14 Usos não familiares da nanotecnologia | Benefícios e aplicativos

O termo ‘nanotecnologia’ foi cunhado pela primeira vez pelo Professor Norio Taniguchi em 1974. Ele estava descrevendo processos semicondutores que exibem controle característico da ordem de um nanômetro.

Quão pequeno é um nanômetro? O cabelo humano tem aproximadamente 50 micrômetros de largura. Um nanômetro é 50.000º da largura do cabelo.

A nanotecnologia moderna começou em 1981, quando os cientistas desenvolveram o microscópio de tunelamento de varredura para "ver" átomos individuais.

O que exatamente é nanotecnologia?

Nanotecnologia é ciência, tecnologia e engenharia realizada em nanoescala, entre 1 e 100 nanômetros. Pode ser um tópico complicado com novas descobertas sendo feitas todos os dias.

A nanotecnologia pode fornecer percepções sem precedentes sobre materiais e equipamentos e provavelmente terá impacto em vários campos, incluindo física de dispositivos, ciência de materiais, química supramolecular, ciência coloidal e engenharia elétrica e mecânica.

O tópico pode ser melhor explicado fornecendo explicações claras e concisas sobre as aplicações da nanotecnologia. Listamos alguns usos menos populares da nanotecnologia e suas vantagens, mostrando como eles realmente impactam nossas vidas diárias.

14. Nanotecnologia na Indústria Alimentar

Papel da nanotecnologia em diferentes aspectos dos setores de alimentos | Crédito:Fronteiras

Nas últimas duas décadas, as aplicações da nanotecnologia surgiram com a necessidade crescente do uso de nanopartículas em diferentes campos da microbiologia e ciência alimentar, incluindo processamento de alimentos, embalagem, segurança, identificação de patógenos de origem alimentar e extensão da vida útil de produtos alimentícios .

Partículas nanoengenharia usadas na indústria de alimentos, por exemplo, minimizam o vazamento de dióxido de carbono em bebidas carbonatadas, reduzem a gordura e aumentam o valor nutricional. Eles também mantêm o fluxo de umidade e controlam o crescimento de bactérias para manter os alimentos frescos.

Técnicas de embalagem inteligente combinadas com sensores em nanoescala permitem a detecção de alimentos contaminados e a presença de bactérias e pesticidas.

Hoje, ingredientes em nanoescala são usados ​​para melhorar o sabor, a textura e a cor dos alimentos. As nanopartículas de dióxido de titânio, dióxido de silício e sílica amorfa são usadas como aditivos alimentares.

Na indústria de alimentos, espera-se que as aplicações comerciais de nanopartículas cresçam a uma taxa significativa devido às suas propriedades novas e únicas. Assim, a exposição humana às nanopartículas continuará a aumentar, e seu impacto na saúde associado continuará sendo uma preocupação pública primordial.

13. Comunicação Molecular

Nanomáquinas são dispositivos totalmente funcionais que podem realizar várias tarefas, como atuação, detecção, armazenamento de dados e computação. Para serem mais eficazes e eficientes, essas máquinas devem ser interconectadas em forma de rede.

A comunicação molecular é o paradigma em redes de nanocomunicação, que usam moléculas para comunicação entre nanomáquinas. Esses sistemas usam a ausência ou presença de um tipo específico de molécula para codificar digitalmente os dados.

Ele funciona entregando moléculas em um meio (como água ou ar) para transmissão. Os sinais de comunicação requerem pouca energia e podem ser biocompatíveis. Além disso, esta técnica não depende de antenas de tamanho específico.

Visto que a comunicação molecular é inspirada na comunicação entre materiais biológicos, ela oferece uma ampla gama de aplicações biomédicas e ambientais.

A nanocomunicação dentro do corpo humano, por exemplo, pode ter várias aplicações de saúde, como engenharia de tecidos, sistema imunológico aprimorado, interface cérebro-máquina e administração de medicamentos direcionados.

Os cientistas estão atualmente trabalhando em modelos para comunicação ponta a ponta entre máquinas bio-nano.

