Molekulegrootte robots: waarvoor berei nanotegnologie ons voor?

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Moderne ontwikkelings op die gebied van nanotegnologie in die toekoms sal die skepping van robotte so klein moontlik maak dat hulle in die menslike bloedstroom geloods kan word. Die "onderdele" van so 'n robot sal eendimensioneel wees en hoe kleiner, hoe sterker. Dmitri Kvashnin, senior navorser by die Instituut vir Bioorganiese Chemie van die Russiese Akademie vir Wetenskappe, wat betrokke is by teoretiese materiaalwetenskap (rekenaareksperimente op die gebied van nanotegnologie), het oor die paradokse van die nanowêreld gepraat. T&P het die hoofsaak geskryf.

Dmitri Kvashnin

Wat is nanotegnologie

Met behulp van nanotegnologie wil ons robotte skep wat die ruimte ingestuur kan word of in bloedvate ingebed kan word, sodat hulle dwelms aan selle lewer, rooibloedselle help om in die regte rigting te beweeg, ens. Een rat in sulke robotte bestaan uit 'n dosyn dele. Een detail is een atoom. 'n Rat is tien atome, 10-9 meter, dit wil sê een nanometer. 'n Hele robot is 'n paar nanometers.

Wat is 10-9? Hoe om dit aan te bied? Ter vergelyking, 'n gewone menslike haar is ongeveer 10-5 meter groot. Rooibloedselle, die bloedselle wat ons liggaam van suurstof voorsien, is ongeveer sewe mikron groot, dit is ook so 10-5 meter. Op watter punt eindig nano en begin ons wêreld? Wanneer ons 'n voorwerp met die blote oog kan sien.

Drie-dimensie, twee-dimensie, een-dimensie

Wat is drie-dimensie, twee-dimensie en een-dimensie en hoe beïnvloed dit materiale en hul eienskappe in nanotegnologie? Ons weet almal dat 3D drie dimensies is. Daar is’n gewone fliek, en daar is’n fliek in 3D, waar allerhande haaie by ons uit die skerm vlieg. In 'n wiskundige sin lyk 3D so: y = f (x, y, z), waar y afhang van drie dimensies - lengte, breedte en hoogte. Bekend aan almal Mario in drie dimensies is redelik lank, wyd en mollig.

Wanneer na twee-dimensie oorgeskakel word, sal een as verdwyn: y = f (x, y). Alles is baie eenvoudiger hier: Mario is net so lank en wyd, maar nie vet nie, want niemand kan in twee dimensies vet of maer wees nie.

As ons aanhou afneem, dan sal alles in een dimensie redelik eenvoudig word, daar sal net een as oor wees: y = f (x). Mario in 1D is net lank – ons herken hom nie, maar dit is steeds hy.

Van drie dimensies - na twee dimensies

Die mees algemene materiaal in ons wêreld is koolstof. Dit kan twee heeltemal verskillende stowwe vorm - diamant, die duursaamste materiaal op aarde, en grafiet, en grafiet kan 'n diamant word bloot deur hoë druk. As selfs in ons wêreld een element radikaal verskillende materiale met teenoorgestelde eienskappe kan skep, wat sal dan in die nanowêreld gebeur?

Grafiet staan hoofsaaklik bekend as 'n potloodlood. Die grootte van die punt van 'n potlood is ongeveer een millimeter, dit wil sê 10-3 meter. Hoe lyk 'n nano-lood? Dit is bloot 'n versameling lae koolstofatome wat 'n gelaagde struktuur vorm. Lyk soos 'n stapel papier.

Wanneer ons met 'n potlood skryf, bly 'n spoor op die papier agter. As ons 'n analogie met 'n stapel papier teken, is dit asof ons een stuk papier daaruit trek. Die dun laag grafiet wat op die papier oorbly, is 2D en is net een atoom dik. Vir 'n voorwerp om as tweedimensioneel beskou te word, moet sy dikte baie (ten minste tien) keer minder as sy breedte en lengte wees.

Maar daar is 'n vangplek. In die 1930's het Lev Landau en Rudolf Peierls bewys dat tweedimensionele kristalle onstabiel is en ineenstort as gevolg van termiese fluktuasies (willekeurige afwykings van fisiese hoeveelhede van hul gemiddelde waardes as gevolg van chaotiese termiese beweging van deeltjies. - Ongeveer T&P). Dit blyk dat tweedimensionele plat materiaal om termodinamiese redes nie kan bestaan nie. Dit wil sê, dit blyk dat ons nie nano in 2D kan skep nie. Maar nee! Konstantin Novoselov en Andrey Geim het grafeen gesintetiseer. Grafeen in nano is nie plat nie, maar effens golwend en dus stabiel.

As ons in ons driedimensionele wêreld een vel papier uit 'n stapel papier haal, dan sal die papier papier bly, sy eienskappe sal nie verander nie. As een laag grafiet in die nanowêreld verwyder word, sal die resulterende grafeen unieke eienskappe hê wat niks is soos dié wat sy "voorloper"-grafiet het nie. Grafeen is deursigtig, liggewig, 100 keer sterker as staal, uitstekende termo-elektriese en elektriese geleier. Dit word wyd nagevors en is reeds besig om die basis vir transistors te word.

