მოლეკულის ზომის რობოტები: რისთვის გვამზადებს ნანოტექნოლოგია?

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

ნანოტექნოლოგიის სფეროში თანამედროვე განვითარება მომავალში საშუალებას მისცემს შექმნას ისეთი პატარა რობოტები, რომ ისინი ადამიანის სისხლში შევიდეს. ასეთი რობოტის „ნაწილები“ერთგანზომილებიანი იქნება და რაც უფრო პატარაა, მით უფრო ძლიერი. დიმიტრი კვაშნინმა, რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ბიოორგანული ქიმიის ინსტიტუტის უფროსმა მკვლევარმა, რომელიც დაკავებულია თეორიული მასალების მეცნიერებით (კომპიუტერული ექსპერიმენტები ნანოტექნოლოგიის სფეროში), ისაუბრა ნანოსამყაროს პარადოქსებზე. T&P დაწერა მთავარი.

დიმიტრი კვაშნინი

რა არის ნანოტექნოლოგია

ნანოტექნოლოგიის გამოყენებით ჩვენ გვსურს შევქმნათ რობოტები, რომლებიც შეიძლება გაიგზავნოს კოსმოსში ან ჩაშენდეს სისხლძარღვებში, რათა მათ მიაწოდონ წამლები უჯრედებს, დაეხმარონ სისხლის წითელ უჯრედებს სწორი მიმართულებით გადაადგილებაში და ა.შ. ასეთ რობოტებში ერთი მექანიზმი შედგება ათეულისგან. ნაწილები. ერთი დეტალი არის ერთი ატომი. მექანიზმი არის ათი ატომი, 10-9 მეტრი, ანუ ერთი ნანომეტრი. მთელი რობოტი რამდენიმე ნანომეტრია.

რა არის 10-9? როგორ წარმოვადგინოთ იგი? შედარებისთვის, ჩვეულებრივი ადამიანის თმის ზომა დაახლოებით 10-5 მეტრია. სისხლის წითელი უჯრედები, სისხლის უჯრედები, რომლებიც ამარაგებენ ჩვენს ორგანიზმს ჟანგბადით, დაახლოებით შვიდი მიკრონი ზომისაა, ეს ასევე დაახლოებით 10-5 მეტრია. რა მომენტში მთავრდება ნანო და იწყება ჩვენი სამყარო? როდესაც ჩვენ შეგვიძლია შევხედოთ საგანს შეუიარაღებელი თვალით.

სამგანზომილებიანი, ორგანზომილებიანი, ერთგანზომილებიანი

რა არის სამგანზომილებიანი, ორგანზომილებიანი და ერთგანზომილებიანი და როგორ მოქმედებს ისინი ნანოტექნოლოგიაში მასალებზე და მათ თვისებებზე? ჩვენ ყველამ ვიცით, რომ 3D არის სამი განზომილება. არის ჩვეულებრივი ფილმი და არის ფილმი 3D, სადაც ყველანაირი ზვიგენი დაფრინავს ეკრანიდან ჩვენკენ. მათემატიკური გაგებით, 3D ასე გამოიყურება: y = f (x, y, z), სადაც y დამოკიდებულია სამ განზომილებაზე - სიგრძეზე, სიგანეზე და სიმაღლეზე. ყველასთვის ნაცნობი მარიო სამ განზომილებაში საკმაოდ მაღალი, განიერი და მსუქანია.

ორგანზომილებიანზე გადასვლისას ერთი ღერძი გაქრება: y = f (x, y). აქ ყველაფერი გაცილებით მარტივია: მარიო ისეთივე მაღალი და განიერია, მაგრამ არა მსუქანი, რადგან ვერავინ იქნება მსუქანი ან გამხდარი ორ განზომილებაში.

