Robot bersaiz molekul: apakah nanoteknologi menyediakan kita?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Perkembangan moden dalam bidang nanoteknologi pada masa hadapan akan membolehkan penciptaan robot yang sangat kecil sehingga boleh dilancarkan ke dalam aliran darah manusia. "Bahagian" robot sedemikian akan menjadi satu dimensi dan semakin kecil, semakin kuat. Dmitry Kvashnin, penyelidik kanan di Institut Kimia Bioorganik Akademi Sains Rusia, yang terlibat dalam sains bahan teori (eksperimen komputer dalam bidang nanoteknologi), bercakap tentang paradoks dunia nano. T&P menulis perkara utama.

Dmitry Kvashnin

Apa itu nanoteknologi

Menggunakan nanoteknologi, kami ingin mencipta robot yang boleh dihantar ke angkasa atau tertanam dalam saluran darah, supaya mereka menghantar ubat ke sel, membantu sel darah merah bergerak ke arah yang betul, dll. Satu gear dalam robot tersebut terdiri daripada sedozen bahagian. Satu butiran adalah satu atom. Gear ialah sepuluh atom, 10-9 meter, iaitu satu nanometer. Keseluruhan robot adalah beberapa nanometer.

Apakah 10-9? Bagaimana cara menyampaikannya? Sebagai perbandingan, rambut manusia biasa berukuran kira-kira 10-5 meter. Sel darah merah, sel darah yang membekalkan oksigen kepada badan kita, bersaiz kira-kira tujuh mikron, ini juga kira-kira 10-5 meter. Pada titik apakah nano berakhir dan dunia kita bermula? Apabila kita dapat melihat sesuatu objek dengan mata kasar.

Tiga dimensi, dua dimensi, satu dimensi

Apakah tiga dimensi, dua dimensi dan satu dimensi dan bagaimana ia mempengaruhi bahan dan sifatnya dalam nanoteknologi? Kita semua tahu bahawa 3D adalah tiga dimensi. Terdapat filem biasa, dan terdapat filem dalam 3D, di mana pelbagai jenis jerung terbang keluar dari skrin kepada kami. Dari segi matematik, 3D kelihatan seperti ini: y = f (x, y, z), dengan y bergantung pada tiga dimensi - panjang, lebar dan tinggi. Biasa kepada semua Mario dalam tiga dimensi agak tinggi, lebar dan berisi.

Apabila bertukar kepada dua dimensi, satu paksi akan hilang: y = f (x, y). Segala-galanya lebih mudah di sini: Mario sama tinggi dan lebar, tetapi tidak gemuk, kerana tiada siapa yang boleh menjadi gemuk atau kurus dalam dua dimensi.

Jika kita terus menurun, maka dalam satu dimensi semuanya akan menjadi agak mudah, hanya akan ada satu paksi yang tinggal: y = f (x). Mario dalam 1D hanya panjang - kami tidak mengenalinya, tetapi ia masih dia.

Dari tiga dimensi - menjadi dua dimensi

Bahan yang paling biasa di dunia kita ialah karbon. Ia boleh membentuk dua bahan yang sama sekali berbeza - berlian, bahan paling tahan lama di Bumi, dan grafit, dan grafit boleh menjadi berlian hanya melalui tekanan tinggi. Sekiranya dalam dunia kita satu elemen boleh mencipta bahan yang berbeza secara radikal dengan sifat yang bertentangan, maka apa yang akan berlaku di dunia nano?

Grafit dikenali terutamanya sebagai plumbum pensel. Saiz hujung pensil adalah kira-kira satu milimeter, iaitu 10-3 meter. Apakah rupa nano plumbum? Ia hanyalah koleksi lapisan atom karbon yang membentuk struktur berlapis. Kelihatan seperti timbunan kertas.

Apabila kita menulis dengan pensel, jejak kekal di atas kertas. Jika kita melukis analogi dengan timbunan kertas, ia seolah-olah kita mengeluarkan sehelai kertas daripadanya. Lapisan nipis grafit yang kekal pada kertas adalah 2D dan hanya setebal satu atom. Untuk objek dianggap dua dimensi, ketebalannya mestilah banyak (sekurang-kurangnya sepuluh) kali kurang daripada lebar dan panjangnya.

Tetapi ada tangkapan. Pada tahun 1930-an, Lev Landau dan Rudolf Peierls membuktikan bahawa kristal dua dimensi tidak stabil dan runtuh akibat turun naik terma (sisihan rawak kuantiti fizik daripada nilai puratanya disebabkan oleh pergerakan haba zarah yang huru-hara. - Lebih kurang T&P). Ternyata bahan rata dua dimensi tidak boleh wujud atas sebab termodinamik. Iaitu, nampaknya kita tidak boleh mencipta nano dalam 2D. Walau bagaimanapun, tidak! Konstantin Novoselov dan Andrey Geim mensintesis graphene. Graphene dalam nano tidak rata, tetapi sedikit beralun dan oleh itu stabil.

Jika dalam dunia tiga dimensi kita mengeluarkan satu helaian kertas dari timbunan kertas, maka kertas itu akan kekal sebagai kertas, sifatnya tidak akan berubah. Jika satu lapisan grafit dikeluarkan di dunia nano, maka graphene yang terhasil akan mempunyai sifat unik yang tidak seperti yang mempunyai grafit "nenek moyang". Graphene adalah lutsinar, ringan, 100 kali lebih kuat daripada keluli, termoelektrik dan konduktor elektrik yang sangat baik. Ia sedang dikaji secara meluas dan sudah menjadi asas untuk transistor.

