Roboter på størrelse med molekyler: hva forbereder nanoteknologien oss på?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Moderne utviklinger innen nanoteknologi i fremtiden vil tillate å lage roboter så små at de kan lanseres i menneskets blodomløp. "Delene" til en slik robot vil være endimensjonale og jo mindre, jo sterkere. Dmitry Kvashnin, seniorforsker ved Institutt for bioorganisk kjemi ved det russiske vitenskapsakademiet, som er engasjert i teoretisk materialvitenskap (dataforsøk innen nanoteknologi), snakket om paradoksene i nanoverdenen. T&P skrev det viktigste.

Dmitry Kvashnin

Hva er nanoteknologi

Ved hjelp av nanoteknologi vil vi gjerne lage roboter som kan sendes ut i verdensrommet eller legges inn i blodårer, slik at de leverer medikamenter til cellene, hjelper røde blodceller i riktig retning osv. Ett gir i slike roboter består av et titalls deler. En detalj er ett atom. Et tannhjul er ti atomer, 10-9 meter, det vil si én nanometer. En hel robot er noen få nanometer.

Hva er 10-9? Hvordan presentere det? Til sammenligning er et vanlig menneskehår omtrent 10-5 meter stort. Røde blodlegemer, blodcellene som forsyner kroppen vår med oksygen, er cirka syv mikron store, også dette er cirka 10-5 meter. På hvilket tidspunkt slutter nano og vår verden begynner? Når vi kan se en gjenstand med det blotte øye.

Tredimensjon, todimensjon, endimensjon

Hva er tredimensjon, todimensjon og endimensjon og hvordan påvirker de materialer og deres egenskaper i nanoteknologi? Vi vet alle at 3D er tre dimensjoner. Det er en vanlig film, og det er en film i 3D, hvor alle slags haier flyr ut av skjermen på oss. I matematisk forstand ser 3D slik ut: y = f (x, y, z), der y avhenger av tre dimensjoner - lengde, bredde og høyde. Kjent for alle Mario i tre dimensjoner er ganske høy, bred og fyldig.

Når du bytter til todimensjon, vil én akse forsvinne: y = f (x, y). Alt er mye enklere her: Mario er like høy og bred, men ikke feit, for ingen kan være feit eller tynn i to dimensjoner.

Hvis vi fortsetter å redusere, vil alt i en dimensjon bli ganske enkelt, det vil bare være en akse igjen: y = f (x). Mario i 1D er bare lang – vi kjenner ham ikke igjen, men det er fortsatt ham.

Fra tre dimensjoner - til to dimensjoner

Det vanligste materialet i vår verden er karbon. Det kan danne to helt forskjellige stoffer - diamant, det mest holdbare materialet på jorden, og grafitt, og grafitt kan bli en diamant ganske enkelt gjennom høyt trykk. Hvis selv i vår verden ett element kan skape radikalt forskjellige materialer med motsatte egenskaper, hva vil da skje i nanoverdenen?

Grafitt er først og fremst kjent som en blyant. Størrelsen på spissen av en blyant er omtrent en millimeter, det vil si 10-3 meter. Hvordan ser et nanobly ut? Det er ganske enkelt en samling av lag med karbonatomer som danner en lagdelt struktur. Ser ut som en bunke papir.

Når vi skriver med blyant, blir det igjen et spor på papiret. Hvis vi tegner en analogi med en bunke papir, er det som om vi trekker ut ett stykke papir fra den. Det tynne laget med grafitt som er igjen på papiret er 2D og er bare ett atom tykt. For at et objekt skal anses som todimensjonalt, må tykkelsen være mange (minst ti) ganger mindre enn bredden og lengden.

Men det er en hake. På 1930-tallet beviste Lev Landau og Rudolf Peierls at todimensjonale krystaller er ustabile og kollapser på grunn av termiske fluktuasjoner (tilfeldige avvik av fysiske mengder fra deres gjennomsnittsverdier på grunn av kaotisk termisk bevegelse av partikler. - Ca. T&P). Det viser seg at todimensjonalt flatt materiale ikke kan eksistere av termodynamiske årsaker. Det vil si at det ser ut til at vi ikke kan lage nano i 2D. Men nei! Konstantin Novoselov og Andrey Geim syntetiserte grafen. Grafen i nano er ikke flatt, men lett bølget og derfor stabilt.

Hvis vi i vår tredimensjonale verden tar ut ett ark papir fra en bunke med papir, vil papiret forbli papir, dets egenskaper vil ikke endre seg. Hvis ett lag med grafitt fjernes i nanoverdenen, vil det resulterende grafenet ha unike egenskaper som ikke ligner på de som har sin "stamfar"-grafitt. Grafen er gjennomsiktig, lett, 100 ganger sterkere enn stål, utmerket termoelektrisk og elektrisk leder. Det forskes mye på og er allerede i ferd med å bli grunnlaget for transistorer.

