Nanoteknolojinin endüstrideki uygulamaları

Modern tekstil ürünleri kırışıklığa ve lekeye dayanıklıdır. Bu ürünler içlerine gömülü “giyilebilen elektronikler” sayesinde akıllı bir hal alacaklar. Nanomateryaller birçok ürünün bünyesinde vardır ve birçok insan ürünlerin nanopartiküller içerdiklerini fark etmezler. Örneğin araçların tamponlarını parlak yapmada, kıyafetleri kir tutmaz yapmada, güneş koruyucuları radyasyona karşı daha dayanıklı hale getirmekte, sentetik kemikleri daha güçlü hale getirmekte, cep telefonlarının ekranlarını daha hafifleştirmede, içeceklerin raf ömrünü uzatmak için cam şişelemede ve birçok spor için topları daha dayanıklı hale getirmekte nanoteknolojiden faydalanılır. Böyle yeni üretimler özellikle kozmetik alanında da umut vadedici bir potansiyele sahiptir. Ağır endüstride de nanoteknoloji sayısız potansiyel uygulamalara sahiptir. Nanoteknolojinin yüksek perfromanlı materyaller, akıllı sistemler, toplumun tüm açılardan yeni üretim şekilleri içerdiği, teknolojinin ana direği ve yüzyılın meselesi olduğu tahmin edilmektedir.

Nanoteknoloji yoluyla mühendislik ve bilimsellik bir araya gelerek biyoüretim endüstrisinde yüksek kalitede, güvenilir gıda üretimi sağlanabilir. Bakterilerin tanımlanması ve biyosensörleri kullanarak gıda kalitesinin gözlemlenmesi, ustaca, aktif ve akıllı gıda paketleme sistemleri, biyoaktif gıdaların nanokapsüllenmesi nanoteknolojinin gıda endüstrisindeki son uygulamalarıdır. Paketlemedeki bir nanokompozit mikrobiyal ajanların yüzeye yerleşmesini engelleyerek gıda paketlenmesinin kalitesini arttırır. Nanokompozitler farklı üretimler için farklı astarların gaz geçirgenliğini arttırabilir ya da azaltır. Nanokompozitler ısı dayanıklılığını, mekanikliği ve oksijenin geçiş oranının azlatılmasını arttırabilir. Gıdaların kimyasal ve biyolojik maddelerinin tanımlanması, nanoteknoloji uygulanması için araştırma yapılmıştır.

Genel olarak,gıda, ilaç ve kozmetik hareketine göre gıda maddelerinin karışıklığına izin verilmez. Katlı maddelerinin gıdalara eklenmesi 1958 yılında ve 1997 de FDA modernizasyon hareketi ile belirlenen gıdalarda katkı maddelerine dair düzenlemeye uymak zorundadır. Ek olarak, renklendirici katkı maddeleri tümüyle 1960 yılında yapılan renklendirici katkı maddeleri düzenlemesine uymak zorundadır. Tüm gıdalar için bir güvenlik değerlendirmesi zorunludur ve FDA tarafından onaylanmalıdır. Bu değerlendirmede zorunlu kimlik, teknik etkiler, kullanım kısıtlamaları, beslenme etkileri ve güvenlik bilgilerini içeren nanoteknoloji kullanımını da içeren üretim süreçleri kullanılmıştır. Gıda üreticileri ürentim sürecindeki bir değişim durumunda kimlik, güvenlik, gıda kalitesi değişirse para cezası ödemek zorundadırlar.

609 bilinen ya da iddia edilen nano üretim alt yapısına sahip, yeni geliştirilen nanoteknoloji projesine (PEN) göre nanoteknoloji üretimi yeni gıdalar haftada 3-4 oranında marketlere gelmektedir. PEN’in listesindeki üç gıda, kanola aktif yağı olarak adlandırılan mutfak kanolası yağı markası nanoçay olarak adlandırılan bir çay ve nanosetikal ince çikolata olarak adlandırılan bir diyet çikolatası vitamin mineral ve fitokimyasalları sindirim sistemi ve üre yoluyla taşımak üzere tasarlanan nanodamla denilen bir katkı maddesi içerir. Amerikan üreticilerine göre ekstra şekere ihtiyaç duymaksızın nanokümeler kakaonun tadını ve sağlıklılığını arttırır.

