Ihmisen valloittama luonto ei ole vielä päättynyt. Joka tapauksessa, kunnes olemme vielä vallanneet nanomaailman ja asettaneet siihen omat sääntömme. Katsotaanpa, mikä se on ja mitä mahdollisuuksia nanometreinä mitattu esineiden maailma antaa meille.
Mikä on "nano"?
Aikaisemmin kuultiin mikroelektroniikan saavutuksia. Olemme nyt siirtyneet uuteen nanoteknologian aikakauteen. Joten mikä on tämä "nano", joka täällä ja siellä alkoi lisätä tavallisiin sanoihin, mikä antoi heille uuden modernin äänen: nanorobotit, nanomekoneet, nanoradio ja niin edelleen? Etuliitettä "nano" käytetään kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI). Sitä käytetään muodostamaan desimaaliyksiköiden merkinnät. Tämä on miljardiosa alkuperäisestä yksiköstä. Tässä tapauksessa puhumme esineistä, joiden mitat määritetään nanometreinä. Tämä tarkoittaa, että yksi nanometri on miljardin metri. Vertailun vuoksi mikroni (alias mikrometri, joka antoi nimen mikroelektroniikalle, ja lisäksi mikrobiologia, mikrokirurgia jne.) On miljoonasosa metriä.
Jos otamme esimerkkinä millimetrejä (etuliite "milli-" on yksi tuhannesosa), niin millimetrissä on 1 000 000 nanometriä (nm) ja vastaavasti 1000 mikrometriä (μm). Ihmiskarvojen keskimääräinen paksuus on 0,05–0,07 mm, toisin sanoen 50 000–70 000 nm. Vaikka hiusten halkaisija voidaan kirjoittaa nanometreinä, se on kaukana nanomaailmasta. Mennään syvemmälle ja katsotaan, mitä siellä on jo nyt.
Bakteerien keskikoko on 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virukset, yksi bakteerien tärkeimmistä vihollisista, ovat vielä pienempiä. Suurimman osan tutkituista viruksista keskimääräinen halkaisija on 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Mutta DNA-kierteen halkaisija on 1,8-2,3 nm. Uskotaan, että pienin atomi on heliumiatomi, sen säde on 32 pm (0,032 nm) ja suurin on cesium 225 pm (0,255 nm). Yleensä nanoobjektina pidetään esinettä, jonka koko ainakin yhdessä ulottuvuudessa on nanomittakaavassa (1–100 nm).
Näetkö nanomaailman?
Mainosvideo:
Tietenkin haluan nähdä kaiken, mitä sanotaan omin silmin. No, ainakin optisen mikroskoopin okulaarin läpi. Onko mahdollista tutkia nanomaailmaa? Tavallinen tapa, kuten havaitsemme esimerkiksi mikrobeja, on mahdotonta. Miksi? Koska valoa voidaan tietyllä asteella kutsua nanoaalloksi. Violetin värin aallonpituus, josta näkyvä alue alkaa, on 380–440 nm. Punaisen värin aallonpituus on 620-740 nm. Näkyvän säteilyn aallonpituudet ovat satoja nanometrejä. Tässä tapauksessa tavanomaisten optisten mikroskooppien resoluutiota rajoittaa Abbe-diffraktioraja noin puolella aallonpituudella. Suurin osa kiinnostavista kohteista on vielä pienempiä.
Siksi ensimmäinen askel kohti tunkeutumista nanomaailmaan oli läpäisevän elektronimikroskoopin keksiminen. Lisäksi ensimmäisen tällaisen mikroskoopin loivat Max Knoll ja Ernst Ruska vuonna 1931. Vuonna 1986 myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto hänen keksinnöstään. Toimintaperiaate on sama kuin tavanomaisen optisen mikroskoopin. Vain valon sijasta elektronivirta ohjataan kiinnostavaan kohteeseen, joka kohdistuu magneettilinsseillä. Jos optinen mikroskooppi lisäsi noin tuhat kertaa, niin elektronimikroskooppi oli jo miljoonia kertoja. Mutta sillä on myös haittoja. Ensinnäkin on tarpeen saada riittävän ohuet materiaalinäytteet työtä varten. Niiden on oltava läpinäkyviä elektronisuihkussa, joten niiden paksuus vaihtelee välillä 20-200 nm. Toiseksi se onettä näyte elektronisäteiden vaikutuksesta voi hajota ja tulla käyttökelvottomaksi.
