Az ember által a természet meghódítása még nem ért véget. Mindenesetre még nem fogtuk el a nanovilágot, és saját szabályokat alakítottunk ki benne. Nézzük meg, mi ez, és milyen lehetőségeket nyújt számunkra a tárgyak nanometrben mért világa.
Mi a "nano"?
Valamikor hallhatóak voltak a mikroelektronika eredményei. Most a nanotechnológia új korszakába léptünk. Mi tehát ez a "nano", amelyet itt-ott elkezdtek hozzáadni a megszokott szavakhoz, új modern hangzást kölcsönözve nekik: nanorobotok, nanogépek, nanorádió és így tovább? A "nano" előtagot a Nemzetközi Egységrendszerben (SI) használják. A decimális egységek jelölésének megalkotására szolgál. Ez az eredeti egység egymilliomod része. Ebben az esetben olyan tárgyakról beszélünk, amelyek méreteit nanométerben határozzák meg. Ez azt jelenti, hogy egy nanométer a méter milliárdod része. Összehasonlításképpen, egy mikron (más néven a mikrométer, amely a mikroelektronikának nevet adta, emellett pedig a mikrobiológia, a mikrokirurgia stb.) Egymillió méter.
Ha millimétereket veszünk példának (a "milli" előtag ezrelék), akkor milliméterben 1 000 000 nanométer (nm) és ennek megfelelően 1000 mikrométer (μm) van. Az emberi haj átlagos vastagsága 0,05–0,07 mm, vagyis 50 000–70 000 nm. Bár a hajátmérő nanométerben írható, ez messze van a nanovilágtól. Menjünk mélyebbre, és nézzük meg, mi van már most.
A baktériumok átlagos mérete 0,5–5 µm (500–5000 nm). A baktériumok egyik legfőbb ellensége, a vírusok még kisebbek. A legtöbb vizsgált vírus átlagos átmérője 20–300 nm (0,02–0,3 μm). De a DNS-spirál átmérője 1,8-2,3 nm. Úgy gondolják, hogy a legkisebb atom egy héliumatom, sugara 32 pm (0,032 nm), a legnagyobb pedig 225 pm (0,255 nm) cézium. Általában a nanoobjektumnak azt az objektumot tekintjük, amelynek mérete legalább egy dimenzióban a nanoméretben van (1–100 nm).
Látja a nanovilágot?
Promóciós videó:
Természetesen mindent szeretnék látni, amit a saját szememmel mondanak. Nos, legalábbis egy optikai mikroszkóp szemlencséjében. Be lehet-e nézni a nanovilágba? A szokásos módszer, amint megfigyeljük például a mikrobákat, lehetetlen. Miért? Mivel a fény bizonyos fokú konvencióval nanohullámoknak nevezhető. Az ibolyaszín hullámhossza, amelytől a látható tartomány kiindul, 380–440 nm. A vörös szín hullámhossza 620-740 nm. A látható sugárzás hullámhossza több száz nanométer. Ebben az esetben a hagyományos optikai mikroszkópok felbontását az Abbe-diffrakciós határ korlátozza a hullámhossz kb. A számunkra érdekes tárgyak többsége még kisebb.
Ezért a nanovilágba való behatolás felé az első lépés a transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálása volt. Sőt, az első ilyen mikroszkópot Max Knoll és Ernst Ruska készítette még 1931-ben. 1986-ban a fizikai Nobel-díjat adták ki találmányáért. A működés elve megegyezik a hagyományos optikai mikroszkópéval. Csak a fény helyett egy elektronáram irányul az érdeklődési tárgy felé, amelyet mágneses lencsék fókuszálnak. Ha egy optikai mikroszkóp körülbelül ezerszeres növekedést adott, akkor az elektronmikroszkóp már milliószor volt. De vannak hátrányai is. Először is elég vékony anyagmintákat kell beszerezni a munkához. Elektronsugárban átlátszóaknak kell lenniük, ezért vastagságuk 20-200 nm között változik. Másodszor azhogy az elektronsugarak hatására a minta lebomolhat és használhatatlanná válhat.