Nanoteknolojinin en önemli uygulaması evlerde kendi kendini temizleyen ya da kolay temizlenen seramik ya da cam yüzeylerdir. Nanoseramik partikülleri ütü gibi ev aletlerinde pürüssüzlüğü ve ısı dayanıkılığını arttırır . Koruyucu ve ultra ince polimer kaplı yansıtıcı ilk güneş gözlükleri piyasadadır. Nanotekloji çizilmeye dayanıklı nanokompozit tabanlı yüzey kaplamalarını optik için kullanıma sunmuştur. Göz cerrahisinde göz bebeği tamiri ve lazerlerin doğrunun artırılmasında nano optik bir çözüm oluşturabilir.

Düzenlemiş nanofiberlerin kullanımı kıyafetleri su ve leke tutmaz ya da kırışmaz yapmaktadır. Nanoteknoloji üretilen tekstil ürünleri daha düşük sıcaklıkta ve daha az sayıda yıkanma gereksinimine sahiptir. Nanoteknoloji ince karbon partiküllerini yüzeye entegre etmede ve giyen kişiyi elektrostatik yüklenmeden korumak için kullanılmaktadır. Cornell Üniversitesindeki tekstil nanoteknoloji laboratuvarı ve İngiltere'deki Dstl şirketi gibi araştırma enstitülerince diğer birçok uygulama geliştirilmiştir.

Bir uygulama alanı güneş kremleridir. Geleneksel kimyasal UV koruma uzun süreli kalıcı olamamaktadır. Güneş koruyucu, titanyum oksit gibi mineral tabanlı nanopartiküller birçok avantaj sunmaktadır. Önemli bir materyal olan titanyum oksit nanopartikülleri kıyaslanabilir bir UV korumasına sahiptir, fakat partikül büyüklüğü azaldıkça kozmetik olarak istenmeyen beyazlaşmayı azaltır.

Nanoteknoloji futbol ve beyzbol gibi sporlarda da rol oynamaktadır. Yeni atletik ayakkabılar için kullanılan materyaller ayakkabıları daha hafif yapmak(atleti daha hızlandırmak) için yapılabilir. Hafifleştirilerek performansı arttırmak üzere reçine ile sağlamlaştırılmış karbon nanotüplerden yapılan beyzbol sopaları çoktan piyasada yer almıştır. Spor havluları, yoga paspasları, egzersiz paspasları gibi diğer ürünler piyasadadır ve metisilin dayanıklı stapilakokus aurus (MRSA) bakterisi gibi bakterilerin neden olduğu hastalıklardan korunmak isteyen Ulusal Futbol Liginde oynayan oyuncularca kullanılmaktadırlar.

Hafif ve güçlü materyaller uçak üretiminde ilerlemiş performansı sağlayan büyük bir kullanıma sahip olacaklar. Temel faktörün ağırlık olduğu uçaklar büyük fayda göreceklerdir. Nnaoteknoloji ekipmanların büyüklüğünü azaltmaya ve böylece yakıt tüketimini azaltmaya yardımcı olabilir. Planörler nanoteknojik materyallerin kullanımı yoluyla güçlülük ve dayanıklıklarını artırırlarken ağırlıklarını da yarıya indirebilirler. Nanoteknoloji elektrik motorlarına güç verip yardımcı olacak süperkapasitörlerin ağırlığını, planörleri fırlatmak için azaltır.

Havacılığa benzer şekilde hafif ve dayanıklı materyaller hızlı ve güvenilir araç üretiminde de kullanışlıdır. Sert kaplı ve ısıya dayanıklı parçalar yanma motorları için faydalı olabilir.

