Mga robot na kasing laki ng molekula: para saan tayo inihahanda ng nanotechnology?

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Ang mga modernong pag-unlad sa larangan ng nanotechnology sa hinaharap ay magbibigay-daan sa paglikha ng mga robot na napakaliit na maaari silang mailunsad sa daluyan ng dugo ng tao. Ang "mga bahagi" ng naturang robot ay magiging isang-dimensional at mas maliit, mas malakas. Si Dmitry Kvashnin, senior researcher sa Institute of Bioorganic Chemistry ng Russian Academy of Sciences, na nakikibahagi sa theoretical materials science (mga eksperimento sa computer sa larangan ng nanotechnology), ay nagsalita tungkol sa mga kabalintunaan ng nanoworld. Isinulat ng T&P ang pangunahing bagay.

Dmitry Kvashnin

Ano ang nanotechnology

Gamit ang nanotechnology, gusto naming lumikha ng mga robot na maaaring ipadala sa kalawakan o naka-embed sa mga daluyan ng dugo, upang maihatid nila ang mga gamot sa mga cell, tulungan ang mga pulang selula ng dugo na lumipat sa tamang direksyon, atbp. Ang isang gear sa naturang mga robot ay binubuo ng isang dosenang mga bahagi. Ang isang detalye ay isang atom. Ang isang gear ay sampung atoms, 10-9 metro, iyon ay, isang nanometer. Ang isang buong robot ay ilang nanometer.

Ano ang 10-9? Paano ito iharap? Para sa paghahambing, ang isang ordinaryong buhok ng tao ay halos 10-5 metro ang laki. Ang mga pulang selula ng dugo, ang mga selula ng dugo na nagbibigay ng oxygen sa ating katawan, ay humigit-kumulang pitong microns ang laki, ito ay mga 10-5 metro rin. Sa anong punto nagtatapos ang nano at nagsisimula ang ating mundo? Kapag nakakakita tayo ng isang bagay gamit ang mata.

Tatlong-dimensyon, dalawang-dimensyon, isang-dimensyon

Ano ang tatlong-dimensyon, dalawang-dimensyon at isang-dimensyon at paano ito nakakaapekto sa mga materyales at kanilang mga katangian sa nanotechnology? Alam nating lahat na ang 3D ay tatlong dimensyon. Mayroong isang ordinaryong pelikula, at mayroong isang pelikula sa 3D, kung saan ang lahat ng uri ng mga pating ay lumipad palabas sa screen sa amin. Sa mathematical sense, ganito ang hitsura ng 3D: y = f (x, y, z), kung saan nakadepende ang y sa tatlong dimensyon - haba, lapad at taas. Pamilyar sa lahat ng Mario sa tatlong dimensyon ay medyo matangkad, malapad at mabilog.

Kapag lumipat sa dalawang-dimensyon, mawawala ang isang axis: y = f (x, y). Ang lahat ay mas simple dito: Mario ay kasing taas at lapad, ngunit hindi mataba, dahil walang sinuman ang maaaring maging mataba o payat sa dalawang dimensyon.

Kung patuloy tayong bababa, kung gayon sa isang dimensyon ang lahat ay magiging medyo simple, magkakaroon lamang ng isang axis na natitira: y = f (x). Si Mario sa 1D ay mahaba lang - hindi namin siya nakikilala, ngunit siya pa rin.

Mula sa tatlong dimensyon - sa dalawang dimensyon

Ang pinakakaraniwang materyal sa ating mundo ay carbon. Maaari itong bumuo ng dalawang ganap na magkakaibang mga sangkap - brilyante, ang pinaka matibay na materyal sa Earth, at grapayt, at grapayt ay maaaring maging isang brilyante sa pamamagitan lamang ng mataas na presyon. Kung kahit na sa ating mundo ang isang elemento ay maaaring lumikha ng iba't ibang mga materyales na may kabaligtaran na mga katangian, kung gayon ano ang mangyayari sa nanoworld?

Ang graphite ay pangunahing kilala bilang pencil lead. Ang sukat ng dulo ng lapis ay halos isang milimetro, iyon ay, 10-3 metro. Ano ang hitsura ng nano lead? Isa lamang itong koleksyon ng mga layer ng carbon atoms na bumubuo ng layered structure. Mukhang isang stack ng papel.

