Molekulės dydžio robotai: kam mus ruošia nanotechnologijos?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Šiuolaikiniai nanotechnologijų srities pokyčiai ateityje leis sukurti tokius mažus robotus, kad juos būtų galima paleisti į žmogaus kraują. Tokio roboto „detalės“bus vienmatės ir kuo mažesnės, tuo tvirtesnės. Apie nanopasaulio paradoksus kalbėjo Rusijos mokslų akademijos Bioorganinės chemijos instituto vyresnysis mokslo darbuotojas Dmitrijus Kvašninas, užsiimantis teoriniu medžiagų mokslu (kompiuteriniais eksperimentais nanotechnologijų srityje). T&P parašė pagrindinį dalyką.

Dmitrijus Kvašninas

Kas yra nanotechnologija

Naudodami nanotechnologijas norėtume sukurti robotus, kuriuos būtų galima siųsti į kosmosą arba įterpti į kraujagysles, kad jie tiektų vaistus į ląsteles, padėtų raudoniesiems kraujo kūneliams judėti teisinga kryptimi ir tt Viena tokių robotų pavara susideda iš keliolikos. dalys. Viena detalė yra vienas atomas. Krumpliaratis yra dešimt atomų, 10–9 metrų, tai yra, vienas nanometras. Visas robotas yra kelių nanometrų.

Kas yra 10-9? Kaip tai pristatyti? Palyginimui, paprasto žmogaus plaukas yra apie 10-5 metrų dydžio. Raudonieji kraujo kūneliai, kraujo kūneliai, aprūpinantys mūsų kūną deguonimi, yra maždaug septynių mikronų dydžio, tai taip pat yra apie 10–5 metrus. Kuriuo momentu baigiasi nano ir prasideda mūsų pasaulis? Kai plika akimi galime matyti objektą.

Trimatis, dvimatis, vienmatis

Kas yra trimatis, dvimatis ir vienmatis ir kaip jie veikia medžiagas ir jų savybes nanotechnologijoje? Visi žinome, kad 3D yra trijų matmenų. Yra ir paprastas filmas, ir yra 3D filmas, kur iš ekrano pas mus išskrenda visokie rykliai. Matematine prasme 3D atrodo taip: y = f (x, y, z), kur y priklauso nuo trijų matmenų – ilgio, pločio ir aukščio. Visiems pažįstamas trijų matmenų Mario yra gana aukštas, platus ir apkūnus.

Perjungiant į dvimatę, viena ašis išnyks: y = f (x, y). Čia viskas daug paprasčiau: Mario yra toks pat aukštas ir platus, bet ne storas, nes niekas negali būti storas ar lieknas dviem matmenimis.

Jei ir toliau mažinsime, tai vienoje dimensijoje viskas taps gana paprasta, liks tik viena ašis: y = f (x). Mario 1D yra tiesiog ilgas – mes jo neatpažįstame, bet vis tiek jis.

Iš trijų dimensijų – į dvi dimensijas

Labiausiai paplitusi medžiaga mūsų pasaulyje yra anglis. Iš jo gali susidaryti dvi visiškai skirtingos medžiagos – deimantas, patvariausia medžiaga Žemėje, ir grafitas, o grafitas gali tapti deimantu tiesiog per aukštą slėgį. Jei net mūsų pasaulyje vienas elementas gali sukurti radikaliai skirtingas medžiagas su priešingomis savybėmis, tai kas nutiks nanopasaulyje?

Grafitas visų pirma žinomas kaip pieštuko šerdis. Pieštuko galiuko dydis yra apie vieną milimetrą, tai yra, 10-3 metrų. Kaip atrodo nano švinas? Tai tiesiog anglies atomų sluoksnių rinkinys, sudarantis sluoksniuotą struktūrą. Atrodo kaip popieriaus krūva.

Kai rašome pieštuku, popieriuje lieka pėdsakas. Jei nubrėžtume analogiją su popieriaus šūsniu, tai tarsi ištrauktume iš jos vieną popieriaus lapą. Plonas grafito sluoksnis, likęs ant popieriaus, yra 2D ir yra tik vieno atomo storio. Kad objektas būtų laikomas dvimačiu, jo storis turi būti daug (bent dešimt) kartų mažesnis už plotį ir ilgį.

Tačiau yra laimikis. 1930-aisiais Levas Landau ir Rudolfas Peierlsas įrodė, kad dvimačiai kristalai yra nestabilūs ir griūva dėl šiluminių svyravimų (atsitiktiniai fizinių dydžių nukrypimai nuo jų vidutinių verčių dėl chaotiško dalelių šiluminio judėjimo. - Apytiksliai T&P). Pasirodo, dvimatė plokščia medžiaga negali egzistuoti dėl termodinaminių priežasčių. Tai yra, atrodo, kad negalime sukurti nano 2D. Tačiau ne! Konstantinas Novoselovas ir Andrejus Geimas susintetino grafeną. Nano grafenas nėra plokščias, bet šiek tiek banguotas ir todėl stabilus.

Jeigu mūsų trimačiame pasaulyje išimsime vieną popieriaus lapą iš popieriaus krūvos, tai popierius liks popieriumi, jo savybės nepasikeis. Jei nanopasaulyje bus pašalintas vienas grafito sluoksnis, gautas grafenas turės unikalių savybių, kurios niekuo nepanašios į tas, kurios turi savo „pirmininką“grafitą. Grafenas yra skaidrus, lengvas, 100 kartų stipresnis už plieną, puikus termoelektrinis ir elektros laidininkas. Jis yra plačiai tyrinėjamas ir jau tampa tranzistorių pagrindu.

