An Introduction toNanotechnology

by Ignition Technology Consulting

About the Authors

Ignition Technology Consulting provides technical

advice, services and solutions to promote commercial

success.  Our science and engineering skills are

used by multi­national companies, start­ups and

investment firms in the pursuit of improved growth,

profit and returns.

This guide is part of our Technical Intelligence

series. Further information can be provided on

request:  intell@ignitiontechnologyconsulting.com

www.ignitiontechnologyconsulting.com

Nanotechnology has been a technology buzzword for the last decade:  Its

revolutionary potential is enormous, yet the range of technologies and applications

that are classed as nano can make it hard for the non­expert to get an

understanding of what nanotechnology is and how it could benefit them.  Read on

for a beginner’s guide to nanotechnology:

Getting Started in Nanotechnology

What is Nanotechnology?

Nanotechnology is the catchall term for

technical solutions that rely on structures

that are below 100 nano­meters in size

and the special phenomena that arise at

this scale.  It also encompasses

technology for imaging, measuring,

modelling and manipulating matter at

this scale.

Why now?

Nanotechnology has risen to

prominence over the last 30 years on

the back of significant developments in

microscopy which have enabled

scientists and technologists to observe

and manipulate things at the

nano­scale.

Why is it so exciting?

Nano­materials and structures exhibit very different characteristics to larger things

and have unusual properties and functionality as a result.  Two phenomena are

responsible for these unusual properties:

•    The isolation of quantum effects resulting in changes to optical, magnetic and 

electrical properties.

•    The presence of disproportionately large surface areas resulting in greater

chemical reactivity and changes to strength, electrical and thermal properties.

Consequently metals can be made transparent, stable materials become catalytic,

materials can become super­strong and insulators can become super­conductive

(to give just a few examples).

Jargon Buster

Nano

Nano refers to the nanometre scale.  There are 1 billion nano­metres (nm) in a

metre, and the average human hair is about 100,000 nm wide.  A good way of

conceptualising this scale is provided by the US Government’s National

Nanotechnology Initiative.

Graphene

Graphene is a two­dimensional

material  (only one atom thick) which

was first isolated in a lab in 2004. It is

over 200 times stronger than steel,

ultra heat and electrically conductive,

virtually transparent, flexible and only

permeable to water.  These properties

mean it could be integral to a huge

variety of revolutionary applications.

Graphene was the first 2D­crystalline

structure identified, but various others

have been proposed by researchers

(e.g. silicone, germanene, stanene,

and phosphorene) which may also

have various super­properties which

would be of particular interest because

they could behave as semi­conductors.

Carbon Nano-Tubes (CNTs)

Carbon Nano­Tubes are tubular

carbon­allotrope based materials (in

fact made from rolled graphene) where

the diameter of the tubes is

nano­scale.  They were first identified

in 1991.  They can be single walled or

multi­walled tubes with varying length

scales.  They are extremely strong,

highly electrically conductive (being

either metallic or a semi­conductor)

and are very flexible.  They also have

unique chemical properties which can

be tuned according to use.

CNTs  are already available in bulk

quantities, although it is still not

possible to manufacture tubes of a

highly consistent size which limits their

application.

Various other inorganic nano­tubes

have also been identified which have

different enhanced properties.

Nano-particles

Nano­particles are generally defined

as being particles less than 100nm in

diameter and they exhibit different

properties to larger particles of the

same material.  By mixing

nano­particles into other conventional

bulk materials, new improved

properties can be conferred upon the

bulk material.  In this way

nano­particulates are already in quite

widespread use in various

applications.

Quantum (or nano-) dots

A quantum dot (or nano­dot) is a

crystal particle of a semi­conductor

material generally only a few

nano­meters in diameter which owing

to its tiny scale is strongly influenced

by quantum effects determining its

electrical and optical properties.

 These properties could make them

useful for screen, imaging and

anti­counterfeiting technologies.

Nano­dots and nano­particles can

assemble into so­called nano­wires

which can also confer special

properties to materials.

Some nanotechnology applications and products have been on the market for some

time but the truly revolutionary stuff is still in the future.  Some people predict that

nano­materials such as graphene will unleash a new industrial revolution, but with

many challenges still to overcome before these technologies become main­stream

this revolution is still a long way off.

When will nanotechnology change the world?

First wave

Existing products and applications usually rely on nano­composites and are first

wave nano­technology.  By mixing nano­particles into conventional bulk materials

(such as polymers or metals) it is possible to dramatically change the bulk

material’s properties.  Sometimes these materials are used as thin coatings. For

example titanium dioxide nano­particles are routinely put into sunscreen emulsions

to provide a transparent UV barrier.  Other widely used nano­particulates include

nano­clays, metals such as gold and silver as well as the slightly less widely used

quantum dots and Carbon Nano­Tubes (CNTs).  A handful of products have also

been launched which use graphene based particles.

More first wave products are likely to emerge when the quality of nano­particles

(which act as fillers) can be made more consistently and at a much lower cost than

today.

