Cucerirea naturii de către om nu s-a încheiat încă. În orice caz, nu am capturat încă nanomonda și ne-am stabilit propriile reguli în ea. Să vedem ce este și ce oportunități ne oferă lumea obiectelor măsurate în nanometri.
Ce este „nano”?
A fost odată realizările microelectronicii. Am intrat acum într-o nouă eră a nanotehnologiei. Deci, ce este acest „nano”, care pe ici-colo a început să se adauge la cuvintele obișnuite, oferindu-le un nou sunet modern: nanoroboți, nanomașini, nanoradio și așa mai departe? Prefixul "nano" este utilizat în Sistemul Internațional de Unități (SI). Se folosește pentru a forma notația pentru unități zecimale. Aceasta este o miliardime din unitatea originală. În acest caz, vorbim despre obiecte ale căror dimensiuni sunt determinate în nanometri. Aceasta înseamnă că un nanometru este o miliardime de metru. Pentru comparație, un micron (alias micrometrul care a dat numele microelectronicii și, în plus, microbiologie, microchirurgie etc.) este o milionime de metru.
Dacă luăm ca exemplu milimetri (prefixul "mili-" este o miime), atunci într-un milimetru există 1.000.000 nanometri (nm) și, în consecință, 1.000 micrometri (μm). Părul uman are o grosime medie de 0,05-0,07 mm, adică 50.000-70.000 nm. Deși diametrul părului poate fi scris în nanometri, este departe de nanomondă. Să mergem mai adânc și să vedem ce există deja acum.
Dimensiunea medie a bacteriilor este de 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virușii, unul dintre principalii dușmani ai bacteriilor, sunt și mai mici. Diametrul mediu al majorității virusurilor studiate este de 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Dar helixul ADN are un diametru de 1,8-2,3 nm. Se crede că cel mai mic atom este un atom de heliu, raza acestuia este de 32 pm (0,032 nm), iar cel mai mare este de cesiu 225 pm (0,255 nm). În general, un nanoobiect este considerat a fi un obiect a cărui dimensiune în cel puțin o dimensiune este în nanoscală (1-100 nm).
Poți vedea nanomondo?
Video promotional:
Desigur, vreau să văd cu ochii mei tot ce se spune. Ei bine, cel puțin prin ocularul unui microscop optic. Este posibil să te uiți în nanomondă? Modul obișnuit, așa cum observăm, de exemplu, microbii, este imposibil. De ce? Deoarece lumina, cu un anumit grad de convenție, poate fi numită nanoonde. Lungimea de undă a culorii violete, de la care începe gama vizibilă, este de 380–440 nm. Lungimea de undă a culorii roșii este de 620-740 nm. Radiația vizibilă are lungimi de undă de sute de nanometri. În acest caz, rezoluția microscopurilor optice convenționale este limitată de limita de difracție Abbe la aproximativ jumătate din lungimea de undă. Majoritatea obiectelor care ne interesează sunt chiar mai mici.
Prin urmare, primul pas către penetrarea în nanomondă a fost invenția microscopului electronic de transmisie. Mai mult, primul astfel de microscop a fost creat de Max Knoll și Ernst Ruska în 1931. În 1986, pentru invenția sa a fost acordat Premiul Nobel pentru Fizică. Principiul de funcționare este același cu cel al unui microscop optic convențional. Doar în loc de lumină, un flux de electroni este direcționat către obiectul de interes, care este focalizat de lentile magnetice. Dacă un microscop optic a dat o creștere de aproximativ o mie de ori, atunci un microscop electronic a fost deja de milioane de ori. Dar are și dezavantajele sale. În primul rând, este necesar să se obțină probe suficient de subțiri de materiale pentru lucru. Acestea trebuie să fie transparente într-un fascicul de electroni, astfel încât grosimea lor variază în intervalul de 20-200 nm. În al doilea rând, estecă proba sub influența fasciculelor de electroni se poate descompune și deveni inutilizabilă.
