ナノ製造

ナノマニュファクチャリングとは、粉末または液体などのナノスケール材料の製造、およびナノスケール材料から「ボトムアップ」方式、あるいは「トップダウン」方式で最小ステップで高精度部品を製造することであり、レーザーアブレーション、エッチングなどの様々な技術に用いられています。ナノマニュファクチャリングは、非生物学的なメカノシンセシス（およびそれに続く組み立て）によって複雑なナノスケール構造を製造する分子製造とは異なります。 [ 1 ]

「ナノマニュファクチャリング」という用語は、欧州技術プラットフォームMINAM [ 2 ]や米国国家ナノテクノロジー・イニシアチブ（NNI）[ 3 ]などによって広く使用されています。NNIは、ナノテクノロジーのサブドメインを5つの「優先分野」の1つとして挙げています。[ 4 ]また、米国国立科学財団にもナノマニュファクチャリング・プログラムがあり、それを通じて国家ナノマニュファクチャリング・ネットワーク（NNN）が設立されました。NNNは、ナノテクノロジーを研究室での研究から生産段階への移行を促進するために活動する組織であり、情報交換、[ 5 ] 、戦略的ワークショップ、ロードマップの策定などを通じて活動しています。

NNIはナノテクノロジーを非常に広く定義しており[ 6 ]、大型で不正確なツールによって作成されるものも含め、幅広い微小構造を包含しています。しかし、NNIの最近の報告書「ナノテクノロジーのための計測と計測」では、ナノマニュファクチャリングは定義されていません。対照的に、もう一つの「優先分野」であるナノファブリケーションは、「指向性法または自己組織化法によって、原子または分子レベルで機能的な構造またはデバイスを製造する能力」（67ページ）と定義されています。ナノマニュファクチャリングは、低コストと信頼性を重視した、ナノテクノロジーに基づく物体の近い将来における工業規模の製造を指すと考えられます。多くの専門学会がナノテクノロジー技術グループを結成しています。例えば、製造技術者協会（Society of Manufacturing Engineers）は、開発中の技術に関する情報を会員に提供するとともに、より広範な商業化のために対処しなければならない組織的および知的財産（IP）に関する法的課題に対処するために、ナノマニュファクチャリング技術グループを結成しました。

2014年に米国会計検査院は、政府が商業応用のための基礎研究の準備に投資しなかったことで、ナノテクノロジーにおけるアメリカのリーダーシップが危険にさらされていると指摘した。[ 7 ]

背景

ナノスケールシステムは、日常の材料、電子機器、医療、省エネ、持続可能性、輸送など、さまざまな分野で多くの用途と利点があることが認識され、これらのナノシステムをより大規模かつ高速度で製造するための技術開発研究が進められています。[ 8 ] NNIやNNNなどのプログラムや組織は現在、経済的で持続可能かつ信頼性の高い産業規模のナノ製造技術の設計に向けた研究に資金を提供しています。[ 9 ] [ 10 ]

こうした技術の一例としては、ノースイースタン大学の高速ナノ製造センター（CHN）の研究者によって開発されたナノスケールオフセット印刷システム（NanoOps）が挙げられる。 [ 11 ] NanoOpsは、従来のナノシステムの3Dプリンティングよりも高速かつ経済的な指向性アセンブリの一形態である。このプロジェクトのリーダーであり、映画「From Lab to Fab: Pioneers in Nano-manufacturing」に出演したアハメド・ブスナイナ氏は、このシステムを印刷機に例えている。ナノワイヤーがエッチングされたテンプレートを、印刷機のインクとして機能するナノ粒子を含む溶液に浸す。[ 12 ]溶液に電気を流すと、ナノ粒子がテンプレートに付着する。[ 11 ]ナノ粒子が付着したテンプレートを溶液から取り出し、任意の材料に押し付けることができる。ブスナイナ氏によると、このプロセス全体のコストは従来の製造方法のわずか1%で、製造時間を数日から数分に短縮できるという。[ 11 ]

