ナノマテリアル: ナノ粒子は個々の癌細胞を殺すことができ、健康な細胞だけを残します

By Fouad Sabry

ナノマテリアルとは

ナノマテリアルとは、原則として、1〜100nmの小さなサイズの単一ユニットの材料を指します。

どのようにメリットがありますか

（I）次のトピックに関する洞察と検証：

第1章：ナノマテリアル

第2章：ナノポーラス材料

第3章：ナノ粒子

第4章：ナノ粒子の特性評価

第5章：ナノテクノロジーの応用

第6章：ナノメトロロジー

第7章：材料科学

（II）ナノマテリアルに関する一般的な上位の質問に答える。

（III）多くの分野でのナノマテリアルの使用に関する実例。

（IV）17の付録で、ナノマテリアルの技術を360度完全に理解するための各業界の266の新興技術を簡単に説明します。

この本の対象者

専門家、学部生、大学院生、愛好家、愛好家、およびあらゆる種類のナノマテリアルの基本的な知識や情報を超えたい人。

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: Jan 27, 2022

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著者によるその他の本

1 - プラズマ推進

2 - パルスデトネーションエンジン

3 - 農業用ロボット工学

4 - クローズドエコロジカルシステム

5 - 培養肉

6 - 垂直農業

7 - 自律走行車

8 - 自律ドローン

9 - 自律型ロボット工学

10 - 自律兵器

11 - 考古学

12 - 4D印刷

13 - ドーム型都市

14 - 分散元帳

15 - デジタル通貨

16 - 分散型ファイナンス

17 - スマートマシン

18 - エアロゲル

19 - アモルファスメタル

20 - バイオプラスチック

21 - 導電性ポリマー

22 - 極低温治療

23 - ダイナミックアーマー

24 - フラーレン

25 - グラフェン

26 - チップ上のラボ

27 - 高温超伝導

28 - 磁性ナノ粒子

29 - 磁性流体

30 - マイクロ流体

31 - 超流動性

32 - メタマテリアル

33 - 金属フォーム

34 - 多機能構造

35 - ナノ材料

36 - プログラマブルマター

37 - 量子ドット

38 - シリセネ

39 - 超合金

40 - 合成ダイヤモンド

41 - タイムクリスタル

42 - 半透明コンクリート

43 - 脳のコンピュータインターフェイス

44 - 群れの知能

著者によるシリーズ

航空宇宙分野における新技術

1 - プラズマ推進

2 - パルスデトネーションエンジン

農業における新興技術

1 - 農業用ロボット

2 - クローズドエコロジカルシステム

3 - 培養肉

4 - 垂直農業

自律的なものにおける新たな技術

1 - 自律走行車

2 - 自律ドローン

3 - 自律型ロボット工学

4 - 自律兵器

建設における新興技術

1 - 考古学

2 - 4D印刷

3 - ドーム型都市

金融における新興テクノロジー

1 - 分散元帳

2 - デジタル通貨

3 - 分散型ファイナンス

情報技術の新技術

1 - スマートマシン

材料科学における新技術

1 - エアロゲル

2 - アモルファスメタル

3 - バイオプラスチック

4 - 導電性ポリマー

5 - 極低温治療

6 - ダイナミックアーマー

7 - フラーレン

8 - グラフェン

9 - チップ上のラボ

10 - 高温超伝導

11 - 磁性ナノ粒子

12 - 磁性流体

13 - マイクロ流体

14 - 超流動性

15 - メタマテリアル

16 - 金属フォーム

17 - 多機能構造

18 - ナノ材料

19 - プログラマブルマター

20 - 量子ドット

21 - シリセネ

22 - 超合金

23 - 合成ダイヤモンド

24 - タイムクリスタル

25 - 半透明コンクリート

神経科学における新技術

1 - 脳のコンピュータインターフェイス

ロボット工学における新技術

1 - 群れの知能

10億人の知識

ナノマテリアル

ナノ粒子は個々の癌細胞を殺し、健康な細胞を単独で残すことができる

フアド・サブリー

著作権

ナノマテリアルズ著作権 © 2021 フアド・サブリーによって.すべての権利予約。

すべての権利が予約されています。本書のいかなる部分も、著者の書面による許可なしに、情報保存および検索システムを含む電子的または機械的手段によって複製することはできません。唯一の例外は、レビューで短い抜粋を引用することができるレビュー担当者です。

フアド・サブリーがデザインしたカバー。

この本はフィクションの作品です。名前、文字、場所、およびインシデントは、著者の想像力の産物であるか、架空に使用されます。実際の人、生きているか死んでいるか、出来事、またはロケールに似ている場合は、まったく偶然です。

ボーナス

「ナノマテリアル:ナノ粒子は健康な細胞を単独で残して、個々の癌細胞を殺すことができる」という件名で [e-mail] に電子メールを送信することができ、この本の最初の数章を含む電子メールが届きます。

フアド・サブリー

1BKのウェブサイトをご覧ください。

www.1BKOfficial.org

前書き

なぜ私はこの本を書いたのですか。

この本を書く物語は、私が中等学校の生徒だった1989年に始まりました。

それは、現在多くの先進国で利用可能になっているSTEM(科学、技術、工学、数学)の学校のようなものです。

STEMは、学際的かつ応用的なアプローチで、科学、技術、工学、数学の4つの分野で学生を教育するという考え方に基づくカリキュラムです。この用語は、通常、学校での教育方針やカリキュラムの選択に対処するために使用されます。これは、労働力開発、国家安全保障上の懸念、移民政策に影響を与えます。

図書館には毎週授業があり、各生徒は自由に本を選んで1時間読めます。授業の目的は、教育カリキュラム以外の科目を読むことを生徒に奨励することです。

図書館では、棚の本を見ている間に、5部に5,000ページの巨大な本に気づきました。本名は、私たちの周りのすべてを記述する「技術百科事典」で、半導体に絶対的なゼロをゼロ、ほぼすべての技術は、その時、カラフルなイラストと簡単な言葉で説明しました。百科事典を読み始めたのですが、もちろん週1時間の授業では終えることができなかった。

だから、私は父に百科事典を買うように説得しました。私の父は私の人生の初めに私のためにすべての技術ツールを買いました, 最初のコンピュータと最初の技術百科事典, そして両方が私と私のキャリアに大きな影響を与えます.

