Menneskets erobring af naturen er endnu ikke afsluttet. Under alle omstændigheder, indtil vi endnu ikke har fanget nanoworld og etableret vores egne regler i den. Lad os se, hvad det er, og hvilke muligheder verden af objekter målt i nanometer giver os.
Hvad er "nano"?
Engang blev resultaterne af mikroelektronik hørt. Vi er nu kommet ind i en ny æra inden for nanoteknologi. Så hvad er denne "nano", som her og der blev tilføjet til de sædvanlige ord, hvilket gav dem en ny moderne lyd: nanorobots, nanomaskiner, nanoradio og så videre? Præfikset "nano" bruges i det internationale system af enheder (SI). Det bruges til at danne notationen for decimalenheder. Dette er en milliarddel af den oprindelige enhed. I dette tilfælde taler vi om objekter, hvis dimensioner bestemmes i nanometer. Dette betyder, at et nanometer er en milliarddel meter. Til sammenligning er en mikron (også kaldet det mikrometer, der gav navnet til mikroelektronik og desuden mikrobiologi, mikrokirurgi osv.) En milliontedel af en meter.
Hvis vi tager millimeter som et eksempel (præfikset "milli" er en tusindedel), så er der i en millimeter 1.000.000 nanometer (nm) og følgelig 1.000 mikrometer (μm). Menneskehår har en gennemsnitlig tykkelse på 0,05-0,07 mm, det vil sige 50.000-70.000 nm. Selvom hårdiameter kan skrives i nanometer, er det langt fra nanoværden. Lad os gå dybere og se, hvad der er der allerede nu.
Den gennemsnitlige størrelse af bakterier er 0,5-5 µm (500-5000 nm). Virus, en af bakteriens største fjender, er endnu mindre. Den gennemsnitlige diameter for de fleste af de undersøgte vira er 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Men DNA-spiralen har en diameter på 1,8-2,3 nm. Det menes, at det mindste atom er et heliumatom, dets radius er 32 pm (0,032 nm), og det største er cæsium 225 pm (0,255 nm). Generelt betragtes et nanoobjekt som et objekt, hvis størrelse i mindst en dimension er i nanoskalaen (1–100 nm).
Kan du se nanoworld?
Salgsfremmende video:
Selvfølgelig vil jeg se alt, hvad der siges med mine egne øjne. I det mindste i okularet til et optisk mikroskop. Er det muligt at se ind i nanoworld? Den sædvanlige måde, som vi for eksempel observerer mikrober, er umulig. Hvorfor? Fordi lys med en vis grad af konvention kan kaldes nanobølger. Bølgelængden for den violette farve, hvorfra det synlige område begynder, er 380-440 nm. Den røde farves bølgelængde er 620-740 nm. Synlig stråling har bølgelængder på hundreder af nanometer. I dette tilfælde er opløsningen af konventionelle optiske mikroskoper begrænset af Abbe-diffraktionsgrænsen ved ca. halvdelen af bølgelængden. De fleste af de objekter, der interesserer os, er endnu mindre.
Derfor var det første skridt mod penetration ind i nanoværden opfindelsen af transmissionselektronmikroskopet. Desuden blev det første sådan mikroskop oprettet af Max Knoll og Ernst Ruska tilbage i 1931. I 1986 blev Nobelprisen i fysik tildelt for hans opfindelse. Funktionsprincippet er det samme som for et konventionelt optisk mikroskop. Kun i stedet for lys dirigeres en strøm af elektroner til objektet af interesse, som er fokuseret af magnetiske linser. Hvis et optisk mikroskop gav en stigning på omkring tusind gange, var et elektronmikroskop allerede millioner af gange. Men det har også sine ulemper. For det første er det nødvendigt at få tilstrækkeligt tynde prøver af materialer til arbejde. De skal være gennemsigtige i en elektronstråle, så deres tykkelse varierer i området 20-200 nm. For det andet er detat prøven under indflydelse af elektronstråler kan nedbrydes og blive ubrugelig.
