الروبوتات بحجم الجزيء: ما الذي تعدنا له تكنولوجيا النانو؟

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

ستسمح التطورات الحديثة في مجال تكنولوجيا النانو في المستقبل بإنشاء روبوتات صغيرة جدًا بحيث يمكن إطلاقها في مجرى الدم البشري. ستكون "أجزاء" مثل هذا الروبوت أحادية البعد ، وكلما كانت أصغر ، كانت أقوى. تحدث ديمتري كفاشنين ، كبير الباحثين في معهد الكيمياء الحيوية العضوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ، والذي يشارك في علوم المواد النظرية (تجارب الكمبيوتر في مجال تكنولوجيا النانو) ، عن مفارقات عالم النانو. كتب T&P الشيء الرئيسي.

ديمتري كفاشنين

ما هي تقنية النانو

باستخدام تقنية النانو ، نرغب في إنشاء روبوتات يمكن إرسالها إلى الفضاء أو دمجها في الأوعية الدموية ، بحيث توصل الأدوية إلى الخلايا ، وتساعد خلايا الدم الحمراء على التحرك في الاتجاه الصحيح ، وما إلى ذلك. القطع. تفصيل واحد ذرة واحدة. العتاد هو عشر ذرات ، 10-9 أمتار ، أي نانومتر واحد. الإنسان الآلي بأكمله هو بضعة نانومترات.

ما هو 10-9؟ كيف تقدمه؟ للمقارنة ، يبلغ حجم شعرة الإنسان العادية حوالي 10-5 أمتار. يبلغ حجم خلايا الدم الحمراء ، وهي خلايا الدم التي تزود الجسم بالأكسجين ، حوالي سبعة ميكرون ، وهذا أيضًا يبلغ حوالي 10-5 أمتار. في أي نقطة ينتهي النانو ويبدأ عالمنا؟ عندما نتمكن من رؤية الجسم بالعين المجردة.

ثلاثي الأبعاد ، ثنائي الأبعاد ، بعد واحد

ما هو ثلاثي الأبعاد وثنائي الأبعاد وبعد واحد وكيف تؤثر على المواد وخصائصها في تقنية النانو؟ نعلم جميعًا أن الأبعاد الثلاثية ثلاثية الأبعاد. هناك فيلم عادي ، وهناك فيلم ثلاثي الأبعاد ، حيث تطير جميع أنواع أسماك القرش من الشاشة إلينا. بالمعنى الرياضي ، تبدو الأبعاد الثلاثية كما يلي: y = f (x ، y ، z) ، حيث تعتمد y على ثلاثة أبعاد - الطول والعرض والارتفاع. مألوف لدى ماريو في الأبعاد الثلاثة فهو طويل جدًا وواسع وممتلئ الجسم.

عند التبديل إلى ثنائي الأبعاد ، سيختفي أحد المحاور: y = f (x، y). كل شيء هنا أبسط بكثير: ماريو طويل وعريض بنفس القدر ، لكن ليس سمينًا ، لأنه لا يمكن لأي شخص أن يكون سمينًا أو نحيفًا في بعدين.

إذا واصلنا الانخفاض ، فسيصبح كل شيء في بُعد واحد بسيطًا للغاية ، ولن يتبقى سوى محور واحد: y = f (x). ماريو في 1D طويلة فقط - نحن لا نتعرف عليه ، لكنه لا يزال هو.

من ثلاثة أبعاد - إلى بعدين

المادة الأكثر شيوعًا في عالمنا هي الكربون. يمكن أن يشكل مادتين مختلفتين تمامًا - الماس ، وهو أكثر المواد متانة على الأرض ، والجرافيت ، ويمكن أن يصبح الجرافيت ماسًا ببساطة من خلال الضغط العالي. إذا كان بإمكان عنصر واحد في عالمنا أن يخلق موادًا مختلفة جذريًا بخصائص معاكسة ، فما الذي سيحدث في عالم النانو؟

يُعرف الجرافيت في المقام الأول باسم قلم الرصاص. يبلغ حجم رأس القلم الرصاص حوالي ملليمتر واحد ، أي 10-3 أمتار. كيف تبدو الرصاص النانوية؟ إنها ببساطة مجموعة من طبقات ذرات الكربون التي تشكل بنية ذات طبقات. تبدو ككومة من الورق.