I dag, når alle forstår at todimensjonale materialer i prinsippet kan eksistere, dukker det opp teorier om at nye enheter kan oppnås fra silisium, bor, molybden, wolfram, etc.

Og videre - i én dimensjon

Grafen i 2D har en bredde og en lengde. Hvordan lage 1D ut av det og hva vil skje til slutt? En metode er å kutte den i tynne bånd. Hvis bredden reduseres til maksimalt mulig, vil det ikke lenger bare være bånd, men et annet unikt nanoobjekt - karbyne. Det ble oppdaget av sovjetiske forskere (kjemikerne Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin og V. V. Korshak. - T&P-notat) på 1960-tallet.

Den andre måten å lage en endimensjonal gjenstand på er å rulle grafenet til et rør, som et teppe. Tykkelsen på dette røret vil være mye mindre enn lengden. Hvis papiret rulles eller kuttes i strimler, forblir det papir. Hvis grafen rulles inn i et rør, forvandles det til en ny form for karbon – et nanorør, som har en rekke unike egenskaper.

Interessante egenskaper til nanoobjekter

Elektrisk ledningsevne er hvor godt eller dårlig et materiale leder en elektrisk strøm. I vår verden er det beskrevet med ett tall for hvert materiale og er ikke avhengig av formen. Det spiller ingen rolle om du lager en sølvsylinder, kube eller kule - dens ledningsevne vil alltid være den samme.

Alt er annerledes i nanoverdenen. Endringer i diameteren til nanorør vil påvirke deres ledningsevne. Hvis forskjellen n - m (hvor n og m er noen indekser som beskriver diameteren til røret) deles med tre, så leder nanorørene strøm. Hvis det ikke er delt, så blir det ikke utført.

Youngs modul er en annen interessant egenskap som manifesterer seg når en stang eller kvist bøyes. Youngs modul viser hvor sterkt et materiale motstår deformasjon og stress. For eksempel, for aluminium, er denne indikatoren to ganger mindre enn for jern, det vil si at den motstår dobbelt så dårlig. Igjen, en aluminiumskule kan ikke være sterkere enn en aluminiumskube. Størrelse og form spiller ingen rolle.

I nanoverdenen er bildet igjen annerledes: jo tynnere nanotråden er, desto høyere er Youngs modul. Hvis vi i vår verden ønsker å få noe fra mesaninen, så vil vi velge en sterkere stol slik at den tåler oss. I nanoverdenen, selv om det ikke er så åpenbart, må vi foretrekke den mindre stolen fordi den er sterkere.

Hvis det lages hull i noe materiale i vår verden, vil det slutte å være sterkt. I nanoverdenen er det motsatt. Hvis du lager mange hull i grafen, blir det to og en halv ganger sterkere enn ikke-defekt grafen. Når vi stikker hull i papiret, endres ikke essensen. Og når vi lager hull i grafen, fjerner vi ett atom, på grunn av dette oppstår en ny lokal effekt. De gjenværende atomene danner en ny struktur som er kjemisk sterkere enn de intakte områdene i denne grafenen.

Praktisk anvendelse av nanoteknologi

Grafen har unike egenskaper, men hvordan man bruker dem i et bestemt område er fortsatt et spørsmål. Den brukes nå i prototyper for enkeltelektrontransistorer (som sender et signal på nøyaktig ett elektron). Det antas at i fremtiden kan to-lags grafen med nanoporer (hull ikke i ett atom, men flere) bli et ideelt materiale for selektiv rensing av gasser eller væsker. For å bruke grafen i mekanikk trenger vi store områder med materiale uten defekter, men slik produksjon er ekstremt vanskelig teknologisk.

Fra et biologisk synspunkt oppstår det også et problem med grafen: når det først kommer inn i kroppen, forgifter det alt. Selv om det er i medisin, kan grafen brukes som en sensor for "dårlige" DNA-molekyler (muterer med et annet kjemisk element, etc.). For å gjøre dette er to elektroder festet til den og DNA føres gjennom porene - den reagerer på hvert molekyl på en spesiell måte.

Panner, sykler, hjelmer og skoinnleggssåler med tillegg av grafen produseres allerede i Europa. Ett finsk firma lager komponenter til biler, spesielt for Tesla-biler, der knapper, dashborddeler og skjermer er laget av ganske tykke nanorør. Disse produktene er slitesterke og lette.

Feltet nanoteknologi er vanskelig for forskning både fra eksperimentets synspunkt og fra synspunktet om numerisk modellering. Alle de grunnleggende problemene som krever lav datamaskinkraft er allerede løst. I dag er hovedbegrensningen for forskning den utilstrekkelige kraften til superdatamaskiner.