14 Utilisations inconnues de la nanotechnologie | Avantages et applications

Le terme « nanotechnologie » a été inventé pour la première fois par le professeur Norio Taniguchi en 1974. Il décrivait des processus de semi-conducteurs qui présentent un contrôle caractéristique de l'ordre du nanomètre.

Quelle est la taille d'un nanomètre ? Les cheveux humains mesurent environ 50 micromètres de large. Un nanomètre correspond au 50 000e de la largeur d'un cheveu.

La nanotechnologie moderne a commencé en 1981 lorsque les scientifiques ont développé le microscope à effet tunnel pour « voir » des atomes individuels.

Qu'est-ce que la nanotechnologie exactement ?

La nanotechnologie est la science, la technologie et l'ingénierie réalisées à l'échelle nanométrique, entre 1 et 100 nanomètres. Cela peut être un sujet compliqué avec de nouvelles découvertes chaque jour.

La nanotechnologie peut fournir des informations sans précédent sur les matériaux et les équipements et est susceptible d'avoir un impact sur divers domaines, notamment la physique des appareils, la science des matériaux, la chimie supramoléculaire, la science colloïdale et le génie électrique et mécanique.

Le sujet peut être mieux expliqué en fournissant des explications claires et concises sur les applications des nanotechnologies. Nous avons répertorié quelques utilisations moins populaires de la nanotechnologie et leurs avantages, en montrant leur impact réel sur notre vie quotidienne.

14. Nanotechnologie dans l'industrie alimentaire

Rôle de la nanotechnologie dans différents aspects des secteurs alimentaires | Crédit :Frontières 

Au cours des deux dernières décennies, les applications des nanotechnologies ont émergé avec le besoin croissant d'utilisations des nanoparticules dans différents domaines de la microbiologie alimentaire et de la science alimentaire, y compris la transformation des aliments, l'emballage, la sécurité, l'identification des agents pathogènes d'origine alimentaire et la prolongation de la durée de conservation des produits alimentaires. .

Les particules nanotechnologiques utilisées dans l'industrie alimentaire, par exemple, minimisent les fuites de dioxyde de carbone dans les boissons gazeuses, réduisent les matières grasses et améliorent la valeur nutritionnelle. Ils maintiennent également l'évacuation de l'humidité et contrôlent la croissance des bactéries afin de garder les aliments frais.

Des techniques d'emballage intelligentes combinées à des capteurs à l'échelle nanométrique permettent de détecter les aliments contaminés et la présence de bactéries et de pesticides.

Aujourd'hui, des ingrédients à l'échelle nanométrique sont utilisés pour améliorer la saveur, la texture et la couleur des aliments. Les nanoparticules de dioxyde de titane, de dioxyde de silicium et de silice amorphe sont utilisées comme additifs alimentaires.

Dans l'industrie alimentaire, les applications commerciales des nanoparticules devraient croître à un rythme important en raison de leurs propriétés nouvelles et uniques. Ainsi, l'exposition humaine aux nanoparticules continuera d'augmenter, et son impact sur la santé associé restera une préoccupation publique majeure.

13. Communication moléculaire

Les nanomachines sont des dispositifs entièrement fonctionnels qui peuvent effectuer de nombreuses tâches telles que l'actionnement, la détection, le stockage de données et l'informatique. Afin d'être plus efficaces et efficientes, ces machines devraient être interconnectées sous la forme d'un réseau.

La communication moléculaire est le paradigme des réseaux de nano communication, qui utilisent des molécules pour la communication entre les nanomachines. Ces systèmes utilisent l'absence ou la présence d'un type particulier de molécule pour coder numériquement les données.

Il fonctionne en délivrant des molécules dans un milieu (comme l'eau ou l'air) pour la transmission. Les signaux de communication nécessitent peu d'énergie et peuvent être rendus biocompatibles. De plus, cette technique ne repose pas sur des antennes de taille spécifique.

Étant donné que la communication moléculaire s'inspire de la communication entre les matériaux biologiques, elle offre un large éventail d'applications biomédicales et environnementales.

La nanocommunication à l'intérieur du corps humain, par exemple, peut avoir plusieurs applications en santé, telles que l'ingénierie tissulaire, le système immunitaire amélioré, l'interface cerveau-machine et l'administration ciblée de médicaments.

Les scientifiques travaillent actuellement sur des modèles de communication de bout en bout entre les machines bio-nano.

