10 Unkonventionelle Anwendungen der Nanotechnologie

Ohne Nanotechnologien ist die Zukunft kaum vorstellbar. Die Manipulation von Materie auf atomarer und submolekularer Ebene hat den Weg für wichtige Durchbrüche in der Chemie, Biologie und Medizin geebnet. Die sich entwickelnden Anwendungen der Nanotechnologie sind jedoch weitaus breiter und vielfältiger als wir es uns vorgestellt haben.

10Filmherstellung

Ohne die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM) in den achtziger Jahren wäre die Nanotechnologie möglicherweise Science-Fiction geblieben. Mit seiner atomaren Präzision ermöglichte das STM Physikern, die Struktur von Materie auf eine Weise zu untersuchen, die mit herkömmlichen Mikroskopen nicht möglich war.

Das erstaunliche Potenzial von STM wurde von IBM-Forschern bei ihrer Erstellung demonstriert Ein Junge und sein Atom, das war der kleinste Animationsfilm der Welt. Es wurde hergestellt, indem einzelne Atome auf einer Kupferoberfläche bewegt wurden.

Der 90 Sekunden lange Film zeigt einen Jungen aus Kohlenmonoxidmolekülen, der mit einem Ball spielt, tanzt und auf einem Trampolin hüpft. Die Animation besteht aus 202 Bildern und wirkt auf einer Fläche von 1/1000 der Größe eines einzelnen menschlichen Haares. Für den Film nutzten die Forscher eine einzigartige Funktion des STM: einen elektrisch geladenen und extrem scharfen Stift mit einer Spitze aus einem Atom. Der Stift ist in der Lage, die genauen Positionen der Kohlenstoffmoleküle auf der Animationsoberfläche (in diesem Fall die Kupferschicht) zu erfassen. Es kann daher verwendet werden, um Bilder der Moleküle zu erstellen und sie in neue Positionen zu bewegen.

9Ölrückgewinnung

Die weltweiten Ausgaben für die Ölförderung sind im letzten Jahrzehnt exponentiell gestiegen. Die Effizienz bei der Ölgewinnung ist jedoch nach wie vor ein großes Problem. Wenn Mineralölunternehmen eine Ölquelle stilllegen, wird weniger als die Hälfte des Öls im Reservoir gefördert. Der Rest bleibt zurück, weil er im Fels eingeschlossen ist und dort zu teuer ist. Glücklicherweise haben Wissenschaftler in China mit Hilfe der Nanotechnologie einen Weg gefunden, um dies zu umgehen.

Die Lösung verbessert eine vorhandene Bohrtechnik. Die ursprüngliche Technik besteht darin, Wasser in die Gesteinsporen zu injizieren, wo sich Öl befindet. Dies verdrängt das Öl und drückt es aus. Diese Methode offenbart jedoch ihre Begrenzung, sobald das Öl in den leicht zugänglichen Poren extrahiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt tritt Wasser aus dem Brunnen anstelle von Öl aus.

Um dies zu verhindern, kamen die chinesischen Forscher Peng und Ming Yuan Li auf die Idee, Nanopartikel in das Wasser zu füllen, die die Passagen zwischen den Steinporen verstopfen können. Durch diese Methode soll das Wasser engere Bahnen in die ölhaltigen Poren einführen und das Öl ausdrücken. Bei erfolgreichen Feldstudien in China hat sich diese Methode als äußerst effizient erwiesen, um die 50 Prozent des ansonsten unerreichbaren schwarzen Goldes wiederzugewinnen.

8Anzeigen mit hoher Auflösung

Die Bilder auf dem Computerbildschirm werden über winzige Punkte (Pixel) dargestellt. Unabhängig von ihrer Größe und Form ist die Anzahl der Pixel auf einem Bildschirm ein bestimmender Faktor für die Bildqualität. Bei herkömmlichen Displays bedeuteten jedoch mehr Pixel größere und sperrigere Bildschirme - eine offensichtliche Einschränkung.