თუ გავაგრძელებთ შემცირებას, მაშინ ერთ განზომილებაში ყველაფერი საკმაოდ მარტივი გახდება, დარჩება მხოლოდ ერთი ღერძი: y = f (x). მარიო 1D-ში უბრალოდ გრძელია - ჩვენ მას არ ვცნობთ, მაგრამ მაინც ის არის.

სამი განზომილებიდან - ორ განზომილებაში

ჩვენს სამყაროში ყველაზე გავრცელებული მასალა ნახშირბადია. მას შეუძლია შექმნას ორი სრულიად განსხვავებული ნივთიერება - ბრილიანტი, დედამიწაზე ყველაზე გამძლე მასალა და გრაფიტი, ხოლო გრაფიტი შეიძლება გახდეს ბრილიანტი უბრალოდ მაღალი წნევით. თუკი ჩვენს სამყაროში ერთ ელემენტს შეუძლია შექმნას რადიკალურად განსხვავებული მასალები საპირისპირო თვისებებით, მაშინ რა მოხდება ნანოსამყაროში?

გრაფიტი ძირითადად ცნობილია, როგორც ფანქრის ტყვია. ფანქრის წვერის ზომა დაახლოებით ერთი მილიმეტრია, ანუ 10-3 მეტრი. რას ჰგავს ნანო ტყვია? ეს არის უბრალოდ ნახშირბადის ატომების ფენების ერთობლიობა, რომლებიც ქმნიან ფენოვან სტრუქტურას. ქაღალდის დასტას ჰგავს.

ფანქრით რომ ვწერთ, ფურცელზე კვალი რჩება. თუ ანალოგს დავხატავთ ქაღალდის დასტასთან, თითქოს მისგან ერთი ქაღალდი ამოვიღოთ. ქაღალდზე დარჩენილი გრაფიტის თხელი ფენა არის 2D და მხოლოდ ერთი ატომის სისქეა. იმისათვის, რომ ობიექტი ორგანზომილებიანად ჩაითვალოს, მისი სისქე უნდა იყოს ბევრჯერ (მინიმუმ ათჯერ) ნაკლები ვიდრე მისი სიგანე და სიგრძე.

მაგრამ არის დაჭერა. 1930-იან წლებში ლევ ლანდაუმ და რუდოლფ პეიერლსმა დაადასტურეს, რომ ორგანზომილებიანი კრისტალები არასტაბილურია და იშლება თერმული რყევების გამო (ფიზიკური რაოდენობების შემთხვევითი გადახრები მათი საშუალო მნიშვნელობებისგან ნაწილაკების ქაოტური თერმული მოძრაობის გამო. - დაახლოებით T&P). გამოდის, რომ ორგანზომილებიანი ბრტყელი მასალა არ შეიძლება არსებობდეს თერმოდინამიკური მიზეზების გამო. ანუ, როგორც ჩანს, ნანოს 2D-ში ვერ შევქმნით.თუმცა, არა! კონსტანტინე ნოვოსელოვმა და ანდრეი გეიმმა მოახდინეს გრაფენის სინთეზირება. გრაფენი ნანოში არ არის ბრტყელი, მაგრამ ოდნავ ტალღოვანი და, შესაბამისად, სტაბილური.

თუ ჩვენს სამგანზომილებიან სამყაროში ქაღალდის დასტადან ერთ ფურცელს ამოვიღებთ, მაშინ ქაღალდი დარჩება ქაღალდზე, მისი თვისებები არ შეიცვლება. თუ ნანოსამყაროში გრაფიტის ერთი ფენა მოიხსნება, მაშინ მიღებულ გრაფენს ექნება უნიკალური თვისებები, რომლებიც არაფრით არ ჰგავს იმ თვისებებს, რომლებსაც აქვს მისი „წინამძღვარი“გრაფიტი. გრაფენი არის გამჭვირვალე, მსუბუქი, ფოლადზე 100-ჯერ ძლიერი, შესანიშნავი თერმოელექტრული და ელექტრული გამტარი. იგი ფართოდ არის გამოკვლეული და უკვე ხდება ტრანზისტორების საფუძველი.

