Människans erövring av naturen har ännu inte upphört. Hur som helst, tills vi ännu inte har fångat nanovärlden och fastställt våra egna regler i den. Låt oss se vad det är och vilka möjligheter världen av objekt som mäts i nanometer ger oss.
Vad är "nano"?
En gång hördes mikroelektronikens prestationer. Vi har nu gått in i en ny era av nanoteknik. Så vad är denna "nano", som här och där började lägga till de vanliga orden, vilket gav dem ett nytt modernt ljud: nanorobots, nanomaskiner, nanoradio och så vidare? Prefixet "nano" används i det internationella systemet för enheter (SI). Den används för att bilda notationen för decimalenheter. Det här är en miljarddel av den ursprungliga enheten. I det här fallet talar vi om objekt vars dimensioner bestäms i nanometer. Detta innebär att en nanometer är en miljarddel av en meter. Som jämförelse är en mikron (aka mikrometer som gav namnet mikroelektronik, och dessutom mikrobiologi, mikrokirurgi, etc.) en miljonedel av en meter.
Om vi tar millimeter som ett exempel (prefixet "milli-" är en tusendel), så finns det i en millimeter 1 000 000 nanometer (nm) och följaktligen 1 000 mikrometer (μm). Människohår har en genomsnittlig tjocklek på 0,05–0,07 mm, det vill säga 50 000–70 000 nm. Även om hårets diameter kan skrivas i nanometer är det långt ifrån nanovärlden. Låt oss gå djupare och se vad som finns där redan nu.
Medelstorleken på bakterier är 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virus, en av bakteriens främsta fiender, är ännu mindre. Medeldiametern för de flesta av de studerade virusen är 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Men DNA-spiralen har en diameter på 1,8-2,3 nm. Man tror att den minsta atomen är en heliumatom, dess radie är 32 pm (0,032 nm) och den största är cesium 225 pm (0,255 nm). I allmänhet anses ett nanoobjekt vara ett objekt vars storlek i minst en dimension finns i nanoskalan (1–100 nm).
Kan du se nanovärlden?
Kampanjvideo:
Naturligtvis vill jag se allt som sägs med mina egna ögon. Åtminstone i okularet till ett optiskt mikroskop. Är det möjligt att titta in i nanovärlden? Det vanliga sättet, som vi observerar, till exempel mikrober, är omöjligt. Varför? Eftersom ljus, med en viss grad av konvention, kan kallas nanovågor. Den violetta färgens våglängd, från vilken det synliga området börjar, är 380–440 nm. Våglängden för den röda färgen är 620-740 nm. Synlig strålning har våglängder på hundratals nanometer. I detta fall är upplösningen av konventionella optiska mikroskop begränsad av Abbe-diffraktionsgränsen vid ungefär hälften av våglängden. De flesta föremål som är intressanta för oss är ännu mindre.
Därför var det första steget mot penetration i nanovärlden uppfinningen av överföringselektronmikroskopet. Dessutom skapades det första mikroskopet av Max Knoll och Ernst Ruska redan 1931. 1986 tilldelades Nobelpriset i fysik för hans uppfinning. Funktionsprincipen är densamma som för ett konventionellt optiskt mikroskop. Bara i stället för ljus riktas en ström av elektroner till objektet av intresse, som fokuseras av magnetiska linser. Om ett optiskt mikroskop gav en ökning med cirka tusen gånger, var ett elektronmikroskop redan miljoner gånger. Men det har också sina nackdelar. För det första är det nödvändigt att erhålla tillräckligt tunna prover av material för arbete. De måste vara transparenta i en elektronstråle, så deras tjocklek varierar i intervallet 20-200 nm. För det andra är detatt provet under påverkan av elektronstrålar kan sönderdelas och bli oanvändbart.