Während Unternehmen damit beschäftigt waren, ihre riesigen Bildschirme an Verbraucher zu verkaufen, haben Wissenschaftler der Universität Oxford einen Weg gefunden, Pixel mit einem Durchmesser von wenigen hundert Nanometern zu erzeugen. Dies wurde durch die Nutzung der Eigenschaften eines Phasenwechselmaterials namens GST (ein Material, das in Wärmemanagement-Produkten zu finden ist) ausgenutzt. In dem Experiment verwendeten die Wissenschaftler sieben Nanometer dicke GST-Schichten zwischen transparenten Elektroden. Jede Schicht - nur 300 mal 300 Nanometer groß - fungiert als Pixel, das elektrisch ein- und ausgeschaltet werden kann. Durch den Stromfluss durch die Schichten konnten die Wissenschaftler Bilder mit guter Qualität und Kontrast erzeugen.

Die Nanopixel werden verschiedenen Zwecken dienen, wo herkömmliche Pixel unpraktisch geworden sind. Aufgrund ihrer geringen Größe und Dicke eignen sie sich beispielsweise für Technologien wie intelligente Brillen, faltbare Bildschirme und synthetische Netzhäute. Ein weiterer Vorteil von Nanopixel-Displays ist der geringere Energieverbrauch. Im Gegensatz zu den vorhandenen Anzeigen, die ständig alle Pixel aktualisieren, um Bilder zu bilden, wird bei den auf GST-Layern basierenden Anzeigen nur der Teil der Anzeige aktualisiert, der sich tatsächlich ändert, wodurch Energie gespart wird.

7Farbwechselnde Farbe

Während des Experimentierens an Goldnanopartikelketten stießen Wissenschaftler der University of California auf eine erstaunliche Beobachtung. Sie haben bemerkt, dass sich die Farbe des Goldes ändert, wenn eine Kette ihrer Partikel gedehnt oder zurückgezogen wird, was das, was einer der Wissenschaftler als schönes helles Blau bezeichnete, das sich in Purpur und dann Rot verwandelt. Die Erkenntnis hat die Wissenschaftler dazu inspiriert, Sensoren aus Goldnanopartikeln herzustellen, die ihre Farbe ändern, wenn Druck auf sie ausgeübt wird.

Um die Sensoren herzustellen, müssen Goldnanopartikel zu einem flexiblen Polymerfilm hinzugefügt werden. Wenn der Film gepresst wird, dehnt er sich und bewirkt, dass sich die Partikel trennen und die Farbe sich ändert. Durch leichtes Drücken wird der Sensor violett, und wenn Sie härter drücken, wird er rot. Die Wissenschaftler bemerkten diese faszinierende Eigenschaft nicht nur in Goldpartikeln, sondern auch in Silber, wo die Partikel beim Dehnen gelb werden.

Die Sensoren können verschiedenen Zwecken dienen. Zum Beispiel könnten sie in Möbel eingebaut werden, wie etwa Sofas oder Betten, um Sitz- oder Schlafpositionen zu beurteilen. Obwohl der Sensor aus Gold besteht, ist er klein genug, um das Kostenproblem zu überwinden.

6Phone laden

Egal, ob es sich um ein iPhone, ein Samsung oder ein anderes Telefon handelt, jedes Smartphone, das die Fabrik verlässt, hat zwei berüchtigte Nachteile: die Akkulaufzeit und die Zeit, die zum Aufladen benötigt wird.Während das erste immer noch ein universelles Problem ist, ist es Wissenschaftlern aus der Stadt Ramat Gan in Israel gelungen, das zweite Problem zu lösen, indem eine Batterie geschaffen wurde, die nur 30 Sekunden zum Aufladen benötigt.

Der Durchbruch wurde einem Projekt im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit zugeschrieben, das von Forschern der Universität Tel Aviv durchgeführt wurde. Die Forscher entdeckten, dass die Peptidmoleküle, die die Neuronen des Gehirns verkürzen und Krankheiten verursachen, eine sehr hohe Kapazität (die Fähigkeit, elektrische Ladungen zu erhalten) haben. Diese Erkenntnis hat zur Gründung von StoreDot beigetragen, einem Unternehmen, das sich auf Nanotechnologien konzentriert, die auf Verbraucherprodukte abzielen. Mit Hilfe von Forschern hat StoreDot die NanoDots-Technologie entwickelt, die die Eigenschaften der Peptide nutzt, um die Akkulaufzeit von Smartphones zu verbessern. Das Unternehmen demonstrierte einen Prototyp seiner Batterie im ThinkNext-Event von Microsoft. Bei Verwendung eines Samsung Galaxy S3-Telefons wurde der Akku in weniger als einer Minute von Null auf voll aufgeladen.

