III. APLICAŢII ALE NANOTEHNOLOGIILOR

III.1. Materiale textile

Nanotehnologia poate fi utilizată pentru a crea materiale textile cu performanţe superioare, fără a le compromite calităţile acestora referitoare la aspect, calitate sau confort. De exemplu, nanomaterialele pot fi adăugate ţesăturilor pentru a le face rezistente la pete.

III.2. Celule solare

Utilizarea nanoparticulelor la fabricarea celulelor solare este benefică deoarece:

Ø Pot reduce costurile de fabricare prin utilizarea unei tehnologii de temperatură scăzută în locul procesului de sedimentare/stratificare in vid la temperaturi inalte folosit pentru producerea de celule conventionale realizate cu material semiconductor cristalin.

Ø Pot reduce costurile de instalare prin producerea de role flexibile în loc de panouri rigide cristaline. În prezent, celulele solare disponibile în domeniul nanotehnologiei nu sunt la fel de eficiente ca şi cele tradiţionale. Cu toate acestea, costul lor redus compensează acest dezavantaj. În versiunile pe termen lung, atât în domeniul nanotehnologiei ar trebui să fie costuri mai mici şi, folosind puncte cuantice, ar trebui să poată să ajungă la niveluri mai ridicate de eficienţă decât cele convenţionale.

Celule solare sensibile la culoare: conversia luminii solare în energie electrică la nivel molecular.

Celule solare convenţionale

Celulele solare convenţionale bazate pe siliciu sunt construite prin plasarea cristalelor de înaltă puritate unul peste celălalt, într-o structură tip sandviş.

Avantaje:

• Prezintă eficienţă energetică bună

Dezavantaje:

• Sunt scumpe.

• Necesită multă energie pentru producerea unei celule solare.

• Absorb energie doar pentru un interval limitat.

Soluţii:

1. Dezvoltarea de nanocristale de siliciu, proiectate pentru a absorbi mai multă energie solară

2. Abordări biomimetrice care imită procesul natural de fotosinteză

Celule solare pe bază de pigmenţi (“Celule Grätzel”)

• Curentul se obţine prin absorbţie de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se un semiconductor.

• Semiconductorul nanostructurat are o suprafaţă internă imensă pentru a maximiza absorbţia luminii şi a reduce dimensiunea celulei.

• Lumina este captată mai degrabă de pigment decât de matricea semi-conductoare. Aceasta înseamnă că o gamă spectrală mai mare este utilizată în celulă.

III.3. Crema cu protecţie solară

Dioxidul de titan îi conferă cremei cu protecţie solară ridicată aspectul alb. Nanoparticulele de oxizi de titan au proprietatea de protecţie UV asemănătoare cu materialul brut, dar pierd din aspectul alb când mărimea particulelor este mai mică.

III.4. Suprafeţe cu proprietatea de auto-curăţare

Sticla cu proprietatea de auto-curăţare funcţionează în două moduri.

1. Procesul numit foto-cataliză reprezintă acţiunea luminii pe suprafaţa de sticlă, care practic "mănâncă" murdăria de pe suprafaţă.

2. Procesul cunoscut sub denumirea de hidrofilicitate. Acesta înseamnă că sticla “iubeşte apa”, iar apa pluvială care intră în contact cu suprafaţa va forma un film continuu care înlătură mizeria.

Aceste două procese sunt introduse cu ajutorul unui strat de dioxid de titan de pe suprafaţa exterioară a sticlei. Dioxidul de titan este un pigment anorganic care este larg folosit într-o gamă întreagă de produse, iar în acest caz , acesta reprezintă un strat foarte subţire pe suprafaţa exterioară a sticlei . Acesta are o grosime de aproximativ 25nm.

III.5. Stocarea energiei si Reducerea consumului de energie

Dispozitivele nanostructurate au potenţialul de a servi ca bază pentru sistemele de energie de generaţie nouă, care utilizează interfeţe dens ambalate si filme subţiri. Cercetatorii au dezvoltat din metal-izolator-metal nano-condensatori. Este posibilă cuprinderea unui milion de astfel de condensatoare mici pe o suprafaţă de un centimetru pătrat. Utilizarea unor astfel de condensatoare în baterii şi alte dispozitive de stocare a energiei ar putea creşte enorm eficienţa şi capacitatea unor astfel de dispozitive.

Consumul de energie poate fi redus prin diferite metode:

• Materiale compozite (combinaţia de nanomateriale cu materiale convenţionale):

• Îmbunătăţirea izolaţiei termice.

