Ρομπότ μεγέθους μορίου: για τι μας προετοιμάζει η νανοτεχνολογία;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Οι σύγχρονες εξελίξεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας στο μέλλον θα επιτρέψουν τη δημιουργία ρομπότ τόσο μικρών που θα μπορούν να εκτοξευθούν στην ανθρώπινη κυκλοφορία του αίματος. Τα «μέρη» ενός τέτοιου ρομπότ θα είναι μονοδιάστατα και όσο μικρότερα, τόσο ισχυρότερα. Ο Dmitry Kvashnin, ανώτερος ερευνητής στο Ινστιτούτο Βιοοργανικής Χημείας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, ο οποίος ασχολείται με τη θεωρητική επιστήμη των υλικών (πειράματα υπολογιστών στον τομέα της νανοτεχνολογίας), μίλησε για τα παράδοξα του νανοκόσμου. Το T&P έγραψε το κύριο πράγμα.

Ντμίτρι Κουάσνιν

Τι είναι η νανοτεχνολογία

Χρησιμοποιώντας τη νανοτεχνολογία, θα θέλαμε να δημιουργήσουμε ρομπότ που μπορούν να σταλούν στο διάστημα ή να ενσωματωθούν σε αιμοφόρα αγγεία, ώστε να μεταφέρουν φάρμακα στα κύτταρα, να βοηθήσουν τα ερυθρά αιμοσφαίρια να κινηθούν προς τη σωστή κατεύθυνση κ.λπ. Ένα εργαλείο σε τέτοια ρομπότ αποτελείται από μια ντουζίνα εξαρτήματα. Μια λεπτομέρεια είναι ένα άτομο. Ένα γρανάζι είναι δέκα άτομα, 10-9 μέτρα, δηλαδή ένα νανόμετρο. Ένα ολόκληρο ρομπότ είναι μερικά νανόμετρα.

Τι είναι το 10-9; Πώς να το παρουσιάσετε; Για σύγκριση, μια συνηθισμένη ανθρώπινη τρίχα έχει μέγεθος περίπου 10-5 μέτρα. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια, τα αιμοσφαίρια που τροφοδοτούν το σώμα μας με οξυγόνο, έχουν μέγεθος περίπου επτά μικρά, είναι επίσης περίπου 10-5 μέτρα. Σε ποιο σημείο τελειώνει το νανο και αρχίζει ο κόσμος μας; Όταν μπορούμε να δούμε ένα αντικείμενο με γυμνό μάτι.

Τρισδιάστατο, δισδιάστατο, μονοδιάστατο

Τι είναι το τρισδιάστατο, το δισδιάστατο και το μονοδιάστατο και πώς επηρεάζουν τα υλικά και τις ιδιότητές τους στη νανοτεχνολογία; Όλοι γνωρίζουμε ότι το 3D είναι τρεις διαστάσεις. Υπάρχει μια συνηθισμένη ταινία, και υπάρχει μια ταινία σε 3D, όπου κάθε λογής καρχαρίες πετούν έξω από την οθόνη προς το μέρος μας. Με μαθηματική έννοια, το 3D μοιάζει με αυτό: y = f (x, y, z), όπου το y εξαρτάται από τρεις διαστάσεις - μήκος, πλάτος και ύψος. Γνωστός σε όλους, ο Mario σε τρεις διαστάσεις είναι αρκετά ψηλός, φαρδύς και παχουλός.

Κατά τη μετάβαση σε δύο διαστάσεις, ένας άξονας θα εξαφανιστεί: y = f (x, y). Όλα είναι πολύ πιο απλά εδώ: ο Mario είναι εξίσου ψηλός και φαρδύς, αλλά όχι χοντρός, γιατί κανείς δεν μπορεί να είναι χοντρός ή αδύνατος σε δύο διαστάσεις.

Αν συνεχίσουμε να μειώνουμε, τότε σε μια διάσταση όλα θα γίνουν αρκετά απλά, θα μείνει μόνο ένας άξονας: y = f (x). Ο Mario σε 1D είναι πολύ μεγάλος - δεν τον αναγνωρίζουμε, αλλά εξακολουθεί να είναι αυτός.

Από τρεις διαστάσεις - σε δύο διαστάσεις

Το πιο κοινό υλικό στον κόσμο μας είναι ο άνθρακας. Μπορεί να σχηματίσει δύο εντελώς διαφορετικές ουσίες - το διαμάντι, το πιο ανθεκτικό υλικό στη Γη, και τον γραφίτη, και ο γραφίτης μπορεί να γίνει διαμάντι απλά μέσω υψηλής πίεσης. Αν ακόμη και στον κόσμο μας ένα στοιχείο μπορεί να δημιουργήσει ριζικά διαφορετικά υλικά με αντίθετες ιδιότητες, τότε τι θα συμβεί στον νανόκοσμο;

Ο γραφίτης είναι γνωστός κυρίως ως μολύβι. Το μέγεθος της άκρης ενός μολυβιού είναι περίπου ένα χιλιοστό, δηλαδή 10-3 μέτρα. Πώς μοιάζει ένας νανομόλυβδος; Είναι απλώς μια συλλογή στρωμάτων ατόμων άνθρακα που σχηματίζουν μια πολυεπίπεδη δομή. Μοιάζει με μια στοίβα χαρτί.

