Molekula o'lchamli robotlar: nanotexnologiya bizni nimaga tayyorlamoqda?

2024 Muallif: Seth Attwood | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-16 16:19

Nanotexnologiya sohasidagi zamonaviy ishlanmalar kelajakda inson qon oqimiga tushishi mumkin bo'lgan juda kichik robotlarni yaratishga imkon beradi. Bunday robotning "qismlari" bir o'lchovli bo'ladi va qanchalik kichik bo'lsa, kuchliroq bo'ladi. Nazariy materialshunoslik (nanotexnologiyalar sohasidagi kompyuter tajribalari) bilan shug‘ullanuvchi, Rossiya Fanlar akademiyasining Bioorganik kimyo instituti katta ilmiy xodimi Dmitriy Kvashnin nanodunyoning paradokslari haqida gapirdi. T&P asosiy narsani yozdi.

Dmitriy Kvashnin

Nanotexnologiya nima

Nanotexnologiyadan foydalanib, biz kosmosga yuborilishi yoki qon tomirlariga joylashtirilishi mumkin bo'lgan robotlarni yaratishni xohlaymiz, ular hujayralarga dori-darmonlarni etkazib beradi, qizil qon tanachalarining to'g'ri yo'nalishda harakatlanishiga yordam beradi va hokazo. Bunday robotlardagi bitta tishli o'ntadan iborat. qismlar. Bir tafsilot bitta atomdir. Tishli o'n atom, 10-9 metr, ya'ni bir nanometr. Butun robot bir necha nanometrdir.

10-9 nima? Uni qanday taqdim etish kerak? Taqqoslash uchun, oddiy odam sochining o'lchami taxminan 10-5 metrni tashkil qiladi. Qizil qon hujayralari, tanamizni kislorod bilan ta'minlaydigan qon hujayralari taxminan etti mikron o'lchamiga ega, bu ham taxminan 10-5 metrni tashkil qiladi. Nano qaysi nuqtada tugaydi va bizning dunyomiz boshlanadi? Biz ob'ektni yalang'och ko'z bilan ko'rishimiz mumkin bo'lganda.

Uch o'lchovli, ikki o'lchovli, bir o'lchovli

Uch o'lchovli, ikki o'lchovli va bir o'lchovli nima va ular nanotexnologiyada materiallar va ularning xususiyatlariga qanday ta'sir qiladi? Biz hammamiz bilamizki, 3D uch o'lchovli. Oddiy kino bor, 3D formatidagi film ham bor, u yerda har xil akulalar ekrandan uchib chiqib, bizga qarab uchadi. Matematik ma'noda 3D quyidagicha ko'rinadi: y = f (x, y, z), bu erda y uchta o'lchovga bog'liq - uzunlik, kenglik va balandlik. Uch o'lchamdagi barcha Mario juda baland, keng va to'liq tanish.

Ikki o'lchovga o'tishda bitta o'q yo'qoladi: y = f (x, y). Bu erda hamma narsa ancha sodda: Mario xuddi shunday baland va keng, lekin semiz emas, chunki hech kim ikki o'lchamda semiz yoki ingichka bo'lolmaydi.

Agar biz pasayishni davom ettirsak, unda bir o'lchovda hamma narsa juda oddiy bo'ladi, faqat bitta o'q qoladi: y = f (x). 1D-dagi Mario shunchaki uzun - biz uni tanimaymiz, lekin u hali ham o'zi.

Uch o'lchovdan - ikki o'lchovga

Bizning dunyomizdagi eng keng tarqalgan material ugleroddir. U ikkita mutlaqo boshqa moddani - olmos, Yerdagi eng bardoshli material va grafitni hosil qilishi mumkin va grafit shunchaki yuqori bosim orqali olmosga aylanishi mumkin. Agar bizning dunyomizda ham bitta element qarama-qarshi xususiyatlarga ega bo'lgan tubdan farq qiladigan materiallarni yaratishi mumkin bo'lsa, nano dunyoda nima sodir bo'ladi?

Grafit asosan qalam qo'rg'oshin sifatida tanilgan. Qalam uchining o'lchami taxminan bir millimetr, ya'ni 10-3 metr. Nano qo'rg'oshin nimaga o'xshaydi? Bu shunchaki qatlamli strukturani tashkil etuvchi uglerod atomlari qatlamlari to'plamidir. Bir to'plam qog'ozga o'xshaydi.