عندما نكتب بقلم رصاص ، يبقى أثر على الورق. إذا رسمنا تشابهًا مع رزمة من الورق ، يبدو الأمر كما لو كنا نسحب ورقة واحدة منها. الطبقة الرقيقة من الجرافيت المتبقية على الورق هي ثنائية الأبعاد وسمك ذرة واحدة فقط. لكي يتم اعتبار الكائن ثنائي الأبعاد ، يجب أن يكون سمكه (على الأقل عشر مرات) أقل من عرضه وطوله.

لكن هناك قبض. في ثلاثينيات القرن الماضي ، أثبت ليف لانداو ورودولف بيرلز أن البلورات ثنائية الأبعاد غير مستقرة وتنهار بسبب التقلبات الحرارية (الانحرافات العشوائية للكميات الفيزيائية عن قيمها المتوسطة بسبب الحركة الحرارية الفوضوية للجسيمات. - تقريبًا. T&P). اتضح أن المادة المسطحة ثنائية الأبعاد لا يمكن أن توجد لأسباب تتعلق بالديناميكا الحرارية. بمعنى ، يبدو أنه لا يمكننا إنشاء نانو في ثنائي الأبعاد.ومع ذلك ، لا! قام كونستانتين نوفوسيلوف وأندريه جيم بتصنيع الجرافين. الجرافين في النانو ليس مسطحًا ، ولكنه متموج قليلاً وبالتالي مستقر.

إذا قمنا في عالمنا ثلاثي الأبعاد بإخراج ورقة واحدة من كومة من الورق ، فستبقى الورقة ورقة ، ولن تتغير خصائصها. إذا تمت إزالة طبقة واحدة من الجرافيت في العالم النانوي ، فسيكون للجرافين الناتج خصائص فريدة لا تشبه تلك التي تحتوي على "سلفه" الجرافيت. الجرافين شفاف ، وخفيف الوزن ، وأقوى 100 مرة من الفولاذ ، وموصل كهربائي حراري وكهربائي ممتاز. يجري بحثها على نطاق واسع وأصبحت بالفعل أساس الترانزستورات.

اليوم ، عندما يفهم الجميع أن المواد ثنائية الأبعاد يمكن أن توجد من حيث المبدأ ، تظهر النظريات أنه يمكن الحصول على كيانات جديدة من السيليكون والبورون والموليبدينوم والتنغستن ، إلخ.

وأكثر - في بعد واحد

الجرافين ثنائي الأبعاد له عرض وطول. كيف تجعل منه 1D وماذا سيحدث في النهاية؟ إحدى الطرق هي تقطيعه إلى شرائط رفيعة. إذا تم تقليل عرضها إلى أقصى حد ممكن ، فلن يكون الأمر مجرد شرائط ، بل كائن نانوي فريد آخر - carbyne. تم اكتشافه من قبل العلماء السوفييت (الكيميائيون Yu. P. Kudryavtsev و AM. Sladkov و V. I. Kasatochkin و V. V. Korshak. - T&P note) في الستينيات.

الطريقة الثانية لصنع جسم أحادي البعد هي لف الجرافين في أنبوب ، مثل السجادة. سيكون سمك هذا الأنبوب أقل بكثير من طوله. إذا كان الورق ملفوفًا أو مقطوعًا إلى شرائح ، فإنه يظل ورقًا. إذا تم لف الجرافين في أنبوب ، فإنه يتحول إلى شكل جديد من الكربون - أنبوب نانوي ، له عدد من الخصائص الفريدة.

خصائص مثيرة للاهتمام من nanoobjects

الموصلية الكهربائية هي مدى جودة أو سوء توصيل المادة للتيار الكهربائي. في عالمنا يتم وصفها برقم واحد لكل مادة ولا تعتمد على شكلها. لا يهم إذا كنت تصنع أسطوانة فضية أو مكعبًا أو كرة - فموصليةها ستكون دائمًا كما هي.

