nanomaterialer

Katalysatorer brukes i kjemiske reaksjoner for å øke reaksjonshastigheten. De forbrukes ikke i reaksjonen, men reaksjonen skjer på overflaten av dem. Katalysatoren innfører en ny reaksjonsmekanisme, som gjør at aktiveringsenergien for reaksjonen blir lavere. Ettersom nanomaterialer har svært høy overflate, brukes de mye i kjemisk industri som katalysatorer. Katalysatorer krever ofte svært edle metaller, som er veldig dyrt. Ved å bruke nanomaterialer brukes mindre materiale, og kostnaden går ned.

Nanopartikler av silika brukes i klær for å gjøre de vannavstøtende. Ved tilsetning av nanopartikler øker ruheten i overflaten av klærne. Siden silika er hydrofob øker kontaktvinkelen mellom klesplagget og vann, slik at vannet samler seg i perler som preller av, i stedet for å trenge inn i klærne. Sølvnanopartikler dreper bakterier og sopp, og kan derfor brukes i klær for å forhindre vond lukt. På grunn av de antibakterielle egenskapene er sølv blant de mest brukte nanomaterialene, og brukes også i kosmetikk, rengjøringsmidler og medisin. Bruk av sølvnanopartikler har imidlertid skapt problemer når de skylles ut i vann gjennom kloakk, der de kan skade artsmangfoldet. Elektrisk ledende nanopartikler kan brukes i klær for å hindre oppbygging av statisk elektrisitet. Eksempler er sinkoksid, titandioksid og antimondopet tinnoksid.

Nanomaterialer brukes mye i kosmetikk for å enklere transportere viktige ingredienser gjennom de øverste, døde, lagene av huden. De kan brukes for å lage nye farger, gjøre produkter gjennomsiktige og for å øke holdbarheten deres. Mange solkremer bruker nanopartikler av titandioksid og sinkoksid, ettersom disse er bedre på å blokkere UV-stråling enn større partikler. De gir dermed en høyere solfaktor. Disse partiklene kan også brukes i klær for å skape den samme effekten.

En solcelle med nanostrukturert overflate kan ta imot mer energi enn konvensjonelle solceller, ettersom overflatearealet økes. Dette gjøres gjerne ved å gro nanotråder på et substrat i stedet for å ha en jevn overflate av det aktive materialet som konverterer lys til strøm. Slik brukes mindre materiale, som kan senke kostnadene, men selve produksjonen av nanotråder er i dag for dyrt til at dette kan kommersialiseres.

Nanomaterialer kan brukes i elektroder i batterier for å øke kapasiteten til å lagre litium. Nanomaterialer med høy ledningsevne, som for eksempel karbonnanorør, kan også brukes til å øke ledningsevnen til elektrodene. En økning i overflatearealet til elektrodene vil også føre til en økning i grenseflaten mellom elektrode og elektrolytt, som gjør at batteriene kan lades opp og ut enda raskere. Dette kan oppnås ved å bruke nanopartikler eller nanotråder i elektrodene, som øker ruhet og areal i overflaten.

Nanoteknologi kan også bane vei for nye metoder for energiproduksjon. Et eksempel er hydrovoltaikk, som benytter vannets innhold av ioner til å lage elektrisitet.

Et viktig bidrag innen nanomedisin er målrettet medisinleveranse, som det forskes mye på til bruk i kreftbehandling. Her blir cellegift innkapslet i nanopartikler, som beveger seg gjennom kroppen. Nanopartikler hoper seg opp mer i kreftvev enn i normalt vev. Dette kommer av at blodårene som lages i kreftvev er annerledes enn i normalt vev, og har flere små åpninger, der nanopartikler kan komme seg gjennom, og ut i vevet. I kreftsvulsten kan nanopartiklene åpne seg opp og frigi giften til kreftsvulsten uten å skade omkringliggende vev. Nanopartiklene kan åpnes opp blant annet ved å rette et alternerende magnetisk felt eller ultralyd mot partiklene. Denne behandlingen vil være en mer effektiv behandlingsmetode, og mye mer skånsom for pasienten, enn dagens kreftbehandlinger.

