Roboti v velikosti molekule: na kaj nas pripravlja nanotehnologija?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Sodobni razvoj na področju nanotehnologije bo v prihodnosti omogočil ustvarjanje tako majhnih robotov, da jih bo mogoče lansirati v človeški krvni obtok. "Deli" takšnega robota bodo enodimenzionalni in čim manjši, tem močnejši. O paradoksih nanosveta je spregovoril Dmitrij Kvašnin, višji raziskovalec na Inštitutu za bioorgansko kemijo Ruske akademije znanosti, ki se ukvarja s teoretično znanostjo o materialih (računalniški eksperimenti na področju nanotehnologije. T&P je napisal glavno.

Dmitrij Kvashnin

Kaj je nanotehnologija

Z nanotehnologijo bi radi ustvarili robote, ki jih lahko pošljemo v vesolje ali vgradimo v krvne žile, da dovajajo zdravila v celice, pomagajo rdečim krvnim celicam, da se premikajo v pravo smer itd. Eno prestavo v takšnih robotih sestavlja ducat deli. Ena podrobnost je en atom. Prestava je deset atomov, 10-9 metrov, torej en nanometer. Celoten robot je nekaj nanometrov.

Kaj je 10-9? Kako ga predstaviti? Za primerjavo, navaden človeški las je velik približno 10-5 metrov. Rdeče krvne celice, krvne celice, ki oskrbujejo naše telo s kisikom, so velike približno sedem mikronov, to je tudi približno 10-5 metrov. Kdaj se nano konča in se začne naš svet? Ko lahko vidimo predmet s prostim očesom.

Tridimenzionalno, dvodimenzionalno, enodimenzionalno

Kaj je tridimenzionalna, dvodimenzionalna in enodimenzionalna in kako vplivajo na materiale in njihove lastnosti v nanotehnologiji? Vsi vemo, da je 3D tridimenzionalno. Obstaja navaden film in je film v 3D, kjer nam s platna letijo najrazličnejši morski psi. V matematičnem smislu je 3D videti takole: y = f (x, y, z), kjer je y odvisen od treh dimenzij – dolžine, širine in višine. Mario, ki ga vsi poznajo v treh dimenzijah, je precej visok, širok in debel.

Ko preklopite na dvodimenzionalno, bo ena os izginila: y = f (x, y). Tukaj je vse veliko bolj preprosto: Mario je enako visok in širok, a ne debel, saj nihče ne more biti debel ali suh v dveh dimenzijah.

Če nadaljujemo z zmanjševanjem, bo v eni dimenziji vse postalo precej preprosto, ostala bo samo ena os: y = f (x). Mario v 1D je le dolg - ne prepoznamo ga, a je še vedno on.

Iz treh dimenzij - v dve dimenziji

Najpogostejši material v našem svetu je ogljik. Lahko tvori dve popolnoma različni snovi - diamant, najtrajnejši material na Zemlji, in grafit, grafit pa lahko postane diamant preprosto z visokim pritiskom. Če lahko celo v našem svetu en element ustvari radikalno različne materiale z nasprotnimi lastnostmi, kaj se bo potem zgodilo v nanosvetu?

Grafit je znan predvsem kot svinčnik. Velikost konice svinčnika je približno en milimeter, torej 10-3 metre. Kako izgleda nano svinec? To je preprosto zbirka plasti ogljikovih atomov, ki tvorijo večplastno strukturo. Izgleda kot kup papirja.

Ko pišemo s svinčnikom, na papirju ostane sled. Če potegnemo analogijo s svežnjem papirja, je, kot da bi iz njega potegnili en kos papirja. Tanka plast grafita, ki ostane na papirju, je 2D in je debela le en atom. Da se predmet obravnava kot dvodimenzionalen, mora biti njegova debelina mnogo (vsaj desetkrat) manjša od širine in dolžine.

Vendar obstaja ulov. V tridesetih letih prejšnjega stoletja sta Lev Landau in Rudolf Peierls dokazala, da so dvodimenzionalni kristali nestabilni in se sesujejo zaradi toplotnih nihanj (naključna odstopanja fizikalnih veličin od njihovih povprečnih vrednosti zaradi kaotičnega toplotnega gibanja delcev. - pribl. T&P). Izkazalo se je, da dvodimenzionalni ploščati material ne more obstajati zaradi termodinamičnih razlogov. Se pravi, zdi se, da nano ne moremo ustvariti v 2D. Vendar pa ne! Konstantin Novoselov in Andrey Geim sta sintetizirala grafen. Grafen v nano ni raven, ampak rahlo valovit in zato stabilen.

Če v našem tridimenzionalnem svetu vzamemo en list papirja iz svežnja papirja, bo papir ostal papir, njegove lastnosti se ne bodo spremenile. Če v nanosvetu odstranimo eno plast grafita, bo imel nastali grafen edinstvene lastnosti, ki niso nič podobne tistim, ki imajo njegov "progenitor" grafit. Grafen je prozoren, lahek, 100-krat močnejši od jekla, odličen termoelektrični in električni prevodnik. Veliko se raziskuje in že postaja osnova za tranzistorje.