Όταν γράφουμε με μολύβι, ένα ίχνος μένει στο χαρτί. Αν σχεδιάσουμε μια αναλογία με μια στοίβα χαρτί, είναι σαν να βγάζαμε ένα κομμάτι χαρτί από αυτήν. Το λεπτό στρώμα γραφίτη που παραμένει στο χαρτί είναι 2D και έχει πάχος μόνο ενός ατόμου. Για να θεωρηθεί ένα αντικείμενο δισδιάστατο, το πάχος του πρέπει να είναι πολλές (τουλάχιστον δέκα) φορές μικρότερο από το πλάτος και το μήκος του.

Υπάρχει όμως ένα πιάσιμο. Στη δεκαετία του 1930, οι Lev Landau και Rudolf Peierls απέδειξαν ότι οι δισδιάστατοι κρύσταλλοι είναι ασταθείς και καταρρέουν λόγω θερμικών διακυμάνσεων (τυχαίες αποκλίσεις των φυσικών ποσοτήτων από τις μέσες τιμές τους λόγω χαοτικής θερμικής κίνησης των σωματιδίων. - Περίπου T&P). Αποδεικνύεται ότι το δισδιάστατο επίπεδο υλικό δεν μπορεί να υπάρξει για θερμοδυναμικούς λόγους. Δηλαδή, φαίνεται ότι δεν μπορούμε να δημιουργήσουμε νανο σε 2D. Ωστόσο, όχι! Ο Konstantin Novoselov και ο Andrey Geim συνέθεσαν γραφένιο. Το γραφένιο στο nano δεν είναι επίπεδο, αλλά ελαφρώς κυματιστό και επομένως σταθερό.

Εάν στον τρισδιάστατο κόσμο μας βγάλουμε ένα φύλλο χαρτιού από μια στοίβα χαρτί, τότε το χαρτί θα παραμείνει χαρτί, οι ιδιότητές του δεν θα αλλάξουν. Εάν ένα στρώμα γραφίτη αφαιρεθεί στον νανόκοσμο, τότε το γραφένιο που θα προκύψει θα έχει μοναδικές ιδιότητες που δεν μοιάζουν καθόλου με εκείνες που έχουν τον «προγονικό» γραφίτη του. Το γραφένιο είναι διαφανές, ελαφρύ, 100 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα, εξαιρετικός θερμοηλεκτρικός και ηλεκτρικός αγωγός. Γίνεται ευρεία έρευνα και ήδη γίνεται η βάση για τρανζίστορ.

Σήμερα, όταν όλοι καταλαβαίνουν ότι καταρχήν μπορούν να υπάρχουν δισδιάστατα υλικά, εμφανίζονται θεωρίες ότι μπορούν να ληφθούν νέες οντότητες από πυρίτιο, βόριο, μολυβδαίνιο, βολφράμιο κ.λπ.

Και περαιτέρω - σε μια διάσταση

Το γραφένιο σε 2D έχει πλάτος και μήκος. Πώς να φτιάξετε 1D από αυτό και τι θα συμβεί στο τέλος; Μια μέθοδος είναι να το κόψετε σε λεπτές κορδέλες. Εάν το πλάτος τους μειωθεί στο μέγιστο δυνατό, τότε δεν θα είναι πλέον απλώς κορδέλες, αλλά ένα άλλο μοναδικό νανο-αντικείμενο - καρβίνι. Ανακαλύφθηκε από Σοβιετικούς επιστήμονες (χημικούς Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin και V. V. Korshak. - Σημείωση T&P) τη δεκαετία του 1960.

Ο δεύτερος τρόπος για να φτιάξετε ένα μονοδιάστατο αντικείμενο είναι να κυλήσετε το γραφένιο σε ένα σωλήνα, σαν χαλί. Το πάχος αυτού του σωλήνα θα είναι πολύ μικρότερο από το μήκος του. Εάν το χαρτί τυλιχτεί ή κοπεί σε λωρίδες, παραμένει χαρτί. Εάν το γραφένιο τυλιχτεί σε σωλήνα, μετατρέπεται σε μια νέα μορφή άνθρακα - έναν νανοσωλήνα, ο οποίος έχει μια σειρά από μοναδικές ιδιότητες.

Ενδιαφέρουσες ιδιότητες των νανοαντικειμένων

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι το πόσο καλά ή πόσο άσχημα άγει ένα υλικό ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Στον κόσμο μας, περιγράφεται από έναν αριθμό για κάθε υλικό και δεν εξαρτάται από το σχήμα του. Δεν έχει σημασία αν φτιάξετε έναν ασημένιο κύλινδρο, κύβο ή μπάλα - η αγωγιμότητά του θα είναι πάντα η ίδια.