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12. Crescimento das células nervosas

Crédito da imagem:Sebastian Kaulitzki / Shutterstock

A capacidade de regenerar células nervosas no corpo pode diminuir significativamente os efeitos de traumas e doenças. Os cientistas estão trabalhando em nanotecnologia para melhorar a regeneração das células nervosas.

Eles mostraram como as nanopartículas magnéticas podem ser usadas para gerar tensão mecânica para estimular o alongamento dos axônios (ou fibras nervosas). Eles também descreveram como as nanofibras alinhadas podem fornecer uma matriz bioativa onde as células nervosas podem se regenerar.

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Diversos estudos comprovaram que os nanotubos de carbono facilitam o pleno crescimento dos neurônios e a formação de novas sinapses. No entanto, esse crescimento não é indiscriminado e ilimitado.

11. Melhores painéis solares

Como o interesse global em energia verde continua a aumentar, os cientistas continuam a estudar maneiras de aumentar a eficiência das células solares. Nos últimos anos, vários avanços em nanotecnologia foram integrados aos painéis solares para melhorar a eficiência e, ao mesmo tempo, diminuir seus custos de fabricação e instalação.

As nanopartículas de silício, em particular, têm se mostrado úteis:têm baixa densidade aparente, estado de superfície ativa e características fotoluminescentes únicas. Portanto, essas nanopartículas também são usadas em semicondutores integrados, dispositivos de exibição luminescentes, células de energia solar e baterias de íon-lítio.

Avanços recentes em células solares à base de grafeno resultaram em 20% menos refletância e pelo menos 40% mais conversão de energia em comparação com as células solares tradicionais.

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10. NanoArt

Uma nanoescultura criada por Jonty Hurwitz

Os cientistas estão se tornando artistas, graças à ‘NanoArt’. É uma obra de arte feita em escala molecular e atômica. Retrata nanoestruturas naturais ou sintéticas que são observadas por microscópios eletrônicos em laboratórios.

Para criar uma nanoarte, os cientistas primeiro analisam as texturas de moléculas e átomos, capturam imagens microscópicas deles e ajustam a imagem resultante para produzir uma obra de arte única. Um dos objetivos dessas artes é familiarizar as pessoas com pequenos objetos úteis e avanços em sua síntese.

Em 2015, Jonty Hurwitz desenvolveu um novo método para gerar nanoesculturas usando fotogrametria e litografia multifotônica. Hurwitz é um artista criativo que agora é reconhecido pela menor forma humana já construída com a nanotecnologia.

9. Diagnóstico e tratamento médico

Métodos de diagnóstico baseados em nanotecnologia podem fornecer dois benefícios principais -

• Testes rápidos, que podem permitir aos médicos realizar testes de diagnóstico e iniciar o tratamento em um dia.
• Detecção de doenças graves em estágios iniciais, o que pode ajudar os médicos a interromper a (s) doença (s) mais cedo, com menos danos ao paciente.

Por exemplo, os cientistas estão desenvolvendo nanopartículas chamadas NanoFlares para detectar células cancerosas na corrente sanguínea. Essas nanopartículas são projetadas para se ligar a alvos genéticos em células cancerosas e produzir um sinal fluorescente quando esse alvo específico for encontrado.

Outro bom exemplo são os sensores nanopore que podem identificar partículas individuais de vírus. Sensores nanopore combinados com técnicas de inteligência artificial podem fornecer um ponto de uso rápido na detecção de vírus.

A tecnologia também pode ser usada para combater infecções:os pesquisadores desenvolveram um protótipo de curativo para cateter que incorpora nanopartículas de hexametafosfato de clorexidina. Pode inibir o crescimento de bactérias e diminuir a colonização da ferida. Em um futuro próximo, esses tipos de moléculas podem ser usados ​​em materiais para tratamento de feridas para controlar infecções.

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8. Melhorando a disponibilidade de combustível

A nanotecnologia pode abordar a escassez de combustíveis fósseis (gasolina e diesel) de diferentes maneiras -

• Pode aumentar a quilometragem dos motores.
• Ele pode produzir combustíveis de forma eficiente e econômica a partir de matérias-primas convencionais.

Os nanomateriais são candidatos excepcionais para vários sistemas de biocombustível por causa de suas propriedades exclusivas, como atividade catalítica, durabilidade, estabilidade, alto grau de cristalinidade e armazenamento eficiente, que podem ajudar a otimizar o sistema como um todo.