Az elektronáramlás mikroszkóp másik változata a pásztázó elektronmikroszkóp. Nem ragyog át a mintán, mint az előző, hanem egy elektronnyalábbal pásztázza. Ez lehetővé teszi vastagabb minták vizsgálatát. A vizsgált minta elektronnyalábbal történő feldolgozása másodlagos és visszaverődő elektronokat generál, látható (katodolumineszcencia) és röntgensugarakat, amelyeket speciális detektorok rögzítenek. A beérkezett adatok alapján kialakul a tárgy ötlete. Az első pásztázó elektronmikroszkópok az 1960-as évek elején jelentek meg.
A szkennelő szondamikroszkópok egy viszonylag új mikroszkóposztály, amely már a 80-as években megjelent. A már említett 1986-os fizikai Nobel-díjat elosztották a transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálója, Ernst Ruska és a pásztázó alagútmikroszkóp készítői, Gerd Binnig és Heinrich Rohrer között. A pásztázó mikroszkópok lehetővé teszik, hogy ne vizsgálják meg, hanem "érezzék" a minta felületének megkönnyebbülését. A kapott adatokat ezután képpé alakítják. A pásztázó elektronmikroszkóppal ellentétben a szonda éles pásztatűt használ a működéshez. A tű, amelynek hegye csak néhány atom vastag, mint szonda működik, amelyet a mintához a legkisebb távolságra - 0,1 nm-re - visznek. A beolvasás során a tű a minta felületén mozog. Alagút áram keletkezik a csúcsa és a minta felülete között,és értéke a köztük lévő távolságtól függ. A változásokat rögzítik, ami lehetővé teszi az alapjuk alapján egy magasságtérkép elkészítését - az objektum felületének grafikus ábrázolása.
Hasonló működési elvet alkalmaz egy másik mikroszkóp is a szkennelő szondamikroszkópok osztályából - atomi erő. Van egy szondacsúcs is, és hasonló eredmény - a felületi domborzat grafikus ábrázolása. De nem az áram nagyságát méri, hanem a felület és a szonda közötti erő kölcsönhatását. Először a van der Waals-erőket értjük, de a rugalmas erőket, a kapilláris erőket, a tapadási erőket és másokat is. A pásztázó alagútmikroszkóppal ellentétben, amelyet csak fémek és félvezetők tanulmányozására lehet felhasználni, az atomi erőmikroszkóp lehetővé teszi a dielektrikumok vizsgálatát is. De nem ez az egyetlen előnye. Ez lehetővé teszi nemcsak a nanovilágba való betekintést, hanem az atomok manipulálását is.
Pentacén molekula. A egy molekula modellje. B - pásztázó alagútmikroszkóppal nyert kép. C - atomi erőmikroszkóppal kapott kép. D - több molekula (AFM). A, B és C azonos skálán
Fotó: Tudomány
Nanomachines
A természetben a nanoméretben, vagyis az atomok és molekulák szintjén sok folyamat megy végbe. Természetesen még mindig befolyásolhatjuk, hogy miként járnak el. De szinte vakon csináljuk. A nanogépek a nanovilágban végzett munka célzott eszközei; olyan eszközök, amelyek lehetővé teszik az egyes atomok és molekulák manipulálását. A közelmúltig csak a természet tudta létrehozni és irányítani őket. Egy lépésre vagyunk attól a naptól, amikor mi is meg tudjuk csinálni.
Nanomachines
Fotó: warosu.org
Mit tehetnek a nanogépek? Vegyük például a kémiát. A kémiai vegyületek szintézise azon a tényen alapul, hogy megteremtjük a kémiai reakció lefolytatásához szükséges feltételeket. Ennek eredményeként egy bizonyos anyag van a kimeneten. A jövőben kémiai vegyületek hozhatók létre viszonylag mechanikusan. A nanogépek képesek lesznek összekapcsolni és elválasztani az egyes atomokat és molekulákat. Ennek eredményeként kémiai kötések jönnek létre, vagy éppen ellenkezőleg, a meglévő kötések megszakadnak. A nanogépek építése képes lesz az atomokból létrehozni azokat a molekulaszerkezeteket, amelyekre szükségünk van. Vegyész nanorobotok - kémiai vegyületeket szintetizálnak. Ez áttörést jelent a kívánt tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozásában. Ugyanakkor áttörést jelent a környezetvédelem terén. Könnyű feltételezni, hogy a nanogépek nagyszerű eszközei a hulladék újrafeldolgozásának,amelyek normál körülmények között nehezen kezelhetők. Különösen, ha nanoanyagokról beszélünk. Végül is, minél tovább halad a technikai fejlődés, annál nehezebb a környezetnek megbirkózni eredményeivel. Túl sokáig az ember által kitalált új anyagok lebomlása a természetes környezetben történik. Mindenki tudja, mennyi időbe telik az eldobott műanyag zacskók lebontása - ez a korábbi tudományos és technológiai forradalom terméke. Mi lesz a nanoanyagokkal, amelyekről előbb-utóbb szemétnek bizonyul? Ugyanazoknak a nano-gépeknek kell elvégezniük a feldolgozásukat.mennyi idő alatt bomlik el a kidobott műanyag zacskó - ez egy korábbi tudományos és technológiai forradalom terméke. Mi lesz a nanoanyagokkal, amelyek előbb-utóbb szemétnek bizonyulnak? Ugyanazoknak a nano-gépeknek kell elvégezniük a feldolgozásukat.mennyi idő alatt bomlik el a kidobott műanyag zacskó - ez egy korábbi tudományos és technológiai forradalom terméke. Mi lesz a nanoanyagokkal, amelyek előbb-utóbb szemétnek bizonyulnak? Ugyanazoknak a nanogépeknek kell elvégezniük a feldolgozásukat.