Όλα είναι διαφορετικά στον νανόκοσμο. Οι αλλαγές στη διάμετρο των νανοσωλήνων θα επηρεάσουν την αγωγιμότητά τους. Εάν η διαφορά n - m (όπου n και m είναι κάποιοι δείκτες που περιγράφουν τη διάμετρο του σωλήνα) διαιρεθεί με το τρία, τότε οι νανοσωλήνες φέρουν ρεύμα. Αν δεν διαιρεθεί, τότε δεν πραγματοποιείται.

Το μέτρο του Young είναι μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα που εκδηλώνεται όταν μια ράβδος ή ένα κλαδάκι κάμπτεται. Ο συντελεστής Young δείχνει πόσο ισχυρά αντιστέκεται ένα υλικό στην παραμόρφωση και την καταπόνηση. Για παράδειγμα, για το αλουμίνιο, αυτός ο δείκτης είναι δύο φορές μικρότερος από αυτόν του σιδήρου, δηλαδή αντιστέκεται δύο φορές πιο άσχημα. Και πάλι, μια μπάλα αλουμινίου δεν μπορεί να είναι πιο δυνατή από έναν κύβο αλουμινίου. Το μέγεθος και το σχήμα δεν έχουν σημασία.

Στον νανόκοσμο, η εικόνα είναι και πάλι διαφορετική: όσο πιο λεπτό είναι το νανοσύρμα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής του Young. Αν στον κόσμο μας θέλουμε να πάρουμε κάτι από τον ημιώροφο, τότε θα επιλέξουμε μια πιο δυνατή καρέκλα για να μας αντέξει. Στον νανόκοσμο, αν και δεν είναι τόσο προφανές, θα πρέπει να προτιμήσουμε τη μικρότερη καρέκλα γιατί είναι πιο δυνατή.

Αν γίνουν τρύπες σε κάποιο υλικό στον κόσμο μας, τότε θα πάψει να είναι ισχυρό. Στον νανόκοσμο ισχύει το αντίθετο. Εάν κάνετε πολλές τρύπες στο γραφένιο, γίνεται δυόμιση φορές ισχυρότερο από το μη ελαττωματικό γραφένιο. Όταν ανοίγουμε τρύπες στο χαρτί, η ουσία του δεν αλλάζει. Και όταν κάνουμε τρύπες στο γραφένιο, αφαιρούμε ένα άτομο, λόγω του οποίου εμφανίζεται ένα νέο τοπικό φαινόμενο. Τα υπόλοιπα άτομα σχηματίζουν μια νέα δομή που είναι χημικά ισχυρότερη από τις άθικτες περιοχές σε αυτό το γραφένιο.

Πρακτική εφαρμογή της νανοτεχνολογίας

Το γραφένιο έχει μοναδικές ιδιότητες, αλλά το πώς να τις εφαρμόσετε σε μια συγκεκριμένη περιοχή παραμένει ένα ερώτημα. Τώρα χρησιμοποιείται σε πρωτότυπα για τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (μεταδίδοντας σήμα ακριβώς ενός ηλεκτρονίου). Πιστεύεται ότι στο μέλλον, το γραφένιο δύο στρωμάτων με νανοπόρους (τρύπες όχι σε ένα άτομο, αλλά περισσότερους) μπορεί να γίνει ιδανικό υλικό για τον επιλεκτικό καθαρισμό αερίων ή υγρών. Για να χρησιμοποιήσουμε το γραφένιο στη μηχανική, χρειαζόμαστε μεγάλες επιφάνειες υλικού χωρίς ελαττώματα, αλλά μια τέτοια παραγωγή είναι εξαιρετικά δύσκολη τεχνολογικά.

Από βιολογικής άποψης, ένα πρόβλημα προκύπτει επίσης με το γραφένιο: μόλις μπει μέσα στο σώμα, δηλητηριάζει τα πάντα. Αν και στην ιατρική, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας για «κακά» μόρια DNA (μετάλλαξη με άλλο χημικό στοιχείο κ.λπ.). Για να γίνει αυτό, δύο ηλεκτρόδια συνδέονται με αυτό και το DNA περνά μέσα από τους πόρους του - αντιδρά σε κάθε μόριο με έναν ειδικό τρόπο.

Τηγάνια, ποδήλατα, κράνη και πάτοι παπουτσιών με την προσθήκη γραφενίου παράγονται ήδη στην Ευρώπη. Μια φινλανδική εταιρεία κατασκευάζει εξαρτήματα για αυτοκίνητα, ιδιαίτερα για αυτοκίνητα Tesla, στα οποία τα κουμπιά, τα μέρη του ταμπλό και οι οθόνες είναι κατασκευασμένα από αρκετά χοντρούς νανοσωλήνες. Αυτά τα προϊόντα είναι ανθεκτικά και ελαφριά.

Ο τομέας της νανοτεχνολογίας είναι δύσκολος για έρευνα τόσο από την άποψη των πειραμάτων όσο και από την άποψη της αριθμητικής μοντελοποίησης. Όλα τα βασικά ζητήματα που απαιτούν χαμηλή ισχύ υπολογιστή έχουν ήδη επιλυθεί. Σήμερα, ο κύριος περιορισμός για την έρευνα είναι η ανεπαρκής ισχύς των υπερυπολογιστών.