En anden version af elektronflowmikroskopet er scanningselektronmikroskopet. Den skinner ikke gennem prøven, som den forrige, men scanner den med en elektronstråle. Dette gør det muligt at undersøge tykkere prøver. Behandlingen af den analyserede prøve med en elektronstråle genererer sekundære og tilbage-reflekterede elektroner, synlige (katodoluminescens) og røntgenstråler, der fanges af specielle detektorer. Baseret på de modtagne data dannes en idé om objektet. De første scanningselektronmikroskoper dukkede op i begyndelsen af 1960'erne.
Scannende probemikroskoper er en relativt ny klasse af mikroskoper, der dukkede op allerede i 80'erne. Den allerede nævnte 1986 Nobelpris i fysik blev delt mellem opfinderen af transmissionselektronmikroskopet, Ernst Ruska, og skaberne af scanningstunnelmikroskopet, Gerd Binnig og Heinrich Rohrer. Scanningsmikroskoper gør det muligt ikke at undersøge, men at "føle" lindring af prøveoverfladen. De resulterende data konverteres derefter til et billede. I modsætning til scanningselektronmikroskopet bruger sonden en skarp scanningsnål til drift. Nålen, hvis spids kun er få atomer tyk, fungerer som en probe, der bringes til den mindste afstand til prøven - 0,1 nm. Under scanning bevæger nålen sig over prøveoverfladen. En tunnelstrøm opstår mellem spidsen og prøveoverfladen,og dens værdi afhænger af afstanden mellem dem. Ændringerne registreres, hvilket gør det muligt at bygge et højdekort på basis af dem - en grafisk gengivelse af objektets overflade.
Et lignende funktionsprincip anvendes af et andet mikroskop fra klassen af scanningsprobesmikroskoper - atomkraft. Der er også en sondespids og et lignende resultat - en grafisk gengivelse af overfladeaflastningen. Men det er ikke størrelsen på strømmen, der måles, men kraftinteraktionen mellem overfladen og sonden. Van der Waals kræfter menes først og fremmest, men også elastiske kræfter, kapillarkræfter, adhæsionskræfter og andre. I modsætning til scanningstunnelmikroskopet, som kun kan bruges til at studere metaller og halvledere, tillader atomkraftmikroskopet også undersøgelse af dielektrikum. Men dette er ikke den eneste fordel. Det giver ikke kun mulighed for at se ind i nanoverden, men også at manipulere atomer.
Pentacene-molekyle. A er en model af et molekyle. B - billede opnået ved et scanningstunnelmikroskop. C - billede opnået med et atomkraftmikroskop. D - flere molekyler (AFM). A, B og C på samme skala
Foto: Videnskab
Nanomaskiner
I naturen, på nanoskalaen, dvs. på niveauet med atomer og molekyler, finder mange processer sted. Vi kan selvfølgelig stadig påvirke, hvordan de fortsætter. Men vi gør det næsten blindt. Nanomaskiner er et målrettet instrument til at arbejde i nanoworld; de er enheder, der gør det muligt for en at manipulere enkelte atomer og molekyler. Indtil for nylig kunne kun naturen skabe og kontrollere dem. Vi er et skridt væk fra den dag, hvor vi også kan gøre dette.