Šiandien, kai visi supranta, kad dvimatės medžiagos iš principo gali egzistuoti, atsiranda teorijų, kad naujus objektus galima gauti iš silicio, boro, molibdeno, volframo ir kt.

O toliau – vienoje dimensijoje

2D grafenas turi plotį ir ilgį. Kaip iš to padaryti 1D ir kas bus galiausiai? Vienas iš būdų yra jį supjaustyti plonomis juostelėmis. Jei jų plotis bus sumažintas iki maksimaliai įmanomo, tai jau bus ne tik kaspinėliai, o dar vienas unikalus nanoobjektas – karbinas. Jį septintajame dešimtmetyje atrado sovietų mokslininkai (chemikai Ju. P. Kudrjavcevas, A. M. Sladkovas, V. I. Kasatočkinas ir V. V. Koršakas. – T&P pastaba).

Antrasis būdas sukurti vienmatį objektą yra susukti grafeną į vamzdelį, pavyzdžiui, kilimą. Šio vamzdžio storis bus daug mažesnis už jo ilgį. Jei popierius susukamas arba supjaustomas juostelėmis, jis lieka popieriumi. Jei grafenas susukamas į vamzdelį, jis virsta nauja anglies forma – nanovamzdeliu, turinčiu daugybę unikalių savybių.

Įdomios nanoobjektų savybės

Elektros laidumas yra tai, kaip gerai arba blogai medžiaga praleidžia elektros srovę. Mūsų pasaulyje jis apibūdinamas vienu skaičiumi kiekvienai medžiagai ir nepriklauso nuo jos formos. Nesvarbu, darysite sidabrinį cilindrą, kubą ar rutulį – jo laidumas visada bus toks pat.

Nanopasaulyje viskas yra kitaip. Nanovamzdelių skersmens pokyčiai turės įtakos jų laidumui. Jei skirtumą n - m (kur n ir m yra kai kurie indeksai, nusakantys vamzdžio skersmenį) padaliname iš trijų, tai nanovamzdeliai praleidžia srovę. Jei jis nėra padalintas, jis nevykdomas.

Youngo modulis – dar viena įdomi savybė, pasireiškianti sulenkus strypą ar šakelę. Youngo modulis parodo, kaip stipriai medžiaga atspari deformacijai ir įtempiams. Pavyzdžiui, aliuminio šis rodiklis yra du kartus mažesnis nei geležies, tai yra, jis atsparus dvigubai blogiau. Vėlgi, aliuminio rutulys negali būti stipresnis už aliuminio kubą. Dydis ir forma neturi reikšmės.

Nanopasaulyje vaizdas vėl kitoks: kuo plonesnis nanolaidelis, tuo didesnis jo Youngo modulis. Jeigu mūsų pasaulyje norime ką nors gauti iš antresolės, tai rinksimės tvirtesnę kėdę, kad ji mus atlaikytų. Nanopasaulyje, nors tai nėra taip akivaizdu, teks teikti pirmenybę mažesnei kėdutei, nes ji yra tvirtesnė.

Jei kurioje nors mūsų pasaulio medžiagoje bus padarytos skylės, ji nustos būti stipri. Nanopasaulyje yra atvirkščiai. Jei grafene padarysite daug skylių, jis taps du su puse karto stipresnis nei grafenas be defektų. Kai popieriuje kišame skylutes, jo esmė nepasikeičia. O kai darome skylutes grafene, pašaliname vieną atomą, dėl kurio atsiranda naujas lokalus efektas. Likę atomai sudaro naują struktūrą, kuri yra chemiškai stipresnė nei nepažeistos šio grafeno regionai.

Nanotechnologijų praktinis pritaikymas

Grafenas turi unikalių savybių, tačiau kaip jas pritaikyti konkrečioje srityje, vis dar kyla klausimas. Dabar jis naudojamas vieno elektrono tranzistorių (perduodančių lygiai vieno elektrono signalą) prototipuose. Manoma, kad ateityje dvisluoksnis grafenas su nanoporomis (skylių ne viename atome, o daugiau) gali tapti idealia medžiaga selektyviam dujų ar skysčių valymui. Norint panaudoti grafeną mechanikoje, reikia didelių medžiagos plotų be defektų, tačiau tokia gamyba yra itin sunki technologiškai.

Biologiniu požiūriu problema iškyla ir su grafenu: patekęs į organizmo vidų jis viską nuodija. Nors medicinoje grafenas gali būti naudojamas kaip „blogų“DNR molekulių (mutuojančių su kitu cheminiu elementu ir pan.) jutiklis. Tam prie jo pritvirtinami du elektrodai ir per jos poras praleidžiama DNR – ji į kiekvieną molekulę reaguoja ypatingai.

Europoje jau gaminamos keptuvės, dviračiai, šalmai ir batų vidpadžiai su grafeno priedu. Viena suomių įmonė gamina komponentus automobiliams, ypač Tesla automobiliams, kurių mygtukai, prietaisų skydelio dalys ir ekranai yra pagaminti iš gana storų nanovamzdelių. Šie gaminiai yra patvarūs ir lengvi.

Nanotechnologijų sritis yra sunki tyrimams tiek eksperimentų, tiek skaitmeninio modeliavimo požiūriu. Visos pagrindinės problemos, reikalaujančios mažos kompiuterio galios, jau išspręstos. Šiandien pagrindinis mokslinių tyrimų apribojimas yra nepakankama superkompiuterių galia.