Molekul ölçülü robotlar: nanotexnologiya bizi nəyə hazırlayır?

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Gələcəkdə nanotexnologiyalar sahəsində müasir inkişaflar o qədər kiçik robotlar yaratmağa imkan verəcək ki, onlar insan qanına buraxıla bilsinlər. Belə bir robotun "hissələri" bir ölçülü olacaq və nə qədər kiçik olsa, bir o qədər güclü olacaq. Nəzəri materialşünaslıqla (nanotexnologiyalar sahəsində kompüter təcrübələri) məşğul olan Rusiya Elmlər Akademiyasının Bioüzvi Kimya İnstitutunun baş elmi işçisi Dmitri Kvaşnin nanodünyanın paradokslarından danışıb. T&P əsas şeyi yazdı.

Dmitri Kvaşnin

Nanotexnologiya nədir

Nanotexnologiyadan istifadə edərək, kosmosa göndərilə bilən və ya qan damarlarına yerləşdirilə bilən robotlar yaratmaq istərdik ki, onlar dərmanları hüceyrələrə çatdırsınlar, qırmızı qan hüceyrələrinin düzgün istiqamətdə hərəkət etmələrinə kömək etsinlər və s. Belə robotlarda bir dişli onlarla ibarətdir. hissələri. Bir detal bir atomdur. Ötürücü on atom, 10-9 metr, yəni bir nanometrdir. Bütöv bir robot bir neçə nanometrdir.

10-9 nədir? Onu necə təqdim etmək olar? Müqayisə üçün deyək ki, adi bir insan saçının ölçüsü təxminən 10-5 metrdir. Bədənimizi oksigenlə təmin edən qan hüceyrələri olan qırmızı qan hüceyrələri təxminən yeddi mikron ölçüsündədir, bu da təxminən 10-5 metrdir. Nano hansı nöqtədə bitir və dünyamız başlayır? Bir obyekti çılpaq gözlə görə bildiyimiz zaman.

Üç ölçülü, iki ölçülü, bir ölçülü

Üç ölçülü, iki ölçülü və bir ölçülü nədir və onlar nanotexnologiyada materiallara və onların xüsusiyyətlərinə necə təsir edir? Hamımız bilirik ki, 3D üç ölçülüdür. Adi bir film var, 3D-də film var, orada hər cür köpəkbalığı ekrandan uçur. Riyazi mənada 3D belə görünür: y = f (x, y, z), burada y üç ölçüdən - uzunluqdan, endən və hündürlükdən asılıdır. Üç ölçülü bütün Mario tanış olduqca hündür, geniş və dolğun edir.

İkiölçülüyə keçdikdə bir ox yox olacaq: y = f (x, y). Burada hər şey daha sadədir: Mario eyni boyda və enlidir, amma kök deyil, çünki iki ölçüdə heç kim kök və ya arıq ola bilməz.

Əgər azalmağa davam etsək, onda bir ölçüdə hər şey olduqca sadələşəcək, yalnız bir ox qalacaq: y = f (x). 1D-də Mario sadəcə uzundur - biz onu tanımırıq, amma yenə də odur.

Üç ölçüdən - iki ölçüyə

Dünyamızda ən çox yayılmış material karbondur. O, iki tamamilə fərqli maddə yarada bilər - almaz, yer üzündə ən davamlı material və qrafit və qrafit sadəcə yüksək təzyiqlə almaza çevrilə bilər. Əgər bizim dünyamızda belə bir element əks xassələrə malik olan kökündən fərqli materiallar yarada bilirsə, o zaman nano aləmdə nə baş verəcək?

Qrafit əsasən qələm qurğusu kimi tanınır. Qələmin ucunun ölçüsü təxminən bir millimetrdir, yəni 10-3 metrdir. Nano qurğuşun nə kimi görünür? Bu, sadəcə olaraq laylı bir quruluş meydana gətirən karbon atomlarının təbəqələrinin toplusudur. Kağız yığınına bənzəyir.