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12. Cellules nerveuses en croissance

Crédit image :Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

La capacité de régénérer les cellules nerveuses dans le corps pourrait réduire considérablement les effets des traumatismes et des maladies. Les scientifiques travaillent sur la nanotechnologie pour améliorer la régénération des cellules nerveuses.

Ils ont montré comment des nanoparticules magnétiques peuvent être utilisées pour générer une tension mécanique pour stimuler l'élongation des axones (ou fibres nerveuses). Ils ont également décrit comment les nanofibres alignées peuvent fournir une matrice bioactive où les cellules nerveuses peuvent se régénérer.

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Plusieurs études ont prouvé que les nanotubes de carbone facilitent la pleine croissance des neurones et la formation de nouvelles synapses. Cependant, cette croissance n'est pas aveugle et illimitée.

11. De meilleurs panneaux solaires

Alors que l'intérêt mondial pour l'énergie verte continue d'augmenter, les scientifiques ont continué à étudier des moyens d'améliorer l'efficacité des cellules solaires. Au cours des dernières années, plusieurs avancées en nanotechnologie ont été intégrées aux panneaux solaires pour améliorer leur efficacité tout en diminuant leurs coûts de fabrication et d'installation.

Les nanoparticules de silicium, en particulier, se sont avérées utiles :elles ont une faible densité apparente, un état de surface actif et des caractéristiques photoluminescentes uniques. Par conséquent, ces nanoparticules sont également utilisées dans les semi-conducteurs intégrés, les dispositifs d'affichage luminescent, les cellules d'énergie solaire et les batteries lithium-ion.

Les progrès récents des cellules solaires à base de graphène ont entraîné une réflectance de 20 % en moins et au moins 40 % de conversion d'énergie en plus par rapport aux cellules solaires traditionnelles.

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10. NanoArt

Une nano-sculpture créée par Jonty Hurwitz

Les scientifiques deviennent des artistes grâce au « NanoArt ». C'est une œuvre d'art réalisée à l'échelle moléculaire et atomique. Il met en scène des nanostructures naturelles ou synthétiques observées au microscope électronique en laboratoire.

Pour créer un nanoart, les scientifiques analysent d'abord les textures des molécules et des atomes, en capturent des images microscopiques et ajustent l'image résultante pour produire une œuvre d'art unique. L'un des objectifs de ces arts est de familiariser les gens avec des objets minuscules utiles et des progrès dans leur synthèse.

En 2015, Jonty Hurwitz a développé une nouvelle méthode pour générer des nanosculptures en utilisant la photogrammétrie et la lithographie multiphotonique. Hurwitz est un artiste créatif qui est maintenant reconnu pour la plus petite forme humaine jamais construite à l'aide de la nanotechnologie.

9. Diagnostics et traitements médicaux

Les méthodes de diagnostic basées sur les nanotechnologies peuvent offrir deux avantages majeurs -

• Tests rapides, qui peuvent permettre aux médecins d'effectuer des tests de diagnostic et de commencer le traitement dans la journée.
• Détection de maladies graves à un stade précoce, ce qui peut aider les médecins à arrêter la ou les maladies plus tôt, avec moins de dommages pour le patient.

Par exemple, les scientifiques développent des nanoparticules appelées NanoFlares pour détecter les cellules cancéreuses dans la circulation sanguine. Ces nanoparticules sont conçues pour se lier à des cibles génétiques dans les cellules cancéreuses et produire un signal fluorescent lorsque cette cible particulière est trouvée.

Un autre bon exemple est celui des capteurs à nanopores qui peuvent identifier les particules virales individuelles. Des capteurs Nanopore combinés à des techniques d'intelligence artificielle peuvent fournir une détection rapide des virus au point d'utilisation.

La technologie peut également être utilisée pour lutter contre les infections :des chercheurs ont développé un prototype de pansement pour cathéter qui incorpore des nanoparticules d'hexamétaphosphate de chlorhexidine. Il peut inhiber la croissance des bactéries et diminuer la colonisation des plaies. Dans un avenir proche, ces types de molécules pourraient être utilisés dans les matériaux de soin des plaies pour contrôler les infections.

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8. Amélioration de la disponibilité du carburant

La nanotechnologie peut remédier à la pénurie de combustibles fossiles (essence et diesel) de différentes manières –

• Cela peut augmenter le kilométrage des moteurs.
• Il peut produire des carburants de manière efficace et économique à partir de matières premières conventionnelles.