Fullerene kerék nanomachine
Fotó: warosu.org
A tudósok már régóta beszélnek a mechanoszintézisről. Ez egy kémiai szintézis, amely mechanikus rendszerek révén megy végbe. Előnye abban látható, hogy nagyfokú pontossággal teszi lehetővé a reagensek pozícionálását. De egyelőre nincs olyan eszköz, amely lehetővé tenné annak hatékony megvalósítását. Természetesen a manapság létező atomerőmikroszkópok is működhetnek ilyen eszközként. Igen, lehetővé teszik nemcsak a nanovilágba való betekintést, hanem az atomokkal való működést is. De ezek, mint a makrokozmosz objektumai, nem a legalkalmasabbak a technológia tömeges alkalmazására, ami nem mondható el a nanogépekről. A jövőben felhasználni fogják őket teljes molekuláris szállítószalagok és nanógyárak létrehozására.
De most egész biológiai nanógyárak vannak. Bennünk és minden élő organizmusban léteznek. Ezért várható az áttörés az orvostudományban, a biotechnológiában és a genetikában a nanotechnológiától. Mesterséges nanogépek létrehozásával és az élő sejtekbe történő bevitelével lenyűgöző eredményeket érhetünk el. Először is, a nanogépek felhasználhatók a gyógyszerek célzott szállításához a kívánt szervhez. Nem kell gyógyszert szednünk, felismerve, hogy csak egy része jut el a beteg szervhez. Másodszor, a nanogépek már átveszik a genomszerkesztő funkciókat. A természettől kikukucskázott CRISPR / Cas9 technológia lehetővé teszi, hogy változtatásokat hajtson végre mind az egysejtű, mind a magasabb rendű organizmusok genomjában, beleértve az embereket is. Sőt, nemcsak az embriók, hanem az élő felnőtt élőlények genomjának szerkesztéséről is beszélünk. És a nanogépek mindezt meg fogják tenni.
Nanoradio
Ha a nanogépek az eszközünk a nanovilágban, akkor valahogyan ellenőrizni kell őket. Itt sem kell valami alapvetően újat kitalálni. Az egyik legvalószínűbb vezérlési módszer a rádió. Az első lépéseket ebben az irányban már megtették. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium tudósai Alex Zettle vezetésével csak egy 10 nm átmérőjű nanocsőből készítettek rádióvevőt. Ezenkívül a nanocső egyszerre működik antennaként, választóként, erősítőként és demodulátorként. A nanorádió vevő 40 és 400 MHz közötti frekvenciájú FM és AM hullámokat egyaránt képes fogadni. A fejlesztők szerint az eszköz nemcsak rádiójel vételére, hanem továbbítására is használható.
A vett rádióhullámok rezegtetik a nanorádió antennáját
nsf.gov
Tesztjelként Eric Clapton és a Beach Boys zenéje szolgált. A tudósok jelet továbbítottak a szoba egyik részéből a másikba, ahol az általuk létrehozott rádió található. Mint kiderült, a jel minősége elég jó volt. Természetesen egy ilyen rádió célja nem a zenehallgatás. A rádióvevő különféle nanorendszerekben alkalmazható. Például ugyanazokban a nanorobotokban olyan gyógyszereket szállítanak, amelyek a véráramon keresztül jutnak el a kívánt szervhez.
