Roboți de dimensiunea unei molecule: pentru ce ne pregătește nanotehnologia?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Evoluțiile moderne în domeniul nanotehnologiei în viitor vor permite crearea unor roboți atât de mici încât să poată fi lansați în fluxul sanguin uman. „Părțile” unui astfel de robot vor fi unidimensionale și cu cât sunt mai mici, cu atât mai puternice. Dmitry Kvashnin, cercetător principal la Institutul de Chimie Bioorganică al Academiei Ruse de Științe, care este angajat în știința materialelor teoretice (experimente pe computer în domeniul nanotehnologiei), a vorbit despre paradoxurile nanolumilor. T&P a scris principalul lucru.

Dmitri Kvasnin

Ce este nanotehnologia

Folosind nanotehnologia, am dori să creăm roboți care pot fi trimiși în spațiu sau încorporați în vasele de sânge, astfel încât să livreze medicamente către celule, să ajute celulele roșii din sânge să se miște în direcția corectă etc. părți. Un detaliu este un atom. Un angrenaj are zece atomi, 10-9 metri, adică un nanometru. Un robot întreg are câțiva nanometri.

Ce este 10-9? Cum să o prezint? Pentru comparație, un păr uman obișnuit are o dimensiune de aproximativ 10-5 metri. Celulele roșii din sânge, celulele sanguine care furnizează corpul nostru cu oxigen, au o dimensiune de aproximativ șapte microni, aceasta este și ea aproximativ 10-5 metri. În ce moment se termină nano și începe lumea noastră? Când putem vedea un obiect cu ochiul liber.

Tridimensional, bidimensional, unidimensional

Ce este tridimensional, bidimensional și unidimensional și cum afectează acestea materialele și proprietățile lor în nanotehnologie? Știm cu toții că 3D este trei dimensiuni. Există un film obișnuit și există un film în 3D, în care tot felul de rechini zboară pe ecran spre noi. În sens matematic, 3D arată astfel: y = f (x, y, z), unde y depinde de trei dimensiuni - lungime, lățime și înălțime. Familiar pentru toți Mario în trei dimensiuni este destul de înalt, lat și plinuț.

Când treceți la două dimensiuni, o axă va dispărea: y = f (x, y). Totul este mult mai simplu aici: Mario este la fel de înalt și lat, dar nu gras, pentru că nimeni nu poate fi gras sau slab în două dimensiuni.

Dacă continuăm să scădem, atunci într-o dimensiune totul va deveni destul de simplu, va rămâne o singură axă: y = f (x). Mario în 1D este doar lung - nu-l recunoaștem, dar este tot el.

Din trei dimensiuni - în două dimensiuni

Cel mai comun material din lumea noastră este carbonul. Poate forma două substanțe complet diferite - diamantul, cel mai durabil material de pe Pământ, și grafitul, iar grafitul poate deveni un diamant pur și simplu prin presiune ridicată. Dacă chiar și în lumea noastră un element poate crea materiale radical diferite cu proprietăți opuse, atunci ce se va întâmpla în nanolume?

Grafitul este cunoscut în primul rând ca mine de creion. Dimensiunea vârfului unui creion este de aproximativ un milimetru, adică 10-3 metri. Cum arată un nano plumb? Este pur și simplu o colecție de straturi de atomi de carbon care formează o structură stratificată. Arată ca un teanc de hârtie.

Când scriem cu creionul, rămâne o urmă pe hârtie. Dacă facem o analogie cu un teanc de hârtie, este ca și cum am scoate o bucată de hârtie din el. Stratul subțire de grafit care rămâne pe hârtie este 2D și are o grosime de doar un atom. Pentru ca un obiect să fie considerat bidimensional, grosimea lui trebuie să fie de multe (de cel puțin zece) ori mai mică decât lățimea și lungimea sa.

Dar există o captură. În anii 1930, Lev Landau și Rudolf Peierls au demonstrat că cristalele bidimensionale sunt instabile și se prăbușesc din cauza fluctuațiilor termice (abateri aleatorii ale cantităților fizice de la valorile lor medii din cauza mișcării termice haotice a particulelor. - Aprox. T&P). Se pare că materialul plat bidimensional nu poate exista din motive termodinamice. Adică, se pare că nu putem crea nano în 2D. Cu toate acestea, nu! Konstantin Novoselov și Andrey Geim au sintetizat grafenul. Grafenul în nano nu este plat, ci ușor ondulat și, prin urmare, stabil.

Dacă în lumea noastră tridimensională scoatem o coală de hârtie dintr-un teanc de hârtie, atunci hârtia va rămâne hârtie, proprietățile ei nu se vor schimba. Dacă un strat de grafit este îndepărtat din nanolume, atunci grafenul rezultat va avea proprietăți unice care nu seamănă cu nimic cu cele care au grafitul său „progenitor”. Grafenul este transparent, ușor, de 100 de ori mai puternic decât oțelul, excelent conductor termoelectric și electric. Este cercetat pe scară largă și devine deja baza pentru tranzistori.