今年の同じ夏休みで百科事典全体を終え、宇宙の仕組みや日常の問題に対する知識の応用方法を見始めました。

技術に対する私の情熱は30年前より始まり、まだ旅は続いています。

この本は、私が高校生の時と同じ素晴らしい経験を読者に与えようとする「新興技術百科事典」の一部ですが、20世紀の技術の代わりに、21世紀の新興技術、応用、業界ソリューションにもっと興味を持っています。

「新興技術百科事典」は365冊の本で構成され、各書籍は1つの新興技術に焦点を当てます。本書の最後にある「近日公開」の一部で、新興技術とその業界別の分類のリストを読むことができます。

読者に1年の期間内に毎日1つの新興技術に関する知識を増やす機会を与えるために365冊の本。

紹介

どうやってこの本を書いたのですか。

「新興技術百科事典」の全ての本の中で、私は、新たな技術に関する彼らの質問に答えようと、人々の心から直接、即座に生の検索洞察を得ようとしています。

毎日30億件のGoogle検索があり、その20%がこれまでに見たことがありません。彼らは人々の考えに対する直接的な線のようなものです。

時にはそれは「紙詰まりを取り除く方法」です。他の時には、それは彼らがGoogleと共有するだけの痛烈な恐怖と秘密のハンカチです。

「ナノマテリアル」に関する未開拓のコンテンツアイデアの金鉱を発見するために、Googleのような検索エンジンからのオートコンプリートデータを聞くために多くのツールを使用し、すべての有用なフレーズや質問を素早くクランクアウトし、人々はキーワード「ナノマテリアル」の周りに尋ねています。

それは人々の洞察力の金鉱であり、私は新鮮な、超有用なコンテンツ、製品やサービスを作成するために使用することができます。親切な人々は、あなたのような、本当にしたいです。

人々の検索は、人間の精神で収集された最も重要なデータセットです。したがって、この本は、ライブ製品であり、常に「ナノマテリアル」についての新しい質問のためのより多くの答えによって更新され、あなたと私のように、あなたと同じように、人々が、この新しい新しい技術について疑問に思って、それについてもっと知りたいと思います。

本書を書くアプローチは、人々が「ナノマテリアル」を探し回る方法を深く理解し、私が頭の上から考えるとは限らない質問や質問を明らかにし、これらの質問に超簡単で消化可能な言葉で答え、簡単な方法で本をナビゲートすることです。

だから、この本を書くことに関しては、私はそれが可能な限り最適化され、ターゲットにされていることを確認しました。本書の目的は、人々が「ナノマテリアル」に関する知識をさらに理解し、成長させる手助けをすることです。私は人々の質問にできるだけ密接に答え、より多くのことを示そうとしています。

人々が抱える質問や問題を探求し、それらに直接答え、本の内容に洞察力、検証、創造性を加え、ピッチや提案さえも提供する素晴らしい、そして美しい方法です。この本は、私がそうでなければ到達しない豊かで、混雑しておらず、時には驚くべき研究需要の領域を明らかにしています。このアプローチを使って本を読んだ後、潜在的な読者の心の知識を高めることが期待されているのは間違いありません。

私はこの本の内容を常に新鮮にするためにユニークなアプローチを適用しました。このアプローチは、検索リスニングツールを使用して、人々の心に耳を傾けることによって異なります。このアプローチは、私が助けになりました:

読者がどこにいるか正確に知ることができるので、和音を打ち、トピックをより理解できる関連コンテンツを作成できます。

脈拍にしっかりと指を置いておくので、人々がこの新しい技術について新しい方法で話すときに最新情報を入手し、時間の経過とともにトレンドを監視することができます。

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読者が望むコンテンツに関するガットフィールと推測に時間を無駄にするのをやめ、人々が必要とするもので本の内容を埋め、憶測に基づいて無限のコンテンツアイデアに別れを告げます。

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コンテンツ制作を合理化して、日々、数週間の時間を節約するために個々の意見を手動でふるいにかけずにコンテンツのアイデアを特定します。

質問に答えるだけで、人々が簡単な方法で知識を増やすのを助けるのは素晴らしいことです。

この本を書くアプローチは、照合し、検索エンジンで読者が尋ねている重要な質問を追跡するほどユニークだと思います。

確認

本を書くことは想像以上に難しく、想像以上にやりがいがあります。一流の研究者による作業がなければ、いずれも不可能であり、この新しい技術に関する国民の知識を高めるための彼らの努力を認めたいと思います。

