Robotter på størrelse med molekyler: hvad forbereder nanoteknologien os på?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Moderne udviklinger inden for nanoteknologi i fremtiden vil tillade skabelsen af robotter så små, at de kan lanceres i den menneskelige blodbane. "Delene" af en sådan robot vil være endimensionelle og jo mindre, jo stærkere. Dmitry Kvashnin, seniorforsker ved Institut for Bioorganisk Kemi ved Det Russiske Videnskabsakademi, som er engageret i teoretisk materialevidenskab (computereksperimenter inden for nanoteknologi), talte om paradokserne i nanoverdenen. T&P skrev det vigtigste.

Dmitry Kvashnin

Hvad er nanoteknologi

Ved hjælp af nanoteknologi vil vi gerne skabe robotter, der kan sendes ud i rummet eller indlejres i blodkar, så de leverer lægemidler til celler, hjælper røde blodlegemer med at bevæge sig i den rigtige retning osv. Et gear i sådanne robotter består af et dusin dele. En detalje er ét atom. Et tandhjul er ti atomer, 10-9 meter, det vil sige en nanometer. En hel robot er et par nanometer.

Hvad er 10-9? Hvordan præsenterer man det? Til sammenligning er et almindeligt menneskehår omkring 10-5 meter stort. Røde blodlegemer, de blodlegemer, der forsyner vores krop med ilt, er omkring syv mikrometer store, det er også omkring 10-5 meter. På hvilket tidspunkt slutter nano, og vores verden begynder? Når vi kan se en genstand med det blotte øje.

Tre-dimension, to-dimension, en-dimension

Hvad er tredimensionel, todimensionel og endimensionel, og hvordan påvirker de materialer og deres egenskaber i nanoteknologi? Vi ved alle, at 3D er tre dimensioner. Der er en almindelig film, og der er en film i 3D, hvor alle mulige hajer flyver ud af skærmen på os. I matematisk forstand ser 3D således ud: y = f (x, y, z), hvor y afhænger af tre dimensioner - længde, bredde og højde. Velkendt for alle Mario i tre dimensioner er ret høj, bred og buttet.

Når du skifter til to-dimension, forsvinder én akse: y = f (x, y). Alt er meget enklere her: Mario er lige så høj og bred, men ikke fed, for ingen kan være tyk eller tynd i to dimensioner.

Hvis vi fortsætter med at falde, så vil alt i én dimension blive ret simpelt, der vil kun være én akse tilbage: y = f (x). Mario i 1D er bare lang – vi genkender ham ikke, men det er stadig ham.

Fra tre dimensioner - til to dimensioner

Det mest almindelige materiale i vores verden er kulstof. Det kan danne to helt forskellige stoffer - diamant, det mest holdbare materiale på Jorden, og grafit, og grafit kan blive en diamant blot gennem højt tryk. Hvis selv i vores verden ét element kan skabe radikalt forskellige materialer med modsatte egenskaber, hvad vil der så ske i nanoverdenen?

Grafit er først og fremmest kendt som en blyant. Størrelsen af spidsen af en blyant er omkring en millimeter, det vil sige 10-3 meter. Hvordan ser et nanobly ud? Det er simpelthen en samling af lag af kulstofatomer, der danner en lagdelt struktur. Ligner en stak papir.

Når vi skriver med blyant, forbliver et spor på papiret. Hvis vi tegner en analogi med en stak papir, er det, som om vi trak et stykke papir ud af det. Det tynde lag grafit, der er tilbage på papiret, er 2D og er kun et atom tykt. For at et objekt kan betragtes som todimensionelt, skal dets tykkelse være mange (mindst ti) gange mindre end dets bredde og længde.

Men der er en fangst. I 1930'erne beviste Lev Landau og Rudolf Peierls, at todimensionelle krystaller er ustabile og kollapser på grund af termiske fluktuationer (tilfældige afvigelser af fysiske mængder fra deres gennemsnitlige værdier på grund af kaotisk termisk bevægelse af partikler. - Ca. T&P). Det viser sig, at todimensionelt fladt materiale ikke kan eksistere af termodynamiske årsager. Det vil sige, at det ser ud til, at vi ikke kan skabe nano i 2D. Dog nej! Konstantin Novoselov og Andrey Geim syntetiserede grafen. Grafen i nano er ikke fladt, men let bølget og derfor stabilt.

Hvis vi i vores tredimensionelle verden tager et ark papir ud af en stak papir, så forbliver papiret papir, dets egenskaber ændres ikke. Hvis et lag grafit fjernes i nanoverdenen, vil den resulterende grafen have unikke egenskaber, der ikke ligner dem, der har sin "stamfader" grafit. Grafen er gennemsigtigt, let, 100 gange stærkere end stål, fremragende termoelektrisk og elektrisk leder. Det forskes bredt og er allerede ved at blive grundlaget for transistorer.

