Molecuulgrote robots: waar bereidt nanotechnologie ons voor?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Moderne ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie in de toekomst zullen het mogelijk maken om robots te maken die zo klein zijn dat ze in de menselijke bloedbaan kunnen worden gelanceerd. De "onderdelen" van zo'n robot zullen eendimensionaal zijn en hoe kleiner, hoe sterker. Dmitry Kvashnin, senior onderzoeker aan het Instituut voor Bioorganische Chemie van de Russische Academie van Wetenschappen, die zich bezighoudt met theoretische materiaalkunde (computerexperimenten op het gebied van nanotechnologie), sprak over de paradoxen van de nanowereld. T&P schreef het belangrijkste.

Dmitry Kvashnin

Wat is nanotechnologie?

Met behulp van nanotechnologie willen we robots maken die de ruimte in kunnen worden gestuurd of in bloedvaten kunnen worden ingebed, zodat ze medicijnen aan cellen leveren, rode bloedcellen helpen in de goede richting te bewegen, enz. Een versnelling in zo'n robot bestaat uit een tiental onderdelen. Een detail is een atoom. Een tandwiel is tien atomen, 10-9 meter, dat wil zeggen één nanometer. Een hele robot is enkele nanometers.

Wat is 10-9? Hoe presenteren? Ter vergelijking: een gewone mensenhaar is ongeveer 10-5 meter groot. Rode bloedcellen, de bloedcellen die ons lichaam van zuurstof voorzien, zijn ongeveer zeven micron groot, dit is ook ongeveer 10-5 meter. Op welk punt eindigt nano en begint onze wereld? Wanneer we een object met het blote oog kunnen zien.

Driedimensionaal, tweedimensionaal, eendimensionaal

Wat is driedimensionaal, tweedimensionaal en eendimensionaal en hoe beïnvloeden ze materialen en hun eigenschappen in nanotechnologie? We weten allemaal dat 3D drie dimensies is. Er is een gewone film, en er is een film in 3D, waar allerlei haaien uit het scherm op ons af vliegen. In wiskundige zin ziet 3D er als volgt uit: y = f (x, y, z), waarbij y afhankelijk is van drie dimensies - lengte, breedte en hoogte. Bekend bij alle Mario in drie dimensies is vrij lang, breed en mollig.

Bij het overschakelen naar tweedimensionaal zal één as verdwijnen: y = f (x, y). Alles is hier veel eenvoudiger: Mario is net zo lang en breed, maar niet dik, want niemand kan dik of dun zijn in twee dimensies.

Als we doorgaan met afnemen, dan wordt in één dimensie alles vrij eenvoudig, er blijft maar één as over: y = f (x). Mario in 1D is gewoon lang - we herkennen hem niet, maar hij is het nog steeds.

Van drie dimensies - naar twee dimensies

Het meest voorkomende materiaal in onze wereld is koolstof. Het kan twee totaal verschillende stoffen vormen: diamant, het meest duurzame materiaal op aarde, en grafiet, en grafiet kan eenvoudig door hoge druk een diamant worden. Als zelfs in onze wereld één element radicaal verschillende materialen met tegengestelde eigenschappen kan creëren, wat zal er dan gebeuren in de nanowereld?

Grafiet staat vooral bekend als potloodstift. De grootte van de punt van een potlood is ongeveer één millimeter, dat wil zeggen 10-3 meter. Hoe ziet een nanodraad eruit? Het is gewoon een verzameling lagen koolstofatomen die een gelaagde structuur vormen. Ziet eruit als een stapel papier.

Als we met een potlood schrijven, blijft er een spoor op het papier achter. Als we een analogie trekken met een stapel papier, is het alsof we er één vel papier uit trekken. Het dunne laagje grafiet dat op het papier achterblijft is 2D en slechts één atoom dik. Om een object als tweedimensionaal te beschouwen, moet de dikte vele (minstens tien) keer kleiner zijn dan de breedte en lengte.

Maar er is een vangst. In de jaren dertig bewezen Lev Landau en Rudolf Peierls dat tweedimensionale kristallen onstabiel zijn en instorten als gevolg van thermische fluctuaties (willekeurige afwijkingen van fysieke grootheden van hun gemiddelde waarden als gevolg van chaotische thermische beweging van deeltjes. - Ongeveer T&P). Het blijkt dat tweedimensionaal plat materiaal om thermodynamische redenen niet kan bestaan. Dat wil zeggen, het lijkt erop dat we nano niet in 2D kunnen maken. Echter, nee! Konstantin Novoselov en Andrey Geim synthetiseerden grafeen. Grafeen in nano is niet vlak, maar licht golvend en daardoor stabiel.

Als we in onze driedimensionale wereld één vel papier uit een stapel papier halen, dan blijft het papier papier, de eigenschappen veranderen niet. Als een laag grafiet wordt verwijderd in de nanowereld, heeft het resulterende grafeen unieke eigenschappen die in niets lijken op die van zijn "voorloper" grafiet. Grafeen is transparant, lichtgewicht, 100 keer sterker dan staal, uitstekende thermo-elektrische en elektrische geleider. Het wordt veel onderzocht en wordt nu al de basis voor transistors.