• Reducerea consumului de combustibil - ex. în sectorul transporturilor, reducerea masei vehiculului şi a rezistenţei la frecare.

• Sisteme de încălzire şi iluminare îmbunătăţite

• Înlocuirea becurilor cu filament cu dispozitive de iluminat noi realizate cu ajutorul punctelor cuantice.

• Baterii

• Durată mai lungă de viaţă şi îmbunătăţirea performanţelor bateriilor

Nanomaterialele, precum punctele cuantice (nanoparticule semiconductoare) pot fi utilizate în dispozitive de iluminat noi cu consum scăzut de energie

III.6. Nanoparticule de argint

De secole, argintul este utilizat pentru capacitatea sa de a distruge bacteriile - de la vechii romani care tratau apa cu monede de argint, la NASA care foloseşte metalul pentru a purifica apa de la bordul navetei spaţiale. Nanoparticulele de argint (Ag) sunt încorporate în plasturii medicinali, datorită capacităţii lor de a inhiba transmiterea de viruşi.

III.7. Diagnostice

Cei care suferă de cancer pancreatic au o rată de supravieţuire extrem de scăzută (mai puţin de 5%, după 5 ani), deoarece acesta este de obicei diagnosticat când se află în stadiu avansat.

Oamenii de ştiintă au creat instrumente pentru diagnosticarea precoce a cancerului pancreatic prin ataşarea unei molecule, care se leagă în mod specific la celulele de cancer pancreatic la nanoparticule de oxizi de fier, care sunt clar vizibile cu ajutorul tehnicii de imagistică medicală care foloseşte un instrument numit MRI scanner.

III.8. Nanotehnologia în medicină

Nanotehnologia furnizează instrumente noi care sunt folosite pentru înţelegerea, cercetarea şi tratarea bolilor.

Nanomaterialelor li se pot da funcţionalităţi biologice astfel încât să poată interacţiona cu celulele şi cu constituenţii lor (proteinele, lipidele, ADN-ul etc.) într-un mod specific. Dacă nanomaterialele au funcţionalităţi corecte, pot induce sau opri anumite reacţii metabolice.

Nanomaterialele sunt deseori la fel de mari ca (sau mai mici decât) multe structuri şi procese biologice.

a) Tratarea bolilor

• În mod tradiţional, majoritatea medicamentelor sunt administrate fie oral, fie prin injectare. Acest lucru duce la unele probleme:

• Efectele terapeutice pot fi reduse datorită timpului necesar pentru ca medicamentul să-şi facă efectul.

• Injecţiile pot fi dureroase, pot fi administrate cu dificultate, pot fi scumpe şi chiar periculoase.

• Obiectiv – a crea un medicament care vizează exclusiv o boală, rapid şi cu precizie, fără efecte secundare.

• Sistemele de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano pot fi:

• Cu ţintă specifică, astfel încât celulele sănătoase să nu fie lezate şi să necesite mai puţine medicamente.

• Cu eliberare prelungită (eliberate în mod continuu pentru a furniza tratament permanent).

• Cum?

• Majoritatea sistemelor de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano fie separă moleculele dintr-un suport polimeric biocompatibil, fie îl încapsulează într-un rezervor la scală nanometrică.

b) Imagistica bolilor

Prin elaborare şi sinteză atentă pot fi create nanoparticule multifuncţionale care se leagă în mod specific de anumite tipuri de specii din corp (de ex. celulele canceroase, colesterolul). Datorită faptului că nanoparticulele sunt create să fie vizibile prin tehnici de imagistică medicală, ele pot fi folosite ca markeri sau taguri pentru a permite doctorilor să monitorizeze nivelul şi răspândirea bolii.

c) Repararea ţesuturilor lezate

Pot fi sintetizate noi materiale compozite biocompatibile care vor fi absorbite de corp pentru a repara rana, de ex. prin folosirea materialelor nanoporoase şi a polimerilor biocompatibili.

Această imagine la microscopul cu scanare electronică arată o structură-schemă de hidrogel (hydrogel scaffold) crescută pentru studiul ingineriei ţesutului cerebral şi a regenerării nervoase (D Nisbet, Universitatea Monash, NISE Network, www.nisenet.org, autorizată în condiţiile reţelei NISE).

d) Laboratoratoarele pe un cip şi biosenzorii

• Dispozitivele de diagnostic în miniatură sunt în curs de dezvoltare pentru a da un diagnostic precis şi rapid, prin prelevarea unei cantitatăţi mici de lichid.

• Eşantioanele nu vor trebui să fie trimise la laborator pentru analiză, economisindu-se timp şi resurse.

