ナノテクノロジーの産業応用

ナノテクノロジーは消費財分野に影響を与えており、ナノマテリアルを組み込んだ製品はすでに様々な製品に使用されています。その多くは、ナノ粒子が含まれていることに気づいていない製品で、洗浄のしやすさから傷つきにくさまで、さまざまな新しい機能を備えています。例えば、車のバンパーは軽量化され、衣類はより汚れにくくなり、日焼け止めはより放射線耐性が高まり、合成骨はより強くなり、携帯電話の画面はより軽量になり、飲料用のガラス容器はより長い保存期間をもたらし、様々なスポーツ用ボールはより耐久性が高くなります。^{[ 1 ]}ナノテクノロジーを使用することで、中期的には現代の繊維は「スマート」になり、埋め込まれた「ウェアラブルエレクトロニクス」を通じて、特に化粧品分野で有望な可能性を秘めており、重工業においても多くの潜在的な用途があります。ナノテクノロジーは今世紀の技術とビジネスの主要な推進力になると予測されており、社会のあらゆる側面に大きな影響を与える、より高性能な材料、インテリジェントシステム、新しい生産方法の可能性を秘めています

食品

食品およびバイオプロセス産業では、高品質で安全な食品を効率的かつ持続可能な方法で製造するという複雑な工学的、科学的課題に直面していますが、これらの課題はナノテクノロジーによって解決できます。バイオセンサーを使用した細菌の識別や食品品質のモニタリング、インテリジェントでアクティブでスマートな食品包装システム、生理活性食品化合物のナノカプセル化などは、食品産業におけるナノテクノロジーの新たな応用例です。^{[ 2 ]}ナノテクノロジーは、食品の生産、加工、安全性、包装に応用できます。ナノ複合コーティングプロセスでは、コーティングされたフィルムの表面に抗菌剤を直接配置することで、食品包装を改善できます。 ナノ複合材料は、さまざまな製品の必要に応じて、さまざまな充填剤のガス透過性を高めたり、低下させたりできます。また、機械的特性や耐熱性を向上させ、酸素透過率を下げることもできます。食品の生化学的変化を感知するために、化学物質や生物学的物質の検出にナノテクノロジーを応用する研究が行われています。

ナノ食品

新興ナノテクノロジープロジェクト（PEN）によると、既知または主張されている609種類のナノ製品の目録に基づき、新しい食品はナノテクノロジーで作られた消費者製品の中に週に3～4種類の割合で市場に投入されています。PENのリストには、キャノーラアクティブオイルと呼ばれるキャノーラ食用油、ナノテアと呼ばれるお茶、そしてナノシューティカルズスリムシェイクチョコレートと呼ばれるチョコレートダイエットシェイクの3つの食品が含まれています。PENのウェブサイトに掲載されている企業情報によると、イスラエルのシェメン・インダストリーズ製のキャノーラ油には、ビタミン、ミネラル、ファイトケミカルを消化器系と尿素を通して運ぶように設計された「ナノドロップス」と呼ばれる添加物が含まれています。^{[ 3 ]}米国のメーカーであるRBCライフサイエンス社によると、このシェイクはココアを注入した「ナノクラスター」を使用しており、余分な砂糖を必要とせずにココアの味と健康効果を高めています。^{[ 4 ]}

消費財

表面とコーティング

家庭におけるナノテクノロジーの最も顕著な応用は、セラミックやガラスのセルフクリーニング機能、つまり「お手入れしやすい」表面です。 ナノセラミック粒子は、ヘアアイロンなどの一般的な家庭用機器の滑らかさと耐熱性を向上させました

保護・反射防止効果のある超薄型ポリマーコーティングを採用した初のサングラスが市場に登場しました。光学分野では、ナノテクノロジーを活用し、ナノ複合材料をベースとした傷防止表面コーティングも実現しています。ナノ光学技術は、瞳孔修復やその他のレーザー眼科手術の精度向上につながる可能性があります。

繊維

人工ナノファイバーの使用により、衣類はすでに撥水性、防汚性、またはしわ防止性を備えています。ナノテクノロジー加工を施した繊維は、洗濯頻度を減らし、低温で洗うことができます。ナノテクノロジーは、微小な炭素粒子膜を統合し、着用者の表面全体を静電気から保護するために使用されています。コーネル大学の繊維ナノテクノロジー研究所、英国のDstlとそのスピンアウト企業P2iなどの研究機関によって、 他にも多くの用途が開発されています