En annan version av elektronflödesmikroskopet är skanningelektronmikroskopet. Det lyser inte genom provet, som det föregående, utan skannar det med en elektronstråle. Detta gör att tjockare prover kan undersökas. Bearbetning av det analyserade provet med en elektronstråle genererar sekundära och tillbaka-reflekterade elektroner, synliga (katodoluminescens) och röntgenstrålar, som fångas upp av speciella detektorer. Baserat på de mottagna uppgifterna bildas en uppfattning om objektet. De första avsökande elektronmikroskopen dök upp i början av 1960-talet.
Skannande sondmikroskop är en relativt ny klass av mikroskop som uppträdde redan på 80-talet. Det redan nämnda Nobelpriset för fysik 1986 delades upp mellan uppfinnaren av överföringselektronmikroskopet Ernst Ruska och skaparna av det skannande tunnelmikroskopet Gerd Binnig och Heinrich Rohrer. Skannande mikroskop gör det möjligt att inte undersöka utan att "känna" lindringen av provytan. Den resulterande informationen konverteras sedan till en bild. Till skillnad från svepelektronmikroskopet använder sonden en skarp skannål för drift. Nålen, vars spets är bara några atomer tjock, fungerar som en sond som förs till det minsta avståndet till provet - 0,1 nm. Under skanningen rör sig nålen över provytan. En tunnelström uppstår mellan spetsen och provytan,och dess värde beror på avståndet mellan dem. Ändringarna registreras, vilket gör det möjligt att bygga en höjdkarta på grundval av dem - en grafisk representation av objektets yta.
En liknande funktionsprincip används av ett annat mikroskop från klassen av skanningssondmikroskop - atomkraft. Det finns också en sondspets och ett liknande resultat - en grafisk framställning av ytavlastningen. Men det är inte storleken på strömmen som mäts utan kraftinteraktionen mellan ytan och sonden. Först och främst menas van der Waals-krafter, men också elastiska krafter, kapillärkrafter, vidhäftningskrafter och andra. Till skillnad från skanningstunnelmikroskopet, som bara kan användas för att studera metaller och halvledare, medger atomkraftsmikroskopet också studier av dielektrikum. Men detta är inte den enda fördelen. Det tillåter inte bara att titta in i nanovärlden utan också att manipulera atomer.
Pentacene-molekyl. A är en modell av en molekyl. B - bild erhållen med ett skanningstunnelmikroskop. C - bild erhållen med ett atomkraftmikroskop. D - flera molekyler (AFM). A, B och C i samma skala
Foto: vetenskap
Nanomaskiner
I naturen, i nanoskala, det vill säga på nivån av atomer och molekyler, äger många processer rum. Vi kan naturligtvis fortfarande påverka hur de fortsätter. Men vi gör det nästan blint. Nanomaskiner är ett riktat instrument för att arbeta i nanovärlden; de är enheter som gör att man kan manipulera enskilda atomer och molekyler. Fram till nyligen kunde bara naturen skapa och kontrollera dem. Vi är ett steg bort från den dag då vi kan göra det också.