Danes, ko vsi razumejo, da dvodimenzionalni materiali načeloma lahko obstajajo, se pojavljajo teorije, da je mogoče nove entitete pridobiti iz silicija, bora, molibdena, volframa itd.

In še - v eni dimenziji

Grafen v 2D ima širino in dolžino. Kako iz tega narediti 1D in kaj se bo na koncu zgodilo? Eden od načinov je, da ga narežemo na tanke trakove. Če se njihova širina zmanjša na največjo možno, potem ne bodo več samo trakovi, ampak še en edinstven nano-objek - karbin. Odkrili so ga sovjetski znanstveniki (kemiki Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin in V. V. Korshak. - Opomba T&P) v 60. letih prejšnjega stoletja.

Drugi način za izdelavo enodimenzionalnega predmeta je zviti grafen v cev, kot je preproga. Debelina te cevi bo veliko manjša od njene dolžine. Če papir zvijemo ali razrežemo na trakove, ostane papir. Če grafen zvijemo v cev, se spremeni v novo obliko ogljika – nanocevko, ki ima številne edinstvene lastnosti.

Zanimive lastnosti nanoobjektov

Električna prevodnost je, kako dobro ali kako slabo material prevaja električni tok. V našem svetu je za vsak material opisana z eno številko in ni odvisna od njegove oblike. Ni pomembno, ali naredite srebrni valj, kocko ali kroglo – njegova prevodnost bo vedno enaka.

V nanosvetu je vse drugače. Spremembe premera nanocevk bodo vplivale na njihovo prevodnost. Če razliko n - m (kjer sta n in m nekaj indeksov, ki opisujejo premer cevi) delimo s tri, potem nanocevke prevajajo tok. Če ni razdeljena, se ne izvaja.

Youngov modul je še ena zanimiva lastnost, ki se pokaže, ko se palica ali vejica upogne. Youngov modul kaže, kako močno se material upira deformaciji in napetosti. Na primer, za aluminij je ta kazalnik dvakrat manjši od železa, torej je dvakrat slabši. Aluminijasta kroglica ne more biti močnejša od aluminijaste kocke. Velikost in oblika nista pomembni.

V nanosvetu je slika spet drugačna: tanjša kot je nanožica, višji je njen Youngov modul. Če v našem svetu želimo nekaj dobiti iz medetaža, potem bomo izbrali močnejši stol, da nam bo zdržil. V nanosvetu, čeprav to ni tako očitno, bomo morali raje izbrati manjši stol, ker je močnejši.

Če se v našem svetu naredijo luknje v nekem materialu, potem ne bo več močan. V nanosvetu je ravno nasprotno. Če v grafenu naredite veliko lukenj, postane dvakrat in pol močnejši od grafena brez napak. Ko v papir naredimo luknje, se njegovo bistvo ne spremeni. In ko naredimo luknje v grafenu, odstranimo en atom, zaradi česar se pojavi nov lokalni učinek. Preostali atomi tvorijo novo strukturo, ki je kemično močnejša od nedotaknjenih regij v tem grafenu.

Praktična uporaba nanotehnologije

Grafen ima edinstvene lastnosti, vendar je še vedno vprašanje, kako jih uporabiti na določenem področju. Zdaj se uporablja v prototipih za enoelektronske tranzistorje (ki prenašajo signal natanko enega elektrona). Menijo, da lahko v prihodnosti dvoslojni grafen z nanoporami (luknje v enem atomu, ampak več) postane idealen material za selektivno čiščenje plinov ali tekočin. Za uporabo grafena v mehaniki potrebujemo velike površine materiala brez napak, vendar je takšna proizvodnja tehnološko izjemno zahtevna.

Z biološkega vidika pa nastane problem tudi pri grafenu: ko enkrat pride v telo, zastrupi vse. Čeprav se v medicini grafen lahko uporablja kot senzor za "slabe" molekule DNK (mutira z drugim kemičnim elementom itd.). Za to sta nanj pritrjeni dve elektrodi in skozi njegove pore se prepelje DNK – na vsako molekulo reagira na poseben način.

V Evropi se že proizvajajo ponve, kolesa, čelade in vložki za čevlje z dodatkom grafena. Eno finsko podjetje izdeluje komponente za avtomobile, zlasti za avtomobile Tesla, pri katerih so gumbi, deli armaturne plošče in zasloni narejeni iz precej debelih nanocevk. Ti izdelki so trpežni in lahki.

Področje nanotehnologije je težko raziskovalno tako z vidika eksperimentov kot z vidika numeričnega modeliranja. Vsa temeljna vprašanja, ki zahtevajo nizko moč računalnika, so že rešena. Danes je glavna omejitev za raziskave nezadostna moč superračunalnikov.