Qalam bilan yozganimizda qog'ozda iz qoladi. Agar biz qog'oz to'plamiga o'xshatish qilsak, go'yo undan bir varaq qog'ozni tortib olgandek bo'lamiz. Qog'ozda qolgan grafitning yupqa qatlami 2D bo'lib, faqat bir atom qalinligi. Ob'ektni ikki o'lchovli deb hisoblash uchun uning qalinligi kengligi va uzunligidan ko'p (kamida o'n) marta kam bo'lishi kerak.

Ammo bir yutuq bor. 1930-yillarda Lev Landau va Rudolf Peierls ikki o'lchovli kristallarning beqaror ekanligini va issiqlik tebranishlari (zarrachalarning xaotik issiqlik harakati tufayli jismoniy miqdorlarning o'rtacha qiymatlaridan tasodifiy og'ishlari. - Taxminan T&P) tufayli qulashini isbotladilar. Ma'lum bo'lishicha, ikki o'lchovli yassi material termodinamik sabablarga ko'ra mavjud emas. Ya'ni, biz nano-ni 2D-da yarata olmaymiz. Biroq, yo'q! Konstantin Novoselov va Andrey Geym grafenni sintez qilishdi. Nanodagi grafen tekis emas, lekin biroz to'lqinli va shuning uchun barqaror.

Agar bizning uch o'lchamli dunyomizda biz qog'oz to'plamidan bir varaq qog'oz chiqarsak, u holda qog'oz qog'oz bo'lib qoladi, uning xususiyatlari o'zgarmaydi. Agar nanodunyoda grafitning bir qatlami olib tashlansa, hosil bo'lgan grafen o'zining "ajdodi" grafitiga o'xshamaydigan noyob xususiyatlarga ega bo'ladi. Grafen shaffof, engil, po'latdan 100 baravar kuchli, mukammal termoelektr va elektr o'tkazuvchan. U keng ko'lamda o'rganilmoqda va allaqachon tranzistorlar uchun asos bo'lib kelmoqda.

Bugungi kunda, hamma ikki o'lchovli materiallar printsipial jihatdan mavjud bo'lishi mumkinligini tushunganida, yangi moddalarni kremniy, bor, molibden, volfram va boshqalardan olish mumkin degan nazariyalar paydo bo'ladi.

Va bundan keyin - bir o'lchovda

2D formatidagi grafen kengligi va uzunligiga ega. Undan qanday qilib 1D qilish mumkin va oxirida nima bo'ladi? Bir usul - uni ingichka lentalarga kesish. Agar ularning kengligi maksimal darajada qisqartirilsa, u endi shunchaki lentalar emas, balki yana bir noyob nano-ob'ekt - karbin bo'ladi. 1960-yillarda sovet olimlari (kimyogarlar Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin va V. V. Korshak. - T&P eslatmasi) tomonidan kashf etilgan.

Bir o'lchovli ob'ektni yaratishning ikkinchi usuli - grafenni gilam kabi naychaga aylantirishdir. Ushbu trubaning qalinligi uning uzunligidan ancha kam bo'ladi. Agar qog'oz o'ralgan yoki chiziqlar bilan kesilgan bo'lsa, u qog'oz bo'lib qoladi. Agar grafen trubkaga aylantirilsa, u uglerodning yangi shakli - bir qator noyob xususiyatlarga ega nanonaychaga aylanadi.

Nanoob'ektlarning qiziqarli xususiyatlari

Elektr o'tkazuvchanligi - bu materialning elektr tokini qanchalik yaxshi yoki qanchalik yomon o'tkazishi. Bizning dunyomizda u har bir material uchun bitta raqam bilan tavsiflanadi va uning shakliga bog'liq emas. Kumush silindr, kub yoki to'p yasashingiz muhim emas - uning o'tkazuvchanligi har doim bir xil bo'ladi.

Nano dunyoda hamma narsa boshqacha. Nanotubalarning diametrining o'zgarishi ularning o'tkazuvchanligiga ta'sir qiladi. Agar farq n - m (bu erda n va m trubaning diametrini tavsiflovchi ba'zi indekslar) uchga bo'lingan bo'lsa, u holda nanotubalar oqim o'tkazadi. Agar u bo'linmasa, u bajarilmaydi.

