Roboti veličine molekula: za šta nas nanotehnologija priprema?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Savremeni razvoj u oblasti nanotehnologije u budućnosti će omogućiti stvaranje robota tako malih da se mogu lansirati u ljudski krvotok. "Dijelovi" takvog robota bit će jednodimenzionalni i što su manji, to su jači. Dmitrij Kvašnjin, viši istraživač Instituta za bioorgansku hemiju Ruske akademije nauka, koji se bavi teorijskim naukom o materijalima (kompjuterski eksperimenti u oblasti nanotehnologije), govorio je o paradoksima nanosveta. T&P je napisao glavnu stvar.

Dmitry Kvashnin

Šta je nanotehnologija

Koristeći nanotehnologiju, željeli bismo stvoriti robote koji se mogu poslati u svemir ili ugraditi u krvne žile, tako da isporučuju lijekove do stanica, pomažu crvenim krvnim zrncima da se kreću u pravom smjeru, itd. Jedan zupčanik kod takvih robota sastoji se od desetak dijelovi. Jedan detalj je jedan atom. Zupčanik je deset atoma, 10-9 metara, odnosno jedan nanometar. Cijeli robot je nekoliko nanometara.

Šta je 10-9? Kako to predstaviti? Poređenja radi, obična ljudska kosa je velika oko 10-5 metara. Crvena krvna zrnca, krvna zrnca koja opskrbljuju naše tijelo kisikom, veličine su oko sedam mikrona, to je također oko 10-5 metara. U kom trenutku nano završava i počinje naš svijet? Kada možemo vidjeti predmet golim okom.

Trodimenzionalno, dvodimenzionalno, jednodimenzionalno

Šta je trodimenzionalno, dvodimenzionalno i jednodimenzionalno i kako oni utiču na materijale i njihova svojstva u nanotehnologiji? Svi znamo da je 3D trodimenzionalno. Postoji običan film, a postoji i film u 3D, gdje nam s ekrana lete razne vrste ajkula. U matematičkom smislu, 3D izgleda ovako: y = f (x, y, z), pri čemu y zavisi od tri dimenzije – dužine, širine i visine. Svima poznat Mario u tri dimenzije je prilično visok, širok i debeljuškast.

Prilikom prelaska na dvodimenziju, jedna os će nestati: y = f (x, y). Ovdje je sve mnogo jednostavnije: Mario je jednako visok i širok, ali ne i debeo, jer niko ne može biti debeo ili mršav u dvije dimenzije.

Ako nastavimo da se smanjujemo, onda će u jednoj dimenziji sve postati prilično jednostavno, ostat će samo jedna os: y = f (x). Mario u 1D je samo dugačak - ne prepoznajemo ga, ali to je ipak on.

Iz tri dimenzije - u dvije dimenzije

Najčešći materijal u našem svijetu je ugljik. Može formirati dvije potpuno različite tvari - dijamant, najtrajniji materijal na Zemlji, i grafit, a grafit može postati dijamant jednostavno pod visokim pritiskom. Ako čak i u našem svijetu jedan element može stvoriti radikalno različite materijale suprotnih svojstava, što će se onda dogoditi u nanosvijetu?

Grafit je prvenstveno poznat kao olovka za olovku. Veličina vrha olovke je oko jedan milimetar, odnosno 10-3 metra. Kako izgleda nano olovo? To je jednostavno skup slojeva atoma ugljika koji formiraju slojevitu strukturu. Izgleda kao hrpa papira.

Kada pišemo olovkom, na papiru ostaje trag. Ako povučemo analogiju sa hrpom papira, to je kao da izvlačimo jedan komad papira. Tanak sloj grafita koji ostaje na papiru je 2D i debeo je samo jedan atom. Da bi se objekat smatrao dvodimenzionalnim, njegova debljina mora biti mnogo (najmanje deset) puta manja od širine i dužine.

Ali postoji kvaka. 1930-ih, Lev Landau i Rudolf Peierls su dokazali da su dvodimenzionalni kristali nestabilni i kolapsiraju zbog termičkih fluktuacija (slučajna odstupanja fizičkih veličina od njihovih prosječnih vrijednosti zbog haotičnog toplinskog kretanja čestica. - Približno T&P). Ispostavilo se da dvodimenzionalni ravan materijal ne može postojati iz termodinamičkih razloga. To jest, čini se da ne možemo stvoriti nano u 2D. Međutim, ne! Konstantin Novoselov i Andrey Geim sintetizirali su grafen. Grafen u nano nije ravan, već je blago valovit i stoga stabilan.

Ako u našem trodimenzionalnom svijetu izvadimo jedan list papira iz hrpe papira, onda će papir ostati papir, njegova svojstva se neće promijeniti. Ako se jedan sloj grafita ukloni u nanosvetu, onda će rezultujući grafen imati jedinstvena svojstva koja nisu nimalo nalik onima koja imaju njegov "progenitor" grafita. Grafen je proziran, lagan, 100 puta jači od čelika, odličan termoelektrični i električni provodnik. Uveliko se istražuje i već postaje osnova za tranzistore.