スポーツ

ナノテクノロジーは、サッカー、アメリカンフットボール^{[ 5 ]}、野球^{[ 6 ]}などのスポーツでも役割を果たす可能性があります。新しい運動靴の素材は、靴を軽くする（そして選手のスピードを上げる）ために作られる可能性があります。^{[ 7 ]}すでに市販されている野球のバットは、樹脂を強化するカーボンナノチューブで作られており、軽量化によって性能が向上すると言われています。^{[ 6 ]}スポーツタオル、ヨガマット、エクササイズマットなどの他のアイテムも市販されており、NFLの選手によって使用されています。NFLでは、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（一般にMRSAとして知られています）などの細菌による病気を予防するために、抗菌ナノテクノロジーを使用しています。^{[ 5 ]}

航空宇宙および自動車メーカー

より軽量で強度の高い材料は航空機メーカーにとって非常に有益であり、性能向上につながります。重量が重要な要素となる宇宙船にも恩恵がもたらされます。ナノテクノロジーは機器の小型化に役立ち、離陸に必要な燃料消費量を削減する可能性があります。ハンググライダーは、ナノテク材料の使用により、重量を半分に減らしながら強度と靭性を高めることができるかもしれません。ナノテクノロジーは、ハンググライダーを平地からサーマルチェイス高度まで離陸させるための補助電動モーターに電力を供給するためにますます使用されるようになる スーパーキャパシタの質量を低減しています。

航空宇宙産業と同様に、より軽量で強度の高い素材は、より高速で安全な車両の開発に役立つでしょう。内燃機関においても、より耐久性と耐熱性に優れた部品の恩恵を受ける可能性があります。

軍隊

生物センサー

ナノテクノロジーは、軍隊の生物兵器検知能力を向上させることができます。ナノテクノロジーを活用することで、軍隊は生物兵器を検知できるセンサーシステムを開発することができます。^{[ 8 ]}センサーシステムはすでに十分に開発されており、軍隊が最初に導入するナノテクノロジーの一つとなるでしょう。^{[ 9 ]}

制服の素材

兵士の制服の素材にナノ粒子を注入することで、素材の耐久性を高めるだけでなく、高温、衝撃、化学物質など、さまざまな危険から兵士を守ることができます。^{[ 8 ]}素材に含まれるナノ粒子は、何かが鎧に衝突したときに集まり、衝撃を受けた部分を硬くすることで、兵士をこれらの危険から守ります。この硬さは、極度の熱であろうと鈍い力であろうと、鎧に衝突したあらゆる衝撃を軽減するのに役立ちます。衝撃の力を軽減することで、ナノ粒子は制服を着用している兵士を、衝撃によって引き起こされる可能性のあるあらゆる怪我から守ります

ナノテクノロジーが兵士の制服を改良するもう一つの方法は、より優れたカモフラージュ効果を生み出すことです。素材に注入された可動性顔料ナノ粒子は、より優れたカモフラージュ効果を生み出します。^{[ 10 ]}これらの可動性顔料粒子は、兵士がいる場所に応じて制服の色を変えることができるでしょう。この自己変化型カモフラージュについては、現在も多くの研究が行われています。

ナノテクノロジーは熱迷彩を向上させることができます。熱迷彩は、暗視技術を使用する者から兵士を守るのに役立ちます。様々な軍事装備の表面は、電磁放射線によってその表面が覆われている物体の赤外線特性を低下させるように設計することができます。^{[ 10 ]}兵士の制服の表面や軍用車両の表面は、このように設計できる表面の例です。兵士と兵士が使用する軍用車両の両方の赤外線特性を低下させることで、赤外線誘導兵器や赤外線監視センサーからの防御力が向上します。

通信方法

ナノ粒子を用いてコーティングされたポリマー糸を作成し、兵士の制服に織り込む方法があります。^{[ 11 ]}これらのポリマー糸は、兵士間の通信手段として使用できます。制服の糸のシステムは、異なる光の波長に設定できるため、他の人が盗聴することはできません。^{[ 11 ]}これにより、望ましくない盗聴者によって傍受されるリスクが低減されます

医療システム

兵士が身に着ける医療監視システムは、ナノテクノロジーを用いて作ることができます。このシステムは、兵士の健康状態やストレスレベルを監視することができます。システムは、必要に応じて薬剤を放出したり、傷口を圧迫したりすることで、医療状況に対応することができます。^{[ 10 ]}つまり、システムが出血している傷を検知した場合、さらなる医療処置が受けられるまで傷口の周囲を圧迫することができます。また、健康上の理由から、負傷時の鎮痛剤など、薬剤を兵士の体内に放出することもできます。兵士がシステムを身に着けている間は、システムは基地の医療従事者に兵士の健康状態を常に知らせることができます。この情報を基地に伝えるために必要なエネルギーは、兵士の体の動きによって生成されます。^{[ 10 ]}