献身

悟りを開いた人には、物事を異なる方法で見て、世界をより良くしたいと思う人は、現状や既存の状態が好きではありません。あなたは彼らにあまりにも多くの反対をすることができますし、あなたは彼らとさらに議論することができますが、あなたはそれらを無視することはできませんし、彼らは常に物事を変えるので、それらを過小評価することはできません.彼らは人類を前進させ、狂ったものやアマチュアと見なす人もいれば、世界を変えることができると思うほど啓発されている人は、人々を啓発に導くものなので、天才やイノベーターを見る人もいます。

エピグラフ

ナノ材料は、原則として、1~100nmの間の小型の単一ユニットを含む材料を記述する。

目次

ナノマテリアル

著者によるその他の本

著者によるシリーズ

ナノマテリアル

著作権

ボーナス

前書き

紹介

確認

献身

エピグラフ

目次

第1章 ナノ材料

第2章 ナノ多孔性材料

第3章 ナノ粒子

第4章 ナノ粒子の特性

第5章 ナノテクノロジーの応用

第6章:ナノ計測

第7章 材料科学

エピローグ

著者について

もうすぐです

付録:各業界の新しい技術

第1章 ナノ材料

一般に、ナノ材料は、1~100nm(ナノスケールの通常の定義)の間に1つの単位サイズ(少なくとも1次元)を有する材料である。

ナノマテリアル研究は、材料科学の観点からナノテクノロジーに取り組み、微細加工研究を支援するために作られた材料計測と合成のブレークスルーを利用しています。ナノスケール構造の材料は、多くの場合、ユニークな光学、電気、熱物理学、または機械的特性を提供します。

ナノマテリアルは徐々に商品化され、商品として登場し始めています。

定義

ナノマテリアルは、ISO/TS 80004に「ナノスケールの外向きの次元を持つ材料、またはナノスケールで内部構造または表面構造を有する材料」と記載されており、ナノスケールは「長さの範囲は約1nmから100nm」と定義されています。これは、ナノオブジェクト、材料の別個の部分だけでなく、ナノスケール上の内部または表面構造を持つナノ構造材料を包含する。ナノ材料は、これらのカテゴリの両方に分類することができます。

欧州委員会は、2011年10月18日にナノ材料の定義を採択しました:「非結合状態、凝集体、およびサイズ範囲1~100nmの1つ以上の外部寸法を含む自然、付随、または製造された材料は、数分布の粒子の50%以上です。環境、健康、安全、または競争力に関する懸念が必要な場合、50%の数値サイズ分布障壁を1~5%のしきい値で置き換えることができます。

ソース

設計

工学的ナノ材料は、特定の特徴を持つように意図的に設計され、人間によって作成されています。

従来のナノ材料は、従来のコロイドや粒子状材料に対する段階的な改良として、ナノテクノロジーの出現前に市販されていたものです。カーボンブラックとチタンのナノ粒子もその一つです。

付帯

ナノ材料は、燃焼や気化などの機械的または工業的な操作の結果として、誤って作成される可能性があります。自動車エンジンの排気、製錬、溶接ガス、家庭用固体燃料の加熱と調理による燃焼プロセスはすべて、偶発的なナノ粒子の源です。例えば、フラーレンは、ガス、バイオマス、ろうそくの燃焼によって生成されるナノ材料のファミリーです。また、摩耗や腐食製品の副産物として製造することができます。偶発的な大気ナノ粒子は、意図的な操作中に意図せずに作成される超微粒子であり、大気汚染に寄与する可能性があります。

自然

自然な機能性ナノ粒子は、生物学的システムにしばしば見られる。天然有機ナノ材料には、フォアミニフェラ(主にチョーク)とウイルス(タンパク質、カプシド)、蓮またはナスチュリウムの葉を覆うワックス結晶、クモとクモの毛のシルク、タランチュラの青い色合い、ヤモリの足の底にある「スパチュラ」、ヤモリの底に「スパチュラ」、いくつかの蝶の翼の鱗、天然コロイド(ミルク、血液)の構造が含まれます

天然無機ナノ粒子は、地球の地殻の様々な化学条件における結晶形成の結果として形成されます。例えば、粘土は、その根底にある結晶構造に異方性による複雑なナノ構造を示し、火山活動は、ナノスケール構造のために自然発生するフォトニック結晶の一例であるオパールを生成することができます。火災は、顔料、セメント、ヒュームドシリカ、およびその他の材料を生成することができる特に複雑なプロセスです。

森林火災、火山灰、海洋噴霧、ラドンガスの放射性崩壊はすべてナノ粒子の天然源です。天然ナノ材料は、金属またはアニオンを含む岩石や酸性鉱山排水場の風化プロセスの結果として発生する可能性もあります。

天然ナノ材料のギャラリー

ウイルスキャプシド

A close up of a drop of water on a leaf Description automatically generated with medium confidence

「ロータス効果」、自己洗浄力を有する疎水効果

Close-up of a person's mouth Description automatically generated with medium confidence

ヤモリの足の下側をガラスの壁の上を歩く(ヘラ:200×10-15 nm)

A close up of a flag Description automatically generated with low confidence

蝶の翼のスケールのSEM顕微鏡写真(×5000)

Logo Description automatically generated

孔雀の羽(ディテール)

A picture containing fabric Description automatically generated

ブラジルからのオパールクリスタル シリカ球間の光の干渉と回折は、色の再生を引き起こす (150 - 直径 300 nm).