Young moduli - novda yoki novda egilganida o'zini namoyon qiladigan yana bir qiziqarli xususiyat. Young moduli materialning deformatsiya va stressga qanchalik kuchli qarshilik ko'rsatishini ko'rsatadi. Misol uchun, alyuminiy uchun bu ko'rsatkich temirdan ikki baravar kam, ya'ni u ikki barobar yomon qarshilik ko'rsatadi. Shunga qaramay, alyuminiy to'p alyuminiy kubdan kuchliroq bo'lishi mumkin emas. Hajmi va shakli muhim emas.

Nano dunyoda rasm yana boshqacha: nanosim qanchalik yupqa bo'lsa, uning Young moduli shunchalik yuqori bo'ladi. Agar bizning dunyomizda biz mezzaninadan biror narsa olishni istasak, unda biz kuchliroq stulni tanlaymiz, shunda u bizga bardosh bera oladi. Nano dunyoda, bu unchalik aniq bo'lmasa-da, biz kichikroq stulni afzal ko'rishimiz kerak, chunki u kuchliroq.

Agar bizning dunyomizdagi ba'zi materiallarda teshiklar qilingan bo'lsa, u kuchli bo'lishni to'xtatadi. Nano dunyoda esa buning aksi. Agar siz grafenda ko'p teshik ochsangiz, u nuqsonli grafenga qaraganda ikki yarim baravar kuchliroq bo'ladi. Biz qog'ozga teshik ochsak, uning mohiyati o'zgarmaydi. Va biz grafenda teshik ochganimizda, biz bitta atomni olib tashlaymiz, buning natijasida yangi mahalliy effekt paydo bo'ladi. Qolgan atomlar ushbu grafendagi buzilmagan hududlardan kimyoviy jihatdan kuchliroq bo'lgan yangi tuzilmani hosil qiladi.

Nanotexnologiyaning amaliy qo'llanilishi

Grafen noyob xususiyatlarga ega, ammo ularni ma'lum bir sohada qanday qo'llash hali ham savol. Endi u bitta elektronli tranzistorlar uchun prototiplarda qo'llaniladi (aniq bitta elektron signalini uzatadi). Kelajakda nanoporli ikki qatlamli grafen (teshiklar bir atomda emas, balki undan ko'p) gazlar yoki suyuqliklarni tanlab tozalash uchun ideal materialga aylanishi mumkinligiga ishoniladi. Mexanikada grafendan foydalanish uchun bizga nuqsonlarsiz katta hajmdagi materiallar kerak, ammo bunday ishlab chiqarish texnologik jihatdan juda qiyin.

Biologik nuqtai nazardan, grafen bilan ham muammo paydo bo'ladi: u tanaga kirgandan so'ng, hamma narsani zaharlaydi. Tibbiyotda grafen "yomon" DNK molekulalari (boshqa kimyoviy element bilan mutatsiyaga uchragan va hokazo) uchun sensor sifatida ishlatilishi mumkin. Buning uchun unga ikkita elektrod biriktiriladi va uning teshiklaridan DNK o'tkaziladi - u har bir molekulaga o'ziga xos tarzda reaksiyaga kirishadi.

Evropada allaqachon grafen qo'shilgan kostryulkalar, velosipedlar, dubulg'alar va poyabzal ichki tagliklari ishlab chiqarilmoqda. Finlyandiya firmalaridan biri avtomobillar, xususan, Tesla avtomobillari uchun butlovchi qismlar ishlab chiqaradi, bunda tugmalar, asboblar paneli va ekranlar juda qalin nanotubalardan yasalgan. Ushbu mahsulotlar bardoshli va engildir.

Nanotexnologiya sohasi tajribalar nuqtai nazaridan ham, raqamli modellashtirish nuqtai nazaridan ham tadqiqot uchun qiyin. Kam kompyuter quvvatini talab qiladigan barcha asosiy muammolar allaqachon hal qilingan. Bugungi kunda tadqiqot uchun asosiy cheklov - bu superkompyuterlarning quvvati etarli emas.