兵器

ナノ兵器とは、現代の戦場でナノテクノロジーの力を活用することを目指して現在開発中の軍事技術に付けられた名称です。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

軍事におけるリスク

• 国家機関、犯罪者、企業などは、ナノロボットを使ってプライベートな会話を盗聴する可能性があります。 ^{[ 10 ]}
• グレイ・グー: 制御不能な自己複製ナノマシンまたはロボット。
• 様々な軍用素材に使用されているナノ粒子は、その素材が摩耗した場合、それを着用している兵士に潜在的に危険となる可能性がある。制服が摩耗すると、ナノマテリアルが剥がれて兵士の体内に入る可能性がある。^{[ 15 ]}ナノ粒子が兵士の体内に入ると、非常に不健康であり、深刻な害を及ぼす可能性がある。兵士への実際の損傷がどのようなものかは多くの情報がないが、皮膚を通して魚に侵入したナノ粒子の影響についての研究は行われている。この研究では、研究対象となった様々な魚が、さまざまな程度の脳障害を患っていることが示された。脳障害は深刻な悪影響であるが、研究では、この結果は、ナノ粒子が体内に入った場合に兵士に何が起こるかを正確に示す例としてとらえることはできないとも述べている。^{[ 16 ]}ナノ粒子を使用した製品を製造する科学者に対しては非常に厳しい規制がある。これらの厳格な規制により、ナノ粒子が材料から剥がれて兵士の体内に入る危険性を大幅に減らすことができます。^{[ 17 ]}

触媒作用

ナノ粒子は、その極めて大きな表面積対体積比により、化学触媒において特に大きな利点を有します。触媒におけるナノ粒子の応用範囲は、燃料電池から触媒コンバーター、光触媒装置まで多岐にわたります。触媒は化学物質の製造においても重要です。例えば、特有の化学的環境（リガンド）や特殊な光学特性を持つナノ粒子などが挙げられます。

白金ナノ粒子は、その非常に高い表面積により必要な白金の量を減らすことができるため、次世代の自動車用触媒コンバーターへの使用が検討されています。^{[ 18 ]}しかし、メタンが周囲の空気と混合されると自然発火するという実験結果から、懸念が生じています。 ^{[ 19 ]}フランスの国立科学研究センター（CNRS）で現在行われている研究では、触媒用途におけるその真の有用性が明らかになるかもしれません。^{[ 20 ]}ナノ濾過は重要な用途になる可能性がありますが、今後の研究では毒性の可能性を慎重に調査する必要があります。^{[ 21 ]}

建設

ナノテクノロジーは、建設をより迅速、安価、安全、そしてより多様なものにする可能性を秘めています。ナノテクノロジー建設の自動化により、先進的な住宅から巨大な超高層ビルまで、建造物をより迅速かつ低コストで建設できるようになります。近い将来、ナノテクノロジーは建築物の基礎の亀裂を感知し、ナノボットを送り込んで修復できるようになるでしょう。^{[ 22 ] [ 23 ]}

ナノテクノロジーは、電子工学、生体力学、コーティングなど、多くの分野を包含する活発な研究分野です。これらの分野は、土木工学や建設資材の分野に貢献しています。^{[ 22 ]}住宅やインフラの建設にナノテクノロジーが活用されれば、構造物の強度が向上します。建物の強度が向上すれば、建て替えの必要性が減り、廃棄物も削減されます。

建設分野におけるナノテクノロジーには、アルミナやシリカなどのナノ粒子の利用が含まれます。メーカーはナノセメントの製造方法も研究しています。ナノサイズの粒子を含むセメントの製造・加工が可能になれば、セラミックス、高強度複合材料、電子機器用途など、様々な分野で大きな可能性が拓かれるでしょう。 ^{[ 22 ]}

ナノ材料は従来の材料に比べて依然として高価であるため、大量生産される建築材料として採用される可能性は低い。この技術によって構造用鋼の消費量が大幅に削減される日はまだ来ていない。^{[ 24 ]}