Kapag nagsusulat tayo gamit ang lapis, may nananatili sa papel. Kung gumuhit tayo ng isang pagkakatulad sa isang salansan ng papel, para tayong naglalabas ng isang piraso ng papel mula dito. Ang manipis na layer ng grapayt na nananatili sa papel ay 2D at isang atom lamang ang kapal. Para ang isang bagay ay maituturing na two-dimensional, ang kapal nito ay dapat na marami (hindi bababa sa sampung) beses na mas mababa kaysa sa lapad at haba nito.

Pero may catch. Noong 1930s, pinatunayan nina Lev Landau at Rudolf Peierls na ang mga two-dimensional na kristal ay hindi matatag at bumagsak dahil sa mga pagbabago sa thermal (random deviations ng mga pisikal na dami mula sa kanilang mga average na halaga dahil sa magulong thermal motion ng mga particle. - Tinatayang T&P). Lumalabas na ang dalawang-dimensional na flat na materyal ay hindi maaaring umiral para sa mga kadahilanang thermodynamic. Iyon ay, tila hindi tayo makakalikha ng nano sa 2D. Gayunpaman, hindi! Sina Konstantin Novoselov at Andrey Geim ay nag-synthesize ng graphene. Ang graphene sa nano ay hindi patag, ngunit bahagyang kulot at samakatuwid ay matatag.

Kung sa ating tatlong-dimensional na mundo ay kukuha tayo ng isang sheet ng papel mula sa isang stack ng papel, kung gayon ang papel ay mananatiling papel, ang mga katangian nito ay hindi magbabago. Kung ang isang layer ng graphite ay aalisin sa nanoworld, ang magreresultang graphene ay magkakaroon ng mga natatanging katangian na hindi katulad ng mga may "progenitor" na grapayt. Ang graphene ay transparent, magaan, 100 beses na mas malakas kaysa sa bakal, mahusay na thermoelectric at electrical conductor. Ito ay malawakang sinasaliksik at nagiging batayan na ng mga transistor.

Ngayon, kapag nauunawaan ng lahat na ang dalawang-dimensional na materyales ay maaaring umiiral sa prinsipyo, lumilitaw ang mga teorya na ang mga bagong entidad ay maaaring makuha mula sa silikon, boron, molibdenum, tungsten, atbp.

At higit pa - sa isang dimensyon

Ang graphene sa 2D ay may lapad at haba. Paano gumawa ng 1D mula dito at ano ang mangyayari sa huli? Ang isang paraan ay ang pagputol nito sa manipis na mga laso. Kung ang kanilang lapad ay nabawasan sa maximum na posible, pagkatapos ito ay hindi na lamang mga ribbons, ngunit isa pang natatanging nano-object - carbyne. Natuklasan ito ng mga siyentipikong Sobyet (chemists Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin at V. V. Korshak. - T&P note) noong 1960s.

Ang pangalawang paraan upang gumawa ng isang-dimensional na bagay ay ang paggulong ng graphene sa isang tubo, tulad ng isang karpet. Ang kapal ng tubo na ito ay magiging mas mababa kaysa sa haba nito. Kung ang papel ay pinagsama o pinutol sa mga piraso, ito ay nananatiling papel. Kung ang graphene ay pinagsama sa isang tubo, ito ay nagbabago sa isang bagong anyo ng carbon - isang nanotube, na may ilang natatanging katangian.

Mga kagiliw-giliw na katangian ng mga nanoobject

Ang electrical conductivity ay kung gaano kahusay o kung gaano kahirap ang isang materyal na nagsasagawa ng isang de-koryenteng kasalukuyang. Sa ating mundo, inilalarawan ito ng isang numero para sa bawat materyal at hindi nakasalalay sa hugis nito. Hindi mahalaga kung gumawa ka ng isang silver cylinder, cube o ball - ang conductivity nito ay palaging magiging pareho.

Iba ang lahat sa nanoworld. Ang mga pagbabago sa diameter ng nanotubes ay makakaapekto sa kanilang conductivity. Kung ang pagkakaiba n - m (kung saan ang n at m ay ilang mga indeks na naglalarawan sa diameter ng tubo) ay nahahati sa tatlo, kung gayon ang mga nanotubes ay nagsasagawa ng kasalukuyang. Kung hindi ito nahahati, kung gayon hindi ito isinasagawa.

