Robotët me madhësi molekulare: për çfarë na përgatit nanoteknologjia?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Zhvillimet moderne në fushën e nanoteknologjisë në të ardhmen do të lejojnë krijimin e robotëve aq të vegjël sa të mund të hidhen në qarkullimin e gjakut të njeriut. "Pjesët" e një roboti të tillë do të jenë njëdimensionale dhe sa më të vogla, aq më të forta. Dmitry Kvashnin, studiues i vjetër në Institutin e Kimisë Bioorganike të Akademisë së Shkencave Ruse, i cili është i angazhuar në shkencën teorike të materialeve (eksperimente kompjuterike në fushën e nanoteknologjisë), foli për paradokset e nanobotës. T&P shkroi gjënë kryesore.

Dmitry Kvashnin

Çfarë është nanoteknologjia

Duke përdorur nanoteknologjinë, ne do të donim të krijonim robotë që mund të dërgohen në hapësirë ose të futen në enët e gjakut, në mënyrë që të dërgojnë ilaçe në qeliza, të ndihmojnë qelizat e kuqe të gjakut të lëvizin në drejtimin e duhur, etj. Një ingranazh në robotë të tillë përbëhet nga një duzinë pjesët. Një detaj është një atom. Një ingranazh është dhjetë atome, 10-9 metra, domethënë një nanometër. Një robot i tërë është disa nanometra.

Çfarë është 10-9? Si ta paraqesim atë? Për krahasim, një qime e zakonshme njerëzore është rreth 10-5 metra në madhësi. Qelizat e kuqe të gjakut, qelizat e gjakut që furnizojnë trupin tonë me oksigjen, janë rreth shtatë mikronë në madhësi, kjo është gjithashtu rreth 10-5 metra. Në cilën pikë mbaron nano dhe fillon bota jonë? Kur mund të shohim një objekt me sy të lirë.

Tre-dimensionale, dy-dimensionale, një-dimensionale

Çfarë është tredimensionale, dydimensionale dhe njëdimensionale dhe si ndikojnë ato në materialet dhe vetitë e tyre në nanoteknologji? Të gjithë e dimë se 3D është tre dimensione. Ka një film të zakonshëm, dhe ka një film në 3D, ku gjithfarë peshkaqenësh fluturojnë nga ekrani drejt nesh. Në një kuptim matematikor, 3D duket kështu: y = f (x, y, z), ku y varet nga tre dimensione - gjatësia, gjerësia dhe lartësia. I njohur për të gjithë Mario në tre dimensione është mjaft i gjatë, i gjerë dhe i shëndoshë.

Kur kaloni në dy dimensione, një aks do të zhduket: y = f (x, y). Gjithçka është shumë më e thjeshtë këtu: Mario është po aq i gjatë dhe i gjerë, por jo i shëndoshë, sepse askush nuk mund të jetë i trashë apo i hollë në dy dimensione.

Nëse vazhdojmë të zvogëlojmë, atëherë në një dimension gjithçka do të bëhet mjaft e thjeshtë, do të mbetet vetëm një bosht: y = f (x). Mario në 1D është thjesht i gjatë - ne nuk e njohim atë, por është ende ai.

Nga tre dimensione - në dy dimensione

Materiali më i zakonshëm në botën tonë është karboni. Ai mund të formojë dy substanca krejtësisht të ndryshme - diamantin, materiali më i qëndrueshëm në Tokë, dhe grafiti, dhe grafiti mund të bëhet një diamant thjesht përmes presionit të lartë. Nëse edhe në botën tonë një element mund të krijojë materiale rrënjësisht të ndryshme me veti të kundërta, atëherë çfarë do të ndodhë në nanobotën?

Grafiti njihet kryesisht si plumb lapsi. Madhësia e majës së një lapsi është rreth një milimetër, domethënë 10-3 metra. Si duket një nano plumb? Është thjesht një koleksion i shtresave të atomeve të karbonit që formojnë një strukturë të shtresuar. Duket si një pirg letre.

Kur shkruajmë me laps, në letër mbetet një gjurmë. Nëse vizatojmë një analogji me një pirg letre, është sikur po nxjerrim një copë letre prej saj. Shtresa e hollë e grafitit që mbetet në letër është 2D dhe është e trashë vetëm një atom. Që një objekt të konsiderohet dydimensional, trashësia e tij duhet të jetë shumë (të paktën dhjetë) herë më e vogël se gjerësia dhe gjatësia e tij.

Por ka një kapje. Në vitet 1930, Lev Landau dhe Rudolf Peierls vërtetuan se kristalet dydimensionale janë të paqëndrueshme dhe shemben për shkak të luhatjeve termike (devijime të rastësishme të sasive fizike nga vlerat e tyre mesatare për shkak të lëvizjes kaotike termike të grimcave. - Përafërsisht T&P). Rezulton se materiali i sheshtë dy-dimensional nuk mund të ekzistojë për arsye termodinamike. Kjo do të thotë, duket se ne nuk mund të krijojmë nano në 2D. Megjithatë, jo! Konstantin Novoselov dhe Andrey Geim sintetizuan grafen. Grafeni në nano nuk është i sheshtë, por pak i valëzuar dhe për këtë arsye i qëndrueshëm.

Nëse në botën tonë tredimensionale nxjerrim një fletë letre nga një pirg letre, atëherë letra do të mbetet letër, vetitë e saj nuk do të ndryshojnë. Nëse një shtresë grafiti hiqet në nanobotën, atëherë grafeni që rezulton do të ketë veti unike që nuk janë aspak si ato që kanë grafitin e tij "paraardhës". Grafeni është transparent, i lehtë, 100 herë më i fortë se çeliku, përçues i shkëlqyer termoelektrik dhe elektrik. Është duke u hulumtuar gjerësisht dhe tashmë po bëhet bazë për transistorët.

