Roboti za ukubwa wa molekuli: nanoteknolojia inatutayarisha nini?

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Maendeleo ya kisasa katika uwanja wa nanoteknolojia katika siku zijazo itaruhusu kuundwa kwa robots ndogo sana ili ziweze kuzinduliwa kwenye damu ya binadamu. "Sehemu" za roboti kama hiyo zitakuwa zenye mwelekeo mmoja na ndogo, zenye nguvu zaidi. Dmitry Kvashnin, mtafiti mkuu katika Taasisi ya Kemia ya Bioorganic ya Chuo cha Sayansi cha Urusi, ambaye anajishughulisha na sayansi ya vifaa vya kinadharia (majaribio ya kompyuta katika uwanja wa nanoteknolojia), alizungumza juu ya utata wa ulimwengu wa nano. T&P iliandika jambo kuu.

Dmitry Kvashnin

Nanoteknolojia ni nini

Kwa kutumia nanoteknolojia, tungependa kuunda roboti zinazoweza kutumwa angani au kupachikwa kwenye mishipa ya damu, ili zipeleke dawa kwenye seli, zisaidie chembe nyekundu za damu kusogea kwenye mwelekeo unaofaa, n.k. Gia moja katika roboti kama hizo inajumuisha dazeni. sehemu. Maelezo moja ni atomi moja. Gia ni atomi kumi, mita 10-9, ambayo ni nanometer moja. Roboti nzima ni nanomita chache.

10-9 ni nini? Jinsi ya kuiwasilisha? Kwa kulinganisha, nywele za kawaida za binadamu ni karibu mita 10-5 kwa ukubwa. Seli nyekundu za damu, seli za damu ambazo hutoa mwili wetu na oksijeni, ni kuhusu microns saba kwa ukubwa, hii pia ni kuhusu mita 10-5. Ni wakati gani nano inaisha na ulimwengu wetu huanza? Wakati tunaweza kuona kitu kwa macho.

Tatu-dimension, mbili-dimension, moja-dimension

Je, ni mwelekeo wa tatu, mwelekeo mbili na mwelekeo mmoja na jinsi gani huathiri vifaa na mali zao katika nanoteknolojia? Sote tunajua kwamba 3D ni vipimo vitatu. Kuna filamu ya kawaida, na kuna filamu katika 3D, ambapo kila aina ya papa huruka nje ya skrini kutujia. Kwa maana ya hisabati, 3D inaonekana kama hii: y = f (x, y, z), ambapo y inategemea vipimo vitatu - urefu, upana na urefu. Inajulikana kwa Mario wote katika vipimo vitatu ni mrefu sana, pana na mnene.

Wakati wa kubadili kwa mwelekeo mbili, mhimili mmoja utatoweka: y = f (x, y). Kila kitu ni rahisi zaidi hapa: Mario ni mrefu na pana, lakini sio mafuta, kwa sababu hakuna mtu anayeweza kuwa mnene au mwembamba katika vipimo viwili.

Ikiwa tutaendelea kupungua, basi katika mwelekeo mmoja kila kitu kitakuwa rahisi sana, kutakuwa na mhimili mmoja tu: y = f (x). Mario katika 1D ni mrefu tu - hatumtambui, lakini bado ni yeye.

Kutoka kwa vipimo vitatu - katika vipimo viwili

Nyenzo ya kawaida katika ulimwengu wetu ni kaboni. Inaweza kuunda vitu viwili tofauti kabisa - almasi, nyenzo za kudumu zaidi Duniani, na grafiti, na grafiti inaweza kuwa almasi kupitia shinikizo la juu. Ikiwa hata katika ulimwengu wetu kipengele kimoja kinaweza kuunda vifaa tofauti kwa kiasi kikubwa na mali kinyume, basi nini kitatokea katika nanoworld?

Graphite inajulikana kimsingi kama risasi ya penseli. Ukubwa wa ncha ya penseli ni karibu milimita moja, yaani, mita 10-3. Je, risasi ya nano inaonekanaje? Ni mkusanyiko tu wa tabaka za atomi za kaboni zinazounda muundo wa tabaka. Inaonekana kama rundo la karatasi.

