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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
4 用語と解説
注記説明の順序は、階層を示唆するのではなく、理解を助けるために前の説明に基づいて記述されています。
4.1 ナノスケール、ナノスケール現象
ISO 定義:
| ナノスケール |
| 約 1 nm から 100 nm までの長さの範囲 |
| 注記 1: より大きなサイズからの外挿ではない特性は、主にこの長さの範囲で示されます。 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.1] |
| ナノスケール現象 |
| ナノオブジェクトまたはナノスケール領域の存在に起因する効果 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.13] |
「ナノスケール」は、1 nm が 10 -9 m (0.000000001 m) であるサイズ範囲 1 nm から 100 nm を主に参照する合意された記述子です。ナノスケールの寸法の相対的なサイズを理解するために、図 1 は 1 m と 1 nm の比率が地球とサクランボの比率とほぼ同じであることを示しています。原子は 0.1 nm から 0.4 nm のサイズ範囲にあり、DNA は幅が約 2 nm です。
図 1 — 1 nm の比較サイズ
1 nm から 100 nm の範囲は、ナノスケールの材料に起因する特性の変化が観察される可能性が高い場所です。これらの変化は、オブジェクトがナノスケールに縮小されたときに表面積が増加したため、または制限されたサイズがさまざまな物理的および化学的現象の発生を可能にしたために発生する可能性があります。したがって、図 2 は、個々のオブジェクトが小さなオブジェクトのアセンブリに分割されると、表面積がどのように増加するかを示しています。
図 2 —分割数を増やして表面積を増やす
| 総表面積6cm2 | 総表面積60cm2 すべて1mm立方体 | 総表面積 60,000,000 cm2 すべての 1nm キューブ |
ナノスケールの材料は、新しい特性または強化された特性を持つ特性を示すことができます。ナノスケールで変化する可能性のある特性には、次のものがあります。
- 光学 (例: 色)
- 機械的(例:引張強度)
- 化学(触媒作用など)
- 電気(導電率など)。
例 1
金ナノ粒子は、黄色に見えるより大きな非ナノスケールの金粒子とは異なる方法で電磁放射 (可視光など) と相互作用するため、そのサイズに応じて、赤、緑、または紫に見えます。これらの金の特性は、歴史的にステンドグラスの窓に使用されてきました。これは、人々が気付かないうちにナノスケールで長い間働いてきたことを示しています。
例 2
量子ドット (QD) は、特定の条件下で発光するナノスケールの半導体粒子であり、テレビやコンピューター/スマートフォンの画面など、鮮やかでエネルギー効率の高い薄型ディスプレイの作成に使用できます。
例 3
スチールまたはゴムタイヤの機械的強度は、製造中にナノオブジェクトを分散させることで何倍にも増加させることができます.
例 4
バッテリー、燃料電池、および触媒は、ナノ粒子に関連する強化された反応性を利用して、よりクリーンで、より安全で、より手頃な価格でエネルギーを生成および貯蔵するモードと、より効率的なプロセス反応を生み出すことができます。
例 5
コンピューター チップと LED の冷却を改善するために、カーボン ナノチューブが複合材料に組み込まれ、電気伝導性と熱伝導性が強化されています。
例 6
薬物治療は、多くの生物系の構造がナノスケールの要素によって決定されるという事実を利用するために開発されました。典型的な抗体は約 10 nm ですが、ウイルスは約 10 nm から 400 nm の範囲です。
ナノスケールに起因する新しいまたは強化された特性は、「ナノスケール現象」として説明されます。
4.2 ナノテクノロジー
ISO 定義:
| ナノテクノロジー |
| 個々の原子または分子に関連するものとは異なる、サイズおよび構造に依存する特性および現象を利用するために、主にナノスケールで物質を操作および制御するための科学的知識の適用、または同じ材料のより大きなサイズからの外挿 |
1 年生から初級操作と制御には物質合成が含まれます。 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.3] |
科学者や職人は何世紀にもわたって物質をナノスケールで操作してきましたが (ステンドグラスの窓など)、特殊な形式の顕微鏡 (電子顕微鏡など) が開発されて初めて、物質をナノスケールで視覚化し、その構造をより正確に制御できるようになりました。
ナノテクノロジーは、他の方法では不可能な方法で製品やプロセスを改善できます。
例 1
ナノテクノロジーは、より効果的に濾過するために水処理に使用されています。これは、例えば、水分子のみを通過させる小さな穴を持つ膜を構築できるためです。同様の技術は、低温殺菌の代わりに牛乳の加工に使用されています。