Les nanomatériaux sont des candidats exceptionnels pour de nombreux systèmes de biocarburants en raison de leurs propriétés uniques telles que l'activité catalytique, la durabilité, la stabilité, le degré élevé de cristallinité et un stockage efficace, qui pourraient collectivement contribuer à optimiser le système global.

La nanotechnologie combinée à la gazéification, la pyrolyse, la digestion anaérobie, la transestérification et l'hydrogénation s'est avérée économique et efficace, mais est encore principalement limitée aux laboratoires et à petite échelle. Ils remplaceront bientôt (probablement au cours des trois prochaines décennies) les systèmes traditionnels à l'échelle commerciale.

Plusieurs nano-catalyseurs d'oxydes métalliques, notamment l'oxyde de calcium, le titane, l'oxyde de strontium et l'oxyde de magnésium, ont été créés avec des performances catalytiques élevées pour la production de biodiesel. Les nano-catalyseurs à base de carbone présentent également un grand potentiel pour la production de biodiesel à partir de diverses matières premières.

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7. Afficheurs et dispositifs optoélectroniques

Points quantiques avec émission progressive du violet au rouge foncé | Wikimedia Commons

Les nanofils de silicium et les nanotubes de carbone permettent de développer des écrans à faible consommation d'énergie. Étant donné que ces nanostructures sont hautement conductrices, elles peuvent être utilisées dans des écrans à émission de champ avec une efficacité sans précédent.

Dans les OLED, les nanomatériaux et les techniques de nanofabrication sont utilisés pour fabriquer des électrodes transparentes et emballer les OLED pour les protéger des dommages externes (comme l'eau).

Les scientifiques ont développé avec succès quelques nanomètres de graphène en tant que conduite transparente, ce qui a ouvert la voie à des OLED flexibles et peu coûteuses.

Les transistors organiques électroluminescents (une alternative aux OLED) pourraient ouvrir de nouvelles portes dans l'optoélectronique organique et servir de bancs d'essai pour résoudre les problèmes photoniques fondamentaux tels que l'extinction des excitons et la perte de photons.

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Les points quantiques, de minuscules particules semi-conductrices de quelques nanomètres, sont à la fois électroactifs (électroluminescents) et photoactifs (photoluminescents). Ses propriétés physiques uniques en font un matériau prometteur pour les écrans de nouvelle génération.

Par rapport aux OLED et aux matériaux luminescents organiques, les matériaux à base de points quantiques ont une durée de vie plus longue, des couleurs plus pures et une consommation d'énergie et des coûts de fabrication inférieurs.

6. Informatique et stockage en mémoire

Progression du processus de fabrication des nanomètres-semi-conducteurs 

Avec la nanoélectronique, les processeurs informatiques peuvent être rendus plus puissants que ce qui est possible avec les méthodes traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Les scientifiques étudient actuellement un certain nombre de techniques, y compris de nouveaux types de nanolithographie, et des façons d'utiliser les nanomatériaux, tels que les petites molécules et les nanofils à la place des composants CMOS conventionnels.

Ils ont pu développer des transistors à effet de champ utilisant des nanofils semi-conducteurs hétérostructurés et des nanotubes de carbone semi-conducteurs.

Les géants de la technologie ont commencé à produire des mémoires nanoélectroniques au début des années 2010. En 2013, Samsung a produit une mémoire flash NAND à plusieurs niveaux de 10 nanomètres. En 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company a produit de la mémoire SRAM à l'aide d'un processus de 7 nanomètres.

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5. Nanosciences quantiques

La nanoscience quantique fait référence à la branche des sciences physiques et de la nanotechnologie qui utilise la mécanique quantique pour explorer les effets quantiques cohérents dans les nanostructures conçues.

Ces dernières années, le quantum a pris un nouveau sens en raison de la recherche croissante vers la réalisation d'ordinateurs quantiques. Aujourd'hui, les phénomènes de mécanique quantique, tels que la cohérence quantique, la superposition et l'intrication, sont conçus à l'échelle nanométrique.

Les applications dans ce domaine incluent l'informatique quantique, le simulateur quantique, la communication quantique et la détection quantique.

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4. Smartphones à charge rapide et véhicules électriques

Récemment, des efforts substantiels ont été concentrés sur le développement de matériaux d'électrode nanostructurés, qui pourraient améliorer les systèmes de stockage d'énergie de pointe tels que les batteries lithium-ion.

