Gamtos užkariavimas žmogaus dar nesibaigė. Bet kokiu atveju mes dar neužfiksavome nanopasaulio ir nenustatėme jame savo taisyklių. Pažiūrėkime, kas tai yra ir kokias galimybes mums suteikia nanometrais matuojamas objektų pasaulis.
Kas yra „nano“?
Kažkada buvo girdėti mikroelektronikos pasiekimai. Dabar įžengėme į naują nanotechnologijų erą. Taigi, kas yra tas „nano“, kurį čia ir ten pradėta pridėti prie įprastų žodžių, suteikiant jiems naują šiuolaikišką skambesį: nanorobotai, nanomachinos, nanoradijo ir pan.? Tarptautinėje vienetų sistemoje (SI) naudojamas priešdėlis „nano“. Jis naudojamas dešimtainių vienetų žymėjimui formuoti. Tai yra viena milijardas pradinio vieneto. Šiuo atveju kalbame apie objektus, kurių matmenys nustatomi nanometrais. Tai reiškia, kad vienas nanometras yra milijardinė metro dalis. Palyginimui, mikronas (dar žinomas kaip mikrometras, suteikęs mikroelektronikai pavadinimą, be to, mikrobiologija, mikrochirurgija ir kt.) Yra viena milijonoji metro dalis.
Jei imsime pavyzdį milimetrus (priešdėlis „mili-“yra viena tūkstantoji dalis), tai milimetre yra 1 000 000 nanometrų (nm) ir atitinkamai 1 000 mikrometrų (μm). Žmogaus plaukų vidutinis storis yra 0,05–0,07 mm, tai yra 50 000–70 000 nm. Nors plaukų skersmenį galima užrašyti nanometrais, tai toli gražu nėra nanopasaulis. Eikime giliau ir pažiūrėkime, kas ten yra jau dabar.
Vidutinis bakterijų dydis yra 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virusai, vienas pagrindinių bakterijų priešų, yra dar mažesni. Vidutinis daugumos tiriamų virusų skersmuo yra 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Bet DNR spiralės skersmuo yra 1,8-2,3 nm. Manoma, kad mažiausias atomas yra helio atomas, jo spindulys yra 32 pm (0,032 nm), o didžiausias - cezis 225 pm (0,255 nm). Apskritai, nanoobjektu laikomas objektas, kurio dydis bent viename matmenyje yra nanometrinėje skalėje (1–100 nm).
Ar galite pamatyti nanopasaulį?
Reklaminis vaizdo įrašas:
Žinoma, noriu pamatyti viską, kas pasakyta, savo akimis. Na, bent jau per optinio mikroskopo okuliarą. Ar įmanoma pažvelgti į nanopasaulį? Įprastas būdas, kaip mes stebime, pavyzdžiui, mikrobus, yra neįmanomas. Kodėl? Nes šviesą, esant tam tikram susitarimo laipsniui, galima vadinti nanobangomis. Violetinės spalvos, nuo kurios prasideda matomas diapazonas, bangos ilgis yra 380–440 nm. Raudonos spalvos bangos ilgis yra 620-740 nm. Matomos spinduliuotės bangos ilgiai yra šimtai nanometrų. Šiuo atveju įprastų optinių mikroskopų skiriamąją gebą riboja Abbe difrakcijos riba esant maždaug pusei bangos ilgio. Dauguma mus dominančių objektų yra dar mažesni.
Todėl pirmas žingsnis skverbiantis į nanopasaulį buvo perdavimo elektronų mikroskopo išradimas. Be to, pirmąjį tokį mikroskopą Maxas Knollas ir Ernstas Ruska sukūrė dar 1931 m. 1986 metais už išradimą buvo paskirta Nobelio fizikos premija. Veikimo principas yra toks pat kaip įprasto optinio mikroskopo. Tik vietoj šviesos elektronų srautas nukreipiamas į dominantį objektą, kurį sutelkia magnetiniai lęšiai. Jei optinis mikroskopas padidėjo maždaug tūkstantį kartų, tai elektroninis mikroskopas jau buvo milijonus kartų. Tačiau jis turi ir trūkumų. Pirma, būtina gauti pakankamai plonus medžiagų pavyzdžius darbui. Jie turi būti skaidrūs elektronų pluošte, todėl jų storis svyruoja 20-200 nm diapazone. Antra, taip yrakad veikiamas elektronų pluošto mėginys gali suirti ir tapti nebetinkamas naudoti.
