Molekulisuurused robotid: milleks nanotehnoloogia meid ette valmistab?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Kaasaegne areng nanotehnoloogia vallas võimaldab tulevikus luua nii väikseid roboteid, et neid saab lasta inimese vereringesse. Sellise roboti "osad" saavad olema ühemõõtmelised ja mida väiksem, seda tugevam. Nanomaailma paradoksidest rääkis Venemaa Teaduste Akadeemia Bioorgaanilise Keemia Instituudi vanemteadur Dmitri Kvašnin, kes tegeleb teoreetilise materjaliteadusega (arvutikatsed nanotehnoloogia vallas). T&P kirjutas peamise.

Dmitri Kvašnin

Mis on nanotehnoloogia

Nanotehnoloogiat kasutades tahaksime luua roboteid, mida saab saata kosmosesse või sisestada veresoontesse, et need toimetaksid rakkudesse ravimeid, aitaksid punaseid vereliblesid õiges suunas liikuda jne. Selliste robotite üks käik koosneb tosinast osad. Üks detail on üks aatom. Hammasratas on kümme aatomit, 10-9 meetrit, see tähendab üks nanomeeter. Terve robot on mõne nanomeetri pikkune.

Mis on 10-9? Kuidas seda esitada? Võrdluseks, tavalise inimese juuksekarva suurus on umbes 10-5 meetrit. Punased verelibled, vererakud, mis varustavad meie keha hapnikuga, on umbes seitsme mikroni suurused, see on samuti umbes 10-5 meetrit. Mis hetkel nano lõpeb ja meie maailm algab? Kui näeme objekti palja silmaga.

Kolmemõõtmeline, kahemõõtmeline, ühemõõtmeline

Mis on kolme-, kahe- ja ühemõõtmeline ning kuidas need mõjutavad materjale ja nende omadusi nanotehnoloogias? Me kõik teame, et 3D on kolmemõõtmeline. On tavaline film ja on film 3D-s, kus kõikvõimalikud haid lendavad ekraanilt meie poole. Matemaatilises mõttes näeb 3D välja selline: y = f (x, y, z), kus y sõltub kolmest mõõtmest – pikkusest, laiusest ja kõrgusest. Kõigile tuttav kolmemõõtmeline Mario on üsna pikk, lai ja lihav.

Kahemõõtmelisusele üleminekul kaob üks telg: y = f (x, y). Siin on kõik palju lihtsam: Mario on sama pikk ja lai, kuid mitte paks, sest keegi ei saa kahemõõtmeliselt olla paks ega peenike.

Kui jätkame kahanemist, siis ühes dimensioonis muutub kõik üsna lihtsaks, järele jääb vaid üks telg: y = f (x). Mario 1D-s on lihtsalt pikk – me ei tunne teda ära, aga see on ikkagi tema.

Kolmest dimensioonist – kahte dimensiooni

Kõige levinum materjal meie maailmas on süsinik. Sellest võib moodustuda kaks täiesti erinevat ainet – teemant, Maa vastupidavaim materjal ja grafiit ning grafiit võib muutuda teemandiks lihtsalt läbi kõrge rõhu. Kui isegi meie maailmas võib üks element luua radikaalselt erinevaid materjale, millel on vastupidised omadused, siis mis saab nanomaailmas?

Grafiiti tuntakse peamiselt pliiatsijuhtmena. Pliiatsi otsa suurus on umbes üks millimeeter ehk 10-3 meetrit. Kuidas nanoplii välja näeb? See on lihtsalt süsinikuaatomite kihtide kogum, mis moodustab kihilise struktuuri. Näeb välja nagu paberipakk.

Kui kirjutame pliiatsiga, jääb paberile jälg. Kui tõmbame analoogia paberivirnaga, siis justkui tõmbaksime sealt ühe paberitüki välja. Paberile jääv õhuke grafiidikiht on 2D ja ainult ühe aatomi paksune. Et objekti saaks pidada kahemõõtmeliseks, peab selle paksus olema mitu (vähemalt kümme) korda väiksem selle laiusest ja pikkusest.

Kuid sellel on konks. 1930. aastatel tõestasid Lev Landau ja Rudolf Peierls, et kahemõõtmelised kristallid on ebastabiilsed ja lagunevad termiliste kõikumiste tõttu (füüsikaliste suuruste juhuslikud kõrvalekalded nende keskmistest väärtustest osakeste kaootilise soojusliikumise tõttu. - umbkaudu T&P). Selgub, et kahemõõtmelist lamedat materjali ei saa termodünaamilistel põhjustel eksisteerida. See tähendab, et tundub, et me ei saa 2D-s nanot luua. Siiski ei! Konstantin Novoselov ja Andrey Geim sünteesisid grafeeni. Grafeen nanos ei ole tasane, vaid kergelt laineline ja seetõttu stabiilne.

Kui meie kolmemõõtmelises maailmas võtame paberivirnast välja ühe paberilehe, siis paber jääb paberiks, selle omadused ei muutu. Kui nanomaailmas eemaldatakse üks grafiidikiht, on saadud grafeenil ainulaadsed omadused, mis ei sarnane nende "eellastele" grafiidile. Grafeen on läbipaistev, kerge, 100 korda tugevam kui teras, suurepärane termoelektriline ja elektrijuht. Seda uuritakse laialdaselt ja see on juba saamas transistoride aluseks.

