Roboty s veľkosťou molekuly: na čo nás pripravuje nanotechnológia?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Moderný vývoj v oblasti nanotechnológií v budúcnosti umožní vytvárať roboty také malé, že ich možno spustiť do ľudského krvného obehu. „Časti“takéhoto robota budú jednorozmerné a čím menšie, tým silnejšie. O paradoxoch nanosveta hovoril Dmitrij Kvashnin, vedúci výskumník Ústavu bioorganickej chémie Ruskej akadémie vied, ktorý sa venuje teoretickej materiálovej vede (počítačové experimenty v oblasti nanotechnológií). T&P napísal to hlavné.

Dmitrij Kvashnin

Čo je nanotechnológia

Pomocou nanotechnológie by sme chceli vytvoriť roboty, ktoré by bolo možné poslať do vesmíru alebo vložiť do krvných ciev, aby doručovali lieky do buniek, pomáhali červeným krvinkám pohybovať sa správnym smerom atď. Jeden prevod v takýchto robotoch pozostáva z tucta časti. Jeden detail je jeden atóm. Prevodovka je desať atómov, 10-9 metrov, to znamená jeden nanometer. Celý robot má niekoľko nanometrov.

Koľko je 10-9? Ako to prezentovať? Pre porovnanie, obyčajný ľudský vlas je veľký asi 10-5 metrov. Červené krvinky, krvinky, ktoré zásobujú naše telo kyslíkom, sú veľké asi sedem mikrónov, to je tiež asi 10-5 metrov. V ktorom bode končí nano a začína náš svet? Keď vidíme predmet voľným okom.

Trojrozmerný, dvojrozmerný, jednorozmerný

Čo je to trojrozmernosť, dvojrozmernosť a jednorozmernosť a ako ovplyvňujú materiály a ich vlastnosti v nanotechnológii? Všetci vieme, že 3D je trojrozmerný. Existuje obyčajný film a existuje film v 3D, kde na nás z obrazovky vyletia všelijaké žraloky. V matematickom zmysle vyzerá 3D takto: y = f (x, y, z), kde y závisí od troch rozmerov – dĺžky, šírky a výšky. Všetkým Mariom v troch rozmeroch je dobre známy, je pomerne vysoký, široký a bacuľatý.

Pri prechode na dvojrozmerný zmizne jedna os: y = f (x, y). Všetko je tu oveľa jednoduchšie: Mario je rovnako vysoký a široký, ale nie tučný, pretože nikto nemôže byť tučný alebo štíhly v dvoch rozmeroch.

Ak budeme pokračovať v znižovaní, potom v jednej dimenzii bude všetko celkom jednoduché, zostane len jedna os: y = f (x). Mario v 1D je len dlhý - nepoznáme ho, ale stále je to on.

Z troch dimenzií - do dvoch dimenzií

Najbežnejším materiálom v našom svete je uhlík. Môže tvoriť dve úplne odlišné látky – diamant, najodolnejší materiál na Zemi, a grafit, pričom z grafitu sa môže stať diamant jednoducho vďaka vysokému tlaku. Ak aj v našom svete dokáže jeden prvok vytvoriť radikálne odlišné materiály s opačnými vlastnosťami, čo sa potom stane v nanosvete?

Grafit je známy predovšetkým ako tuha. Veľkosť hrotu ceruzky je asi jeden milimeter, to znamená 10-3 metre. Ako vyzerá nano olovo? Je to jednoducho súbor vrstiev uhlíkových atómov tvoriacich vrstvenú štruktúru. Vyzerá ako stoh papiera.

Keď píšeme ceruzkou, na papieri zostáva stopa. Ak nakreslíme prirovnanie k stohu papiera, je to ako keby sme z neho vytiahli jeden kus papiera. Tenká vrstva grafitu, ktorá zostáva na papieri, je 2D a má hrúbku iba jedného atómu. Aby bol objekt považovaný za dvojrozmerný, jeho hrúbka musí byť mnohonásobne (najmenej desať) krát menšia ako jeho šírka a dĺžka.

Má to však háčik. V tridsiatych rokoch minulého storočia Lev Landau a Rudolf Peierls dokázali, že dvojrozmerné kryštály sú nestabilné a kolabujú v dôsledku tepelných výkyvov (náhodné odchýlky fyzikálnych veličín od ich priemerných hodnôt v dôsledku chaotického tepelného pohybu častíc. - približne T&P). Ukazuje sa, že dvojrozmerný plochý materiál nemôže existovať z termodynamických dôvodov. To znamená, že sa zdá, že nedokážeme vytvoriť nano v 2D. Avšak nie! Konstantin Novoselov a Andrey Geim syntetizovali grafén. Grafén v nano nie je plochý, ale mierne zvlnený, a preto stabilný.

Ak v našom trojrozmernom svete vyberieme jeden list papiera zo stohu papiera, potom papier zostane papierom, jeho vlastnosti sa nezmenia. Ak sa v nanosvete odstráni jedna vrstva grafitu, potom bude mať výsledný grafén jedinečné vlastnosti, ktoré nie sú podobné tým, ktoré majú svoj „predok“grafit. Grafén je priehľadný, ľahký, 100-krát pevnejší ako oceľ, výborný termoelektrický a elektrický vodič. Široko sa skúma a už sa stáva základom pre tranzistory.

