Молекула өлшемді роботтар: нанотехнология бізді неге дайындайды?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Нанотехнология саласындағы заманауи әзірлемелер болашақта адам қанына жіберілетіндей кішкентай роботтарды жасауға мүмкіндік береді. Мұндай роботтың «бөліктері» бір өлшемді болады және неғұрлым кішірек болса, соғұрлым күшті болады. Теориялық материалтанумен (нанотехнология саласындағы компьютерлік эксперименттер) айналысатын Ресей ғылым академиясының Биоорганикалық химия институтының аға ғылыми қызметкері Дмитрий Квашнин наноәлемнің парадокстары туралы айтты. T&P басты нәрсені жазды.

Дмитрий Квашнин

Нанотехнология дегеніміз не

Нанотехнологияны пайдалана отырып, біз ғарышқа жіберілетін немесе қан тамырларына ендірілген роботтарды жасағымыз келеді, осылайша олар жасушаларға есірткі жеткізеді, қызыл қан жасушаларының дұрыс бағытта қозғалуына көмектеседі және т.б. Мұндай роботтардың бір берілісінен тұрады. бөліктері. Бір деталь бір атом. Беріліс он атом, 10-9 метр, яғни бір нанометр. Бүкіл робот бірнеше нанометрден тұрады.

10-9 деген не? Оны қалай ұсынуға болады? Салыстыру үшін, адамның қарапайым шашының өлшемі шамамен 10-5 метрді құрайды. Біздің денемізді оттегімен қамтамасыз ететін қызыл қан жасушаларының мөлшері шамамен жеті микрон, бұл да шамамен 10-5 метр. Нано қай уақытта аяқталады және біздің әлем басталады? Біз объектіні жай көзбен көре алатын кезде.

Үш өлшемді, екі өлшемді, бір өлшемді

Үш өлшемді, екі өлшемді және бір өлшемді деген не және олар нанотехнологияда материалдар мен олардың қасиеттеріне қалай әсер етеді? 3D үш өлшемді екенін бәріміз білеміз. Кәдімгі кино да бар, 3D форматындағы фильм де бар, экраннан бізге қарай неше түрлі акулалар ұшып келеді. Математикалық мағынада 3D келесідей көрінеді: y = f (x, y, z), мұндағы y үш өлшемге байланысты - ұзындық, ен және биіктік. Барлығына таныс Марио үш өлшемді өте ұзын, кең және толық.

Екі өлшемдіге ауысқанда бір ось жоғалады: y = f (x, y). Мұнда бәрі әлдеқайда қарапайым: Марио дәл сондай биік және кең, бірақ семіз емес, өйткені екі өлшемде ешкім семіз немесе арық бола алмайды.

Егер біз төмендей берсек, онда бір өлшемде бәрі қарапайым болады, тек бір ось қалады: y = f (x). 1D-дегі Марио жай ғана ұзын - біз оны танымаймыз, бірақ ол бәрібір.

Үш өлшемнен - екі өлшемге

Біздің әлемде ең көп таралған материал - көміртегі. Ол екі мүлдем басқа затты құра алады - алмаз, жердегі ең берік материал және графит, ал графит жоғары қысым арқылы ғана алмазға айналуы мүмкін. Тіпті біздің әлемде бір элемент қарама-қарсы қасиеттері бар түбегейлі әртүрлі материалдарды жасай алатын болса, онда наноәлемде не болады?

Графит негізінен қарындаш ретінде белгілі. Қарындаштың ұшының өлшемі шамамен бір миллиметр, яғни 10-3 метр. Наноқорғасын неге ұқсайды? Бұл жай ғана қабатты құрылымды құрайтын көміртегі атомдарының қабаттарының жиынтығы. Бір бума қағазға ұқсайды.

Қарындашпен жазғанда қағазда із қалады. Бір бума қағазға ұқсастық салсақ, одан бір қағазды жұлып алғандай боламыз. Қағазда қалған графиттің жұқа қабаты 2D және қалыңдығы бір атом ғана. Объектіні екі өлшемді деп санау үшін оның қалыңдығы ені мен ұзындығынан көп (кем дегенде он) есе аз болуы керек.

Бірақ ұстайтын нәрсе бар. 1930 жылдары Лев Ландау мен Рудольф Пейерлс екі өлшемді кристалдардың тұрақсыз екенін және жылулық тербелістерге (бөлшектердің хаотикалық жылулық қозғалысына байланысты физикалық шамалардың орташа мәндерден кездейсоқ ауытқулары. - шамамен T&P) ыдырайтынын дәлелдеді. Екі өлшемді жалпақ материал термодинамикалық себептерге байланысты бола алмайды. Яғни, біз 2D форматында нано жасай алмайтын сияқтымыз. Дегенмен, жоқ! Константин Новоселов пен Андрей Гейм графенді синтездеді. Нанодағы графен тегіс емес, бірақ сәл толқынды, сондықтан тұрақты.

Егер біздің үш өлшемді әлемде біз қағаз бумасынан бір парақ қағазды алсақ, онда қағаз қағаз болып қалады, оның қасиеттері өзгермейді. Егер наноәлемде графиттің бір қабаты жойылса, нәтижесінде алынған графен өзінің «текті» графиті бар қасиеттерге ұқсамайтын бірегей қасиеттерге ие болады. Графен мөлдір, жеңіл, болаттан 100 есе берік, тамаша термоэлектрлік және электр өткізгіш. Ол кеңінен зерттелуде және қазірдің өзінде транзисторлардың негізіне айналуда.