Tunapoandika kwa penseli, athari inabaki kwenye karatasi. Ikiwa tunachora mlinganisho na rundo la karatasi, ni kana kwamba tunatoa kipande kimoja cha karatasi kutoka kwake. Safu nyembamba ya grafiti iliyobaki kwenye karatasi ni 2D na ni nene ya atomi moja tu. Ili kitu kichukuliwe kuwa cha pande mbili, unene wake lazima uwe mara nyingi (angalau kumi) chini ya upana na urefu wake.

Lakini kuna kukamata. Katika miaka ya 1930, Lev Landau na Rudolf Peierls walithibitisha kuwa fuwele zenye sura mbili hazina uthabiti na huporomoka kwa sababu ya mabadiliko ya joto (mkengeuko wa nasibu wa kiasi cha kimwili kutoka kwa maadili yao ya wastani kutokana na mwendo wa joto wa chembe. - Takriban T&P). Inatokea kwamba nyenzo za gorofa mbili-dimensional haziwezi kuwepo kwa sababu za thermodynamic. Hiyo ni, inaonekana kwamba hatuwezi kuunda nano katika 2D. Hata hivyo, hapana! Konstantin Novoselov na Andrey Geim walitengeneza graphene. Graphene katika nano sio gorofa, lakini wavy kidogo na kwa hiyo imara.

Ikiwa katika ulimwengu wetu wa tatu-dimensional tunachukua karatasi moja kutoka kwenye safu ya karatasi, basi karatasi itabaki karatasi, mali zake hazitabadilika. Ikiwa safu moja ya grafiti itaondolewa kwenye nanoworld, basi graphene inayotokana itakuwa na mali ya kipekee ambayo sio kama yale ambayo yana "progenitor" yake. Graphene ni ya uwazi, nyepesi, yenye nguvu mara 100 kuliko chuma, thermoelectric bora na conductor umeme. Inachunguzwa sana na tayari inakuwa msingi wa transistors.

Leo, wakati kila mtu anaelewa kuwa nyenzo za pande mbili zinaweza kuwepo, nadharia zinaonekana kuwa vyombo vipya vinaweza kupatikana kutoka kwa silicon, boron, molybdenum, tungsten, nk.

Na zaidi - katika mwelekeo mmoja

Graphene katika 2D ina upana na urefu. Jinsi ya kutengeneza 1D kutoka kwayo na nini kitatokea mwisho? Njia moja ni kukata kwenye ribbons nyembamba. Ikiwa upana wao umepunguzwa hadi kiwango cha juu iwezekanavyo, basi haitakuwa tena ribbons tu, lakini kitu kingine cha kipekee cha nano - carbyne. Iligunduliwa na wanasayansi wa Soviet (kemia Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin na V. V. Korshak. - T&P note) katika miaka ya 1960.

Njia ya pili ya kutengeneza kitu chenye mwelekeo mmoja ni kuviringisha graphene kwenye bomba, kama zulia. Unene wa tube hii itakuwa chini sana kuliko urefu wake. Ikiwa karatasi imevingirwa au kukatwa vipande vipande, inabaki kuwa karatasi. Ikiwa graphene imevingirwa kwenye bomba, inabadilika kuwa aina mpya ya kaboni - nanotube, ambayo ina idadi ya mali ya kipekee.

Mali ya kuvutia ya nanoobjects

Uendeshaji wa umeme ni jinsi nyenzo inavyofanya mkondo wa umeme vizuri au hafifu. Katika ulimwengu wetu, inaelezewa na nambari moja kwa kila nyenzo na haitegemei sura yake. Haijalishi ikiwa unafanya silinda ya fedha, mchemraba au mpira - conductivity yake daima itakuwa sawa.

