナノ修復法、特に地下水浄化のためのナノゼロ価鉄の使用は、本格的な浄化現場で導入されている。^[16]ナノ修復は新興産業であり、2009年までに、ナノ修復技術は世界中の少なくとも44の浄化現場で文書化されており、その大部分は米国であった。^{[17] [11] [23]}ナノ修復中は、解毒または固定化反応を可能にする条件下で、ナノ粒子剤を標的汚染物質と接触させる必要がある。このプロセスには通常、ポンプアンドトリートメントプロセスまたは現場での適用が含まれる。他の方法は研究段階のままである。

科学者たちは、バックミンスターフラーレンが特定の化学反応を制御できる可能性があるため、汚染を制御する能力を研究してきました。バックミンスターフラーレンは、活性酸素種の保護を誘導し、脂質過酸化を引き起こす能力があることが実証されています。この物質により、消費者が水素燃料をより利用しやすくなる可能性があります。[^{引用が必要]}

2017年に、水のすべての水源から汚染物質や有毒物質を除去することを目的とした熱核トラップ技術（TTT）を研究するために、RingwooditE Co Ltdが設立されました。この特許取得済みのナノテクノロジーは、高圧高温チャンバーを使用して、WHOの確立された分類に従って、飲料水に本来含まれていないはずの同位体を純粋な飲料水に分離します。この方法は、モスクワ原子力研究所のウラジミール・アファナシュー教授らによって開発されました。この技術は、海、川、湖、埋め立て地の廃水を浄化することを目的としています。原子力発電所の大惨事や冷却水プラントの塔の後、海水から放射性同位体を除去することもできます。この技術により、薬物残留物だけでなく、麻薬や精神安定剤も除去されています。湖や川の底層や側面は、浄化後に元に戻すことができます。この目的で使用される機械は、深海採掘の機械とよく似ています。除去された廃棄物は工程ごとに分類され、他の産業生産の原材料として再利用されます。

ナノ濾過は比較的新しい膜濾過プロセスであり、表層水や淡水地下水などの総溶解固形物量の少ない水で最もよく使用され、軟化（多価カチオン除去）と、天然有機物や合成有機物などの消毒副産物の前駆物質の除去を目的としています。 ^{[24] [25]ナノ濾過は、}乳製品などの食品加工用途でも、濃縮と部分的な（一価イオン）脱塩を同時に行うために 広く使用されるようになっています。

ナノ濾過は、ナノメートルサイズの円筒形の貫通孔が90°で膜を通過する膜濾過法です。ナノ濾過膜の孔サイズは1～10オングストロームで、精密濾過や限外濾過で使用される孔サイズよりも小さく、逆浸透で使用される孔サイズよりもわずかに大きい程度です。使用される膜は主にポリマー薄膜から作られています。一般的に使用される材料には、ポリエチレンテレフタレートやアルミニウムなどの金属があります。^{[26]孔サイズは、現像中の}pH 、温度、時間 によって制御され、孔密度は1～106孔/cm2の範囲です^。ポリエチレンテレフタレートやその他の同様の材料から作られた膜は、「トラックエッチ」膜と呼ばれ、膜上の孔の作り方にちなんで名付けられています。^[27]「トラッキング」では、ポリマー薄膜に高エネルギー粒子を衝突させます。その結果、化学的に膜に形成された、または膜に「エッチング」された跡、つまり孔が作られます。アルミナ膜などの金属から作られた膜は、酸性媒体中でアルミニウムから酸化アルミニウムの薄い層を電気化学的に成長させることによって作られます。

ナノテクノロジーを組み込んだ水処理装置はすでに市場に出回っており、さらに開発が進められている。最近の研究では、低コストのナノ構造分離膜法が飲料水の製造に効果的であることが示された。^[28]

ナノテクノロジーは、人口爆発、清浄水の必要性の高まり、新たな汚染物質の出現により悪化している水中の細菌を除去するための代替ソリューションを提供します。提案されている代替案の1つは抗菌ナノテクノロジーであり、いくつかのナノ材料が、細胞成分やウイルスにダメージを与える活性酸素種の光触媒生成など、さまざまなメカニズムを通じて強力な抗菌特性を示したと述べています。^{[28]また、低濃度で微生物を不活性化できる}オリゴダイナミック消毒と呼ばれる抗菌作用を生み出す合成ナノ金属粒子のケースもあります。 ^[29] 現在、酸化チタン光触媒に基づく商業用浄化システムも存在しており、研究によると、この技術は太陽光で活性化されると15分で糞便性大腸菌を完全に不活性化できることが示されています。^[29]

水処理に使用されるナノ材料には、デンドリマー、ゼオライト、炭素質ナノ材料、ナノ粒子を含む金属の4つのクラスがあります。^{[30]金属（}銀、銅、チタン、コバルトなど）のサイズをナノスケールに縮小することによる利点としては、接触効率、表面積の拡大、溶出特性の改善などがあります。^[29]