Toinen elektronivirtausmikroskoopin versio on pyyhkäisyelektronimikroskooppi. Se ei loista näytteen läpi, kuten edellinen, vaan skannaa sen elektronisäteellä. Tämä mahdollistaa paksummien näytteiden tutkimisen. Analysoidun näytteen käsittely elektronisuihkulla tuottaa toissijaisia ja takaisin heijastuneita elektroneja, näkyviä (katodiluminesenssi) ja röntgensäteitä, jotka siepataan erityisillä ilmaisimilla. Saatujen tietojen perusteella muodostuu idea kohteesta. Ensimmäiset pyyhkäisyelektronimikroskoopit ilmestyivät 1960-luvun alussa.
Skannausanturimikroskoopit ovat suhteellisen uusi luokka mikroskooppeja, jotka ilmestyivät jo 80-luvulla. Jo mainittu 1986 fysiikan Nobel-palkinto jaettiin transmissioelektronimikroskoopin keksijän Ernst Ruskan ja skannaavan tunnelimikroskoopin luojien Gerd Binnigin ja Heinrich Rohrerin kesken. Skannausmikroskoopit mahdollistavat näytteen pinnan helpotuksen tutkimisen, mutta "tuntemisen". Tuloksena olevat tiedot muunnetaan sitten kuviksi. Toisin kuin pyyhkäisyelektronimikroskooppi, koetin käyttää terävää pyyhkäisyneulaa. Neula, jonka kärki on vain muutaman atomin paksu, toimii koettimena, joka viedään vähintään 0,1 nm: n etäisyydelle näytteestä. Skannauksen aikana neula liikkuu näytepinnan yli. Tunnelointivirta syntyy kärjen ja näytepinnan välillä,ja sen arvo riippuu niiden välisestä etäisyydestä. Muutokset kirjataan, mikä mahdollistaa korkeuskartan rakentamisen niiden pohjalta - graafisen esityksen kohteen pinnasta.
Samanlaista toimintaperiaatetta käyttää toinen mikroskooppi skannausanturimikroskooppien luokasta - atomivoima. Siellä on myös koettimen kärki ja vastaava tulos - graafinen esitys pinnan reljeefistä. Mutta virran suuruus ei ole mitattu, vaan pinnan ja anturin välinen voiman vuorovaikutus. Ensinnäkin tarkoitetaan van der Waalsin voimia, mutta myös elastisia voimia, kapillaarivoimia, tarttuvuusvoimia ja muita. Toisin kuin skannaava tunnelimikroskooppi, jota voidaan käyttää vain metallien ja puolijohteiden tutkimiseen, atomivoimamikroskooppi mahdollistaa myös dielektristen tutkimusten. Mutta tämä ei ole sen ainoa etu. Sen avulla ei voida vain tutkia nanomaailmaa, vaan myös manipuloida atomeja.
Pentaseenimolekyyli. A on malli molekyylistä. B - kuva, joka on saatu skannaavalla tunnelimikroskoopilla. C - atomivoimamikroskoopilla saatu kuva. D - useita molekyylejä (AFM). A, B ja C samassa mittakaavassa
Kuva: Tiede
Nanomakoneet
Luonnossa nanomittakaavassa eli atomien ja molekyylien tasolla tapahtuu monia prosesseja. Voimme tietysti myös nyt vaikuttaa siihen, miten he etenevät. Mutta teemme sen melkein sokeasti. Nanokoneet ovat kohdennettu väline työskentelemään nanomaailmassa; ne ovat laitteita, joiden avulla voidaan manipuloida yksittäisiä atomeja ja molekyylejä. Viime aikoihin asti vain luonto pystyi luomaan ja hallitsemaan niitä. Olemme yhden askeleen päässä päivästä, jolloin voimme tehdä sen myös.
Nanomakoneet
Kuva: warosu.org
Mitä nanomekaanit voivat tehdä? Otetaan esimerkiksi kemia. Kemiallisten yhdisteiden synteesi perustuu siihen, että luomme tarvittavat olosuhteet kemiallisen reaktion etenemiseen. Tämän seurauksena meillä on tietty aine ulostulossa. Tulevaisuudessa kemiallisia yhdisteitä voidaan luoda suhteellisesti mekaanisesti. Nanomakoneet pystyvät yhdistämään ja erottamaan yksittäiset atomit ja molekyylit. Seurauksena on kemiallisten sidosten muodostuminen tai päinvastoin olemassa olevien sidosten rikkoutuminen. Nanomakoneiden rakentaminen pystyy luomaan tarvittavat molekyylirakenteet atomeista. Kemistin nanorobotit - syntetisoivat kemiallisia yhdisteitä. Tämä on läpimurto toivottujen ominaisuuksien omaavien materiaalien luomisessa. Samalla se on läpimurto ympäristönsuojelussa. On helppo olettaa, että nanokoneet ovat erinomainen työkalu jätteiden kierrätykseen,joita tavanomaisissa olosuhteissa on vaikea hävittää. Varsinkin jos puhumme nanomateriaaleista. Loppujen lopuksi teknisen kehityksen edetessä sitä vaikeampi ympäristö on selviytyä tuloksistaan. Ihmisen keksimien uusien materiaalien hajoaminen tapahtuu liian kauan luonnossa. Kaikki tietävät, kuinka kauan hävitettyjen muovipussien hajottaminen kestää - edellisen tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen tuote. Mitä tapahtuu nanomateriaaleille, jotka ennemmin tai myöhemmin osoittautuvat roskiksi? Samojen nanomoneiden on tehtävä niiden käsittely.kuinka kauan käytöstä poistettujen muovipussien hajoaminen kestää - edellisen tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen tuote. Mitä tapahtuu nanomateriaaleille, jotka ennemmin tai myöhemmin osoittautuvat roskiksi? Samojen nanomoneiden on tehtävä niiden käsittely.kuinka kauan käytöstä poistettujen muovipussien hajoaminen kestää - edellisen tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen tuote. Mitä tapahtuu nanomateriaaleille, jotka ennemmin tai myöhemmin osoittautuvat roskiksi? Samojen nanomoneiden on tehtävä niiden käsittely.
