Molekül büyüklüğünde robotlar: Nanoteknoloji bizi neye hazırlıyor?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Gelecekte nanoteknoloji alanındaki modern gelişmeler, insan kan dolaşımına fırlatılabilecek kadar küçük robotların yaratılmasına olanak sağlayacaktır. Böyle bir robotun "parçaları" tek boyutlu olacak ve ne kadar küçükse o kadar güçlü olacaktır. Teorik malzeme bilimi (nanoteknoloji alanında bilgisayar deneyleri) ile uğraşan Rusya Bilimler Akademisi Biyoorganik Kimya Enstitüsü'nde kıdemli araştırmacı olan Dmitry Kvashnin, nanodünyanın paradoksları hakkında konuştu. T&P ana şeyi yazdı.

Dmitry Kvashnin

nanoteknoloji nedir

Nanoteknolojiyi kullanarak, uzaya gönderilebilen veya kan damarlarına gömülebilen, böylece hücrelere ilaç ileten, kırmızı kan hücrelerinin doğru yönde hareket etmesine yardımcı olan vb. robotlar oluşturmak istiyoruz. Bu tür robotlardaki bir dişli, bir düzineden oluşur. parçalar. Bir detay bir atomdur. Bir dişli on atom, 10-9 metre, yani bir nanometre. Bütün bir robot birkaç nanometredir.

10-9 nedir? Nasıl sunulur? Karşılaştırma için, sıradan bir insan saçı yaklaşık 10-5 metre boyutundadır. Vücudumuza oksijen sağlayan kan hücreleri olan kırmızı kan hücreleri yaklaşık yedi mikron büyüklüğündedir, bu da yaklaşık 10-5 metredir. Nano hangi noktada bitiyor ve dünyamız başlıyor? Çıplak gözle bir nesneyi gördüğümüzde.

Üç boyutlu, iki boyutlu, tek boyutlu

Üç boyutlu, iki boyutlu ve tek boyutlu nedir ve nanoteknolojide malzemeleri ve özelliklerini nasıl etkiler? Hepimiz 3D'nin üç boyut olduğunu biliyoruz. Sıradan bir film var ve her türden köpekbalığının bize doğru uçtuğu bir 3D film var. Matematiksel anlamda, 3D şöyle görünür: y = f (x, y, z), burada y üç boyuta bağlıdır - uzunluk, genişlik ve yükseklik. Üç boyutlu olarak tüm Mario tanıdık, oldukça uzun, geniş ve dolgun.

İki boyuta geçildiğinde bir eksen kaybolacaktır: y = f (x, y). Burada her şey çok daha basit: Mario aynı boyda ve geniş ama şişman değil çünkü kimse iki boyutta şişman veya zayıf olamaz.

Küçülmeye devam edersek, bir boyutta her şey oldukça basit hale gelecek, geriye sadece bir eksen kalacak: y = f (x). 1D'deki Mario sadece uzun - onu tanımıyoruz, ama yine de o.

Üç boyuttan - iki boyuta

Dünyamızda en yaygın malzeme karbondur. Tamamen farklı iki madde oluşturabilir - dünyadaki en dayanıklı malzeme olan elmas ve grafit ve grafit sadece yüksek basınçla elmas haline gelebilir. Bizim dünyamızda bile tek bir element zıt özelliklere sahip radikal olarak farklı malzemeler yaratabiliyorsa, o zaman nanodünyada ne olacak?

Grafit, öncelikle kurşun kalem olarak bilinir. Bir kalemin ucunun boyutu yaklaşık bir milimetre, yani 10-3 metredir. Bir nano kurşun neye benziyor? Basitçe, katmanlı bir yapı oluşturan karbon atomu katmanlarının bir koleksiyonudur. Bir kağıt yığını gibi görünüyor.

Kurşun kalemle yazdığımızda kağıt üzerinde bir iz kalır. Bir kağıt destesi ile bir benzetme yaparsak, sanki ondan bir parça kağıt çekiyormuşuz gibi olur. Kağıt üzerinde kalan ince grafit tabakası 2 boyutludur ve sadece bir atom kalınlığındadır. Bir cismin iki boyutlu kabul edilebilmesi için kalınlığının, genişliğinden ve uzunluğundan çok (en az on) kat daha az olması gerekir.

Ama bir yakalama var. 1930'larda Lev Landau ve Rudolf Peierls, iki boyutlu kristallerin kararsız olduğunu ve termal dalgalanmalar nedeniyle çöktüğünü kanıtladı (parçacıkların kaotik termal hareketi nedeniyle fiziksel niceliklerin ortalama değerlerinden rastgele sapmaları. - Yaklaşık T&P). Termodinamik nedenlerle iki boyutlu düz malzemenin var olamayacağı ortaya çıktı. Yani 2D'de nano yaratamıyoruz gibi görünüyor. Ancak hayır! Konstantin Novoselov ve Andrey Geim grafeni sentezledi. Nano'daki grafen düz değil, hafif dalgalı ve bu nedenle kararlı.

Üç boyutlu dünyamızda bir kağıt yığınından bir kağıt çıkarırsak, kağıt kağıt olarak kalır, özellikleri değişmez. Nanodünyada bir grafit tabakası kaldırılırsa, ortaya çıkan grafen, "ata" grafitine sahip olanlara hiç benzemeyen benzersiz özelliklere sahip olacaktır. Grafen şeffaf, hafif, çelikten 100 kat daha güçlü, mükemmel termoelektrik ve elektrik iletkenidir. Geniş çapta araştırılıyor ve şimdiden transistörlerin temeli haline geliyor.

