ナノ製造

ナノ製造とは、粉末または液体であるナノスケールの材料の製造と、ナノスケールの材料から「ボトムアップ」または「トップダウン」で最小ステップで高精度の部品を製造することの両方であり、レーザーアブレーション、エッチングなどのさまざまな技術で使用されます。ナノ製造は、非生物学的な機械合成（およびそれに続く組み立て）によって複雑なナノスケール構造を製造する分子製造とは異なります。 ^[1]

「ナノ製造」という用語は、欧州技術プラットフォームMINAM ^[2]や米国国家ナノテクノロジーイニシアチブ（NNI）^{[3]などによって広く使用されています。 NNIは、}ナノテクノロジーのサブドメインを5つの「優先分野」の1つとしています。^[4]また、米国国立科学財団にもナノ製造プログラムがあり、それを通じて国家ナノ製造ネットワーク（NNN）が設立されました。 NNNは、ナノテクノロジーを研究室研究から生産製造に移行させるために活動する組織であり、情報交換、 ^[5]、戦略的ワークショップ、ロードマップの開発 を通じてこれを行っています。

NNI はナノテクノロジーを非常に広く定義しており^[6]、大きくて不正確なツールで作成されるものも含め、さまざまな微小構造を包含しています。しかし、NNI の最近の報告書「ナノテクノロジーの計測と計測」では、ナノ製造は定義されていません。対照的に、もう 1 つの「優先分野」であるナノファブリケーションは、「指向性または自己組織化法によって、原子または分子レベルで機能構造またはデバイスを製造する能力」と定義されています (p. 67)。ナノ製造は、低コストと信頼性を重視した、ナノテクノロジー ベースのオブジェクトの近い将来の工業規模の製造であると思われます。多くの専門団体がナノテクノロジー技術グループを結成しています。たとえば、製造技術者協会は、開発中の技術についてメンバーに情報を提供し、より広範な商業化のために対処しなければならない組織的および IP (知的財産) の法的問題に対処するために、ナノ製造技術グループを結成しました。

2014年に米国会計検査院は、政府が商業応用に向けた基礎研究の準備に投資しなかったことで、ナノテクノロジーにおけるアメリカのリーダーシップが危険にさらされていると指摘した。^[7]

日常の材料、電子機器、医療、省エネ、持続可能性、輸送におけるナノスケールシステムの数多くの用途と利点の実現により、これらのナノシステムをより大規模かつ高速に製造するための技術の開発研究が進められています。^[8] NNIやNNNなどのプログラムや組織は現在、経済的で持続可能かつ信頼性の高い産業規模のナノ製造技術の設計に向けた研究に資金を提供しています。^{[9] [10]}

こうした技術の一例としては、ノースイースタン大学の高速ナノ製造センター（CHN）の研究者らが開発したナノスケールオフセット印刷システム（NanoOps）がある。 ^[11] NanoOpsは、従来のナノシステムの3D印刷よりも高速で経済的な指向性アセンブリの一種である。プロジェクトのリーダーで、映画「ラボからファブへ：ナノ製造のパイオニア」に出演したアハメド・ブスナイナ氏は、このシステムを印刷機に例えている。ナノワイヤがエッチングされたテンプレートを、印刷機のインクとして機能するナノ粒子を含む溶液に浸す。^[12]溶液に電気を流すと、ナノ粒子がテンプレートに付着する。^[11]ナノ粒子が付着したテンプレートを溶液から取り出し、任意の材料に押し付けることができる。ブスナイナ氏によると、このプロセス全体のコストは従来の製造のわずか1％で、製造時間を数日から数分に短縮できるという。^[11]

もう一つの実例としては、ジョージア工科大学のナザニン・バシリ＝ガルブが開発したソフトテンプレート浸透製造技術がある。これは、強誘電性、圧電活性ナノチューブを製造するためのボトムアップナノ製造技術である。この方法では、電子ビームリソグラフィーを使用して前駆体ゾルゲル溶液に真空をかけて、ポリマーテンプレートを作成する。この非常にスケーラブルで実用的な製造プロセスにより、ユーザーはさまざまな用途に合わせてカスタムパターンや形状を製造できる。^{[13] [14]}

ナノマニュファクチャリングとは、 1～100ナノメートルの寸法の物体または材料の製造プロセスを指します。^[15]これらのプロセスにより、ナノテクノロジー、つまり有機化学、分子生物学、航空宇宙工学、物理学などの分野に応用される極小のデバイス、構造、機能、システムが生まれます。[16] ナノマニュファクチャリングにより、材料除去プロセス、デバイスの組み立て、医療機器、静電コーティングと繊維、リソグラフィーなどの用途を持つ新しい材料や製品の^作成が可能になります。 [ 16 ]ナノマニュファクチャリング^は、比較的最近の製造分野であり、新しい科学分野と新しい市場の両方を表しています。ナノマニュファクチャリングの研究では、従来の製造とは異なり、機械技術者、物理学者、生物学者、化学者、材料科学者のコラボレーションなど、一般的なエンジニアリングの分野を超えた共同作業が必要です。^[16]

ナノ製造は、一般的にトップダウンアプローチとボトムアップアプローチの 2 つのカテゴリに分類できます。

2009年、ナノスケールの部品を組み込んだ米国製品には910億ドルが費やされました。^[17] 2001年から2004年の間に、60か国以上が国家レベルでナノ製造産業関連のプログラムを設立しました。 ^[17] 2000年以来、国家ナノテクノロジーイニシアチブ（NNI）に提供された累積資金は120億ドルを超えています。^[17]

持続可能性の観点から見ると、原子層堆積法（ALD）は、ボトムアップと化学気相堆積法（CVD）製造方法を使用するナノスケールの製造技術です。^[19] ALDは、SiO ₂誘電体フィルムをAl ₂ O ₃誘電体フィルムに置き換えます。^[19] ALD業界はすでに半導体業界で使用されており、太陽電池、燃料電池、医療機器、センサー、ポリマー業界で有望です。^[19]ナノ製造技術により、食品包装の改善が可能になります。^[18]たとえば、プラスチック材料のバリアの改善により、顧客は関連情報を識別できます。^[18]自己修復機能も備えており、食品の寿命を延ばし、より安全な食品を目指しています。^[18]従来の建設資材である鉄鋼やコンクリートの性能は、ナノテクノロジーによって向上します。金属酸化物ナノ粒子でコンクリートを補強すると、浸透性が低下し、強度が向上します。^[20]カーボンナノチューブ（CNT）やカーボンナノファイバー（CNF）などのナノカーボン添加剤は、引張強度とヤング率が高く、密度が高く、多孔性の少ない材料を作り出します。^[20]

ナノテクノロジーを研究室での実証から工業規模の製造に移行するには、次のような多くの課題があります。

• 経済的で生産可能な生産技術の開発^[9]
• ナノ構造の組み立て精度の制御^{[9] [21]}
• 信頼性のテストと欠陥制御方法の確立。現在、半導体産業における欠陥制御は非選択的であり、製造時間全体の20～25％を占めています。ナノスケールシステムの欠陥除去には、不純物を選択的かつ慎重に除去する必要があるため、さらに多くの時間がかかることが予想されます。^[21]
• 高速大量生産中および生産後の製品寿命中におけるナノスケールの特性とナノシステムの品質の維持^{[9] [21]}
• 環境、倫理、社会への影響の評価^[22]