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ナノテクノロジーは消費財の分野に影響を与えており、ナノ材料を組み込んだ製品はすでにさまざまなアイテムに使用されています。その多くは、人々がナノ粒子が含まれていることにさえ気づいていないものです。これらの製品には、掃除のしやすさから傷つきにくさまで、さまざまな新しい機能があります。たとえば、自動車のバンパーが軽量化され、衣類の防汚性が向上し、日焼け止めの耐放射線性が向上し、人工骨が強化され、携帯電話の画面が軽量化され、飲料用のガラス容器が賞味期限を延ばし、さまざまなスポーツ用のボールがより耐久性のあるものになっています。[ 1 ]ナノテクノロジーを使用することで、中期的には、埋め込まれた「ウェアラブルエレクトロニクス」を通じて、現代の繊維が「スマート」になり、このような新しい製品は、特に化粧品の分野で有望な可能性を秘めており、重工業でも多くの潜在的な用途があります。ナノテクノロジーは今世紀の技術とビジネスの主要な推進力になると予測されており、社会のあらゆる側面に大きな影響を与える、より高性能な材料、インテリジェントシステム、新しい生産方法の可能性を秘めています。
食品およびバイオプロセス産業における、効率的かつ持続可能な方法で高品質で安全な食品を製造するための複雑な工学的および科学的課題は、ナノテクノロジーによって解決できます。バイオセンサーを使用した細菌の識別と食品品質のモニタリング、インテリジェントでアクティブかつスマートな食品包装システム、生物活性食品化合物のナノカプセル化は、食品産業におけるナノテクノロジーの新たな応用例です。[ 2 ]ナノテクノロジーは、食品の製造、加工、安全性、および包装に適用できます。ナノコンポジットコーティングプロセスは、抗菌剤をコーティングフィルムの表面に直接配置することで、食品包装を改善できます。ナノ コンポジットは、さまざまな製品に必要なさまざまな充填剤のガス透過性を増加させたり減少させたりできます。また、機械的特性と耐熱性を向上させ、酸素透過率を低下させることもできます。食品中の生化学的変化を感知するために、化学物質と生物学的物質の検出にナノテクノロジーを適用する研究が行われています。
ナノテクノロジープロジェクト（PEN）によると、既知または主張されているナノ製品609件のリストに基づき、ナノテクノロジーによって作られた消費者製品が週に3～4件のペースで市場に出回っており、その中には新しい食品も含まれている。PENのリストには、キャノーラアクティブオイルという名のキャノーラ食用油、ナノティーという名のお茶、ナノシューティカルズスリムシェイクチョコレートという名のチョコレートダイエットシェイクの3つの食品が含まれている。PENのWebサイトに掲載された企業情報によると、イスラエルのシェメンインダストリーズ社製のキャノーラ油には、ビタミン、ミネラル、植物化学物質、尿素を消化器系を通して運ぶように設計された「ナノドロップ」と呼ばれる添加物が含まれている。[ 3 ]米国のメーカーであるRBCライフサイエンス社によると、このシェイクは、砂糖を追加することなくココアの味と健康効果を高めるために、ココアを注入した「ナノクラスター」を使用している。[ 4 ]
家庭におけるナノテクノロジーの最も顕著な応用例は、セラミックやガラスの表面を自己洗浄したり、「お手入れが簡単」にしたりすることです。ナノセラミック粒子は、ヘアアイロンなどの一般的な家庭用機器の表面の滑らかさや耐熱性を向上させています。
保護性と反射防止性を兼ね備えた超薄型ポリマーコーティングを施した初のサングラスが市場に登場した。光学分野では、ナノテクノロジーはナノコンポジットをベースとした耐傷性表面コーティングも提供している。ナノ光学技術は、瞳孔修復をはじめとするレーザー眼科手術の精度向上に貢献する可能性がある。
人工ナノファイバーの使用により、衣類は既に撥水性、防汚性、防シワ性を備えています。ナノテクノロジー加工を施した繊維製品は、洗濯頻度を減らし、低温で洗濯することが可能です。ナノテクノロジーは、微細な炭素粒子膜を組み込むことで、着用者の静電気から表面全体を保護する技術としても活用されています。コーネル大学の繊維ナノテクノロジー研究所や、英国のDstlとそのスピンアウト企業であるP2iなどの研究機関によって、他にも多くの応用例が開発されています。