Nanoteknoloji biyolojik ajanları fark ederek askeri gücü arttırabilir. Nanoteknolojinin kullanımı ile biyolojik ajanları fark edebilen askeri sensör sistemleri üretilebilir. Bu sensör sistemleri çoktan iyi bir şekilde geliştirilmiştir ve askeri alanda kullanılacak ilk nanoteknolojik formlardır.

Nanopartiküller askerlerin üniformalarına sadece daha uzun süre kullanım için değil ayrıca askerleri yüksek sıcaklık, kimyasallar gibi tehlikelerden korumak için enjekte edilebilir. Materyalin içindeki nanopartiküller bir vurulma esnasında ve vurulmanın olduğu alanda bir sertleştirme oluşturmak için bir araya gelerek askerleri tehlikelerden korumaktadır. Bu sertleştirme her ne şekilde olursa olsun uygulanan etkiyi azaltır. Kuvvetin etkisini azaltarak nanopartiküller bu üniformaları giyen askerleri herhangi bir yaralanmadan korumaktadırlar.

Askeri üniformaların geliştirilmesinde diğer bir nanoteknolojik yol ise daha iyi kamuflaj şekillerinin geliştirilmesidir. Materyallere entegre edilen modern pigment nanopartiküller daha iyi bir kamuflaj şekli olabilir.Bu mobil pigment partikülleri askerin bulunduğu bölgeye göre renk değiştirebilir. Hala kendi kendine renk değiştirme kamuflajı üzerine çalışmalar yapılmaktadır.

Nanoteknoloji termal kamuflajı geliştirebilir. Termal kamuflaj askerleri, gece görüş teknolojisi kullanan insanlardan korumaya yardımcı olur. Farklı ordu gereçlerinin yüzeyleri elektromanyetik radyasyonu azaltma yoluyla tasarlanabilir. Askeri üniformaların yüzeyleri ve asleri araçların yüzeyleri bu yolla tasarlanmış birkaç yüzeydendir. Kızılötesi imzayı azaltmayla hem askerler hem de askerlerin kullandığı askeri araçlar kızılötesi güdümlü silahlardan ya da kızılötesi gözetim sensörlerinden korunacaklardır.

Askerlerin üniformalarına gömülmüş kaplama polimerleri üretmek nanopartikülleri kullanmanın bir diğer yoludur. Üniformaları kaplama sistemi farklı dalga boyları ayarlayarak başkası tarafından dinlenmeyi elimine eder. Bu istenmeyen dinleyicilerce araya girilme riskini düşürebilir.

Askerleri giydirmek için medikal bir gözleme sistemi nanoteknoloji kullanılarak yapılabilir. Bu sistem onların sağlıklarının izlenmesi ve streslerinin düşürülmesini sağlayabilir. Eğer sistem bir kanamalı bir yaralanmayı saptarsa ileri medikal uygulamalar yapılana kadar yaralı bölgeye kompres yapabilir.Bu sistem ayrıca askerin vücuduna yaralanma durumunda ağrı kesici verilemesi gibi ilaç salınımı da yapabilir. Askerlerin bu sistemi giydikleri her zaman askerlerin sağlık durumları sağlık görevlilerine bildirilebilir. Bu bilginin aktarımı için gerekli enerji askerin vücut hareketleri yoluyla üretilmektedir.

Farklı askeri materyallerde kullanılan nanopartiküller bu materyalleri giyinen askerler için potansiyel birer tehlike olabilir. Üniforma yıprandıkça nanomateryallerin kırılması ve askerin bedenine girmesi mümkündür. Askerlerin bedenlerine girmiş nanopartiküllerin olması çok sağlıksız olabilir ve onlara ciddi hasarlar verebilir. Böylesi bir durumda cilt yoluyla nanopartiküllerin entegrasyonu konusunda balıklarda pek çok çalışma olmasına rağmen nanopartiküllerin askerin vücudunda nasıl bir hasar oluşturacağı konusunda henüz pek bilgi yoktur. Bu çalışmalarda farklı balıkların farklı derecelerde beyin hasarından acı çektikleri gösterilmiştir. Beyin hasarının ciddi etkileri olmasına rağmen, bu çalışmalar ayrıca eğer askerin vücuduna nanopartiküller girerse ne olur konusunda bir sonuca ulaşmış değillerdir. Nanopartiküllerle üretim yapan bilim insanları üzerinde sıkı düzenlemeler vardır. Bu katı düzenlemelerle nanopartiküllerin giyilmesive askere giriş tehlikesini azaltabilirler.