セメント

コンクリートの構造を理解するために、ナノレベルでの多くの分析が行われています。このような分析には、原子間力顕微鏡（AFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）、集束イオンビーム（FIB）など、そのスケールでの研究のために開発された様々な技術が用いられます。これは、ナノスケール全般を研究するためのこれらの機器の開発による副次的な成果ですが、コンクリートの構造と挙動を基礎レベルで理解することは、ナノテクノロジーの重要かつ非常に適切な活用法です。ナノテクノロジーの基本的な側面の1つは、その学際的な性質であり、医療工学のための骨の力学モデリングとコンクリートの力学モデリングの間で既にクロスオーバー研究が行われており、コンクリート中の塩化物拡散（鉄筋の腐食の原因）の研究が可能になっています。結局のところ、コンクリートはナノ特性に強く影響されるマクロ材料であり、この新しいレベルでの理解は、以下の段落で概説するように、強度、耐久性、モニタリングの改善に向けた新たな道筋を生み出しています

シリカ（SiO2）は、従来のコンクリートに通常の混合物の一部として含まれています。しかし、ナノスケールのコンクリート研究によって得られた進歩の一つは、ナノシリカを用いることでコンクリート中の粒子充填を改善できることです。これにより、ミクロおよびナノ構造が緻密化され、機械的特性が向上します。セメント系材料にナノシリカを添加することで、水中へのカルシウムの浸出によって引き起こされるコンクリートの基本的なCSH（カルシウム-ケイ酸塩水和物）反応の劣化を抑制し、水の浸透を阻止することで耐久性を向上させることができます。粒子充填の改善に関連して、普通ポルトランドセメント（OPC）クリンカーと標準砂を高エネルギー粉砕すると、従来のOPCに比べて粒子径が大きく減少し、その結果、精製された材料の圧縮強度も3～6倍（異なる年代）向上します。^{[ 23 ]}

鋼鉄

鋼材は広く利用されている材料であり、建設業界で重要な役割を果たしています。鋼材へのナノテクノロジーの活用は、鋼材の物理的特性の向上に役立ちます。鋼材の疲労、つまり構造破壊は、繰り返し荷重によって発生します。現在の鋼材設計は、許容応力、耐用年数、または定期検査体制の短縮に基づいています。これは構造物のライフサイクルコストに大きな影響を与え、資源の有効活用を制限しています。応力集中部は、疲労破壊につながる亀裂の発生源となります。銅ナノ粒子の添加は鋼材の表面凹凸を低減し、応力集中部の数を制限し、ひいては疲労亀裂の発生を抑制します。ナノ粒子の使用によるこの技術の進歩は、安全性の向上、定期検査の必要性の低減、そして疲労の問題のないより効率的な建設材料につながるでしょう。^{[ 22 ]}

鋼製ケーブルはカーボンナノチューブを用いることで強化できます。特に吊橋では、ケーブルがスパンの端から端まで敷設されるため、ケーブル強度の向上は建設コストと期間の削減につながります。^{[ 22 ]}

バナジウムおよびモリブデンのナノ粒子の使用は、高強度ボルトに伴う遅れ破壊の問題を改善します。これにより、水素脆化の影響が軽減され、粒界セメンタイト相の影響が低減されるため、鋼の微細構造が改善されます。^{[ 22 ]}

溶接部および溶接部に隣接する熱影響部（HAZ）は、急激な動的荷重を受けると脆くなり、予期せず破損することがあります。マグネシウムやカルシウムなどのナノ粒子を添加すると、鋼板のHAZ結晶粒が微細化します。このナノ粒子の添加は溶接強度の向上につながります。強度の向上は、応力を許容範囲内に抑えるために必要な材料量を削減するため、資源要件の削減につながります。^{[ 22 ]}

木材

ナノテクノロジーは、木材産業にとって、新製品の開発、加工コストの大幅な削減、そしてバイオベース材料の新たな市場開拓という大きなチャンスとなります

木材はナノチューブ、すなわち「ナノフィブリル」、つまり鋼鉄の2倍の強度を持つリグノセルロース（木質組織）要素で構成されています。これらのナノフィブリルを採取すれば、生産と利用の両方が再生可能なサイクルの一部となるため、持続可能な建設における新たなパラダイムが生まれる可能性があります。一部の開発者は、ナノスケールでリグノセルロース表面に機能を組み込むことで、自己殺菌表面、内部自己修復、電子リグノセルロースデバイスなどの新たな可能性が開かれるのではないかと推測しています。これらの目立たない能動型または受動型のナノスケールセンサーは、構造負荷、温度、水分含有量、腐敗菌、熱損失または熱利得、空調空気の損失を監視することで、製品の性能と使用中の環境条件に関するフィードバックを提供します。しかしながら、現在、これらの分野の研究は限られているようです。

