Forskare har kommit nära att skapa nanoroboter. Det finns material för detta: nanopartiklar, nanorör, grafen, olika proteiner. Alla är väldigt ömtåliga - för att studera dem behövs nya, mer avancerade mikroskop som inte skadar enheten under forskningen.
Nanorobots kan vara användbara på många områden i människors liv, främst inom medicin. Föreställ dig små smarta enheter som tyst arbetar inuti oss, styr olika parametrar och överför data i realtid direkt till läkarens smartphone. En sådan robot måste vara gjord av ett biokompatibelt material som inte avvisas av kroppen, den behöver också en strömkälla och minne.
Batteriet hjälper inte här eftersom det ökar enhetens storlek och det är inte lätt att hitta ett biokompatibelt material för det. Problemet löses med hjälp av piezoelektrik - material som genererar energi när de appliceras mekaniskt på dem, till exempel kompression. Det finns också motsatt effekt - som svar på verkan av ett elektriskt fält förändrar strukturer tillverkade av piezoelektriska material sin form.
Biokompatibla piezoelektriska nanoroboter kan lanseras i blodkärl och de omvandlar sin pulsering till elektricitet. Ett annat alternativ är att driva enheterna genom att flytta leder och muskler. Men då kommer nanorobots inte att kunna agera ständigt, till skillnad från de i fartygen.
I vilket fall som helst, för nanoroboter, är det nödvändigt att välja lämpliga material och bestämma exakt hur mycket tryck som måste appliceras på anordningen för att generera en elektrisk impuls i den.
Atomrelationer
En tredimensionell bild av ett föremål eller en yta vid nanoskalan erhålls med ett atomkraftsmikroskop. Det fungerar enligt följande: atomer i vilket ämne som helst interagerar med varandra och på olika sätt beroende på avståndet. På stora avstånd lockar de sig, men när de närmar sig avvisar atomernas elektronskal varandra.
Kampanjvideo:
”En sondnål med en spets på 1-30 nanometer i diameter närmar sig provytan. Så snart den kommer tillräckligt nära kommer sondens atomer och objektet som studeras att börja slå tillbaka. Som ett resultat kommer den elastiska armen, till vilken nålen är fäst, att böjas, säger Arseniy Kalinin, huvudutvecklare på NT-MDT Spectrum Instruments.
Nålen rör sig längs ytan, och eventuella höjdskillnader förändrar böjningen av konsolen, som spelas in av ett ultra-exakt optiskt system. När sonden passerar över ytan registrerar programvaran hela lättnaden och bygger en 3D-modell av den. Som ett resultat bildas en bild på datorskärmen som kan analyseras: för att mäta provets totala grovhet, parametrarna för objekt på ytan. Dessutom görs detta i en naturlig miljö för proverna - vätska, vakuum, vid olika temperaturer. Mikroskopets horisontella upplösning begränsas endast av diametern på sondens spets, medan den vertikala noggrannheten för goda instrument är tiotals picometers, vilket är mindre än storleken på en atom.
Nålen på ett atomkraftsmikroskop undersöker provet / ITMO University Press Service.
Under 30 år med utveckling av atomkraftsmikroskopi har forskare lärt sig bestämma inte bara ytbeläggningen av provet, utan också materialets egenskaper: mekaniska, elektriska, magnetiska, piezoelektriska. Och alla dessa parametrar kan mätas med högsta noggrannhet. Detta har bidragit till framsteg inom materialvetenskap, nanoteknologi och bioteknik.
Biologer är också i affärer
Mätning av piezoelektriska parametrar är en unik egenskap hos ett atomkraftsmikroskop. Under en lång tid användes den endast för att studera piezoelektrik i fast tillstånd. Faktum är att biologiska föremål är ganska mjuka; sondens spets skadar dem lätt. Som en plog plöjer den ytan, förskjuter och deformerar provet.
Nyligen räknade fysiker från Ryssland och Portugal ut hur man kan göra en mikroskopnål med atomkraften som inte skulle skada ett biologiskt prov. De utvecklade en algoritm enligt vilken sonden, när den rör sig från en punkt till en annan, rör sig bort från ytan precis nog för att inte interagera med den på något sätt. Sedan berör han ämnet som studeras och reser sig igen och går mot nästa punkt. Naturligtvis kan nålen fortfarande trycka lite på ytan, men detta är en elastisk interaktion, varefter ett objekt, vare sig det är en proteinmolekyl eller en cell, lätt återställs. Dessutom styrs tryckkraften av ett speciellt program. Denna teknik gör det möjligt att studera en biokompatibel piezoelektrisk struktur utan att skada den.
”Den nya metoden är tillämplig på alla atomkraftsmikroskop, förutsatt att det finns specialdesignad höghastighetselektronik som bearbetar det piezoelektriska svaret från konsolen och programvaran som konverterar data till en karta. En liten spänning appliceras på nålen. Det elektriska fältet verkar på provet och sonden läser sitt mekaniska svar. Återkopplingen är likartad, så vi kan ta reda på hur man pressar ett objekt så att det svarar med önskad elektrisk signal. Detta ger forskaren ett verktyg för att söka och studera nya biokompatibla matkällor, förklarar Kalinin.