Con la nanotecnologia, una grande serie di materiali e prodotti perfezionati fanno assegnamento al mutamento delle proprietà fisiche quando le loro dimensioni sono ridotte. Le nanoparticelle per esempio traggono vantaggio dal loro drastico aumento dell'area di superficie in rapporto al volume. Le loro proprietà ottiche, per es. la fluorescenza, diventano una funzione del diametro della particella. Portate in un materiale grossolano, le nanoparticelle possono influenzare fortemente le proprietà meccaniche del materiale, come la rigidità o l'elasticità. Per esempio, i polimeri tradizionali possono essere rinforzati con nanoparticelle facendo sì che i nuovi materiali possano essere utilizzati come ricambi leggeri (in peso) per metalli. Tali materiali nanotecnologicamente potenziati consentono una riduzione di peso accompagnata da un aumento della stabilità e una funzionalità migliorata. Trattandosi di materiali nuovi, possono presentare alcune criticità a livelli di impatto ambientale e tossicologico non ancora adeguatamente testati. Tra le molte applicazioni della nanotecnologia ne mostreremo alcune.

Medicina

I gruppi di ricerca medica e biologica hanno sfruttato le proprietà uniche dei nanomateriali per varie applicazioni (per es., agenti di contrasti per imaging cellulare e terapeutica per il trattamento del cancro). Termini come nanotecnologia biomedica, nanobiotecnologia, e nanomedicina sono usati per descrivere questo campo ibrido. Possono essere aggiunte delle funzionalità ai nanomateriali per interfacciarli con molecole o strutture biologiche. La dimensione dei nanomateriali è simile a quella della maggior parte delle molecole e strutture biologiche; dunque, i nanomateriali possono essere utili nel campo della ricerca e delle applicazioni biomedicali, sia in vivo che in vitro. In questo modo, l'integrazione di nanomateriali con la biologia ha portato allo sviluppo di apparecchiature diagnostiche, agenti di contrasto, strumenti analitici, applicazioni per terapia fisica e veicoli di somministrazione farmacologica.

Diagnostica La nanotecnologia su un chip (nanotechnology-on-a-chip) è una dimensione in più della tecnologia lab-on-a-chip. Le particelle magnetiche, limite per un adeguato anticorpo, vengono utilizzate per classificare molecole specifiche, strutture o microrganismi. Le nanoparticelle d'oro legate a piccoli segmenti di DNA possono essere usate per il rilevamento della sequenza genetica in un campione. Le campionature di codificazione ottica multicolori sono state realizzate tramite l'immersione di punti quantici di differenti dimensioni in microgranuli (microbeads) di polimeri. La tecnologia dei nanopori per l'analisi degli acidi nucleici converte filamenti di nucleotidi direttamente in firme (signatures) elettroniche.

Somministrazione farmacologica La nanotecnologia ha rappresentato un boom nel campo della medicina consentendo di somministrare farmaci a cellule specifiche usando nanoparticelle. Il consumo massiccio di farmaco e i suoi effetti collaterali possono essere ridotti significativamente depositando l'agente attivo soltanto nella regione malata senza la necessità di una dose più elevata. Questo approccio altamente selettivo riduce i costi e la sofferenza umana. Un esempio può essere trovato nei dendrimeri e materiali nanoporosi. Un altro esempio è l'utilizzo di copolimeri a blocchi, i quali formano micelle per l'incapsulamento del farmaco,, che trasportano piccole molecole di farmaco nella posizione desiderata. Un'altra intuizione si basa su piccoli sistemi elettromeccanici, NEMS (nanoelectromechanical systems), che permetterebbero il rilascio attivo di farmaci. Alcune applicazioni potenzialmente importanti comprendono il trattamento del cancro con nanoparticelle di gusci di ferro o oro. Una medicina personalizzata o mirata riduce il consumo di farmaco e le spese del trattamento, risultato di certo benefico per l'intera società che ridurrebbe così i costi della spesa per la salute pubblica. La nanotecnologia viene a favorire anche nuove opportunità nei sistemi di somministrazione impiantabili (implantable delivery systems), spesso preferibili all'uso di farmaci iniettabili, perché questi mostrano frequentemente una cinetica di prim'ordine (la concentrazione di sangue sale rapidamente, ma si abbassa esponenzialmente con il tempo). Questo rapido innalzamento può causare difficoltà con la tossicità e l'efficacia del farmaco può diminuire come la sua concentrazione precipita al di sotto del livello a cui si era mirato.

Ingegneria tissutale La nanotecnologia può aiutare a riprodurre o riparare tessuti danneggiati. L'“Ingegneria tissutale” fa uso della proliferazione cellulare stimolata artificialmente usando appropriati ponteggi (scaffolds) basati su nanomateriale e fattori di crescita. L'Ingegneria tissutale potrebbe rimpiazzare i trattamenti convenzionali di oggi, come trapianti di organi o impianti artificiali. Forme avanzate di ingegneria tissutale possono condurre a un prolungamento della vita.

Per pazienti con insufficienza dell'organo allo stadio finale, non vi possono essere cellule abbastanza salutari per l'espansione e il trapianto nell'ECM (ExtraCellular Matrix). In questo caso, necessitano cellule staminali pluripotenti. Una fonte potenziale per queste cellule sono l'iPS (induced Pluripontent Stem cells), cellule staminali pluripotenti indotte, ovvero cellule ordinarie provenienti dal corpo degli stessi pazienti che sono riprogrammate dentro uno stato pluripotente, avendo il vantaggio di evitare il rigetto (e le complicazioni che potenzialmente minacciano la vita associate a trattamenti immunosoppressivi). Un'altra fonte potenziale di cellule proviene dagli embrioni, ma questo ha due svantaggi:1) Si richiede che si risolva il problema della clonazione, tecnicamente molto difficile (specialmente per prevenire anormalità). 2) Si richiede la raccolta di embrioni. Dato che ognuno di noi fu una volta un embrione, questa fonte - dichiara qualcuno - resta eticamente problematica.

