Molekulas izmēra roboti: kam mūs sagatavo nanotehnoloģija?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Mūsdienu attīstība nanotehnoloģiju jomā nākotnē ļaus izveidot tik mazus robotus, ka tos varētu palaist cilvēka asinsritē. Šāda robota "daļas" būs viendimensionālas un jo mazākas, jo stiprākas. Par nanopasaules paradoksiem stāstīja Krievijas Zinātņu akadēmijas Bioorganiskās ķīmijas institūta vecākais pētnieks Dmitrijs Kvašņins, kurš nodarbojas ar teorētisko materiālu zinātni (datoreksperimenti nanotehnoloģiju jomā). T&P uzrakstīja galveno.

Dmitrijs Kvašņins

Kas ir nanotehnoloģija

Izmantojot nanotehnoloģiju, mēs vēlētos radīt robotus, kurus var nosūtīt kosmosā vai iestrādāt asinsvados, lai tie piegādātu zāles šūnām, palīdzētu sarkanajām asins šūnām pārvietoties pareizajā virzienā utt. Viens zobrats šādos robotos sastāv no duci daļas. Viena detaļa ir viens atoms. Zobrats ir desmit atomi, 10-9 metri, tas ir, viens nanometrs. Viss robots ir daži nanometri.

Kas ir 10-9? Kā to pasniegt? Salīdzinājumam, parasta cilvēka mati ir aptuveni 10-5 metrus lieli. Sarkanās asins šūnas, asins šūnas, kas apgādā mūsu ķermeni ar skābekli, ir aptuveni septiņi mikroni lieli, tas ir arī aptuveni 10-5 metri. Kurā brīdī nano beidzas un sākas mūsu pasaule? Kad mēs varam redzēt objektu ar neapbruņotu aci.

Trīsdimensiju, divdimensiju, viendimensiju

Kas ir trīsdimensiju, divdimensiju un viendimensiju un kā tie ietekmē materiālus un to īpašības nanotehnoloģijā? Mēs visi zinām, ka 3D ir trīs dimensijas. Ir parasta filma, un ir filma 3D formātā, kur no ekrāna pie mums izlido visādas haizivis. Matemātiskā nozīmē 3D izskatās šādi: y = f (x, y, z), kur y ir atkarīgs no trim dimensijām – garuma, platuma un augstuma. Visiem pazīstamais Mario trīs dimensijās ir diezgan garš, plats un briest.

Pārejot uz divdimensiju, viena ass pazudīs: y = f (x, y). Šeit viss ir daudz vienkāršāk: Mario ir tikpat garš un plats, bet ne resns, jo neviens nevar būt resns vai tievs divās dimensijās.

Ja turpināsim samazināties, tad vienā dimensijā viss kļūs pavisam vienkāršs, paliks tikai viena ass: y = f (x). Mario 1D ir vienkārši garš - mēs viņu neatpazīstam, bet tas joprojām ir viņš.

No trim dimensijām - divās dimensijās

Visizplatītākais materiāls mūsu pasaulē ir ogleklis. Tas var veidot divas pilnīgi atšķirīgas vielas - dimantu, visizturīgāko materiālu uz Zemes, un grafītu, un grafīts var kļūt par dimantu vienkārši caur augstu spiedienu. Ja pat mūsu pasaulē viens elements var radīt radikāli atšķirīgus materiālus ar pretējām īpašībām, tad kas notiks nanopasaulē?

Grafīts galvenokārt ir pazīstams kā zīmuļa vads. Zīmuļa gala izmērs ir aptuveni viens milimetrs, tas ir, 10-3 metri. Kā izskatās nano svins? Tā ir vienkārši oglekļa atomu slāņu kolekcija, kas veido slāņainu struktūru. Izskatās pēc papīra kaudzes.

Kad mēs rakstām ar zīmuli, uz papīra paliek pēda. Ja mēs zīmējam analoģiju ar papīra kaudzi, tas ir tā, it kā mēs no tās izvilktu vienu papīra lapu. Plānais grafīta slānis, kas paliek uz papīra, ir 2D un ir tikai viena atoma biezs. Lai objektu uzskatītu par divdimensiju, tā biezumam ir jābūt daudzas (vismaz desmit) reizes mazākam par tā platumu un garumu.

Bet ir āķis. 30. gados Levs Landau un Rūdolfs Peierls pierādīja, ka divdimensiju kristāli ir nestabili un sabrūk termisko svārstību dēļ (fizisko lielumu nejaušas novirzes no to vidējām vērtībām daļiņu haotiskas termiskās kustības dēļ. - Aptuveni T&P). Izrādās, ka divdimensiju plakans materiāls nevar pastāvēt termodinamisku iemeslu dēļ. Tas ir, šķiet, ka mēs nevaram izveidot nano 2D formātā. Tomēr nē! Konstantīns Novoselovs un Andrejs Geims sintezēja grafēnu. Grafēns nano nav plakans, bet nedaudz viļņains un tāpēc stabils.

Ja mūsu trīsdimensiju pasaulē mēs no papīra kaudzes izņemam vienu papīra lapu, tad papīrs paliks papīrs, tā īpašības nemainīsies. Ja nanopasaulē tiek noņemts viens grafīta slānis, iegūtajam grafēnam būs unikālas īpašības, kas nelīdzinās tām, kurām ir "cilts" grafīts. Grafēns ir caurspīdīgs, viegls, 100 reizes stiprāks par tēraudu, lielisks termoelektriskais un elektriskais vadītājs. Tas tiek plaši pētīts un jau kļūst par tranzistoru pamatu.