タランチュラの種の青い色合い (450 nm ± 20 nm)

種類

ナノオブジェクトは、ナノスケール上の次元の数に基づいて分類されることが多い。ナノ粒子は、ナノスケールの3つの外部寸法すべてを持ち、最長軸と最短軸が有意に異ならないナノオブジェクトとして定義されます。ナノスケールでは、ナノファイバーは2つの外装寸法を有し、ナノチューブは中空ナノファイバーであり、ナノロッドは固体ナノファイバーである。ナノスケールでは、ナノプレート/ナノシートは1つの外装次元を有し、2つの大きな次元が有意に異なる場合は、ナノリボンと呼ばれる。ナノファイバーとナノプレートの他の寸法は、ナノスケールにある場合とない場合がありますが、はるかに大きくなければなりません。すべての状況において、実質的な差は少なくとも3因子であることが観察される。

ナノ構造材料が含まれる物質の相は、それらを分類するために頻繁に使用される。ナノコンポジットは、少なくとも1つのナノスケール次元を有する、物理的または化学的に異なる領域、または領域の集合を有する固体である。ナノフォームは、気体相で満たされた液体または固体マトリックスであり、そのうちの1つはナノスケールの寸法を有する。ナノポーラス物質はナノポアを含む固体であり、サブミクロンの長さスケールを有する開いた毛穴または閉じた毛穴の形で空隙である。ナノ結晶性物質は、ナノスケールで結晶粒の高い割合を含みます。

ナノポーラス材料

微小多孔質およびメソポーラス材料のサブセットは、ナノポーラス材料という用語に含まれる。微孔材料は、平均細孔サイズが2nm未満の多孔質材料であるのに対し、メソポーラス材料は2〜50nmの範囲の細孔サイズを有する。微小多孔質材料は、長さのスケールで小さな分子に匹敵する細孔径を有する。その結果、このような材料は、分離膜などの用途に有用であり得る。メソポーラス材料は、大きすぎる分子が微孔性材料の細孔に入り込むことを可能にしながら、高い比表面積を必要とする用途に訴えています。いくつかの情報源によると、ナノポーラス材料とナノフォームはナノ構造ですが、ギャップだけがナノスケールであり、材料自体ではないのでナノ材料ではありません。ISO定義には、ナノ粒子として丸いナノオブジェクトのみが含まれていますが、他のソースはナノ粒子としてすべての形状を含みます。

ナノ粒子

ナノスケールでは、ナノ粒子は3つの次元すべてを持っています。ナノ粒子は、ナノコンポジット材料を作成するためにバルク固形分に移植することもできる。

フラーレン

フラーレンは、本質的にグラフェンシートがチューブまたは球体に折り畳まれた炭素同種のファミリーです。カーボンナノチューブ(またはシリコンナノチューブ)は、機械的強度と電気的特性のために特に重要です。

A screenshot of a computer Description automatically generated with low confidence

C60の回転図、フラーレンの一種

発見された最初のフラーレン分子と家族の名前、バックミンスターフラーレン(C60)は、1985年にリチャード・スモーリー、ロバート・カール、ジェームズ・ヒース、ショーン・オブライエン、ライス大学のハロルド・クロトによって作成されました。名前はバックミンスター・フラーへのオマージュで、その測地線ドームは似ています。フラーレンは、その後、自然の中で発生することが発見されています。最近では、宇宙空間でフラーレンが検出されました。

フラーレンの化学的および物理的性質は、過去10年間研究開発の分野で話題となり、長い間そう残る可能性が高い。2003年4月には、特定の薬物を耐性菌の構造に結び付け、黒色腫などの特定の種類の癌細胞を標的にするなど、潜在的な医薬品用途に関する研究が行われました。化学と生物学の2005年10月号の記事では、光活性化抗菌剤としてのフラーレンの使用について説明しています。耐熱性と超伝導は、ナノテクノロジーの分野で注目されている2つの特徴です。

不活性雰囲気の2つの近いグラファイト電極間に大きな電流を送ることは、フラーレンを製造するための典型的なアプローチである。電極間に形成されたカーボンプラズマアークは、多数のフラーレンを分離できるすす状残渣に冷却する。

ab-initio量子法を利用したフラーレンに対して多くの計算が行われてきた。IR、ラマン、およびUVスペクトルは、DFTおよびTDDFT法を用いて得ることができる。このような計算結果は、実験の結果と比較することができる。

金属系ナノ粒子

その興味深い光学的および電気的特性のために、無機ナノ材料(例えば、量子ドット、ナノワイヤー、ナノロッド)をオプトエレクトロニクスに使用することができます。また、ナノ材料の光学的・電気的特性は、その大きさや形態の影響を受け、 合成アプローチを用いて変更することができます。これらの材料は、有機太陽電池やOLDなどの有機材料ベースの光電子デバイスに使用される可能性があります。電子輸送やエネルギー移動などの光誘導機構は、このようなデバイスの動作を制御します。ガジェットの動作を担当する光誘導プロセスの有効性は、その性能を決定します。光電子デバイスにおいて有機/無機ナノ材料複合系で光誘導プロセスを採用するためには、有機/無機ナノ材料複合系におけるそれらのプロセスのより良い知識が必要である。

金属、半導体、酸化物からなるナノ粒子またはナノ結晶の機械的、電気的、磁気的、光学的、化学的、およびその他の特性は特に興味深い。ナノ粒子は、ナノ材料系触媒のような化学触媒と同様に量子ドットとして採用されています。近年、組織工学、投薬、バイオセンサーなどの生体医学用途に向けて、様々なナノ粒子が広く研究されている。

ナノ粒子は、バルク材料と原子構造または分子構造との間のリンクとして機能するため、特に科学的に重要です。バルク材料は、そのサイズに関係なく一定の物理的特性を持つ必要がありますが、これは常にナノスケールでは当てはまりません。半導体粒子における量子閉じ込め、特定の金属粒子における表面プラズモン共鳴、磁気材料における超対磁性は、いずれもサイズ依存性の特徴を有することが観察される。