• Dispozitivele de diagnostic miniaturizate includ biosenzorii, micromatricile (microarrays) şi dispozitivele numite ”laboratoare-pe-un–cip” (LOC), denumite şi sisteme miniaturizate de analiză totală (µTAS)

Laboratoare pe un cip

• Laboratoare integrate miniaturizate care permit separarea şi analiza eşantioanelor biologice într-un singur dispozitiv (de ex. sângele).

• Sunt fabricate din sisteme microfluidice, care includ micropompe şi microvalve, integrate cu componente microelectronice. Dispozitivul mai poate integra unul sau mai mulţi senzori.

• Nanotehnologia poate miniaturiza componentele şi poate îmbunătăşi funcţii specifice, de ex. prin folosirea electrozilor de mărime nanometrică sau a membranelor nanoporoase.

Viziunea Theranostics

• Nanotehnologia poate permite integrarea diagnosticului unei boli, imagistica, terapia şi rezultatul într-un singur proces – cunoscut sub numele de “theranostics”

• Medicamentele pot fi legate de nanoparticule (cum ar fi punctele cuantice) care suferă o schimbare a unei proprietăţi (cum ar fi schimbarea culorii) odată ce medicamentul şi-a atins ţinta.

• Împreună cu un sistem lent de eliberare a ţintei, nanoparticulele ar putea să-şi schimbe treptat culoarea în timp ce acţionează, informând astfel doctorii de progresul terapiei.

• Un exemplu de theranostic este folosirea particulelor nanoshell de aur pentru imagistica şi tratarea celulelor canceroase în acelaşi timp.

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

Fabricate prin folosirea straturilor subţiri de molecule organice care pot fi depuse cu uşurinţă pe un substrat.

Avantaje

• Consumă mai puţină energie decât ecranele LCD

• Au o calitate bună a imaginii

• Mult mai subţiri şi mai luminoase decât panourile LCD

• Funcţionează bine în lumina soarelui şi în unghiuri diferite

Dezavantaje

• Durată de funcţionare mică datorită degradării moleculare

• Moleculele sunt sensibile la umiditate; necesită ambalare costisitoare

• Create în mod curent pentru a necesita materiale scumpe pentru fabricarea electrozilor.

III.9. Armura pentru soldaţii „Robocop"

Războinicul bionic este deja un concept accesibil, care a fost popularizat de filmele SF. Totuşi, ceea ce şi-a propus armata americană e cat se poate de real. Conform proiectului „Robocop", pană cel mai tarziu în anul 2020, toţi soldaţii vor fi îmbrăcaţi în „armuri nanometrice", realizate din materiale ce conţin fibre din nanotuburi. Noile echipamente îi vor apăra de orice glonţ şi de efectele devastatoare ale exploziilor. Pe corpul soldatului se vor afla peste o mie de senzori nanometrici, care vor sesiza în timp util apropierea unui glonţ sau a unui şrapnel, iar apoi vor „comanda" costumului să se „întărească" în zona probabilă de impact.

Această tehnologie implică faptul că fiecare centimetru pătrat de material va conţine senzori şi mecanisme de „întărire", prin repoziţionarea nanotuburilor. Uniformele duale, care vor putea fi alternativ flexibile ca orice panză sau mai rezistente decat kevlarul, vor putea trece dintr-o stare în alta şi la comanda verbală a purtătorului. Şi asta nu e tot. Acelaşi material va putea imita culorile mediului atat de bine încat, în cateva fracţiuni de secundă, soldatul va deveni aproape invizibil de la distanţă.

Casca protectoare a capului va fi chiar mai rezistentă decat hainele şi, în plus, va fi dotată cu sisteme de extindere a acuităţii vizuale şi auditive, plus un translator automat al cuvintelor, rostite de militar în limba engleză, în orice limbă vorbită pe Terra. Dacă adăugăm sistemele de night-vision, cu infraroşii, e limpede că vom avea de-a face cu un veritabil robot miniatural. Toată aparatura va fi realizată cu ajutorul nanotehnologiei, pentru ca, în ciuda complexităţii tehnice, casca să rămană uşoară şi confortabilă.

III.10. Arme

Mitraliere cu patru ţevi şi sistem de ghidare prin laser, realizate din nanotuburi, care folosesc muniţie de mai multe tipuri

III.11. Camuflaj

Materialul din nanofibre al uniformei se va colora precum mediul ambiant, iar soldatul va deveni invizibil de la distanţe mari.

