Številna prebojna odkritja v materialih in oblikovanju je proizvajalcem omogočil delo na tehtnicah, manjših od milijardinke metra. Pri teh velikostih je mogoče ustvariti naprave in predmete, katerih običajno ni možno, in izdelati materiale, ki se zaradi svojih dimenzij obnašajo drugače.
Ti materiali in tehnologije – imenovani nanotehnologija – ponujajo vrsto prednosti za proizvajalce. Kljub novosti tehnologije se že uporabljajo v množični proizvodnji.
Spodaj bomo razčlenili, kaj je nanotehnologija in kako je nova tehnologija pomembna za proizvodnjo.
Kaj je nanotehnologija
Nanotehnologija je proizvodnja in obdelava nanoskopskih materialov in tehnologije. Ker se je področje v proizvodnji začelo uporabljati šele v zadnjem času, obstajajo konkurenčne opredelitve, kaj šteje za nano. Ena izmed priljubljenih opredelitev nanomaterialov, ki predstavljajo glavnino trenutno uporabljene nanotehnologije, je določila Evropska komisija. Opredeljuje nano kot kateri koli material, sestavljen iz vsaj 50% delcev velikosti med enim in 100 nanometri – ali približno stoto do desetino velikosti povprečnega kalčka.
Ta opredelitev vključuje tako proizvedene kot naravne nanomateriale, kot je vulkanski pepel.
Nanotehnologija je v zadnjih nekaj letih hitro rasla. Obstaja nekaj razlogov za nenadno rast, vključno s praktičnimi. Delo na mikroskopskih tehtnicah vam omogoča, na primer, ustvarjanje ultra tankih in prožnih vezij. Poleg tega obstajajo edinstvene prednosti, ki jih lahko ponudijo samo nanomateriali.
Ti drobni materiali se pogosto obnašajo drugače kot običajni materiali in imajo zaradi svoje strukture edinstvene ali nenavadne lastnosti. Na primer, obstajajo ogljikove nanocevke, ki so nekateri najbolj znani nanomateriali. Te nanocevke so neverjetno močne in lahke, imajo skoraj nično površino konice, so zelo kemično stabilne in so bolj toplotno prevodne kot diamant.
Nanotehnologija poleg teh nanometrskih materialov vključuje tudi področja, kot so nanomedicina, nanoelektronika in nanorobotika. To so poddomene večjih področij, ki delujejo na nano nivoju. Zunaj nanomaterialov so nanorobotika in nanoelektronika verjetno najpomembnejši za proizvodnjo.
Proizvodni pristopi k nanomaterialom
Obstajata dve široki kategoriji pristopa k nanoproizvodnji, proizvodnji nanomaterialov: od zgoraj navzdol in od spodaj navzgor.
S pristopom od zgoraj navzdol bo proizvajalec začel z večjimi materiali in z uporabo kemičnih in fizikalnih postopkov razgradil na nanoskopske elemente. Ta pristop se običajno uporablja, kadar mora proizvajalec uporabiti material, ki je na voljo v običajnih merilih na nano ravni. Na primer, diamanti imajo naravno visoko toplotno prevodnost. Diamantni nanodelci imajo podobne lastnosti, vendar jih je mogoče uporabiti na različne načine ali jih zmešati v tekočine, kot je mineralno olje.
Proizvodnja od spodaj navzgor se začne s posameznimi molekulami ali spojinami in uporablja kombinacijo kemičnih in fizikalnih procesov, da jih združi v nanoskopske materiale. Številni nanomateriali, ki imajo edinstvene ali nenavadne strukture, na primer ogljikove nanocevke, so izdelani s pristopom od spodaj navzgor
Kako se nanomateriali uporabljajo v proizvodnji
Ker obstaja nabor različnih nanomaterialov, obstaja tudi veliko različnih možnosti.
