Մոլեկուլի չափ ռոբոտներ. ինչի՞ն է մեզ պատրաստում նանոտեխնոլոգիան:

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում ժամանակակից զարգացումները ապագայում թույլ կտան ստեղծել այնքան փոքր ռոբոտներ, որ դրանք կարող են ներթափանցվել մարդու արյան մեջ: Նման ռոբոտի «մասերը» կլինեն միաչափ ու որքան փոքր, այնքան ուժեղ։ ՌԴ ԳԱ Կենսօրգանական քիմիայի ինստիտուտի ավագ գիտաշխատող Դմիտրի Կվաշնինը, ով զբաղվում է տեսական նյութագիտությամբ (համակարգչային փորձեր նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում), խոսել է նանոաշխարհի պարադոքսների մասին։ T&P-ն գրել է գլխավորը.

Դմիտրի Կվաշնին

Ինչ է նանոտեխնոլոգիան

Օգտագործելով նանոտեխնոլոգիա, մենք կցանկանայինք ստեղծել ռոբոտներ, որոնք կարող են ուղարկվել տիեզերք կամ ներկառուցվել արյան անոթների մեջ, որպեսզի նրանք դեղեր հասցնեն բջիջներին, օգնեն արյան կարմիր բջիջներին շարժվել ճիշտ ուղղությամբ և այլն: Նման ռոբոտների մեկ հանդերձանքը բաղկացած է մեկ տասնյակից: մասեր. Մեկ դետալը մեկ ատոմ է։ Փոխանցումը տասը ատոմ է՝ 10-9 մետր, այսինքն՝ մեկ նանոմետր։ Ամբողջ ռոբոտը մի քանի նանոմետր է:

Ինչ է 10-9-ը: Ինչպե՞ս ներկայացնել այն: Համեմատության համար նշենք, որ սովորական մարդու մազերի չափը մոտ 10-5 մետր է։ Արյան կարմիր բջիջները՝ արյան բջիջները, որոնք մատակարարում են մեր օրգանիզմը թթվածին, ունեն մոտ յոթ միկրոն չափ, սա նույնպես մոտ 10-5 մետր է։ Ո՞ր կետում է ավարտվում նանո և սկսվում մեր աշխարհը: Երբ մենք կարող ենք անզեն աչքով տեսնել որևէ առարկա:

Եռաչափ, երկչափ, միաչափ

Ի՞նչ է եռաչափը, երկչափը և միաչափը և ինչպե՞ս են դրանք ազդում նանոտեխնոլոգիայի նյութերի և դրանց հատկությունների վրա: Մենք բոլորս գիտենք, որ 3D-ը եռաչափ է: Կա սովորական ֆիլմ, և կա 3D ֆիլմ, որտեղ ամենատարբեր շնաձկները էկրանից դուրս են թռչում մեզ վրա։ Մաթեմատիկական իմաստով 3D-ն այսպիսի տեսք ունի՝ y = f (x, y, z), որտեղ y-ն կախված է երեք չափերից՝ երկարությունից, լայնությունից և բարձրությունից: Բոլորին ծանոթ եռաչափ Մարիոն բավականին բարձրահասակ, լայն և հաստլիկ է:

Երկչափի անցնելիս մեկ առանցք կվերանա՝ y = f (x, y): Այստեղ ամեն ինչ շատ ավելի պարզ է. Մարիոն նույնքան բարձրահասակ և լայն է, բայց ոչ գեր, քանի որ ոչ ոք չի կարող գեր կամ նիհար լինել երկու չափսերով:

Եթե շարունակենք նվազել, ապա մի հարթությունում ամեն ինչ բավականին պարզ կդառնա, կմնա միայն մեկ առանցք՝ y = f (x): Մարիոն 1D-ում պարզապես երկար է. մենք չենք ճանաչում նրան, բայց դեռ նա է:

Եռաչափից - երկու հարթության մեջ

Մեր աշխարհում ամենատարածված նյութը ածխածինն է: Այն կարող է ձևավորել երկու բոլորովին տարբեր նյութեր՝ ադամանդ՝ Երկրի վրա ամենադիմացկուն նյութը, և գրաֆիտ, իսկ գրաֆիտը կարող է ադամանդ դառնալ պարզապես բարձր ճնշման միջոցով: Եթե նույնիսկ մեր աշխարհում մեկ տարրը կարող է հակադիր հատկություններով արմատապես տարբեր նյութեր ստեղծել, ապա ի՞նչ կլինի նանոաշխարհում:

Գրաֆիտը հիմնականում հայտնի է որպես մատիտի կապար: Մատիտի ծայրի չափը մոտ մեկ միլիմետր է, այսինքն՝ 10-3 մետր։ Ինչպիսի՞ն է նանո կապարը: Այն պարզապես ածխածնի ատոմների շերտերի հավաքածու է, որոնք կազմում են շերտավոր կառուցվածք: Կարծես թղթի կույտ լինի:

Երբ մատիտով գրում ենք, թղթի վրա հետք է մնում։ Եթե մենք անալոգիա ենք գծում թղթի կույտով, կարծես թե դրանից մի կտոր թուղթ ենք հանում: Գրաֆիտի բարակ շերտը, որը մնում է թղթի վրա, 2D է և ունի ընդամենը մեկ ատոմ հաստություն։ Որպեսզի օբյեկտը համարվի երկչափ, դրա հաստությունը պետք է շատ (առնվազն տասը) անգամ փոքր լինի լայնությունից և երկարությունից:

Բայց կա մի բռնում. 1930-ականներին Լև Լանդաուն և Ռուդոլֆ Պեյերլսը ապացուցեցին, որ երկչափ բյուրեղները անկայուն են և փլուզվում են ջերմային տատանումների պատճառով (ֆիզիկական քանակների պատահական շեղումներ իրենց միջին արժեքներից՝ մասնիկների քաոսային ջերմային շարժման պատճառով: - Մոտ T&P): Պարզվում է, որ երկչափ հարթ նյութը թերմոդինամիկական պատճառներով չի կարող գոյություն ունենալ։ Այսինքն, թվում է, թե մենք չենք կարող ստեղծել նանո 2D-ով։Այնուամենայնիվ, ոչ! Կոնստանտին Նովոսելովը և Անդրեյ Գեյմը սինթեզել են գրաֆենը։ Նանոում գրաֆենը հարթ չէ, բայց թեթևակի ալիքաձև և, հետևաբար, կայուն:

Եթե մեր եռաչափ աշխարհում թղթի կույտից հանենք մեկ թերթիկ, ապա թուղթը կմնա թուղթ, նրա հատկությունները չեն փոխվի։ Եթե գրաֆիտի մեկ շերտը հեռացվի նանոաշխարհում, ապա ստացված գրաֆենը կունենա եզակի հատկություններ, որոնք ոչնչով նման չեն նրանց, որոնք ունեն իր «առաջնորդ» գրաֆիտը: Գրաֆենը թափանցիկ է, թեթև, 100 անգամ ավելի ամուր, քան պողպատը, հիանալի ջերմաէլեկտրական և էլեկտրական հաղորդիչ: Այն լայնորեն ուսումնասիրվում է և արդեն հիմք է դառնում տրանզիստորների համար։

Այսօր, երբ բոլորը հասկանում են, որ երկչափ նյութերը սկզբունքորեն կարող են գոյություն ունենալ, տեսություններ են առաջանում, որ նոր սուբյեկտներ կարելի է ստանալ սիլիցիումից, բորից, մոլիբդենից, վոլֆրամից և այլն:

Եվ հետագա - մեկ հարթությունում

Գրաֆենը 2D-ում ունի լայնություն և երկարություն: Ինչպե՞ս դրանից 1D դարձնել և ի՞նչ կլինի վերջում: Մեթոդներից մեկն այն բարակ ժապավեններով կտրելն է: Եթե դրանց լայնությունը հնարավորինս կրճատվի, ապա դա այլևս կլինի ոչ միայն ժապավեններ, այլ մեկ այլ յուրահատուկ նանո-օբյեկտ՝ կարբին։ Հայտնաբերվել է խորհրդային գիտնականների կողմից (քիմիկոսներ Յու. Պ. Կուդրյավցև, Ա. Մ. Սլադկով, Վ. Ի. Կասատոչկին և Վ. Վ. Կորշակ. - T&P նշում) 1960-ական թթ.

Միաչափ առարկա պատրաստելու երկրորդ եղանակը գրաֆենը խողովակի մեջ գլորելն է՝ գորգի նման: Այս խողովակի հաստությունը շատ ավելի քիչ կլինի, քան դրա երկարությունը: Եթե թուղթը գլորվում է կամ կտրվում է շերտերով, այն մնում է թուղթ: Եթե գրաֆենը գլորվում է խողովակի մեջ, այն վերածվում է ածխածնի նոր ձևի՝ նանոխողովակի, որն ունի մի շարք յուրահատուկ հատկություններ։

Նանոօբյեկտների հետաքրքիր հատկությունները

Էլեկտրական հաղորդունակությունն այն է, թե նյութը որքան լավ կամ վատ է անցկացնում էլեկտրական հոսանքը: Մեր աշխարհում յուրաքանչյուր նյութի համար այն նկարագրվում է մեկ թվով և կախված չէ դրա ձևից։ Կարևոր չէ, որ դուք արծաթե գլան, խորանարդ կամ գնդակ եք պատրաստում, դրա հաղորդունակությունը միշտ նույնը կլինի:

Նանոաշխարհում ամեն ինչ այլ է: Նանոխողովակների տրամագծի փոփոխությունները կազդեն դրանց հաղորդունակության վրա: Եթե n - m տարբերությունը (որտեղ n-ը և m-ը խողովակի տրամագիծը նկարագրող որոշ ինդեքսներ են) բաժանվում է երեքի, ապա նանոխողովակները հոսում են: Եթե բաժանված չէ, ուրեմն չի իրականացվում։

Յանգի մոդուլը ևս մեկ հետաքրքիր հատկություն է, որը դրսևորվում է, երբ ձողը կամ ճյուղը թեքվում է: Յանգի մոդուլը ցույց է տալիս, թե նյութը որքան ուժեղ է դիմադրում դեֆորմացիային և սթրեսին: Օրինակ՝ ալյումինի դեպքում այս ցուցանիշը երկու անգամ պակաս է երկաթից, այսինքն՝ երկու անգամ ավելի վատ է դիմադրում։ Կրկին ալյումինե գնդակը չի կարող ավելի ամուր լինել, քան ալյումինե խորանարդը: Չափն ու ձևը նշանակություն չունեն։

Նանոաշխարհում պատկերը կրկին այլ է. որքան բարակ է նանոլարը, այնքան բարձր է նրա Յանգի մոդուլը: Եթե մեր աշխարհում ուզում ենք միջնահարկից ինչ-որ բան ստանալ, ուրեմն ավելի ամուր աթոռ կընտրենք, որ մեզ դիմանա։ Նանոաշխարհում, թեև դա այնքան էլ ակնհայտ չէ, մենք ստիպված կլինենք նախընտրել ավելի փոքր աթոռը, քանի որ այն ավելի ամուր է:

Եթե մեր աշխարհում ինչ-որ նյութի վրա անցքեր արվեն, ապա այն կդադարի ամուր լինել։ Նանոաշխարհում հակառակն է: Եթե գրաֆենի վրա շատ անցքեր եք անում, այն երկուսուկես անգամ ավելի ամուր է դառնում, քան ոչ թերի գրաֆենը։ Երբ թղթի վրա անցք ենք բացում, դրա էությունը չի փոխվում։ Իսկ երբ գրաֆենի վրա անցքեր ենք անում, հեռացնում ենք մեկ ատոմ, ինչի շնորհիվ նոր տեղային էֆեկտ է առաջանում։ Մնացած ատոմները ձևավորում են նոր կառուցվածք, որը քիմիապես ավելի ամուր է, քան այս գրաֆենի անձեռնմխելի շրջանները:

Նանոտեխնոլոգիայի գործնական կիրառում

Գրաֆենն ունի եզակի հատկություններ, բայց թե ինչպես դրանք կիրառել որոշակի տարածքում, դեռ հարց է: Այժմ այն օգտագործվում է մեկէլեկտրոնային տրանզիստորների նախատիպերում (ուղիղ մեկ էլեկտրոնի ազդանշան փոխանցող)։ Ենթադրվում է, որ ապագայում նանոծակերով երկշերտ գրաֆենը (անցքեր ոչ թե մեկ ատոմում, այլ ավելի շատ) կարող է իդեալական նյութ դառնալ գազերի կամ հեղուկների ընտրովի մաքրման համար։ Գրաֆենը մեխանիկայում օգտագործելու համար մեզ անհրաժեշտ են նյութի մեծ տարածքներ՝ առանց թերությունների, սակայն նման արտադրությունը չափազանց դժվար է տեխնոլոգիապես։

Կենսաբանական տեսանկյունից խնդիր է առաջանում նաև գրաֆենի հետ՝ երբ այն մտնում է օրգանիզմ, թունավորում է ամեն ինչ։ Չնայած բժշկության մեջ գրաֆենը կարող է օգտագործվել որպես «վատ» ԴՆԹ մոլեկուլների սենսոր (մուտացիա այլ քիմիական տարրի հետ և այլն): Դրա համար դրան կցվում են երկու էլեկտրոդներ, և ԴՆԹ-ն անցնում է նրա ծակոտիներով. այն արձագանքում է յուրաքանչյուր մոլեկուլին հատուկ ձևով:

Եվրոպայում արդեն արտադրվում են թավաներ, հեծանիվներ, սաղավարտներ և կոշիկի ներբաններ՝ գրաֆենի հավելումով։ Ֆիննական ընկերություններից մեկը մեքենաների համար բաղադրամասեր է պատրաստում, մասնավորապես՝ Tesla մեքենաների համար, որոնց կոճակները, վահանակի մասերը և էկրանները պատրաստված են բավականին հաստ նանոխողովակներից: Այս ապրանքները դիմացկուն են և թեթև:

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտը դժվար է հետազոտության համար թե՛ փորձերի, թե՛ թվային մոդելավորման տեսանկյունից։ Համակարգչի ցածր հզորություն պահանջող բոլոր հիմնարար հարցերն արդեն լուծված են։ Այսօր հետազոտության հիմնական սահմանափակումը գերհամակարգիչների անբավարար հզորությունն է։