רובוטים בגודל מולקולה: למה מכינה אותנו הננוטכנולוגיה?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

פיתוחים מודרניים בתחום הננוטכנולוגיה בעתיד יאפשרו יצירת רובוטים קטנים כל כך שניתן יהיה לשגר אותם לזרם הדם האנושי. ה"חלקים" של רובוט כזה יהיו חד מימדיים וככל שהם קטנים יותר, חזקים יותר. דמיטרי קוושנין, חוקר בכיר במכון לכימיה ביו-אורגנית של האקדמיה הרוסית למדעים, העוסק במדעי החומרים התיאורטיים (ניסויי מחשב בתחום הננוטכנולוגיה), דיבר על הפרדוקסים של עולם הננו. T&P כתב את העיקר.

דמיטרי קוושנין

מהי ננוטכנולוגיה

באמצעות ננוטכנולוגיה נרצה ליצור רובוטים שניתן לשלוח לחלל או להטמיע בכלי דם, כך שיעבירו תרופות לתאים, יעזרו לתאי דם אדומים לנוע בכיוון הנכון וכו'. הילוך אחד ברובוטים כאלה מורכב מתריסר חלקים. פרט אחד הוא אטום אחד. גלגל שיניים הוא עשרה אטומים, 10-9 מטר, כלומר ננומטר אחד. רובוט שלם הוא כמה ננומטרים.

מה זה 10-9? איך להציג את זה? לשם השוואה, שער אדם רגיל הוא בגודל של כ-10-5 מטרים. כדוריות הדם האדומות, כדוריות הדם המספקות לגופנו חמצן, הן בגודל של כשבעה מיקרון, גם זה כ-10-5 מטרים. באיזה שלב נגמר הננו והעולם שלנו מתחיל? כאשר אנו יכולים לראות חפץ בעין בלתי מזוינת.

תלת מימד, דו מימד, חד מימד

מהו תלת מימד, דו מימד וחד מימד וכיצד הם משפיעים על חומרים ותכונותיהם בננוטכנולוגיה? כולנו יודעים שתלת מימד הוא תלת מימד. יש סרט רגיל, ויש סרט בתלת מימד, שבו כל מיני כרישים עפים אלינו מהמסך. במובן מתמטי, תלת מימד נראה כך: y = f (x, y, z), כאשר y תלוי בשלושה ממדים - אורך, רוחב וגובה. המוכר לכל מריו בתלת מימד הוא די גבוה, רחב ושמנמן.

במעבר לדו מימד, ציר אחד ייעלם: y = f (x, y). הכל הרבה יותר פשוט כאן: מריו הוא גבוה ורחב באותה מידה, אבל לא שמן, כי אף אחד לא יכול להיות שמן או רזה בדו מימד.

אם נמשיך לרדת, אז במימד אחד הכל יהפוך לפשוט למדי, יישאר רק ציר אחד: y = f (x). מריו ב-1D הוא פשוט ארוך - אנחנו לא מזהים אותו, אבל זה עדיין הוא.

מתלת מימד - אל דו מימד

החומר הנפוץ ביותר בעולמנו הוא פחמן. הוא יכול ליצור שני חומרים שונים לחלוטין - יהלום, החומר העמיד ביותר על פני כדור הארץ, וגרפיט, וגרפיט יכול להפוך ליהלום פשוט באמצעות לחץ גבוה. אם אפילו בעולם שלנו אלמנט אחד יכול ליצור חומרים שונים בתכלית עם תכונות הפוכות, אז מה יקרה בעולם הננו?

גרפיט ידוע בעיקר בתור עופרת עיפרון. גודל קצה העיפרון הוא כמילימטר אחד, כלומר 10-3 מטרים. איך נראה ננו ליד? זה פשוט אוסף של שכבות של אטומי פחמן היוצרים מבנה שכבות. נראה כמו ערימת נייר.

כשאנחנו כותבים בעיפרון, נשאר זכר על הנייר. אם אנו מציירים אנלוגיה עם ערימת נייר, זה כאילו אנו שולפים ממנה פיסת נייר אחת. שכבת הגרפיט הדקה שנשארת על הנייר היא דו מימדית ועוביה של אטום אחד בלבד. כדי שעצם ייחשב דו-ממדי, עוביו חייב להיות קטן פי כמה (לפחות פי עשרה) מרוחב ואורכו.

אבל יש מלכוד. בשנות ה-30, לב לנדאו ורודולף פיירלס הוכיחו שגבישים דו-ממדיים אינם יציבים וקורסים עקב תנודות תרמיות (סטיות אקראיות של כמויות פיזיקליות מהערכים הממוצעים שלהם עקב תנועה תרמית כאוטית של חלקיקים. - T&P בקירוב). מסתבר שחומר שטוח דו מימדי אינו יכול להתקיים מסיבות תרמודינמיות. כלומר, נראה שאיננו יכולים ליצור ננו בדו מימד.עם זאת, לא! קונסטנטין נובוסלוב ואנדריי גיים סינתזו גרפן. הגרפן בננו אינו שטוח, אלא מעט גלי ולכן יציב.

אם בעולם התלת מימדי שלנו נוציא דף נייר אחד מערימת נייר, אז הנייר יישאר נייר, תכונותיו לא ישתנו. אם תוסר שכבה אחת של גרפיט בעולם הננו, אז לגרפן שיתקבל יהיו תכונות ייחודיות שאינן דומות לאלו שיש להן גרפיט "האב" שלו. הגרפן שקוף, קל משקל, חזק פי 100 מפלדה, מוליך תרמו-אלקטרי וחשמלי מעולה. זה נחקר רבות וכבר הופך לבסיס לטרנזיסטורים.