I dag, hvor alle forstår, at todimensionelle materialer i princippet kan eksistere, opstår der teorier om, at nye entiteter kan opnås fra silicium, bor, molybdæn, wolfram mv.

Og videre - i én dimension

Grafen i 2D har en bredde og en længde. Hvordan laver man 1D ud af det, og hvad vil der ske i sidste ende? En metode er at skære den i tynde bånd. Hvis deres bredde reduceres til det maksimalt mulige, så vil det ikke længere kun være bånd, men et andet unikt nanoobjekt - carbyne. Det blev opdaget af sovjetiske videnskabsmænd (kemikerne Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin og V. V. Korshak. - T&P note) i 1960'erne.

Den anden måde at lave et endimensionelt objekt på er at rulle grafenet til et rør, som et tæppe. Tykkelsen af dette rør vil være meget mindre end dets længde. Hvis papiret rulles eller skæres i strimler, forbliver det papir. Hvis grafen rulles ind i et rør, forvandles det til en ny form for kulstof – et nanorør, som har en række unikke egenskaber.

Interessante egenskaber ved nanoobjekter

Elektrisk ledningsevne er, hvor godt eller dårligt et materiale leder en elektrisk strøm. I vores verden er det beskrevet med et nummer for hvert materiale og afhænger ikke af dets form. Det er lige meget om du laver en sølvcylinder, terning eller kugle – dens ledningsevne vil altid være den samme.

Alt er anderledes i nanoverdenen. Ændringer i diameteren af nanorør vil påvirke deres ledningsevne. Hvis forskellen n - m (hvor n og m er nogle indekser, der beskriver diameteren af røret) divideres med tre, så leder nanorørene strøm. Hvis det ikke er delt, så udføres det ikke.

Youngs modul er en anden interessant egenskab, der viser sig, når en stang eller kvist bøjes. Youngs modul viser, hvor stærkt et materiale modstår deformation og stress. For eksempel er denne indikator for aluminium to gange mindre end den for jern, det vil sige, at den modstår dobbelt så dårligt. Igen kan en aluminiumskugle ikke være stærkere end en aluminiumsterning. Størrelse og form betyder ikke noget.

I nanoverdenen er billedet igen anderledes: Jo tyndere nanotråden er, jo højere er dens Youngs modul. Hvis vi i vores verden vil have noget fra mezzaninen, så vælger vi en stærkere stol, så den kan tåle os. I nanoverdenen, selvom det ikke er så indlysende, bliver vi nødt til at foretrække den mindre stol, fordi den er stærkere.

Hvis der laves huller i et eller andet materiale i vores verden, vil det ophøre med at være stærkt. I nanoverdenen er det modsatte sandt. Hvis man laver mange huller i grafen, bliver det to en halv gange stærkere end ikke-defekt grafen. Når vi stikker huller i papiret, ændres dets essens ikke. Og når vi laver huller i grafen, fjerner vi det ene atom, hvorved der opstår en ny lokal effekt. De resterende atomer danner en ny struktur, der er kemisk stærkere end de intakte områder i denne grafen.

Praktisk anvendelse af nanoteknologi

Grafen har unikke egenskaber, men hvordan man anvender dem i et bestemt område er stadig et spørgsmål. Det bruges nu i prototyper til enkeltelektrontransistorer (sender et signal på præcis én elektron). Det menes, at to-lags grafen med nanoporer (huller ikke i ét atom, men flere) i fremtiden kan blive et ideelt materiale til selektiv rensning af gasser eller væsker. For at bruge grafen i mekanik har vi brug for store områder af materiale uden defekter, men en sådan produktion er ekstremt vanskelig teknologisk.

Fra et biologisk synspunkt opstår der også et problem med grafen: Når det først kommer ind i kroppen, forgifter det alt. Selvom i medicin kan grafen bruges som en sensor for "dårlige" DNA-molekyler (muterer med et andet kemisk element osv.). For at gøre dette er to elektroder fastgjort til det, og DNA føres gennem dets porer - det reagerer på hvert molekyle på en speciel måde.

Pander, cykler, hjelme og skoindlæg med tilsætning af grafen bliver allerede produceret i Europa. Et finsk firma laver komponenter til biler, især til Tesla-biler, hvor knapper, instrumentpaneldele og skærme er lavet af ret tykke nanorør. Disse produkter er holdbare og lette.

Området for nanoteknologi er svært for forskning både ud fra et forsøgssynspunkt og ud fra et numerisk modelleringssynspunkt. Alle de grundlæggende problemer, der kræver lav computerkraft, er allerede blevet løst. I dag er den største begrænsning for forskning supercomputeres utilstrækkelige kraft.