Роботи с размер на молекула: за какво ни подготвя нанотехнологиите?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Съвременните разработки в областта на нанотехнологиите в бъдеще ще позволят създаването на роботи, толкова малки, че да могат да бъдат пуснати в човешкия кръвоток. „Частите“на такъв робот ще бъдат едноизмерни и колкото по-малки, толкова по-силни. Дмитрий Квашнин, старши научен сътрудник в Института по биоорганична химия на Руската академия на науките, който се занимава с теоретична материалознание (компютърни експерименти в областта на нанотехнологиите), говори за парадоксите на наносвета. T&P написа основното.

Дмитрий Квашнин

Какво е нанотехнология

Използвайки нанотехнологиите, бихме искали да създадем роботи, които могат да бъдат изпратени в космоса или вградени в кръвоносните съдове, така че да доставят лекарства до клетките, да помагат на червените кръвни клетки да се движат в правилната посока и т.н. Една предавка в такива роботи се състои от дузина части. Един детайл е един атом. Предавката е десет атома, 10-9 метра, тоест един нанометър. Целият робот е няколко нанометра.

Какво е 10-9? Как да го представим? За сравнение, обикновената човешка коса е с размер около 10-5 метра. Червените кръвни клетки, кръвните клетки, които доставят на тялото ни кислород, са с размер около седем микрона, това също е около 10-5 метра. В кой момент свършва нано и започва нашият свят? Когато можем да видим обект с просто око.

Триизмерен, двуизмерен, едноизмерен

Какво е триизмерно, двуизмерно и едномерно и как те влияят на материалите и техните свойства в нанотехнологиите? Всички знаем, че 3D е три измерения. Има обикновен филм, има и филм в 3D, където всякакви акули летят от екрана към нас. В математически смисъл 3D изглежда така: y = f (x, y, z), където y зависи от три измерения – дължина, ширина и височина. Познатият на всички Марио в три измерения е доста висок, широк и пълничък.

При преминаване към двумерност една ос ще изчезне: y = f (x, y). Тук всичко е много по-просто: Марио е също толкова висок и широк, но не и дебел, защото никой не може да бъде дебел или слаб в две измерения.

Ако продължим да намаляваме, тогава в едно измерение всичко ще стане доста просто, ще остане само една ос: y = f (x). Марио в 1D е просто дълъг - не го разпознаваме, но все пак е той.

От три измерения - в две измерения

Най-разпространеният материал в нашия свят е въглеродът. Той може да образува две напълно различни вещества - диамант, най-издръжливият материал на Земята, и графит, а графитът може да стане диамант просто чрез високо налягане. Ако дори в нашия свят един елемент може да създаде коренно различни материали с противоположни свойства, тогава какво ще се случи в наносвета?

Графитът е известен преди всичко като олово за молив. Размерът на върха на молив е около един милиметър, тоест 10-3 метра. Как изглежда нано олово? Това е просто съвкупност от слоеве въглеродни атоми, образуващи слоеста структура. Изглежда като купчина хартия.

Когато пишем с молив, върху хартията остава следа. Ако направим аналогия с купчина хартия, все едно вадим един лист хартия от него. Тънкият слой графит, който остава върху хартията, е 2D и е с дебелина само един атом. За да се счита един обект за двуизмерен, дебелината му трябва да бъде много (поне десет) пъти по-малка от ширината и дължината му.

Но има уловка. През 30-те години на миналия век Лев Ландау и Рудолф Пайерлс доказаха, че двуизмерните кристали са нестабилни и се срутват поради термични флуктуации (случайни отклонения на физическите величини от средните им стойности поради хаотично термично движение на частиците. - Прибл. T&P). Оказва се, че двуизмерен плосък материал не може да съществува поради термодинамични причини. Тоест изглежда, че не можем да създадем нано в 2D. Въпреки това, не! Константин Новоселов и Андрей Гейм синтезираха графен. Графенът в нано не е плосък, а леко вълнообразен и следователно стабилен.

Ако в нашия триизмерен свят извадим един лист хартия от купчина хартия, тогава хартията ще остане хартия, нейните свойства няма да се променят. Ако един слой графит бъде премахнат в наносвета, тогава полученият графен ще има уникални свойства, които не приличат на тези, които имат своя "предшественик" графит. Графенът е прозрачен, лек, 100 пъти по-здрав от стоманата, отличен термоелектрически и електрически проводник. Той се изследва широко и вече се превръща в основа за транзистори.