Det samme prinsippet ble brukt i mRNA-vaksinene mot covid-19. mRNA klarer ikke å komme seg inn i kroppens celler selv, og blir derfor pakket inn i lipidnanopartikler. Disse partiklene blir en del av cellemembranen, mens mRNAet som er gjemt inni partiklene blir sluppet inn i cellen. mRNA-molekylet inneholder koden til å lage et bestemt virusprotein. Når mRNA har kommet inn i cellen, begynner cellen å lage dette proteinet. Immunsystemet vil gjenkjenne proteinet som ukjent, og begynner å produsere antistoffer som gjenkjenner proteinet og markerer at det skal ødelegges for andre immunceller. Antistoffer blir igjen i kroppen, og hjelper med å bekjempe viruset om det senere kommer inn i kroppen.

For å kunne fortsette å lage stadig kraftigere datamaskiner må de inneholde flere og flere transistorer. De siste 30 årene har antall transistorer på en chip blitt doblet omtrent annethvert år, i henhold til Moores lov. For å fortsette denne trenden, må transistorer kunne bygges så små som mulig. Transistorer har vanligvis en lengde og bredde på ca. 10–20 nm og er et godt eksempel på nanoteknologi som er viktig for oss i hverdagen. Atomers størrelse setter riktignok en grense for hvor mye mindre transistorene kan lages, og vi nærmer oss denne grensen.

Når transistorer ikke lenger kan lages mindre, må vi finne andre metoder for å forbedre datamaskiner. Et stort forskningsområde er kvantedatamaskiner. I en vanlig datamaskin vil transistorene kunne gi et signal (0 eller 1) ut ifra om det går en strøm gjennom dem eller ikke. I en kvantedatamaskin kan signalet være både 0 og 1 samtidig på grunn av kvantemekaniske effekter. Dette vil gjøre noen typer beregninger mye raskere, for eksempel innen kryptografi. For å oppnå en slik kvantebit, brukes vanligvis superledende materialer eller spinn. Partikler med spinn kan være elektroner eller atomkjerner. I en kvantedatamaskin brukes som regel molekyler eller nanomaterialer, som for eksempel kvanteprikker, til å generere en kvantebit.

Nulldimensjonale nanomaterialer har ingen dimensjoner i makroskala, altså er alle dimensjonene under 100 nm. Dette gjelder for kuleformede og tilnærmet kuleformede partikler. Disse partiklene kalles nanopartikler. Krystallinske nanopartikler kalles nanokrystaller, og halvledende nanokrystaller kalles kvanteprikker. Et eksempel på nanopartikler er fullerener, som er en gruppe hule karbonmolekyler. Karbonatomene er bundet sammen i femkanter og sekskanter, og antall karbonatomer i hvert molekyl bestemmer strukturen. Fullerener finnes ikke naturlig, men lages syntetisk.

Endimensjonale nanomaterialer har én dimensjon i makroskala og to i nanoskala. Dette er altså tråder og rør med diameter i nanoskala, mens lengden som regel er på mikrometernivå. Det mest kjente eksempelet på endimensjonale nanomaterialer er karbonnanorør.

Todimensjonale nanomaterialer har bare én dimensjon i nanoskala og kan være tynnfilmer eller nanoflak. Det mest kjente eksempelet på todimensjonale nanomaterialer er grafén, et enkelt lag av grafitt.

Den siste gruppen nanomaterialer er materialer som strekker seg over en makroskopisk lengde i alle tre dimensjoner, men har strukturer på nanoskala som en del av materialet. Et eksempel er porøse materialer med nanoskala porer, slik som metall-organiske rammeverk (engelsk MOF: metal organic frameworks).