Nanomaskiner
Foto: warosu.org
Vad kan nanomaskiner göra? Ta kemi, till exempel. Syntesen av kemiska föreningar baseras på det faktum att vi skapar nödvändiga förutsättningar för att en kemisk reaktion ska kunna fortsätta. Som ett resultat har vi ett ämne vid utgången. I framtiden kan kemiska föreningar skapas relativt sett mekaniskt. Nanomaskiner kommer att kunna ansluta och separera enskilda atomer och molekyler. Som ett resultat kommer kemiska bindningar att bildas eller tvärtom kommer befintliga bindningar att brytas. Att bygga nanomaskiner kommer att kunna skapa de molekylära strukturerna vi behöver från atomer. Kemist nanorobots - syntetisera kemiska föreningar. Detta är ett genombrott i skapandet av material med önskade egenskaper. Samtidigt är det ett genombrott inom miljöskyddet. Det är lätt att anta att nanomaskiner är ett bra verktyg för återvinning av avfall,som under normala förhållanden är svåra att kassera. Speciellt om vi pratar om nanomaterial. Ju närmare den tekniska utvecklingen går, desto svårare är det för miljön att klara sina resultat. För länge sker nedbrytningen av nya material som uppfunnits av människan i den naturliga miljön. Alla vet hur lång tid det tar att sönderdela kasserade plastpåsar - en produkt från den tidigare vetenskapliga och tekniska revolutionen. Vad kommer att hända med nanomaterial, som förr eller senare visar sig vara skräp? Samma nanomaskiner måste bearbeta dem.hur lång tid det tar att kasta bort plastpåsar - en produkt från en tidigare vetenskaplig och teknisk revolution. Vad kommer att hända med nanomaterial, som förr eller senare visar sig vara skräp? Samma nanomaskiner måste bearbeta dem.hur lång tid det tar att kasta bort plastpåsar - en produkt från en tidigare vetenskaplig och teknisk revolution. Vad kommer att hända med nanomaterial, som förr eller senare visar sig vara skräp? Samma nanomaskiner måste bearbeta dem.
Fullerene hjul nanomaskin
Foto: warosu.org
Forskare har pratat om mekanosyntes under lång tid. Det är en kemisk syntes som sker genom mekaniska system. Dess fördel framgår av det faktum att det tillåter positionering av reaktanter med hög grad av noggrannhet. Men hittills finns det inget verktyg som gör det möjligt att effektivt implementera det. Naturligtvis kan atomkraftmikroskop som finns idag fungera som sådana instrument. Ja, de tillåter inte bara att titta in i nanovärlden utan också att arbeta med atomer. Men de, som objekt av makrokosmos, är inte bäst lämpade för massanvändning av teknik, vilket inte kan sägas om nanomaskiner. I framtiden kommer de att användas för att skapa hela molekylära transportörer och nanofabriker.
Men det finns redan hela biologiska nanofabriker. De finns i oss och i alla levande organismer. Därför förväntas genombrott inom medicin, bioteknik och genetik från nanoteknik. Genom att skapa konstgjorda nanomaskiner och introducera dem i levande celler kan vi uppnå imponerande resultat. För det första kan nanomaskiner användas för riktad transport av läkemedel till önskat organ. Vi behöver inte ta medicin och inser att endast en del av det kommer till det sjuka organet. För det andra tar nanomaskiner redan över genomredigeringsfunktionerna. CRISPR / Cas9-teknik, kikad från naturen, gör att du kan göra förändringar i genomet hos både encelliga och högre organismer, inklusive människor. Dessutom talar vi inte bara om att redigera embryonens genom utan också genomet för levande vuxna organismer. Och nanomaskinerna kommer att göra allt detta.
Nanoradio
Om nanomaskiner är vårt instrument i nanovärlden, så måste de på något sätt kontrolleras. Det finns dock inget behov av att uppfinna något fundamentalt nytt här heller. En av de mest troliga kontrollmetoderna är radio. De första stegen i denna riktning har redan tagits. Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, ledd av Alex Zettle, har skapat en radiomottagare från bara ett nanorör med en diameter på cirka 10 nm. Dessutom fungerar nanoröret samtidigt som en antenn, väljare, förstärkare och demodulator. Nano-radiomottagaren kan ta emot både FM- och AM-vågor med en frekvens på 40 till 400 MHz. Enligt utvecklarna kan enheten inte bara användas för att ta emot en radiosignal utan också för att sända den.
Mottagna radiovågor får nanoradioantennen att vibrera
nsf.gov
Musik av Eric Clapton och Beach Boys fungerade som en testsignal. Forskarna överförde en signal från en del av rummet till en annan, där radion de skapade var belägen. Som det visade sig var signalkvaliteten tillräckligt bra. Men naturligtvis är syftet med en sådan radio inte att lyssna på musik. Radiomottagaren kan användas i olika nanodenheter. Till exempel i samma nanorobots som levererar droger som kommer till det önskade organet genom blodomloppet.
