Robotar i molekylstorlek: vad förbereder nanotekniken oss för?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Modern utveckling inom nanoteknikområdet i framtiden kommer att möjliggöra skapandet av robotar så små att de kan lanseras i människans blodomlopp. "Delarna" av en sådan robot kommer att vara endimensionella och ju mindre, desto starkare. Dmitry Kvashnin, seniorforskare vid Institutet för bioorganisk kemi vid den ryska vetenskapsakademin, som är engagerad i teoretisk materialvetenskap (datorexperiment inom nanoteknikområdet), talade om nanovärldens paradoxer. T&P skrev huvudsaken.

Dmitry Kvashnin

Vad är nanoteknik

Med hjälp av nanoteknik skulle vi vilja skapa robotar som kan skickas ut i rymden eller bäddas in i blodkärl, så att de levererar läkemedel till celler, hjälper röda blodkroppar att röra sig i rätt riktning etc. En växel i sådana robotar består av ett dussintal delar. En detalj är en atom. Ett kugghjul är tio atomer, 10-9 meter, det vill säga en nanometer. En hel robot är några nanometer.

Vad är 10-9? Hur ska man presentera det? Som jämförelse är ett vanligt människohår cirka 10-5 meter stort. Röda blodkroppar, blodkropparna som förser vår kropp med syre, är cirka sju mikrometer stora, även detta är cirka 10-5 meter. När tar nano slut och vår värld börjar? När vi kan se ett föremål med blotta ögat.

Tredimensionell, tvådimensionell, endimensionell

Vad är tredimensionell, tvådimensionell och endimensionell och hur påverkar de material och deras egenskaper inom nanoteknik? Vi vet alla att 3D är tre dimensioner. Det finns en vanlig film, och det finns en film i 3D, där alla möjliga hajar flyger ut från skärmen mot oss. I matematisk mening ser 3D ut så här: y = f (x, y, z), där y beror på tre dimensioner - längd, bredd och höjd. Bekant för alla Mario i tre dimensioner är ganska lång, bred och fyllig.

När du byter till tvådimensionell försvinner en axel: y = f (x, y). Allt är mycket enklare här: Mario är lika lång och bred, men inte tjock, för ingen kan vara tjock eller smal i två dimensioner.

Om vi fortsätter att minska kommer allt i en dimension att bli ganska enkelt, det kommer bara att finnas en axel kvar: y = f (x). Mario i 1D är bara lång - vi känner inte igen honom, men det är fortfarande han.

Från tre dimensioner - till två dimensioner

Det vanligaste materialet i vår värld är kol. Det kan bilda två helt olika ämnen - diamant, det mest hållbara materialet på jorden, och grafit, och grafit kan bli en diamant helt enkelt genom högt tryck. Om även i vår värld ett element kan skapa radikalt olika material med motsatta egenskaper, vad kommer då att hända i nanovärlden?

Grafit är främst känt som en blyertspenna. Storleken på spetsen på en penna är cirka en millimeter, det vill säga 10-3 meter. Hur ser en nanobly ut? Det är helt enkelt en samling lager av kolatomer som bildar en skiktad struktur. Ser ut som en bunt papper.

När vi skriver med blyertspenna finns ett spår kvar på pappret. Om vi drar en analogi med en bunt papper, är det som om vi tog ut ett papper från det. Det tunna lagret av grafit som finns kvar på papperet är 2D och är bara en atom tjockt. För att ett föremål ska anses vara tvådimensionellt måste dess tjocklek vara många (minst tio) gånger mindre än dess bredd och längd.

Men det finns en hake. På 1930-talet bevisade Lev Landau och Rudolf Peierls att tvådimensionella kristaller är instabila och kollapsar på grund av termiska fluktuationer (slumpmässiga avvikelser av fysiska kvantiteter från deras medelvärden på grund av kaotisk termisk rörelse av partiklar. - Cirka T&P). Det visar sig att tvådimensionellt platt material inte kan existera av termodynamiska skäl. Det vill säga, det verkar som att vi inte kan skapa nano i 2D. Dock nej! Konstantin Novoselov och Andrey Geim syntetiserade grafen. Grafen i nano är inte platt, utan något vågigt och därför stabilt.

Om vi i vår tredimensionella värld tar ut ett pappersark från en pappersbunt, kommer papperet att förbli papper, dess egenskaper kommer inte att förändras. Om ett lager av grafit tas bort i nanovärlden, kommer den resulterande grafenen att ha unika egenskaper som inte liknar de som har sin "fader"-grafit. Grafen är transparent, lätt, 100 gånger starkare än stål, utmärkt termoelektrisk och elektrisk ledare. Det forskas flitigt på det och håller redan på att bli grunden för transistorer.