例 2
ナノテクノロジーは、カプセル化や細胞表面特異的結合の改善などにより、医薬品のより正確な標的送達を可能にします。これにより、プロセスがより特異的になり、毒性が低くなります。
4.3 ナノマテリアル
4.3.1 一般
ISO 定義:
| ナノマテリアル |
| ナノスケールの外部寸法を持つ材料、またはナノスケールの内部構造または表面を持つ材料 |
注記 1この一般用語には、ナノオブジェクトとナノ構造物質が含まれる。 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.4, 修正] |
| 製造されたナノマテリアル |
| 選択された特性または組成を持つように意図的に製造されたナノ材料 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.9] |
ナノマテリアル (図 3 を参照) には以下が含まれます。
- 1)ナノスケールの内部構造または表面構造を持つ材料であるナノ構造材料。他の
- 2)少なくとも 1 つの外部寸法がナノスケールであるナノオブジェクト。
図 3 —ナノマテリアル
ナノ材料は、自然発生、製造、または偶発的なもの、つまり、プロセスの意図しない副産物として生成されたナノオブジェクトである可能性があります。
たとえば、ナノマテリアルは次のようなものです。
- もみ殻で形成されたシリカなどの生物源から自然に発生する。
- 火山の噴火から放出されるナノ粒子など、地質学的発生源から自然に発生する。
- 製造されたナノ材料、例えばナノ二酸化チタン。
- 生物由来のセルロースナノマテリアルなど、生物源から製造されたもの。また
- 偶発的なナノマテリアル、例えば溶接煙粒子、薪ストーブの使用時に発生する煙、車のディーゼル排気。
4.3.2 ナノオブジェクト
4.3.2.1 一般
ISO 定義:
| ナノオブジェクト |
| ナノスケールで 1 つ、2 つ、または 3 つの外部寸法を持つ個別の材料片 |
注記2 番目及び 3 番目の外形寸法は,1 番目の寸法及び互いに直交している。 |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.5] |
ナノオブジェクトは現在、そのサイズと形状に基づいて分類されています。
ナノ オブジェクトは、通常、ナノスケールで制約される寸法の観点から記述またはグループ化されます。
- 一次元(ナノプレート);
- 二次元(ナノチューブを含むナノファイバー);また
- すべての 3 つの次元 (ナノ粒子と量子ドット)
たとえば、ナノプレートはナノスケールの 1 つの次元を持ちますが、ナノスケールよりも大きくなる可能性のある他の次元を持ちます。 「一次元」ナノ物体は、ナノスケールの一次元を有する一般的に理解されている「三次元」物体である。
4.3.2.2 プロパティ、サイズおよび形状
「ナノオブジェクト」という用語は、ナノスケールのオブジェクトの幅広い形状とサイズを包含する集合的または一般的な用語です (例: ナノ粒子、ナノファイバー、ナノプレート、図 3 を参照)したがって、ナノオブジェクトは、幅広い形状を網羅しています。ナノオブジェクトおよび関連用語の ISO 定義は、サイズと形状に基づいており、特定の定義で捉えることが不可能であるため、特定の特性に基づいているわけではありません。
ISO 定義:
| ナノ粒子 |
| ナノオブジェクト:ナノオブジェクトの最長軸と最短軸の長さが大きく異ならないナノスケールのすべての外部寸法を持つナノオブジェクト |
注記 1寸法が著しく異なる場合 (通常は 3 倍以上)、ナノファイバーやナノプレートなどの用語がナノ粒子という用語よりも好ましい場合があります。 |
| [出典: ISO/TS 80004-2:2015, 4.4] |
ナノ粒子という用語は、すべての外部寸法がナノスケールであるナノオブジェクトのサブセットを表します。ナノオブジェクトがナノスケールの外に 1 つまたは 2 つの次元を持っている場合、それらは異なる形状を持ち、必要に応じてナノファイバーまたはナノプレートに分類されます。ナノチューブは中空のナノファイバーであり、したがってナノオブジェクトであることに注意することも重要です。
例 1
ナノ粒子の用途:
- 抗微生物活性、例えば創傷被覆材や衣類に使用されるナノ銀;他の
— 触媒作用、化学貯蔵、薬物送達システム (対象を絞った、制御された薬物送達)
例 2
ナノファイバーの用途:
—材料または製品を強化するためのカーボンナノチューブ (例: テニスラケット);
—導電性を高めるためのカーボンナノチューブ;他の
—包装を強化するために使用されるセルロースナノマテリアル。
例 3
ナノプレートの用途:
—食品包装、例えば、プラスチックフィルムのバリア特性を高めるためのナノクレイ。
—化粧品業界の効果顔料(「ぼかし」しわの消失);
—フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル導体としてのグラフェン。