ナノ粒子はバルク材料と比較して多くのユニークな特徴を持っています。バルク銅(ワイヤ、リボンなど)の曲げは、例えば、銅原子/クラスターの動きを約50 nmのスケールで行います。50nmより小さい銅ナノ粒子は 、 バルク銅の可鍛性および延性を欠く超硬質材料と考えられている。プロパティの変更は、常に必要とは限りません 。10 nm未満の寸法を持つ強誘電体材料は、室温熱エネルギーを使用して偏光の向きを切り替えることができ、メモリストレージには適していません。ナノ粒子の懸濁液は、粒子表面と溶媒との相互作用が密度の違いを克服するのに十分強く、通常は物質が沈んだり液体に浮遊したりするため考えられる。ナノ粒子は電子をトラップし、量子効果を誘導するのに十分小さいため、予期せぬ光学的特徴をしばしば示します。溶液中では、金ナノ粒子は、例えば、深い赤から黒に見える。

ナノ粒子の大きな表面積と体積比は、特に高温で、拡散に対して大きな押し出し力を提供する。より小さい粒子の焼結は、より大きな粒子の焼結よりも低い温度と短い時間で達成可能である。流れの問題やナノ粒子の凝集傾向は複雑な操作を複雑にしますが、これは理論的には最終製品の密度に影響を与えなくなります。ナノ粒子の表面衝撃は、初期融解温度も減少します。

一次元ナノ構造

円筒状の閉じ込めでは、単一原子ほど小さい断面を持つ最も小さな考えられる結晶線を作成することができます。カーボンナノチューブは、天然の半1Dナノ構造体であり、合成テンプレートとして採用することができる。閉じ込めは機械的安定性を与え、線形原子鎖の崩壊を避ける。1Dナノワイヤの他の構造は、テンプレートから分離しても機械的に安定であると予測されています。

二次元ナノ構造

D材料は、原子の単一の二次元層で構成される結晶性材料である。2004年には、最も重要な代表的なグラフェンが発見されました。ナノスケールの厚さの薄膜はナノ構造と呼ばれているが、それらは基質から独立して存在しないため、必ずしもナノ材料とは考えられない。

バルクナノ構造材料

ナノ複合材料、ナノ結晶材料、ナノ構造フィルム、ナノテクスチャ表面は、ナノスケール特性を有するバルク材料の例である。

3Dナノ材料は、箱型グラフェン(BSG)ナノ構造です。熱分解性黒鉛の機械的切断後、BSGナノ構造が形成された。このナノ構造は、表面に沿って位置する四角い断面を有する並列中空ナノチャネルの多層系である。チャネル壁の厚さはおよそ 1 nm です。チャネル ファセットの平均幅は約 25 nm です。

アプリケーション

塗料、フィルター、断熱材、潤滑油添加剤は、製造プロセス、製品、ヘルスケアで利用されるナノ材料の例です。医療分野では、ナノザイムは酵素のような特性を有するナノ材料である。バイオセンシング、バイオイメージング、腫瘍診断、抗バイオ汚れなど、さまざまな用途に使用されてきた新しい人工酵素です。ナノ構造は、セルドン・テクノロジーズ製の水フィルターに見られるように、ウイルスのような小さな微粒子を排除できる高品質のフィルターを作るために使用することができます。次世代の伝統的なMBRであるナノ材料膜バイオリアクター(NMs-MBR)は、最近、排水処理の強化のために提案されています。空気浄化の領域では、ナノテクノロジーは2012年にサウジアラビアの病院でMERSの普及と戦うために利用されました。ナノマテリアルは現在、人間の安全な絶縁技術に採用されています。以前は、アスベストベースの断熱材で発見されました。ナノ材料は、潤滑剤添加剤として使用する場合、可動部品の摩擦を最小限に抑える能力を有する。摩耗したセクションと腐食したセクションは、自己組み立て異方性ナノ粒子であるTriboTEXを使用して修復することもできます。ナノ材料は、さまざまな分野や消費者用途でも使用されています。酸化チタンなどの鉱物ナノ粒子は、UV保護を改善するために日焼け止めに利用されてきました。カーボンナノチューブを使用した軽いコウモリは、パフォーマンスを向上させるためにスポーツ事業で製造されています。移動式顔料ナノ粒子のもう一つの用途は、より効果的な迷彩を生成するために採用されている軍です。ナノ材料は三方触媒(TWC)としても使用できます。TWCコンバータは、酸性雨やスモッグの前駆体である窒素酸化物(NOx)排出量を削減する利点を提供します。ナノ材料は、パラジウムやロジウムなどの貴金属を保護するために、コアシェル構成における触媒支持体としてシェルを形成します。支持体の基本的な役割は、触媒活性成分を輸送し、それらを分散させ、貴金属の必要性を最小限に抑え、触媒活性を増加させ、機械的強度を向上させることである。

合成

ナノ材料合成アプローチの目的は、ナノメートルの範囲(1〜100nm)の特性長さのスケールから生じる品質を有する材料を製造することです。その結果、合成プロセスは、1 つ以上のプロパティを実現するために、この範囲のサイズ制御を表示する必要があります。メソッドは、多くの場合、「ボトムアップ」または「トップダウン」に分類されます。