Idag, när alla förstår att tvådimensionella material i princip kan existera, dyker det upp teorier om att nya enheter kan erhållas från kisel, bor, molybden, volfram, etc.

Och vidare - i en dimension

Grafen i 2D har en bredd och en längd. Hur gör man 1D av det och vad kommer att hända i slutändan? En metod är att skära den i tunna band. Om deras bredd reduceras till maximalt möjligt, kommer det inte längre att vara bara band, utan ett annat unikt nanoobjekt - karbyne. Det upptäcktes av sovjetiska forskare (kemisterna Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin och V. V. Korshak. - T&P-anm.) på 1960-talet.

Det andra sättet att göra ett endimensionellt föremål är att rulla grafenet till ett rör, som en matta. Tjockleken på detta rör kommer att vara mycket mindre än dess längd. Om papperet rullas eller skärs i remsor förblir det papper. Om grafen rullas in i ett rör förvandlas det till en ny form av kol – ett nanorör, som har ett antal unika egenskaper.

Intressanta egenskaper hos nanoobjekt

Elektrisk ledningsförmåga är hur bra eller dåligt ett material leder en elektrisk ström. I vår värld beskrivs det med ett nummer för varje material och beror inte på dess form. Det spelar ingen roll om du gör en silvercylinder, kub eller kula - dess ledningsförmåga kommer alltid att vara densamma.

Allt är annorlunda i nanovärlden. Förändringar i nanorörens diameter kommer att påverka deras ledningsförmåga. Om skillnaden n - m (där n och m är några index som beskriver diametern på röret) delas med tre, så leder nanorören ström. Om det inte delas, så genomförs det inte.

Youngs modul är en annan intressant egenskap som visar sig när en stav eller kvist böjs. Youngs modul visar hur starkt ett material motstår deformation och stress. Till exempel, för aluminium är denna indikator två gånger mindre än den för järn, det vill säga den motstår dubbelt så dåligt. Återigen, en aluminiumkula kan inte vara starkare än en aluminiumkub. Storlek och form spelar ingen roll.

I nanovärlden är bilden återigen annorlunda: ju tunnare nanotråden är, desto högre är Youngs modul. Om vi i vår värld vill få något från mezzaninen så kommer vi att välja en starkare stol så att den tål oss. I nanovärlden, även om det inte är så självklart, måste vi föredra den mindre stolen eftersom den är starkare.

Om det görs hål i något material i vår värld, kommer det att sluta vara starkt. I nanovärlden är det tvärtom. Om du gör många hål i grafen blir det två och en halv gånger starkare än icke-defekt grafen. När vi sticker hål i papperet förändras inte dess väsen. Och när vi gör hål i grafen tar vi bort en atom, på grund av vilken en ny lokal effekt uppstår. De återstående atomerna bildar en ny struktur som är kemiskt starkare än de intakta områdena i denna grafen.

Praktisk tillämpning av nanoteknik

Grafen har unika egenskaper, men hur man applicerar dem i ett visst område är fortfarande en fråga. Den används nu i prototyper för transistorer med en elektron (som sänder en signal med exakt en elektron). Man tror att i framtiden kan tvåskiktsgrafen med nanoporer (hål inte i en atom, utan fler) bli ett idealiskt material för selektiv rening av gaser eller vätskor. För att använda grafen i mekaniken behöver vi stora ytor av material utan defekter, men sådan produktion är extremt svår tekniskt sett.

Ur biologisk synvinkel uppstår också ett problem med grafen: när det väl kommer in i kroppen förgiftar det allt. Även inom medicin kan grafen användas som en sensor för "dåliga" DNA-molekyler (muterar med ett annat kemiskt element, etc.). För att göra detta är två elektroder fästa på den och DNA passerar genom dess porer - den reagerar på varje molekyl på ett speciellt sätt.

Pannor, cyklar, hjälmar och skoinlägg med tillsats av grafen tillverkas redan i Europa. Ett finskt företag tillverkar komponenter för bilar, särskilt för Tesla-bilar, där knappar, instrumentpanelsdelar och skärmar är gjorda av ganska tjocka nanorör. Dessa produkter är hållbara och lätta.

Området nanoteknik är svårt för forskning både ur experimentsynpunkt och ur numerisk modelleringssynpunkt. Alla grundläggande problem som kräver låg datorkraft har redan lösts. Idag är den främsta begränsningen för forskning superdatorernas otillräckliga kraft.