كل شيء مختلف في عالم النانو. ستؤثر التغييرات في قطر الأنابيب النانوية على موصليةها. إذا كان الفرق n - m (حيث n و m هما بعض المؤشرات التي تصف قطر الأنبوب) مقسومًا على ثلاثة ، فإن الأنابيب النانوية تقوم بإجراء التيار. إذا لم يتم تقسيمها ، فلا يتم تنفيذها.

يُعد معامل يونغ خاصية أخرى مثيرة للاهتمام تظهر عند ثني قضيب أو غصين. يوضح معامل يونج مدى قوة مقاومة المادة للتشوه والضغط. على سبيل المثال ، بالنسبة للألمنيوم ، هذا المؤشر أقل بمرتين من مؤشر الحديد ، أي أنه يقاوم ضعف السوء. مرة أخرى ، لا يمكن أن تكون كرة الألمنيوم أقوى من مكعب الألومنيوم. الحجم والشكل لا يهم.

في عالم النانو ، الصورة مختلفة مرة أخرى: كلما كان النانو أرق ، زاد معامل يونغ. إذا كنا نريد في عالمنا الحصول على شيء ما من الميزانين ، فسنختار كرسيًا أقوى ليقاومنا. في عالم النانو ، على الرغم من أنه ليس واضحًا جدًا ، يجب علينا تفضيل الكرسي الأصغر لأنه أقوى.

إذا تم عمل ثقوب في بعض المواد في عالمنا ، فسوف تتوقف عن أن تكون قوية. في عالم النانو ، العكس هو الصحيح. إذا قمت بعمل العديد من الثقوب في الجرافين ، فإنه يصبح أقوى مرتين ونصف من الجرافين غير المعيب. عندما نقوم بعمل ثقوب في الورقة ، فإن جوهرها لا يتغير. وعندما نصنع ثقوبًا في الجرافين ، نزيل ذرة واحدة ، مما يظهر تأثير محلي جديد. تشكل الذرات المتبقية بنية جديدة أقوى كيميائيًا من المناطق السليمة في هذا الجرافين.

التطبيق العملي لتقنية النانو

يتميز الجرافين بخصائص فريدة ، ولكن كيفية تطبيقها في منطقة معينة لا تزال محل تساؤل. يتم استخدامه الآن في النماذج الأولية للترانزستورات أحادية الإلكترون (إرسال إشارة من إلكترون واحد بالضبط). يُعتقد أنه في المستقبل ، يمكن أن يصبح الجرافين ذو الطبقتين مع الثقوب النانوية (الثقوب ليست في ذرة واحدة ، ولكن أكثر) مادة مثالية للتنقية الانتقائية للغازات أو السوائل. لاستخدام الجرافين في الميكانيكا ، نحتاج إلى مساحات كبيرة من المواد بدون عيوب ، لكن مثل هذا الإنتاج صعب للغاية من الناحية التكنولوجية.

من وجهة نظر بيولوجية ، تظهر مشكلة أيضًا مع الجرافين: بمجرد دخوله الجسم ، فإنه يسمم كل شيء. على الرغم من أنه في الطب ، يمكن استخدام الجرافين كمستشعر لجزيئات الحمض النووي "السيئة" (المتحور مع عنصر كيميائي آخر ، إلخ). للقيام بذلك ، يتم توصيل قطبين كهربائيين به ويتم تمرير الحمض النووي عبر مسامها - يتفاعل مع كل جزيء بطريقة خاصة.

يتم بالفعل إنتاج المقالي والدراجات والخوذات ونعال الأحذية مع إضافة الجرافين في أوروبا. تصنع إحدى الشركات الفنلندية مكونات للسيارات ، خاصة لسيارات Tesla ، حيث يتم تصنيع الأزرار وأجزاء لوحة القيادة والشاشات من أنابيب نانوية سميكة إلى حد ما. هذه المنتجات متينة وخفيفة الوزن.

يصعب البحث في مجال تكنولوجيا النانو من وجهة نظر التجارب ومن وجهة نظر النمذجة العددية. تم بالفعل حل جميع المشكلات الأساسية التي تتطلب طاقة كمبيوتر منخفضة. اليوم ، القيد الرئيسي للبحث هو القوة غير الكافية لأجهزة الكمبيوتر العملاقة.