Fullerene-pyörän nanomachine
Kuva: warosu.org
Tutkijat ovat puhuneet mekanosynteesistä pitkään. Se on kemiallinen synteesi, joka tapahtuu mekaanisten järjestelmien kautta. Sen etu näkyy siinä, että se mahdollistaa reagenssien sijoittamisen suurella tarkkuudella. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole työkalua, joka mahdollistaisi sen tehokkaan toteuttamisen. Tietenkin nykyiset atomivoimamikroskoopit voivat toimia sellaisina instrumentteina. Kyllä, ne antavat paitsi tarkastella nanomaailmaa myös toimia atomien kanssa. Mutta makrokosmosin kohteina ne eivät ole parhaiten sopivia tekniikan massasovellukseen, mitä ei voida sanoa nanomoneista. Tulevaisuudessa niitä käytetään luomaan kokonaisia molekyylikuljettimia ja nanotehtaita.
Mutta on jo kokonaisia biologisia nanotehtaita. Ne ovat olemassa meissä ja kaikissa elävissä organismeissa. Siksi nanoteknologialta odotetaan läpimurtoja lääketieteessä, biotekniikassa ja genetiikassa. Luomalla keinotekoisia nanokoneita ja tuomalla ne eläviin soluihin voimme saavuttaa vaikuttavia tuloksia. Ensinnäkin, nanokoneita voidaan käyttää kohdennettuihin lääkkeiden kuljettamiseen haluttuun elimeen. Meidän ei tarvitse ottaa lääkkeitä ymmärtämättä, että vain osa niistä pääsee sairaaseen elimeen. Toiseksi, nanokoneet ovat jo siirtämässä genomin muokkaustoimintoja. Luonnosta piilotettu CRISPR / Cas9-tekniikka antaa sinun tehdä muutoksia sekä yksisoluisten että ylempien organismien, mukaan lukien ihmisen, genomiin. Lisäksi emme puhu vain alkioiden genomin muokkaamisesta, vaan myös elävien aikuisten organismien genomista. Ja nanokoneet tekevät kaiken tämän.
Nanoradio
Jos nanokoneet ovat välineemme nanomaailmassa, niitä on jotenkin valvottava. Tässäkin ei kuitenkaan tarvitse keksiä jotain pohjimmiltaan uutta. Yksi todennäköisimmistä ohjausmenetelmistä on radio. Ensimmäiset askeleet tähän suuntaan on jo otettu. Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tutkijat, Alex Zettlen johdolla, ovat luoneet radiovastaanottimen vain yhdestä halkaisijaltaan noin 10 nm: n nanoputkesta. Lisäksi nanoputki toimii samanaikaisesti antennina, valitsimena, vahvistimena ja demodulaattorina. Nanoradiovastaanotin voi vastaanottaa sekä FM- että AM-aaltoja taajuudella 40 - 400 MHz. Kehittäjien mukaan laitetta voidaan käyttää paitsi radiosignaalin vastaanottamiseen myös sen lähettämiseen.
Vastaanotetut radioaallot saavat nanoradioantennin värisemään
nsf.gov
Eric Claptonin ja Beach Boysin musiikki toimi testisignaalina. Tutkijat lähettivät signaalin huoneen yhdestä osasta toiseen, missä heidän luomansa radio sijaitsi. Kuten kävi ilmi, signaalin laatu oli tarpeeksi hyvä. Mutta luonnollisesti tällaisen radion tarkoitus ei ole musiikin kuuntelu. Radiovastaanotinta voidaan käyttää useissa nanolaitteissa. Esimerkiksi samoissa nanoroboteissa, jotka toimittavat lääkkeitä, jotka pääsevät haluttuun elimeen verenkierron kautta.