Astăzi, când toată lumea înțelege că materialele bidimensionale pot exista în principiu, apar teorii conform cărora se pot obține noi entități din siliciu, bor, molibden, wolfram etc.

Și mai departe - într-o singură dimensiune

Grafenul în 2D are o lățime și o lungime. Cum să faci 1D din el și ce se va întâmpla în cele din urmă? O metodă este să o tăiați în panglici subțiri. Dacă lățimea lor este redusă la maximum posibil, atunci nu vor mai fi doar panglici, ci un alt nano-obiect unic - carbyne. A fost descoperit de oamenii de știință sovietici (chimiștii Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin și V. V. Korshak. - Nota T&P) în anii 1960.

A doua modalitate de a face un obiect unidimensional este să rostogolești grafenul într-un tub, ca un covor. Grosimea acestui tub va fi mult mai mică decât lungimea sa. Dacă hârtia este rulată sau tăiată în fâșii, rămâne hârtie. Dacă grafenul este laminat într-un tub, acesta se transformă într-o nouă formă de carbon - un nanotub, care are o serie de proprietăți unice.

Proprietăți interesante ale nanoobiectelor

Conductivitatea electrică este cât de bine sau cât de slab un material conduce curentul electric. În lumea noastră, este descris printr-un număr pentru fiecare material și nu depinde de forma acestuia. Nu contează dacă faci un cilindru, un cub sau o bilă de argint - conductivitatea acestuia va fi întotdeauna aceeași.

Totul este diferit în nanolume. Modificările în diametrul nanotuburilor le vor afecta conductivitatea. Dacă diferența n - m (unde n și m sunt niște indici care descriu diametrul tubului) este împărțită la trei, atunci nanotuburile conduc curentul. Dacă nu este împărțit, atunci nu se realizează.

Modulul Young este o altă proprietate interesantă care se manifestă atunci când o tijă sau o crenguță este îndoită. Modulul Young arată cât de puternic rezistă un material la deformare și la stres. De exemplu, pentru aluminiu, acest indicator este de două ori mai mic decât cel al fierului, adică rezistă de două ori mai rău. Din nou, o minge de aluminiu nu poate fi mai puternică decât un cub de aluminiu. Mărimea și forma nu contează.

În nanolume, imaginea este din nou diferită: cu cât nanofirul este mai subțire, cu atât este mai mare modulul lui Young. Dacă în lumea noastră vrem să obținem ceva de la mezanin, atunci vom alege un scaun mai puternic, astfel încât să ne reziste. În nanolume, deși nu este atât de evident, va trebui să preferăm scaunul mai mic pentru că este mai puternic.

Dacă se fac găuri într-un material din lumea noastră, atunci acesta va înceta să fie puternic. În nanolume, opusul este adevărat. Dacă faci multe găuri în grafen, acesta devine de două ori și jumătate mai puternic decât grafenul nedefect. Când facem găuri în hârtie, esența acesteia nu se schimbă. Și când facem găuri în grafen, eliminăm un atom, datorită căruia apare un nou efect local. Atomii rămași formează o nouă structură care este mai puternică din punct de vedere chimic decât regiunile intacte din acest grafen.

Aplicarea practică a nanotehnologiei

Grafenul are proprietăți unice, dar cum să le aplici într-o anumită zonă este încă o întrebare. Acum este folosit în prototipuri pentru tranzistoare cu un singur electron (transmițând un semnal de exact un electron). Se crede că, în viitor, grafenul cu două straturi cu nanopori (găuri nu într-un atom, ci mai mult) poate deveni un material ideal pentru purificarea selectivă a gazelor sau lichidelor. Pentru a folosi grafenul în mecanică, avem nevoie de suprafețe mari de material fără defecte, dar o astfel de producție este extrem de dificilă din punct de vedere tehnologic.

Din punct de vedere biologic, apare și o problemă cu grafenul: odată ce intră în organism, otrăvește totul. Deși în medicină, grafenul poate fi folosit ca senzor pentru moleculele de ADN „rele” (mutant cu un alt element chimic etc.). Pentru a face acest lucru, doi electrozi sunt atașați de el și ADN-ul este trecut prin porii săi - reacționează la fiecare moleculă într-un mod special.

În Europa sunt deja produse tigăi, biciclete, căști și branțuri de pantofi cu adaos de grafen. O firmă finlandeză produce componente pentru mașini, în special pentru mașinile Tesla, în care butoanele, părțile tabloului de bord și ecranele sunt realizate din nanotuburi destul de groase. Aceste produse sunt rezistente și ușoare.

Domeniul nanotehnologiei este dificil de cercetare atât din punct de vedere al experimentelor, cât și din punct de vedere al modelării numerice. Toate problemele fundamentale care necesită o putere scăzută a computerului au fost deja rezolvate. Astăzi, principala limitare pentru cercetare este puterea insuficientă a supercalculatoarelor.