ナノテクノロジーは、サッカー、アメリカンフットボール[ 5 ]、野球[ 6 ]などのスポーツでも役割を果たす可能性がある。新しい運動靴の素材は、靴を軽量化し（そして選手をより速く）するために作られる可能性がある。[ 7 ]すでに市販されている野球バットは、樹脂を強化するカーボンナノチューブで作られており、軽量化によって性能が向上すると言われている。[ 6 ]スポーツタオル、ヨガマット、エクササイズマットなどの他のアイテムは、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（一般にMRSAとして知られる）などの細菌によって引き起こされる病気を予防するために抗菌ナノテクノロジーを使用しており、ナショナルフットボールリーグの選手によって使用されている。[ 5 ]
軽量で強度のある素材は航空機メーカーにとって非常に有用であり、性能向上につながるだろう。重量が重要な要素となる宇宙船も恩恵を受ける。ナノテクノロジーは機器のサイズを縮小し、飛行に必要な燃料消費量を削減するのに役立つ可能性がある。ハンググライダーはナノテクノロジー素材を使用することで、重量を半分に減らしながら強度と耐久性を向上させることができるかもしれない。ナノテクノロジーは、ハンググライダーを平地から上昇気流を追いかける高度まで打ち上げるための補助電気モーターに電力を供給するためにますます使用されるスーパーキャパシタの質量を低減している。
航空宇宙産業と同様に、より軽量で強度のある素材は、より速く、より安全な乗り物を作る上で役立つだろう。内燃機関においても、より耐久性と耐熱性に優れた部品が恩恵をもたらす可能性がある。
ナノテクノロジーは、軍の生物剤探知能力を向上させることができる。ナノテクノロジーを用いることで、軍は生物剤を探知できるセンサーシステムを開発できるようになる。[ 8 ]センサーシステムは既に十分に開発されており、軍が最初に利用し始めるナノテクノロジーの形態の一つとなるだろう。[ 9 ]
ナノ粒子は兵士の制服の素材に注入することができ、素材の耐久性を高めるだけでなく、高温、衝撃、化学物質などさまざまな危険から兵士を保護することもできます。[ 8 ]素材中のナノ粒子は、何かが装甲に衝突したときに集まって衝撃を受けた部分を硬化させることで、兵士をこれらの危険から保護します。この硬化により、極度の熱であろうと鈍器による衝撃であろうと、装甲に衝突したものの衝撃が軽減されます。衝撃の力を軽減することで、ナノ粒子は制服を着用している兵士を、衝撃によって引き起こされる可能性のあるあらゆる怪我から保護します。
ナノテクノロジーが兵士の制服を改良するもう一つの方法は、より優れた迷彩方法を作り出すことです。素材に注入された可動性顔料ナノ粒子は、より優れた迷彩方法を生み出すことができます。[ 10 ]これらの可動性顔料粒子は、兵士がいる場所に応じて制服の色を変えることができます。この自己変化型迷彩については、まだ多くの研究が行われています。
ナノテクノロジーは熱迷彩を向上させることができる。熱迷彩は、暗視技術を使用する人々から兵士を守るのに役立つ。さまざまな軍事品の表面は、電磁放射によってその表面が覆われている物体の赤外線シグネチャを低下させるように設計することができる。[ 10 ]兵士の制服の表面や軍用車両の表面は、このように設計できる表面の例である。兵士と兵士が使用する軍用車両の両方の赤外線シグネチャを低下させることで、赤外線誘導兵器や赤外線監視センサーからの保護が向上する。
ナノ粒子を用いてコーティングされたポリマー糸を作成し、兵士の制服に織り込む方法がある。[ 11 ]これらのポリマー糸は兵士間の通信手段として使用できる。制服の糸のシステムは異なる光の波長に設定でき、他人が盗聴するのを防ぐことができる。[ 11 ]これにより、望まない盗聴者によって何かが傍受されるリスクが低減される。
ナノテクノロジーを用いて、兵士が装着する医療監視システムを作ることができる。このシステムは兵士の健康状態やストレスレベルを監視することができる。必要に応じて薬剤を放出したり傷口を圧迫したりすることで、医療状況に対応できる。[ 10 ]つまり、出血している傷をシステムが検知した場合、さらなる医療処置を受けるまで傷口の周囲を圧迫することができる。また、このシステムは、負傷に対する鎮痛剤など、健康上の理由で兵士の体内に薬剤を放出することもできる。兵士がシステムを装着している間はいつでも、基地の医療担当者に兵士の健康状態を知らせることができる。この情報を基地に伝えるために必要なエネルギーは、兵士の身体の動きによって生成される。[ 10 ]
ナノ兵器とは、現代の戦場でナノテクノロジーの力を活用しようとする、現在開発中の軍事技術に与えられた名称である。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
