Molekulaméretű robotok: mire készít fel minket a nanotechnológia?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A nanotechnológia területén a jövőben megvalósuló modern fejlesztések lehetővé teszik olyan kicsi robotok létrehozását, amelyek az emberi vérkeringésbe juttathatók. Egy ilyen robot "alkatrészei" egydimenziósak lesznek, és minél kisebb, annál erősebb. Dmitrij Kvasnyin, az Orosz Tudományos Akadémia Bioszerves Kémiai Intézetének tudományos főmunkatársa, aki elméleti anyagtudományokkal (számítógépes kísérletek a nanotechnológia területén) foglalkozik, a nanovilág paradoxonairól beszélt. A T&P írta a lényeget.

Dmitrij Kvasnyin

Mi az a nanotechnológia

Nanotechnológiával olyan robotokat szeretnénk létrehozni, amelyek kiküldhetők az űrbe, vagy erekbe ágyazhatók, hogy gyógyszereket juttatjanak el a sejtekhez, segítsék a vörösvértestek megfelelő irányba történő mozgását stb. Az ilyen robotokban egy fogaskerék egy tucatból áll alkatrészek. Egy részlet egy atom. Egy fogaskerék tíz atom, 10-9 méter, azaz egy nanométer. Egy egész robot néhány nanométer.

Mi az a 10-9? Hogyan kell bemutatni? Összehasonlításképpen egy közönséges emberi haj körülbelül 10-5 méteres. A vörösvértestek, a szervezetünket oxigénnel ellátó vérsejtek körülbelül hét mikron nagyságúak, ez is körülbelül 10-5 méter. Mikor ér véget a nano és mikor kezdődik a világunk? Amikor szabad szemmel láthatunk egy tárgyat.

Háromdimenziós, kétdimenziós, egydimenziós

Mi a háromdimenziós, kétdimenziós és egydimenziós, és hogyan hatnak ezek az anyagokra és tulajdonságaikra a nanotechnológiában? Mindannyian tudjuk, hogy a 3D háromdimenziós. Van egy közönséges film, és van egy 3D-s film, ahol mindenféle cápa repül ránk a képernyőről. Matematikai értelemben a 3D így néz ki: y = f (x, y, z), ahol y három dimenziótól függ - hosszúságtól, szélességtől és magasságtól. A három dimenzióban minden Mario számára ismerős, hogy meglehetősen magas, széles és kövérkés.

Kétdimenziósra váltáskor az egyik tengely eltűnik: y = f (x, y). Itt minden sokkal egyszerűbb: Mario ugyanolyan magas és széles, de nem kövér, mert senki sem lehet kövér vagy vékony két dimenzióban.

Ha tovább csökkentjük, akkor az egyik dimenzióban minden egészen egyszerűvé válik, már csak egy tengely marad: y = f (x). Mario az 1D-ben csak hosszú – nem ismerjük fel, de akkor is ő az.

Három dimenzióból – két dimenzióba

Világunkban a leggyakoribb anyag a szén. Két teljesen különböző anyagot képezhet - a gyémántot, a Föld legtartósabb anyagát és a grafitot, és a grafit egyszerűen nagy nyomás hatására gyémánttá válhat. Ha még a mi világunkban is egy elem radikálisan eltérő, ellentétes tulajdonságú anyagokat tud létrehozni, akkor mi lesz a nanovilágban?

A grafit elsősorban ceruzahegyként ismert. A ceruza hegyének mérete körülbelül egy milliméter, azaz 10-3 méter. Hogyan néz ki egy nano ólom? Egyszerűen szénatomok rétegeinek gyűjteménye, amelyek egy réteges szerkezetet alkotnak. Úgy néz ki, mint egy köteg papír.

Amikor ceruzával írunk, nyom marad a papíron. Ha analógiát rajzolunk egy köteg papírral, olyan, mintha egy darab papírt húznánk ki belőle. A papíron maradó vékony grafitréteg 2D és csak egy atom vastag. Ahhoz, hogy egy objektumot kétdimenziósnak lehessen tekinteni, vastagságának sokszor (legalább tízszer) kisebbnek kell lennie, mint a szélessége és hossza.

De van egy fogás. Az 1930-as években Lev Landau és Rudolf Peierls bebizonyította, hogy a kétdimenziós kristályok instabilok, és a hőingadozások miatt összeomlanak (a fizikai mennyiségek véletlenszerű eltérései az átlagos értékektől a részecskék kaotikus hőmozgása miatt. - Kb. T&P). Kiderült, hogy kétdimenziós lapos anyag termodinamikai okokból nem létezhet. Vagyis úgy tűnik, hogy nem tudunk nano-t létrehozni 2D-ben. Azonban nem! Konstantin Novoselov és Andrey Geim grafént szintetizáltak. A nanoban lévő grafén nem lapos, hanem enyhén hullámos, ezért stabil.

Ha háromdimenziós világunkban egy papírkötegből kiveszünk egy lapot, akkor a papír papír marad, tulajdonságai nem változnak. Ha egy grafitréteget eltávolítanak a nanovilágból, akkor a keletkező grafén olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek semmiben sem hasonlítanak azokhoz, amelyeknek "elődje" a grafit. A grafén átlátszó, könnyű, 100-szor erősebb, mint az acél, kiváló hő- és elektromos vezető. Széles körben kutatják, és már a tranzisztorok alapjává válik.