Kimyasal katalizasyonun faydaları özellikle geniş yüzey hacim oranlarından ötürü nanopartiküllerden gelmektedir. Nanopartiküllerin katalizdeki uygulanma potansiyelleri katalitik dönüştürücülere yakıt hücresinden fotokatalitik aletlere kadar uzanır. Kataliz kimyasalların üretimi için ayrıca önemlidir. Örneğin, belirgin bir kimyasal çevreye sahip nanopartiküller (ligantlar) ya da özel optik özellikler.

Platin nanopartikülü otomotiv katalitik dönüştürücülerinin bir sonrası nesli olarak görülmektedir. Çünkü yüksek yüzey alanına sahip nanopartiküller gerekli platin miktarını düşürmektedir. Fakat, metanın hava ile karışıp kendiliğinden yanması durumunu gösteren deneylerin sonucu bazı endişeler açığa çıktı. Fransa da, CNRS (Centre National de la Scientifique) de sürdürülmekte olan çalışma onların katalitik uygulamalar için doğru kullanışlılığını analiz edebilir. Nanofiltrasyon mümkün olan toksisitenin araştırılmasında dikkatli olunması gerekmesine rağmen önemli bir uygulama haline gelmiştir.

Nanoteknoloji yapımı daha hızlı, daha ucuz, daha güvenli ve daha çok çeşitli hale getirme potansiyeline sahiptir. Nanoteknolojik yapıların otomasyonu gelişmiş evlerden devasa gökdelenlere kadar çok daha düşük bütçelerle çok daha hızlı bir üretimi mümkün kılmıştır. Mimari yapıların temellerindeki bazı çatlakların fark edilmesi için nanoteknoloji nanorobotların o bölgeye gönderilmesiyle ve o bölgeyi tamir etmesiyle kullanılabilir.

Nanoteknoloji elektronik, biyomekanik ve kaplama gibi birçok disiplini bir araya getiren aktif bir çalışma alanıdır. Eğer evlerin inşasında ve altyapısında nanoteknoloji uygulanırsa bu yapılar daha güçlü hale geleceklerdir. Eğer yapılar güçlü olursa daha az yeniden yapılandırılmaya ihtiyaç duyacaklardır ve üretimleride daha az kirli olacaktır.

İnşada nanoteknoloji aluminyum ve silika gibi nanopartiküllerin kullanımını içermektedir. Üreticiler ayrıca nano çimento üretim metodlarını araştırmaktadırlar. Eğer nano ölçekli partiküllerle bir çimen işlenip, üretilebilseydi, seramik, yüksek standartlarda kompozitler ve elektronik uygulamalar için çok sayıda fırsatlar sunabilirdi.

Nano düzeyde yapısının anlaşılması için çok analiz yapıldı. Bu analizler Atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), Taramalı elekron mikroskopu (SEM) ve Odaklı ion demeti (FIB) gibi bu ölçekte çalışan çalışmalar için geliştirildi. Bu bu aletlerin gelişiminde yararlı bir taraf oldu ve temel bir seviyede betonun davranışı önemli ve uygun bir nanoteknolji kullanımı oldu. Nanoteknolojinin en önemli taraflarından biri onun disiplinler arası doğası ve medikal mühendisliği için kemik modellemenin betonda klorid difüzyonu çalışmalarına imkân tanımasıdır.