化学触媒は、極めて大きな表面積対体積比を持つナノ粒子から特に恩恵を受ける。触媒におけるナノ粒子の応用可能性は、燃料電池から触媒コンバーター、光触媒デバイスまで多岐にわたる。触媒は化学物質の製造にも重要である。例えば、独特の化学的環境（配位子）や特定の光学的特性を持つナノ粒子などが挙げられる。
白金ナノ粒子は、その非常に高い表面積により必要な白金の量を減らすことができるため、次世代の自動車用触媒コンバーターへの利用が検討されている。[ 18 ]しかし、メタンが周囲の空気と混ざると自然発火するという実験結果から、懸念も生じている。 [ 19 ]フランスの国立科学研究センター（CNRS）で行われている研究により、触媒用途におけるその真の有用性が明らかになるかもしれない。[ 20 ]ナノろ過は重要な用途になる可能性があるが、今後の研究では潜在的な毒性を慎重に調査する必要がある。[ 21 ]
ナノテクノロジーは、建設をより速く、より安く、より安全に、より多様にする可能性を秘めている。ナノテクノロジーによる建設の自動化により、高度な住宅から巨大な超高層ビルまで、構造物をはるかに速く、はるかに低いコストで建設することが可能になる。近い将来、ナノテクノロジーは建築物の基礎のひび割れを感知し、ナノボットを送り込んで修復するために使用できる。[ 22 ] [ 23 ]
ナノテクノロジーは、電子工学、バイオメカニクス、コーティングなどの多くの分野を含む活発な研究分野です。これらの分野は、土木工学や建設材料の分野に役立ちます。[ 22 ]ナノテクノロジーが住宅やインフラの建設に導入されれば、そのような構造物はより強固になります。建物が強固になれば、再建が必要な建物の数は減り、廃棄物の発生も少なくなります。
建設におけるナノテクノロジーには、アルミナやシリカなどのナノ粒子の使用が含まれます。製造業者はナノセメントの製造方法も研究しています。ナノサイズの粒子を含むセメントを製造および加工できれば、セラミックス、高強度複合材料、電子機器用途の分野で多くの機会が開かれるでしょう。 [ 22 ]
ナノ材料は従来材料に比べて依然として高価であるため、大量生産される建築材料に採用される可能性は低い。この技術によって構造用鋼の消費量が激減する日はまだ考えられていない。[ 24 ]
コンクリートの構造を理解するために、ナノレベルでの分析が数多く行われています。このような分析には、原子間力顕微鏡（AFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）、集束イオンビーム（FIB）など、ナノスケールでの研究用に開発された様々な技術が用いられています。これは、ナノスケール全般を研究するためのこれらの機器の開発に伴う副次的な効果として生じたものですが、コンクリートの構造と挙動を基礎レベルで理解することは、ナノテクノロジーの重要かつ非常に適切な活用法と言えます。ナノテクノロジーの基本的な側面の一つは、その学際的な性質であり、医療工学における骨の力学的モデリングとコンクリートの力学的モデリングの間には既に分野横断的な研究が行われており、コンクリート中の塩化物拡散（鉄筋の腐食を引き起こす）の研究が可能になっています。結局のところ、コンクリートはナノ特性に強く影響されるマクロ材料であり、この新しいレベルでコンクリートを理解することで、強度、耐久性、モニタリングの改善に向けた新たな道が開かれています。以下で概説します。
シリカ（SiO2）は、通常の配合の一部として従来のコンクリートに含まれています。しかし、ナノスケールでのコンクリートの研究によって得られた進歩の1つは、ナノシリカを使用することでコンクリート中の粒子充填を改善できることであり、これにより微細構造とナノ構造が緻密化され、機械的特性が向上します。セメント系材料にナノシリカを添加すると、水中のカルシウムの溶出によって引き起こされるコンクリートの基本的なCSH（ケイ酸カルシウム水和物）反応の劣化を抑制し、水の浸透を阻止して、耐久性を向上させることもできます。粒子充填の改善に関連して、普通ポルトランドセメント（OPC）クリンカーと標準砂を高エネルギーで粉砕すると、従来のOPCに比べて粒子サイズがさらに小さくなり、その結果、精製された材料の圧縮強度も（異なる材齢で）3～6倍高くなります。[ 23 ]
最近の研究では、ナノ粒子で改質された軽量コンクリートの構造変化を検出するためにコンピュータビジョン技術の使用が検討されている。これらのアプローチにより、高度なセメント系材料の微細構造の不均一性や劣化プロセスを非破壊的に評価することが可能になる。[ 25 ]