広く応用されている分野はナノエレクトロニクスです。これは、ナノスケールのコンポーネントを備えた機能的な電子デバイスの開発と製造に関係する科学技術の分野です。
4.3.3 ナノ物体、凝集体および凝集体
ISO 定義:
| 凝集する |
| 結果として得られる外部表面積が個々の成分の表面積の合計に類似する、弱くまたは中程度に強く結合した粒子の集まり。 |
注記 1凝集物を一緒に保持する力は弱い力であり、例えば、ファン デル ワールス力や単純な物理的絡み合いなどです。 |
注記2凝集体は二次粒子とも呼ばれ、元の粒子は一次粒子と呼ばれます。 |
| [出典: ISO/TS 80004-2:2015, 3.4] |
| 骨材 |
| 結果として得られる外部表面積が個々の成分の表面積の合計よりも著しく小さい、結合または融合した粒子を強く含む粒子。 |
注記 1凝集体を一緒に保持する力は、例えば、共有結合またはイオン結合、または焼結または複雑な物理的絡み合いから生じる力、または以前の一次粒子の結合などの強い力です。 |
注記2凝集体は二次粒子とも呼ばれ、元の粒子は一次粒子と呼ばれます。 |
| [出典: ISO/TS 80004-2:2015, 3.5] |
多くのナノ物体は、凝集体または凝集体として知られるより大きな粒子に結合する傾向があります (図 4 を参照)
凝集体と凝集体の違いは、構成するナノオブジェクト間の結合の強さに基づいています。ナノオブジェクトの集合体は本質的に個別のナノ構造粒子であり、構成材料を破壊せずにその構成ナノオブジェクトを解放することは事実上不可能です。ただし、凝集体は結合が比較的弱いため、構成要素のナノオブジェクトをより簡単に解放できます。構成ナノオブジェクトを解放する能力を決定するのは、凝集体の弱い結合の数です。凝集体は、ナノオブジェクトまたはナノオブジェクトの集合体で構成できます (図 4 を参照)
凝集体または凝集体のサイズは、ナノスケールよりも大きくなる可能性があります。
ナノオブジェクトが媒体に導入されると、自然に凝集または凝集する可能性があります。たとえば、市販のナノ材料粉末は通常、凝集体または凝集体の形をしています。
図 4 —ナノ物体、およびそれらの凝集体と凝集体
| ナノオブジェクト (サイズが 100 nm 未満の場合)、または粒子 | 加入構成員 | |
| 凝集体の構成ナノオブジェクト | 構成ナノ体と凝集体の組み合わせ |
Key
| 1 | 骨材 |
| 2 | 構成ナノ体 |
4.3.4 ナノ対応、ナノ強化
ISO 定義:
| ナノ対応 |
| ナノテクノロジーならではの機能や性能を発揮する |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.15] |
| ナノ強化 |
| ナノテクノロジーによって強化または改善された機能または性能を示すもの |
| [出典: ISO/TS 80004-1:2015, 2.16] |
ナノマテリアルは通常、プロセスまたは製品の新しい機能または改善された機能を実現するために使用されます。 「ナノ対応」または「ナノ強化」は、機能を作成または強化するためにナノテクノロジーのある側面を利用するデバイスまたはシステムを表します。 「ナノ対応」はナノテクノロジーなしでは不可能な機能を指し、「ナノ強化」は既存の機能の改善を指します。
ナノ対応またはナノ強化が可能な製品の例は次のとおりです。
- セルフクリーニング反射板、ガラス、その他の表面 (コンクリートなど)
- 自己修復または修復 (例: 車の塗装);
- 食品 – 生産、加工、包装、品質管理、流通。
- 医薬品、例えば薬物の診断と送達。
- HIV 迅速検査装置などの医療機器。
- スポーツ用品、例えば強度対重量比を高めた軽量の自転車フレーム。
- エネルギー生産、例えばナノ構造の有機太陽電池。
- セルロースナノマテリアルを使用した耐摩耗仕上げボード。
- 潤滑剤とフィルター;他の
- 浄水膜。
触媒作用、浄水器、電子機器 (GPS ナビゲーションなど) などのプロセスやサービスも、ナノテクノロジーの使用によって強化または有効化できます。
4.4 ナノコンポジット
ISO 定義:
| ナノコンポジット |
| 2つ以上の相分離材料の混合物を含む固体で、1つ以上がナノ相である |
注記 1ガス状ナノ相は除外される (ナノポーラス材料のカテゴリーで扱われる) |
注記 2沈殿のみによって形成されたナノスケール相を有する材料は、ナノコンポジット材料とはみなされない。 |
| [出典: ISO/TS 80004-4:2011, 3.2] |
| ナノ相 |
| 物理的または化学的に異なる領域、またはナノスケールで 1, 2, または 3 次元の個別の領域を持つ、材料内の同種の物理的に異なる領域の総称 |
注記1別の相に埋め込まれたナノ物体がナノ相を構成する。 |
| [出典: ISO/TS 80004-4:2011, 2.12] |
複合材料は、ナノオブジェクトが複合材料の 1 つまたは複数の相を形成するナノ複合材料を含め、業界では一般的です。マトリックスを構成する材料は、異なる化学組成または材料相である可能性があります。