Sot, kur të gjithë e kuptojnë se materialet dydimensionale në parim mund të ekzistojnë, shfaqen teori që entitete të reja mund të merren nga silikoni, bor, molibden, tungsten etj.

Dhe më tej - në një dimension

Grafeni në 2D ka një gjerësi dhe një gjatësi. Si të bëni 1D prej saj dhe çfarë do të ndodhë në fund? Një mënyrë është ta prisni në shirita të hollë. Nëse gjerësia e tyre reduktohet në maksimum të mundshëm, atëherë nuk do të jenë më vetëm shirita, por një tjetër nano-objekt unik - karabin. Ajo u zbulua nga shkencëtarët sovjetikë (kimistët Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin dhe V. V. Korshak. - Shënim T&P) në vitet 1960.

Mënyra e dytë për të bërë një objekt njëdimensional është të rrotulloni grafenin në një tub, si një qilim. Trashësia e këtij tubi do të jetë shumë më e vogël se gjatësia e tij. Nëse letra mbështillet ose pritet në shirita, ajo mbetet letër. Nëse grafeni rrotullohet në një tub, ai shndërrohet në një formë të re karboni - një nanotub, i cili ka një sërë veçorish unike.

Karakteristikat interesante të nanoobjekteve

Përçueshmëria elektrike është se sa mirë ose keq një material përçon një rrymë elektrike. Në botën tonë, ai përshkruhet me një numër për çdo material dhe nuk varet nga forma e tij. Nuk ka rëndësi nëse bëni një cilindër, kub apo top argjendi - përçueshmëria e tij do të jetë gjithmonë e njëjtë.

Gjithçka është ndryshe në nanobotë. Ndryshimet në diametrin e nanotubave do të ndikojnë në përçueshmërinë e tyre. Nëse diferenca n - m (ku n dhe m janë disa indekse që përshkruajnë diametrin e tubit) ndahet me tre, atëherë nanotubat përcjellin rrymë. Nëse nuk ndahet, atëherë nuk kryhet.

Moduli i Young është një tjetër veti interesante që shfaqet kur një shufër ose degëz përkulet. Moduli i Young tregon se sa fort një material i reziston deformimit dhe stresit. Për shembull, për aluminin, ky tregues është dy herë më pak se ai i hekurit, domethënë reziston dy herë më keq. Përsëri, një top alumini nuk mund të jetë më i fortë se një kub alumini. Madhësia dhe forma nuk kanë rëndësi.

Në nanobotën, fotografia është përsëri e ndryshme: sa më i hollë të jetë nanoteli, aq më i lartë është moduli i Young-it. Nëse në botën tonë duam të marrim diçka nga kat i ndërmjetëm, atëherë do të zgjedhim një karrige më të fortë që të mund të na përballojë. Në nanobotën, megjithëse nuk është aq e dukshme, do të duhet të preferojmë karrigen më të vogël sepse është më e fortë.

Nëse në botën tonë bëhen vrima në ndonjë material, atëherë ai do të pushojë së qeni i fortë. Në nanobotë, e kundërta është e vërtetë. Nëse bëni shumë vrima në grafen, ai bëhet dy herë e gjysmë më i fortë se grafeni pa defekt. Kur hapim vrima në letër, thelbi i saj nuk ndryshon. Dhe kur bëjmë vrima në grafen, heqim një atom, për shkak të të cilit shfaqet një efekt i ri lokal. Atomet e mbetura formojnë një strukturë të re që është kimikisht më e fortë se rajonet e paprekura në këtë grafen.

Zbatimi praktik i nanoteknologjisë

Grafeni ka veti unike, por si t'i aplikoni ato në një zonë të caktuar është ende një pyetje. Tani përdoret në prototipe për transistorët me një elektron (që transmetojnë një sinjal prej saktësisht një elektroni). Besohet se në të ardhmen, grafeni me dy shtresa me nanopore (vrima jo në një atom, por më shumë) mund të bëhet një material ideal për pastrimin selektiv të gazeve ose lëngjeve. Për të përdorur grafenin në mekanikë, na duhen sipërfaqe të mëdha materiali pa defekte, por një prodhim i tillë është jashtëzakonisht i vështirë teknologjikisht.

Nga pikëpamja biologjike, një problem lind edhe me grafenin: pasi futet brenda trupit, helmon gjithçka. Edhe pse në mjekësi, grafeni mund të përdoret si sensor për molekulat "e këqija" të ADN-së (duke u ndryshuar me një element tjetër kimik, etj.). Për ta bërë këtë, dy elektroda janë ngjitur në të dhe ADN-ja kalon nëpër poret e saj - ajo reagon ndaj secilës molekulë në një mënyrë të veçantë.

Tava, biçikleta, helmeta dhe shtroja këpucësh me shtimin e grafenit po prodhohen tashmë në Evropë. Një firmë finlandeze prodhon komponentë për makina, veçanërisht për makinat Tesla, në të cilat butonat, pjesët e pultit dhe ekranet janë bërë nga nanotuba mjaft të trashë. Këto produkte janë të qëndrueshme dhe të lehta.

Fusha e nanoteknologjisë është e vështirë për kërkime si nga pikëpamja e eksperimenteve ashtu edhe nga pikëpamja e modelimit numerik. Të gjitha çështjet themelore që kërkojnë fuqi të ulët kompjuteri tashmë janë zgjidhur. Sot, kufizimi kryesor për kërkimin është fuqia e pamjaftueshme e superkompjuterëve.