Nanomateriaalit
Aiemmin kuvittelemattomien ominaisuuksien luominen on toinen mahdollisuus, jonka nanoteknologia tarjoaa meille. Jotta materiaalia voidaan pitää "nanona", sillä on oltava yksi tai useampia ulottuvuuksia nanomittakaavassa. Joko luotu käyttämällä nanohiukkasia tai nanoteknologian avulla. Nanomateriaalien mukavin luokittelu on nykyään niiden rakenneosien mittojen mukaan.
Zero-dimensional (0D) - nanoklusterit, nanokiteet, nanodispersiot, kvanttipisteet. Mikään 0D-nanomateriaalin sivuista ei ylitä nanoskaalaa. Nämä ovat materiaaleja, joissa nanohiukkaset eristetään toisistaan. Ensimmäiset käytännössä saadut ja sovelletut kompleksiset nolladimensionaaliset rakenteet ovat fullereeneja. Fullereenit ovat vahvimmat nykyisin tunnetut antioksidantit. Farmakologiassa toivoa uusien lääkkeiden luomisesta kiinnitetään niihin. Fullereenijohdannaiset osoittavat itsensä hyvin HIV: n hoidossa. Ja kun luodaan nanomoneja, fullereeneja voidaan käyttää osina. Nomeeri, jossa on fullereenipyörät, on esitetty yllä.
Fullerene
Kuva: wikipedia.org
Yksiulotteinen (1D) - nanoputket, kuidut ja tangot. Niiden pituus vaihtelee 100 nm: stä kymmeniin mikrometreihin, mutta niiden halkaisija on nanomittakaavassa. Nykypäivän tunnetuimmat yksiulotteiset materiaalit ovat nanoputkia. Niillä on ainutlaatuiset sähköiset, optiset, mekaaniset ja magneettiset ominaisuudet. Lähitulevaisuudessa nanoputkien pitäisi löytää sovellus molekyylielektroniikassa, biolääketieteessä ja uusien erittäin vahvojen ja ultrakevyiden komposiittimateriaalien luomisessa. Nanoputkia käytetään jo neulana skannaustunnelointi- ja atomivoimamikroskoopeissa. Edellä puhuimme nanoputkiin perustuvan nanoradion luomisesta. Ja tietysti toivoa kiinnitetään hiilinanoputkiin avaruushissikaapelin materiaalina.
Hiilinanoputki
Kuva: wikipedia.org
Kaksiulotteiset (2D) kalvot (pinnoitteet), joiden paksuus on nanometri. Tämä on tunnettu grafeeni - hiilen kaksiulotteinen allotrooppinen modifikaatio (grafeenille myönnettiin Nobelin fysiikkapalkinto vuonna 2010). Vähemmän yleisölle tunnetaan silikeeni - pii, fosfori - fosfori, germaneeni - germanium, kaksiulotteinen modifikaatio. Viime vuonna tutkijat loivat borofeenin, joka, toisin kuin muut kaksiulotteiset materiaalit, ei osoittautunut tasaiseksi vaan aallotetuksi. Booriatomien järjestely aallotetun rakenteen muodossa tarjoaa saadun nanomateriaalin ainutlaatuiset ominaisuudet. Borofen väittää olevansa johtava vetolujuudessa kaksiulotteisten materiaalien joukossa.
Borofeenirakenne
Kuva: MIPT
Kaksiulotteisten materiaalien tulisi olla sovellettavissa elektroniikassa, meriveden suolanpoistosuodattimien suunnittelussa (grafeenikalvot) ja aurinkokennojen luomisessa. Lähitulevaisuudessa grafeeni voi korvata indiumoksidia - harvinaista ja kallista metallia - kosketusnäyttöjen tuotannossa.
Kolmiulotteiset (3D) nanomateriaalit ovat jauheita, kuitu-, monikerroksisia ja monikiteisiä materiaaleja, joissa yllä olevat nolla-, yksi- ja kaksiulotteiset nanomateriaalit ovat rakenteellisia elementtejä. Tiiviisti kiinni toisistaan, ne muodostavat rajapinnat keskenään - rajapinnat.
Nanomateriaalien tyypit
Kuva: thesaurus.rusnano.com
Hieman enemmän aikaa kuluu, ja nanoteknologia - teknologiat nanokokoisten esineiden manipuloimiseksi ovat yleisiä. Aivan kuten mikroelektroniset tekniikat ovat tulleet tutuksi, antavat meille tietokoneita, matkapuhelimia, satelliitteja ja monia muita nykyaikaisen tietokauden ominaisuuksia. Mutta nanoteknologian vaikutus elämään on paljon laajempi. Muutokset odottavat meitä melkein kaikilla ihmisen toiminnan alueilla.
Sergey Sobol