Roboti veličine molekule: za što nas nanotehnologija priprema?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Suvremeni razvoj u području nanotehnologije u budućnosti će omogućiti stvaranje robota tako malih da se mogu lansirati u ljudski krvotok. “Dijelovi” takvog robota bit će jednodimenzionalni i što manji, to su jači. O paradoksima nanosvijeta govorio je Dmitrij Kvašnjin, viši znanstveni istraživač Instituta za bioorgansku kemiju Ruske akademije znanosti, koji se bavi teoretskom znanošću o materijalima (računalni eksperimenti u području nanotehnologije). T&P je napisao glavnu stvar.

Dmitrij Kvašnjin

Što je nanotehnologija

Koristeći nanotehnologiju, željeli bismo stvoriti robote koji se mogu poslati u svemir ili ugraditi u krvne žile, kako bi dopremili lijekove do stanica, pomogli crvenim krvnim stanicama da se kreću u pravom smjeru itd. Jedan zupčanik u takvim robotima 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.

Što je 10-9? Kako to prezentirati? Za usporedbu, obična ljudska kosa je velika oko 10-5 metara. Crvene krvne stanice, krvne stanice koje opskrbljuju naše tijelo kisikom, veličine su oko sedam mikrona, to je također oko 10-5 metara. U kojem trenutku nano završava i počinje naš svijet? Kada možemo vidjeti predmet golim okom.

Trodimenzionalno, dvodimenzionalno, jednodimenzionalno

Što je trodimenzionalno, dvodimenzionalno i jednodimenzionalno i kako oni utječu na materijale i njihova svojstva u nanotehnologiji? Svi znamo da je 3D trodimenzionalno. Postoji običan film, a postoji film u 3D, gdje nam s platna lete svakakvi morski psi. U matematičkom smislu, 3D izgleda ovako: y = f (x, y, z), pri čemu y ovisi o tri dimenzije – duljini, širini i visini. Svima poznat Mario u tri dimenzije prilično je visok, širok i debeljuškast.

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

Ako nastavimo smanjivati, tada 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 ipak je 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 ugljikovih atoma koji tvore slojevitu strukturu. Izgleda kao hrpa papira.

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

Ali postoji kvaka. U 1930-ima, Lev Landau i Rudolf Peierls dokazali su da su dvodimenzionalni kristali nestabilni i kolabiraju zbog toplinskih fluktuacija (slučajna odstupanja fizikalnih veličina od njihovih prosječnih vrijednosti zbog kaotičnog toplinskog gibanja čestica. - Pribl. T&P). Ispada da dvodimenzionalni ravni 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 nanosvijetu, tada će rezultirajući grafen imati jedinstvena svojstva koja nisu nimalo nalik onima koja imaju svoj "progenitor" grafita. Grafen je proziran, lagan, 100 puta jači od čelika, izvrstan termoelektrični i električni vodič. 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 što će se na kraju dogoditi? Jedna metoda je rezanje na tanke vrpce. Ako se njihova širina smanji na maksimalnu moguću, onda to više neće biti samo vrpce, već još jedan jedinstveni nano-objekt - karbin. Otkrili su ga sovjetski znanstvenici (kemičari Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin i V. V. Korshak. - bilješka T&P) 1960-ih.

Drugi način da se napravi jednodimenzionalni objekt je umotanje grafena u cijev, poput tepiha. Debljina ove cijevi bit će mnogo manja od njezine duljine. Ako se papir razvalja ili reže 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 vodljivost je koliko dobro ili koliko slabo materijal provodi električnu struju. U našem svijetu se opisuje jednim brojem za svaki materijal i ne ovisi o njegovom obliku. Nije bitno hoćete li izraditi srebrni cilindar, kocku ili kuglu – njegova će vodljivost uvijek biti ista.

Sve je drugačije u nanosvijetu. Promjene u promjeru nanocijevi utjecat će na njihovu vodljivost. Ako se razlika n - m (gdje su n i m neki indeksi koji opisuju promjer cijevi) podijeli s tri, tada nanocijevi provode struju. Ako se ne podijeli, onda se ne provodi.

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

U nanosvijetu, slika je opet drugačija: što je nanožica tanja, to je veći njezin Youngov modul. Ako u našem svijetu želimo nešto dobiti od mezanina, onda ćemo izabrati jaču stolicu da nam izdrži. U nanosvijetu, iako to nije tako očito, morat ćemo preferirati manju stolicu jer je jača.

Ako se u našem svijetu naprave rupe u nekom materijalu, onda će on prestati biti jak. U nanosvijetu je suprotno. Ako napravite mnogo rupa u grafenu, on postaje dva i pol puta jači od nedefektnog grafena. Kada napravimo rupe u papiru, njegova se bit se ne mijenja. A kada napravimo rupe u grafenu, uklanjamo jedan atom, zbog čega se pojavljuje novi lokalni efekt. Preostali atomi tvore novu strukturu koja je kemijski jača od netaknutih regija 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 tranzistore s jednim elektronom (koji prenose signal od točno 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, no takva je proizvodnja tehnološki iznimno teška.

S biološke točke gledišta, problem se javlja i s grafenom: kad jednom uđe u tijelo, truje sve. Iako u medicini, grafen se može koristiti kao senzor za “loše” molekule DNA (mutirajući s drugim kemijskim elementom, itd.). Da bi se to učinilo, dvije elektrode su pričvršćene na njega i DNK se provlači kroz njegove pore – na svaku molekulu reagira na poseban način.

Tave, bicikli, kacige i ulošci za cipele s dodatkom grafena već se proizvode u Europi. Jedna finska tvrtka proizvodi komponente za automobile, posebno za automobile Tesla, u kojima su gumbi, dijelovi instrument ploče i ekrani izrađeni od prilično debelih nanocijevi. Ovi proizvodi su izdržljivi i lagani.

Područje nanotehnologije je teško za istraživanje i sa stajališta eksperimenata i sa stajališta numeričkog modeliranja. Sva temeljna pitanja koja zahtijevaju nisku snagu računala već su riješena. Danas je glavno ograničenje istraživanja nedovoljna snaga superračunala.