14 나노기술의 익숙하지 않은 사용 | 혜택 및 적용

'나노 기술'이라는 용어는 1974년 Norio Taniguchi 교수에 의해 처음 만들어졌습니다. 그는 나노미터 수준의 특성 제어를 나타내는 반도체 공정을 설명하고 있었습니다.

1나노미터는 얼마나 작습니까? 사람의 머리카락의 너비는 약 50마이크로미터입니다. 1나노미터는 머리카락 너비의 50,000분의 1입니다.

현대 나노기술은 과학자들이 개별 원자를 "볼" 수 있는 주사 터널링 현미경을 개발한 1981년에 시작되었습니다.

나노기술이란 정확히 무엇입니까?

나노기술은 1에서 100나노미터 사이의 나노 스케일에서 수행되는 과학, 기술 및 엔지니어링입니다. 매일 새로운 발견이 이루어지기 때문에 복잡한 주제가 될 수 있습니다.

나노기술은 재료 및 장비에 대한 전례 없는 통찰력을 제공할 수 있으며 장치 물리학, 재료 과학, 초분자 화학, 콜로이드 과학, 전기 및 기계 공학을 포함한 다양한 분야에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

주제는 나노기술 응용에 대한 명확하고 간결한 설명을 제공함으로써 더 잘 설명될 수 있습니다. 우리는 나노기술의 덜 널리 사용되는 용도와 그 이점을 나열하여 이것이 실제로 우리의 일상 생활에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다.

14. 식품 산업의 나노기술

식품 부문의 다양한 측면에서 나노기술의 역할 | 크레딧:프론티어

지난 20년 동안 식품 가공, 포장, 안전, 식품 매개 병원체 식별 및 식품의 유통 기한 연장을 포함하여 식품 미생물학 및 식품 과학의 다양한 분야에서 나노 입자 사용에 대한 요구가 증가함에 따라 나노 기술 응용 프로그램이 등장했습니다. .

예를 들어 식품 산업에서 사용되는 나노 공학 입자는 탄산 음료의 이산화탄소 누출을 최소화하고 지방을 줄이며 영양가를 향상시킵니다. 또한 식품을 신선하게 유지하기 위해 수분 유출을 유지하고 박테리아의 성장을 제어합니다.

나노 스케일 센서와 결합된 스마트 포장 기술을 통해 오염된 식품과 박테리아 및 살충제의 존재를 감지할 수 있습니다.

오늘날, 나노 규모의 재료는 음식의 풍미, 질감 및 색상을 개선하는 데 사용됩니다. 이산화티타늄, 이산화규소, 비정질 실리카 등의 나노입자를 식품첨가물로 사용하고 있습니다.

식품 산업에서 나노 입자의 상업적 응용은 새롭고 독특한 특성으로 인해 상당한 속도로 성장할 것으로 예상됩니다. 따라서 나노입자에 대한 인간의 노출은 계속 증가할 것이며 이와 관련된 건강 영향은 대중의 주요 관심사로 남을 것입니다.

13. 분자 통신

나노머신은 작동, 감지, 데이터 저장 및 컴퓨팅과 같은 수많은 작업을 수행할 수 있는 완전한 기능의 장치입니다. 보다 효과적이고 효율적이기 위해서는 이러한 기계들이 네트워크 형태로 상호 연결되어야 합니다.

분자 통신은 나노 기계 간의 통신을 위해 분자를 사용하는 나노 통신 네트워크의 패러다임입니다. 이러한 시스템은 특정 유형의 분자가 없거나 존재하지 않는 것을 사용하여 데이터를 디지털 방식으로 인코딩합니다.

그것은 전달을 위해 (물이나 공기와 같은) 매개체로 분자를 전달함으로써 작동합니다. 통신 신호는 에너지가 거의 필요하지 않으며 생체 적합성을 가질 수 있습니다. 또한 이 기술은 특정 크기의 안테나에 의존하지 않습니다.

분자 커뮤니케이션은 생물학적 물질 간의 커뮤니케이션에서 영감을 받았기 때문에 광범위한 생물 의학 및 환경 응용 분야를 제공합니다.