Ogljikove nanocevke so eden od najpogosteje uporabljenih nanomaterialov, preprosto zaradi nabora edinstvenih lastnosti materiala. Uporabljajo se že v situacijah, ko proizvajalec potrebuje visoko odpornost proti obrabi in pretržno trdnost pri majhni teži – na primer med drugim okvirje koles, neprebojne jopiče, industrijske robotske roke, trupe jadrnic in vesoljske ladje.
Zaradi edinstvene strukture teh nanocevk so učinkovite tudi pri čiščenju vode in dostavi zdravil. Ogljikovi obroči v strukturi nanocevk lahko iz vode izločijo številna kemična, biološka in fizična onesnaževala.
Ogljikova nanovlakna se včasih uporabljajo pri izdelavi varnostne obleke, zlasti biotekstila, kjer lahko zagotovijo številne zelo uporabne lastnosti – na primer odpornost na tekočine in madeže ter protimikrobne lastnosti.
Ogljikove nanodelce lahko uporabimo tudi v kombinaciji s težkimi, nenano materiali, kot je jeklo. Ko se ti nanodelci porazdelijo po jeklu, lahko povečajo njegovo trdnost. Na koncu lahko zmanjšajo količino potrebnega materiala in ustvarijo lažje predmete, ne da bi bili popolnoma odvisni od nanomaterialov.
Druge vrste uporabe nanotehnologije v proizvodnji
Nanotehnologijo lahko uporabimo tudi za ustvarjanje učinkovitejših in stabilnejših maziv, ki so uporabna v različnih industrijskih aplikacijah. Pri nanometru lahko materiali delujejo podobno kot kroglični ležaji v mazivih na osnovi nafte, tako da stvari tečejo nemoteno, kar zagotavlja enakomerno porazdelitev in omejevanje zbiranja. Zagotovijo lahko, da so sestavni deli stroja podmazani tudi ob hitrih spremembah temperature ali tlaka.
Nanotehnologija se uporablja tudi v avtomobilski proizvodnji. Proizvajalci pnevmatik vedno bolj uporabljajo polimerne nanokompozite v vrhunskih pnevmatikah, da bi povečali njihovo trpežnost in odpornost proti obrabi. Poleg tega se lahko nanotehnologija uporablja pri izdelavi izboljšanih izdelkov za široko uporabo, kot je motorno olje.
V elektroniki nanotehnologija omogoča izdelavo drobne elektronike in električnih naprav, na primer nanodelnih tranzistorjev iz ogljikovih nanocevk. Izjemno majhen obseg omogoča tiskanje tankih in zelo prilagodljivih predmetov – kot so plastični sončni kolektorji, električni tekstil in prožni senzorji za plin.
Druge aplikacije nanotehnologije, ki so se resnično obetale, vključujejo nanomate ali nanite – mehanske ali robotske naprave, ki delujejo v nanometru. Nanostroji so večinoma tehnologija prihodnosti in se trenutno še ne uporabljajo v proizvodnji. Vendar naj bi se to kmalu spremenilo – morda v desetletju. Raziskovalci se že začnejo uporabljati v določenih okoljih – zlasti v medicini, kjer lahko nanoskopske naprave, ki se samosestavljajo, uporabljamo na načine, ki jih običajni stroji ne morejo.
Kako nanotehnologija spreminja proizvodnjo
Široka uporaba nanotehnologije je dokaj nova. V zadnjem času pa tehnologija hitro postaja vse bolj priljubljena, saj so nove raziskave in eksperimentalno oblikovanje jasno pokazale, kako učinkovite so lahko te nanotehnologije.
Priljubljeni nanomateriali, kot so ogljikove nanocevke, se že pogosto izdelujejo in uporabljajo pri proizvodnji različnih izdelkov, vključno z trupi jadrnic, okvirji koles in sestavnimi deli vesoljske ladje. Na področju elektronike oblikovanje v nanometru ustvarja zelo prilagodljive naprave in vezja. Kmalu bodo nanorazmerni roboti – imenovani nanomatini ali naniti – lahko revolucionirali izdelavo medicinskih pripomočkov. Nanotech in proizvodnja bodo kmalu povezani na načine, ki bodo osnova za procese v prihodnosti.