Благодаря уникальным оптическим и динамическим свойствам наночастицы и наноматериалы находят применение в различных областях – в оптике, электронике, фотокатализе, химическом познании, фотоэлектрохимии, преобразовании солнечной энергии, биомедицинском детектировании и терапии, охране окружающей среды. В основе этих применений лежат такие свойства наноматериалов, как размеры, сравнимые с длиной рассеяния, что значительно уменьшает скорость рассеяния и увеличивает эффективность сбора носителей заряда; сильное оптическое поглощение и возможность перестраивать полосу поглощения за счет изменения размера наночастиц в нужную область и тем самым покрывать весь солнечный спектр; возможность модифицировать и изменять поверхность частиц для специфических приложений; способность наночастиц легко интегрироваться в большие и сложные системы. Основанные на наночастицах устройства можно создавать на гибких подложках, и они могут быть очень легкими и сравнительно недорогими.
В ряде специфических приложений наноматериалы имеют и ограничения. В частности, большая площадь поверхности делает их уязвимыми с точки зрения поверхностных дефектов и акцепторных состояний, которые негативно сказываются на их оптических и других свойствах. Этот же факт является причиной высокой реакционной способности наночастиц из-за большого числа свободных связей. Даже в тщательно изготовленных образцах высокого качества плотность акцепторных состояний обычно намного больше, чем в объемных материалах, а это приводит к малой подвижности носителей заряда, что нежелательно для применений, в которых требуется эффективный транспорт носителей. Некоторые из этих ограничений можно преодолеть за счет тщательного дизайна и инженерии всех элементов создаваемого устройства. Ниже рассматриваются некоторые актуальные применения наночастиц, наноматериалов м наноструктур. Ряд применений иллюстрирует рис. 9, где
Рис. 9. Длины волн флуоресценции типичных полупроводниковых
квантовых точек и области их применения в биологии.
приведены длины волн флуоресценции типичных полупроводниковых квантовых точек и области их использования в биологии. Специфические материалы, используемые для создания магнитных квантовых точек, показаны на вставке. FRET – ферстеровская (флуоресцентная) резонансная передача энергии.
Преобразователи энергии. Одним из наиболее перспективных применений оптических свойств наноматериалов является преобразование солнечной энергии в электрическую или химическую энергию, например, использование солнечной энергии в процессах получения водорода. Сенсибилизированные красителем солнечные батареи привлекают большое внимание с момента первого сообщения в 1991 году о достигнутой эффективности преобразования около 12 %. Основные используемые для солнечных батарей материалы включают полупроводниковые наноструктурные материалы, нанотрубки (в том числе углеродные нанотрубки), нанопроволоки, различного типа квантовые точки, металлические наночастицы, фуллерены. Все эти наноматериалы характеризуются квантоворазмерными эффектами и уникальными оптоэлектронными свойствами, что делает их подходящими для разработки фотоэлектрических элементов.
В настоящее время наилучшие солнечные элементы имеют эффективность преобразования на уровне 20 – 25 %. При разработке солнечных элементов наиболее широко применяются широкозонные наночастицы 
и 
(ширина запрещенной зоны ~ 3,2 и ~ 3,4 эВ соответственно), а также углеродные нанотрубки и фуллерены. В комбинации с используются также наночастицы 
и 
. Однослойные и многослойные углеродные нанотрубки привлекают большое внимание в связи с возможностью улучшения многих характеристик органических солнечных элементов благодаря уникальной структуре и высокой электропроводности, а также высокой механической прочности. Большое сродство к электрону делает их прекрасными материалами для коллекторов электронов и увеличивает подвижность носителей в сопряженных полимерных пленках.
Фотоэлектрохимия и фотокатализ. Родственным процессу преобразования солнечной энергии непосредственно в электричество является фотокатализ и фотоэлектрохимия. С помощью фотоэлектрохимии можно трансформировать солнечную энергию в химическое горючее. Одним из наиболее важным примером такого рода является восстановления водорода из воды, что представляет в последнее время все более возрастающий интерес. Наночастицы играют решающую роль во многих важных химических реакциях как реагенты, катализаторы и фотокатализаторы. Их реакционная способность часто увеличивается благодаря зависящим от размера в их окислительно-восстановительных потенциалах и высокой плотности активных поверхностных состояний из-за большого отношения поверхности к объему. Показано, что фотоокисление некоторых небольших молекул с использованием полупроводниковых наночастиц может приводить к формированию биологичски важных молекул, таких как аминокислоты, пептидные олигомеры и нуклеиновые кислоты.
Фотокаталитическое окисление органических и биологических молекул представляет большой интерес при применении наночастиц для охраны окружающей среды, в частности, для разрушения вредных отходов производства. В качестве фотокатализаторов используются различные полупроводники на основе оксидов металлов, таких, как 
. Примеси, которые разлагаются с помощью полупроводниковых фотокатализаторов, включают алканы, галогеналканы, алифатические спирты, карбоксильные кислоты, алкены, ароматические вещества, полимеры, гербициды, пестициды, а также красители. Удаление или разложение вредных примесей является одним из наиболее важных применений фотокаталитических реакций при переработке и очистке воды.
Литература
1. Г.Н.Макаров. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии. Успехи физических наук, т. 183, № 7, с. 673 – 718 (2013).
2. В.К.Воронов, Д.Ким, А.С.Янюшкин, Л.А.Геращенко Свойства и применение наноматериалов. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 220 с.
3. В.К.Воронов, А.В.Подоплелов, Р.З.Сагдеев. Физика на переломе тысячелетий: Физические основы нанотехнологий. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. – 432 с.