Nanoprodukcja - Nanomanufacturing
Nanoprodukcja to zarówno produkcja materiałów w nanoskali, którymi mogą być proszki lub płyny, jak i wytwarzanie części „od dołu do góry” z materiałów w nanoskali lub „od góry do dołu” w najmniejszych krokach dla wysokiej precyzji, stosowanych w kilku technologiach, takich jak ablacja laserowa , trawienie i inni. Nanoprodukcja różni się od produkcji molekularnej , która polega na wytwarzaniu złożonych struktur w nanoskali za pomocą niebiologicznej mechanosyntezy (i późniejszego montażu).
Termin „nanoprodukcja” jest szeroko stosowany m.in. przez Europejską Platformę Technologiczną MINAM i amerykańską Narodową Inicjatywę Nanotechnologiczną (NNI). NNI odnosi się do poddziedziny nanotechnologii jako jednego z pięciu „obszarów priorytetowych”. Istnieje również program nanoprodukcji w amerykańskiej National Science Foundation , dzięki któremu ustanowiono National Nanomanufacturing Network (NNN) . NNN to organizacja, która działa na rzecz przyspieszenia przejścia nanotechnologii z badań laboratoryjnych do produkcji produkcyjnej poprzez wymianę informacji, warsztaty strategiczne i opracowywanie map drogowych.
NNI bardzo szeroko zdefiniowało nanotechnologię, obejmując szeroki zakres drobnych struktur, w tym tworzonych za pomocą dużych i nieprecyzyjnych narzędzi. Nanoprodukcja nie została jednak zdefiniowana w najnowszym raporcie NNI, Instrumentation and Metrology for Nanotechnology . W przeciwieństwie do tego, inny „priorytetowy obszar”, nanofabrykacja , jest definiowany jako „zdolność do wytwarzania, za pomocą ukierunkowanych lub samoorganizujących się metod, funkcjonalnych struktur lub urządzeń na poziomie atomowym lub molekularnym” (s. 67). Nanoprodukcja wydaje się być krótkoterminową produkcją na skalę przemysłową obiektów opartych na nanotechnologii, z naciskiem na niski koszt i niezawodność. Wiele stowarzyszeń zawodowych utworzyło grupy techniczne zajmujące się nanotechnologią. Na przykład Stowarzyszenie Inżynierów Produkcji utworzyło Grupę Techniczną ds. Nanoprodukcji, aby zarówno informować członków o rozwijających się technologiach, jak i zająć się kwestiami organizacyjnymi i prawnymi dotyczącymi własności intelektualnej (własności intelektualnej), które należy rozwiązać w celu szerszej komercjalizacji.
W 2014 r. Government Accountability Office zauważył, że przywództwo Ameryki w nanotechnologii zostało zagrożone z powodu braku inwestycji rządu w przygotowanie badań podstawowych do zastosowań komercyjnych.
Tło
Realizacja licznych zastosowań i korzyści płynących z systemów nanoskalowych w materiałach codziennego użytku, elektronice, medycynie, oszczędzaniu energii, zrównoważonym rozwoju i transporcie doprowadziła do badań nad opracowaniem technik wytwarzania tych nanosystemów na większą skalę i przy wyższych szybkościach . Programy i organizacje, takie jak NNI i NNN, finansują obecnie badania mające na celu projektowanie ekonomicznych, zrównoważonych i niezawodnych technik nanoprodukcyjnych na skalę przemysłową.
Przykładem takiej technologii jest Nanoscale Offset Printing System (NanoOps), który został opracowany przez badaczy z Centrum Nanomanufacturing o wysokiej szybkości (CHN) na Northeastern University. NanoOps to forma bezpośredniego montażu, która jest szybsza i bardziej ekonomiczna niż tradycyjny druk 3D nanosystemów. Ahmed Busnaina, który kierował projektem i wystąpił w filmie From Lab to Fab: Pioneers in Nano-manufacturing opisuje system jako prasę drukarską. Wytrawiony szablon z nanodrutami jest zanurzany w roztworze z nanocząsteczkami, które działają jak atrament dla prasy. Nanocząstki przywierają do szablonu po doprowadzeniu elektryczności do roztworu. Szablon z dołączonymi nanocząstkami można następnie wyjąć z roztworu i docisnąć do dowolnego materiału. Według Busnainy cały proces kosztuje tylko 1% konwencjonalnej produkcji i może skrócić czas produkcji z dni do minut.
