[論文レビュー] Nanotechnology: The New Features

Gang Wang|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2018

Quantum-Dot Cellular AutomataComputer Science参考文献 90被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、ナノスケールの物理、ナノ材料、ナノデバイスに焦点を当て、カーボンナノチューブ、ナノセンサー、ナノ回路を特に強調して、ナノテクノロジーの新規特徴に関する包括的なサーベイを提供する。ナノアーキテクトニクスを機能的ナノシステムを設計するフレームワークとして導入し、持続可能な開発のためのグリーンナノテクノロジーを強調するとともに、毒性に関する懸念や商業化・安全性における今後の課題にも言及する。

ABSTRACT

Nanotechnologies are attracting increasing investments from both governments and industries around the world, which offers great opportunities to explore the new emerging nanodevices, such as the Carbon Nanotube and Nanosensors. This technique exploits the specific properties which arise from structure at a scale characterized by the interplay of classical physics and quantum mechanics. It is difficult to predict these properties a priori according to traditional technologies. Nanotechnologies will be one of the next promising trends after MOS technologies. However, there has been much hype around nanotechnology, both by those who want to promote it and those who have fears about its potentials. This paper gives a deep survey regarding different aspects of the new nanotechnologies, such as materials, physics, and semiconductors respectively, followed by an introduction of several state-of-the-art nanodevices and then new nanotechnology features. Since little research has been carried out on the toxicity of manufactured nanoparticles and nanotubes, this paper also discusses several problems in the nanotechnology area and gives constructive suggestions and predictions.

研究の動機と目的

• 1〜100 nmのスケールにおけるナノテクノロジーの基本的原則および新規特徴を分析すること。
• ナノスケールの構成要素を制御された相互作用を通じて組み合わせることで、ナノアーキテクトニクスを用いて機能的システムにナノスケールの材料とデバイスを統合すること。
• カーボンナノチューブ、ナノセンサー、ナノ回路を含む最新のナノデバイスを検討すること。
• ナノ材料の環境的・健康的影響を評価し、グリーンナノテクノロジーのアプローチを提唱すること。
• 毒性、スケーラビリティ、標準化などのナノテクノロジー開発における主な課題を特定し、建設的な提言を提示すること。

提案手法

• 1〜100 nmのスケールにおける古典的および量子的物理の相互作用から生じるナノスケール現象をサーベイすること。
• ナノスケールのユニットを制御された相互作用を通じて機能的システムに組み立てる設計手法として、ナノアーキテクトニクスを導入すること。
• ナノワイヤ、単電子トランジスタ、量子ドットセルフアービット（QCA）に基づくナノ回路を分析し、シリコン貫通ビア（TSVs）を用いた3次元統合回路に焦点を当てる。
• ライフサイクル分析を通じてグリーンナノテクノロジーを評価し、持続可能な設計、再生可能素材、低環境影響製造を強調すること。
• 環境的および健康的リスクを最小限に抑えるために、グリーンケミストリーおよびエンジニアリングの原則をナノ材料の製造および廃棄段階の管理に適用すること。
• エネルギー効率の高い分離および汚染浄化に効果的な、効率的な触媒およびナノスケール膜としてのナノ材料を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1〜100 nmのスケールで量子効果がもたらす、特異な物理的・化学的・生物学的性質は何か？
• RQ2 ナノスケールの構造的ユニットの制御された相互作用を通じて、ナノアーキテクトニクスはどのように新しい機能を実現できるか？
• RQ3 特にTSVsを用いた3次元統合回路を用いたナノ回路の開発における主な課題と機会は何か？
• RQ4 グリーンナノテクノロジーの原則は、ナノ材料のライフサイクル全体にわたり、環境的および健康的リスクを最小限に抑えるためにどのように応用できるか？
• RQ5 現在のところ、合成ナノ粒子およびナノチューブの毒性に関する理解のギャップは何か、そしてそれらはどのように埋め合わせられるか？

主な発見

• ナノテクノロジーは、1〜100 nmのスケールにおける量子現象を利用することで、バルク材料に見られない独自の機能を有する新規材料およびデバイスの開発を可能にする。
• ナノアーキテクトニクスは、ナノスケールの構成要素の制御された配置を通じて、機能的ナノシステムを設計する体系的なフレームワークを提供し、集団的相互作用から生じる発現的性質を可能にする。
• ナノワイヤ、量子ドット、3次元ICアーキテクチャに基づくナノ回路は、高性能で低消費電力の電子機器に有望であるが、出荷率、コスト、標準化の面で課題が残っている。
• 高比表面積を有するナノ触媒やナノスケール膜を含むグリーンナノテクノロジーの応用は、化学プロセスにおけるエネルギー効率の向上と環境影響の低減に顕著に寄与する。
• 再生可能素材の使用、非毒性副産物、漏れのないコーティングを用いた持続可能なナノ材料の設計は、長期的な環境的および健康的リスクを低減する。
• 顕著な可能性を有する一方で、エンジニアリングナノ粒子およびカーボンナノチューブの長期的毒性は依然として十分に理解されておらず、前向きな安全性研究およびライフサイクルベースのリスクアセスメントの実施が不可欠である。