O altă versiune a microscopului cu flux de electroni este microscopul cu scanare electronică. Nu strălucește prin eșantion, ca și precedentul, ci îl scanează cu un fascicul de electroni. Acest lucru permite examinarea probelor mai groase. Prelucrarea probei analizate cu un fascicul de electroni generează electroni secundari și retro-reflectați, vizibili (catodoluminescenți) și raze X, care sunt capturați de detectoare speciale. Pe baza datelor primite, se formează o idee despre obiect. Primele microscopuri electronice de scanare au apărut la începutul anilor 1960.
Microscoapele cu sondă de scanare sunt o clasă relativ nouă de microscopuri care au apărut deja în anii '80. Premiul Nobel pentru fizică din 1986, menționat deja, a fost împărțit între inventatorul microscopului electronic de transmisie Ernst Ruska și creatorii microscopului de scanare cu tunel Gerd Binnig și Heinrich Rohrer. Microscoapele de scanare fac posibilă nu examinarea, ci „simțirea” reliefului suprafeței probei. Datele rezultate sunt apoi convertite într-o imagine. Spre deosebire de microscopul electronic cu scanare, sonda folosește un ac de scanare ascuțit pentru funcționare. Acul, al cărui vârf are o grosime de doar câțiva atomi, acționează ca o sondă, care este adusă la o distanță minimă de 0,1 nm de probă. În timpul scanării, acul se deplasează peste suprafața probei. Un curent de tunel apare între vârf și suprafața eșantionului,iar valoarea sa depinde de distanța dintre ele. Modificările sunt înregistrate, ceea ce permite construirea unei hărți de înălțime pe baza lor - o reprezentare grafică a suprafeței obiectului.
Un principiu similar de funcționare este utilizat de un alt microscop din clasa microscopilor cu sondă de scanare - forța atomică. Există, de asemenea, un vârf de sondă și un rezultat similar - o reprezentare grafică a reliefului de suprafață. Dar nu magnitudinea curentului este măsurată, ci interacțiunea forței dintre suprafață și sondă. În primul rând, se înțelege forțele van der Waals, dar și forțele elastice, forțele capilare, forțele de aderență și altele. Spre deosebire de un microscop cu tunel de scanare, care poate fi utilizat doar pentru studierea metalelor și semiconductoarelor, un microscop cu forță atomică vă permite, de asemenea, să studiați dielectricele. Dar acesta nu este singurul său avantaj. Permite nu numai privirea în nanomondă, ci și manipularea atomilor.
Molecula pentacenică. A este un model al unei molecule. B - imagine obținută printr-un microscop de scanare cu tunel. C - imagine obținută cu un microscop cu forță atomică. D - mai multe molecule (AFM). A, B și C pe aceeași scară
Foto: Știință
Nanomachine
În natură, la nivel nanomural, adică la nivelul atomilor și moleculelor, au loc multe procese. Bineînțeles, putem influența acum și modul în care procedează. Dar o facem aproape orbește. Nanomașinile sunt un instrument țintit pentru lucrul în nanomondă; acestea sunt dispozitive care permit manipularea atomilor și moleculelor unice. Până de curând, numai natura le putea crea și controla. Suntem la un pas de ziua în care putem face și noi acest lucru.
Nanomachine
Foto: warosu.org
Ce pot face nanomașinile? Luați chimia, de exemplu. Sinteza compușilor chimici se bazează pe faptul că creăm condițiile necesare pentru ca o reacție chimică să poată continua. Ca rezultat, avem o anumită substanță la ieșire. În viitor, compușii chimici pot fi creați, relativ vorbind, mecanic. Nanomașinile vor putea conecta și separa atomii și moleculele individuale. Drept urmare, se vor forma legături chimice sau, dimpotrivă, legăturile existente vor fi rupte. Construirea nanomașinilor va putea crea structurile moleculare de care avem nevoie din atomi. Nanoroboti chimici - sintetizează compuși chimici. Aceasta este o descoperire în crearea materialelor cu proprietățile dorite. În același timp, este o descoperire în protecția mediului. Este ușor de presupus că nanomașinile sunt un instrument excelent pentru reciclarea deșeurilor,care în condiții normale sunt greu de eliminat. Mai ales dacă vorbim despre nanomateriale. La urma urmei, cu cât continuă progresul tehnic, cu atât este mai dificil pentru mediu să facă față rezultatelor sale. Prea mult timp, descompunerea materialelor noi inventate de om are loc în mediul natural. Toată lumea știe cât durează descompunerea pungilor de plastic aruncate - un produs al revoluției științifice și tehnologice anterioare. Ce se va întâmpla cu nanomaterialele, care mai devreme sau mai târziu se vor dovedi a fi gunoi? Aceleași nanomașini vor trebui să își proceseze.cât durează să se descompună pungile de plastic aruncate - produs al unei revoluții științifice și tehnologice anterioare. Ce se va întâmpla cu nanomaterialele, care mai devreme sau mai târziu se vor dovedi a fi gunoi? Aceleași nanomașini vor trebui să își proceseze.cât durează să se descompună pungile de plastic aruncate - produs al unei revoluții științifice și tehnologice anterioare. Ce se va întâmpla cu nanomaterialele, care mai devreme sau mai târziu se vor dovedi a fi gunoi? Aceleași nanomașini vor trebui să își proceseze.
