روبات‌های مولکولی: نانوتکنولوژی ما را برای چه چیزی آماده می‌کند؟

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

پیشرفت‌های مدرن در زمینه فناوری نانو در آینده امکان ایجاد ربات‌های کوچکی را فراهم می‌کند که بتوان آن‌ها را وارد جریان خون انسان کرد. "قطعات" چنین روباتی یک بعدی خواهد بود و هر چه کوچکتر، قوی تر باشد. دیمیتری کواشنین، محقق ارشد مؤسسه شیمی بیورگانیک آکادمی علوم روسیه، که در زمینه علم مواد نظری (آزمایش‌های رایانه‌ای در زمینه فناوری نانو) فعالیت می‌کند، در مورد پارادوکس‌های جهان نانو صحبت کرد. T&P مطلب اصلی را نوشت.

دیمیتری کواشنین

نانوتکنولوژی چیست؟

با استفاده از فناوری نانو، می‌خواهیم ربات‌هایی بسازیم که می‌توانند به فضا فرستاده شوند یا در رگ‌های خونی جاسازی شوند، به طوری که داروها را به سلول‌ها برسانند، به گلبول‌های قرمز خون کمک کنند در جهت درست حرکت کنند، و غیره. یک چرخ دنده در چنین روبات‌هایی شامل یک دوجین است. قطعات. یک جزئیات یک اتم است. یک چرخ دنده ده اتم است، 10-9 متر، یعنی یک نانومتر. کل یک ربات چند نانومتر است.

10-9 چیست؟ چگونه آن را ارائه دهیم؟ برای مقایسه، اندازه یک موی معمولی انسان حدود 10-5 متر است. گلبول های قرمز، گلبول های خونی که اکسیژن بدن ما را تامین می کنند، حدود هفت میکرون اندازه دارند، این نیز حدود 10-5 متر است. نانو در چه نقطه ای به پایان می رسد و دنیای ما آغاز می شود؟ زمانی که بتوانیم یک شی را با چشم غیرمسلح ببینیم.

سه بعدی، دو بعدی، تک بعدی

سه بعدی، دوبعدی و تک بعدی چیست و چه تاثیری بر مواد و خواص آنها در فناوری نانو دارد؟ همه ما می دانیم که سه بعدی سه بعدی است. یک فیلم معمولی و یک فیلم سه بعدی وجود دارد که در آن انواع کوسه ها از صفحه نمایش به سمت ما پرواز می کنند. از نظر ریاضی، سه بعدی به این صورت است: y = f (x، y، z)، که در آن y به سه بعد بستگی دارد - طول، عرض و ارتفاع. آشنا برای همه ماریو در سه بعدی کاملا بلند، پهن و چاق است.

هنگام تغییر به دو بعدی، یک محور ناپدید می شود: y = f (x، y). همه چیز در اینجا بسیار ساده تر است: ماریو به همان اندازه بلند و پهن است، اما چاق نیست، زیرا هیچ کس نمی تواند در دو بعد چاق یا لاغر باشد.

اگر به کاهش ادامه دهیم، در یک بعد همه چیز کاملاً ساده می شود، فقط یک محور باقی می ماند: y = f (x). ماریو در 1 بعدی فقط طولانی است - ما او را نمی شناسیم، اما هنوز او است.

از سه بعدی - به دو بعدی

رایج ترین ماده در جهان ما کربن است. می تواند دو ماده کاملاً متفاوت را تشکیل دهد - الماس، بادوام ترین ماده روی زمین، و گرافیت، و گرافیت می تواند به سادگی از طریق فشار بالا به الماس تبدیل شود. اگر حتی در دنیای ما یک عنصر بتواند مواد کاملاً متفاوت با خواص متضاد ایجاد کند، پس در نانو جهان چه اتفاقی خواهد افتاد؟

گرافیت در درجه اول به عنوان سرب مدادی شناخته می شود. اندازه نوک یک مداد حدود یک میلی متر است، یعنی 10-3 متر. سرب نانو چه شکلی است؟ این به سادگی مجموعه ای از لایه های اتم کربن است که ساختار لایه ای را تشکیل می دهد. به نظر می رسد یک پشته کاغذ است.