დღეს, როდესაც ყველას ესმის, რომ ორგანზომილებიანი მასალები პრინციპში შეიძლება არსებობდეს, ჩნდება თეორიები, რომ ახალი ერთეულების მიღება შესაძლებელია სილიციუმის, ბორის, მოლიბდენის, ვოლფრამის და ა.შ.

და შემდგომ - ერთ განზომილებაში

2D გრაფენს აქვს სიგანე და სიგრძე. როგორ გავაკეთოთ მისგან 1D და რა მოხდება ბოლოს? ერთ-ერთი მეთოდია მისი თხელ ლენტებად დაჭრა. თუ მათი სიგანე მაქსიმალურად შემცირდება, მაშინ ეს აღარ იქნება მხოლოდ ლენტები, არამედ კიდევ ერთი უნიკალური ნანო ობიექტი - კარბინი. იგი აღმოაჩინეს საბჭოთა მეცნიერებმა (ქიმიკოსები იუ.პ. კუდრიავცევი, ა.მ.სლადკოვი, ვ.ი. კასატოჩკინი და ვ.ვ. კორშაკი. - T&P შენიშვნა) 1960-იან წლებში.

ერთგანზომილებიანი ობიექტის დამზადების მეორე გზა არის გრაფენის გადახვევა მილში, ხალიჩის მსგავსად. ამ მილის სისქე მის სიგრძეზე ბევრად ნაკლები იქნება. თუ ქაღალდი შემოვიდა ან ზოლებად დაჭრა, ის რჩება ქაღალდზე. თუ გრაფენი მილაკში შემოვიდა, ის გარდაიქმნება ნახშირბადის ახალ ფორმად - ნანომილად, რომელსაც არაერთი უნიკალური თვისება აქვს.

ნანოობიექტების საინტერესო თვისებები

ელექტრული გამტარობა არის ის, თუ რამდენად კარგად ან ცუდად ატარებს მასალა ელექტრულ დენს. ჩვენს სამყაროში იგი აღწერილია ერთი ნომრით თითოეული მასალისთვის და არ არის დამოკიდებული მის ფორმაზე. არ აქვს მნიშვნელობა, გააკეთებ ვერცხლის ცილინდრს, კუბს თუ ბურთს - მისი გამტარობა ყოველთვის იგივე იქნება.

ნანოსამყაროში ყველაფერი სხვაგვარადაა. ნანომილების დიამეტრის ცვლილება გავლენას მოახდენს მათ გამტარობაზე. თუ განსხვავება n - m (სადაც n და m არის მილის დიამეტრის აღწერის რამდენიმე მაჩვენებელი) იყოფა სამზე, მაშინ ნანომილები ატარებენ დენს. თუ არ იყო დაყოფილი, მაშინ არ ხორციელდება.

იანგის მოდული კიდევ ერთი საინტერესო თვისებაა, რომელიც ვლინდება ღეროს ან ტოტის მოხრილობისას. იანგის მოდული გვიჩვენებს, რამდენად ძლიერად ეწინააღმდეგება მასალა დეფორმაციას და სტრესს. მაგალითად, ალუმინისთვის, ეს მაჩვენებელი ორჯერ ნაკლებია, ვიდრე რკინისა, ანუ ის ორჯერ ცუდს ეწინააღმდეგება. ისევ და ისევ, ალუმინის ბურთი არ შეიძლება იყოს უფრო ძლიერი ვიდრე ალუმინის კუბი. ზომას და ფორმას მნიშვნელობა არ აქვს.

