Roboty wielkości cząsteczek: na co przygotowuje nas nanotechnologia?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Nowoczesne osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii pozwolą w przyszłości na stworzenie robotów tak małych, że będą mogły być wprowadzane do krwiobiegu człowieka. „Części” takiego robota będą jednowymiarowe, a im mniejsze, tym silniejsze. Dmitrij Kwasznin, starszy pracownik naukowy Instytutu Chemii Bioorganicznej Rosyjskiej Akademii Nauk, zajmujący się teoretyczną nauką o materiałach (eksperymenty komputerowe w dziedzinie nanotechnologii), mówił o paradoksach nanoświata. T&P napisał główną rzecz.

Dmitrij Kwasznin

Czym jest nanotechnologia

Wykorzystując nanotechnologię, chcielibyśmy stworzyć roboty, które mogą być wysyłane w kosmos lub osadzane w naczyniach krwionośnych, aby dostarczały leki do komórek, pomagały czerwonym krwinkom poruszać się we właściwym kierunku itp. Jeden bieg w takich robotach składa się z kilkunastu Części. Jeden szczegół to jeden atom. Koło zębate to dziesięć atomów, 10-9 metrów, czyli jeden nanometr. Cały robot to kilka nanometrów.

Co to jest 10-9? Jak to zaprezentować? Dla porównania, zwykły ludzki włos ma około 10-5 metrów. Czerwone krwinki, komórki krwi, które dostarczają naszemu organizmowi tlenu, mają wielkość około siedmiu mikronów, czyli około 10-5 metrów. W którym momencie kończy się nano, a zaczyna się nasz świat? Kiedy widzimy przedmiot gołym okiem.

Trójwymiarowy, dwuwymiarowy, jednowymiarowy

Czym są trójwymiarowe, dwuwymiarowe i jednowymiarowe oraz jak wpływają one na materiały i ich właściwości w nanotechnologii? Wszyscy wiemy, że 3D to trzy wymiary. Jest zwykły film i jest film w 3D, w którym z ekranu wylatują na nas wszelkiego rodzaju rekiny. W sensie matematycznym 3D wygląda tak: y = f (x, y, z), gdzie y zależy od trzech wymiarów - długości, szerokości i wysokości. Znany wszystkim Mario w trzech wymiarach jest dość wysoki, szeroki i pulchny.

Przy przejściu na dwuwymiarową zniknie jedna oś: y = f (x, y). Tutaj wszystko jest o wiele prostsze: Mario jest tak samo wysoki i szeroki, ale nie gruby, ponieważ nikt nie może być gruby ani chudy w dwóch wymiarach.

Jeśli dalej będziemy się zmniejszać, to w jednym wymiarze wszystko stanie się całkiem proste, pozostanie tylko jedna oś: y = f (x). Mario w 1D jest po prostu długi - nie rozpoznajemy go, ale to wciąż on.

Z trzech wymiarów - w dwa wymiary

Najpopularniejszym materiałem w naszym świecie jest węgiel. Może tworzyć dwie zupełnie różne substancje – diament, najtrwalszy materiał na Ziemi, oraz grafit, a grafit może stać się diamentem po prostu pod wpływem wysokiego ciśnienia. Jeśli nawet w naszym świecie jeden pierwiastek może stworzyć radykalnie różne materiały o przeciwnych właściwościach, to co się stanie w nanoświecie?

Grafit znany jest przede wszystkim jako grafit. Wielkość końcówki ołówka wynosi około jednego milimetra, czyli 10-3 metry. Jak wygląda nanoołówek? Jest to po prostu zbiór warstw atomów węgla tworzących strukturę warstwową. Wygląda jak stos papieru.

Kiedy piszemy ołówkiem, na papierze pozostaje ślad. Jeśli narysujemy analogię ze stosem papieru, to tak, jakbyśmy wyciągali z niego jedną kartkę. Cienka warstwa grafitu, która pozostaje na papierze jest dwuwymiarowa i ma grubość tylko jednego atomu. Aby obiekt można było uznać za dwuwymiarowy, jego grubość musi być wiele (co najmniej dziesięć) razy mniejsza niż jego szerokość i długość.

Ale jest w tym haczyk. W latach 30-tych Lev Landau i Rudolf Peierls udowodnili, że dwuwymiarowe kryształy są niestabilne i zapadają się z powodu fluktuacji termicznych (losowe odchylenia wielkości fizycznych od ich średnich wartości z powodu chaotycznego ruchu termicznego cząstek. - ok. T&P). Okazuje się, że dwuwymiarowy płaski materiał nie może istnieć z powodów termodynamicznych. To znaczy wydaje się, że nie możemy stworzyć nano w 2D. Jednak nie! Konstantin Novoselov i Andrey Geim zsyntetyzowali grafen. Grafen w nano nie jest płaski, ale lekko pofalowany i dlatego stabilny.

Jeśli w naszym trójwymiarowym świecie wyjmiemy jedną kartkę papieru ze stosu papieru, to papier pozostanie papierem, jego właściwości się nie zmienią. Jeśli jedna warstwa grafitu zostanie usunięta w nanoświecie, otrzymany grafen będzie miał unikalne właściwości, które w niczym nie przypominają tych, które mają swój „przodek” grafit. Grafen jest przezroczysty, lekki, 100 razy mocniejszy od stali, jest doskonałym przewodnikiem termoelektrycznym i elektrycznym. Jest szeroko badany i już staje się podstawą tranzystorów.