Vandag, wanneer almal verstaan dat tweedimensionele materiale in beginsel kan bestaan, verskyn teorieë dat nuwe entiteite verkry kan word uit silikon, boor, molibdeen, wolfram, ens.

En verder - in een dimensie

Grafeen in 2D het 'n breedte en 'n lengte. Hoe om 1D daarvan te maak en wat sal op die ou end gebeur? Een metode is om dit in dun linte te sny. As hul breedte tot die maksimum moontlik verminder word, sal dit nie meer net linte wees nie, maar nog 'n unieke nano-voorwerp - carbyne. Dit is ontdek deur Sowjet-wetenskaplikes (chemici Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin en V. V. Korshak. - T&P-noot) in die 1960's.

Die tweede manier om 'n eendimensionele voorwerp te maak, is om die grafeen in 'n buis te rol, soos 'n mat. Die dikte van hierdie buis sal baie minder as sy lengte wees. As die papier gerol of in repe gesny word, bly dit papier. As grafeen in 'n buis gerol word, verander dit in 'n nuwe vorm van koolstof - 'n nanobuis, wat 'n aantal unieke eienskappe het.

Interessante eienskappe van nano-voorwerpe

Elektriese geleiding is hoe goed of hoe swak 'n materiaal 'n elektriese stroom gelei. In ons wêreld word dit beskryf deur een nommer vir elke materiaal en is nie afhanklik van die vorm daarvan nie. Dit maak nie saak of jy’n silwer silinder, kubus of bal maak nie – sy geleidingsvermoë sal altyd dieselfde wees.

Alles is anders in die nanowêreld. Veranderinge in die deursnee van nanobuise sal hul geleidingsvermoë beïnvloed. As die verskil n - m (waar n en m sommige indekse is wat die deursnee van die buis beskryf) deur drie gedeel word, dan gelei die nanobuise stroom. As dit nie verdeel word nie, word dit nie uitgevoer nie.

Young se modulus is nog 'n interessante eienskap wat hom manifesteer wanneer 'n stok of takkie gebuig word. Young se modulus wys hoe sterk 'n materiaal vervorming en spanning weerstaan. Byvoorbeeld, vir aluminium is hierdie aanwyser twee keer minder as dié van yster, dit wil sê, dit weerstaan twee keer so sleg. Weereens, 'n aluminium bal kan nie sterker as 'n aluminium kubus wees nie. Grootte en vorm maak nie saak nie.

In die nanowêreld is die prentjie weer anders: hoe dunner die nanodraad, hoe hoër is die Young se modulus. As ons in ons wêreld iets van die mezzanine wil kry, dan sal ons 'n sterker stoel kies sodat dit ons kan weerstaan. In die nanowêreld, hoewel dit nie so voor die hand liggend is nie, sal ons die kleiner stoel moet verkies omdat dit sterker is.

As daar gate in een of ander materiaal in ons wêreld gemaak word, sal dit ophou om sterk te wees. In die nanowêreld is die teenoorgestelde waar. As jy baie gate in grafeen maak, word dit twee en 'n half keer sterker as nie-defekte grafeen. Wanneer ons gate in die papier steek, verander die essensie daarvan nie. En wanneer ons gate in grafeen maak, verwyder ons een atoom, waardeur 'n nuwe plaaslike effek verskyn. Die oorblywende atome vorm 'n nuwe struktuur wat chemies sterker is as die ongeskonde streke in hierdie grafeen.

Praktiese toepassing van nanotegnologie

Grafeen het unieke eienskappe, maar hoe om dit in 'n spesifieke area toe te pas, is steeds 'n vraag. Dit word nou gebruik in prototipes vir enkel-elektron-transistors (dra 'n sein van presies een elektron uit). Daar word geglo dat twee-laag grafeen met nanopore (gate nie in een atoom nie, maar meer) in die toekoms 'n ideale materiaal kan word vir die selektiewe suiwering van gasse of vloeistowwe. Om grafeen in meganika te gebruik, benodig ons groot oppervlaktes materiaal sonder gebreke, maar sulke produksie is tegnologies uiters moeilik.

Vanuit 'n biologiese oogpunt ontstaan daar ook 'n probleem met grafeen: as dit eers in die liggaam kom, vergiftig dit alles. Alhoewel in medisyne, kan grafeen gebruik word as 'n sensor vir "slegte" DNA-molekules (muteer met 'n ander chemiese element, ens.). Om dit te doen, word twee elektrodes daaraan geheg en DNS word deur sy porieë gevoer - dit reageer op 'n spesiale manier op elke molekule.

Panne, fietse, helms en skoenbinnesole met die byvoeging van grafeen word reeds in Europa vervaardig. Een Finse firma maak komponente vir motors, veral vir Tesla-motors, waarin knoppies, paneelbordonderdele en skerms van redelik dik nanobuise gemaak word. Hierdie produkte is duursaam en liggewig.

Die veld van nanotegnologie is moeilik vir navorsing, beide vanuit die oogpunt van eksperimente en vanuit die oogpunt van numeriese modellering. Al die fundamentele kwessies wat lae rekenaarkrag vereis, is reeds opgelos. Vandag is die hoofbeperking vir navorsing die onvoldoende krag van superrekenaars.