Dnes, keď každý chápe, že dvojrozmerné materiály môžu v princípe existovať, objavujú sa teórie, že nové entity možno získať z kremíka, bóru, molybdénu, volfrámu atď.

A ďalej - v jednej dimenzii

Grafén v 2D má šírku a dĺžku. Ako z toho spraviť 1D a čo sa nakoniec stane? Jedným zo spôsobov je nastrihať ho na tenké stužky. Ak sa ich šírka zredukuje na maximálnu možnú mieru, tak to už nebudú len stuhy, ale ďalší unikátny nanoobjekt – karbín. Objavili ho sovietski vedci (chemici Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin a V. V. Korshak. - pozn. T&P) v 60. rokoch 20. storočia.

Druhým spôsobom, ako vytvoriť jednorozmerný objekt, je zvinúť grafén do trubice, ako je koberec. Hrúbka tejto trubice bude oveľa menšia ako jej dĺžka. Ak sa papier zroluje alebo nareže na pásy, zostane papierom. Ak sa grafén zvinie do trubice, premení sa na novú formu uhlíka – nanorúrku, ktorá má množstvo unikátnych vlastností.

Zaujímavé vlastnosti nanoobjektov

Elektrická vodivosť je to, ako dobre alebo ako zle materiál vedie elektrický prúd. V našom svete sa pri každom materiáli popisuje jedným číslom a nezávisí od jeho tvaru. Je jedno, či vyrobíte strieborný valec, kocku alebo guľu – jeho vodivosť bude vždy rovnaká.

V nanosvete je všetko inak. Zmeny v priemere nanorúriek ovplyvnia ich vodivosť. Ak je rozdiel n - m (kde n a m sú nejaké indexy popisujúce priemer trubice) delený tromi, potom nanorúrky vedú prúd. Ak sa nerozdelí, tak sa nevykoná.

Youngov modul je ďalšou zaujímavou vlastnosťou, ktorá sa prejavuje pri ohýbaní prúta alebo vetvičky. Youngov modul ukazuje, ako silne materiál odoláva deformácii a namáhaniu. Napríklad pre hliník je tento indikátor dvakrát menší ako u železa, to znamená, že odoláva dvakrát horšie. Opäť platí, že hliníková guľa nemôže byť silnejšia ako hliníková kocka. Na veľkosti a tvare nezáleží.

V nanosvete je obraz opäť odlišný: čím je nanodrôt tenší, tým vyšší je jeho Youngov modul. Ak v našom svete chceme dostať niečo z medziposchodia, tak si vyberieme pevnejšie kreslo, aby nám vydržalo. V nanosvete, aj keď to nie je také zrejmé, budeme musieť uprednostniť menšie kreslo, pretože je pevnejšie.

Ak sa v našom svete urobia diery v nejakom materiáli, potom prestane byť pevný. V nanosvete je opak pravdou. Ak do grafénu urobíte veľa dier, stane sa dvaapolkrát silnejším ako nedefektný grafén. Keď do papiera napicháme diery, jeho podstata sa nezmení. A keď urobíme diery v graféne, odstránime jeden atóm, vďaka čomu sa objaví nový lokálny efekt. Zvyšné atómy tvoria novú štruktúru, ktorá je chemicky silnejšia ako neporušené oblasti v tomto graféne.

Praktická aplikácia nanotechnológií

Grafén má jedinečné vlastnosti, no ako ich aplikovať v konkrétnej oblasti je stále otázkou. Teraz sa používa v prototypoch pre jednoelektrónové tranzistory (prenášajú signál presne jedného elektrónu). Predpokladá sa, že v budúcnosti sa dvojvrstvový grafén s nanopórmi (diery nie v jednom atóme, ale viacerých) môže stať ideálnym materiálom na selektívne čistenie plynov alebo kvapalín. Na využitie grafénu v mechanike potrebujeme veľké plochy materiálu bez defektov, no takáto výroba je technologicky mimoriadne náročná.

Z biologického hľadiska vzniká problém aj s grafénom: akonáhle sa dostane do tela, otrávi všetko. Hoci v medicíne môže byť grafén použitý ako senzor pre „zlé“molekuly DNA (mutujúce s iným chemickým prvkom atď.). Na to sú naň pripevnené dve elektródy a cez jeho póry prechádza DNA – na každú molekulu reaguje špeciálnym spôsobom.

Panvice, bicykle, prilby a vložky do topánok s prídavkom grafénu sa už v Európe vyrábajú. Jedna fínska firma vyrába komponenty pre automobily, najmä pre automobily Tesla, v ktorých sú tlačidlá, časti prístrojovej dosky a obrazovky vyrobené z pomerne hrubých nanorúrok. Tieto výrobky sú odolné a ľahké.

Oblasť nanotechnológií je náročná na výskum tak z hľadiska experimentov, ako aj z hľadiska numerického modelovania. Všetky základné problémy vyžadujúce nízky výkon počítača sú už vyriešené. Dnes je hlavným obmedzením pre výskum nedostatočný výkon superpočítačov.