Tutkijat ovat tulleet lähelle nanorobotien luomista. Tätä varten on materiaaleja: nanohiukkaset, nanoputket, grafeeni, erilaiset proteiinit. Kaikki ne ovat erittäin herkkiä - niiden tutkimiseksi tarvitaan uusia, kehittyneempiä mikroskooppeja, jotka eivät vahingoita laitetta tutkimusprosessin aikana.
Nanorobotit voivat olla hyödyllisiä monilla ihmisen elämän alueilla, pääasiassa lääketieteessä. Kuvittele pieniä älylaitteita, jotka toimivat hiljaisesti sisällämme, hallitsevat erilaisia parametreja ja lähettävät tietoja reaaliajassa suoraan lääkärin älypuhelimeen. Tällaisen robotin on oltava biologisesti yhteensopivaa materiaalia, jota elin ei hylkää, se tarvitsee myös virtalähteen ja muistin.
Akku ei auta tässä, koska se kasvattaa laitteen kokoa, eikä siitä ole helppoa löytää bioyhteensopivaa materiaalia. Ongelma ratkaistaan pietsosähköisten materiaalien avulla - materiaalit, jotka tuottavat energiaa mekaanisesti levitettäessä, kuten esimerkiksi puristus. Siellä on myös päinvastainen vaikutus - vasteena sähkökentän vaikutelmalle pietsosähköisistä materiaaleista tehdyt rakenteet muuttavat muotoaan.
Bioyhteensopivat pietsosähköiset nanorobotit voidaan viedä verisuoniin ja ne muuttavat pulsaationsa sähköksi. Toinen vaihtoehto on antaa laitteille virtaa siirtämällä niveliä ja lihaksia. Mutta silloin nanorobotit eivät pysty toimimaan jatkuvasti, toisin kuin aluksissa olevat.
Joka tapauksessa nanorobotit on valittava sopivista materiaaleista ja määritettävä tarkalleen, kuinka paljon painetta laitteeseen on kohdistettava, jotta siihen muodostuu sähköinen impulssi.
Atomisuhteet
Kolmiulotteinen kuva esineestä tai pinnasta nanomittakaavassa saadaan käyttämällä atomivoimamikroskooppia. Se toimii seuraavasti: minkä tahansa aineen atomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja eri tavoin etäisyydestä riippuen. Suurilla etäisyyksillä ne houkuttelevat, mutta lähestyessään atomien elektronikuoret hylkivät toisiaan.
Mainosvideo:
”Koetinneula, jonka kärki on halkaisijaltaan 1-30 nanometriä, lähestyy näytteen pintaa. Heti kun se tulee tarpeeksi lähelle, koettimen ja tutkittavan objektin atomit alkavat hylätä. Seurauksena on, että joustava varsi, johon neula on kiinnitetty, taipuu”, sanoo NT-MDT Spectrum Instrumentsin johtava kehittäjä Arseniy Kalinin.
Neula liikkuu pintaa pitkin ja mahdolliset korkeuserot muuttavat konsolin taivutusta, jonka ultra-tarkka optinen järjestelmä tallentaa. Kun anturi kulkee pinnan yli, ohjelmisto tallentaa koko helpotuksen ja rakentaa siitä 3D-mallin. Seurauksena on, että tietokoneen näytölle muodostuu kuva, joka voidaan analysoida: näytteen kokonais karheuden, pinnalla olevien esineiden parametrien mittaamiseksi. Lisäksi tämä tehdään näytteiden luonnollisessa ympäristössä - neste, tyhjiö, eri lämpötiloissa. Mikroskoopin vaakaresoluutiota rajoittaa vain koettimen kärjen halkaisija, kun taas hyvien instrumenttien pystysuuntainen tarkkuus on kymmeniä pikometrejä, joka on pienempi kuin atomin koko.
Atomivoimamikroskoopin neula koettaa näytteen / ITMO University Press Service.
Atomivoimamikroskopian kehittämisen 30 vuoden ajan tutkijat ovat oppineet määrittämään näytteen pintakestävyyden lisäksi myös materiaalin ominaisuudet: mekaaniset, sähköiset, magneettiset, pietsosähköiset. Ja kaikki nämä parametrit voidaan mitata suurimmalla tarkkuudella. Tämä on vaikuttanut suuresti materiaalitieteen, nanoteknologian ja biotekniikan kehitykseen.
Biologit ovat myös liike-elämässä
Pietsosähköisten parametrien mittaus on ainutlaatuinen ominaisuus atomivoimamikroskoopissa. Kauan aikaa sitä käytettiin vain kiinteiden olosuhteiden pietsosähkön tutkimiseen. Tosiasia on, että biologiset esineet ovat melko pehmeitä; koettimen kärki vahingoittaa niitä helposti. Kuten aura, se aurantaa pinnan, syrjäyttää ja muodonmuutos.
Äskettäin Venäjän ja Portugalin fyysikot keksivat kuinka tehdä atomivoimamikroskooppineula, joka ei vahingoittaisi biologista näytettä. He kehittivät algoritmin, jonka mukaan koetin liikkuessaan pisteestä toiseen siirtyy pois pinnalta juuri tarpeeksi, jotta se ei olisi vuorovaikutuksessa sen kanssa millään tavalla. Sitten hän koskettaa tutkittavaa aihetta ja nousee jälleen, siirtyen seuraavaan pisteeseen. Tietenkin, neula voi silti painaa hiukan pinnalle, mutta tämä on joustava vuorovaikutus, jonka jälkeen esine, olipa se sitten proteiinimolekyyli tai solu, voidaan helposti palauttaa. Lisäksi painevoimaa säädetään erityisohjelmalla. Tämä tekniikka antaa mahdollisuuden tutkia bioyhteensopivaa pietsosähköistä rakennetta vahingoittamatta sitä.
”Uutta menetelmää voidaan soveltaa mihin tahansa atomivoimamikroskooppiin, mikäli siinä on erityisesti suunniteltu nopea elektroniikka, joka prosessoi pietsosähköisen vasteen konsolista ja ohjelmiston, joka muuntaa tiedot kartalle. Neulaan kohdistetaan pieni jännite. Sähkökenttä vaikuttaa näytteeseen ja anturi lukee sen mekaanisen vasteen. Palaute on samanlainen, joten voimme selvittää, kuinka puristetaan esine niin, että se vastaa halutulla sähkösignaalilla. Tämä antaa tutkijalle työkalun etsiä ja tutkia uusia bioyhteensopivia ruoanlähteitä”, Kalinin selittää.