5Selbstständige Drug Delivery

Behandlungen für Krankheiten wie Krebs können zu teuer und in manchen Fällen zu spät sein. Glücklicherweise forschen mehrere medizinische Firmen auf der ganzen Welt nach günstigen und effektiven Wegen, um Krankheiten zu behandeln. Unter ihnen ist Immusoft, ein Unternehmen, das die Art und Weise, wie Medikamente in unseren Körper gelangen, revolutionieren will.

Anstatt Milliarden von Dollars für Medikamente und Therapieprogramme auszugeben, glaubt Immusoft, dass wir unsere Körper so gestalten können, dass sie selbst Medikamente herstellen. Mit Hilfe des Immunsystems können Zellen eines Patienten verändert werden, um neue genetische Informationen zu erhalten, die es ihnen ermöglichen, ihre eigenen Medikamente herzustellen. Die genetische Information kann durch Kapseln in Nanogröße in den Körper injiziert werden.

Die neue Methode wurde noch nicht an einem menschlichen Patienten getestet. Dennoch haben Immusoft und andere Institutionen über erfolgreiche Experimente an Mäusen berichtet. Wenn sie sich beim Menschen als wirksam erwiesen hat, werden die Behandlungs- und Therapiekosten für Herz-Kreislauf-Erkrankungen und verschiedene andere Erkrankungen erheblich reduziert.

4Molekulare Kommunikation

Es gibt Umstände, unter denen elektromagnetische Wellen, die Seele der globalen Telekommunikation, unbrauchbar werden. Denken Sie an einen elektromagnetischen Impuls, der Kommunikationssatelliten und jede darauf basierende Technologie nutzlos machen könnte. Wir kennen solche schrecklichen Szenarien aus Weltuntergangsfilmen. Darüber hinaus wurde dieses Problem seit Jahren von Forschern der University of Warwick in Großbritannien und der York University in Kanada in Betracht gezogen, bevor es schließlich zu einer unerwarteten Lösung kam.

Die Forscher beobachteten, wie einige Tierarten, insbesondere Insekten, Pheromone für die Kommunikation über große Entfernungen einsetzen. Nach dem Sammeln der Daten konnten sie eine Kommunikationsmethode entwickeln, bei der Nachrichten in den Molekülen des verdampften Alkohols codiert werden. Die Forscher konnten die neue Technik erfolgreich demonstrieren, indem sie Alkohol als Signalstoff und „O Canada“ als erste Nachricht verwenden.

Bei diesem Verfahren wurden zwei Geräte verwendet, einschließlich eines Senders zum Codieren und Senden der Nachricht und eines Empfängers zum Decodieren und Anzeigen. Die Methode funktioniert durch Eingabe einer Textnachricht auf dem Sender mit Arduino Uno (einem Open-Source-Mikrocontroller), der mit einem LCD-Bildschirm und Tasten geliefert wird. Die Steuerung wandelt dann die Texteingabe in eine binäre Folge um, die von einem elektronischen Sprühgerät gelesen wird, das den Alkohol enthält. Sobald die binäre Meldung gelesen wurde, wandelt das Sprühgerät sie in einen kontrollierten Satz von Sprays um, wobei "1" für einen Sprühnebel steht und "0" für keinen Sprühnebel steht. Der Alkohol in der Luft wird dann vom Empfänger erfasst, der aus einem chemischen Sensor und einem Mikrocontroller besteht. Der Empfänger liest die binären Daten zurück und konvertiert sie in Text, bevor sie auf einem Bildschirm angezeigt werden.

Die Forscher konnten die "O Canada" -Meldung über mehrere Meter Freifläche senden und empfangen. Infolgedessen haben eine Reihe von Wissenschaftlern Vertrauen in die Methode gezeigt. Sie glauben, dass dies in Umgebungen wie unterirdischen Tunneln oder Pipelines hilfreich sein könnte, in denen elektromagnetische Wellen nutzlos werden.