Днес, когато всеки разбира, че двуизмерните материали по принцип могат да съществуват, се появяват теории, че нови образувания могат да бъдат получени от силиций, бор, молибден, волфрам и т.н.

И по-нататък – в едно измерение

Графенът в 2D има ширина и дължина. Как да направим 1D от него и какво ще се случи в крайна сметка? Един от методите е да го нарежете на тънки ленти. Ако ширината им бъде намалена до възможно най-много, то вече няма да са просто ленти, а друг уникален нано-обект - карбин. Открит е от съветски учени (химици Ю. П. Кудрявцев, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин и В. В. Коршак. - бел. T&P) през 60-те години на миналия век.

Вторият начин да направите едномерен обект е да навиете графена в тръба, като килим. Дебелината на тази тръба ще бъде много по-малка от нейната дължина. Ако хартията се разточи или нареже на ленти, остава хартия. Ако графенът се навива в тръба, той се трансформира в нова форма на въглерод - нанотръба, която има редица уникални свойства.

Интересни свойства на нанообектите

Електрическата проводимост е колко добре или колко лошо материалът провежда електрически ток. В нашия свят той се описва с едно число за всеки материал и не зависи от неговата форма. Няма значение дали ще направите сребърен цилиндър, куб или топка - проводимостта му винаги ще бъде една и съща.

Всичко е различно в наносвета. Промените в диаметъра на нанотръбите ще повлияят на тяхната проводимост. Ако разликата n - m (където n и m са някои индекси, описващи диаметъра на тръбата) се раздели на три, тогава нанотръбите провеждат ток. Ако не се раздели, значи не се изпълнява.

Модулът на Янг е друго интересно свойство, което се проявява при огъване на пръчка или клонка. Модулът на Янг показва колко силно материалът издържа на деформация и напрежение. Например, за алуминия този индикатор е два пъти по-малък от този на желязото, тоест издържа два пъти по-лошо. Отново, алуминиева топка не може да бъде по-здрава от алуминиев куб. Размерът и формата нямат значение.

В наносвета картината отново е различна: колкото по-тънък е нанопроводът, толкова по-висок е модулът му на Янг. Ако в нашия свят искаме да вземем нещо от мецанина, тогава ще изберем по-здрав стол, за да може да ни издържи. В наносвета, въпреки че не е толкова очевидно, ще трябва да предпочетем по-малкия стол, защото е по-здрав.

Ако се направят дупки в някакъв материал в нашия свят, тогава той ще престане да бъде здрав. В наносвета е точно обратното. Ако направите много дупки в графен, той става два пъти и половина по-здрав от недефектния графен. Когато пробиваме дупки в хартията, нейната същност не се променя. И когато правим дупки в графена, премахваме един атом, поради което се появява нов локален ефект. Останалите атоми образуват нова структура, която е химически по-силна от непокътнатите региони в този графен.

Практическо приложение на нанотехнологиите

Графенът има уникални свойства, но как да ги приложим в определена област все още е въпрос. Сега се използва в прототипи за едноелектронни транзистори (предаващи сигнал от точно един електрон). Смята се, че в бъдеще двуслойният графен с нанопори (дупки не в един атом, а повече) може да се превърне в идеален материал за селективно пречистване на газове или течности. За да използваме графен в механиката, се нуждаем от големи площи от материал без дефекти, но такова производство е изключително трудно технологично.

От биологична гледна точка възниква проблем и с графена: след като попадне в тялото, той отравя всичко. Въпреки че в медицината, графенът може да се използва като сензор за „лоши“ДНК молекули (мутиращи с друг химичен елемент и т.н.). За да направите това, към него са прикрепени два електрода и през порите му се прокарва ДНК – тя реагира на всяка молекула по специален начин.

Тигани, велосипеди, каски и стелки за обувки с добавка на графен вече се произвеждат в Европа. Една финландска фирма произвежда компоненти за автомобили, особено за автомобили Tesla, в които бутоните, частите на арматурното табло и екраните са направени от доста дебели нанотръби. Тези продукти са издръжливи и леки.

Областта на нанотехнологиите е трудна за изследване както от гледна точка на експериментите, така и от гледна точка на численото моделиране. Всички основни проблеми, изискващи ниска мощност на компютъра, вече са разрешени. Днес основното ограничение за изследванията е недостатъчната мощност на суперкомпютрите.