Silika (SİO2) normal karışımın bir parçası olarak geleneksel betonun içinde vardır. Fakat nano ölçekte beton çalışmaları nano silikaların kullanımıyla betonun yoğunluğunu arttırabilirler. Çimentoya nano silika eklenmesi sudaki kalsiyum liçinin ve su sızmasının bloklanmasıyla temel C-S-H (kalsiyum-silikatetrahidrat) bozulmasının kontrol edebilir ve böylece dayanıklılığı artırabilir. İleri partikül paketleme, Portlant çimenin yüksek enerji milleri ve standart kum geleneksel olanlara göre büyük parçacık küçülmesini sağlamaktadırlar. Sonuç olarak arıtılmış maddenin bu sıkı gücü 3 ten 6 kata kadar daha yüksektir.

Çelik yapı endistürisinde hayli geniş kullanıma sahip bir materyalidir. Çelikte nanoteknolojinin kullanımı çeliğin fiziksel özelliklerinin yükseltilmesine yardımcı olmaktadır. Çeliğin dayanıklılığını yitirmesi döngüsünden ileri gelir. Son dönem çelik tasarlamaları olası baskıyı azaltma yönündedir. Baskı artırıcılar dayanıklılığı yitirme halinde çatlakların başlamasından sorumludur. Ek olarak bakır nanopartikülleri de çeliğin yüzey düzenini azaltmakta sonra baskı arttırıcıların sayılarını limitlendirmekte ve böylece dayanıklılığı kaybetmekten çatlaklar meydana gelmektedir. Nanopartiküllerin kullanımı ile bu teknolojideki ilerlemeler güvenliğin artmasına, daha az düzenli kontrol gerektirilmesine ve yapı için daha etkili malzemelere yol açmıştır.

Çelik kablolar karbon nanotüpler kullanılar güçlendirilebilir. Daha güçlü kablolar yapının maliyetini ve yapım süresini azaltır özellikle köprülerin asılmasında bu tip güçlü kablolar süreci daha da kolay hale getirmektedir.

Vanadyum ve molibden nanopartiküllerinin kullanımı yüksek güçlü vidalarla ilgili çatlak problemlerinin ertelenmesini uzatabilir. Bu ara granüler sementit faz etkilerini azaltarak hidrojen gevremesini azaltır ve çelik mikro yapısını yükseltir.

Cisim enerji aldığından, kaynak ve ısı etkili bölge (HAZ) kolay kırılabilir ve uyarı vermeksizin dağılabilir. Magnezyum ve kalsiyum gibi nanopartiküllerin eklenmesi çeliği HAZ tanecikli düz bir plaka yapar. Nanopartiküllerin eklenmesi kaynakları güçlendirir. Artan gücün sonucu daha az kaynak gereksimi duyulur çünkü basıncı uygun limitlerde tutmak için daha az madde gerekmektedir.

Ahşaplar nanotüplerden ya da nanofibrillerden oluşmaktadır.Yani odunsu (odunsu doku) elementler çeliğin iki katı daha güçlüdür. Bu nanofibrillerin toplanması sürdürülebilir yapılar ve yenilenebilir döngülerin bir parçası olmaları konusunda yeni paradigmalara yol açmıştır. Bazı geliştiriciler nanoölçekteki odunsu yüzeylerin kendi kendini temizleyebilen, kendini tamir edebilen ve elektronik odunsu aletler gibi konularda yeni fırsatlar açabileceğini iddia etmişlerdir. Bu zor olmayan ve geçmiş nanoölçekli sensörler üretim performansı ve yapısal yükler, ısılar, nem içeriği, mantar çoğalması, ısı kaybı ya da hava alınımı ile çevresel koşullara karşı bir geridönüşüm sunabilir. Fakat son zamanlarda bu alanlarda araştırma kısıtlı biçimde ortaya çıkmaktadır.