3Computer-Speicher

In den letzten Jahrzehnten sind Computer sowohl bei der Verarbeitungsleistung als auch bei der Speicherkapazität exponentiell gewachsen. Dieses Phänomen wurde vor etwa 50 Jahren von James Moore genau vorhergesagt und wurde später weithin als Mooresches Gesetz bekannt. Viele Wissenschaftler - darunter auch der Physiker Michio Kaku - glauben jedoch, dass das Mooresche Gesetz auseinander fällt. Dies liegt daran, dass die Computerleistung nicht mit dem exponentiellen Anstieg der vorhandenen Fertigungstechnologien mithalten kann.

Obwohl Kaku auf die Verarbeitungsleistung Wert legte, gilt dasselbe Konzept für die Speicherkapazität. Zum Glück ist es nicht das Ende der Straße. Ein Forscherteam der RMIT University in Melbourne prüft nun die Alternativen. Unter der Leitung von Dr. Sharath Sriram steht das Team kurz davor, Speichergeräte zu entwickeln, die die Art und Weise, wie das menschliche Gehirn Informationen speichert, nachahmen. Die Forscher machten den ersten Schritt und bauten einen Nanofilm, der chemisch so konstruiert ist, dass elektrische Ladungen im Ein- und Ausschaltzustand erhalten bleiben. Der Film, der 10.000 Mal dünner ist als ein menschliches Haar, könnte zum Grundstein für die Entwicklung von Speichergeräten werden, die die neuronalen Netzwerke des Gehirns replizieren.

2Nano Art

Die vielversprechende Entwicklung der Nanotechnologie hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Bewunderung gefunden. Durchbrüche in der Nanotechnologie beschränken sich jedoch nicht mehr nur auf Medizin, Biologie und Technik. Nanokunst ist ein aufstrebendes Feld, das es uns ermöglicht, die kleine Welt unter dem Mikroskop aus einer völlig neuen Perspektive zu betrachten.

Wie der Name schon sagt, ist Nanokunst eine Kombination aus Kunst und Nanowissenschaften, die von wenigen Wissenschaftlern und Künstlern praktiziert wird. Unter ihnen ist John Hart, ein Maschinenbauingenieur von der University of Michigan, der ein Nano-Porträt von Präsident Barack Obama machte. Das Porträt, das Nanobama genannt wurde, wurde geschaffen, um den Präsidenten zu ehren, als er während der Präsidentschaftswahlen 2008 kandidierte. Jedes Gesicht in Nanobama hat einen Durchmesser von nur einem halben Millimeter und ist vollständig aus 150 Nanotubes geformt. Für die Portraits erstellte Hart zunächst eine Strichzeichnung des ikonischen „Hope“ -Plakates. Anschließend druckte er die Zeichnung auf eine Glasplatte, die mit den Nanopartikeln beschichtet war, die zum Züchten von Nanoröhren erforderlich waren. Mit einem Hochtemperaturofen war es nur eine Frage der Zeit, bis das Portrait für ein Fotoshooting bereit war.

1Aufzeichnung brechen

Die Menschheit hat immer versucht, die stärksten, schnellsten und größten Dinge aufzubauen. Wenn es darum geht, die kleinsten zu bauen, entsteht Nanotechnologie auf der Bühne. Zu den kleinsten Dingen, die jemals mit Nanotechnologie geschaffen wurden, heißt das Buch Teeny Ted von der Rübe das derzeit als das kleinste gedruckte Buch der Welt gilt. Das im Nano Imaging Laboratory der Simon Fraser University im kanadischen Vancouver produzierte Buch misst nur 70 x 100 Mikrometer und besteht aus Buchstaben, die auf 30 kristallinen Siliziumseiten geschnitzt sind.

Die Geschichte des Buches, die von Malcolm Douglas Chaplin geschrieben wurde, zeigt Teeny Ted und seinen Triumph beim Rübenwettbewerb auf der jährlichen County Fair. Über 100 Exemplare des Buches wurden veröffentlicht. Aber um eines zu kaufen, benötigen Sie eine tiefe Tasche - ein einzelnes Buch kostet über 15.000 US-Dollar. Zum Lesen wird auch ein Elektronenmikroskop benötigt, was die Kosten zusätzlich erhöht.