Menneskets erobring av naturen er ennå ikke avsluttet. I alle fall har vi ennå ikke fanget nanoverden og etablert våre egne regler i den. La oss se hva det er og hvilke muligheter verdenen av objekter målt i nanometer gir oss.
Hva er "nano"?
En gang var prestasjonene fra mikroelektronikk hørt. Vi har nå gått inn i en ny æra med nanoteknologi. Så hva er denne "nano", som her og der begynte å legge til de vanlige ordene, og ga dem en ny moderne lyd: nanoroboter, nanomaskiner, nanoradio og så videre? Prefikset "nano" brukes i det internasjonale systemet for enheter (SI). Den brukes til å danne notasjonen for desimalenheter. Dette er en milliarddel av den opprinnelige enheten. I dette tilfellet snakker vi om objekter hvis dimensjoner bestemmes i nanometer. Dette betyr at ett nanometer er en milliarddel meter. Til sammenligning er en mikron (aka mikrometeret som ga navnet til mikroelektronikk, og dessuten mikrobiologi, mikrokirurgi, etc.) en milliondel av en meter.
Hvis vi tar millimeter som et eksempel (prefikset "milli" er en tusendels), så er det i en millimeter 1.000.000 nanometer (nm) og følgelig 1.000 mikrometer (μm). Menneskehår har en gjennomsnittlig tykkelse på 0,05–0,07 mm, det vil si 50 000–70 000 nm. Selv om hårdiameter kan skrives i nanometer, er dette langt fra nanoverden. La oss gå dypere og se hva som er der allerede nå.
Gjennomsnittlig størrelse på bakterier er 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virus, en av bakteriens viktigste fiender, er enda mindre. Gjennomsnittsdiameteren på de fleste studerte virusene er 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Men DNA-spiralen har en diameter på 1,8-2,3 nm. Det antas at det minste atomet er et heliumatom, dets radius er 32 pm (0,032 nm), og det største er cesium 225 pm (0,255 nm). Generelt anses et nanoobjekt å være et objekt hvis størrelse i minst en dimensjon er i nanoskalaen (1–100 nm).
Kan du se nanoworld?
Kampanjevideo:
Selvfølgelig vil jeg se alt som blir sagt med mine egne øyne. I det minste gjennom okularet til et optisk mikroskop. Er det mulig å se inn i nanoverden? Den vanlige måten, som vi for eksempel observerer mikrober, er umulig. Hvorfor? Fordi lys, med en viss grad av konvensjon, kan kalles nanobølger. Bølgelengden til den fiolette fargen, hvorfra det synlige området begynner, er 380–440 nm. Bølgelengden til den røde fargen er 620-740 nm. Synlig stråling har bølgelengder på hundrevis av nanometer. I dette tilfellet er oppløsningen til konvensjonelle optiske mikroskoper begrenset av Abbe-diffraksjonsgrensen på omtrent halvparten av bølgelengden. De fleste av objektene som er av interesse for oss er enda mindre.
Derfor var det første trinnet mot penetrasjon i nanoverden verdenen av overføringselektronmikroskopet. Videre ble det første slike mikroskopet opprettet av Max Knoll og Ernst Ruska tilbake i 1931. I 1986 ble Nobelprisen i fysikk tildelt for oppfinnelsen. Operasjonsprinsippet er det samme som for et konvensjonelt optisk mikroskop. Bare i stedet for lys blir en strøm av elektroner rettet mot objektet av interesse, som er fokusert av magnetiske linser. Hvis et optisk mikroskop ga en økning på omtrent tusen ganger, var et elektronmikroskop allerede millioner av ganger. Men det har også sine ulemper. For det første er det nødvendig å skaffe tilstrekkelig tynne prøver av materialer for arbeid. De må være gjennomsiktige i en elektronstråle, så tykkelsen varierer i området 20-200 nm. For det andre er detat prøven under påvirkning av elektronstråler kan spaltes og bli ubrukelig.