Ma, amikor mindenki megérti, hogy elvileg létezhetnek kétdimenziós anyagok, megjelennek olyan elméletek, amelyek szerint új entitások nyerhetők szilíciumból, bórból, molibdénből, volfrámból stb.

És tovább - egy dimenzióban

A 2D grafénnek szélessége és hossza is van. Hogyan készítsünk belőle 1D-t, és mi lesz a végén? Az egyik módszer az, hogy vékony szalagokra vágjuk. Ha a szélességüket a lehető legnagyobbra csökkentjük, akkor már nem csak szalagok lesznek, hanem egy másik egyedi nano-objektum - a karbi. A szovjet tudósok (Ju. P. Kudrjavcev, A. M. Szladkov, V. I. Kaszatockin és V. V. Korsak. – T&P megjegyzés) kémikusok fedezték fel az 1960-as években.

Az egydimenziós objektum elkészítésének második módja a grafén csővé tekercselése, mint egy szőnyeg. Ennek a csőnek a vastagsága sokkal kisebb lesz, mint a hossza. Ha a papírt feltekerjük vagy csíkokra vágjuk, az papír marad. Ha a grafént csőbe tekerjük, az a szén új formájává alakul át - nanocsővé, amely számos egyedi tulajdonsággal rendelkezik.

A nanoobjektumok érdekes tulajdonságai

Az elektromos vezetőképesség azt jelenti, hogy egy anyag milyen jól vagy rosszul vezeti az elektromos áramot. A mi világunkban minden anyagra egy szám van leírva, és nem függ az alakjától. Nem számít, hogy ezüst hengert, kockát vagy golyót készítesz – a vezetőképessége mindig ugyanaz lesz.

A nanovilágban minden más. A nanocsövek átmérőjének változása befolyásolja vezetőképességüket. Ha az n - m különbséget (ahol n és m a cső átmérőjét leíró néhány index) osztjuk hárommal, akkor a nanocsövek áramot vezetnek. Ha nem osztják fel, akkor nem hajtják végre.

A Young-modulus egy másik érdekes tulajdonság, amely egy rúd vagy gally meghajlásakor nyilvánul meg. A Young-modulus megmutatja, hogy egy anyag milyen erősen ellenáll a deformációnak és a feszültségnek. Például az alumínium esetében ez a mutató kétszer kisebb, mint a vasé, vagyis kétszer olyan rosszul ellenáll. Ismétlem, egy alumínium golyó nem lehet erősebb, mint egy alumínium kocka. A méret és a forma nem számít.

A nanovilágban megint más a kép: minél vékonyabb a nanoszál, annál nagyobb a Young-modulusa. Ha a mi világunkban szeretnénk valamit kihozni a magasföldszintről, akkor válasszunk egy erősebb széket, hogy elbírjon minket. A nanovilágban, bár ez nem annyira nyilvánvaló, a kisebb széket kell majd előnyben részesítenünk, mert az erősebb.

Ha világunkban lyukakat készítenek valamilyen anyagon, akkor az nem lesz erős. A nanovilágban ennek az ellenkezője igaz. Ha sok lyukat csinál a grafénbe, az két és félszer erősebb lesz, mint a nem hibás grafén. Ha lyukakat szúrunk a papírba, a lényege nem változik. És amikor lyukakat készítünk a grafénben, eltávolítunk egy atomot, aminek köszönhetően új helyi hatás jelenik meg. A fennmaradó atomok új szerkezetet alkotnak, amely kémiailag erősebb, mint a grafén ép régiói.

A nanotechnológia gyakorlati alkalmazása

A grafén egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, de ezek alkalmazása egy adott területen továbbra is kérdés. Ma már az egyelektronos tranzisztorok prototípusaiban használják (pontosan egy elektronból álló jelet továbbítanak). Úgy gondolják, hogy a jövőben a nanopórusokkal (nem egy atomban lyukak) ellátott kétrétegű grafén ideális anyaggá válhat gázok vagy folyadékok szelektív tisztításához. A grafén mechanikában való felhasználásához nagy, hibamentes anyagfelületre van szükségünk, de az ilyen előállítás technológiailag rendkívül nehéz.

Biológiai szempontból is probléma adódik a grafénnel: ha egyszer a szervezetbe kerül, mindent megmérgez. Bár az orvostudományban a grafén használható „rossz” DNS-molekulák szenzoraként (más kémiai elemmel mutáció stb.). Ehhez két elektródát rögzítenek hozzá, és a DNS-t átvezetik a pórusain - minden molekulára különleges módon reagál.

Európában már gyártanak serpenyőket, kerékpárokat, sisakokat és grafén hozzáadásával készült cipőbetéteket. Egy finn cég autókhoz, különösen Tesla autókhoz gyárt alkatrészeket, amelyek gombjai, műszerfalalkatrészei és képernyői meglehetősen vastag nanocsövekből készülnek. Ezek a termékek tartósak és könnyűek.

A nanotechnológia területe mind a kísérletezés, mind a numerikus modellezés szempontjából nehézkes a kutatás szempontjából. Az összes alapvető probléma, amely alacsony számítógép-fogyasztást igényel, már megoldódott. Ma a kutatás fő korlátja a szuperszámítógépek elégtelen teljesítménye.