ボトムアップ方式

ボトムアップアプローチでは、原子や分子をナノ構造アレイに配置する必要があります。これらの手順で使用される原材料は、ガス、液体、または固体の形ですることができます。後者は、ナノ構造に組み込まれる前に分解を必要とする。ボトムアップアプローチは、混沌と規制の2つのタイプに分類されます。

混沌としたプロセスは、構成原子や分子を混沌とした状態に持ち込み、その状態を不安定にするために突然環境を変えることを伴います。任意の数のパラメータが巧みに操作されると、製品は主に化学運動の結果として形成されます。混沌とした状態からの崩壊は、規制が困難または不可能である可能性があるため、アンサンブル統計は、結果のサイズ分布と平均サイズを導くために頻繁に使用されます。その結果、ナノ粒子の生産は、製品の最終状態を操作することによって調節される。レーザーアブレーション、バーストワイヤ、アーク、火炎熱分解、燃焼、および降水合成の手順は、混沌としたプロセスの例です。

制御されたプロセスは、ナノ粒子が制御された方法で定義されたサイズに成長できるように、制御された方法でナノ粒子形成の部位に構成原子または分子を送達することを伴う。一般に、構成原子や分子は、ナノ粒子の生産に必要な条件から遠く離れていません。その結果、ナノ粒子の生成は、反応物の条件を変化させることによって調節される。自己限定成長溶液、自己限定化学気相成長法、形状パルスフェムト秒レーザー法、および分子線エピタキシーは、規制プロセスの例である。

トップダウンメソッド

トップダウンアプローチは、バルク材料をナノ粒子に分解するために「力」(例えば、機械的な力、レーザー)を使用します。「ボールミリング」は、バルク材料をナノ粒子に機械的に分解するための一般的なプロセスです。さらに、ナノ粒子は、短いパルスレーザー(例えば、フェムト秒レーザー)を使用してターゲット(固体)をアブレートするレーザーアブレーションを使用して作成することができます。

評価

電子のデ・ブロイ波長や高エネルギー光子の光波長など、考えられる長さのスケールに対応するサイズの構造が作られると 、材料に新しいプロセスが生じる可能性があります。特定の場合、量子力学的効果は材料の特徴よりも優先されます。その一例が量子閉じ込めで、粒子径の大きな減少で材料の電気的特性を変化させる。蛍光などのナノ粒子の光学特性も粒子径の影響を受けます。この影響は、巨視からマイクロメートルの寸法に移動する際には顕著ではありませんが、ナノスケールのサイズに移行するとより顕著になります。

ナノメカニクスの研究は、光や電気的な特徴に加え、様々なナノ材料の新しい機械的特性に焦点を当てています。ナノ粒子をバルク材料に添加すると、剛性や弾性などの材料の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。従来のポリマーは、例えば、ナノ粒子(カーボンナノチューブなど)で補強することができ、金属の軽量代替品として使用できる革新的な材料を生み出します。このような複合材料は、安定性および機能性を高めながら、軽量化を可能にする。

最後に、ゼオライトやアスベストなどの小さな粒子サイズを持つナノ構造材料が、多くの必須の工業化学反応において触媒として使用されています。このような触媒の進歩は、より効率的で環境に優しい化学プロセスの基盤となる可能性があります。

20世紀の最初の10年間に、ナノ粒子の最初の観測と測定が行われました。Zsigmondyは、直径が10nmの小さな金のゾルやその他のナノ材料を調査しました。1914年、彼は本を書いた。彼は、暗いフィールドアプローチを使用して、光の波長よりもはるかに小さいサイズの粒子を観察する超顕微鏡を採用しました。

20世紀にインターフェースとコロイド科学で開発されたナノ材料の特性を示す方法論が確立されています。これらは、次のセクションで説明する 第1世代 の受動ナノ材料に広く利用される。

これらの戦略の中には、粒度分布を特徴付けるための数多くの手法があります。多くのナノサイズの材料は本当にソリューションに集約されているので、この特性は重要です。いくつかのアプローチは、光散乱に依存しています。他の人は、超音波減衰分光などの濃縮ナノ分散およびマイクロエマルジョンを評価するために超音波を使用する。

また、溶液中のナノ粒子の表面電荷またはゼータ電位を決定するための古典的な方法のコレクションもあります。このデータは、凝集や凝集を防ぐ効果的なシステム安定化のために必要です。マイクロ電気泳動、電気泳動光散乱、電気音響などは、これらの技術の例です。後者は、例えばコロイド振動電流アプローチは、濃縮系の特性化に適している。

一律

高純度セラミックス、ポリマー、ガラスセラミックス、材料複合材料は、民間、産業、軍事部門向けの高性能技術部品の化学処理と合成に必要です。典型的な粉末中のナノ粒子の可変サイズと形状は、微粉末から生成された凝縮体中の不均一なパッキング形態を引き起こし、粉末コンパクトの充填密度の違いをもたらす。

魅力的なファンデルワールス力によって引き起こされる粉末凝集はまた、微細構造の不均一性をもたらすことができます。不均一な乾燥収縮の結果として出現する差動株は、溶媒が抜き取られる速度に直接比例し、したがって、気孔率分布に強く依存する。このような圧力は 、統合材料のプラスチックから脆い遷移に関連しており、緩和されない場合は、未焼成体内の亀裂の伝播につながる可能性があります。

さらに、焼成の準備時にコンパクトでの充填密度の変動は、焼結工程中に頻繁に拡大され、不均一な高密度化を生じる。密度変動に関連するいくつかの細孔やその他の構造的欠陥は、終点密度を発達させ、制限することによって焼結プロセスを妨げることが実証されている。不均一な緻密化によって引き起こされる微分応力は、強度制御欠陥となる内部亀裂を伝播させることも実証されている。