وقتی با مداد می نویسیم اثری روی کاغذ باقی می ماند. اگر با یک پشته کاغذ قیاس کنیم، مثل این است که یک تکه کاغذ را از آن بیرون می آوریم. لایه نازکی از گرافیت که روی کاغذ باقی می ماند دو بعدی است و تنها یک اتم ضخامت دارد. برای اینکه یک جسم دو بعدی در نظر گرفته شود، ضخامت آن باید چند برابر (حداقل ده) کمتر از عرض و طول آن باشد.

اما یک گرفتاری وجود دارد. در دهه 1930، Lev Landau و Rudolf Peierls ثابت کردند که کریستال های دو بعدی ناپایدار هستند و به دلیل نوسانات حرارتی فرو می ریزند (انحرافات تصادفی مقادیر فیزیکی از مقادیر متوسط آنها به دلیل حرکت حرارتی آشفته ذرات - تقریباً T&P). معلوم می شود که مواد مسطح دو بعدی به دلایل ترمودینامیکی نمی توانند وجود داشته باشند. یعنی به نظر می رسد که نمی توانیم نانو را به صورت دو بعدی ایجاد کنیم.با این حال، نه! کنستانتین نووسلوف و آندری گیم گرافن را سنتز کردند. گرافن در نانو مسطح نیست، اما کمی موج دار است و بنابراین پایدار است.

اگر در دنیای سه بعدی خود یک ورق کاغذ را از یک پشته کاغذ بیرون بیاوریم، کاغذ کاغذ باقی می ماند، خواص آن تغییر نمی کند. اگر یک لایه از گرافیت در دنیای نانو حذف شود، گرافن به دست آمده دارای خواص منحصربه‌فردی خواهد بود که هیچ شباهتی به گرافیت «پیش‌ساز» خود ندارد. گرافن شفاف، سبک وزن، 100 برابر قوی تر از فولاد، رسانای ترموالکتریک و الکتریکی عالی است. این به طور گسترده در حال تحقیق است و در حال حاضر پایه ای برای ترانزیستورها شده است.

امروزه، وقتی همه می‌دانند که اصولاً مواد دو بعدی می‌توانند وجود داشته باشند، نظریه‌هایی ظاهر می‌شوند که موجودات جدیدی را می‌توان از سیلیکون، بور، مولیبدن، تنگستن و غیره به‌دست آورد.

و بیشتر - در یک بعد

گرافن دو بعدی دارای عرض و طول است. چگونه از آن یک بعدی بسازیم و در نهایت چه اتفاقی خواهد افتاد؟ یکی از روش ها برش آن به صورت نوارهای نازک است. اگر عرض آنها به حداکثر ممکن کاهش یابد، دیگر فقط نوارها نیستند، بلکه یک نانو شی منحصر به فرد دیگر - کاربین است. توسط دانشمندان شوروی (شیمیدانان Yu. P. Kudryavtsev، A. M. Sladkov، V. I. Kasatochkin و V. V. Korshak. - یادداشت T&P) در دهه 1960 کشف شد.

راه دوم برای ساخت یک جسم تک بعدی این است که گرافن را در لوله ای مانند فرش بغلتانید. ضخامت این لوله بسیار کمتر از طول آن خواهد بود. اگر کاغذ رول شود یا به صورت نوار بریده شود، کاغذ باقی می ماند. اگر گرافن در یک لوله نورد شود، به شکل جدیدی از کربن تبدیل می شود - یک نانولوله که دارای تعدادی خواص منحصر به فرد است.

خواص جالب نانو اجسام

رسانایی الکتریکی عبارت است از اینکه یک ماده چقدر خوب یا ضعیف جریان الکتریکی را هدایت می کند. در دنیای ما، برای هر ماده با یک عدد توصیف می شود و به شکل آن بستگی ندارد. مهم نیست که یک استوانه، مکعب یا توپ نقره ای بسازید - رسانایی آن همیشه یکسان خواهد بود.

همه چیز در دنیای نانو متفاوت است. تغییر در قطر نانولوله ها بر رسانایی آنها تأثیر می گذارد. اگر اختلاف n - m (که در آن n و m برخی از شاخص‌هایی هستند که قطر لوله را توصیف می‌کنند) بر سه تقسیم شود، نانولوله‌ها جریان را هدایت می‌کنند. اگر تقسیم نشود، اجرا نمی شود.

