Молекула өлчөмүндөгү роботтор: нанотехнология бизди эмнеге даярдап жатат?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-16 16:10

Келечекте нанотехнология тармагындагы заманбап өнүгүүлөр адамдын канына сиңе тургандай кичинекей роботторду түзүүгө мүмкүндүк берет. Мындай роботтун "бөлүктөрү" бир өлчөмдүү болот жана канчалык кичине болсо, ошончолук күчтүү болот. Орус илимдер академиясынын Биоорганикалык химия институтунун улук илимий кызматкери, теориялык материал таануу (нанотехнология чөйрөсүндөгү компьютердик эксперименттер) менен алектенген Дмитрий Квашнин нано дүйнөдөгү парадокстор тууралуу айтып берди. T&P негизги нерсени жазган.

Дмитрий Квашнин

Нанотехнология деген эмне

Нанотехнологияны колдонуу менен биз космоско жөнөтүлүүчү же кан тамырларга орнотула турган роботторду жараткыбыз келет, ошону менен алар дарыларды клеткаларга жеткирет, эритроциттердин туура багытта жылышына жардам берет ж.б. Мындай роботтордо бир тиштүү механизм ондон турат бөлүктөр. Бир деталь бир атом. Бир тиштүү он атом, 10-9 метр, башкача айтканда, бир нанометр. Бүтүндөй бир робот бир нече нанометрди түзөт.

10-9 деген эмне? Аны кантип көрсөтүү керек? Салыштыруу үчүн, адамдын жөнөкөй чачынын өлчөмү болжол менен 10-5 метрди түзөт. Денебизди кычкылтек менен камсыз кылуучу кан клеткалары болгон кызыл кан клеткалары болжол менен жети микрон, бул да болжол менен 10-5 метр. Нано кайсы учурда бүтөт жана биздин дүйнө башталат? Биз жөн эле көз менен объектти көрө алабыз.

Үч өлчөмдүү, эки өлчөмдүү, бир өлчөмдүү

Үч өлчөмдүү, эки өлчөмдүү жана бир өлчөмдүү деген эмне жана алар нанотехнологияда материалдарга жана алардын касиеттерине кандай таасир этет? 3D үч өлчөмдүү экенин баарыбыз билебиз. Кадимки кино бар, 3D форматындагы кино бар, экрандан ар кандай акулалар учуп бизге карай учушат. Математикалык мааниде 3D мындай көрүнөт: y = f (x, y, z), мында у үч өлчөмгө - узундукка, туурага жана бийиктикке көз каранды. үч өлчөмдүү бардык Марио тааныш, абдан узун, кенен жана толмоч.

Эки өлчөмдүүгө өткөндө бир огу жок болот: y = f (x, y). Бул жерде баары алда канча жөнөкөй: Марио эле узун жана кең, бирок семиз эмес, анткени эки өлчөмдүү эч ким семиз же арык боло албайт.

Эгерде биз төмөндөй берсек, анда бир өлчөмдө баары жөнөкөй болуп калат, бир гана огу калат: y = f (x). 1Dдеги Марио жөн эле узун - биз аны тааныбайбыз, бирок ал дагы эле.

Үч өлчөмдөн - эки өлчөмгө

Биздин дүйнөдө эң кеңири таралган материал бул көмүртек. Ал такыр башка эки затты - алмазды, жер бетиндеги эң бышык материалды жана графитти түзө алат, ал эми графит жогорку басым аркылуу гана алмазга айланат. Эгерде биздин дүйнөдө бир эле элемент карама-каршы касиеттерге ээ болгон түп-тамырынан бери ар кандай материалдарды түзө алса, анда нанодүйнөдө эмне болот?

Графит негизинен карандаш катары белгилүү. Карандаштын учу өлчөмү бир миллиметрге жакын, башкача айтканда 10-3 метр. Нано коргошун кандай көрүнөт? Бул жөн гана катмарлуу түзүлүштү түзгөн көмүртек атомдорунун катмарларынын жыйындысы. Бир үймөк кагаз окшойт.