Nanomachină cu roți fullerene
Foto: warosu.org
Oamenii de știință vorbesc despre mecanosinteză de mult timp. Este o sinteză chimică care are loc prin sisteme mecanice. Avantajul său se vede în faptul că va permite poziționarea reactanților cu un grad ridicat de precizie. Dar până în prezent nu există niciun instrument care să permită implementarea sa eficientă. Desigur, microscoapele de forță atomică existente astăzi pot acționa ca astfel de instrumente. Da, ele permit nu numai să privească în nanomondă, ci și să opereze cu atomi. Dar, ca obiecte ale macrocosmosului, acestea nu sunt cele mai potrivite pentru aplicarea în masă a tehnologiei, ceea ce nu se poate spune despre nanomașini. În viitor, acestea vor fi folosite pentru a crea întregi transportoare moleculare și nanofabrici.
Dar există deja nanofabrici biologice întregi. Ele există în noi și în toate organismele vii. De aceea, sunt așteptate descoperiri în medicină, biotehnologie și genetică de la nanotehnologie. Prin crearea nanomașinilor artificiale și introducerea lor în celulele vii, putem obține rezultate impresionante. În primul rând, nanomașinele pot fi utilizate pentru transportul țintit al medicamentelor către organul dorit. Nu trebuie să luăm medicamente, dându-ne seama că doar o parte din acesta va ajunge la organul bolnav. În al doilea rând, nanomașinele preiau deja funcțiile de editare a genomului. Tehnologia CRISPR / Cas9, privită din natură, vă permite să faceți modificări în genomul atât al organismelor unicelulare, cât și al organismelor superioare, inclusiv ale oamenilor. Mai mult, vorbim nu numai despre editarea genomului embrionilor, ci și a genomului organismelor vii adulte. Și nanomașinele vor face toate acestea.
Nanoradio
Dacă nanomașinile sunt instrumentul nostru în nanomondă, atunci trebuie cumva să fie controlate. Cu toate acestea, nici nu este nevoie să inventăm ceva fundamental nou aici. Una dintre cele mai probabile metode de control este radioul. Primii pași în această direcție s-au făcut deja. Oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley, condus de Alex Zettle, au creat un receptor radio dintr-un singur nanotub de aproximativ 10 nm în diametru. Mai mult, nanotubul acționează simultan ca antenă, selector, amplificator și demodulator. Receptorul nano-radio poate recepționa atât unde FM, cât și unde AM cu o frecvență de 40 până la 400 MHz. Potrivit dezvoltatorilor, dispozitivul poate fi utilizat nu numai pentru primirea unui semnal radio, ci și pentru transmiterea acestuia.
Undele radio recepționate fac ca antena nanoradio să vibreze
nsf.gov
Muzica lui Eric Clapton și Beach Boys a servit drept semnal de testare. Oamenii de știință au transmis un semnal dintr-o parte a camerei în alta, unde se afla radioul pe care l-au creat. După cum sa dovedit, calitatea semnalului a fost suficient de bună. Dar, firesc, scopul unui astfel de radio nu este ascultarea muzicii. Receptorul radio poate fi aplicat într-o varietate de nanodispozitive. De exemplu, în aceiași nanoroboti care livrează medicamente care se vor îndrepta către organul dorit prin fluxul sanguin.