例は次のとおりです。
- タイヤなどの強度を向上させるために添加されたナノ粒子を含むポリマーマトリックス。
- 靭性を向上させるためにカーボンナノオブジェクトを組み込んだコンクリート。他の
- 陽極アルミナマトリックス内の磁気ワイヤで作られた電子メモリ。
4.5 ナノレイヤー、ナノコーティング、ナノフィルム
ISO 定義:
| ナノレイヤー |
| ナノスケールの厚さの材料の層 |
| [出典: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.1] |
| ナノコーティング |
| ナノスケールの厚さのコーティング |
| [出典: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.2] |
| ナノフィルム |
| ナノスケールの厚さのフィルム |
注記 1ナノフィルムは、自立できるナノ層である。 |
注記2ナノフィルムは、固体または液体(例えば、液体フィルム)で作ることができます。 |
注記3ナノフィルムは単分子層で構成されている場合がある(例:ラングミュア・ブロジェットフィルム)。 |
| [出典: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.3] |
フィルムや層などの秩序だった構造は、多くの目的に役立ちます。たとえば、酸化やインクの移行を防ぎ、貯蔵寿命やその他の品質属性を向上させる層を含めることができる食品包装などです。個々の層の厚さがわずか数ナノメートルの多くの層が存在する可能性があります。コンポーネントの表面のパターン化された構造が、セルフクリーニング、摩擦、光学特性などの機能に大きな影響を与える可能性があるナノ構造表面が開発されました。
ナノフィルムは、ナノスケールの厚さの層であり、単一のユニットとして単独で存在でき、柔軟性または剛性があります。ナノコーティングは、その基板との組み合わせでのみ存在します。独立した存在を持つことはできません。すべては、言葉の一般的な使用における層です。 「ホイル」、「シート」、「フィルム」という用語は、同じ意味で使用されることがあります。膜は、2 つの相を分離するフィルムです。
例は次のとおりです。
- 眼鏡レンズを強化できる反射防止層。
- 溶解を制御するための医薬品のナノコーティング。
- 硬度などの機械的特性の向上。
- 窓からの熱損失を制御するコーティング。
- 耐摩耗性のためのセラミックコーティング。
- コーティングされた歯科インプラント;寿命を延ばすためのコーティングされた股関節置換。他の
- 表面に凹凸加工を施した滑り止め加工。
参考文献
| [1] | www.nano.gov |
| [2] | Feynman, RP, '底にはたくさんの余地がある'.工学と科学、1960 年 2 月、p 22-36 |
| [3] | リチャード・ファインマン、「Tiny Machines」ナノテクノロジー講義、1984 年カリフォルニア工科大学 http://www.youtube.com/watch?v=4eRCygdW--c |
| [4] | https://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology |
4 Terms and explanations
NOTE The order of explanations is such that the descriptions build on the previous descriptions to aid understanding rather than to suggest any hierarchy.
4.1 Nanoscale, nanoscale phenomenon
ISO definitions:
| nanoscale |
| length range approximately from 1 nm to 100 nm |
| Note 1 to entry: Properties that are not extrapolations from larger sizes are predominantly exhibited in this length range |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.1] |
| nanoscale phenomenon |
| effect attributable to the presence of nano-objects or nanoscale regions |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.13] |