Steel is a widely available material that has a major role in the construction industry. The use of nanotechnology in steel helps to improve the physical properties of steel. Fatigue, or the structural failure of steel, is due to cyclic loading. Current steel designs are based on the reduction in the allowable stress, service life or regular inspection regime. This has a significant impact on the life-cycle costs of structures and limits the effective use of resources. Stress risers are responsible for initiating cracks from which fatigue failure results. The addition of copper nanoparticles reduces the surface un-evenness of steel, which then limits the number of stress risers and hence fatigue cracking. Advancements in this technology through the use of nanoparticles would lead to increased safety, less need for regular inspection, and more efficient materials free from fatigue issues for construction.[22]
Steel cables can be strengthened using carbon nanotubes. Stronger cables reduce the costs and period of construction, especially in suspension bridges, as the cables are run from end to end of the span.[22]
The use of vanadium and molybdenum nanoparticles improves the delayed fracture problems associated with high strength bolts. This reduces the effects of hydrogen embrittlement and improves steel micro-structure by reducing the effects of the inter-granular cementite phase.[22]
Welds and the Heat Affected Zone (HAZ) adjacent to welds can be brittle and fail without warning when subjected to sudden dynamic loading. The addition of nanoparticles such as magnesium and calcium makes the HAZ grains finer in plate steel. This nanoparticle addition leads to an increase in weld strength. The increase in strength results in a smaller resource requirement because less material is required in order to keep stresses within allowable limits.[22]
Nanotechnology represents a major opportunity for the wood industry to develop new products, substantially reduce processing costs, and open new markets for biobased materials.