Nanoanyagok
Korábban elképzelhetetlen tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozása egy másik lehetőség, amelyet a nanotechnológia kínál számunkra. "Nano" -nak tekinthető anyagnak egy vagy több dimenzióval kell rendelkeznie a nanoméretben. Vagy nanorészecskékkel, vagy nanotechnológiával hozhatók létre. A nanoanyagok legkényelmesebb osztályozása napjainkban azok szerkezeti elemeinek dimenziója szerint történik.
Nulla dimenziós (0D) - nanoklaszterek, nanokristályok, nanodiszperziók, kvantumpontok. A 0D nanoanyag egyik oldala sem lépi túl a nanoméretet. Ezek olyan anyagok, amelyekben a nanorészecskék el vannak szigetelve egymástól. Az első komplex nulla dimenziós struktúrák, amelyeket a gyakorlatban alkalmaznak, a fullerének. A fullerének a ma ismert legerősebb antioxidánsok. A farmakológiában új gyógyszerek létrehozásának reményei fűznek hozzájuk. A fullerén-származékok jól mutatják magukat a HIV kezelésében. A nanogépek létrehozásakor pedig a fullerének is felhasználhatók alkatrészként. A fullerén kerekekkel ellátott nanogép fent látható.
Fullerene
Fotó: wikipedia.org
Egydimenziós (1D) - nanocsövek, szálak és rudak. Hosszuk 100 nm-től tíz mikrométerig terjed, átmérőjük azonban a nanoméretbe esik. A leghíresebb egydimenziós anyagok manapság a nanocsövek. Egyedi elektromos, optikai, mechanikai és mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. A közeljövőben a nanocsöveknek alkalmazást kell találniuk a molekuláris elektronikában, a biomedicinában és az új szupererős és ultrakönnyű kompozit anyagok létrehozásában. A nanocsöveket már tűként használják az alagútfúrás és az atomerőmikroszkópok pásztázásában. Fentebb a nanocsöveken alapuló nanorádió létrehozásáról beszéltünk. És természetesen a remény a szén nanocsövekre van kötve, mint az űrlift kábel anyaga.
Szén nanocső
Fotó: wikipedia.org
Kétdimenziós (2D) - nanométer vastagságú filmek (bevonatok). Ez a jól ismert grafén - a szén kétdimenziós allotrop modifikációja (a grafén 2010-ben fizikai Nobel-díjat kapott). A nyilvánosság számára kevésbé ismert a szilikén - a szilícium, a foszfor - foszfor, a germanén - a germánium kétdimenziós módosulata. Tavaly a tudósok létrehozták a borofent, amely más kétdimenziós anyagokkal ellentétben kiderült, hogy nem lapos, hanem hullámos. A bóratomok hullámos szerkezetű elrendezése biztosítja a kapott nanoanyag egyedi tulajdonságait. A Borofen azt állítja, hogy vezető szerepet játszik a kétdimenziós anyagok szakítószilárdságában.
Borofén szerkezet
Fotó: MIPT
A kétdimenziós anyagoknak alkalmazást kell találniuk az elektronikában, a tengervíz sótalanítására szolgáló szűrők tervezésében (grafénmembránok) és a napelemek létrehozásában. A közeljövőben a grafén helyettesítheti az indium-oxidot - amely egy ritka és drága fém - az érintőképernyők gyártásában.
A háromdimenziós (3D) nanoanyagok porok, szálas, többrétegű és polikristályos anyagok, amelyekben a fenti nulla dimenziós, egydimenziós és kétdimenziós nanoanyagok szerkezeti elemek. Szorosan egymáshoz tapadva, interfészeket alkotnak egymás között - interfészeket.
A nanoanyagok típusai
Fotó: thesaurus.rusnano.com
Még egy kis idő telik el, és a nanotechnológia - a nanoméretű objektumok manipulálására szolgáló technológiák általánossá válnak. Ahogyan a mikroelektronikai technológiák is ismertté váltak, számunkra számítógépeket, mobiltelefonokat, műholdakat és sok más tulajdonságot ad a modern információs kor. De a nanotechnológia hatása az életre sokkal szélesebb lesz. Változások várnak ránk az emberi tevékenység szinte minden területén.
Szergej Sobol