植物は、自分自身を守るのに役立つさまざまな植物化学物質（二次代謝産物）を持っていることが知られており、太古の昔からこれらの植物化学物質は人間によって医療目的で使用されてきました。^[31] 微生物は複数の合成薬に対して耐性を発達させており、その結果、現代の医薬品システムにとって課題となるMDR（多剤耐性）菌株の出現につながっています。^{[32] [33]} この課題を克服するために、植物や植物の一部の抽出物を使用して合成されたナノ粒子が希望として浮上しました。^{[34] [35]}多くの研究者は、植物抽出物を使用して合成されたナノ粒子は、抽出物のみと比較して強化された薬効を示すことが示されていると報告しています。^[36]

米国環境保護庁（EPA）は、年間1万件以上の石油流出を記録しています。従来、石油流出の修復には生物学的薬剤、分散剤、ゲル化剤が使用されています。これらの方法は数十年にわたって使用されてきましたが、これらの技術のいずれも、かけがえのない失われた石油を回収することはできません。しかし、ナノワイヤは石油流出を迅速に浄化するだけでなく、可能な限り多くの石油を回収することができます。これらのナノワイヤは、疎水性液体を重量の20倍まで吸収するメッシュを形成し、撥水コーティングで水をはじきます。マンガン酸カリウムは高温でも非常に安定しているため、油をナノワイヤから蒸発させることができ、油とナノワイヤの両方を再利用することができます。^[37]

2005年、ハリケーン・カトリーナは30以上の石油プラットフォームと9つの製油所を破壊または損傷しました。インターフェースサイエンス社は、撥水ナノワイヤを使用して、損傷した石油プラットフォームと製油所から流出した石油を浄化する新しい石油修復および回収アプリケーションを成功裏に立ち上げました。^[38]

現在開発中のグリーンナノテクノロジーの革新の1つは、プラスチックを消費するように生物工学的に作られた細菌、イデオネラ・サカイエンシスをモデルにしたナノマシンです。これらのナノマシンは、表面積が大きいだけでなく、プラスチックの分解から放出されるエネルギーがナノマシンの燃料として使用されるので、生物工学的に作られた細菌よりも数十倍速くプラスチックを分解できます。^{[引用が必要]}

水処理や環境修復に加え、ナノテクノロジーは現在、空気の質の改善にも役立っています。ナノ粒子は、環境に有害なガスを無害なものに変える反応を触媒または促進するように設計できます。たとえば、大量の有害ガスを排出する多くの工場では、煙に含まれる危険な有機物質を浄化するために、酸化マグネシウム(Mg ₂ O) でできた一種のナノファイバー触媒を使用しています。自動車から出るガス蒸気にはすでに化学触媒が存在していますが、ナノテクノロジーは蒸気中の有害物質と反応する可能性が高くなります。この可能性が高くなるのは、ナノテクノロジーは表面積が大きいため、より多くの粒子と相互作用できるからです。^[39]

ナノテクノロジーは、自動車の排気ガス汚染を含む大気汚染の修復に使用されてきましたが、その高い表面積により、温室効果ガスの除去にも使用される可能性があります。Environmental Science Pollution Research Internationalによる研究によると、ナノテクノロジーは、特に炭素ベースのナノ粒子、温室効果ガス、揮発性有機化合物の処理に役立ちます。抗菌ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、ファイトレメディエーションプロセス用の改良剤の開発も行われています。ナノテクノロジーは、その極めて小さな規模により、そもそも大気汚染を防ぐ可能性ももたらします。ナノテクノロジーは、ガス監視システム、火災および有毒ガス検知器、換気制御、呼気アルコール検知器など、多くの産業および家庭分野のツールとして受け入れられています。他の情報源によると、ナノテクノロジーには、既存の汚染物質の感知および検出方法を開発する可能性があるとのことです。汚染物質を検出し、不要な物質を感知する能力は、ナノ材料の大きな表面積と高い表面エネルギーによって高められます。世界保健機関は2014年に、2012年に大気汚染が約700万人の死者を出したと宣言しました。この新しい技術は、この流行病に対する不可欠な資産となる可能性があります。ナノテクノロジーが大気汚染の治療に使用されている3つの方法は、ナノ吸着材料、ナノ触媒による分解、ナノフィルターによる濾過/分離です。ナノスケールの吸着剤は、多くの大気汚染の問題の主な緩和剤です。その構造により、有機化合物との優れた相互作用が可能になり、最大吸着容量での選択性と安定性が向上します。その他の利点には、高い電気伝導性と熱伝導性、高強度、高硬度などがあります。ナノ分子がターゲットとする汚染物質は、〖NO〗_x、〖CO〗_2、〖NH〗_3、N_2、VOC、イソプロピル蒸気、〖CH〗_3 OHガス、N_2 O、H_2 Sです。カーボンナノチューブは、さまざまな方法で粒子を具体的に除去します。1つの方法は、粒子をナノチューブに通して分子を酸化する方法です。その後、分子は硝酸塩種に吸着されます。アミン基を持つカーボンナノチューブは、20°〜100°Cの低温範囲で二酸化炭素を吸着するための多数の化学部位を提供します。ファンデルワールス力とπ-π相互作用も分子を表面官能基に引き寄せるために使用されます。フラーレンは吸着能力が高いため、二酸化炭素汚染の除去に使用できます。グラフェンナノチューブにはガスを吸着する官能基があります。大気汚染の削減と空気の質のために使用できるナノ触媒はたくさんあります。これらの材料には、〖TiO〗_2、バナジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、銀などがあります。触媒による産業排出削減、自動車の排気ガス削減、空気浄化は、これらのナノ材料が利用されている主な推進力のほんの一部です。特定の用途は広く普及していませんが、他の用途はより人気があります。室内空気汚染まだ市場にはほとんど出回っていないが、健康への影響との合併症のため、より効率的に開発されている。自動車の排気ガス削減は、現在最も人気のある用途の1つであるディーゼル燃料自動車で広く使用されている。産業排出削減も広く使用されている。これは、特に石炭火力発電所や製油所で不可欠な方法である。これらの方法は、その有用性と精度を確保するためにSEM画像を使用して分析およびレビューされています。^{[40] [41]}