Tegenwoordig, wanneer iedereen begrijpt dat tweedimensionale materialen in principe kunnen bestaan, verschijnen theorieën dat nieuwe entiteiten kunnen worden verkregen uit silicium, boor, molybdeen, wolfraam, enz.

En verder - in één dimensie

Grafeen in 2D heeft een breedte en een lengte. Hoe maak je er 1D van en wat gebeurt er uiteindelijk? Een methode is om het in dunne linten te snijden. Als hun breedte tot het maximaal mogelijke wordt beperkt, zijn het niet langer alleen linten, maar een ander uniek nano-object - carbyne. Het werd in de jaren zestig ontdekt door Sovjetwetenschappers (chemici Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin en V. V. Korshak. - T&P-noot).

De tweede manier om een eendimensionaal object te maken, is door het grafeen in een buis te rollen, zoals een tapijt. De dikte van deze buis zal veel minder zijn dan zijn lengte. Als het papier wordt opgerold of in reepjes wordt gesneden, blijft het papier. Als grafeen in een buis wordt gerold, verandert het in een nieuwe vorm van koolstof: een nanobuisje, dat een aantal unieke eigenschappen heeft.

Interessante eigenschappen van nanoobjecten

Elektrische geleidbaarheid is hoe goed of hoe slecht een materiaal een elektrische stroom geleidt. In onze wereld wordt het beschreven door één nummer voor elk materiaal en is het niet afhankelijk van de vorm. Het maakt niet uit of je een zilveren cilinder, kubus of bal maakt - de geleidbaarheid zal altijd hetzelfde zijn.

Alles is anders in de nanowereld. Veranderingen in de diameter van nanobuisjes zullen hun geleidbaarheid beïnvloeden. Als het verschil n - m (waarbij n en m enkele indices zijn die de diameter van de buis beschrijven) wordt gedeeld door drie, geleiden de nanobuisjes stroom. Als het niet wordt verdeeld, wordt het niet uitgevoerd.

Young's modulus is een andere interessante eigenschap die zich manifesteert wanneer een staaf of twijg wordt gebogen. Young's modulus laat zien hoe sterk een materiaal bestand is tegen vervorming en stress. Voor aluminium is deze indicator bijvoorbeeld twee keer minder dan die van ijzer, dat wil zeggen, hij is twee keer zo slecht bestand. Nogmaals, een aluminium bal kan niet sterker zijn dan een aluminium kubus. Grootte en vorm doen er niet toe.

In de nanowereld is het beeld weer anders: hoe dunner de nanodraad, hoe hoger de Young's modulus. Als we in onze wereld iets van de mezzanine willen halen, dan zullen we een sterkere stoel kiezen zodat deze ons kan weerstaan. Hoewel het in de nanowereld niet zo voor de hand ligt, zullen we de voorkeur moeten geven aan de kleinere stoel omdat deze sterker is.

Als er gaten worden gemaakt in een materiaal in onze wereld, dan zal het ophouden sterk te zijn. In de nanowereld is het tegenovergestelde waar. Als je veel gaten in grafeen maakt, wordt het tweeënhalf keer sterker dan niet-defect grafeen. Als we gaatjes in het papier prikken, verandert de essentie niet. En als we gaten maken in grafeen, verwijderen we één atoom, waardoor een nieuw lokaal effect ontstaat. De overige atomen vormen een nieuwe structuur die chemisch sterker is dan de intacte gebieden in dit grafeen.

Praktische toepassing van nanotechnologie

Grafeen heeft unieke eigenschappen, maar hoe je die in een bepaald gebied toepast is nog een vraag. Het wordt nu gebruikt in prototypes voor transistors met één elektron (die een signaal van precies één elektron uitzenden). Er wordt aangenomen dat in de toekomst tweelaags grafeen met nanoporiën (gaten niet in één atoom, maar meer) een ideaal materiaal kan worden voor de selectieve zuivering van gassen of vloeistoffen. Om grafeen in de mechanica te gebruiken, hebben we grote stukken materiaal nodig zonder gebreken, maar een dergelijke productie is technologisch buitengewoon moeilijk.

Vanuit biologisch oogpunt ontstaat er ook een probleem met grafeen: als het eenmaal in het lichaam komt, vergiftigt het alles. Hoewel in de geneeskunde kan grafeen worden gebruikt als een sensor voor "slechte" DNA-moleculen (muteren met een ander chemisch element, enz.). Om dit te doen, worden er twee elektroden aan bevestigd en wordt DNA door de poriën geleid - het reageert op een speciale manier op elk molecuul.

In Europa worden al pannen, fietsen, helmen en inlegzolen met toevoeging van grafeen geproduceerd. Een Fins bedrijf maakt onderdelen voor auto's, met name voor Tesla-auto's, waarbij knoppen, dashboarddelen en schermen zijn gemaakt van vrij dikke nanobuisjes. Deze producten zijn duurzaam en lichtgewicht.

Het gebied van nanotechnologie is moeilijk voor onderzoek, zowel vanuit het oogpunt van experimenten als vanuit het oogpunt van numerieke modellering. Alle fundamentele problemen die een laag computervermogen vereisen, zijn al opgelost. Tegenwoordig is de belangrijkste beperking voor onderzoek het onvoldoende vermogen van supercomputers.