Tänapäeval, kui kõik mõistavad, et kahemõõtmelised materjalid võivad põhimõtteliselt eksisteerida, ilmuvad teooriad, mille kohaselt saab uusi üksusi saada ränist, boorist, molübdeenist, volframist jne.

Ja edasi – ühes dimensioonis

2D-s grafeenil on laius ja pikkus. Kuidas sellest 1D teha ja mis lõpuks saab? Üks meetod on lõigata see õhukesteks paeladeks. Kui nende laiust võimalikult suureks vähendada, pole need enam lihtsalt paelad, vaid veel üks unikaalne nanoobjekt - karbüün. Selle avastasid Nõukogude teadlased (keemikud Yu. P. Kudrjavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ja V. V. Korshak. – T&P märkus) 1960. aastatel.

Teine viis ühemõõtmelise objekti valmistamiseks on rullida grafeen toruks, nagu vaip. Selle toru paksus on palju väiksem kui selle pikkus. Kui paber rullida või ribadeks lõigata, jääb see paberiks. Kui grafeen rullitakse torusse, muutub see süsiniku uueks vormiks – nanotoruks, millel on mitmeid unikaalseid omadusi.

Nanoobjektide huvitavad omadused

Elektrijuhtivus näitab, kui hästi või halvasti materjal juhib elektrivoolu. Meie maailmas kirjeldatakse seda iga materjali kohta ühe numbriga ja see ei sõltu selle kujust. Pole vahet, kas teete hõbedast silindri, kuubi või palli – selle juhtivus jääb alati samaks.

Nanomaailmas on kõik teisiti. Nanotorude läbimõõdu muutused mõjutavad nende juhtivust. Kui vahe n - m (kus n ja m on mingid toru läbimõõtu kirjeldavad indeksid) jagada kolmega, siis nanotorud juhivad voolu. Kui seda ei jagata, siis seda ei teostata.

Youngi moodul on veel üks huvitav omadus, mis avaldub varda või oksa painutamisel. Youngi moodul näitab, kui tugevalt peab materjal vastu deformatsioonile ja pingele. Näiteks alumiiniumi puhul on see näitaja kaks korda väiksem kui raual, see tähendab, et see peab kaks korda halvemini vastu. Jällegi, alumiiniumpall ei saa olla tugevam kui alumiiniumkuubik. Suurus ja kuju ei oma tähtsust.

Nanomaailmas on pilt jällegi teistsugune: mida peenem on nanotraat, seda suurem on selle Youngi moodul. Kui meie maailmas tahame mezzaniinist midagi saada, siis valime tugevama tooli, et see meile vastu peaks. Nanomaailmas, kuigi see pole nii ilmne, peame eelistama väiksemat tooli, kuna see on tugevam.

Kui meie maailmas tehakse mingisse materjali auke, siis see lakkab olemast tugev. Nanomaailmas on vastupidi. Kui teete grafeeni palju auke, muutub see kaks ja pool korda tugevamaks kui mittedefektne grafeen. Kui torkame paberisse augud, siis selle olemus ei muutu. Ja kui teeme grafeeni auke, eemaldame ühe aatomi, mille tõttu ilmneb uus lokaalne efekt. Ülejäänud aatomid moodustavad uue struktuuri, mis on keemiliselt tugevam kui selle grafeeni terved piirkonnad.

Nanotehnoloogia praktiline rakendamine

Grafeenil on ainulaadsed omadused, kuid kuidas neid konkreetses piirkonnas rakendada, on endiselt küsimus. Nüüd kasutatakse seda üheelektroniliste transistoride prototüüpides (edastavad täpselt ühe elektroni signaali). Usutakse, et tulevikus võib kahekihilisest nanopooridega grafeenist (augud mitte ühes aatomis, vaid rohkemas) saada ideaalne materjal gaaside või vedelike selektiivseks puhastamiseks. Grafeeni mehaanikas kasutamiseks vajame suuri defektideta materjalipindu, kuid selline tootmine on tehnoloogiliselt äärmiselt keeruline.

Bioloogilisest aspektist lähtudes tekib probleem ka grafeeniga: kehasse sattudes mürgitab see kõike. Kuigi meditsiinis saab grafeeni kasutada "halbade" DNA molekulide sensorina (muteerudes mõne muu keemilise elemendiga jne). Selleks kinnitatakse sellele kaks elektroodi ja DNA juhitakse läbi selle pooride – see reageerib igale molekulile erilisel viisil.

Euroopas toodetakse juba grafeenilisandiga panne, jalgrattaid, kiivreid ja jalatsi sisetaldu. Üks Soome firma toodab autodele, eriti Tesla autodele, komponente, mille nupud, armatuurlaua osad ja ekraanid on valmistatud üsna paksudest nanotorudest. Need tooted on vastupidavad ja kerged.

Nanotehnoloogia valdkond on uurimise jaoks keeruline nii eksperimentide kui ka numbrilise modelleerimise seisukohalt. Kõik põhiprobleemid, mis nõuavad arvuti vähest võimsust, on juba lahendatud. Tänapäeval on uuringute peamiseks piiranguks superarvutite ebapiisav võimsus.