Second wave

The next generation of nanotechnology applications will see more revolutionary

functionality which will rely on components made directly from nano­materials

(rather than mixing nano­particulates or nano­tubes into bulk materials).  For

example these applications might use sheets of graphene (perhaps bound within

other laminate materials) or organised Carbon Nano­Tubes bound to a surface or

woven into a yarn or sheet.  These components will offer new enhanced properties

and revolutionary applications.

CNTs might be designed to give them specific functionality.  For example, other

functionalised molecules (such as drugs) could be encapsulated within or bonded

to the tubes and delivered to highly targeted sites.

Scientists are also predicting the existence of 2­dimensional materials other than

graphene.  These alternative materials are currently being researched and include

for example; silicone; germanene; stanene and phosphorene.  If it is possible to

manufacture these materials consistently and cost effectively they might unlock

more revolutionary applications.

There are many second wave applications being researched in laboratories

around the world, but as yet no commercially available second wave products.

Before second wave products can truly breakthrough, bulk production processes

will need to improve, manufacturing supply chains will need to develop capabilities

to handle and manipulate the new materials and costs will need to align with

market requirements.  Significant research and development efforts are being

made to address all these challenges.  The proliferation of second wave products

and applications could be the start of the forecast nanotechnology industrial

revolution.  Based on current progress it seems likely that this is at least 10 years

away.

Third wave

In the future, a third generation of nano­technology is forecast which will emerge

based on highly controlled manipulation of materials at the nano­scale.  In this

scenario devices might be designed from molecular scale building blocks creating

nano­scale devices.  This may be considered an evolution of the emergence of

MEMs (Micro­Electromechanical systems) which are miniaturised devices that

feature tiny sensors, valves, gears and actuators integrated into single computer

chips.  The new devices will be known as NEMs (Nano­Electromechanical

systems).  More complex devices are sometimes conceptualised as nano­robots

which might be used in all manner of ways.  In a more futuristic scenario

components of or even whole devices might be capable of self­assembly.  This

possibility is currently known as Molecular Manufacturing and is a growing field of

research alongside molecular electronics.

The list of potential applications is infinitely long as nanotechnology super materials

might eventually be incorporated into virtually any object or product.  Below we

identify some of the existing applications of nanotechnology and show some of the

more exciting potential applications expected to appear in the future.

Applications

Nano­particles of

Titanium Dioxide are

regularly used in

sunscreen to provide

transparent UV

protection.

Personal Care

Silver nano­particles are

being used in soaps,

lipsticks and other beauty

products to provide

anti­bacterial properties.  

Toothpastes are on sale in various countries containing a

variety of nano­particles which confer antibacterial,

whitening and sensitivity reduction benefits.

 

Moisturisers boasting liposomes are effectively benefiting from

nano­ingredients.  They are usually used to encapsulate

moisture and to penetrate deeper within skin tissue.  Nano­gold

is reportedly being used in moisturisers for its alleged

anti­oxidant and healing properties.

 

Household Care

Various anti­bacterial

cleaning products are

emerging which contain

nano­particles.

Various surface coatings

containing

nano­particulates and

CNTs give products

water repellancy and

self­cleaning properties.

Anti­microbial coatings

featuring silver

nano­particles are already in

use on food contact

surfaces such as chopping

boards.

Food & Nutrition

Nano­particles are starting to be used in various plastic food packaging

materials  to extend product life by improving barrier and anti­microbial

properties.

In future, simple low cost nano­sensors will be used to monitor

exposure conditions  (temperature and humidity) and detect when food

is rotten.

Nano­additives are already

being used in various

products to improve

emulsification and as

flavour enhancers.

In future

nano­ingredients

might provide healthy

replacements to

traditional

ingredients.

 

Researchers propose that

in future

nano­encapsulation of

nutrients and additives

might improve biological

take­up within the body.

 

 Advanced Materials

Nano­composites (based on particles and fibres) are already being

used to coat materials to give them water­ or dirt­repellancy and

flame or chemical retardency and anti­bacterial properties.  In the

future more sophisticated materials should facilitate other smart

fabrics.  

Ultra­strong, lightweight components made

from nano­composites are already appearing

in vehicles and aircraft (in polymers, steels

and glass) and as second wave materials

become commercially viable, we can expect

to see more and more components made

from nano­materials.

Low energy water purification:  Various nano­composites  and

nano­materials make particularly effective water purification membranes

(e.g. graphene is only permeable to water) suggesting there will be many

novel water purification technologies and new desalination systems.

Environmental Protection

Functionalised nano­particles and materials can be tuned to attract specific

compounds and might be used for environmental remediation for example

mopping up oil and other pollutant spills.

Various nano­materials

might be used to capture

carbon and pollution.

The same types of devices could also be used for air purification and

pollution capture.

Themo­electric

nanomaterials might

faciliate waste heat

regeneration in industrial

processes.