Dzisiaj, kiedy wszyscy rozumieją, że w zasadzie mogą istnieć materiały dwuwymiarowe, pojawiają się teorie, że nowe byty można uzyskać z krzemu, boru, molibdenu, wolframu itp.

I dalej – w jednym wymiarze

Grafen w 2D ma szerokość i długość. Jak zrobić z tego 1D i co się w końcu stanie? Jedną z metod jest pocięcie go na cienkie wstążki. Jeśli ich szerokość zostanie zmniejszona do maksimum, to nie będą już tylko wstążki, ale kolejny unikalny nanoobiekt – karbyne. Odkryli go sowieccy naukowcy (chemicy Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin i V. V. Korshak - notatka T&P) w latach 60. XX wieku.

Drugim sposobem na stworzenie jednowymiarowego obiektu jest zwinięcie grafenu w tubę, jak dywan. Grubość tej rurki będzie znacznie mniejsza niż jej długość. Jeśli papier jest zwijany lub pocięty na paski, pozostaje papierem. Grafen zwinięty w rurkę zamienia się w nową formę węgla - nanorurki, która posiada szereg unikalnych właściwości.

Ciekawe właściwości nanoobiektów

Przewodność elektryczna określa, jak dobrze lub jak słabo materiał przewodzi prąd elektryczny. W naszym świecie jest opisana jedną liczbą dla każdego materiału i nie zależy od jego kształtu. Nie ma znaczenia, czy zrobisz srebrny cylinder, sześcian czy kulkę – jego przewodnictwo zawsze będzie takie samo.

W nanoświecie wszystko jest inne. Zmiany średnicy nanorurek wpłyną na ich przewodnictwo. Jeżeli różnicę n – m (gdzie n i m to niektóre wskaźniki opisujące średnicę rurki) podzielimy przez trzy, to nanorurki przewodzą prąd. Jeśli nie jest podzielony, nie jest wykonywany.

Moduł Younga to kolejna interesująca właściwość, która objawia się podczas zginania pręta lub gałązki. Moduł Younga pokazuje, jak silnie materiał jest odporny na odkształcenia i naprężenia. Na przykład w przypadku aluminium wskaźnik ten jest dwa razy mniejszy niż w przypadku żelaza, to znaczy, że jest odporny na dwa razy gorzej. I znowu, aluminiowa kula nie może być mocniejsza niż aluminiowa kostka. Rozmiar i kształt nie mają znaczenia.

W nanoświecie obraz jest znowu inny: im cieńszy nanodrut, tym wyższy jest jego moduł Younga. Jeśli w naszym świecie chcemy dostać coś z antresoli, to wybierzemy mocniejsze krzesło, aby nam wytrzymało. W nanoświecie, choć nie jest to takie oczywiste, będziemy musieli preferować mniejsze krzesło, ponieważ jest mocniejsze.

Jeśli w naszym świecie zrobi się dziury w jakimś materiale, przestanie on być mocny. W nanoświecie jest odwrotnie. Jeśli zrobisz wiele dziur w grafenie, stanie się on dwa i pół raza silniejszy niż grafen nieuszkodzony. Kiedy robimy dziury w papierze, jego istota się nie zmienia. A kiedy robimy dziury w grafenie, usuwamy jeden atom, dzięki czemu pojawia się nowy efekt lokalny. Pozostałe atomy tworzą nową strukturę, która jest chemicznie silniejsza niż nienaruszone regiony tego grafenu.

Praktyczne zastosowanie nanotechnologii

Grafen ma wyjątkowe właściwości, ale nadal pozostaje pytanie, jak go zastosować w konkretnym obszarze. Jest obecnie stosowany w prototypach tranzystorów jednoelektronowych (przesyłających sygnał dokładnie jednego elektronu). Uważa się, że w przyszłości dwuwarstwowy grafen z nanoporami (dziury nie w jednym atomie, ale więcej) może stać się idealnym materiałem do selektywnego oczyszczania gazów lub cieczy. Aby wykorzystać grafen w mechanice, potrzebujemy dużych powierzchni materiału bez wad, ale taka produkcja jest niezwykle trudna technologicznie.

Z biologicznego punktu widzenia problem pojawia się również z grafenem: gdy dostanie się do organizmu, zatruwa wszystko. Chociaż w medycynie grafen może być używany jako czujnik „złych” cząsteczek DNA (mutujących z innym pierwiastkiem chemicznym itp.). W tym celu przyczepiane są do niego dwie elektrody, a przez jego pory przechodzi DNA - reaguje na każdą cząsteczkę w specjalny sposób.

W Europie produkowane są już patelnie, rowery, kaski i wkładki do butów z dodatkiem grafenu. Jedna z fińskich firm produkuje części do samochodów, szczególnie do samochodów Tesla, w których przyciski, elementy deski rozdzielczej i ekrany są wykonane z dość grubych nanorurek. Produkty te są trwałe i lekkie.

Dziedzina nanotechnologii jest trudna do badań zarówno z punktu widzenia eksperymentów, jak iz punktu widzenia modelowania numerycznego. Wszystkie podstawowe problemy wymagające małej mocy komputera zostały już rozwiązane. Dziś głównym ograniczeniem badań jest niewystarczająca moc superkomputerów.