Nanomaskiner
Foto: warosu.org
Hvad kan nanomaskiner gøre? Tag for eksempel kemi. Syntesen af kemiske forbindelser er baseret på det faktum, at vi skaber de nødvendige betingelser for, at en kemisk reaktion kan fortsætte. Som et resultat har vi et bestemt stof ved output. I fremtiden kan kemiske forbindelser dannes relativt set mekanisk. Nanomaskiner vil være i stand til at forbinde og adskille individuelle atomer og molekyler. Som et resultat dannes kemiske bindinger, eller omvendt vil eksisterende bindinger blive brudt. Bygning af nanomaskiner vil være i stand til at skabe de molekylære strukturer, vi har brug for fra atomer. Kemiker nanorobots - syntetiserer kemiske forbindelser. Dette er et gennembrud i skabelsen af materialer med ønskede egenskaber. Samtidig er det et gennembrud inden for miljøbeskyttelse. Det er let at antage, at nanomaskiner er et fremragende værktøj til genbrug af affald,som under normale forhold er vanskelige at bortskaffe. Især hvis vi taler om nanomaterialer. Jo mere teknisk fremskridt går, jo vanskeligere er det for miljøet at klare dets resultater. For længe finder nedbrydningen af nye materialer, der er opfundet af mennesker, sted i det naturlige miljø. Alle ved, hvor lang tid det tager at nedbryde kasserede plastposer - et produkt fra den tidligere videnskabelige og teknologiske revolution. Hvad sker der med nanomaterialer, som før eller senere viser sig at være affald? De samme nanomaskiner skal behandle dem.hvor lang tid det tager at kassere plastposer på at nedbrydes - et produkt fra en tidligere videnskabelig og teknologisk revolution. Hvad sker der med nanomaterialer, som før eller senere viser sig at være affald? De samme nanomaskiner skal behandle dem.hvor lang tid det tager at kassere plastposer på at nedbrydes - et produkt fra en tidligere videnskabelig og teknologisk revolution. Hvad sker der med nanomaterialer, der før eller senere viser sig at være affald? De samme nanomaskiner skal behandle dem.
Fullerene hjul nanomaskine
Foto: warosu.org
Forskere har talt om mekanosyntese i lang tid. Det er en kemisk syntese, der finder sted gennem mekaniske systemer. Dens fordel ses i det faktum, at det tillader positionering af reaktanter med en høj grad af nøjagtighed. Men indtil videre er der intet værktøj, der gør det muligt effektivt at implementere det. Selvfølgelig kan atomkraftmikroskoper, der findes i dag, fungere som sådanne instrumenter. Ja, de tillader ikke kun at se ind i nanoworld, men også at operere med atomer. Men de, som objekter af makrokosmos, er ikke bedst egnede til masseanvendelse af teknologi, hvilket ikke kan siges om nanomaskiner. I fremtiden vil de blive brugt til at skabe hele molekylære transportører og nanofabrikker.
Men nu er der hele biologiske nanofabrikker. De findes i os og i alle levende organismer. Derfor forventes gennembrud inden for medicin, bioteknologi og genetik fra nanoteknologi. Ved at skabe kunstige nanomaskiner og introducere dem i levende celler kan vi opnå imponerende resultater. For det første kan nanomaskiner bruges til målrettet transport af lægemidler til det ønskede organ. Vi behøver ikke tage medicin og indse, at kun en del af det vil komme til det syge organ. For det andet overtager nanomaskiner allerede genomredigeringsfunktionerne. CRISPR / Cas9-teknologien, kigget fra naturen, giver dig mulighed for at foretage ændringer i genomet af både encellede og højere organismer, inklusive mennesker. Desuden taler vi ikke kun om redigering af genomets embryoner, men også genomet for levende voksne organismer. Og nanomaskinerne gør alt dette.
Nanoradio
Hvis nanomaskiner er vores instrument i nanoverden, skal de på en eller anden måde kontrolleres. Men det er heller ikke nødvendigt at opfinde noget fundamentalt nyt her. En af de mest sandsynlige kontrolmetoder er radio. De første skridt i denne retning er allerede taget. Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory, ledet af Alex Zettle, har oprettet en radiomodtager fra kun et nanorør på ca. 10 nm i diameter. Desuden fungerer nanorøret samtidig som en antenne, vælger, forstærker og demodulator. Nano-radiomodtageren kan modtage både FM- og AM-bølger med en frekvens på 40 til 400 MHz. Ifølge udviklerne kan enheden ikke kun bruges til at modtage et radiosignal, men også til at sende det.
Modtagne radiobølger får nanoradio-antennen til at vibrere
nsf.gov
Musik af Eric Clapton og Beach Boys fungerede som testsignal. Forskerne sendte et signal fra den ene del af rummet til en anden, hvor radioen, de oprettede, var placeret. Som det viste sig, var signalkvaliteten god nok. Men naturligvis er formålet med en sådan radio ikke at lytte til musik. Radiomodtageren kan anvendes i en række forskellige nanordrevne enheder. For eksempel i de samme nanoroboter, der leverer stoffer, der vil komme sig til det ønskede organ gennem blodbanen.