もう一つの実例として、ジョージア工科大学のナザニン・バシリ＝ガルブ氏が開発したソフトテンプレート浸透製造技術が挙げられます。これは、強誘電性で圧電活性なナノチューブを製造するためのボトムアップ型ナノ製造技術です。この方法では、電子ビームリソグラフィーを用いて前駆体ゾルゲル溶液に真空をかけてポリマーテンプレートを作成します。この非常にスケーラブルで実用的な製造プロセスにより、ユーザーは様々な用途に合わせてカスタムパターンや形状を作製できます。[ 13 ] [ 14 ]

概要

ナノ製造とは、 1ナノメートルから100ナノメートルの寸法の物体または材料の製造プロセスを指します。[ 15 ]これらのプロセスは、ナノテクノロジー、つまり有機化学、分子生物学、航空宇宙工学、物理学などの分野に応用される極小のデバイス、構造、機能、システムをもたらします。 [ 16 ]ナノ製造により、材料除去プロセス、デバイスの組み立て、医療機器、静電コーティングと繊維、リソグラフィーなどの用途を持つ新しい材料と製品の作成が可能になります。[ 16 ]ナノ製造は、新しい科学分野と新しい市場の両方を代表する比較的最近の製造分野です。ナノ製造の研究では、従来の製造とは異なり、機械技術者、物理学者、生物学者、化学者、材料科学者間のコラボレーションなど、一般的なエンジニアリングの部門を超えた共同作業が必要です。[ 16 ]

ナノ製造は、一般的にトップダウンアプローチとボトムアップアプローチの 2 つのカテゴリに分類できます。

ナノ製造産業

2009年には、ナノスケールの部品を組み込んだ米国製品に910億ドルが費やされました。[ 17 ] 2001年から2004年の間に、60か国以上が国家レベルでナノ製造産業関連のプログラムを設立しました。[ 17 ] 2000年以来、国家ナノテクノロジーイニシアチブ（NNI）に提供された累積資金は120億ドルを超えています。[ 17 ]

表1 世界と米国におけるナノテクノロジーの発展[ 18 ]
図1 ナノテクノロジー関連および重複しない出願特許の数。[ 19 ]

持続可能性の観点から見ると、原子層堆積法（ALD）は、ボトムアップと化学気相堆積法（CVD）製造方法を使用したナノスケールの製造技術です。[ 19 ] ALDは、SiO 2誘電体フィルムをAl 2 O 3誘電体フィルムに置き換えます。[ 19 ] ALD業界はすでに半導体業界で使用されており、太陽電池、燃料電池、医療機器、センサー、ポリマー業界で有望です。[ 19 ]ナノ製造技術により、食品包装の改善が可能になります。[ 18 ]たとえば、プラスチック材料のバリアの改善により、顧客が関連情報を識別できるようになります。 [18 ]自己修復機能により、食品の寿命が延び、食品の安全性も向上します。[ 18 ]従来の建設資材、鉄鋼やコンクリートの性能は、ナノテクノロジーによって向上します。金属酸化物ナノ粒子でコンクリートを補強すると、浸透性が低減し、強度が向上します。[ 20 ]カーボンナノチューブ（CNT）やカーボンナノファイバー（CNF）などのナノカーボン添加剤は、高い引張強度とヤング率という特性を持ち、より密度が高く多孔性の少ない材料を作り出します。[ 20 ]

ナノ製造の課題

ナノテクノロジーを研究室での実証から産業規模の製造に移行するには、次のような多くの課題があります。

  • 経済的で実用的な収穫量を生み出す生産技術の開発[ 9 ]
  • ナノ構造の組み立て精度の制御[ 9 ] [ 21 ]
  • 信頼性試験と欠陥制御方法の確立。現在、半導体産業における欠陥制御は非選択的であり、製造時間全体の20～25%を占めています。ナノスケールシステムの欠陥除去は、不純物を選択的かつ慎重に除去する必要があるため、はるかに長い時間がかかることが予測されています。[ 21 ]
  • 高速・大量生産時および生産後の製品寿命中におけるナノスケールの特性とナノシステムの品質の維持[ 9 ] [ 21 ]
  • 環境、倫理、社会への影響の評価[ 22 ]