Kita elektronų srauto mikroskopo versija yra nuskaitymo elektroninis mikroskopas. Jis nešviečia pro mėginį, kaip ir ankstesnis, bet nuskaito jį elektronų pluoštu. Tai leidžia tirti storesnius mėginius. Apdorojus tiriamą mėginį elektronų pluoštu, susidaro antriniai ir atgal atspindimi elektronai, matomi (katodoliuminescencija) ir rentgeno spinduliai, kuriuos užfiksuoja specialūs detektoriai. Remiantis gautais duomenimis, susidaro objekto idėja. Pirmieji skenuojantys elektroniniai mikroskopai pasirodė 1960-ųjų pradžioje.
Nuskaitymo zondo mikroskopai yra gana nauja mikroskopų klasė, pasirodžiusi jau 80-aisiais. Jau minėta 1986 m. Nobelio fizikos premija buvo padalinta perdavimo elektronų mikroskopo išradėjui Ernstui Ruskai ir skenuojančio tunelinio mikroskopo kūrėjams Gerdui Binnigui ir Heinrichui Rohreriui. Skenuojantys mikroskopai leidžia ne tirti, o „pajusti“mėginio paviršiaus reljefą. Gauti duomenys paverčiami vaizdu. Skirtingai nei nuskaitymo elektroninis mikroskopas, zondas operacijai naudoja aštrią nuskaitymo adatą. Adata, kurios galas yra tik kelių atomų storis, veikia kaip zondas, kuris atstumas iki mėginio yra mažiausias - 0,1 nm. Skenavimo metu adata juda virš mėginio paviršiaus. Tunelio srovė kyla tarp antgalio ir mėginio paviršiaus,o jo vertė priklauso nuo atstumo tarp jų. Pokyčiai yra užfiksuoti, o tai leidžia jų pagrindu sukurti aukščio žemėlapį - grafinį objekto paviršiaus vaizdą.
Panašų veikimo principą naudoja kitas mikroskopas iš skenuojančių zondų mikroskopų klasės - atominė jėga. Taip pat yra zondo antgalis ir panašus rezultatas - grafinis paviršiaus reljefo vaizdas. Bet matuojamas ne srovės dydis, o jėgos sąveika tarp paviršiaus ir zondo. Pirmiausia turima omenyje van der Waalso jėgos, taip pat elastinės jėgos, kapiliarinės jėgos, sukibimo jėgos ir kitos. Skirtingai nuo skenuojančio tunelinio mikroskopo, kurį galima naudoti tik metalams ir puslaidininkiams tirti, atominės jėgos mikroskopas taip pat leidžia tirti dielektriką. Bet tai nėra vienintelis jo pranašumas. Tai leidžia ne tik pažvelgti į nanopasaulį, bet ir manipuliuoti atomais.
Pentaceno molekulė. A yra molekulės modelis. B - vaizdas, gautas nuskaitymo tunelio mikroskopu. C - atomo jėgos mikroskopu gautas vaizdas. D - kelios molekulės (AFM). A, B ir C ta pačia skale
Nuotrauka: Mokslas
Nanomachinos
Gamtoje nanometriniu mastu, tai yra atomų ir molekulių lygmenyje, vyksta daugybė procesų. Be abejo, mes taip pat galime daryti įtaką jų eigai. Bet mes tai darome beveik aklai. Nanomachinos yra tikslinė darbo nanopasaulyje priemonė; tai prietaisai, leidžiantys manipuliuoti atskirais atomais ir molekulėmis. Dar neseniai juos gaminti ir kontroliuoti galėjo tik gamta. Mes esame per žingsnį nuo dienos, kai taip pat galime tai padaryti.