Doğal kökenlerinden dolayı ahşap ortak disipliner ve modelleme tekniklerinde öncü bir yol olmuştur. BASF silika, aluminyum nanopartüller ve hidrofobik polimerlerin birleştirilmesiyle nilüfer bitkisinin yaprağı gibi yüksek su geçirmezlik özelliğine sahip sıva geliştirdi. Kemiğin mekanik çalışmaları kuruma süreci için ahşap modeline adapte edildi.

İnşaatta, cam nanoteknoljik uygulama çalışmaları sürmekte olan bir diğer önemli maddedir. Titantum dioksit (TiO2) partükülleri temizlenebilirlik ve kir tutmama özellikleri nedeniyle cam kaplamada kullanılmaktadır Bu partiküller organik kirleticilerin, uçucu bileşiklerin ve bakteri hücre zarlarının parçalanmasını katalize etmektedir. TiO2 kirleticilerin yıkanmasından sonra yağmur damlalarını çekebilen hidrofilik özelliktedir. Cam endüstrisinde nanoteknoloji kullanımı camın kendini temizleme özelliğini geliştirme amacındadır.

Yangın korumalı cam da diğer bir nanoteknoloji uygulamasıdır. Bu cam panellerinin arasında ısındığında katı ve mat hale dönen ateş siperleri silika nanoparçacıklarından (SİO2) oluşan kabaran yüzeylerin kullanımı ile mümkün olur. Binaların dış yüzeylerindeki çoğu cam yapı bu şekildedir. Böylece cam yoluyla giren ısı ve ışıktan bina korunmuş olur. Bu nanoteknoloji camlardan gelen ısı ve ışığı bloke etmede daha iyi sonuçlar vermektedir.

Kaplama inşaatta duvar, kapı ve cam boyaması için geniş kullanım alanları olan önemli bir alandır. Kaplama istenilen koruyuculuğu ve fonksiyonelliği sağlamalıdır. Kaplama kendi kendini toplama işlemiyle kendini düzeltebilmelidir. Kendini yenileme ve aşınmadan korunma için nanoteknoloji uygulanmaktadır. Çünkü bu kaplamalar hidrofiliktir ve metalden suyu uzaklaştırabilir ve metali su ve tuz etkilerinden korur.

Nanopartikül bazlı sistemler daha iyi yapışma ve şeffaflık özellikleri gösterir. Titanyum dioksit kaplama iyi çevresel kullanıma imkân sağlayan fotokatalik süreçlerle organik ve inorganik hava kirleticilerini yakalar ve parçalar.

Ateşe karşı dayanıklı yapılar çimentolama işlemi ile kaplama ile sıkça sağlanır. Nanoçimento bu alanın uygulanmasında yeni paradigmalar üretme potansiyeline sahiptir. Çünkü bu madde dayanıklı, sağlam, yüksek ısı kaplamalarında kullanılabilir. Bu geleneksel yalıtıma göre yangın dayanıklılığını ve ucuz seçenekleri artırır.

Binaların inşaasında nanomateryaller kendi kendini temizleyen camlardan esnek güneş panelleri ve wi-fi bloklayan boyalara kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır. Kendini düzeltebilen beton, ultraviyoleyi ve kızıl ötesi radyasyonu bloklayan materyaller, dumanı emen kaplamalar, ışık yayan duvarlar ve tavanlar inşaattaki yeni nanomateryallerdir. Nanoteknoloji akıllı ev yapımı için bir umut konumundadır. Nanoteknoloji bazlı geliştirilmiş bataryalara ihtiyaç duyan nano etkili sensörler ısı, nem ve hava kaynaklı toksinleri görüntüleyebilir. Sensörlerin kablosuz bileşenleri kullanması bina bileşenlerini akıllı ve interaktif bir hale getirecektir.

Nanopartiküllerin sağlık ve çevre üzerindeki etkisi: Eğer su ticari olarak ulaşılabilen nanofiltreler yoluyla filtrelenirse, insan vücuduna girebilir. Hava ve su kaynaklı nanopartiküller bina havalandırılması ve atık su sistemleriyle girebilirler.