したがって、緑色密度を最適化する粒度分布を利用するのではなく、成分分布と気孔率の点で物理的に均質な方法で材料を生成することが好ましいと思われる。懸濁液中の強く相互作用する粒子の均一に分散したアセンブリの封じ込めには、粒子と粒子の相互作用のトータルコントロールが必要である。クエン酸アンモニウム(水性)やイミダゾリンまたはオレオリルアルコール(非水)を含む様々な分散剤は、分散および脱凝集を改善するための有望な添加剤である。この電位は、単分散ナノ粒子およびコロイドによって提供される。

コロイド状シリカの単分散粉末は、例えば、得られるコロイド結晶または多結晶コロイド固体において高度な秩序を保証するために適切に安定化することができる。この順序の程度は、長距離接続を確立するために使用可能な時間と領域によって制限されているように見えます。このような欠陥のある多結晶コロイド構造は、サブマイクロメータコロイド材料科学の基本要素であるように見え、高性能材料や部品の微細構造進化のメカニズムをより厳密に理解するための第一歩を提供します。

記事、特許、製品のナノ材料

2018年9月までに、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノ結晶材料、ナノコンポジット、グラフェンがそれぞれ400000、181000、144000、140000、および119000 ISIインデックス化された出版物に引用されている。ナノ粒子、ナノチューブ、ナノコンポジット、グラフェン、ナノワイヤは、それぞれ45600、32100、12700、12500、および11800の特許に記載されている。世界中の市場でアクセス可能な約7000の市販のナノベースのアイテムを監視すると、ナノ粒子が約2330製品の属性を有効または増加させたことが示されました。リポソーム、ナノファイバー、 ナノコロイド、およびエアロゲルは、消費財に見られる最も一般的なナノ材料の一つであった。

欧州連合(EU)ナノ材料観測所(EUON)は、ナノ材料に関する個々の特許、製品、学術出版物に関する情報を含むデータベース(NanoData)を作成しました。

健康と安全

世界保健機関(WHO)ガイドライン

2017年末、世界保健機関(WHO)は、生産されたナノ粒子の危険性から労働者を保護するためのガイドラインを発表しました。WHOの指針の一つは、予防的アプローチでした。これは、有害な健康への影響に関する不確実性にもかかわらず、暴露を減らすべきであるという合理的な兆候がある場合、暴露を最小限に抑えるべきであることを意味する。最近の科学的調査では、ナノ粒子が細胞の障壁を通過し、細胞成分と相互作用し、この点を強調することができることが示されています。さらに、コントロールの階層は重要な指針要素でした。これは、制御手段の間で選択する際に、個人的な保護具の使用など、問題の原因に近いものは、常に労働者(PPE)に大きな負担を課すものよりも優先されるべきであることを示しています。WHOは、WHOガイドライン開発ハンドブックに概説されているプロセスに従って、証拠の現状を評価し、勧告を行うために、すべての主要な問題に関する体系的なレビューを委託しました。科学的証拠の強さ、価値観と好み、提案に関連する費用に応じて、勧告は「強い」または「条件付き」に分類されました。

WHOガイドラインは、生産されたナノ材料(MN)を安全に取り扱うための次のアドバイスを提供します。

A. MNの健康被害を評価する

WHOは、安全データシートに使用するための化学物質分類およびラベリングのグローバル調和システム(GHS)に従って、すべてのMNMが危険クラスを割り当てられることをアドバイス します。 この情報は、制限された数の MN(強い推奨、中程度の品質の証拠)に関するガイドラインで提供されています。

WHOは、MNM固有の危険情報を含む安全データシートの改訂や、適切な検査を欠いた毒物学的終点を示す提案(強い推奨、中程度の品質の証拠)。

GDGは、呼吸可能な繊維と粒状の生体持続性粒子のグループ化に対して、同じグループのナノ材料の仮分類にMNの利用可能な分類を採用することを推奨しています(条件付き推奨、低品質の証拠)。

B. MNMs への露出を評価する

WHOは、MNMが提案する特定の職業暴露限界(OEL)を計算するために使用されるものと同様の方法を使用して、職場での従業員の暴露を評価することを推奨します(条件付き勧告、低品質の証拠)。

職場では MN に対する規定 OEL 値が定義されていないため、作業暴露が推奨される MNM OEL 値を超えているかどうかを判断することを WHO は推奨します。ガイドラインの追加は、提案された OEL 値のリストを含みます。選択された OEL は、少なくとも、材料のバルク形式 (条件付き勧告、低品質の証拠) に対して法的に義務付けられた OEL と同じくらい保護する必要があります。

MNの特定のOELが職場で利用できない場合、WHOは吸入暴露のためのステップワイズアプローチを提案し、まず暴露の可能性を評価する。第二に、基本的な暴露評価を実施し、第三に、経済協力開発機構(OECD)またはコミテ・ユーロペーン・ド・ノーマライゼーション(欧州標準化委員会、CEN)(条件付き勧告、中程度の品質証拠)によって提案されたものなどの包括的な暴露評価を実施する。

WHOは、ある真皮暴露評価を別の方法で推奨する十分な証拠がないと判断 した。

C. MNMs への暴露を制御する

予防的アプローチに基づいて、WHOは吸入暴露を防ぎ、可能な限り下げることに暴露制御を集中することをお勧めします(強い勧告、適度な品質の証拠)。

WHOは、特に清掃やメンテナンス、反応容器からの材料収集、製造工程へのMNMの供給時に、職場で確実に監視されているさまざまなMCMへの暴露を減らすことを推奨 しています。 毒物学的データがない場合 、WHOは労働者をあらゆる暴露から保護するために可能な限り厳しい措置を講じることを推奨する。より多くの情報が利用可能になると、WHOはよりパーソナライズされたアプローチ(強い勧告、適度な品質の証拠)を提案します。