Qələmlə yazanda kağızda bir iz qalır. Bir kağız yığını ilə bənzətmə aparsaq, sanki ondan bir kağız parçası çıxarmış olarıq. Kağızda qalan nazik qrafit təbəqəsi 2D-dir və yalnız bir atom qalınlığındadır. Bir cismin iki ölçülü hesab edilməsi üçün onun qalınlığı enindən və uzunluğundan çox (ən azı on) dəfə az olmalıdır.

Ancaq bir tutum var. 1930-cu illərdə Lev Landau və Rudolf Peierls sübut etdilər ki, iki ölçülü kristallar qeyri-sabitdir və istilik dalğalanmaları (hissəciklərin xaotik istilik hərəkəti səbəbindən fiziki kəmiyyətlərin orta dəyərlərindən təsadüfi sapması. - Təqribən T&P) səbəbindən dağılır. Belə çıxır ki, iki ölçülü düz material termodinamik səbəblərdən mövcud ola bilməz. Yəni, deyəsən biz 2D-də nano yarada bilmirik. Bununla belə, yox! Konstantin Novoselov və Andrey Geim qrafen sintez etdilər. Nanoda olan qrafen düz deyil, bir qədər dalğalıdır və buna görə də sabitdir.

Üç ölçülü dünyamızda bir yığın kağızdan bir vərəq çıxarsaq, kağız kağız olaraq qalacaq, onun xüsusiyyətləri dəyişməyəcək. Əgər nanodünyada bir qrafit təbəqəsi çıxarılarsa, nəticədə yaranan qrafen onun “əcdadı” qrafitinə malik olmayan unikal xüsusiyyətlərə malik olacaqdır. Qrafen şəffaf, yüngül, poladdan 100 dəfə güclü, əla termoelektrik və elektrik keçiricisidir. O, geniş şəkildə tədqiq olunur və artıq tranzistorlar üçün əsasa çevrilir.

Bu gün hər kəs iki ölçülü materialların prinsipcə mövcud ola biləcəyini başa düşdükdə, silikon, bor, molibden, volfram və s.

Və daha çox - bir ölçüdə

2D-də qrafenin eni və uzunluğu var. Ondan 1D-ni necə etmək olar və sonunda nə olacaq? Bir üsul onu nazik lentlərə kəsməkdir. Əgər onların eni mümkün qədər azaldılsa, o, artıq sadəcə lentlər deyil, başqa bir unikal nano-obyekt - karbin olacaq. 1960-cı illərdə sovet alimləri (kimyaçılar Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. İ. Kasatoçkin və V. V. Korşak. - T&P qeydi) tərəfindən kəşf edilmişdir.

Bir ölçülü obyekt düzəltməyin ikinci yolu qrafeni xalça kimi boruya yuvarlamaqdır. Bu borunun qalınlığı uzunluğundan çox az olacaq. Kağız yuvarlanırsa və ya zolaqlara kəsilirsə, kağız qalır. Əgər qrafen boruya yuvarlanırsa, o, karbonun yeni formasına - bir sıra unikal xüsusiyyətlərə malik olan nanoboruya çevrilir.

Nanoobyektlərin maraqlı xassələri

Elektrik keçiriciliyi bir materialın elektrik cərəyanını nə qədər yaxşı və ya zəif keçirməsidir. Bizim dünyamızda hər bir material üçün bir nömrə ilə təsvir olunur və onun formasından asılı deyil. Gümüş silindr, kub və ya top hazırlamağınızın əhəmiyyəti yoxdur - onun keçiriciliyi həmişə eyni olacaq.

Nano dünyasında hər şey fərqlidir. Nanoboruların diametrinin dəyişməsi onların keçiriciliyinə təsir edəcək. Əgər n - m fərqi (burada n və m borunun diametrini təsvir edən bəzi indekslərdir) üçə bölünürsə, nanoborular cərəyan keçirir. Əgər bölünməyibsə, deməli həyata keçirilmir.