Hari ini, apabila semua orang memahami bahawa bahan dua dimensi pada dasarnya boleh wujud, teori muncul bahawa entiti baru boleh diperoleh daripada silikon, boron, molibdenum, tungsten, dll.

Dan selanjutnya - dalam satu dimensi

Graphene dalam 2D mempunyai lebar dan panjang. Bagaimana untuk membuat 1D daripadanya dan apa yang akan berlaku pada akhirnya? Satu kaedah adalah dengan memotongnya menjadi reben nipis. Jika lebarnya dikurangkan kepada maksimum yang mungkin, maka ia bukan lagi hanya reben, tetapi satu lagi objek nano unik - carbyne. Ia ditemui oleh saintis Soviet (ahli kimia Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin dan V. V. Korshak. - Nota T&P) pada tahun 1960-an.

Cara kedua untuk membuat objek satu dimensi ialah menggulung graphene ke dalam tiub, seperti permaidani. Ketebalan tiub ini akan lebih kurang daripada panjangnya. Jika kertas itu digulung atau dipotong menjadi jalur, ia kekal sebagai kertas. Jika graphene digulung ke dalam tiub, ia berubah menjadi bentuk karbon baharu - tiub nano, yang mempunyai beberapa sifat unik.

Sifat menarik nanoobjek

Kekonduksian elektrik ialah seberapa baik atau betapa lemahnya bahan mengalirkan arus elektrik. Di dunia kita, ia digambarkan dengan satu nombor untuk setiap bahan dan tidak bergantung pada bentuknya. Tidak kira sama ada anda membuat silinder perak, kiub atau bola - kekonduksiannya akan sentiasa sama.

Semuanya berbeza dalam dunia nano. Perubahan dalam diameter tiub nano akan menjejaskan kekonduksiannya. Jika perbezaan n - m (di mana n dan m ialah beberapa indeks yang menerangkan diameter tiub) dibahagikan dengan tiga, maka tiub nano mengalirkan arus. Jika tidak dibahagikan, maka tidak dilaksanakan.

Modulus Young adalah satu lagi sifat menarik yang terserlah apabila batang atau ranting dibengkokkan. Modulus Young menunjukkan betapa kuatnya bahan menahan ubah bentuk dan tegasan. Sebagai contoh, untuk aluminium, penunjuk ini dua kali lebih rendah daripada besi, iaitu, ia tahan dua kali lebih buruk. Sekali lagi, bola aluminium tidak boleh lebih kuat daripada kiub aluminium. Saiz dan bentuk tidak penting.

Dalam dunia nano, gambar sekali lagi berbeza: semakin nipis wayar nano, semakin tinggi modulus Youngnya. Jika dalam dunia kita ingin mendapatkan sesuatu dari mezanin, maka kita akan memilih kerusi yang lebih kuat supaya ia boleh menahan kita. Dalam dunia nano, walaupun ia tidak begitu jelas, kita perlu memilih kerusi yang lebih kecil kerana ia lebih kuat.

Jika lubang dibuat dalam beberapa bahan di dunia kita, maka ia akan berhenti menjadi kuat. Dalam dunia nano, sebaliknya adalah benar. Jika anda membuat banyak lubang dalam graphene, ia menjadi dua setengah kali lebih kuat daripada graphene yang tidak rosak. Apabila kita membuat lubang pada kertas, intipatinya tidak berubah. Dan apabila kami membuat lubang dalam graphene, kami mengeluarkan satu atom, yang menyebabkan kesan tempatan baharu muncul. Atom yang tinggal membentuk struktur baru yang secara kimia lebih kuat daripada kawasan utuh dalam graphene ini.

Aplikasi praktikal nanoteknologi

Graphene mempunyai ciri-ciri unik, tetapi cara mengaplikasikannya di kawasan tertentu masih menjadi persoalan. Ia kini digunakan dalam prototaip untuk transistor elektron tunggal (mengirim isyarat tepat satu elektron). Adalah dipercayai bahawa pada masa hadapan, graphene dua lapisan dengan nanopores (lubang bukan dalam satu atom, tetapi lebih) boleh menjadi bahan yang ideal untuk penulenan terpilih gas atau cecair. Untuk menggunakan graphene dalam mekanik, kita memerlukan kawasan besar bahan tanpa kecacatan, tetapi pengeluaran sedemikian amat sukar dari segi teknologi.

Dari sudut pandangan biologi, masalah juga timbul dengan graphene: apabila ia masuk ke dalam badan, ia meracuni segala-galanya. Walaupun dalam bidang perubatan, graphene boleh digunakan sebagai sensor untuk molekul DNA "buruk" (bermutasi dengan unsur kimia lain, dll.). Untuk melakukan ini, dua elektrod dilekatkan padanya dan DNA disalurkan melalui liang-liangnya - ia bertindak balas kepada setiap molekul dengan cara yang istimewa.

Kuali, basikal, topi keledar dan insoles kasut dengan tambahan graphene sudah pun dihasilkan di Eropah. Satu firma Finland membuat komponen untuk kereta, terutamanya untuk kereta Tesla, di mana butang, bahagian papan pemuka dan skrin diperbuat daripada tiub nano yang agak tebal. Produk ini tahan lama dan ringan.

Bidang nanoteknologi sukar untuk penyelidikan dari sudut eksperimen dan dari sudut pemodelan berangka. Semua isu asas yang memerlukan kuasa komputer yang rendah telah pun diselesaikan. Hari ini, had utama untuk penyelidikan ialah kuasa superkomputer yang tidak mencukupi.