Бүгінгі күні барлығы екі өлшемді материалдардың болуы мүмкін екенін түсінген кезде, кремнийден, бордан, молибденнен, вольфрамнан және т.б. жаңа заттарды алуға болады деген теориялар пайда болады.

Әрі қарай - бір өлшемде

2D форматындағы графеннің ені мен ұзындығы бар. Одан 1D қалай жасауға болады және соңында не болады? Бір әдіс - оны жұқа таспаларға кесу. Егер олардың ені барынша азайтылса, онда ол енді тек ленталар емес, тағы бір бірегей нано-объект - карбин болады. Оны 1960 жылдары кеңес ғалымдары (химиктер Ю. П. Кудрявцев, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин және В. В. Коршак. - Т&П ескертпесі) ашқан.

Бір өлшемді нысанды жасаудың екінші жолы - графенді кілем тәрізді түтікке айналдыру. Бұл түтіктің қалыңдығы оның ұзындығынан әлдеқайда аз болады. Қағаз оралса немесе жолақтарға кесілсе, ол қағаз болып қалады. Егер графенді түтікке айналдырса, ол көміртектің жаңа түріне - бірқатар бірегей қасиеттерге ие нанотүтікке айналады.

Нанообъектілердің қызықты қасиеттері

Электр өткізгіштігі материалдың электр тогын қаншалықты жақсы немесе қаншалықты нашар өткізетінін көрсетеді. Біздің әлемде ол әр материал үшін бір санмен сипатталады және оның пішініне байланысты емес. Күміс цилиндр, текше немесе шар жасау маңызды емес - оның өткізгіштігі әрқашан бірдей болады.

Наноәлемде бәрі басқаша. Нанотүтіктердің диаметрінің өзгеруі олардың өткізгіштігіне әсер етеді. Егер n - m айырмасы (мұндағы n және m түтіктің диаметрін сипаттайтын кейбір индекстер) үшке бөлінсе, онда нанотүтіктер ток өткізеді. Егер ол бөлінбесе, онда ол орындалмайды.

Янг модулі - таяқша немесе бұтақ бүгілген кезде көрінетін тағы бір қызықты қасиет. Янг модулі материалдың деформация мен кернеуге қаншалықты қарсы тұратынын көрсетеді. Мысалы, алюминий үшін бұл көрсеткіш темірден екі есе аз, яғни ол екі есе нашар төзімді. Тағы да алюминий шары алюминий текшеден күшті болуы мүмкін емес. Көлемі мен пішіні маңызды емес.

Наноәлемде сурет тағы да басқаша: нано сым неғұрлым жұқа болса, оның Янг модулі соғұрлым жоғары болады. Егер біздің әлемде біз мезониннен бірдеңе алғымыз келсе, онда ол бізге төтеп бере алатындай күштірек орындықты таңдаймыз. Наноәлемде бұл соншалықты айқын болмаса да, біз кішірек орындықты таңдауға мәжбүр боламыз, өйткені ол күштірек.

Егер біздің әлемде қандай да бір материалда тесіктер жасалса, онда ол берік болуын тоқтатады. Наноәлемде керісінше. Егер сіз графенде көптеген тесіктер жасасаңыз, ол ақаусыз графеннен екі жарым есе күшті болады. Қағазды тескенде оның мәні өзгермейді. Ал графенде тесіктер жасағанда, біз бір атомды алып тастаймыз, соның арқасында жаңа жергілікті әсер пайда болады. Қалған атомдар осы графендегі бұзылмаған аймақтарға қарағанда химиялық күштірек жаңа құрылымды құрайды.

Нанотехнологияның практикалық қолданылуы

Графеннің бірегей қасиеттері бар, бірақ оларды белгілі бір аймақта қалай қолдану керектігі әлі де сұрақ. Ол қазір бір электронды транзисторларға арналған прототиптерде қолданылады (дәл бір электронның сигналын жібереді). Болашақта нанокесектері бар екі қабатты графен (бір атомда емес, одан да көп) газдарды немесе сұйықтықтарды іріктеп тазарту үшін тамаша материал бола алады деп саналады. Графенді механикада пайдалану үшін бізге ақаусыз материалдың үлкен аумақтары қажет, бірақ мұндай өндіріс технологиялық тұрғыдан өте қиын.

Биологиялық тұрғыдан алғанда, графенге қатысты да мәселе туындайды: ол денеге енгеннен кейін бәрін улайды. Медицинада графен «жаман» ДНҚ молекулалары үшін сенсор ретінде пайдаланылуы мүмкін (басқа химиялық элементпен мутация және т.б.). Ол үшін оған екі электрод бекітіліп, оның тесіктері арқылы ДНҚ өткізіледі - ол әрбір молекулаға ерекше әсер етеді.

Еуропада қазірдің өзінде графен қосылған кастрюльдер, велосипедтер, дулығалар мен аяқ киімнің іштері шығарылады. Бір фин фирмасы автомобильдерге, әсіресе Tesla автомобильдеріне арналған құрамдас бөліктерді жасайды, олардың түймелері, бақылау тақтасының бөліктері және экрандары жеткілікті қалың нанотүтіктерден жасалған. Бұл өнімдер берік және жеңіл.

Нанотехнология саласы эксперимент тұрғысынан да, сандық модельдеу тұрғысынан да зерттеу үшін қиын. Компьютердің төмен қуатын қажет ететін барлық негізгі мәселелер шешілді. Бүгінгі таңда зерттеулердің негізгі шектеуі суперкомпьютерлердің жеткіліксіз қуаты болып табылады.