Nanomachinos
Nuotrauka: warosu.org
Ką gali padaryti nanomachinos? Paimkime, pavyzdžiui, chemiją. Cheminių junginių sintezė pagrįsta tuo, kad mes sukuriame būtinas sąlygas, kad vyktų cheminė reakcija. Todėl išėjime turime tam tikrą medžiagą. Ateityje cheminius junginius galima sukurti, palyginti, mechaniškai. Nanomachinos galės sujungti ir atskirti atskirus atomus ir molekules. Dėl to susidarys cheminės jungtys arba, priešingai, esamos jungtys bus pažeistos. Kuriant nanomachinas iš atomų bus galima sukurti mums reikalingas molekulines struktūras. Chemikų nanorobotai - sintetina cheminius junginius. Tai yra proveržis kuriant medžiagas, turinčias norimų savybių. Kartu tai yra proveržis aplinkos apsaugoje. Lengva manyti, kad nanomachinos yra puiki atliekų perdirbimo priemonė,kuriuos normaliomis sąlygomis sunku atsikratyti. Ypač jei kalbėsime apie nanomedžiagas. Galų gale, kuo toliau vyksta techninė pažanga, tuo sunkiau aplinkai susidoroti su jos rezultatais. Per ilgai žmogaus sugalvotų naujų medžiagų skaidymas vyksta natūralioje aplinkoje. Visi žino, per kiek laiko suskaidomi išmesti plastikiniai maišeliai - ankstesnės mokslo ir technologinės revoliucijos produktas. Kas nutiks nanomedžiagoms, kurios anksčiau ar vėliau pasirodo esančios šiukšlės? Tą patį nanomachiną teks apdoroti.per kiek laiko suyra išmesti plastikiniai maišeliai - ankstesnės mokslo ir technologinės revoliucijos produktas. Kas nutiks nanomedžiagoms, kurios anksčiau ar vėliau pasirodo esančios šiukšlės? Tą patį nanomachiną teks apdoroti.per kiek laiko suyra išmesti plastikiniai maišeliai - ankstesnės mokslo ir technologinės revoliucijos produktas. Kas nutiks nanomedžiagoms, kurios anksčiau ar vėliau pasirodo esančios šiukšlės? Tą patį nanomachiną teks apdoroti.
„Fullerene“ratų nanomachina
Nuotrauka: warosu.org
Mokslininkai ilgą laiką kalbėjo apie mechanosintezę. Tai cheminė sintezė, vykstanti per mechanines sistemas. Jo pranašumas matomas tuo, kad tai leis tiksliai reaguoti į reagentus. Tačiau kol kas nėra priemonės, kuri leistų ją efektyviai įgyvendinti. Žinoma, šiandien egzistuojantys atominės jėgos mikroskopai gali veikti kaip tokie instrumentai. Taip, jie leidžia ne tik pažvelgti į nanopasaulį, bet ir veikti su atomais. Tačiau kaip makrokosmoso objektai jie nėra geriausiai tinkami masiniam technologijų pritaikymui, ko negalima pasakyti apie nanomachinas. Ateityje jie bus naudojami kuriant ištisus molekulinius konvejerius ir nanofabrikus.
Tačiau dabar yra ištisos biologinės nanofabrikos. Jie egzistuoja mumyse ir visuose gyvuose organizmuose. Štai kodėl iš nanotechnologijų tikimasi proveržių medicinoje, biotechnologijose ir genetikoje. Sukūrę dirbtines nanomachinas ir įvedę jas į gyvas ląsteles, galime pasiekti įspūdingų rezultatų. Pirma, nanomachinos gali būti naudojamos tiksliniam vaistų pernešimui į norimą organą. Mes neturime vartoti vaistų, suprasdami, kad tik dalis jų pateks į sergančią organą. Antra, nanomachinos jau perima genomo redagavimo funkcijas. „CRISPR / Cas9“technologija, nuplėšta nuo gamtos, leidžia keisti tiek vienaląsčių, tiek aukštesnių organizmų, įskaitant žmones, genomą. Be to, mes kalbame ne tik apie embrionų, bet ir apie gyvų suaugusių organizmų genomo redagavimą. Ir visa tai padarys nanomachinos.
Nanoradio
Jei nanomachinos yra mūsų instrumentas nanopasaulyje, tai jas kažkaip reikia valdyti. Tačiau ir čia nereikia sugalvoti kažko iš esmės naujo. Vienas iš labiausiai tikėtinų valdymo būdų yra radijas. Pirmieji žingsniai šia linkme jau žengti. Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos mokslininkai, vadovaujami Alexo Zettle'o, radijo imtuvą sukūrė tik iš vieno maždaug 10 nm skersmens nanovamzdelio. Be to, nanovamzdelis vienu metu veikia kaip antena, parinkiklis, stiprintuvas ir demoduliatorius. Nanoradijo imtuvas gali priimti tiek FM, tiek AM bangas, kurių dažnis yra nuo 40 iki 400 MHz. Kūrėjų teigimu, įrenginį galima naudoti ne tik radijo signalui priimti, bet ir perduoti.
Gaunamos radijo bangos priverčia vibruoti nanoradijo anteną
nsf.gov
Erico Claptono ir „Beach Boys“muzika buvo bandomasis signalas. Mokslininkai perdavė signalą iš vienos kambario dalies į kitą, kur buvo jų sukurtas radijas. Kaip paaiškėjo, signalo kokybė buvo gana gera. Natūralu, kad tokio radijo paskirtis nėra muzikos klausymas. Radijo imtuvą galima pritaikyti įvairiuose nanodarikliuose. Pavyzdžiui, tuose pačiuose nanorobotuose, tiekiančiuose vaistus, kurie pateks į norimą organą per kraują.