“Nanoscale” is an agreed descriptor principally referring to the size range 1 nm to 100 nm, where 1 nm is 10−9 m (0,000000001 m). To appreciate the relative size of the nanoscale dimension, Figure 1 illustrates the ratio of 1 m to 1 nm as approximately the same as between planet Earth and a cherry. Atoms are in the size range 0,1 nm to 0,4 nm and DNA is approximately 2 nm in width.
Figure 1—Comparative size of 1 nm
The range 1 nm to 100 nm is where changes in properties ascribed to materials in the nanoscale are likely to be observed. These changes can occur either because of the increased surface area when an object is reduced into the nanoscale or because the confined size enables different physical and chemical phenomena to occur. Thus Figure 2 illustrates how the surface area increases when an individual object is split into an assembly of smaller objects.
Figure 2—Increasing surface area by increasing division
| Total surface area 6 cm2 | Total surface area 60 cm2 All 1 mm cubes | Total surface area 60 000 000 cm2 All 1 nm cubes |
Materials in the nanoscale can exhibit properties with new or enhanced characteristics. The properties that can change at the nanoscale might include:
- optical (e.g. colour)
- mechanical (e.g. tensile strength)
- chemical (e.g. catalysis)
- electrical (e.g. conductivity).
EXAMPLE 1
Gold nanoparticles can appear red, green or purple, depending on their size, because they interact with electromagnetic radiation (e.g. visible light) differently compared to larger non-nanoscale gold particles, which appear yellow. These properties of gold have been historically used in stained-glassed windows, which demonstrates that people have been working at the nanoscale for a long time without realizing it.
EXAMPLE 2
Quantum dots (QD) are nanoscale semi-conductor particles that emit light under certain conditions and can be used to create thin displays, such as on televisions and computer/smart phone screens, that are vivid and energy efficient.
EXAMPLE 3
The mechanical strength of steel or rubber tyres can be increased many fold by dispersing nano-objects during manufacture.
EXAMPLE 4
Batteries, fuel cells and catalysts can use the enhanced reactivity associated with nanoparticles to produce cleaner, safer, and more affordable modes of producing and storing energy and more efficient process reactions.