Certains chercheurs ont mis au point des dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels pouvant être utilisés comme supercondensateurs. Le matériau est petit et permet un transfert d'électrons plus rapide, permettant une charge et une décharge plus rapides. Il est composé de fils d'une épaisseur nanométrique avec un revêtement de coques en matériau 2D.

Il y a plein d'exemples comme ça. Une entreprise israélienne nommée StoreDot fabrique des nanomatériaux qui (combinés à des composés organiques exclusifs) ont le potentiel de devenir la norme ultime de recharge rapide dans diverses industries, notamment les smartphones, les véhicules électriques et les appareils ménagers.

Leur combinaison unique de densité d'énergie et de charge rapide a ouvert de nouvelles portes pour la batterie flash de nouvelle génération. Selon l'entreprise, les batteries de leurs smartphones et les batteries flash des véhicules électriques (construites avec des composés organiques ininflammables) peuvent être chargées en 60 secondes et 5 minutes (fournissant une autonomie de 300 miles), respectivement.

3. Nanorevêtement et surfaces nanostructurées

Nano-revêtement hydrophobe 

Le revêtement avec une épaisseur contrôlée à l'échelle atomique ou nanométrique est devenu courant de nos jours. Les applications récentes incluent les revêtements d'oxyde nanoparticulaire qui détruisent catalytiquement les agents chimiques et les fenêtres autonettoyantes (enduites de dioxyde de titane activé) conçues pour être antibactériennes et hydrofuges.

Les couches intermédiaires à l'échelle nanométrique offrent une liaison supérieure et une correspondance graduelle des propriétés thermiques et élastiques, améliorant ainsi l'adhérence. Ces types de couches améliorent également les revêtements durs résistants à l'usure et aux rayures.

De plus, l'amélioration du contrôle de la porosité à l'échelle nanométrique a beaucoup amélioré les textiles :elle a permis d'obtenir des tissus imperméables, respirants et résistants aux taches.

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2. Exploration spatiale

Crédit :NASA

La nanotechnologie peut rendre le vol spatial plus pratique. Les progrès récents des nanomatériaux ont aidé les ingénieurs à fabriquer des engins spatiaux légers et à réduire la quantité de carburant nécessaire pour envoyer des fusées dans l'espace.

Un nouveau matériau combiné à des nanorobots et des nanocapteurs peut encore améliorer les performances de la sonde spatiale et des combinaisons spatiales. Les scientifiques utilisent des matériaux à base de nanotubes de carbone pour réduire le poids du vaisseau spatial tout en conservant sa résistance structurelle.

Ces nanotubes de carbone peuvent permettre aux cellules solaires légères qui utilisent la pression du soleil (lumière réfléchie sur les cellules solaires) de propulser la sonde spatiale. Cela permet d'économiser plus de carburant lors des missions interplanétaires. De plus, des nanocapteurs embarqués peuvent surveiller les niveaux de traces chimiques dans la station spatiale pour analyser les performances des systèmes de survie.

1. Meilleure qualité de l'air et de l'eau

La nanotechnologie est utilisée de deux manières principales pour réduire la pollution de l'air.

1. Catalyseurs :actuellement utilisés et régulièrement améliorés.
2. Membranes nanostructurées – actuellement en cours de développement.

Les catalyseurs fabriqués à partir de nanoparticules sont utilisés pour convertir efficacement les vapeurs s'échappant des installations industrielles et des véhicules en gaz inoffensifs.

Les membranes nanostructurées, quant à elles, peuvent être utilisées pour séparer le CO2 des flux d'échappement des installations industrielles. L'objectif est de développer une technologie pouvant être mise en œuvre dans tous les types de centrales électriques sans modernisation coûteuse.

De même, la nanotechnologie est également utilisée pour résoudre trois problèmes majeurs de qualité de l'eau.

1. Supprimer la pollution industrielle des eaux souterraines.
2. Enlevez le sel ou les métaux de l'eau.
3. Améliorez les filtres standard pour éliminer efficacement les cellules virales.

Dans le premier cas, les nanoparticules transforment les produits chimiques contaminants en une solution inoffensive. C'est un procédé peu coûteux qui peut être utilisé pour atteindre les contaminants dispersés dans les étangs souterrains.

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Pour le deuxième problème, les techniques de déionisation basées sur des électrodes en nanofibres sont prometteuses pour diminuer les besoins énergétiques et le coût de transformation de l'eau salée en eau potable. Dans le troisième cas, des filtres de quelques nanomètres de large seulement sont utilisés pour éliminer les cellules virales de l'eau.