Przegląd ogólny
Nanoprodukcja odnosi się do procesów wytwarzania przedmiotów lub materiałów o wymiarach od jednego do stu nanometrów . Wynikiem tych procesów jest nanotechnologia , niezwykle małe urządzenia, struktury, cechy i systemy, które mają zastosowanie w chemii organicznej, biologii molekularnej , inżynierii lotniczej , fizyce i nie tylko. Nanoprodukcja umożliwia tworzenie nowych materiałów i produktów, które mają zastosowania takie jak procesy usuwania materiałów, montaż urządzeń , urządzenia medyczne , powłoki i włókna elektrostatyczne oraz litografia . Nanoprodukcja to stosunkowo nowa gałąź produkcji, która reprezentuje zarówno nową dziedzinę nauki, jak i nowy rynek. Badania nad nanoprodukcją, w przeciwieństwie do tradycyjnego wytwarzania, wymagają zbiorowego wysiłku ponad typowymi podziałami inżynieryjnymi, takimi jak współpraca między inżynierami mechanikami , fizykami, biologami , chemikami i materiałoznawcami .
Nanoprodukcję można ogólnie podzielić na dwie kategorie: podejście odgórne i oddolne.
Przemysł nanoprodukcyjny
W 2009 r. 91 miliardów dolarów wydano na produkty amerykańskie zawierające komponenty w nanoskali. Ponad 60 krajów ustanowiło programy związane z przemysłem nanoprodukcyjnym na poziomie krajowym w latach 2001-2004. Skumulowane finansowanie od 2000 r. dla Narodowej Inicjatywy Nanotechnologicznej (NNI) wynosi ponad 12 miliardów dolarów.
Z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju, Atomic Layer Deposition (ALD) to technologia produkcyjna w nanoskali, wykorzystująca metodę produkcji oddolnej i chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). ALD zastępuje folię dielektryczną SiO 2 folią dielektryczną Al 2 O 3 . Przemysł ALD jest już używany w przemyśle półprzewodników i obiecujący w ogniwach słonecznych, ogniwach paliwowych, urządzeniach medycznych, czujnikach, przemyśle polimerów. Technologia nanoprodukcyjna umożliwia udoskonalenie pakowania żywności. Na przykład ulepszenie bariery z tworzywa sztucznego pozwala klientom zidentyfikować odpowiednie informacje. Dłuższa żywotność i bezpieczniejsza żywność ma również na celu samonaprawę. Wykonanie tradycyjnych materiałów budowlanych; stal i beton ulepsza się dzięki nanotechnologii. Zbrojenie betonu nanocząstkami tlenku metalu zmniejsza przepuszczalność i zwiększa wytrzymałość. Właściwość wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i modułu Younga dodatków nanowęglowych, takich jak nanorurki węglowe (CNT) i nanowłókien węglowych (CNF), tworzy gęstszy i mniej porowaty materiał.
Wyzwania nanoprodukcji
Przejście nanotechnologii z demonstracji laboratoryjnych do produkcji na skalę przemysłową wiąże się z szeregiem wyzwań, z których niektóre obejmują:
- Opracowywanie technik produkcji, które są ekonomiczne i zapewniają opłacalny plon
- Kontrola precyzji montażu nanostruktur
- Testowanie niezawodności i ustalanie metod kontroli defektów. Obecnie kontrola defektów w branży półprzewodników jest nieselektywna i zajmuje 20-25% całkowitego czasu produkcji. Przewiduje się, że usuwanie defektów systemu w nanoskali zajmie znacznie więcej czasu, ponieważ wymaga selektywnego i ostrożnego usuwania zanieczyszczeń.
- Utrzymanie właściwości i jakości nanosystemu w skali nano podczas produkcji wielkoseryjnej i wielkoseryjnej, a także w okresie życia produktu po produkcji
- Ocena wpływu środowiskowego, etycznego i społecznego