III.12. Supra-oameni

Exoscheletul pe care este construit costumul are articulaţii pneumatice care vor accelera mersul militarului şi îi vor permite acestuia să ridice şi să transporte cu uşurinţă greutăţi foarte mari, muşchii suportand doar 10% din efortul necesar.

III.13. Cască

Dotată cu vedere stereoscopică şi night-vision, casca este capabilă să proiecteze informaţii şi scheme pe interiorul vizorului. Acesta nu poate fi penetrat de gloanţe.

III.14. Haine inteligente

Hainele sunt prevăzute cu senzori care estimează zona unde va lovi glonţul şi apoi, cu ajutorul unui mecanism special, reorientează nanotuburile, devenind mai rezistente decat Kevlarul în locul vizat.

Nanotuburile pot fi incluse în ţesăturile obişnuite. Singura problemă e că, o vreme, vor costa cam mult. Deja există materiale realizate cu nanotuburi, care costă 10.000 de dolari metrul. Este vorba de ţesături de mătase acoperite cu nanofibre ce conţin aur, care arată exact ca o ţesătură făcută din fir de aur, dar are toate calităţile mătăsii. Şi fibra de bumbac poate fi acoperită cu nanotuburi din argint, prin simpla atracţie dintre sarcinile pozitive ale bumbacului şi ionii negativi de argint.

De ce ţesături cu argint? Pentru că acest metal are reale calităţi antibacteriene şi antivirotice, fiind capabil să cureţe inclusiv aerul care trece printr-o astfel de ţesătură. Prezenţa nanotuburilor de argint nu va permite murdărirea materialului, pentru că de el nu se va putea „agăţa" nicio celulă moartă de piele, niciun fir de praf, nicio bacterie şi nici măcar un virus.

De pete nici nu va mai fi vorba! Cei care au realizat acest material spun că el nu trebuie neapărat să aibă aparenţă metalică, aspectul fiind dual, prin poziţionarea diferită a fibrelor din nanotuburi. Toate casele vor avea în curand perdele cu nanotuburi de argint, care vor ioniza aerul şi vor reduce poluarea pană aproape de zero.

III.15. Cucerirea spaţiului cosmic cu ajutorul roboţilor minusculi

Pentru fiecare 100 de nanocomputere va fi lansat şi cate unul capabil să funcţioneze ca server, care le va coordona pe celelalte şi va transmite, prin unde radio, informaţii către PămantUn grup de cercetători de la Universitatea din Glasgow a reuşit să construiască nişte dispozitive nanometrice, dotate cu aparatură foarte sofisticată, care pot transmite prin unde radio informaţii meteo şi audio-video la distanţe comparabile cu distanţa dintre Pămant şi celelalte planete ale Sistemului Solar.

Aceste dispozitive urmează să fie lansate cu sutele de mii pe cate o planetă. Unele dintre ele vor avea rol de server, celelalte funcţionand precum computerele într-o reţea wireless. Nanocomputerele au fost deja realizate de către Centrul de Cercetare Nanoelectronică din Glasgow, iar „praful inteligent" este gata să fie lansat în spaţiu.

Cu ajutorul unor navete spaţiale, reţelele de spioni nanometrici vor fi lansate mai întai în atmosferele planetelor alăturate, Marte şi Venus, iar în următorii ani şi pe celelalte planete ale Sistemului Solar. Pe fiecare planetă, reţeaua va fi „distribuită" de vant, fiind – de fapt – în continuă mişcare, în funcţie de condiţiile atmosferice.

Aripa portantă a dispozitivelor a fost realizată după modelul seminţelor de păpădie – care pot zbura, la propriu, la cea mai mică adiere. Stratul de polimer dublat cu nanotuburi, care protejează nanocomputerele, este foarte rezistent la intemperii şi numai dacă se vor scufunda în lavă acestea vor fi distruse. Pe apă, plutesc exact ca firele de praf.

III.16. Nanodoctori, în 30 de ani

Cum ar fi să putem înghiţi un doctor mic de tot, care să poată călători prin sange pană la orice celulă bolnavă a corpului? Nanodoctorul s-ar putea pricepe la toate: să ofere medicaţie, să extirpe tumori, să facă analize şi să „pună umărul" la reconstrucţia ţesuturilor distruse accidental. Deşi pare ficţiune, aceşti roboţi medicali pot fi realizaţi prin nanotehnologie. „Medicamentele pe care le facem azi sunt foarte puţin eficiente din cauza măsurilor de precauţie. Cand facem un antibiotic, destinat uciderii bacteriilor, trebuie să avem grijă ca el să nu ucidă şi celulele corpului nostru.