היום, כשכולם מבינים שחומרים דו מימדיים יכולים להתקיים באופן עקרוני, מופיעות תיאוריות שאפשר להשיג ישויות חדשות מסיליקון, בורון, מוליבדן, טונגסטן וכו'.

ועוד - במימד אחד

לגרפן ב-2D יש רוחב ואורך. איך עושים מזה 1D ומה יקרה בסוף? שיטה אחת היא לחתוך אותו לסרטים דקים. אם הרוחב שלהם יקטן למקסימום האפשרי, אז זה כבר לא יהיה רק סרטים, אלא עוד ננו-אובייקט ייחודי - קרבין. הוא התגלה על ידי מדענים סובייטים (כימאים יו.פ. קודריאבצב, א.מ.סלדקוב, וי. קסטוצ'קין ו.וי. קורשק. - הערת T&P) בשנות ה-60.

הדרך השנייה ליצור אובייקט חד מימדי היא לגלגל את הגרפן לצינור, כמו שטיח. עובי הצינור הזה יהיה הרבה פחות מאורכו. אם הנייר מגולגל או חתוך לרצועות, הוא נשאר נייר. אם מגלגלים גרפן לצינור, הוא הופך לצורה חדשה של פחמן - ננו-צינור, בעל מספר תכונות ייחודיות.

תכונות מעניינות של ננו-אובייקטים

מוליכות חשמלית היא כמה טוב או גרוע חומר מוליך זרם חשמלי. בעולם שלנו הוא מתואר במספר אחד לכל חומר ואינו תלוי בצורתו. זה לא משנה אם אתה עושה גליל כסף, קובייה או כדור - המוליכות שלו תמיד תהיה זהה.

הכל שונה בעולם הננו. שינויים בקוטר של ננו-צינוריות ישפיעו על המוליכות שלהם. אם ההפרש n - m (כאשר n ו-m הם כמה מדדים המתארים את קוטר הצינור) מחולק לשלוש, אז הננו-צינורות מוליכים זרם. אם זה לא מחולק, אז זה לא מתבצע.

המודולוס של יאנג הוא עוד תכונה מעניינת שמתבטאת כאשר מוט או ענף מכופפים. המודולוס של יאנג מראה עד כמה החומר מתנגד לדפורמציה ולמתח. לדוגמה, עבור אלומיניום, מחוון זה הוא פי שניים פחות מזה של ברזל, כלומר, הוא מתנגד גרוע פי שניים. שוב, כדור אלומיניום לא יכול להיות חזק יותר מקוביית אלומיניום. הגודל והצורה לא חשובים.

בעולם הננו, התמונה שוב שונה: ככל שהננו-תיל דק יותר, כך מודול ה-Young שלו גבוה יותר. אם בעולמנו אנחנו רוצים לקבל משהו מקומת הביניים, אז נבחר כיסא חזק יותר כדי שיוכל לעמוד בפנינו. בעולם הננו, למרות שזה לא כל כך ברור, נצטרך להעדיף את הכיסא הקטן יותר כי הוא חזק יותר.

אם נוצרים חורים בחומר כלשהו בעולם שלנו, הוא יפסיק להיות חזק. בעולם הננו, ההפך הוא הנכון. אם אתה עושה חורים רבים בגרפן, הוא הופך להיות חזק פי שניים וחצי מגרפן לא פגום. כאשר אנו מחוררים חורים בנייר, המהות שלו לא משתנה. וכאשר אנו יוצרים חורים בגרפן, אנו מסירים אטום אחד, שבגללו מופיע אפקט מקומי חדש. האטומים הנותרים יוצרים מבנה חדש שחזק מבחינה כימית מהאזורים השלמים בגרפן הזה.

יישום מעשי של ננוטכנולוגיה

לגרפן יש תכונות ייחודיות, אבל איך ליישם אותם באזור מסוים היא עדיין שאלה. הוא משמש כעת באבות טיפוס לטרנזיסטורים בעלי אלקטרון בודד (משדר אות של אלקטרון אחד בדיוק). מאמינים כי בעתיד, גרפן דו-שכבתי עם ננו-נקבים (חורים לא באטום אחד, אלא יותר) יכול להפוך לחומר אידיאלי לטיהור סלקטיבי של גזים או נוזלים. כדי להשתמש בגרפן במכניקה, אנחנו צריכים שטחים גדולים של חומר ללא פגמים, אבל ייצור כזה הוא קשה ביותר מבחינה טכנולוגית.

מנקודת מבט ביולוגית נוצרת בעיה גם עם גרפן: ברגע שהוא נכנס לגוף, הוא מרעיל הכל. למרות שברפואה, גרפן יכול לשמש כחיישן למולקולות DNA "רעות" (מוטציה עם יסוד כימי אחר וכו'). לשם כך מחברים אליו שתי אלקטרודות ומעבירים DNA דרך הנקבוביות שלו - הוא מגיב לכל מולקולה בצורה מיוחדת.

כבר מיוצרים באירופה מחבתות, אופניים, קסדות ומדרסים לנעליים בתוספת גרפן. חברה פינית אחת מייצרת רכיבים למכוניות, במיוחד למכוניות טסלה, שבהן כפתורים, חלקי לוח מחוונים ומסכים עשויים מננו-צינורות עבים למדי. מוצרים אלה עמידים וקלים משקל.

תחום הננוטכנולוגיה קשה למחקר הן מנקודת מבט של ניסויים והן מנקודת מבט של מודלים נומריים. כל הבעיות הבסיסיות הדורשות כוח מחשב נמוך כבר נפתרו. כיום, המגבלה העיקרית למחקר היא הכוח הלא מספיק של מחשבי-על.