Danas, kada svi razumiju da dvodimenzionalni materijali u principu mogu postojati, pojavljuju se teorije da se novi entiteti mogu dobiti iz silicija, bora, molibdena, volframa itd.

I dalje - u jednoj dimenziji

Grafen u 2D ima širinu i dužinu. Kako od toga napraviti 1D i šta će se na kraju dogoditi? Jedna metoda je da ga izrežete na tanke trake. Ako se njihova širina smanji na maksimum, onda to više neće biti samo vrpce, već još jedan jedinstveni nano-objekt - karbin. Otkrili su ga sovjetski naučnici (hemičari Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin i V. V. Korshak. - T&P note) 1960-ih.

Drugi način da se napravi jednodimenzionalni objekat je umotavanje grafena u cijev, poput tepiha. Debljina ove cijevi bit će mnogo manja od njene dužine. Ako je papir umotan ili isečen na trake, ostaje papir. Ako se grafen umota u cijev, on se pretvara u novi oblik ugljika - nanocijev, koja ima niz jedinstvenih svojstava.

Zanimljiva svojstva nanoobjekata

Električna provodljivost je koliko dobro ili koliko loše materijal provodi električnu struju. U našem svijetu se opisuje jednim brojem za svaki materijal i ne ovisi o njegovom obliku. Nije bitno da li ćete napraviti srebrni cilindar, kocku ili loptu - njegova provodljivost će uvijek biti ista.

Sve je drugačije u nanosvetu. Promjene u prečniku nanocijevi će uticati na njihovu provodljivost. Ako se razlika n - m (gdje su n i m neki indeksi koji opisuju prečnik cijevi) podijeli sa tri, tada nanocijevi provode struju. Ako se ne podijeli, onda se ne provodi.

Youngov modul je još jedno zanimljivo svojstvo koje se manifestira kada se štap ili grančica savije. Youngov modul pokazuje koliko je materijal otporan na deformaciju i naprezanje. Na primjer, za aluminij, ovaj indikator je dva puta manji od željeza, odnosno dvostruko lošiji. Opet, aluminijumska lopta ne može biti jača od aluminijumske kocke. Veličina i oblik nisu bitni.

U nanosvetu, slika je opet drugačija: što je nanožica tanja, to je veći njen Youngov modul. Ako u našem svijetu želimo da dobijemo nešto od mezanina, onda ćemo izabrati jaču stolicu da nam izdrži. U nanosvetu, iako to nije tako očigledno, moraćemo da preferiramo manju stolicu jer je jača.

Ako se u našem svijetu naprave rupe u nekom materijalu, onda će on prestati biti jak. U nanosvetu je suprotno. Ako napravite mnogo rupa u grafenu, on postaje dva i po puta jači od nedefektnog grafena. Kada napravimo rupe u papiru, njegova suština se ne mijenja. A kada napravimo rupe u grafenu, uklanjamo jedan atom, zbog čega se pojavljuje novi lokalni efekat. Preostali atomi formiraju novu strukturu koja je hemijski jača od netaknutih regiona u ovom grafenu.

Praktična primjena nanotehnologije

Grafen ima jedinstvena svojstva, ali je još uvijek pitanje kako ih primijeniti u određenom području. Sada se koristi u prototipovima za jednoelektronske tranzistore (koji prenose signal od tačno jednog elektrona). Vjeruje se da bi u budućnosti dvoslojni grafen s nanoporama (rupama ne u jednom atomu, već više) mogao postati idealan materijal za selektivno pročišćavanje plinova ili tekućina. Za korištenje grafena u mehanici potrebne su nam velike površine materijala bez nedostataka, ali takva proizvodnja je tehnološki izuzetno teška.

Sa biološke tačke gledišta, problem se javlja i sa grafenom: jednom kada uđe u tijelo, truje sve. Iako u medicini, grafen se može koristiti kao senzor za “loše” molekule DNK (mutirajući sa drugim hemijskim elementom, itd.). Da bi se to postiglo, dvije elektrode su pričvršćene na njega i DNK se propušta kroz njegove pore - na svaki molekul reagira na poseban način.

Tepsije, bicikli, kacige i ulošci za cipele s dodatkom grafena već se proizvode u Evropi. Jedna finska firma proizvodi komponente za automobile, posebno za Tesla automobile, u kojima su dugmad, dijelovi instrument table i ekrani napravljeni od prilično debelih nanocijevi. Ovi proizvodi su izdržljivi i lagani.

Područje nanotehnologije je teško za istraživanje kako sa stanovišta eksperimenata tako i sa stanovišta numeričkog modeliranja. Svi osnovni problemi koji zahtijevaju nisku snagu računara već su riješeni. Danas je glavno ograničenje za istraživanje nedovoljna snaga superkompjutera.