10 Okonventionella användningar av nanoteknologi

Det är svårt att förutse framtiden utan närvaron av nanoteknik. Manipulera materia på atom- och submolekylär nivå har banat vägen för stora genombrott i kemi, biologi och medicin. Ändå är de utbrettande tillämpningarna av nanoteknik väldigt bredare och mer varierande än vad vi har föreställt oss.

10Film Making

Utan uppfinning av skanningstunnelmikroskopet (STM) på 1980-talet, kan nanoteknikområdet ha förbli science fiction. Med sin atomära precision har STM gjort det möjligt för fysiker att studera materialets struktur på ett sätt som var omöjligt med konventionella mikroskop.

STM: s förvånansvärda potential demonstrerades av forskare vid IBM när de skapade En pojke och hans Atom, som var världens minsta animerade film. Det framställdes genom att flytta enskilda atomer på en koppar yta.

90-sekundersfilmen visar en pojke av kolmonoxidmolekyler som spelar med en boll, dansar och studsar på en trampolin. Består av 202 ramar, tar animationen åtgärd i ett utrymme så liten som 1/1000 storleken på ett enda mänskligt hår. För att göra filmen använde forskare en unik funktion som följer med STM: en elektriskt laddad och extremt skarp stylus med ett tips av en atom. Stilen kan känna av de exakta positionerna för kolmolekylerna på animationsytan (vilket är kopparketet i det här fallet). Därför kan den användas för att skapa bilder av molekylerna samt flytta dem till nya positioner.

9Oil Recovery

De globala utgifterna för oljeutforskning har ökat exponentiellt under det senaste decenniet. Effektiviteten i oljeåtervinning har dock varit en stor fråga. När oljebolagen stänger av en oljebrunn extraheras mindre än hälften av oljan i behållaren. Resten är kvar eftersom den är instängd i berget där det är för dyrt att återhämta sig. Lyckligtvis har forskare i Kina med hjälp av nanoteknik upptäckt ett sätt att arbeta runt om detta.

Lösningen förbättrar en befintlig borrteknik. Den ursprungliga tekniken innebär att man injicerar vatten i bergporerna där oljan är belägen. Detta förskjuter oljan och tvingar den ut. Emellertid avslöjar denna metod dess begränsning så snart oljan i de lättillgängliga porerna har extraherats. Därefter börjar vattnet komma från brunnen i stället för olja.

För att förhindra detta har kinesiska forskare Peng och Ming Yuan Li kommit med tanken på att införa vattnet med nanopartiklar som kan plugga passagerna mellan rockporerna. Denna metod är avsedd att göra vattnet smalare vägar in i porerna som innehåller olja och tvinga oljan ut. Med framgångsrika fältstudier genomförda i Kina har denna metod visat sig vara mycket effektiv för att återvinna 50 procent av det svarta guldet som annars förblir oförändrat.

8High-Resolution Displays

Bilderna på dataskärmar presenteras via små prickar som kallas pixlar. Oavsett storlekar och former har antalet pixlar på en skärm varit en avgörande faktor för bildkvalitet. Med traditionella bildskärmar menade dock fler pixlar större och större skärmar - en uppenbar begränsning.

Medan företag var upptagna med att sälja sina kolossala skärmar till konsumenter, har forskare från Oxford University upptäckt ett sätt att skapa pixlar som bara är några hundra nanometer över. Detta uppnåddes genom att utnyttja egenskaperna hos ett fasförändringsmaterial kallat GST (ett material som finns i värmebehandlingsprodukter). I experimentet använde forskarna sju-nanometer tjocka lager av GST-sandwichade mellan transparenta elektroder. Varje lager - bara 300 med 300 nanometer i storlek - fungerar som en pixel som kan slås på och av automatiskt. Genom att överföra elektrisk ström genom skikten kunde forskarna producera bilder med rättvis kvalitet och kontrast.

Nano-pixlarna kommer att tjäna en mängd olika ändamål där de konventionella pixlarna har blivit opraktiska. Till exempel, deras lilla storlek och tjocklek gör dem till ett utmärkt val för tekniker som smarta glasögon, vikbara skärmar och syntetiska retina. En annan fördel med nanopixelskärmar är deras lägre energiförbrukning. Till skillnad från de befintliga bildskärmarna som ständigt uppdaterar alla pixlar för att bilda bilder, uppdaterar de GST-lagerbaserade bildskärmarna bara den del av skärmen som faktiskt ändras, vilket sparar ström.

7Color-Changing Paint

Samtidigt som experimenterar på strängar av guldnanopartiklar, har forskare vid University of California snubblat på en förvånande observation. De har märkt att guldets färg förändras när en sträng av partiklarna sträcks eller dras tillbaka, vilket ger en av forskarna beskriven som en vacker ljusblå som morper till lila och sedan röda. Fyndet har inspirerat forskarna att skapa sensorer ur guld nanopartiklar som byter färger när man trycker på dem.

För att producera sensorerna måste guld nanopartiklar sättas till en flexibel polymerfilm. När filmen pressas sträcker den sig och orsakar partiklar att separera och färgen ska förändras. Om du trycker lätt trycker sensorn lila medan du trycker på hårdare, blir den röd. Forskarna märkte denna spännande egenskap inte bara i guldpartiklar utan också i silver där partiklarna ändras till gult när de sträckte sig.

Sensorerna kan tjäna en mängd olika ändamål. De kunde till exempel vara inbyggda i möbler, som soffor eller sängar, för att bedöma sittande eller sovande ställning. Trots att den är gjord av guld är sensorn liten för att övervinna kostnadsproblemet.

6Phone Laddning

Oavsett om det är en iPhone, Samsung eller en annan typ av telefon, kommer varje smartphone som lämnar fabriken med två notoriska nackdelar: batterilivslängd och den tid det tar att ladda.Medan den första fortfarande är ett universellt problem har forskare från staden Ramat Gan i Israel lyckats ta itu med det andra problemet genom att skapa ett batteri som bara kräver 30 sekunder att ladda.

Genombrottet hänfördes till ett projekt relaterat till Alzheimers sjukdom som utförs av forskare från Universitetet i Tel Aviv. Forskarna upptäckte att peptidmolekylerna som förkortar hjärnans neuroner och orsakar sjukdomar har en mycket hög kapacitans (förmågan att bevara elektriska laddningar). Detta resultat har bidragit till grundandet av StoreDot, ett företag som fokuserar på nanoteknologier som riktar sig till konsumentprodukter. Med hjälp av forskare har StoreDot utvecklat NanoDots-teknik som utnyttjar peptidernas egenskaper för att förbättra batteritiden för smartphones. Företaget demonstrerade en prototyp av sitt batteri i Microsofts ThinkNext-händelse. Med en Samsung Galaxy S3-telefon laddades batteriet från noll till fullt på mindre än en minut.

5Sophisticated Drug Delivery

Behandlingar för sjukdomar som cancer kan vara orimligt dyra och i vissa fall för sent. Lyckligtvis forskar flera medicinska företag från hela världen på billiga och effektiva sätt att behandla sjukdomar. Bland dem är Immusoft, ett företag som syftar till att revolutionera hur läkemedel levereras till våra kroppar.

Istället för att spendera miljarder dollar på droger och terapiprogram, tror Immusoft att vi kan manipulera våra kroppar för att producera droger av sig själva. Med hjälp av immunsystemet kan celler hos en patient ändras för att få ny genetisk information som gör att de kan göra egna mediciner. Den genetiska informationen kan levereras via kapslar med nanostorlek som injiceras i kroppen.

Den nya metoden har ännu inte testats på en human patient. Trots detta har Immusoft och andra institutioner rapporterat framgångsrika experiment utförda på möss. Om det visat sig effektivt på människor, kommer metoden att avsevärt minska behandlings- och terapikostnaderna för hjärt-kärlsjukdomar och olika andra sjukdomar.

4Molekylär kommunikation

Det finns omständigheter där elektromagnetiska vågor, global telekommunikationens själ, blir oanvändbara. Tänk på en elektromagnetisk puls som kan göra kommunikationssatelliter, och alla former av teknik som bygger på dem, är värdelösa. Vi är ganska bekanta med sådana skrämmande scenarier från dagdomsfilmer. Dessutom har denna fråga varit tänkt i flera år av forskare från University of Warwick i Storbritannien och York University i Kanada innan de slutligen kommer fram med en oväntad lösning.

Forskarna observerade hur vissa djurarter, särskilt insekter, använder feromoner att kommunicera över långa avstånd. Efter samling av data kunde de utveckla en kommunikationsmetod där meddelanden kodas i molekylerna av förångad alkohol. Forskarna demonstrerade framgångsrikt den nya tekniken med att gnugga alkohol som en signalkemikalie och "O Canada" som sitt första meddelande.

Två anordningar användes med denna metod innefattande en sändare för att koda och skicka meddelandet och en mottagare för att avkoda och visa den. Metoden fungerar genom att skriva in ett textmeddelande på sändaren med hjälp av Arduino Uno (en mikrokälla med öppen källkod) som levereras med en LCD-skärm och knappar. Styrenheten omvandlar sedan textinmatningen till en binär sekvens som läses av en elektronisk spruta innehållande alkoholen. När det binära meddelandet är läst konverterar sprutan det till en kontrollerad uppsättning sprayer där "1" representerar en spray och "0" motsvarar ingen spray. Alkoholen i luften detekteras sedan av mottagaren som består av en kemisk sensor och en mikrokontroller. Mottagaren läser och konverterar binär data tillbaka till text innan den visas på en skärm.

Forskarna kunde skicka och ta emot meddelandet "O Canada" över flera meter öppet utrymme. Som ett resultat har ett antal forskare uttryckt förtroende för metoden. De tror att det kan vara till hjälp i miljöer som tunnelbanor eller rörledningar där elektromagnetiska vågor blir värdelösa.

3Computer lagring

Under de senaste decennierna har datorer ökat exponentiellt i både bearbetningseffekt och lagringskapacitet. Detta fenomen förutspåddes exakt av James Moore för omkring 50 år sedan och blev senare allmänt känd som Moores lag. Men många forskare, inklusive fysikern Michio Kaku, tror att Moores lag faller ihop. Detta beror på det faktum att datorkraft inte kan hålla fast vid den exponentiella ökningen av befintlig tillverkningsteknik.

Även om Kaku betonade processorkraft gäller samma koncept för lagringskapacitet. Lyckligtvis är det inte slutet på vägen. Ett team av forskare från RMIT University i Melbourne utforskar nu alternativen. Leds av Dr. Sharath Sriram, laget ligger på gränsen till att utveckla lagringsenheter som efterliknar hur människans hjärna lagrar information. Forskarna tog det första steget och byggde en nanofilm som är kemiskt utformad för att bevara elektriska laddningar i till och från stater. Filmen, som är 10.000 gånger tunnare än ett mänskligt hår, kan bli hörnstenen för att utveckla minnesenheter som replikerar hjärnans neurala nätverk.

2Nano Art

Den lovande utvecklingen av nanoteknik har fått stor beundran från det vetenskapliga samfundet. Ändå är genombrott i nanoteknik inte längre begränsad till medicin, biologi och teknik. Nano art är ett framväxande fält som gör att vi kan se den lilla världen under mikroskopet från ett helt nytt perspektiv.

Som namnet antyder är nano konst en kombination av konst och nanovetenskap som praktiseras av ett litet antal forskare och artister. Bland dem är John Hart, en mekanisk ingenjör från University of Michigan, som gjorde ett nanoporträtt av president Barack Obama. Porträttet, som heter Nanobama, skapades för att hedra presidenten när han var kandidat under presidentvalet 2008. Varje ansikte i Nanobama mäter bara en halv millimeter över och är helt skulpterad från 150 nanorör. För att producera porträtten skapade Hart först en streckritning av den ikoniska "Hope" -affischen. Han tryckte sedan ritningen på en glasplatta belagd med nanopartiklarna som behövs för att odla nanorör. Med en hög temperatur ugnen var det bara en fråga om tid innan porträttet var redo för en fotografering.

1Record Breaking

Mänskligheten har alltid försökt bygga de starkaste, snabbaste och största sakerna. Men när det gäller att bygga den minsta, kommer nanoteknologi fram på scenen. Bland de minsta saker som någonsin skapats med hjälp av nanoteknik är en bok kallad Teeny Ted From Turnip som för närvarande betraktas som världens minsta tryckta bok. Producerad i Nano Imaging Laboratory på Simon Fraser University i Vancouver, Kanada, mäter boken bara 70 mikrometer per 100 mikrometer och är gjord av bokstäver snidade på 30 kristallina silikonsidor.

Bokens berättelse, skriven av Malcolm Douglas Chaplin, presenterar Teeny Ted och hans triumf vid turnip-tävlingen på den årliga länsmässan. Över 100 exemplar av boken har publicerats. Men för att köpa en av dem behöver du en djup ficka - en enda bok kostar över $ 15.000. Ett elektronmikroskop kommer också att krävas för att läsa det och lägga till ännu mer till kostnaden.