Buildings & Construction

Nano­particulates are already widely used in paints and surface coatings

to provide self­cleaning and biocidal properties.  As costs come down,

and more sophisticated nano­materials become commercially viable

more widespread use in construction materials is expected for improved

strength, crack resistance, and durability and  to confer self­healing and

insulation properties.  It should also be possible to reduce the amount of

raw material required for a given application and reduce energy required

for production.

Researchers have demonstrated that various nano­materials (e.g. CNTs,

nano­dots and graphene) could improve the performance of solar cells  in a

variety of ways.  For example by improved electrode conductivity,

transparent electrode designs in polymer cells, trapping more sunlight and

as photo­electric materials.

Energy Systems

CNTs are already being used on a limited scale to

 enable faster charging and improved battery life. 

It is forecast that using nano­materials and

composites in batteries could deliver breathroughs in

size, weight and performance to enable the wide­scale

take up of electric cars and dramatically improve

battery performance in general.

Nano­materials could be used to make fuel cells more viable by improving

electrode and membrane performance, making containing walls more

gas­tight, storing hydrogen and improving catalysts used for fuel production.

Electronics

CNTs are already being used to increase the energy storage capacity of

capacitors.  Further improvements are predicted as nano­materials mature.

Nanomaterials are expected to be widely used in screen technology.  CNTs

are already being used within ultra­thin, low power OLED displays, but a

whole new class of displays known as Field Emission Displays could be the

future for large area, high definition, low cost screens.  They capitalise on the

photo­luminescent properties of CNTs.  Nano­materials could also replace

INT currently used as the transparent electrodes for touch screens.

Nano­particulates are already

used to reduce the size and

improve the performance of

various computer chips and

components.  In future a variety of

nano­materials will yield yet more

improvements facilitating

extremely small, high power

devices.

Nano­wires and

materials are being

demonstrated as part of

thin, flexible electronic

components.

Nano­scale barcodes can be printed on bank notes (and other items) to

create a covert authentication mark.

Anti-Counterfeit Solutions

Nano fingerprinting is already possible by creating unique markers

using nano­particulate based coatings.

Individual RFID tags have nano­scale variations which could be

detected and identified during data reading tasks.

Laser surface authentication allows objects/materials to be

recognised by scanning their unique nano­surface structures.

Sensors

Various nano­materials change their properties in the presence of very small

quantities of other molecules.   This, combined with nano­innovation in

electronics, should lead to a profusion of small, low­cost, ultra­sensitive

sensors tuned to detect all manner of different substances.

In the future, specialised drugs could be encapsulated or attached to

nano­carriers which are designed to travel to specifically targeted cells and

are unloaded by a controlled trigger. 

Medical Technology

Nano­sctructured scaffolds show promise for better and faster bone

and tissue regeneration.

Extremely small and highly sensitive sensors based on many different

functionalised nano­particles could be tuned to respond to the presence

of specific bio­molecules as part of small­scale diagnostic devices used

in surgeries or even within the body.

Nano-robots (NEMS)

High resolution imaging should be possible by deploying highly

targeted nano­compounds to act as tracers within the body.

 

Much further in the future, ultra small robotic devices which might

self­assemble or be made from ultra small components could be

used in a huge variety of ways which would need to be carefully

controlled from an ethical standpoint. For example, in­vivo medical

robots might be a good thing but similar robots deployed as part of

biological warfare could be extremely problematic.

At the current time the major barriers to uptake of nanotechnology are an absence

of manufacturing capability and prohibitively high costs.  Some nano­materials such

as Carbon Nano­Tubes are available in bulk already, but they remain expensive

and more research and development is required to develop capabilities for

manufacturing­scale manipulation to make the most of their potential in real­world

products.  Furthermore, manufacturers still find it difficult to control the quality of

CNTs which also restricts their application.  Meanwhile no cost­effective industrial

scale graphene production method has yet been implemented.

A further barrier is the safety risks inherent in handling the materials.  This could

further limit the emergence of nano­applications and products.  The mobility and

reactivity of nano­materials means their free release into the environment or

people’s bodies can be extremely hazardous.  Regulations and protocols to mitigate

these risks will be needed. 

Barriers to adoption of nanotechnology

Here are a few websites which provide easily accessible further reading:

http://www.nano.gov

http://www.nanowerk.com

http://www.understandingnano.com/introduction.html

More in depth information from these publications:

http://www.azonano.com

ACS Nano (journal)

Journal of Nanoscience and Nanotechnology (journal)

Nanotechnology (journal)

Nano Letters (journal)

Further reading

What next?

Looking for an introduction to another topic?  Tell us what you need...

Need more help?  We can provide:

•    Live or video presentation of this guide

•    More in depth information about nanotechnology

•    Support for you nanotechnology new product development

•    Access to nanotechnology experts and researchers

intell@ignitiontechnologyconsulting.com

www.ignitiontechnologyconsulting.com

Contact us

Copyright © 2015 Ignition Technology Consulting Ltd. All rights reserved.