EXAMPLE 5
To improve cooling of computer chips and LEDs, carbon nanotubes are being incorporated into composites to enhance their electrical and thermal conductivity.
EXAMPLE 6
Drug treatments have been developed to take advantage of the fact that the structure of many biological systems is determined by their nanoscale elements. A typical antibody is approximately 10 nm, while viruses range from approximately 10 nm to 400 nm.
The new or enhanced properties attributable to the nanoscale are described as “nanoscale phenomena”.
4.2 Nanotechnology
ISO definition:
| nanotechnology |
| application of scientific knowledge to manipulate and control matter predominantly in the nanoscale to make use of size- and structure-dependent properties and phenomena distinct from those associated with individual atoms or molecules, or extrapolation from larger sizes of the same material |
Note 1 to entry Manipulation and control includes material synthesis. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.3] |
Although scientists and craftsmen have manipulated matter at the nanoscale for centuries (e.g. stained glass windows), it was not until specialized forms of microscopy (e.g. electron microscopy) were developed that we could visualize materials in the nanoscale and more precisely control their structure.
Nanotechnology can improve a product or process in a way that would not be possible otherwise.
EXAMPLE 1
Nanotechnology is being used for water treatment to filter more effectively because of e.g. the ability to construct membranes with smaller holes which only allow water molecules to pass through. Similar techniques are used in milk processing as a substitute for pasteurization.
EXAMPLE 2
Nanotechnology can enable more precise targeted delivery of medicines through, for example, encapsulation and improved cell-surface specific binding. It makes the process more specific and less toxic.
4.3 Nanomaterials
4.3.1 General
ISO definitions:
| nanomaterial |
| material with any external dimension in the nanoscale or having an internal structure or surface in the nanoscale |
Note 1 to entry This generic term is inclusive of nano-object and nanostructured material. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.4, modified] |
| manufactured nanomaterial |
| nanomaterial intentionally produced to have selected properties or composition |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.9] |
Nanomaterials (see Figure 3) include:
- 1) nanostructured materials which are materials with an internal structure or surface structure in the nanoscale; and
- 2) nano-objects which have at least one external dimension in the nanoscale.
Figure 3—Nanomaterials
Nanomaterials can be naturally occurring, manufactured or incidental, i.e. a nano-object generated as an unintentional by-product of a process.
For example, a nanomaterial might be:
- naturally occurring from a biological source, e.g. silica formed in rice husks;
- naturally occurring from a geological source, e.g. nanoparticles emitted from an erupting volcano;
- manufactured nanomaterial, e.g. nano-titanium dioxide;
- manufactured from a biological source, e.g. cellulose nanomaterials from organisms; or
- incidental nanomaterial, e.g. welding fume particles, smoke created when using a wood-burning stove, car diesel exhaust.
4.3.2 Nano-objects
4.3.2.1 General
ISO definition:
| nano-object |
| discrete piece of material with one, two or three external dimensions in the nanoscale |
Note 1 to entry The second and third external dimensions are orthogonal to the first dimension and to each other. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.5] |
Nano-objects are presently classified based on their size and shape.
Nano-objects are typically described or grouped in terms of the dimensions constrained in the nanoscale:
- one dimension (nanoplates);
- two dimensions (nanofibres, including nanotubes); or
- all three dimensions (nanoparticles and quantum dots).
For example, a nanoplate has one dimension in the nanoscale but has other dimensions that can be larger than the nanoscale. A “one-dimensional” nano-object is a generally understood “three dimensional” object with one dimension in the nanoscale.
4.3.2.2 Properties, size and shape
The term “nano-object” is the collective or general term, which encompasses the wide range of shapes and sizes of objects in the nanoscale (e.g. nanoparticle, nanofibre and nanoplate, see Figure 3). Nano-objects therefore also encompass a broad spectrum of shapes. The ISO definition of nano-object and related terms is based on size and shape and not on any particular property or properties because those would be impossible to capture in specific definitions.