Un nanorobot, capabil să administreze otrava numai bacteriilor pe care le vizăm, ar simplifica mult lucrurile", spune Ottilia Saxl, directorul executiv al Institutului pentru Nanotehnologii din SUA. Bolile vor putea fi diagnosticate înainte ca omul să simtă primele neplăceri, ceea ce ar simplifica şi mai mult tratarea lor. Organele umane care suferă „avarii" de uzură, precum ficatul, rinichii şi creierul, vor putea fi ajutate să-şi refacă celulele distruse.

Nanoroboţii vor putea plasa celule stem exact la locul „dezastrului" şi apoi, după ce ele se vor multiplica - transformandu-se într-un ţesut identic celui care trebuie să fie înlocuit, tot roboţii vor opri procesul, pentru a evita apariţia de tumori. Nanoroboţi atat de complecşi vom avea peste numai 30 de ani.

III.17. Nanotehnologia şi TIC

a) Miniaturizarea şi nanotehnologia

Sectorul Tehnologiei Informaţiei şi Comunicaţiilor (TIC) a avut o expansiune rapidă întrucât activităţile de muncă şi cele sociale sunt transformate de noile tehnologii. Acest lucru a necesitat computere mai rapide, create cu ajutorul unor tranzistori mai mici realizaţi prin procese de fabricaţie avansate. Micşorarea mărimii tranzistorului permite plasarea mai multor tranzistori pe un circuit integrat, mărind performanţa computerului. Legea lui Moore prevede că numărul de tranzistori plasaţi pe un circuit integrat se dublează din doi în doi ani.

În prezent există preocuparea pentru a continua această cale a miniaturizării, deoarece materialele din care sunt fabricaţi semiconductorii, metalele şi izolaţiile sunt reduse la scală nanometrică, proprietăţile lor fiind determinate şi dominate de efectele cuantice. Nanotehnologia oferă mai degrabă prilejul de a cerceta decât a evita efectele cuantice pentru dezvoltarea următoarei generaţii de circuite integrate. Întrucât miniaturizarea nu poate continua la nesfârşit cu metodele şi instrumentele care au fost folosite până în prezent, va fi nevoie de alte abordări.

Graficul arată creşterea numărului de tranzistori pe un cip pentru computer, conform predicţiei lui Moore. (Sursa imaginii: http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Wgsimon, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)

b) Tehnologii în curs de dezvoltare în TIC

Dispozitivele vor fi mai rapide, mai puternice şi vor avea un număr mai mare de caracteristici datorită nanotehnologiei.

În domeniul fabricării tranzistorilor convenţionali se depun în mod constant eforturi pentru crearea tranzistorilor mai mici. Elaborarea mai multor ansamble de circuite avansate este posibilă datorită noilor configuraţii şi complexităţii mărite de fabricaţie.

Fotografia unui wafer de procesoare Intel “Penryn” de 45nm.

Prin folosirea proprietăţilor inerente ale nanomaterialelor în efectuarea calculelor, este posibil ca viitoarele computere să nu se mai bazeze pe tehnologia tradiţională bazată pe siliciu. Ar putea fi folosite materiale precum nanofirele singulare sau punctele cuantice.

Un dispozitiv de memorie construit în jurul unui nanofir singular de oxid de zinc.Fiecare nanofir are un diametru mai mic de 100 nm.

Noile tehnici de fabricaţie permit sinteza circuitelor identice, făcând posibilă crearea de dispozitive flexibile, care se pot întinde şi apoi pot reveni la forma iniţială. Aceste dispozitive pot fi rulate sau îndoite, fără să se deterioreze performanţa dispozitivului.

III.18. Integrarea nanotehnologiei în dispozitivele de zi cu zi

Evoluţia sectorului TIC va depăşi ceea ce numim “electronică”(şi anume, dispozitive care efectuează o sarcină pentru noi). Există perspectiva de a avea electronica încorporată în hainele noastre sau în mediul înconjurător, în ceea ce este conceput ca reţea de dispozitive care creează “inteligenţa ambientală”. Dispozitivele viitoare de comunicare mobilă vor avea o multi-funcţionalitate la un nivel cu mult mai înalt decât modelele curente.

a) Tehnologia de magnetorezistenţă gigantică (MRG)

Numeroase produse electronice populare au componente care folosesc un efect numit MRG. Rezistenţa electrică a structurilor făcute din straturi foarte subţiri de metale magnetice şi nemagnetice se poate schimba într-un grad neaşteptat de mare în prezenţa unui câmp magnetic aplicat.