예를 들어 인체 내부의 나노 커뮤니케이션은 조직 공학, 면역 체계 강화, 뇌-기계 인터페이스 및 표적 약물 전달과 같은 여러 건강 응용 프로그램을 가질 수 있습니다.

과학자들은 현재 바이오 나노 기계 간의 종단 간 통신 모델을 연구하고 있습니다.

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12. 성장하는 신경 세포

이미지 제공:Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

신체의 신경 세포를 재생하는 능력은 외상과 질병의 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 과학자들은 신경 세포의 재생을 개선하기 위해 나노 기술을 연구하고 있습니다.

그들은 자성 나노입자가 축삭(또는 신경 섬유)의 신장을 자극하기 위한 기계적 장력을 생성하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었습니다. 그들은 또한 정렬된 나노섬유가 신경 세포가 재생될 수 있는 생리활성 매트릭스를 제공할 수 있는 방법을 설명했습니다.

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여러 연구에서 탄소 나노튜브가 뉴런의 완전한 성장과 새로운 시냅스의 형성을 촉진한다는 것이 입증되었습니다. 그러나 이러한 성장은 무차별적이고 무제한이 아닙니다.

11. 더 나은 태양 전지판

녹색 에너지에 대한 세계적인 관심이 계속 높아짐에 따라 과학자들은 태양 전지의 효율을 높이는 방법을 계속 연구해 왔습니다. 지난 몇 년 동안 나노 기술의 몇 가지 발전이 태양 전지판에 통합되어 효율성을 개선하는 동시에 제조 및 설치 비용을 절감했습니다.

특히 실리콘 나노입자는 낮은 부피 밀도, 활성 표면 상태 및 독특한 광발광 특성을 갖고 있어 유용한 것으로 입증되었습니다. 따라서 이러한 나노 입자는 집적 반도체, 발광 디스플레이 장치, 태양 에너지 전지 및 리튬 이온 배터리에도 사용됩니다.

최근 그래핀 기반 태양전지의 발전으로 기존 태양전지에 비해 반사율은 20% 낮고 에너지 전환율은 40% 이상 높아졌습니다.

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10. 나노아트

Jonty Hurwitz가 만든 나노 조각

과학자들은 '나노아트' 덕분에 예술가가 된다. 분자 및 원자 규모로 이루어진 작품입니다. 실험실에서 전자현미경으로 관찰되는 천연 또는 합성 나노구조를 나타냅니다.

나노 아트를 만들기 위해 과학자들은 먼저 분자와 원자의 질감을 분석하고 현미경 이미지를 캡처하고 결과 이미지를 조정하여 독특한 예술 작품을 만듭니다. 그러한 예술의 목적 중 하나는 사람들에게 유용한 작은 물체와 그 합성의 발전에 익숙해지는 것입니다.

2015년 Jonty Hurwitz는 사진 측량 및 다광자 리소그래피를 사용하여 나노 조각을 생성하는 새로운 방법을 개발했습니다. Hurwitz는 이제 나노 기술을 사용하여 만들어진 가장 작은 인간 형태로 인정받는 창의적인 예술가입니다.

9. 의료 진단 및 치료

나노 기술 기반 진단 방법은 두 가지 주요 이점을 제공할 수 있습니다.

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의사가 진단 테스트를 수행하고 하루 이내에 치료를 시작할 수 있는 빠른 테스트

심각한 질병을 조기에 발견하여 의사가 환자의 피해를 줄이면서 질병을 조기에 멈출 수 있습니다.

예를 들어, 과학자들은 혈류에서 암세포를 감지하기 위해 NanoFlares라는 나노입자를 개발하고 있습니다. 이 나노입자는 암세포의 유전적 표적과 결합하여 특정 표적이 발견되면 형광 신호를 생성하도록 설계되었습니다.

또 다른 좋은 예는 개별 바이러스 입자를 식별할 수 있는 나노포어 센서입니다. 인공 지능 기술과 결합된 나노포어 센서는 바이러스의 신속한 사용 지점 감지를 제공할 수 있습니다.