参考文献

  1. ^ 「ドレクスラーのナノシステム用語集」 。 2017年7月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年11月22日閲覧。
  2. ^ 「MINAMウェブサイト」 。 2009年7月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年1月12日閲覧。
  3. ^米国国家ナノテクノロジーイニシアチブのウェブサイト
  4. ^ 「英国テレコムの歴史における出来事」。英国テレコムの歴史における出来事。2003年4月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2005年11月25日閲覧。
  5. ^インターナノ
  6. ^米国国家ナノテクノロジーイニシアチブ：ナノテクノロジーとは何か？ 2011年2月21日アーカイブ、 Wayback Machine
  7. ^ 「アメリカにおけるナノ製造」『エコノミスト』 2014年2月7日。 2014年2月10日閲覧。
  8. ^ 「ナノの利点と応用」 www.nano.gov 2016年2月16日閲覧。
  9. ^ a b c d「NSI：持続可能なナノ製造 - 未来の産業の創造 | ナノ」 www.nano.gov . 2016年2月16日閲覧。
  10. ^ 「InterNano National Nanomanufacturing Networkについて」www.internano.org . 2016年2月16日閲覧。
  11. ^ a b c「NanoOPS: ラボからファブへ: NEUナノ製造」nano.server281.com . 2016年2月16日閲覧。
  12. ^ 「3Qs: 明日の3Dプリンティング | ノースイースタン大学のニュース」 www.northeastern.edu . 2016年2月16日閲覧。
  13. ^ Bernal, Ashley; Tselev, Alexander; Kalinin, Sergei; Bassiri-Gharb, Nazanin (2012). 「ソフトテンプレート浸透法による自立型強誘電体ナノチューブの作製」 . Advanced Materials . 24 (9): 1160– 1165. doi : 10.1002 / adma.201103993 . ISSN 1521-4095 . PMID 22279013. S2CID 21328432 .   
  14. ^米国出願2013149500、Bassiri-Gharb、Nazanin & Bernal、Ashley L.、「ナノマテリアルのソフトテンプレート浸透製造」、2013年6月13日公開 、現在は放棄済み。
  15. ^ Wang, Yang (2009). 「ナノ製造技術：進歩と機会」（PDF） .国際技術経営協会. セントラルフロリダ大学. 2016年2月16日閲覧。
  16. ^ a b cビスカリーニ, ファビオ; チェン, ジュリー; コマンドゥリ, ランガ; タリアニ, カルロ (2002年1月). 「NSF-EC ナノ製造および処理に関するワークショップ」(PDF) .全米科学財団. 2016年2月16日閲覧.
  17. ^ a b c Roco, Mihail (2011). 「ナノテクノロジー開発の長期展望：国家ナノテクノロジー・イニシアチブ10周年」 . Journal of Nanoparticle Research . 13 (2): 427– 445. Bibcode : 2011JNR....13..427R . doi : 10.1007/s11051-010-0192-z .
  18. ^ a b c d Sekhon, Bhupinder (2010). 「食品ナノテクノロジー – 概要」 .ナノテクノロジー、科学、応用. 3 : 1– 15. PMC 3781769. PMID 24198465 .  
  19. ^ a b c d Yuan, Chris (2012). 「環境的に持続可能な製造のための3次元システムアプローチ」 CIRP Annals . 61 : 39– 42. doi : 10.1016/j.cirp.2012.03.105 .
  20. ^ a bハヌス、モニカ (2013). 「建設業界におけるナノテクノロジーの革新」.材料科学の進歩. 58 (7): 1056– 1102. doi : 10.1016/j.pmatsci.2013.04.001 .
  21. ^ a b c Busnaina, Ahmed (2007).ナノマニュファクチャリングハンドブック. ボカラトン: CRC press: Taylor and Francis Group. pp.  3–16 . ISBN 978-0-8493-3326-2。{{cite book}}: CS1 maint: 発行者の所在地 (リンク)
  22. ^ 「目標とミッション：NEUナノ製造」nano.server281.com . 2016年2月16日閲覧。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ナノマニュファクチャリング&oldid =1304121086」より取得