Nanotecnologia combinada com gaseificação, pirólise, digestão anaeróbica, transesterificação e hidrogenação tem se mostrado econômica e eficiente, mas ainda está limitada principalmente a laboratórios e em pequena escala. Em breve (provavelmente nas próximas três décadas), eles substituirão os sistemas tradicionais em escala comercial.

Vários nano-catalisadores de óxido de metal, incluindo óxido de cálcio, titânio, óxido de estrôncio e óxido de magnésio, foram criados com um alto desempenho catalítico para a produção de biodiesel. Os nanocatalisadores à base de carbono também possuem um grande potencial para a produção de biodiesel a partir de várias matérias-primas.

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7. Monitores e dispositivos optoeletrônicos

Pontos quânticos com emissão gradativa de violeta para vermelho escuro | Wikimedia Commons

Nanofios de silício e nanotubos de carbono possibilitam o desenvolvimento de monitores de baixo consumo de energia. Uma vez que essas nanoestruturas são altamente condutoras, elas podem ser usadas em exibições de emissão de campo com eficiência sem precedentes.

Em OLEDs, nanomateriais e técnicas de nanofabricação são usados ​​para fabricar eletrodos transparentes e embalar OLEDs para protegê-los de danos externos (como água).
Os cientistas desenvolveram com sucesso alguns nanômetros de grafeno como conduta transparente, que abriu o caminho para OLEDs flexíveis e baratos.
Transistores emissores de luz orgânicos (uma alternativa aos OLEDs) poderiam abrir novas portas na optoeletrônica orgânica e servir como bancos de ensaio para tratar de questões fotônicas fundamentais, como extinção de excitons e perda de fótons.

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Os pontos quânticos - minúsculas partículas semicondutoras de alguns nanômetros de tamanho - são eletroativos (eletroluminescentes) e fotoativos (fotoluminescentes). Suas propriedades físicas únicas o tornam um material promissor para telas de última geração.

Em comparação com OLEDs e materiais luminescentes orgânicos, os materiais baseados em pontos quânticos têm uma vida útil mais longa, cores mais puras e menor consumo de energia e custos de fabricação.

6. Computação e armazenamento de memória

Progressão do processo de fabricação de nanômetros-semicondutores

Com a nanoeletrônica, os processadores de computador podem se tornar mais poderosos do que os métodos tradicionais de fabricação de semicondutores. Os cientistas estão atualmente estudando uma série de técnicas - incluindo novos tipos de nanolitografia - e maneiras de usar nanomateriais, como pequenas moléculas e nanofios no lugar de componentes CMOS convencionais.

Eles foram capazes de desenvolver transistores de efeito de campo usando nanofios semicondutores heteroestruturados e nanotubos de carbono semicondutores.

Os gigantes da tecnologia começaram a produção de memória nanoeletrônica no início de 2010. Em 2013, a Samsung produziu uma memória flash NAND de célula multinível de 10 nanômetros. Em 2017, a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company produziu memória SRAM usando um processo de 7 nanômetros.

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5. Nanociência quântica

Nanociência quântica refere-se ao ramo da ciência física e nanotecnologia que utiliza a mecânica quântica para explorar efeitos quânticos coerentes em nanoestruturas projetadas.

Nos últimos anos, quantum ganhou um novo significado devido ao aumento da pesquisa em direção à realização de computadores quânticos. Hoje, os fenômenos da mecânica quântica - como coerência quântica, superposição e emaranhamento - são projetados em nanoescalas.

As aplicações nesta área incluem computação quântica, simulador quântico, comunicação quântica e detecção quântica.

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4. Smartphones e veículos elétricos de carregamento rápido

Recentemente, esforços substanciais têm se concentrado no desenvolvimento de materiais de eletrodo nanoestruturados, que podem melhorar os sistemas de armazenamento de energia de última geração, como baterias de íon-lítio.

Alguns pesquisadores criaram dichalcogenetos de metais de transição bidimensionais que podem ser usados ​​como supercapacitores. O material é pequeno e permite transferência de elétrons mais rápida, permitindo carregamento e descarregamento mais rápidos. É feito de fios de nanômetro de espessura com revestimento de cascas de material 2D.