Ang modulus ni Young ay isa pang kawili-wiling pag-aari na nagpapakita ng sarili kapag ang isang baras o sanga ay baluktot. Ang modulus ni Young ay nagpapakita kung gaano kalakas ang isang materyal na lumalaban sa pagpapapangit at diin. Halimbawa, para sa aluminyo, ang tagapagpahiwatig na ito ay dalawang beses na mas mababa kaysa sa bakal, iyon ay, ito ay lumalaban nang dalawang beses na mas masama. Muli, ang isang aluminum ball ay hindi maaaring mas malakas kaysa sa isang aluminum cube. Ang laki at hugis ay hindi mahalaga.

Sa nanoworld, ang larawan ay muling naiiba: ang mas manipis ang nanowire, mas mataas ang Young's modulus nito. Kung sa ating mundo ay may gusto tayong makuha sa mezzanine, pipili tayo ng mas matibay na upuan para ito ay makatiis sa atin. Sa nanoworld, bagama't hindi masyadong halata, mas pipiliin natin ang mas maliit na upuan dahil mas malakas ito.

Kung ang mga butas ay ginawa sa ilang materyal sa ating mundo, pagkatapos ay titigil itong maging malakas. Sa nanoworld, ang kabaligtaran ay totoo. Kung gumawa ka ng maraming butas sa graphene, ito ay magiging dalawa at kalahating beses na mas malakas kaysa sa hindi depektong graphene. Kapag binutas natin ang papel, hindi nagbabago ang esensya nito. At kapag gumawa kami ng mga butas sa graphene, inaalis namin ang isang atom, dahil sa kung saan lumilitaw ang isang bagong lokal na epekto. Ang natitirang mga atom ay bumubuo ng isang bagong istraktura na mas malakas sa kemikal kaysa sa mga buo na rehiyon sa graphene na ito.

Praktikal na aplikasyon ng nanotechnology

Ang graphene ay may mga natatanging katangian, ngunit kung paano ilapat ang mga ito sa isang partikular na lugar ay isang katanungan pa rin. Ginagamit na ito ngayon sa mga prototype para sa single-electron transistors (nagpapadala ng signal ng eksaktong isang electron). Ito ay pinaniniwalaan na sa hinaharap, ang dalawang-layer na graphene na may nanopores (mga butas hindi sa isang atom, ngunit higit pa) ay maaaring maging isang perpektong materyal para sa pumipili na paglilinis ng mga gas o likido. Upang magamit ang graphene sa mekanika, kailangan namin ng malalaking lugar ng materyal na walang mga depekto, ngunit ang naturang produksyon ay napakahirap sa teknolohiya.

Mula sa isang biyolohikal na pananaw, ang isang problema ay lumitaw din sa graphene: kapag nakapasok ito sa loob ng katawan, nilalason nito ang lahat. Bagama't sa medisina, ang graphene ay maaaring gamitin bilang sensor para sa "masamang" molekula ng DNA (nagmu-mutate sa ibang elemento ng kemikal, atbp.). Upang gawin ito, dalawang electrodes ang nakakabit dito at ang DNA ay dumaan sa mga pores nito - ito ay tumutugon sa bawat molekula sa isang espesyal na paraan.

Ginagawa na sa Europe ang mga pan, bisikleta, helmet at insole ng sapatos na may kasamang graphene. Isang kumpanya ng Finnish ang gumagawa ng mga bahagi para sa mga kotse, partikular para sa mga sasakyang Tesla, kung saan ang mga button, bahagi ng dashboard at mga screen ay gawa sa medyo makapal na nanotube. Ang mga produktong ito ay matibay at magaan.

Ang larangan ng nanotechnology ay mahirap para sa pananaliksik kapwa mula sa punto ng view ng mga eksperimento at mula sa pananaw ng numerical modeling. Ang lahat ng mga pangunahing isyu na nangangailangan ng mababang kapangyarihan ng computer ay nalutas na. Ngayon, ang pangunahing limitasyon para sa pananaliksik ay ang hindi sapat na kapangyarihan ng mga supercomputer.