Nanomaterial
Skapandet av material med egenskaper som tidigare var omöjliga att föreställa sig är en annan möjlighet som nanoteknik erbjuder oss. För att betraktas som "nano" måste ett material ha en eller flera dimensioner i nanoskalan. Antingen skapas med hjälp av nanopartiklar eller genom nanoteknik. Den mest praktiska klassificeringen av nanomaterial idag är genom dimensionen av de strukturella element som de består av.
Nolldimensionell (0D) - nanokluster, nanokristaller, nanodispersioner, kvantprickar. Ingen av sidorna av 0D-nanomaterialet går utöver nanoskalan. Detta är material där nanopartiklar isoleras från varandra. De första komplexa nolldimensionella strukturer som erhållits och tillämpats i praktiken är fullerener. Fullerener är de starkaste antioxidanter som är kända idag. Inom farmakologin är förhoppningarna om att skapa nya läkemedel fästa på dem. Fullerenderivat visar sig bra vid behandling av HIV. Och när du skapar nanomaskiner kan fullerener användas som delar. Nanomaskinen med fullerenhjul visas ovan.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Endimensionellt (1D) - nanorör, fibrer och stavar. Deras längd sträcker sig från 100 nm till tiotals mikrometer, men diametern ligger inom nanoskalan. De mest kända endimensionella materialen idag är nanorör. De har unika elektriska, optiska, mekaniska och magnetiska egenskaper. Inom en snar framtid bör nanorör hitta tillämpning inom molekylär elektronik, biomedicin och i skapandet av nya ultrastarka och ultralätta kompositmaterial. Nanorör används redan som nålar vid avsökning av tunnlar och atomkraftmikroskop. Ovan talade vi om skapandet av nanoradio baserat på nanorör. Och naturligtvis är hoppet fäst på kolnanorör som ett material för rymdhisskabeln.
Kol nanorör
Foto: wikipedia.org
Tvådimensionellt (2D) - filmer (beläggningar) med nanometertjocklek. Detta är den välkända grafen - en tvådimensionell allotropisk modifiering av kol (grafen tilldelades Nobelpriset i fysik för 2010). Mindre kända för allmänheten är silen - en tvådimensionell modifiering av kisel, fosfor - fosfor, germanen - germanium. Förra året skapade forskare borofen, som till skillnad från andra tvådimensionella material visade sig vara inte platt utan korrugerad. Arrangemanget av boratomer i form av en korrugerad struktur ger de erhållna nanomaterialens unika egenskaper. Borofen påstår sig vara ledande inom draghållfasthet bland tvådimensionella material.
Borofen struktur
Foto: MIPT
Tvådimensionella material bör hitta tillämpning i elektronik, i utformningen av filter för avsaltning av havsvatten (grafenmembran) och skapande av solceller. Inom en snar framtid kan grafen ersätta indiumoxid - en sällsynt och dyr metall - vid tillverkningen av pekskärmar.
Tredimensionella (3D) nanomaterial är pulver, fibrösa, flerskiktade och polykristallina material, i vilka ovanstående nolldimensionella, endimensionella och tvådimensionella nanomaterial är strukturella element. De håller sig nära varandra och bildar gränssnitt mellan sig själva - gränssnitt.
Typer av nanomaterial
Foto: thesaurus.rusnano.com
Lite mer tid kommer att passera och nanoteknik - tekniker för att manipulera objekt i nanoskala blir vanliga. Precis som mikroelektronisk teknik har blivit bekant och ger oss datorer, mobiltelefoner, satelliter och många andra attribut från den moderna informationsåldern. Men nanoteknikens inverkan på livet kommer att bli mycket bredare. Förändringar väntar oss på nästan alla områden av mänsklig aktivitet.
Sergey Sobol