Nanomaterialer
Oprettelsen af materialer med egenskaber, der tidligere var ufattelige, er endnu en mulighed, som nanoteknologi giver os. For at blive betragtet som "nano" skal et materiale have en eller flere dimensioner i nanoskalaen. Enten oprettes ved hjælp af nanopartikler eller gennem nanoteknologi. Den mest bekvemme klassificering af nanomaterialer i dag er baseret på dimensionen af de strukturelle elementer, som de er sammensat af.
Nul-dimensionel (0D) - nanoklynger, nanokrystaller, nanodispersioner, kvanteprikker. Ingen af siderne af 0D-nanomaterialet går ud over nanoskalaen. Dette er materialer, hvor nanopartikler er isoleret fra hinanden. De første komplekse nuldimensionale strukturer opnået og anvendt i praksis er fullerener. Fullerener er de stærkeste antioxidanter, der er kendt i dag. I farmakologi er håb om oprettelse af nye lægemidler knyttet til dem. Fullerenderivater viser sig godt i behandlingen af HIV. Og når du opretter nanomaskiner, kan fullerener bruges som dele. Nanomaskinen med fullerenhjul er vist ovenfor.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
One-dimensional (1D) - nanorør, fibre og stænger. Deres længde varierer fra 100 nm til snesevis af mikrometer, men deres diameter falder inden for nanoskalaen. De mest berømte endimensionelle materialer i dag er nanorør. De har unikke elektriske, optiske, mekaniske og magnetiske egenskaber. I den nærmeste fremtid skal nanorør finde anvendelse i molekylær elektronik, biomedicin og i skabelsen af nye superstærke og ultralette kompositmaterialer. Nanorør bruges allerede som nåle i scanning af tunneller og atomkraftmikroskoper. Ovenfor talte vi om oprettelsen af nanoradio baseret på nanorør. Og selvfølgelig er håb fastgjort på kulstofnanorør som et materiale til rumelevatorens kabel.
Carbon nanorør
Foto: wikipedia.org
To-dimensionel (2D) - film (belægninger) med nanometer tykkelse. Dette er den velkendte grafen - en todimensional allotropisk modifikation af kulstof (Nobelprisen i fysik for 2010 blev tildelt for grafen). Mindre velkendt for offentligheden er silicen - en todimensional modifikation af silicium, fosfor - fosfor, germanen - germanium. Sidste år skabte forskere borofen, som i modsætning til andre to-dimensionelle materialer viste sig at være ikke flad, men bølgepap. Arrangementet af boratomer i form af en bølgeformet struktur tilvejebringer de unikke egenskaber ved det opnåede nanomateriale. Borofen hævder at være førende inden for trækstyrke blandt to-dimensionelle materialer.
Borophen struktur
Foto: MIPT
To-dimensionelle materialer skal finde anvendelse i elektronik i design af filtre til afsaltning af havvand (grafenmembraner) og oprettelse af solceller. I den nærmeste fremtid kan grafen muligvis erstatte indiumoxid - et sjældent og dyrt metal - i produktionen af berøringsskærme.
Tredimensionale (3D) nanomaterialer er pulvere, fibrøse, flerlags og polykrystallinske materialer, hvor ovennævnte nul-dimensionelle, endimensionelle og todimensionale nanomaterialer er strukturelle elementer. De holder tæt på hinanden og danner grænseflader indbyrdes - grænseflader.
Typer af nanomaterialer
Foto: thesaurus.rusnano.com
Lidt mere tid vil gå, og nanoteknologi - teknologier til manipulering af objekter i nanoskala bliver almindelige. Ligesom mikroelektroniske teknologier er blevet fortrolige, hvilket giver os computere, mobiltelefoner, satellitter og mange andre attributter i den moderne informationsalder. Men virkningen af nanoteknologi på livet vil være meget bredere. Forandringer venter os på næsten alle områder af menneskelig aktivitet.
Sergey Sobol