Карандаш менен жазганыбызда кагазда изи калат. Эгерде биз бир үймөк кагазга окшоштурсак, анда биз андан бир барак кагазды сууруп алгандай болобуз. Кагазда калган графиттин жука катмары 2D жана бир гана атомдун калыңдыгын түзөт. Объекттин эки өлчөмдүү деп табылышы үчүн анын калыңдыгы туурасынан жана узунунан көп (жок дегенде он) эсе аз болушу керек.

Бирок бир нерсе бар. 1930-жылдары Лев Ландау жана Рудольф Пейерлс эки өлчөмдүү кристаллдар туруксуз экенин жана термикалык термелүүлөрдүн (бөлүкчөлөрдүн башаламан жылуулук кыймылынан улам физикалык чоңдуктардын алардын орточо маанилеринен кокус четтөөлөрү. - Болжол менен T&P) улам кулашын далилдешти. Эки өлчөмдүү жалпак материал термодинамикалык себептерден улам болушу мүмкүн эмес экен. Башкача айтканда, биз 2D форматында нано түзө албайбыз окшойт. Бирок, жок! Константин Новоселов жана Андрей Гейм графенди синтездешкен. Нанодогу графен жалпак эмес, бирок бир аз толкундуу, ошондуктан туруктуу.

Эгерде биздин үч өлчөмдүү дүйнөбүздө бир барак кагаздан бир барак чыгарсак, анда кагаз кагаз бойдон калат, анын касиеттери өзгөрбөйт. Эгерде нанодүйнөдө графиттин бир катмары жок кылынса, анда пайда болгон графен уникалдуу өзгөчөлүктөргө ээ болот, алар эч нерсеге окшош эмес, анын "багытчысы" графитине ээ. Графен тунук, жеңил, болоттон 100 эсе бышык, мыкты термоэлектрдик жана электр өткөргүч. Ал кеңири изилденип жатат жана транзисторлордун негизи болуп калды.

Бүгүн, ар бир адам эки өлчөмдүү материалдардын бар экенин түшүнгөндө, кремнийден, бордон, молибденден, вольфрамдан ж.

Жана андан ары - бир өлчөмдө

2D форматындагы графендин туурасы жана узундугу бар. Андан кантип 1D жасоо керек жана аягында эмне болот? Бир ыкма - аны жука ленталарга кесүү. Эгерде алардын туурасы максималдуу кыскартылса, анда ал жөн эле ленталар эмес, дагы бир уникалдуу нано-объект - карбин болот. Аны 1960-жылдары советтик окумуштуулар (химиктер Ю. П. Кудрявцев, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин жана В. В. Коршак. - Т&П эскертүүсү) ачышкан.

Бир өлчөмдүү объектти жасоонун экинчи жолу - бул графенди килем сыяктуу түтүккө жылдыруу. Бул түтүктүн калыңдыгы анын узундугунан алда канча аз болот. Кагазды тоголоктоп же тилке кылып кессе, кагаз бойдон калат. Эгерде графен түтүккө жылдырылса, ал көмүртектин жаңы формасына – бир катар уникалдуу касиеттерге ээ нанотүтүккө айланат.

Нанообъекттердин кызыктуу касиеттери

Электр өткөргүчтүк - бул материалдын электр тогун канчалык жакшы же канчалык начар өткөрөрү. Биздин дүйнөдө ал ар бир материал үчүн бир сан менен сүрөттөлөт жана анын формасына көз каранды эмес. Күмүш цилиндр, куб же шар жасасаңыз, баары бир - анын өткөргүчтүгү дайыма бирдей болот.

Нано дүйнөсүндө баары башкача. Нанотүтүктөрдүн диаметринин өзгөрүшү алардын өткөргүчтүгүнө таасирин тийгизет. Эгерде n - m айырмасы (мында n жана m түтүктүн диаметрин мүнөздөгөн кээ бир индекстер) үчкө бөлүнсө, нанотүтүкчөлөр ток өткөрүшөт. Бөлүнбөсө, анда ал аткарылбайт.