木材は天然由来であることから、学際的な研究やモデリング技術において先端的な役割を果たしています。BASFは、蓮の葉の作用を応用した、シリカとアルミナのナノ粒子、そして疎水性ポリマーを配合した、高度な撥水性コーティングを開発しました。骨の力学的研究は、例えば乾燥過程における木材のモデル化に応用されています。^{[ 23 ]}

ガラス

建設におけるもう一つの重要な材料であるガラスへのナノテクノロジーの応用に関する研究が行われています。二酸化チタン（TiO ₂）ナノ粒子は、殺菌作用と防汚作用があるため、窓ガラスのコーティングに使用されています。この粒子は、有機汚染物質、揮発性有機化合物、細菌膜を分解する強力な反応を触媒します。TiO ₂は親水性（水を引き付ける性質）であるため、雨滴を引き寄せて汚れの粒子を洗い流すことができます。このように、ガラス産業へのナノテクノロジーの導入は、ガラスの自己洗浄特性を取り入れることにつながります。^{[ 22 ]}

防火ガラスは、ナノテクノロジーのもう一つの応用例です。これは、ガラス板の間に挟まれた透明な膨張層（中間層）を用いることで実現されます。この層はシリカナノ粒子（SiO ₂）で形成されており、加熱されると硬く不透明な防火シールドに変化します。建築に用いられるガラスの大部分は建物の外壁に使用されています。そのため、ガラスを通して建物内に入る光と熱を遮断する必要があります。ナノテクノロジーは、窓から入る光と熱を遮断するためのより優れたソリューションを提供することができます。^{[ 22 ]}

コーティング

コーティングは建設分野において重要な分野であり、壁、ドア、窓などの塗装に広く使用されています。コーティングは、基材に結合した保護層を提供し、所望の保護特性または機能特性を持つ表面を形成する必要があります。コーティングは、「自己組織化」プロセスによる自己修復能力も備えている必要があります。ナノテクノロジーは塗料に応用され、自己修復能力と断熱材下の腐食保護機能を備えたコーティングを実現しています。これらのコーティングは疎水性であるため、金属パイプからの水分をはじき、塩水による腐食からも金属を保護することができます。^{[ 22 ]}

ナノ粒子ベースのシステムは、より優れた接着性と透明性を提供します。TiO2コーティングは_、光触媒作用によって有機および無機の大気汚染物質を捕捉・分解し、道路の環境利用を促進します。^{[ 22 ]}

火災予防と検知

鉄骨構造物の耐火性は、多くの場合、セメント系スプレー塗布法によって得られるコーティングによって実現されます。ナノセメントは、強靭で耐久性のある高温コーティングとして使用できるため、この応用分野において新たなパラダイムを生み出す可能性を秘めています。これは耐火性を高める優れた方法であり、従来の断熱材よりも安価な選択肢となります。^{[ 22 ]}

建設におけるリスク

建築において、ナノマテリアルは、セルフクリーニング窓からフレキシブルソーラーパネル、Wi-Fi遮断塗料まで幅広く使用されています。自己修復コンクリート、紫外線および赤外線を遮断する材料、スモッグ除去コーティング、発光壁や天井は、建設における新しいナノマテリアルです。ナノテクノロジーは、「スマートホーム」を実現するための約束です。ナノテク対応センサーは、温度、湿度、空気中の毒素を監視できますが、これにはナノテクベースの改良されたバッテリーが必要です。センサーは無線コンポーネントを使用するため、建物のコンポーネントはインテリジェントでインタラクティブになり、幅広いデータを収集できます。^{[ 22 ]}

ナノセンサーやナノマテリアルがスマートホームなどの建物の日常的な一部になった場合、これらの材料は人間にどのような影響を与えるのでしょうか？^{[ 22 ]}

1. ナノ粒子の健康と環境への影響：建物の給水が市販のナノフィルターでろ過されている場合、ナノ粒子が体内に侵入する可能性もあります。空気中および水中のナノ粒子は、建物の換気システムや排水システムから体内に侵入します。^{[ 22 ]}
2. ナノ粒子の社会問題への影響：センサーが普及するにつれて、ユーザーがますますインテリジェント化する建物の構成要素とやりとりすることによって、プライバシーと自律性が失われる可能性があります。^{[ 22 ]}

参考文献

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外部リンク

• ナノテクノロジー応用の概要
• 新興ナノテクノロジープロジェクト