Kila kitu ni tofauti katika ulimwengu wa nano. Mabadiliko katika kipenyo cha nanotubes yataathiri conductivity yao. Ikiwa tofauti n - m (ambapo n na m ni baadhi ya fahirisi zinazoelezea kipenyo cha tube) imegawanywa na tatu, basi nanotubes hufanya sasa. Ikiwa haijagawanywa, basi haifanyiki.

Moduli ya vijana ni mali nyingine ya kuvutia ambayo inajidhihirisha wakati fimbo au tawi linapigwa. Moduli ya Young inaonyesha jinsi nyenzo inavyopinga kwa nguvu deformation na dhiki. Kwa mfano, kwa alumini, kiashiria hiki ni mara mbili chini ya ile ya chuma, yaani, inakabiliwa mara mbili mbaya. Tena, mpira wa alumini hauwezi kuwa na nguvu zaidi kuliko mchemraba wa alumini. Ukubwa na sura haijalishi.

Katika nanoworld, picha ni tofauti tena: nyembamba ya nanowire, juu ya moduli yake ya Young. Ikiwa katika ulimwengu wetu tunataka kupata kitu kutoka kwa mezzanine, basi tutachagua kiti chenye nguvu zaidi ili iweze kutuhimili. Katika ulimwengu wa nano, ingawa sio dhahiri sana, tutalazimika kupendelea kiti kidogo kwa sababu kina nguvu zaidi.

Ikiwa mashimo yanafanywa katika nyenzo fulani katika ulimwengu wetu, basi itaacha kuwa na nguvu. Katika ulimwengu wa nano, kinyume chake ni kweli. Ukitengeneza shimo nyingi kwenye graphene, inakuwa na nguvu mara mbili na nusu kuliko graphene isiyo na kasoro. Tunapopiga mashimo kwenye karatasi, asili yake haibadilika. Na tunapofanya mashimo kwenye graphene, tunaondoa atomi moja, kwa sababu ambayo athari mpya ya ndani inaonekana. Atomi zilizosalia huunda muundo mpya ambao una nguvu zaidi kemikali kuliko sehemu zisizobadilika kwenye grafu hii.

Utumiaji wa vitendo wa nanoteknolojia

Graphene ina mali ya kipekee, lakini jinsi ya kuitumia katika eneo fulani bado ni swali. Sasa inatumika katika prototypes kwa transistors moja-elektroni (kupeleka ishara ya elektroni moja haswa). Inaaminika kuwa katika siku zijazo, graphene ya safu mbili na nanopores (mashimo sio kwenye atomi moja, lakini zaidi) inaweza kuwa nyenzo bora kwa utakaso wa kuchagua wa gesi au vinywaji. Ili kutumia graphene katika mekanika, tunahitaji maeneo makubwa ya nyenzo bila kasoro, lakini uzalishaji kama huo ni mgumu sana kiteknolojia.

Kutoka kwa mtazamo wa kibaolojia, shida pia hutokea kwa graphene: mara tu inapoingia ndani ya mwili, inatia sumu kila kitu. Ingawa katika dawa, graphene inaweza kutumika kama sensor ya molekuli "mbaya" za DNA (kubadilika na kipengele kingine cha kemikali, nk). Kwa kufanya hivyo, electrodes mbili zimeunganishwa nayo na DNA hupitishwa kupitia pores zake - humenyuka kwa kila molekuli kwa njia maalum.

Pani, baiskeli, helmeti na insoles za viatu pamoja na kuongeza ya graphene tayari zinazalishwa huko Uropa. Kampuni moja ya Kifini hutengeneza vipengee vya magari, hasa kwa magari ya Tesla, ambamo vitufe, sehemu za dashibodi na skrini hutengenezwa kwa nanotubes nene kiasi. Bidhaa hizi ni za kudumu na nyepesi.

Sehemu ya nanoteknolojia ni ngumu kwa utafiti kutoka kwa mtazamo wa majaribio na kutoka kwa maoni ya uundaji wa nambari. Masuala yote ya msingi yanayohitaji nguvu ndogo ya kompyuta tayari yametatuliwa. Leo, kizuizi kikuu cha utafiti ni uwezo wa kutosha wa kompyuta kubwa.