Янгдын модулу - таяк же бутак ийилгенде көрүнгөн дагы бир кызыктуу касиет. Янгдын модулу материалдын деформацияга жана стресске канчалык туруштук берерин көрсөтөт. Мисалы, алюминий үчүн бул көрсөткүч темирге караганда эки эсе аз, башкача айтканда, ал эки эсе начар туруштук берет. Дагы, алюминий шары алюминий кубунан күчтүү болушу мүмкүн эмес. Өлчөмү жана формасы маанилүү эмес.

Нанодүйнөсүндө сүрөт кайрадан башкача: нано зым канчалык ичке болсо, анын Янг модулу ошончолук жогору болот. Эгерде биздин дүйнөдө биз мезонинден бир нерсе алгыбыз келсе, анда ал бизге туруштук бере алгыдай күчтүүрөөк отургучту тандайбыз. Нано дүйнөсүндө, бул анчалык ачык болбосо да, биз кичинекей креслого артыкчылык беришибиз керек, анткени ал күчтүүрөөк.

Эгерде биздин дүйнөдө кандайдыр бир материалдан тешиктер жасалса, анда ал күчтүү болбой калат. Нанодүйнөсүндө мунун тескерисинче. Эгерде сиз графенге көп тешик жасасаңыз, ал кемчиликсиз графенге караганда эки жарым эсе күчтүү болот. Кагазды тешип салганда анын маңызы өзгөрбөйт. Ал эми графенге тешик жасаганда, биз бир атомду алып салабыз, анын натыйжасында жаңы жергиликтүү эффект пайда болот. Калган атомдор бул графендеги бүтүн аймактарга караганда химиялык жактан күчтүү болгон жаңы структураны түзөт.

Нанотехнологиянын практикалык колдонулушу

Графендин уникалдуу касиеттери бар, бирок аларды белгилүү бир аймакта кантип колдонуу дагы эле суроо. Ал азыр бир электрондуу транзисторлордун прототиптеринде колдонулат (так бир электрондун сигналын өткөрөт). Келечекте эки катмарлуу графен нанокечелери бар (тешиктер бир атомдо эмес, андан көп) газдарды же суюктуктарды тандап тазалоо үчүн идеалдуу материал боло алат деп ишенишет. Механикада графенди колдонуу үчүн кемчилиги жок материалдын чоң аймактары керек, бирок мындай өндүрүш технологиялык жактан өтө кыйын.

Биологиялык көз караштан алганда, графен менен да көйгөй жаралат: ал денеге киргенден кийин, баарын ууландырат. Медицинада графен "жаман" ДНК молекулалары үчүн сенсор катары колдонулушу мүмкүн (башка химиялык элемент менен мутация, ж.б.). Бул үчүн ага эки электрод бекитилип, анын тешиктеринен ДНК өткөрүлөт – ал ар бир молекулага өзгөчө түрдө реакция кылат.

Европада буга чейин графен кошулган табалар, велосипеддер, каскалар жана бут кийимдердин ичтери чыгарыла баштаган. Финдик фирмалардын бири унаалар үчүн тетиктерди, айрыкча Tesla унаалары үчүн тетиктерди жасайт, анын баскычтары, панелдин тетиктери жана экрандары кыйла калың нанотүтүкчөлөрдөн жасалган. Бул буюмдар бышык жана жеңил болот.

Нанотехнология тармагы эксперименттердин көз карашынан да, сандык моделдөө жагынан да изилдөө үчүн кыйын. Компьютердин аз кубаттуулугун талап кылган бардык негизги маселелер буга чейин чечилген. Бүгүнкү күндө изилдөө үчүн негизги чектөө суперкомпьютерлердин жетишсиз кубаттуулугу болуп саналат.