Chimica e ambiente La catalisi chimica e le tecniche di filtrazione sono due esempi notevoli dove la nanotecnologia gioca sempre un ruolo. La sintesi fornisce nuovi materiali con caratteristiche e proprietà chimiche adeguate: per esempio, le nanoparticelle con un tipico ambiente (leganti), o specifiche proprietà ottiche. In questo senso, la chimica è invero una nanoscienza fondamentale. In un certo senso, tutte le sintesi chimiche possono essere comprese in termini di nanotecnologia, a causa della sua capacità di fabbricare alcune molecole. Perciò, la chimica forma una base per la nanotecnologia che fornisce molecole fatte su misura, polimeri, eccetera, come pure cluster e nanoparticelle.

Catalisi La catalisi chimica trae vantaggio specialmente dalle nanoparticelle, a causa della superficie estremamente grande in rapporto al volume. L'applicazione potenziale di nanoparticelle in catalisi va dalla pila a combustibile ai convertitori catalitici e ai dispositivi fotocatalitici. La catalisi è importante anche per la produzione di sostanze chimiche.

Si sta pensando adesso di utilizzare le nanoparticelle di platino nella prossima generazione di convertitori catalitici in campo automobilistico perché l'area di superficie più alta di nanoparticelle potrebbe ridurre la quantità di platino richiesto. Tuttavia, alcune preoccupazioni sono state sollevate a causa di esperimenti che dimostrano che brucerebbero spontaneamente se il metano venisse a mischiarsi con l'aria dell'ambiente. Una ricerca in corso al Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia potrebbe dimostrare il loro vero vantaggio nelle applicazioni catalitiche.

Filtrazione

La nanofiltrazione può diventare un'applicazione importante, sebbene la ricerca futura debba stare attenta a vagliare la possibile tossicità.Hillie Thembela e Mbhuti conformemente a Sunil [affermano che] questo metodo di catalisi sicuramente migliorerà le prestazioni della vecchia catalisi methodsHlophe.

Ci si aspetta una forte influenza della nanochimica sul trattamento di acque sporche, purificazione dell'aria, e dispositivi di immagazzinamento di energia. Metodi chimici o meccanici possono essere utilizzati per tecniche di filtrazione efficace. Una classe di tecniche di filtrazione è basata sull'utilizzo di membrane con fori di dimensione adatta, per cui il liquido viene compresso attraverso la membrana. Le membrane nanoporose sono adatte per una filtrazione meccanica con pori estremamente più piccoli di 10 nm (“nanofiltrazione”) e possono essere composte di nanotubi. La nanofiltrazione è utilizzata principalmente per la rimozione di ioni o la separazione di fluidi differenti. Su una larga scala, la tecnica di filtrazione a membrana viene chiamata ultrafiltrazione, che lavora tra 10 e 100 nm. Un importante campo di applicazione per l'ultrafiltrazione è quello della medicina, come per esempio nella dialisi renale. Le nanoparticelle magnetiche offrono un metodo efficace e affidabile per rimuovere gli inquinanti di metalli pesanti dalle acque sporche facendo uso di tecniche di separazione magnetica. Usando particelle in nanoscala aumenta l'efficienza di assorbimento degli inquinanti ed è relativamente poco costoso in confronto ai metodi filtrazione e precipitazione tradizionali.

Alcune apparecchiature per il trattamento delle acque che includono la nanotecnologia sono già sul mercato, oltre che in fase di sviluppo. In un recente studio, i metodi a membrane di separazione nanostrutturate a basso costo si sono dimostrate efficaci nella produzione di acqua potabile.

Energia

I progetti più avanzati della nanotecnologia relativi all'energia sono: immagazzinamento, conversione, miglioramenti della produzione riducendo materiali e i prezzi del processo, risparmiare energia (tramite un migliore isolamento termico per esempio), e accrescere le fonti di energia rinnovabile.

Riduzione del consumo di energia Una riduzione del consumo di energia può essere ottenuta tramite migliori sistemi di isolamento, con l'utilizzo di un impianto di illuminazione più efficiente o sistemi di combustione, e dall'uso di materiali più leggeri e più forti nel settore del trasporto. Attualmente le lampadine usate convertono approssimativamente solo il 5% dell'energia elettrica in luce. Gli approcci nanotecnologici come i diodi ad emissione luminosa (LED) o gli atomi quantici imprigionati (QCA,Quantum Caged Atoms) condurrebbero a una forte riduzione di consumo di energia per illuminazione.

Incrementare l'efficienza della produzione di energia Le migliori celle solari oggi hanno strati di svariati e diversi semiconduttori accatastati insieme per assorbire luce a energie differenti, ma arrivano a gestire soltanto il 40% dell'energia solare. Commercialmente le celle solari disponibili hanno efficienza molto più bassa (15-20%). La nanotecnologia potrebbe aiutare ad aumentare l'efficienza della conversione di luce utilizzando nanostrutture con un continuum di bande proibite.

Il grado di efficienza del motore a combustione interna è di circa il 30-40% attualmente. La nanotecnologia potrebbe migliorare la combustione progettando specifici catalizzatori con un'area di superficie massimizzata. Nel 2005, gli scienziati all'Università di Toronto svilupparono uno spray di una sostanza a base di nanoparticelle che, quando applicata su una superficie, la trasforma istantaneamente in un collettore solare.

L'uso di sistemi di energia più ecocompatibili