En annen versjon av elektronstrømningsmikroskopet er skanningelektronmikroskopet. Den skinner ikke gjennom prøven, som den forrige, men skanner den med en elektronstråle. Dette gjør at tykkere prøver kan undersøkes. Behandling av den analyserte prøven med en elektronstråle genererer sekundære og tilbake-reflekterte elektroner, synlige (katodoluminescens) og røntgenstråler, som fanges opp av spesielle detektorer. Basert på mottatte data dannes en ide om objektet. De første skanningelektronmikroskopene dukket opp på begynnelsen av 1960-tallet.
Skannende probemikroskop er en relativt ny klasse mikroskop som dukket opp allerede på 80-tallet. Den allerede nevnte Nobelprisen i fysikk fra 1986 ble delt mellom oppfinneren av overføringselektronmikroskopet Ernst Ruska og skaperne av skanningstunnelmikroskopet Gerd Binnig og Heinrich Rohrer. Skannende mikroskoper gjør det mulig å ikke undersøke, men å "føle" lindring av prøveoverflaten. De resulterende dataene blir deretter konvertert til et bilde. I motsetning til skanneelektronmikroskopet, bruker sonden en skarp skanningsnål for drift. Nålen, hvis spiss bare er noen få atomer tykk, fungerer som en sonde som bringes til en minimumsavstand på 0,1 nm til prøven. Under skanning beveger nålen seg over prøveoverflaten. En tunnelstrøm oppstår mellom spissen og prøveoverflaten,og verdien avhenger av avstanden mellom dem. Endringene er registrert, som gjør det mulig å bygge et høydekart på grunnlag - en grafisk fremstilling av objektets overflate.
Et lignende driftsprinsipp brukes av et annet mikroskop fra klassen av skannende probemikroskoper - atomkraft. Det er også en sondespiss, og et lignende resultat - en grafisk fremstilling av overflateavlastningen. Men det er ikke størrelsen på strømmen som måles, men kraftinteraksjonen mellom overflaten og sonden. For det første menes van der Waals-kreftene, men også elastiske krefter, kapillarkrefter, vedheftskrefter og andre. I motsetning til skanningstunnelmikroskopet, som bare kan brukes til å studere metaller og halvledere, tillater atomkraftmikroskopet også studier av dielektrikum. Men dette er ikke den eneste fordelen. Det tillater ikke bare å se inn i nanoverden, men også å manipulere atomer.
Pentacene-molekyl. A er en modell av et molekyl. B - bilde hentet fra et skanningstunnelmikroskop. C - bilde oppnådd med et atomkraftmikroskop. D - flere molekyler (AFM). A, B og C på samme skala
Foto: Vitenskap
Nanomaskiner
I naturen, på nanoskala, det vil si på nivået av atomer og molekyler, finner mange prosesser sted. Vi kan selvfølgelig også nå påvirke hvordan de går frem. Men vi gjør det nesten blindt. Nanomaskiner er et målrettet instrument for å arbeide i nanoverden; de er enheter som lar en manipulere enkeltatomer og molekyler. Inntil nylig var det bare naturen som kunne skape og kontrollere dem. Vi er et skritt unna den dagen vi også kan gjøre dette.