Mūsdienās, kad visi saprot, ka principā var pastāvēt divdimensiju materiāli, parādās teorijas, ka jaunas vienības var iegūt no silīcija, bora, molibdēna, volframa utt.

Un tālāk - vienā dimensijā

Grafēnam 2D formātā ir platums un garums. Kā no tā izveidot 1D un kas notiks beigās? Viena no metodēm ir to sagriezt plānās lentēs. Ja to platums tiks samazināts līdz maksimāli iespējamam, tad tās vairs nebūs tikai lentes, bet vēl viens unikāls nanoobjekts - karbīns. To atklāja padomju zinātnieki (ķīmiķi Ju. P. Kudrjavcevs, A. M. Sladkovs, V. I. Kasatočkins un V. V. Koršaks. - T&P piezīme) 60. gados.

Otrs veids, kā izveidot viendimensionālu objektu, ir grafēna izrullēšana caurulē, piemēram, paklājā. Šīs caurules biezums būs daudz mazāks par tās garumu. Ja papīru sarullē vai sagriež strēmelēs, tas paliek papīrs. Ja grafēnu velmē caurulē, tas pārvēršas jaunā oglekļa formā – nanocaurulī, kam piemīt vairākas unikālas īpašības.

Interesantas nanoobjektu īpašības

Elektriskā vadītspēja ir tas, cik labi vai slikti materiāls vada elektrisko strāvu. Mūsu pasaulē tas ir aprakstīts ar vienu skaitli katram materiālam un nav atkarīgs no tā formas. Nav svarīgi, vai jūs veidojat sudraba cilindru, kubu vai lodi – tā vadītspēja vienmēr būs vienāda.

Nanopasaulē viss ir savādāk. Nanocauruļu diametra izmaiņas ietekmēs to vadītspēju. Ja starpību n - m (kur n un m ir daži indeksi, kas raksturo caurules diametru) dala ar trīs, tad nanocaurules vada strāvu. Ja tas nav sadalīts, tad tas netiek veikts.

Janga modulis ir vēl viena interesanta īpašība, kas izpaužas, kad ir saliekts stienis vai zars. Younga modulis parāda, cik spēcīgi materiāls iztur deformāciju un spriegumu. Piemēram, alumīnijam šis rādītājs ir divas reizes mazāks nekā dzelzs, tas ir, tas ir divreiz sliktāks. Atkal, alumīnija bumbiņa nevar būt stiprāka par alumīnija kubu. Izmēram un formai nav nozīmes.

Nanopasaulē aina atkal ir savādāka: jo plānāks ir nanovads, jo augstāks ir tā Jaga modulis. Ja mūsu pasaulē vēlamies kaut ko dabūt no starpstāvu, tad izvēlēsimies stiprāku krēslu, lai tas mūs izturētu. Lai gan nanopasaulē tas nav tik acīmredzams, mums būs jādod priekšroka mazākam krēslam, jo tas ir stiprāks.

Ja kādā materiālā mūsu pasaulē tiek izveidoti caurumi, tad tas pārstās būt stiprs. Nanopasaulē ir otrādi. Ja grafēnā izveidojat daudz caurumu, tas kļūst divarpus reizes stiprāks nekā grafēns bez defektiem. Kad papīrā izduram caurumus, tā būtība nemainās. Un, veidojot caurumus grafēnā, mēs noņemam vienu atomu, kā rezultātā parādās jauns lokāls efekts. Atlikušie atomi veido jaunu struktūru, kas ir ķīmiski spēcīgāka par neskartajiem reģioniem šajā grafēnā.

Nanotehnoloģiju praktiskais pielietojums

Grafēnam ir unikālas īpašības, taču joprojām ir jautājums, kā tās pielietot noteiktā apgabalā. Tagad to izmanto viena elektrona tranzistoru prototipos (raida tieši viena elektrona signālu). Tiek uzskatīts, ka nākotnē divslāņu grafēns ar nanoporām (caurumi ne vienā atomā, bet vairāk) var kļūt par ideālu materiālu selektīvai gāzu vai šķidrumu attīrīšanai. Lai izmantotu grafēnu mehānikā, mums ir nepieciešami lieli materiāla laukumi bez defektiem, taču šāda ražošana tehnoloģiski ir ārkārtīgi sarežģīta.

No bioloģiskā viedokļa problēma rodas arī ar grafēnu: nokļūstot organismā, tas visu saindē. Lai gan medicīnā grafēnu var izmantot kā sensoru “sliktām” DNS molekulām (mutācijas ar citu ķīmisko elementu utt.). Lai to izdarītu, tam tiek piestiprināti divi elektrodi un DNS tiek izvadīts cauri tās porām – tā reaģē uz katru molekulu īpašā veidā.

Eiropā jau tiek ražotas pannas, velosipēdi, ķiveres un apavu zolītes ar grafēna piedevu. Viens Somijas uzņēmums ražo detaļas automašīnām, īpaši Tesla automašīnām, kuru pogas, paneļa daļas un ekrāni ir izgatavoti no diezgan biezām nanocaurulēm. Šie izstrādājumi ir izturīgi un viegli.

Nanotehnoloģiju joma ir sarežģīta pētniecībai gan no eksperimentu, gan no skaitliskās modelēšanas viedokļa. Visas pamatproblēmas, kurām nepieciešama zema datora jauda, jau ir atrisinātas. Mūsdienās galvenais pētniecības ierobežojums ir superdatoru nepietiekamā jauda.