WHOは、制御の階層の原則に基づいて制御措置を適用することを推奨し、これは、最初の制御措置は、PPEが最後の手段としてのみ採用され、労働者の関与に依存する制御措置を実施する前に、暴露源を排除する必要があることを意味します 。 高度な吸入暴露がある場合、または利用可能な毒物学的情報がない場合、またはごくわずかである場合、この原則に従って工学的制御を適用する必要があります。適切な工学的制御がない場合、PPE、特に呼吸保護は、適合検査(強い推奨、中程度の品質の証拠)を含む呼吸保護プログラムの一部として利用されるべきである。

世界保健機関(WHO)は、表面洗浄や保護手袋の使用などの労働衛生慣行を通じて、皮状暴露を防ぐことを推奨しています(条件付き勧告、低品質の証拠)。

職場の安全専門家による評価と測定が利用できない場合、WHOは、ナノ材料の制御バンディングを採用して職業的暴露制御方法を選択することを推奨します。WHOは、研究の欠如(条件付き勧告、非常に低品質の証拠)のために、別のバンドを制御する1つの方法を提案することはできません。

証拠がないため、WHOは既に使用されている既存の健康監視プログラムよりも、対象のMNM固有の健康監視プログラムに対する勧告を提供できませんでした。研究が不足しているため、WHOは、健康と安全上の懸念に対する労働者の訓練と労働者の関与をベストプラクティスと考えていますが、ある形態の労働者トレーニングを別の形態または別の形態の労働者の関与に提案することはできません。 検証済みの測定方法とリスクアセスメントが大幅に進展することが想定されており、WHOは2022年に5年後にこれらのガイドラインを更新することを目指しています。

その他のガイダンス

ナノテクノロジーは新しい現象であるため、ナノ材料暴露の健康と安全への影響、および受け入れられる量が依然として研究されています。吸入暴露は、潜在的な危険性の中で最も懸念されているようです。カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーは、シリカ、アスベスト、超微細カーボンブラックなどの他の認識された線維化材料と比較して、炎症、肉芽腫、肺線維症などの肺効果を引き起こすことが動物実験で示されています。生分解性無機ナノ粒子への健康な動物の急性吸入暴露は、実質的な害をもたらさなかった。動物データが労働者の臨床的に有意な肺の影響をどの程度予測できるかは不明であるが、短期的な動物研究で見られる毒性は、これらのナノ材料を使用または生産する労働者における実際の有害な健康影響の報告が2013年時点で知られていなかったにもかかわらず、これらのナノ材料にさらされた労働者に対する保護作用の必要性を示唆している。皮膚接触および摂取暴露、ならびにダスト爆発の危険性は、追加の問題である。

危険制御に最も望ましい技術は、排除と置換です。ナノ材料は、常に除去または従来の材料に代用することはできませんが、サイズ、形状、機能化、表面電荷、溶解度、凝集、凝集状態などのナノ粒子特性を選択して、所望の機能性を維持しながら毒物学的特性を改善することが可能な場合があります。処理プロセスも改善できます。例えば、乾燥粉末の代わりに液体溶媒にナノ材料スラリーや懸濁液を利用すると、粉塵の暴露を減らすことができます。エンジニアリングコントロールは、ヒュームフード、グローブボックス、バイオセーフティキャビネット、ベントバランスエンクロージャなどのリスクから人員を隔離する職場への物理的な変更 です。管理制御は、安全な取り扱い、保管、ナノ材料の廃棄に関するベストプラクティスの訓練、標識や警告サイネージによるリスクの十分な理解、一般的な安全文化のサポートなど、危険を軽減するために人員が行った行動の変化です。作業者の身体に装着しなければならない個人用保護装置は、危険管理の最も許容の少ない代替手段です。長ズボン、長袖シャツ、クローズドトゥシューズなどの従来の化学物質に一般的に使用される個人用保護具、安全手袋、ゴーグル、不浸透性の実験室コートもナノマテリアルに適しています。人工呼吸器は、場合によっては利用されてもよい。

汚染物質の放出と労働者の暴露を監視するために使用される一連の方法論は、暴露評価と呼ばれます。サンプラーが労働者の個人的な呼吸ゾーンに置かれるパーソナルサンプリングは、一般的に可能な限り鼻と口に近いシャツの襟に取り付けられています。また、静的な場所に配置されるエリア/バックグラウンド サンプリングは、これらの 2 つの方法です。ナノ材料やその他のバックグラウンド粒子のリアルタイム量を監視する粒子カウンターと、電子顕微鏡法や元素分析を通じてナノ材料を同定するために使用されるフィルターベースのサンプルの両方を評価に利用する必要があります。ほとんどのナノ材料は、2016年時点で職業上の暴露限界を定量化していなかった。米国国立労働安全衛生研究所によって、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、および超微細二酸化チタンの非規制推奨暴露制限が確立されています。英国規格協会やドイツ労働安全衛生研究所などの他の国の機関や組織は、特定のナノ材料用のOELを作成しており、一部の企業は自社製品にOELを提供しています。

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See also

Nanostructure

Nanotopography

Nanozymes

List of software for nanostructures modeling

Artificial enzyme

References

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