Young modulu bir çubuq və ya budaq əyildikdə özünü göstərən başqa bir maraqlı xüsusiyyətdir. Young modulu materialın deformasiyaya və gərginliyə nə qədər güclü müqavimət göstərdiyini göstərir. Məsələn, alüminium üçün bu göstərici dəmirdən iki dəfə azdır, yəni iki dəfə pis müqavimət göstərir. Yenə də alüminium top alüminium kubdan güclü ola bilməz. Ölçü və forma fərq etməz.

Nanodünyada mənzərə yenə fərqlidir: nanotel nə qədər incə olarsa, onun Young modulu da bir o qədər yüksək olar. Bizim dünyamızda mezzanindən nəsə almaq istəyiriksə, o zaman daha güclü kreslo seçəcəyik ki, o, bizə tab gətirə bilsin. Nano aləmdə bu o qədər də açıq olmasa da, daha güclü olduğu üçün daha kiçik kresloya üstünlük verməli olacağıq.

Əgər dünyamızda hansısa materialda deşiklər edilirsə, o zaman o, möhkəm olmağı dayandıracaq. Nanodünyada isə bunun əksi doğrudur. Əgər siz qrafendə çoxlu deşiklər etsəniz, o, qüsursuz qrafendən iki yarım dəfə güclü olur. Kağızda deşiklər açanda onun mahiyyəti dəyişmir. Və qrafendə deşiklər açdıqda, bir atomu çıxarırıq, bunun sayəsində yeni bir yerli effekt yaranır. Qalan atomlar bu qrafendəki toxunulmaz bölgələrdən kimyəvi cəhətdən daha güclü olan yeni bir quruluş meydana gətirir.

Nanotexnologiyanın praktik tətbiqi

Qrafenin özünəməxsus xüsusiyyətləri var, lakin onları müəyyən bir sahədə necə tətbiq etmək hələ də sualdır. İndi o, tək elektron tranzistorlar üçün prototiplərdə istifadə olunur (tam olaraq bir elektronun siqnalını ötürür). Güman edilir ki, gələcəkdə nanoməsamələri olan iki qatlı qrafen (bir atomda deyil, daha çox deşiklər) qazların və ya mayelərin seçmə təmizlənməsi üçün ideal material ola bilər. Mexanikada qrafendən istifadə etmək üçün qüsurları olmayan böyük material sahələrinə ehtiyacımız var, lakin bu cür istehsal texnoloji cəhətdən olduqca çətindir.

Bioloji nöqteyi-nəzərdən qrafenlə də problem yaranır: o, bədənə daxil olduqdan sonra hər şeyi zəhərləyir. Baxmayaraq ki, tibbdə qrafen “pis” DNT molekulları üçün sensor kimi istifadə oluna bilər (başqa kimyəvi elementlə mutasiyaya uğrayan və s.). Bunun üçün ona iki elektrod yapışdırılır və onun məsamələrindən DNT keçirilir - o, hər bir molekula xüsusi şəkildə reaksiya verir.

Artıq Avropada tavalar, velosipedlər, dəbilqələr və qrafen əlavə edilmiş ayaqqabı içlikləri istehsal olunur. Bir Fin firması avtomobillər üçün, xüsusən də Tesla avtomobilləri üçün komponentlər istehsal edir, burada düymələr, tablosunun hissələri və ekranları kifayət qədər qalın nanoborulardan hazırlanır. Bu məhsullar davamlı və yüngüldür.

Nanotexnologiya sahəsi həm təcrübə baxımından, həm də ədədi modelləşdirmə nöqteyi-nəzərindən tədqiqat üçün çətindir. Aşağı kompüter gücü tələb edən bütün fundamental məsələlər artıq həll olunub. Bu gün tədqiqat üçün əsas məhdudiyyət superkompüterlərin qeyri-kafi gücüdür.