İki boyutlu malzemelerin prensipte var olabileceğini herkesin anladığı günümüzde, silikon, bor, molibden, tungsten vb. maddelerden yeni varlıkların elde edilebileceğine dair teoriler ortaya çıkıyor.

Ve dahası - tek boyutta

2D'deki grafen bir genişliğe ve uzunluğa sahiptir. Bundan 1D nasıl çıkarılır ve sonunda ne olur? Bir yöntem, onu ince şeritler halinde kesmektir. Genişlikleri mümkün olan maksimum seviyeye düşürülürse, artık sadece şeritler değil, başka bir benzersiz nano nesne - carbyne olacaktır. 1960'larda Sovyet bilim adamları (kimyacılar Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin ve V. V. Korshak. - T&P notu) tarafından keşfedildi.

Tek boyutlu bir nesne yapmanın ikinci yolu, grafeni halı gibi bir tüp haline getirmektir. Bu tüpün kalınlığı, uzunluğundan çok daha az olacaktır. Kağıt sarılırsa veya şeritler halinde kesilirse kağıt olarak kalır. Grafen bir tüpe sarılırsa, yeni bir karbon formuna dönüşür - bir takım benzersiz özelliklere sahip bir nanotüp.

Nano nesnelerin ilginç özellikleri

Elektriksel iletkenlik, bir malzemenin bir elektrik akımını ne kadar iyi veya ne kadar zayıf ilettiğidir. Dünyamızda her malzeme için bir numara ile tanımlanır ve şekline bağlı değildir. Gümüş bir silindir, küp veya top yapmanız önemli değil - iletkenliği her zaman aynı olacaktır.

Nanodünyada her şey farklıdır. Nanotüplerin çapındaki değişiklikler iletkenliklerini etkileyecektir. Fark n - m (burada n ve m, tüpün çapını tanımlayan bazı indekslerdir) üçe bölünürse, nanotüpler akımı iletir. Bölünmezse, yapılmaz.

Young modülü, bir çubuk veya dal büküldüğünde kendini gösteren bir başka ilginç özelliktir. Young modülü, bir malzemenin deformasyona ve strese ne kadar güçlü direnç gösterdiğini gösterir. Örneğin, alüminyum için bu gösterge demirden iki kat daha azdır, yani iki kat daha kötü direnir. Yine, bir alüminyum top, bir alüminyum küpten daha güçlü olamaz. Boyut ve şekil önemli değil.

Nanodünyada, resim yine farklıdır: nanotel ne kadar ince olursa, Young modülü o kadar yüksek olur. Dünyamızda asma kattan bir şey almak istiyorsak, bize dayanabilmesi için daha güçlü bir sandalye seçeceğiz. Nanodünyada çok bariz olmasa da daha güçlü olduğu için daha küçük sandalyeyi tercih etmek zorunda kalacağız.

Dünyamızda bazı malzemelerde delikler açılırsa, o zaman güçlü olmayı bırakacaktır. Nanodünyada bunun tersi doğrudur. Grafende çok sayıda delik açarsanız, kusurlu olmayan grafenden iki buçuk kat daha güçlü hale gelir. Kağıda delik açtığımızda özü değişmiyor. Ve grafende delikler açtığımızda, yeni bir yerel etkinin ortaya çıkması nedeniyle bir atomu çıkarırız. Kalan atomlar, bu grafen içindeki bozulmamış bölgelerden kimyasal olarak daha güçlü olan yeni bir yapı oluşturur.

Nanoteknolojinin pratik uygulaması

Grafen benzersiz özelliklere sahiptir, ancak bunların belirli bir alanda nasıl uygulanacağı hala bir sorudur. Artık tek elektronlu transistörler için prototiplerde kullanılmaktadır (tam olarak bir elektronun sinyalini iletir). Gelecekte, nanogözenekli (bir atomda değil, daha fazla delikler) iki katmanlı grafenin, gazların veya sıvıların seçici saflaştırılması için ideal bir malzeme olabileceğine inanılıyor. Grafeni mekanikte kullanmak için hatasız geniş malzeme alanlarına ihtiyacımız var, ancak bu tür üretim teknolojik olarak son derece zor.

Biyolojik açıdan bakıldığında, grafenle ilgili bir sorun da ortaya çıkıyor: Vücuda girdiğinde her şeyi zehirliyor. Tıpta, grafen “kötü” DNA molekülleri için bir sensör olarak kullanılabilir (başka bir kimyasal elementle mutasyona uğramak, vb.). Bunu yapmak için, ona iki elektrot takılır ve DNA gözeneklerinden geçirilir - her moleküle özel bir şekilde tepki verir.

Grafen ilaveli tavalar, bisikletler, kasklar ve ayakkabı tabanlık zaten Avrupa'da üretiliyor. Bir Fin firması, özellikle Tesla otomobilleri için, düğmelerin, gösterge paneli parçalarının ve ekranların oldukça kalın nanotüplerden yapıldığı otomobiller için bileşenler üretiyor. Bu ürünler dayanıklı ve hafiftir.

Nanoteknoloji alanı, hem deneyler açısından hem de sayısal modelleme açısından araştırma yapmak için zordur. Düşük bilgisayar gücü gerektiren tüm temel sorunlar zaten çözülmüştür. Günümüzde araştırma için ana sınırlama, süper bilgisayarların yetersiz gücüdür.