Nanomateriale
Crearea materialelor cu proprietăți care până acum erau imposibil de imaginat este o altă oportunitate pe care ni-o oferă nanotehnologia. Pentru a fi considerat „nano”, un material trebuie să aibă una sau mai multe dimensiuni în nanoscală. Fie fie creat folosind nanoparticule, fie prin nanotehnologie. Cea mai convenabilă clasificare a nanomaterialelor de astăzi este în funcție de dimensiunea elementelor structurale din care sunt compuse.
Zero-dimensional (0D) - nanoclustri, nanocristale, nanodispersiuni, puncte cuantice. Niciuna dintre părțile laterale ale nanomaterialului 0D nu depășește nanoscala. Acestea sunt materiale în care nanoparticulele sunt izolate unele de altele. Primele structuri complexe zero-dimensionale obținute și aplicate în practică sunt fullerenele. Fullerenele sunt cei mai puternici antioxidanți cunoscuți astăzi. În farmacologie, speranțele pentru crearea de noi medicamente sunt bazate pe ele. Derivații fulereni se arată bine în tratamentul HIV. Iar la crearea nanomașinelor, fulerenele pot fi utilizate ca piese. Nanomachina cu roți fullerene este prezentată mai sus.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Unidimensional (1D) - nanotuburi, fibre și tije. Lungimea lor variază de la 100 nm la zeci de micrometri, dar diametrul lor se încadrează în nanoscală. Cele mai renumite materiale unidimensionale de astăzi sunt nanotuburile. Au proprietăți electrice, optice, mecanice și magnetice unice. În viitorul apropiat, nanotuburile ar trebui să se aplice în electronică moleculară, biomedicină și în crearea de noi materiale compozite ultra-puternice și ultra-ușoare. Nanotuburile sunt deja utilizate ca ace în tunelurile de scanare și microscopii cu forță atomică. Mai sus, am vorbit despre crearea nanoradio bazat pe nanotuburi. Și, desigur, speranța este fixată pe nanotuburile de carbon ca material pentru cablul liftului spațial.
Nanotub de carbon
Foto: wikipedia.org
Bidimensionale (2D) - pelicule (acoperiri) cu grosime nanometrică. Acesta este binecunoscutul grafen - o modificare alotropică bidimensională a carbonului (Premiul Nobel pentru fizică pentru 2010 a fost acordat pentru grafen). Mai puțin cunoscute publicului sunt silicenul - o modificare bidimensională a siliciu, fosfor - fosfor, germanen - germaniu. Anul trecut, oamenii de știință au creat borofen, care, spre deosebire de alte materiale bidimensionale, s-a dovedit a fi nu plat, ci ondulat. Aranjarea atomilor de bor sub forma unei structuri ondulate oferă proprietățile unice ale nanomaterialului obținut. Borofen pretinde a fi lider în rezistența la tracțiune dintre materialele bidimensionale.
Structura borofenă
Foto: MIPT
Materialele bidimensionale ar trebui să se aplice în electronică, în proiectarea filtrelor pentru desalinizarea apei de mare (membrane de grafen) și crearea de celule solare. În viitorul apropiat, grafenul poate înlocui oxidul de indiu - un metal rar și scump - în producția de ecrane tactile.
Nanomaterialele tridimensionale (3D) sunt pulberi, materiale fibroase, multistrat și policristaline, în care nanomaterialele zero-dimensionale, unidimensionale și bidimensionale de mai sus sunt elemente structurale. Strâns aderați unul la altul, formează interfețe între ele - interfețe.
Tipuri de nanomateriale
Foto: thesaurus.rusnano.com
Va mai trece ceva timp și nanotehnologia - tehnologiile de manipulare a obiectelor la scară nano vor deveni obișnuite. La fel cum tehnologiile microelectronice au devenit familiare, oferindu-ne computere, telefoane mobile, sateliți și multe alte atribute ale erei informaționale moderne. Dar impactul nanotehnologiei asupra vieții va fi mult mai larg. Schimbări ne așteaptă în aproape toate sferele activității umane.
Serghei Sobol