이 기술은 감염 퇴치에도 사용할 수 있습니다. 연구원들은 클로르헥시딘 헥사메타포스페이트의 나노입자를 포함하는 카테터 드레싱의 프로토타입을 개발했습니다. 그것은 박테리아의 성장을 억제하고 상처 집락을 감소시킬 수 있습니다. 가까운 장래에 이러한 유형의 분자는 감염을 제어하기 위한 상처 관리 재료에 사용될 수 있습니다.

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8. 연료 가용성 향상

나노기술은 다양한 방식으로 화석 연료(가솔린 및 디젤)의 부족을 해결할 수 있습니다. –

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엔진의 주행거리를 증가시킬 수 있습니다.

재래식 원료로부터 연료를 효율적이고 경제적으로 생산할 수 있습니다.

나노 물질은 촉매 활성, 내구성, 안정성, 높은 결정도 및 효율적인 저장과 같은 고유한 특성으로 인해 수많은 바이오 연료 시스템에 대한 탁월한 후보이며, 이는 종합적으로 전체 시스템을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

가스화, 열분해, 혐기성 소화, 에스테르 교환 반응 및 수소화와 결합된 나노기술은 경제적이고 효율적인 것으로 입증되었지만 여전히 대부분 실험실 및 소규모에 제한되어 있습니다. 그들은 곧(향후 30년 안에) 상업적 규모로 기존 시스템을 대체할 것입니다.

산화칼슘, 티타늄, 산화스트론튬 및 산화마그네슘을 비롯한 여러 금속 산화물 나노 촉매가 바이오디젤 생산을 위한 높은 촉매 성능으로 만들어졌습니다. 탄소 기반 나노 촉매는 또한 다양한 공급원료로부터 바이오디젤을 생산할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

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7. 디스플레이 및 광전자 장치

보라색에서 진한 빨간색으로 점진적으로 방출되는 양자점 | 위키미디어 공용

실리콘 나노와이어와 탄소 나노튜브는 저에너지 소비 디스플레이 개발을 가능하게 합니다. 이러한 나노구조는 전도성이 높기 때문에 전계 방출 디스플레이에 전례 없는 효율로 사용할 수 있습니다.

OLED에서 nanomaterials 및 nanofabrication 기술은 투명 전극을 제조하고 외부 손상(예:물)으로부터 보호하기 위해 OLED를 포장하는 데 사용됩니다.

과학자들은 투명 전도체로서 몇 나노미터의 그래핀을 성공적으로 개발하여 저렴하고 유연한 OLED를 위한 길을 열었습니다.

유기 발광 트랜지스터(OLED의 대안)는 유기 광전자공학의 새로운 문을 열고 여기자 소광 및 광자 손실과 같은 근본적인 광자 문제를 해결하기 위한 테스트베드 역할을 할 수 있습니다.

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크기가 수 나노미터인 작은 반도체 입자인 양자점은 전기 활성(전자발광) 및 광활성(광발광)입니다. 독특한 물리적 특성으로 인해 차세대 디스플레이를 위한 유망한 소재입니다.

OLED 및 유기 발광 재료에 비해 퀀텀닷 기반 재료는 수명이 길고 색상이 더 깨끗하며 소비 전력 및 제조 비용이 낮습니다.

6. 컴퓨팅 및 메모리 저장

나노미터-반도체 제조공정의 진행 상황

나노일렉트로닉스를 사용하면 컴퓨터 프로세서를 기존의 반도체 제조 방법으로 가능한 것보다 더 강력하게 만들 수 있습니다. 과학자들은 현재 새로운 유형의 나노리소그래피를 비롯한 여러 기술과 기존 CMOS 부품 대신 소분자 및 나노와이어와 같은 나노물질을 사용하는 방법을 연구하고 있습니다.

그들은 이종 구조의 반도체 나노와이어와 반도체 탄소 나노튜브를 사용하여 전계 효과 트랜지스터를 개발할 수 있었습니다.