さらに、地球のオゾン層を破壊することが知られているメタンや二酸化炭素^{[39]から自動車の排気ガスを分離するために}ナノ粒子を設計できるかどうかを調べる研究が現在行われています。実際、クイーンズランド大学の教授であるジョン・チューは、現在の方法よりも数百倍効率的に温室効果ガスを捕捉できるカーボンナノチューブ（CNT）の作成を研究しています。 ^[42]

重金属汚染や粒子状物質に絶えずさらされ​​ると、肺がん、心臓病、さらには運動ニューロン疾患などの健康問題につながります。しかし、原子レベルで汚染物質を検出できる正確で迅速なナノ接触センサーによって、これらの健康問題から身を守る人類の能力を向上させることができます。これらのナノ接触センサーは、金属イオンや放射性元素を検出するのに多くのエネルギーを必要としません。さらに、自動モードで作成できるため、いつでも読み取り可能です。さらに、これらのナノ接触センサーは、電気化学技術を使用した従来のマイクロエレクトロニクス製造装置で構成されているため、エネルギー効率とコスト効率に優れています。^[37]

ナノベースのモニタリングの例としては、次のようなものがあります。

1. 機能化ナノ粒子は陰イオン性酸化剤結合を形成し、非常に低濃度の発がん性物質の検出を可能にする。^[39]
2. 非常に低濃度の有機汚染物質を測定するためにポリマーナノスフィアが開発されました。
3. 「ペプチドナノ電極は熱電対の概念に基づいて採用されている。ナノ距離の分離ギャップにペプチド分子を配置して分子接合を形成する。特定の金属イオンがギャップに結合すると、電流によって固有の値の伝導率が得られる。したがって、金属イオンは簡単に検出される。」^[42]
4. ナノチューブと銅の混合物である複合電極は、低濃度の有機リン系殺虫剤、炭水化物、その他の木材病原性物質などの物質を検出するために開発されました。

グリーンナノテクノロジーは従来の方法に比べて多くの利点があるが、ナノテクノロジーがもたらす懸念については依然として多くの議論がある。例えば、ナノ粒子は皮膚に吸収され、吸入されるほど小さいため、各国はナノテクノロジーが生物に与える影響に関する追加研究を徹底的に行うよう義務付けている。実際、エコナノ毒性学の分野は、ナノテクノロジーが地球と地球上のすべての生物に与える影響を研究するためだけに設立された。現時点では、科学者はナノ粒子が土壌や水に浸透すると何が起こるか確信が持てないが、NanoImpactNetなどの組織はこれらの影響を研究し始めている。^[39]

• バイオレメディエーション
• クリーンテクノロジー
• 環境微生物学
• グリーンケミストリー
• 産業微生物学
• ライフセーバーボトル
• NBI ナレッジベース
• タタ・スワッチ

• 「グリーン」ナノテクノロジーの評価にはライフサイクル全体の評価が必要
• ナノフレークが太陽電池に革命を起こすかもしれない

• より安全なナノ材料とナノ製造イニシアチブ 2014-08-12 にWayback Machineでアーカイブ
• クリーンテクノロジーの法律とビジネス
• 新興ナノテクノロジープロジェクト
• ナノテクノロジーラボ 2019-12-06ウェイバックマシンにアーカイブされました
• 国家ナノテクノロジーイニシアチブ
• バークレーナノサイエンス・ナノエンジニアリング研究所
• ナノテクノロジー: グリーン製造
• ナノテクノロジーナウ
• 「ナノテクノロジーは環境に優しいものになり得るか？」
• Folia Water – 安全な水の本。浄水用のナノシルバー含浸ろ紙 26 枚が含まれています。