مدول یانگ یکی دیگر از ویژگی های جالب است که با خم شدن یک میله یا شاخه خود را نشان می دهد. مدول یانگ نشان می دهد که یک ماده چقدر در برابر تغییر شکل و تنش مقاومت می کند. به عنوان مثال، برای آلومینیوم، این نشانگر دو برابر کمتر از آهن است، یعنی دو برابر بدتر مقاومت می کند. باز هم، یک توپ آلومینیومی نمی تواند قوی تر از یک مکعب آلومینیومی باشد. اندازه و شکل مهم نیست.

در دنیای نانو، تصویر دوباره متفاوت است: هر چه نانوسیم نازک‌تر باشد، مدول یانگ آن بالاتر است. اگر در دنیای خودمان بخواهیم چیزی از میزانسن بدست آوریم، صندلی محکم تری انتخاب می کنیم تا بتواند در مقابل ما مقاومت کند. در دنیای نانو، اگرچه چندان واضح نیست، اما باید صندلی کوچکتر را ترجیح دهیم زیرا محکم تر است.

اگر در دنیای ما در برخی مواد سوراخ ایجاد شود، دیگر قوی نخواهد بود. در دنیای نانو، برعکس است. اگر سوراخ‌های زیادی روی گرافن ایجاد کنید، دو و نیم برابر قوی‌تر از گرافن غیر معیوب می‌شود. وقتی کاغذ را سوراخ می کنیم، ماهیت آن تغییر نمی کند. و هنگامی که سوراخ هایی در گرافن ایجاد می کنیم، یک اتم را حذف می کنیم، به همین دلیل یک اثر محلی جدید ظاهر می شود. اتم های باقی مانده ساختار جدیدی را تشکیل می دهند که از نظر شیمیایی قوی تر از مناطق دست نخورده در این گرافن است.

کاربرد عملی فناوری نانو

گرافن دارای خواص منحصر به فردی است، اما نحوه استفاده از آنها در یک منطقه خاص هنوز یک سوال است. اکنون در نمونه های اولیه ترانزیستورهای تک الکترونی (که سیگنالی دقیقاً یک الکترون را ارسال می کند) استفاده می شود. اعتقاد بر این است که در آینده، گرافن دو لایه با نانو منافذ (حفره‌هایی نه در یک اتم، بلکه بیشتر) می‌تواند به یک ماده ایده‌آل برای تصفیه انتخابی گازها یا مایعات تبدیل شود. برای استفاده از گرافن در مکانیک، به مناطق وسیعی از مواد بدون نقص نیاز داریم، اما چنین تولیدی از نظر فناوری بسیار دشوار است.

از نقطه نظر بیولوژیکی، مشکلی نیز با گرافن ایجاد می شود: هنگامی که گرافن وارد بدن می شود، همه چیز را مسموم می کند. اگرچه در پزشکی، گرافن می تواند به عنوان حسگر مولکول های DNA "بد" (جهش با یک عنصر شیمیایی دیگر و غیره) استفاده شود. برای انجام این کار، دو الکترود به آن متصل می شود و DNA از منافذ آن عبور می کند - به هر مولکول به روش خاصی واکنش نشان می دهد.

تابه، دوچرخه، کلاه ایمنی و کفی کفش با افزودن گرافن در حال حاضر در اروپا تولید می شود. یک شرکت فنلاندی قطعاتی را برای خودروها، به ویژه برای خودروهای تسلا تولید می کند که در آن دکمه ها، قطعات داشبورد و صفحه نمایش از نانولوله های نسبتاً ضخیم ساخته شده اند. این محصولات بادوام و سبک هستند.

حوزه نانوتکنولوژی هم از نظر آزمایشات و هم از منظر مدل سازی عددی برای تحقیق دشوار است. همه مسائل اساسی که نیاز به قدرت کم کامپیوتر دارند قبلا حل شده اند. امروزه محدودیت اصلی برای تحقیق، قدرت ناکافی ابرکامپیوترها است.