Nanomaskiner
Foto: warosu.org
Hva kan nanomaskiner gjøre? Ta kjemi, for eksempel. Syntesen av kjemiske forbindelser er basert på det faktum at vi skaper de nødvendige forholdene for at en kjemisk reaksjon kan fortsette. Som et resultat har vi et bestemt stoff ved utgangen. I fremtiden kan kjemiske forbindelser opprettes relativt sett mekanisk. Nanomaskiner vil være i stand til å koble sammen og skille individuelle atomer og molekyler. Som et resultat vil kjemiske bindinger bli dannet, eller omvendt vil eksisterende bindinger bli brutt. Å bygge nanomaskiner vil være i stand til å skape molekylære strukturer vi trenger fra atomer. Kjemiker nanorobots - syntetiserer kjemiske forbindelser. Dette er et gjennombrudd i skapelsen av materialer med ønskede egenskaper. Samtidig er det et gjennombrudd innen miljøvern. Det er lett å anta at nanomaskiner er et utmerket verktøy for resirkulering av avfall,som under normale forhold er vanskelig å avhende. Spesielt hvis vi snakker om nanomaterialer. Jo lenger den tekniske utviklingen går, jo vanskeligere er det for miljøet å takle resultatene. For lenge foregår nedbrytningen av nye materialer oppfunnet av mennesket i det naturlige miljøet. Alle vet hvor lang tid det tar å spalte kasserte plastposer - et produkt av den forrige vitenskapelige og teknologiske revolusjonen. Hva vil skje med nanomaterialer, som før eller siden viser seg å være søppel? De samme nanomaskinene må behandle dem.hvor lang tid det tar å kaste bort plastsekker - et produkt av en tidligere vitenskapelig og teknologisk revolusjon. Hva vil skje med nanomaterialer, som før eller siden viser seg å være søppel? De samme nanomaskinene må behandle dem.hvor lang tid det tar å kaste bort plastposer - et produkt av en tidligere vitenskapelig og teknologisk revolusjon. Hva vil skje med nanomaterialer, som før eller siden viser seg å være søppel? De samme nanomaskinene må behandle dem.
Fullerene hjul nanomaskin
Foto: warosu.org
Forskere har snakket om mekanosyntese i lang tid. Det er en kjemisk syntese som foregår gjennom mekaniske systemer. Dens fordel sees i det faktum at det vil tillate posisjonering av reaktanter med høy grad av nøyaktighet. Men så langt er det ikke noe verktøy som gjør det mulig å implementere det effektivt. Selvfølgelig kan atomkraftmikroskop som eksisterer i dag fungere som slike instrumenter. Ja, de tillater ikke bare å se inn i nanoverden, men også å operere med atomer. Men de, som gjenstander for makrokosmos, er ikke best egnet for masseanvendelse av teknologi, som ikke kan sies om nanomaskiner. I fremtiden vil de bli brukt til å lage hele molekylære transportører og nanofabrikker.
Men nå er det hele biologiske nanofabrikker. De eksisterer i oss og i alle levende organismer. Det er derfor det forventes gjennombrudd innen medisin, bioteknologi og genetikk fra nanoteknologi. Ved å lage kunstige nanomaskiner og introdusere dem i levende celler, kan vi oppnå imponerende resultater. For det første kan nanomaskiner brukes til målrettet transport av medisiner til ønsket organ. Vi trenger ikke ta medisiner, og innser at bare en del av det kommer til det syke organet. For det andre overtar nanomaskiner allerede genomredigeringsfunksjonene. CRISPR / Cas9-teknologi, kikket fra naturen, lar deg gjøre endringer i genomet til både encellede og høyere organismer, inkludert mennesker. Videre snakker vi ikke bare om å redigere genomet til embryoene, men også genomet til levende voksne organismer. Og nanomaskinene vil gjøre alt dette.
Nanoradio
Hvis nanomaskiner er instrumentet vårt i nanoverden, må de på en eller annen måte kontrolleres. Det er imidlertid ikke behov for å finne på noe grunnleggende nytt her heller. En av de mest sannsynlige kontrollmetodene er radio. De første trinnene i denne retningen er allerede tatt. Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory, ledet av Alex Zettle, har laget en radiomottaker fra bare ett nanorør med en diameter på omtrent 10 nm. Videre fungerer nanorøret samtidig som en antenne, velger, forsterker og demodulator. Nanoradio-mottakeren kan motta både FM- og AM-bølger med en frekvens på 40 til 400 MHz. I følge utviklerne kan enheten ikke bare brukes til å motta et radiosignal, men også til å overføre det.
Mottatte radiobølger får nanoradioantennen til å vibrere
nsf.gov
Musikk av Eric Clapton og Beach Boys fungerte som et testsignal. Forskerne overførte et signal fra en del av rommet til en annen, der radioen de opprettet befant seg. Som det viste seg var signalkvaliteten god nok. Men hensikten med en slik radio er naturligvis ikke å lytte til musikk. Radiomottakeren kan brukes i en rekke nanodeenheter. For eksempel i de samme nanoroboter som leverer medisiner som vil komme seg til ønsket organ gjennom blodstrømmen.
