Molekyylikokoiset robotit: mihin nanoteknologia valmistaa meitä?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Nanoteknologian nykyaikainen kehitys mahdollistaa tulevaisuudessa niin pienten robottien luomisen, että ne voidaan laukaista ihmisen verenkiertoon. Tällaisen robotin "osat" ovat yksiulotteisia ja mitä pienempi, sitä vahvempi. Venäjän tiedeakatemian Bioorgaanisen kemian instituutin vanhempi tutkija Dmitri Kvashnin, joka työskentelee teoreettisen materiaalitieteen (nanoteknologian alan tietokonekokeet) parissa, puhui nanomaailman paradokseista. T&P kirjoitti pääasia.

Dmitri Kvashnin

Mitä on nanoteknologia

Nanoteknologian avulla haluaisimme luoda robotteja, jotka voidaan lähettää avaruuteen tai upottaa verisuoniin, jotta ne kuljettavat lääkkeitä soluihin, auttavat punasoluja liikkumaan oikeaan suuntaan jne. Yksi vaihteisto tällaisissa roboteissa koostuu kymmenestä osat. Yksi yksityiskohta on yksi atomi. Vaihteisto on kymmenen atomia, 10-9 metriä, eli yksi nanometri. Kokonainen robotti on muutaman nanometrin mittainen.

Mikä on 10-9? Miten se esitetään? Vertailun vuoksi tavallinen ihmisen hius on noin 10-5 metriä kooltaan. Punasolut, verisolut, jotka toimittavat kehollemme happea, ovat kooltaan noin seitsemän mikronia, tämä on myös noin 10-5 metriä. Missä vaiheessa nano loppuu ja maailmamme alkaa? Kun voimme nähdä kohteen paljaalla silmällä.

Kolmiulotteinen, kaksiulotteinen, yksiulotteinen

Mitä ovat kolmiulotteiset, kaksiulotteiset ja yksiulotteiset ja miten ne vaikuttavat materiaaleihin ja niiden ominaisuuksiin nanoteknologiassa? Me kaikki tiedämme, että 3D on kolmiulotteinen. On tavallinen elokuva ja on 3D-elokuva, jossa kaikenlaisia haita lentää ruudulta meille. Matemaattisessa mielessä 3D näyttää tältä: y = f (x, y, z), missä y riippuu kolmesta ulottuvuudesta - pituudesta, leveydestä ja korkeudesta. Kaikille tuttu Mario kolmessa ulottuvuudessa on melko pitkä, leveä ja pullea.

Kun vaihdat kaksiulotteiseen, yksi akseli katoaa: y = f (x, y). Täällä kaikki on paljon yksinkertaisempaa: Mario on yhtä pitkä ja leveä, mutta ei lihava, koska kukaan ei voi olla lihava tai laiha kahdessa ulottuvuudessa.

Jos jatkamme pienentämistä, niin yhdessä ulottuvuudessa kaikki muuttuu melko yksinkertaiseksi, jäljelle jää vain yksi akseli: y = f (x). Mario 1D:ssä on vain pitkä – emme tunnista häntä, mutta se on silti hän.

Kolmesta ulottuvuudesta - kahteen ulottuvuuteen

Yleisin materiaali maailmassamme on hiili. Se voi muodostaa kaksi täysin erilaista ainetta - timantin, maan kestävimmän materiaalin ja grafiitin, ja grafiitista voi tulla timantti yksinkertaisesti korkealla paineella. Jos jopa maailmassamme yksi elementti voi luoda radikaalisti erilaisia materiaaleja, joilla on vastakkaiset ominaisuudet, niin mitä tapahtuu nanomaailmassa?

Grafiitti tunnetaan ensisijaisesti kynälyhteenä. Kynän kärjen koko on noin yksi millimetri, eli 10-3 metriä. Miltä nanojohto näyttää? Se on yksinkertaisesti kokoelma hiiliatomikerroksia, jotka muodostavat kerrostetun rakenteen. Näyttää paperipinolta.

Kun kirjoitamme lyijykynällä, paperille jää jälki. Jos piirretään analogia paperipinon kanssa, on kuin vetäisimme siitä yhden paperin. Paperille jäävä ohut grafiittikerros on 2D ja vain yhden atomin paksuinen. Jotta esinettä pidettäisiin kaksiulotteisena, sen paksuuden on oltava monta (vähintään kymmenen) kertaa pienempi kuin sen leveys ja pituus.

Mutta siinä on saalis. Lev Landau ja Rudolf Peierls osoittivat 1930-luvulla, että kaksiulotteiset kiteet ovat epävakaita ja romahtavat lämpövaihteluiden vuoksi (fyysisten määrien satunnaiset poikkeamat keskiarvoistaan hiukkasten kaoottisen lämpöliikkeen vuoksi. - Noin T&P). Osoittautuu, että kaksiulotteinen litteä materiaali ei voi olla olemassa termodynaamisista syistä. Eli näyttää siltä, että emme voi luoda nanoa 2D:ssä. Ei kuitenkaan! Konstantin Novoselov ja Andrey Geim syntetisoivat grafeenia. Grafeeni nanossa ei ole tasaista, vaan hieman aaltoilevaa ja siksi vakaata.

Jos kolmiulotteisessa maailmassamme otamme yhden paperiarkin paperipinosta, niin paperi pysyy paperina, sen ominaisuudet eivät muutu. Jos nanomaailmassa poistetaan yksi kerros grafiittia, tuloksena olevalla grafeenilla on ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka eivät ole samanlaisia kuin ne, joilla on sen "esi-grafiitti". Grafeeni on läpinäkyvää, kevyttä, 100 kertaa vahvempaa kuin teräs, erinomainen lämpö- ja sähköjohdin. Sitä tutkitaan laajasti ja siitä on jo tulossa transistorien perusta.