ISO definition:
| nanoparticle |
| nano-object with all external dimensions in the nanoscale where the lengths of the longest and the shortest axes of the nano-object do not differ significantly |
Note 1 to entry If the dimensions differ significantly (typically by more than 3 times), terms such as nanofibre or nanoplate may be preferred to the term nanoparticle. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 4.4] |
The term nanoparticle depicts a subset of nano-objects with all external dimensions in the nanoscale. If a nano-object has one or two dimensions outside the nanoscale they have a different shape and are categorized as nanofibres or nanoplates, as appropriate. It is also important to note that nanotubes are hollow nanofibres and are therefore nano-objects.
EXAMPLE 1
Applications of nanoparticles:
—anti-microbiological activity, e.g. nanosilver used in wound dressings or clothing; and
—catalysis, chemical storage, drug delivery systems (targeted, controlled drug delivery).
EXAMPLE 2
Applications of nanofibres:
—carbon nanotubes to strengthen materials or products (e.g. tennis rackets);
—carbon nanotubes to enhance electro-conductivity; and
—cellulose nanomaterials used to strengthen packaging.
EXAMPLE 3
Applications of nanoplates:
—food packaging, e.g. nanoclays to increase barrier properties of plastic films;
—effect pigments in cosmetics industry (“blur” wrinkle disappearance);
—graphene as a flexible conductor for flexible display.
An area of widespread application is nanoelectronics, which is the field of science and technology concerned with the development and production of functional electronic devices with nanoscale components.
4.3.3 Nano-objects, agglomerates and aggregates
ISO definitions:
| agglomerate |
| collection of weakly or medium strongly bound particles where the resulting external surface area is similar to the sum of the surface areas of the individual components |
Note 1 to entry The forces holding an agglomerate together are weak forces, for example van der Waals forces or simple physical entanglement. |
Note 2 to entry Agglomerates are also termed secondary particles and the original source particles are termed primary particles. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 3.4] |
| aggregate |
| particle comprising strongly bonded or fused particles where the resulting external surface area is significantly smaller than the sum of surface areas of the individual components |
Note 1 to entry The forces holding an aggregate together are strong forces, for example covalent or ionic bonds, or those resulting from sintering or complex physical entanglement, or otherwise combined former primary particles. |
Note 2 to entry Aggregates are also termed secondary particles and the original source particles are termed primary particles. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-2:2015, 3.5] |
Many nano-objects tend to combine into larger particles, which are known as either agglomerates or aggregates (see Figure 4).
The difference between agglomerate and aggregate is based on the strength of the bonding between constituent nano-objects. An aggregate of nano-objects is essentially a discrete nanostructured particle and it is virtually impossible to release its constituent nano-objects without fracturing the component material. However, an agglomerate can more easily release its constituent nano-objects because of its relatively weaker bonding. It is the number of weaker bonds in agglomerates that determine the ability to release the constituent nano-objects. Agglomerates can be made up of nano-objects or aggregates of nano-objects (see Figure 4).
The size of an aggregate or agglomerate can be larger than the nanoscale.
When nano-objects are introduced into a medium they can naturally agglomerate or aggregate. For example, commercially available nanomaterial powders are usually in the form of aggregates or agglomerates.
Figure 4—Nano-objects, and their agglomerates and aggregates
| Nano-object (if less than 100 nm in size), or particle | Joined constitutent | |
| Constituent nano-objects in an agglomerate | Combination of constituent nano-objects and aggregates |
Key
| 1 | aggregate |
| 2 | constituent nano-object |
4.3.4 Nano-enabled, nano-enhanced
ISO definitions:
| nano-enabled |
| exhibiting function or performance only possible with nanotechnology |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.15] |
| nano-enhanced |
| exhibiting function or performance intensified or improved by nanotechnology |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-1:2015, 2.16] |
Nanomaterials are typically used to achieve new or improved functionality of a process or product. “Nano-enabled” or “nano-enhanced” describe devices or systems that utilize some aspect of nanotechnology to create or enhance functionality. “Nano-enabled” refers to functionality that is not possible without nanotechnology whereas “nano-enhanced” refers to the improvement of an existing function.