木材はナノチューブ、すなわち「ナノフィブリル」と呼ばれる、鋼鉄の2倍の強度を持つリグノセルロース（木質組織）要素で構成されています。これらのナノフィブリルを採取することで、生産と利用の両方が再生可能なサイクルの一部となるため、持続可能な建築における新たなパラダイムが生まれるでしょう。一部の開発者は、ナノスケールでリグノセルロース表面に機能性を組み込むことで、自己殺菌表面、内部自己修復、電子リグノセルロースデバイスなどの新たな可能性が開かれると推測しています。これらの目立たないアクティブまたはパッシブなナノスケールセンサーは、構造荷重、温度、水分含有量、腐朽菌、熱損失または熱利得、空調空気の損失を監視することで、使用中の製品性能と環境条件に関するフィードバックを提供します。しかしながら、現状ではこれらの分野の研究は限られているようです。
木材は天然由来であるため、学際的な研究やモデリング技術において先導的な役割を果たしています。BASFは、シリカとアルミナのナノ粒子および疎水性ポリマーを組み込むことで、ハスの葉の作用に基づいた高い撥水性コーティングを開発しました。骨の力学的研究は、例えば乾燥プロセスにおいて、木材のモデル化に応用されています。[ 23 ]
ナノテクノロジーを建築におけるもう一つの重要な材料であるガラスに応用する研究が進められています。二酸化チタン（TiO 2）ナノ粒子は殺菌作用と防汚作用があるため、ガラスのコーティングに使用されています。これらの粒子は、有機汚染物質、揮発性有機化合物、細菌膜を分解する強力な反応を触媒します。TiO 2は親水性（水を引き付ける性質）であるため、雨滴を引き付け、汚れ粒子を洗い流すことができます。このように、ガラス産業にナノテクノロジーを導入することで、ガラスの自己洗浄特性が組み込まれます。[ 22 ]
防火ガラスはナノテクノロジーのもう一つの応用例です。これは、シリカナノ粒子（SiO 2）でできた透明な膨張層をガラスパネルの間に挟み込む（中間層）ことで実現され、加熱されると硬くて不透明な防火シールドになります。建築物に使用されるガラスのほとんどは建物の外側に使用されています。そのため、ガラスを通して建物に入る光と熱を防ぐ必要があります。ナノテクノロジーは、窓から入ってくる光と熱を遮断するためのより良い解決策を提供できます。[ 22 ]
コーティングは建設において重要な分野であり、壁、ドア、窓の塗装に広く使用されています。コーティングは、基材に結合した保護層を提供し、望ましい保護特性または機能特性を持つ表面を作り出す必要があります。コーティングは、「自己組織化」プロセスを通じて自己修復能力を持つ必要があります。ナノテクノロジーは、断熱材の下で自己修復能力と腐食防止機能を持つコーティングを得るために塗料に適用されています。これらのコーティングは疎水性であり、金属パイプから水をはじき、塩水攻撃から金属を保護することもできます。[ 22 ]
ナノ粒子ベースのシステムは、より優れた接着性と透明性を提供できます。TiO2コーティングは、光触媒プロセスによって有機および無機の大気汚染物質を捕捉および分解し、道路を環境に良い用途に利用することにつながります。[ 22 ]
鋼構造物の耐火性は、多くの場合、セメント系材料を吹き付けて作られるコーティングによって確保されます。ナノセメントは、この応用分野において新たなパラダイムを生み出す可能性を秘めています。なぜなら、得られる材料は、強靭で耐久性のある高温コーティングとして使用できるからです。耐火性を向上させる優れた方法であり、従来の断熱材よりも安価な選択肢となります。[ 22 ]
建築分野では、自己洗浄窓からフレキシブルソーラーパネル、Wi-Fi遮断塗料まで、ナノ材料が幅広く使用されています。自己修復コンクリート、紫外線や赤外線を遮断する材料、スモッグ除去コーティング、発光壁や天井は、建築における新しいナノ材料です。ナノテクノロジーは、「スマートホーム」を現実のものにする可能性を秘めています。ナノテクノロジー対応センサーは、温度、湿度、空気中の毒素を監視できますが、ナノテクノロジーベースの改良型バッテリーが必要です。センサーはワイヤレスコンポーネントを使用するため、建物の構成要素はインテリジェントでインタラクティブになり、幅広いデータを収集できます。[ 22 ]
ナノセンサーやナノ材料がスマートホームのように建物の日常的な一部になった場合、これらの材料は人間にどのような影響を与えるのでしょうか？[ 22 ]