Nanomaterialer
Opprettelsen av materialer med egenskaper som det tidligere var umulig å forestille seg, er en annen mulighet som nanoteknologi gir oss. For å bli betraktet som "nano", må et materiale ha en eller flere dimensjoner i nanoskalaen. Enten opprettes ved hjelp av nanopartikler eller gjennom nanoteknologi. Den mest praktiske klassifiseringen av nanomaterialer i dag er basert på dimensjonen til de strukturelle elementene som de er sammensatt av.
Nulldimensjonal (0D) - nanoklynger, nanokrystaller, nanodispersjoner, kvanteprikker. Ingen av sidene av 0D-nanomaterialet går utover nanoskalaen. Dette er materialer der nanopartikler er isolert fra hverandre. De første komplekse nulldimensjonale strukturene som er oppnådd og brukt i praksis er fullerener. Fullerener er de sterkeste antioksidantene som er kjent i dag. I farmakologi er håpet om å lage nye medisiner festet på dem. Fullerenderivater viser seg godt i behandlingen av HIV. Og når du lager nanomaskiner, kan fullerener brukes som deler. Nanomaskinen med fullerenene er vist ovenfor.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Endimensjonalt (1D) - nanorør, fibre og stenger. Lengden deres varierer fra 100 nm til titalls mikrometer, men diameteren ligger innenfor nanoskalaen. De mest kjente endimensjonale materialene i dag er nanorør. De har unike elektriske, optiske, mekaniske og magnetiske egenskaper. I nær fremtid bør nanorør finne anvendelse i molekylær elektronikk, biomedisin og i etableringen av nye supersterke og ultralette komposittmaterialer. Nanorør er allerede brukt som nåler i skanning av tunneler og atomkraftmikroskop. Ovenfor snakket vi om etableringen av nanoradio basert på nanorør. Og selvfølgelig er håpet festet på karbonnanorør som et materiale for romheiskabelen.
Karbon nanorør
Foto: wikipedia.org
To-dimensjonal (2D) - filmer (belegg) med nanometer tykkelse. Dette er den velkjente grafen - en todimensjonal allotropisk modifisering av karbon (grafen tildelt Nobelprisen i fysikk for 2010). Mindre kjent for publikum er silisium - en todimensjonal modifikasjon av silisium, fosfor - fosfor, germanen - germanium. I fjor skapte forskere borofen, som i motsetning til andre todimensjonale materialer viste seg å ikke være flat, men bølgepapp. Arrangementet av boratomer i form av en bølgepappestruktur gir de unike egenskapene til det oppnådde nanomaterialet. Borofen hevder å være ledende innen strekkstyrke blant todimensjonale materialer.
Borofen struktur
Foto: MIPT
To-dimensjonale materialer skal finne anvendelse i elektronikk, i utformingen av filtre for avsaltning av sjøvann (grafenmembraner) og dannelse av solceller. I nær fremtid kan grafen erstatte indiumoksid - et sjeldent og kostbart metall - i produksjonen av berøringsskjerm.
Tredimensjonale (3D) nanomaterialer er pulver, fibrøse, flerlags og polykrystallinske materialer, der ovennevnte nulldimensjonale, endimensjonale og todimensjonale nanomaterialer er strukturelle elementer. Tett til hverandre, danner de grensesnitt mellom seg selv - grensesnitt.
Typer nanomaterialer
Foto: thesaurus.rusnano.com
Litt mer tid vil gå og nanoteknologi - teknologier for å manipulere objekter i nanoskala blir vanlig. Akkurat som mikroelektroniske teknologier har blitt kjent, noe som gir oss datamaskiner, mobiltelefoner, satellitter og mange andre attributter i den moderne informasjonsalderen. Men virkningen av nanoteknologi på livet vil være mye bredere. Endringer venter oss på nesten alle områder av menneskelig aktivitet.
Sergey Sobol