Examples of products that can be nano-enabled or nano-enhanced include:
- self-cleaning reflectors, glass and other surfaces (e.g. concrete);
- self-healing or repairing (e.g. car paints);
- food – production, processing, packaging, quality control and distribution;
- pharmaceuticals, e.g. drug diagnostics and delivery;
- medical devices, e.g. rapid HIV testing devices;
- sporting goods, e.g. lightweight bicycle frames with increased strength-to-weight ratios;
- energy production, e.g. nanostructured organic solar cells;
- abrasion-resistant finishing board using cellulose nanomaterials;
- lubricants and filters; and
- water purifying membranes.
Processes or services, such as catalysis, water filters or electronics (e.g. GPS navigation) can also be enhanced or enabled by the use of nanotechnology.
4.4 Nanocomposites
ISO definitions:
| nanocomposite |
| solid comprising a mixture of two or more phase-separated materials, one or more being nanophase |
Note 1 to entry Gaseous nanophases are excluded (treated in the category nanoporous material). |
Note 2 to entry Materials with nanoscale phases formed by precipitation alone are not considered to be nanocomposite materials. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-4:2011, 3.2] |
| nanophase |
| physically or chemically distinct region or collective term for physically distinct regions of the same kind in a material with the discrete regions having one, two or three dimensions in the nanoscale |
Note 1 to entry Nano-objects embedded in another phase constitute a nanophase. |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-4:2011, 2.12] |
Composite materials are common in industry, including nanocomposites where nano-objects form one or more phases of the composite. Materials composing the matrix could be a different chemical composition or material phase.
Examples include:
- a polymer matrix containing nanoparticles added to improve strength, e.g. tyres;
- concrete incorporating carbon nano-objects in order to improve toughness; and
- electronic memory made of magnetic wires inside anodic alumina matrix.
4.5 Nanolayers, nanocoatings and nanofilms
ISO definitions:
| nanolayer |
| layer of material with thickness in the nanoscale |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.1] |
| nanocoating |
| coating with thickness in the nanoscale |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.2] |
| nanofilm |
| film with thickness in the nanoscale |
Note 1 to entry A nanofilm is a nanolayer which can be freestanding. |
Note 2 to entry A nanofilm can be made of solids or liquids (e.g. liquid film). |
Note 3 to entry A nanofilm can be composed of a monomolecular layer (e.g. Langmuir-Blodgett film). |
| [SOURCE: ISO/TS 80004-11:2017, 3.2.3] |
Ordered structures such as films and layers are useful for a number of purposes, e.g. food packaging which can include layers to prevent oxidation, ink migration as well as enhance shelf-life and other quality attributes. There can be many layers with individual layer thicknesses of just a few nanometres. Nanostructured surfaces have been developed where a patterned structure on the surface of a component can have a major influence on function including self-cleaning, friction and optical properties.
A nanofilm is a layer with a thickness in the nanoscale, which can exist on its own as a single unit and can be flexible or rigid. A nanocoating exists only in combination with its substrate; it cannot have an independent existence. All are layers in the common use of the word. The terms “foil”, “sheet” and “film” are sometimes used interchangeably. A membrane is a film separating two phases.
Examples include:
- anti-reflection layers that can enhance a spectacle lens;
- nanocoatings on pharmaceutical products to regulate dissolution;
- enhanced mechanical properties such as hardness;
- coatings to control heat loss through windows;
- ceramic coatings for wear resistance;
- coated dental implants; coated hip replacements for increased lifespan; and
- anti-slip surfaces made by texturing the surface.
Bibliography
| [1] | www.nano.gov |
| [2] | Feynman, R.P., 'There's Plenty of Room at the Bottom'. Engineering and Science, February 1960 p 22-36 |
| [3] | Richard Feynman, “Tiny Machines” Nanotechnology Lecture, 1984 California Institute of Technology http://www.youtube.com/watch?v=4eRCygdW--c |
| [4] | https://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology |