Наноматериалы
Как уже говорилось в разделе «Свойства в наномасштабе», свойства материалов — электрические, оптические, магнитные, механические и химические — зависят от их точных размеров. Это открывает путь к разработке новых и улучшенных материалов путем манипулирования их наноструктурой. Иерархические сборки наноразмерных материалов в более крупные структуры или их встраивание в устройства создают основу для создания принципиально новых материалов и машин.
Природные сборки указывают путь к совершенствованию конструкционных материалов. Часто упоминаемая раковина абалона служит прекрасным примером того, как сочетание твердого, хрупкого неорганического материала с наноразмерной структурой и мягкого, «жесткого» органического материала может привести к созданию прочного и долговечного нанокомпозита — по сути, эти нанокомпозиты состоят из «кирпичиков» карбоната кальция, удерживаемых вместе гликопротеиновым «клеем». Появляются новые конструкционные материалы, такие как полимерно-глиняные нанокомпозиты, которые не только прочны и долговечны, но и легки и легче поддаются переработке, чем обычные армированные пластики. Такие усовершенствования конструкционных материалов особенно важны для транспортной отрасли, где уменьшение веса напрямую приводит к повышению экономии топлива. Другие усовершенствования могут повысить безопасность или снизить воздействие на окружающую среду при производстве и переработке. В будущем композиты могут стать еще более совершенными, например, по-настоящему «умными» материалами, сигнализирующими о предстоящем разрушении или даже способными к самовосстановлению дефектов.
Датчики занимают центральное место практически во всех современных системах управления. Например, многочисленные датчики используются в автомобилях для решения таких разнообразных задач, как управление двигателем, контроль выбросов, безопасность, комфорт, мониторинг и диагностика транспортного средства. В то время как в традиционных приложениях для физических сенсоров обычно используются микромасштабные сенсорные устройства, появление наноразмерных материалов и структур привело к появлению новых электронных, фотонных и магнитных наносенсоров, иногда называемых «умной пылью». Благодаря своим малым размерам наносенсоры демонстрируют беспрецедентную скорость и чувствительность, доходящую в некоторых случаях до обнаружения отдельных молекул. Например, нанопроволоки из углеродных нанотрубок, кремния или других полупроводниковых материалов демонстрируют исключительную чувствительность к химическим веществам или биологическим агентам. Электрический ток через нанопровода можно изменять, прикрепляя к их поверхности молекулы, которые локально возмущают структуру их электронных полос. С помощью поверхности нанопроводов, покрытой сенсорными молекулами, которые избирательно присоединяют определенные виды, изменения тока, вызванные зарядом, могут быть использованы для обнаружения присутствия этих видов. Эта же стратегия используется для многих классов сенсорных систем. Новые типы сенсоров со сверхвысокой чувствительностью и специфичностью найдут множество применений; например, сенсоры, способные обнаруживать раковые опухоли, состоящие всего из нескольких клеток, станут очень значительным достижением.
Наноматериалы также являются отличными фильтрами для улавливания тяжелых металлов и других загрязняющих веществ из промышленных сточных вод. Одно из самых больших потенциальных воздействий нанотехнологий на жизнь большинства людей на Земле будет связано с экономичным опреснением и очисткой воды. Наноматериалы, скорее всего, найдут широкое применение в топливных элементах, биоконверсии энергии, биопереработке пищевых продуктов, очистке отходов и системах контроля загрязнения.
В последнее время наночастицы вызывают беспокойство: могут ли их малые размеры и новые свойства представлять значительную опасность для здоровья или окружающей среды. В целом, сверхтонкие частицы, такие как углерод в тонерах для ксероксов или сажа, образующаяся в двигателях внутреннего сгорания и на заводах, оказывают неблагоприятное воздействие на дыхательную и сердечно-сосудистую системы людей и животных. В настоящее время проводятся исследования, чтобы определить, представляют ли конкретные наноразмерные частицы повышенный риск, который может потребовать специальных нормативных ограничений. Особую озабоченность вызывают потенциальные канцерогенные риски от вдыхаемых частиц и возможность для очень маленьких наночастиц пересекать гематоэнцефалический барьер с неизвестными последствиями. К наноматериалам, которые в настоящее время привлекают внимание чиновников здравоохранения, относятся углеродные нанотрубки, баксиболы и квантовые точки селенида кадмия. Также планируются исследования поглощения через кожу наночастиц оксида титана (используемых в солнцезащитных кремах). Более масштабные исследования токсичности, переноса и общей судьбы наночастиц в экосистемах и окружающей среде пока не проводились. Некоторые ранние исследования на животных, включавшие введение очень высоких уровней наночастиц, которые привели к быстрой смерти многих испытуемых, весьма противоречивы.