Existem muitos exemplos como esse. Uma empresa com sede em Israel chamada StoreDot constrói nanomateriais, que (combinados com compostos orgânicos proprietários) têm o potencial de se tornar o padrão de carregamento rápido final em vários setores, incluindo smartphones, veículos elétricos e eletrodomésticos.

Sua combinação única de densidade de energia e carregamento rápido abriu novas portas para a bateria flash de próxima geração. De acordo com a empresa, suas baterias de smartphones e baterias de flash de veículos elétricos (construídas com compostos orgânicos não inflamáveis) podem ser carregadas em 60 segundos e 5 minutos (proporcionando um alcance de 300 milhas), respectivamente.

3. Nanorrevestimento e superfícies nanoestruturadas

Nanorrevestimento hidrofóbico

O revestimento com espessura controlada em escala atômica ou nano tornou-se comum nos dias de hoje. As aplicações recentes incluem revestimentos de óxido nanoparticulado que destroem cataliticamente os agentes químicos e janelas autolimpantes (revestidas com dióxido de titânio ativado) projetadas para serem antibacterianas e repelentes de água.

As camadas intermediárias em nanoescala fornecem ligação superior e combinação graduada de propriedades térmicas e elásticas, aumentando assim a adesão. Esses tipos de camadas também melhoram os revestimentos duros resistentes ao desgaste e a arranhões.

Além disso, o controle aprimorado da porosidade em nanoescala tornou os têxteis muito melhores:possibilitou tecidos à prova d'água, respiráveis ​​e resistentes a manchas.

Leia:Superfície repelente de água pode ferver água com eficácia enquanto permanece fria

2. Exploração Espacial

Crédito:NASA

A nanotecnologia pode tornar o voo espacial mais prático. Avanços recentes em nanomateriais ajudaram os engenheiros a fazer espaçonaves leves e reduzir a quantidade de combustível necessária para enviar foguetes ao espaço.

Novo material combinado com nanorrobôs e nanosensores pode melhorar ainda mais o desempenho da sonda espacial e dos trajes espaciais. Os cientistas estão empregando materiais à base de nanotubos de carbono para diminuir o peso da espaçonave, mantendo sua resistência estrutural.

Esses nanotubos de carbono podem permitir que células solares leves que usam a pressão da luz solar (a luz refletida nas células solares) impulsionem a sonda espacial. Isso economiza mais combustível durante as missões interplanetárias. Além disso, os nanossensores a bordo podem monitorar os níveis de traços de substâncias químicas na estação espacial para analisar o desempenho dos sistemas de suporte de vida.

1. Melhor qualidade do ar e da água

A nanotecnologia está sendo usada de duas maneiras principais para diminuir a poluição do ar.

1. Catalisadores - atualmente em uso e em constante aprimoramento.
2. Membranas nanoestruturadas - atualmente em desenvolvimento.

Catalisadores feitos de nanopartículas são usados ​​para converter vapores que escapam de plantas industriais e veículos em gases inofensivos.

As membranas nanoestruturadas, por outro lado, podem ser usadas para separar o CO2 dos fluxos de exaustão de plantas industriais. O objetivo é desenvolver uma tecnologia que possa ser implementada em todos os tipos de usinas de energia sem um retrofit caro.

Da mesma forma, a nanotecnologia também está sendo usada para resolver três problemas principais na qualidade da água.

1. Remova a poluição industrial das águas subterrâneas.
2. Remova o sal ou metais da água.
3. Melhore os filtros padrão para eliminar efetivamente as células de vírus.

No primeiro caso, as nanopartículas transformam produtos químicos contaminantes em uma solução inofensiva. É um processo barato que pode ser usado para alcançar contaminantes dispersos em lagoas subterrâneas.

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Para o segundo problema, as técnicas de deionização baseadas em eletrodos de nanofibras mostram a promessa de diminuir as necessidades de energia e o custo de transformar água salgada em água potável. No terceiro caso, filtros de apenas alguns nanômetros de largura são usados ​​para remover células de vírus da água.