기술 대기업들은 2010년대 초에 나노전자 메모리 생산을 시작했습니다. 2013년 삼성은 10나노 멀티레벨 셀 낸드 플래시 메모리를 생산했다. 2017년, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company는 7나노미터 공정을 사용하여 SRAM 메모리를 생산했습니다.

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5. 양자 나노과학

양자 나노과학은 공학된 나노구조에서 일관된 양자 효과를 탐구하기 위해 양자 역학을 활용하는 물리학 및 나노기술의 한 분야를 말합니다.

최근 양자컴퓨터의 구현을 위한 연구가 늘어남에 따라 양자는 새로운 의미를 갖게 되었다. 오늘날 양자 일관성, 중첩 및 얽힘과 같은 양자 역학 현상은 나노 규모로 처리됩니다.

이 분야의 응용 프로그램에는 양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이터, 양자 통신 및 양자 감지가 포함됩니다.

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4. 고속 충전 스마트폰 및 전기 자동차

최근에는 리튬 이온 배터리와 같은 최첨단 에너지 저장 시스템을 개선할 수 있는 나노구조 전극 재료 개발에 실질적인 노력이 집중되고 있습니다.

일부 연구자들은 슈퍼커패시터로 사용할 수 있는 2차원 전이금속 디칼코게나이드를 고안했습니다. 재료가 작아 전자이동이 빨라 충방전이 빨라진다. 2D 소재 쉘 코팅이 된 나노미터 두께의 와이어로 구성되어 있습니다.

그런 예는 많이 있습니다. StoreDot이라는 이스라엘 기반 회사는 스마트폰, 전기 자동차, 가전 제품을 비롯한 다양한 산업 분야에서 궁극적인 고속 충전 표준이 될 잠재력이 있는 독점 유기 화합물과 결합된 나노 물질을 구축합니다.

에너지 밀도와 고속 충전의 독특한 조합은 차세대 플래시 배터리의 새로운 문을 열었습니다. 회사에 따르면 그들의 스마트폰 배터리와 전기차용 플래시 배터리(불연, 유기화합물로 제작)는 각각 60초와 5분(300마일 주행거리 제공) 만에 충전할 수 있다.

3. 나노코팅 및 나노구조 표면

소수성 나노 코팅

최근에는 원자 또는 나노 단위로 두께를 제어하는 코팅이 보편화되었습니다. 최근 응용 분야에는 화학 작용제를 촉매적으로 파괴하는 나노입자 산화물 코팅과 항균 및 발수성으로 설계된 자가 세척 창(활성화된 이산화티타늄 코팅)이 포함됩니다.

나노 규모의 중간 층은 우수한 결합력과 열 및 탄성 특성의 등급 일치를 제공하여 접착력을 향상시킵니다. 이러한 유형의 레이어는 또한 마모 및 긁힘 방지 하드 코팅을 개선합니다.

또한 나노 규모의 향상된 다공성 제어로 직물이 훨씬 더 좋아졌습니다. 방수, 통기성, 얼룩 방지 직물이 가능해졌습니다.

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2. 우주 탐사

제공:NASA

나노기술은 우주 비행을 보다 실용적으로 만들 수 있습니다. 최근 나노물질의 발전은 엔지니어들이 경량 우주선을 만들고 우주로 로켓을 보내는 데 필요한 연료량을 줄이는 데 도움이 되었습니다.

나노 로봇 및 나노 센서와 결합된 새로운 재료는 우주 탐사선 및 우주복의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 과학자들은 구조적 강도를 유지하면서 우주선의 무게를 줄이기 위해 탄소 나노튜브 기반 재료를 사용하고 있습니다.

이 탄소 나노튜브는 태양광 압력(태양 전지에 반사되는 빛)을 사용하여 우주 탐사선을 추진하는 경량 태양 전지를 가능하게 할 수 있습니다. 이것은 행성간 임무 중에 더 많은 연료를 절약합니다. 또한 온보드 나노센서는 우주정거장의 미량 화학물질 수준을 모니터링하여 생명 유지 시스템의 성능을 분석할 수 있습니다.