Nanomedžiagos
Medžiagų, kurių savybių anksčiau neįmanoma įsivaizduoti, sukūrimas yra dar viena galimybė, kurią mums siūlo nanotechnologijos. Kad medžiaga būtų laikoma „nano“, ji turi turėti vieną ar kelis matmenis nanometrinėje skalėje. Arba sukurti naudojant nanodaleles arba naudojant nanotechnologijas. Patogiausia nanomedžiagų klasifikacija šiandien yra pagal struktūrinių elementų, iš kurių jos susideda, matmenis.
Nuliniai (0D) - nanoklusteriai, nanokristalai, nanodispersijos, kvantiniai taškai. Nė viena iš 0D nanomedžiagos pusių neperžengia nanometrinės skalės ribų. Tai yra medžiagos, kuriose nanodalelės yra izoliuotos viena nuo kitos. Pirmosios kompleksinės nulio matmenų struktūros, gautos ir pritaikytos praktikoje, yra fullerenai. Fulerenai yra stipriausi šiandien žinomi antioksidantai. Farmakologijoje ant jų siejamos vilties sukurti naujus vaistus. Fulereno dariniai gerai rodo gydant ŽIV. Kuriant nanomachinas, fullerenai gali būti naudojami kaip dalys. Nanomachina su fullereno ratukais parodyta aukščiau.
Fullerene
Nuotrauka: wikipedia.org
Vienmatis (1D) - nanovamzdeliai, pluoštai ir strypai. Jų ilgis svyruoja nuo 100 nm iki dešimčių mikrometrų, tačiau jų skersmuo patenka į nanometrinę skalę. Garsiausios šiandienos vienmatės medžiagos yra nanovamzdeliai. Jie turi unikalias elektrines, optines, mechanines ir magnetines savybes. Netolimoje ateityje nanovamzdeliai turėtų būti naudojami molekulinėje elektronikoje, biomedicinoje ir kuriant naujas itin stiprias ir ultralengvas kompozicines medžiagas. Nanovamzdeliai jau naudojami kaip adatos nuskaitymo tuneliuose ir atominės jėgos mikroskopuose. Aukščiau kalbėjome apie nanoradijo, sukurto nanovamzdeliais, sukūrimą. Ir, žinoma, viltis siejama su anglies nanovamzdeliais kaip kosminio lifto kabelio medžiaga.
Anglies nanovamzdelis
Nuotrauka: wikipedia.org
Dvimatės (2D) - nanometro storio plėvelės (dangos). Tai yra gerai žinomas grafenas - dvimatis alotropinis anglies modifikavimas (grafenas apdovanotas Nobelio fizikos premija už 2010 m.). Mažiau visuomenei žinomas silikenas - dvimatė silicio, fosforo - fosforo, germaneno - germanio modifikacija. Praėjusiais metais mokslininkai sukūrė borofeną, kuris, skirtingai nei kitos dvimatės medžiagos, pasirodė esąs ne plokščias, o gofruotas. Boro atomų išdėstymas gofruotos struktūros pavidalu suteikia unikalias gautos nanomedžiagos savybes. Borofenas tvirtina, kad yra dviejų matmenų medžiagų atsparumas tempimui.
Borofeno struktūra
Nuotrauka: MIPT
Dvimatės medžiagos turėtų būti pritaikytos elektronikoje, projektuojant filtrus jūros vandens gėlinimui (grafeno membranoms) ir saulės elementų kūrimui. Artimiausiu metu grafenas gali pakeisti indžio oksidą - retą ir brangų metalą - gaminant lietimui jautrius ekranus.
Trimatės (3D) nanomedžiagos yra milteliai, pluoštinės, daugiasluoksnės ir polikristalinės medžiagos, kuriose aukščiau išvardytos nulinės, vienmatės ir dvimatės nanomedžiagos yra struktūriniai elementai. Glaudžiai laikydamiesi vienas kito, jie formuoja tarpusavio sąsajas - sąsajas.
Nanomedžiagų rūšys
Nuotrauka: tesaurus.rusnano.com
Praeis šiek tiek daugiau laiko, o nanotechnologijos - technologijos, kaip manipuliuoti nanomasto objektais, taps įprasta. Panašiai kaip mikroelektronikos technologijos tapo žinomos, suteikiant mums kompiuterius, mobiliuosius telefonus, palydovus ir daugelį kitų šiuolaikinio informacinio amžiaus atributų. Tačiau nanotechnologijų poveikis gyvenimui bus daug platesnis. Pokyčiai mūsų laukia beveik visose žmogaus veiklos sferose.
Sergejus Sobolis