ნანოსამყაროში სურათი ისევ განსხვავებულია: რაც უფრო თხელია ნანომავთული, მით უფრო მაღალია მისი იანგის მოდული. თუ ჩვენს სამყაროში გვსურს რაღაც ანტრესოლით მივიღოთ, მაშინ უფრო ძლიერ სკამს ავირჩევთ, რომ გაუძლოს. ნანოსამყაროში, თუმცა ეს არც ისე აშკარაა, ჩვენ მოგვიწევს უპირატესობა მიანიჭოთ უფრო პატარა სკამს, რადგან ის უფრო ძლიერია.

თუ ჩვენს სამყაროში რაიმე მასალაზე ხვრელები გაკეთდება, მაშინ ის შეწყვეტს ძლიერებას. ნანოსამყაროში პირიქითაა. თუ გრაფენში ბევრ ნახვრეტს გააკეთებთ, ის ორნახევარჯერ უფრო ძლიერი ხდება, ვიდრე უხარისხო გრაფენი. როდესაც ქაღალდზე ნახვრეტებს ვაკეთებთ, მისი არსი არ იცვლება. ხოლო როცა გრაფენში ნახვრეტებს ვაკეთებთ, ერთ ატომს ვხსნით, რის გამოც ჩნდება ახალი ლოკალური ეფექტი. დარჩენილი ატომები ქმნიან ახალ სტრუქტურას, რომელიც ქიმიურად უფრო ძლიერია, ვიდრე ამ გრაფენის ხელუხლებელი რეგიონები.

ნანოტექნოლოგიის პრაქტიკული გამოყენება

გრაფენს აქვს უნიკალური თვისებები, მაგრამ როგორ გამოვიყენოთ ისინი კონკრეტულ სფეროში, ჯერ კიდევ საკითხავია. ახლა გამოიყენება ერთელექტრონული ტრანზისტორების პროტოტიპებში (ზუსტად ერთი ელექტრონის სიგნალის გადამცემი). ითვლება, რომ მომავალში ორფენიანი გრაფენი ნანოფორებით (ხვრელები არა ერთ ატომში, არამედ მეტი) შეიძლება გახდეს იდეალური მასალა გაზების ან სითხეების შერჩევითი გამწმენდისთვის. მექანიკაში გრაფინის გამოსაყენებლად, ჩვენ გვჭირდება მასალის დიდი ფართობი დეფექტების გარეშე, მაგრამ ასეთი წარმოება ტექნოლოგიურად ძალიან რთულია.

ბიოლოგიური თვალსაზრისით, პრობლემა ჩნდება გრაფენთან დაკავშირებითაც: როგორც კი ის მოხვდება სხეულში, ის წამლავს ყველაფერს. მიუხედავად იმისა, რომ მედიცინაში გრაფენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სენსორი დნმ-ის "ცუდი" მოლეკულებისთვის (სხვა ქიმიურ ელემენტთან მუტაცია და ა.შ.). ამისთვის მასზე ორი ელექტროდია მიმაგრებული და დნმ-ის ფორებში გადის – თითოეულ მოლეკულაზე განსაკუთრებული გზით რეაგირებს.

ევროპაში უკვე იწარმოება ტაფები, ველოსიპედები, ჩაფხუტები და ფეხსაცმლის ძირები გრაფენის დამატებით. ერთი ფინური ფირმა აწარმოებს კომპონენტებს მანქანებისთვის, განსაკუთრებით Tesla-ს მანქანებისთვის, რომლებშიც ღილაკები, დაფის ნაწილები და ეკრანები დამზადებულია საკმაოდ სქელი ნანომილებისაგან. ეს პროდუქტები გამძლე და მსუბუქია.

ნანოტექნოლოგიის სფერო რთულია კვლევისთვის როგორც ექსპერიმენტების, ასევე რიცხვითი მოდელირების თვალსაზრისით. ყველა ფუნდამენტური საკითხი, რომელიც მოითხოვს დაბალი კომპიუტერის სიმძლავრეს, უკვე მოგვარებულია. დღეს კვლევის მთავარი შეზღუდვა სუპერკომპიუტერების არასაკმარისი სიმძლავრეა.