Nykyään, kun kaikki ymmärtävät, että kaksiulotteisia materiaaleja voi periaatteessa olla olemassa, ilmestyy teorioita, joiden mukaan piistä, boorista, molybdeenistä, volframista jne. voidaan saada uusia kokonaisuuksia.

Ja edelleen - yhdessä ulottuvuudessa

Grafeenilla 2D:ssä on leveys ja pituus. Kuinka tehdä siitä 1D ja mitä lopulta tapahtuu? Yksi tapa on leikata se ohuiksi nauhoiksi. Jos niiden leveys pienennetään mahdollisimman suureksi, se ei ole enää vain nauhoja, vaan toinen ainutlaatuinen nano-objekti - karbiini. Neuvostoliiton tiedemiehet (kemistit Yu. P. Kudrjavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatotshkin ja V. V. Korshak. - T&P:n huomautus) löysivät sen 1960-luvulla.

Toinen tapa tehdä yksiulotteinen esine on rullata grafeeni putkeksi, kuten matto. Tämän putken paksuus on paljon pienempi kuin sen pituus. Jos paperi rullataan tai leikataan suikaleiksi, se jää paperiksi. Jos grafeenia rullataan putkeen, se muuttuu uudeksi hiilen muotoksi - nanoputkeksi, jolla on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia.

Nanoobjektien mielenkiintoisia ominaisuuksia

Sähkönjohtavuus tarkoittaa, kuinka hyvin tai huonosti materiaali johtaa sähkövirtaa. Maailmassamme sitä kuvataan yhdellä numerolla kullekin materiaalille, eikä se riipu sen muodosta. Sillä ei ole väliä, teetkö hopeisen sylinterin, kuution vai pallon - sen johtavuus on aina sama.

Nanomaailmassa kaikki on toisin. Muutokset nanoputkien halkaisijassa vaikuttavat niiden johtavuuteen. Jos ero n - m (jossa n ja m ovat putken halkaisijaa kuvaavia indeksejä) jaetaan kolmella, niin nanoputket johtavat virtaa. Jos sitä ei jaeta, sitä ei toteuteta.

Youngin moduuli on toinen mielenkiintoinen ominaisuus, joka ilmenee, kun sauva tai oksa taivutetaan. Youngin moduuli osoittaa, kuinka voimakkaasti materiaali kestää muodonmuutoksia ja jännitystä. Esimerkiksi alumiinilla tämä indikaattori on kaksi kertaa pienempi kuin raudalla, eli se kestää kaksi kertaa huonommin. Jälleen, alumiinipallo ei voi olla vahvempi kuin alumiinikuutio. Koolla ja muodolla ei ole väliä.

Nanomaailmassa kuva on taas erilainen: mitä ohuempi nanolanka, sitä korkeampi sen Youngin moduuli. Jos haluamme maailmassamme saada jotain mezzanine-tasolta, niin valitsemme vahvemman tuolin, jotta se kestää meidät. Nanomaailmassa, vaikka se ei olekaan niin ilmeistä, meidän on suosittava pienempää tuolia, koska se on vahvempi.

Jos johonkin maailmamme materiaaliin tehdään reikiä, se lakkaa olemasta vahva. Nanomaailmassa asia on päinvastoin. Jos teet monia reikiä grafeeniin, siitä tulee kaksi ja puoli kertaa vahvempi kuin viaton grafeeni. Kun teemme reikiä paperiin, sen olemus ei muutu. Ja kun teemme reikiä grafeeniin, poistamme yhden atomin, minkä seurauksena uusi paikallinen vaikutus ilmestyy. Jäljelle jääneet atomit muodostavat uuden rakenteen, joka on kemiallisesti vahvempi kuin tämän grafeenin ehjät alueet.

Nanoteknologian käytännön soveltaminen

Grafeenilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, mutta kuinka niitä käytetään tietyllä alueella, on edelleen kysymys. Sitä käytetään nyt prototyypeissä yksielektronitransistoreille (lähettää täsmälleen yhden elektronin signaalin). Uskotaan, että tulevaisuudessa kaksikerroksisesta grafeenista, jossa on nanohuokosia (reikiä ei yhdessä atomissa, vaan enemmän), voi tulla ihanteellinen materiaali kaasujen tai nesteiden selektiiviseen puhdistukseen. Grafeenin käyttäminen mekaniikassa tarvitsee suuria materiaaleja ilman vikoja, mutta tällainen tuotanto on teknisesti erittäin vaikeaa.

Biologisesta näkökulmasta grafeeniin liittyy myös ongelma: kun se joutuu kehon sisään, se myrkyttää kaiken. Vaikka lääketieteessä grafeenia voidaan käyttää "huonojen" DNA-molekyyleiden sensorina (mutaatio toisen kemiallisen alkuaineen kanssa jne.). Tätä varten siihen kiinnitetään kaksi elektrodia ja DNA johdetaan sen huokosten läpi - se reagoi jokaiseen molekyyliin erityisellä tavalla.

Euroopassa valmistetaan jo pannuja, polkupyöriä, kypäriä ja kenkien pohjallisia, joihin on lisätty grafeenia. Yksi suomalainen yritys valmistaa autoihin, erityisesti Tesla-autoihin, komponentteja, joissa painikkeet, kojelaudan osat ja näytöt on tehty melko paksuista nanoputkista. Nämä tuotteet ovat kestäviä ja kevyitä.

Nanoteknologian ala on vaikea tutkimukselle sekä kokeiden että numeerisen mallinnuksen näkökulmasta. Kaikki alhaista tietokoneen tehoa vaativat perusongelmat on jo ratkaistu. Nykyään tutkimuksen suurin rajoitus on supertietokoneiden riittämätön teho.