Naukowcy zbliżyli się do stworzenia nanorobotów. Są do tego materiały: nanocząstki, nanorurki, grafen, różne białka. Wszystkie są bardzo delikatne - do ich zbadania potrzebne są nowe, bardziej zaawansowane mikroskopy, które nie uszkadzają urządzenia w trakcie badań.
Nanoroboty mogą być przydatne w wielu dziedzinach życia człowieka, przede wszystkim w medycynie. Wyobraź sobie maleńkie inteligentne urządzenia, które cicho pracują w nas, kontrolują różne parametry, przesyłając dane w czasie rzeczywistym bezpośrednio do smartfona lekarza. Taki robot musi być wykonany z biozgodnego materiału, który nie jest odrzucany przez organizm, potrzebuje też źródła zasilania i pamięci.
Bateria tu nie pomoże, bo zwiększa gabaryty urządzenia i nie jest łatwo znaleźć do niego biokompatybilny materiał. Problem rozwiązuje się za pomocą piezoelektryków - materiałów, które generują energię, gdy są do nich stosowane mechanicznie, takie jak kompresja. Jest też efekt odwrotny - w odpowiedzi na działanie pola elektrycznego struktury wykonane z materiałów piezoelektrycznych zmieniają swój kształt.
Biokompatybilne nanoroboty piezoelektryczne mogą być wprowadzane do naczyń krwionośnych i przekształcają ich pulsację w energię elektryczną. Inną opcją jest zasilanie urządzeń poprzez poruszanie stawami i mięśniami. Ale wtedy nanoroboty nie będą w stanie działać stale, w przeciwieństwie do tych w statkach.
W każdym przypadku w przypadku nanorobotów konieczne jest dobranie odpowiednich materiałów i dokładne określenie, jaki nacisk należy przyłożyć do urządzenia, aby wygenerować w nim impuls elektryczny.
Relacje atomowe
Trójwymiarowy obraz obiektu lub powierzchni w nanoskali uzyskuje się za pomocą mikroskopu sił atomowych. Działa to w następujący sposób: atomy w dowolnej substancji oddziałują ze sobą i na różne sposoby, w zależności od odległości. Na dużych odległościach przyciągają się, ale gdy się zbliżają, powłoki elektronów atomów odpychają się nawzajem.
Film promocyjny:
„Do powierzchni próbki zbliża się igła sondy z końcówką o średnicy 1-30 nanometrów. Gdy tylko zbliży się wystarczająco blisko, atomy sondy i badanego obiektu zaczną się odpychać. W rezultacie elastyczne ramię, do którego przymocowana jest igła, zgnie się”- mówi Arseniy Kalinin, główny programista w NT-MDT Spectrum Instruments.
Igła porusza się po powierzchni, a wszelkie różnice wysokości zmieniają wygięcie konsoli, co jest rejestrowane przez ultraprecyzyjny układ optyczny. Gdy sonda przesuwa się po powierzchni, oprogramowanie rejestruje całą rzeźbę i buduje jej model 3D. W rezultacie na ekranie komputera powstaje obraz, który można przeanalizować: do pomiaru ogólnej chropowatości próbki, parametrów obiektów na powierzchni. Co więcej, odbywa się to w środowisku naturalnym dla próbek - ciecz, próżnia, w różnych temperaturach. Rozdzielczość poziomą mikroskopu ograniczona jest jedynie średnicą końcówki sondy, natomiast dokładność pionowa dobrych instrumentów to dziesiątki pikometrów, czyli mniej niż rozmiar atomu.
Igła mikroskopu sił atomowych bada próbkę / ITMO University Press Service.
Przez 30 lat rozwoju mikroskopii sił atomowych naukowcy nauczyli się określać nie tylko rzeźbę powierzchni próbki, ale także właściwości materiału: mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, piezoelektryczne. A wszystkie te parametry można mierzyć z najwyższą dokładnością. Przyczyniło się to w znacznym stopniu do postępu w materiałoznawstwie, nanotechnologii i biotechnologii.
Biolodzy też prowadzą interesy
Pomiar parametrów piezoelektrycznych jest unikalną cechą mikroskopu sił atomowych. Przez długi czas był używany tylko do badań piezoelektryków półprzewodnikowych. Faktem jest, że obiekty biologiczne są dość miękkie; końcówka sondy łatwo je uszkadza. Jak pług orze powierzchnię, przemieszcza i deformuje próbkę.
Ostatnio fizycy z Rosji i Portugalii wymyślili, jak zrobić igłę do mikroskopu sił atomowych, która nie uszkodzi próbki biologicznej. Opracowali algorytm, według którego sonda przemieszczając się z jednego punktu do drugiego, oddala się od powierzchni na tyle, aby w żaden sposób nie oddziaływać z nią. Następnie dotyka badanego tematu i ponownie wstaje, kierując się do następnego punktu. Oczywiście igła może nadal lekko naciskać na powierzchnię, ale jest to interakcja elastyczna, po której obiekt, czy to cząsteczka białka, czy komórka, jest łatwo przywracany. Dodatkowo siłę nacisku kontroluje specjalny program. Technologia ta umożliwia badanie biokompatybilnej struktury piezoelektrycznej bez jej uszkadzania.
„Nową metodę można zastosować w każdym mikroskopie sił atomowych, pod warunkiem, że istnieje specjalnie zaprojektowana szybka elektronika, która przetwarza odpowiedź piezoelektryczną z konsoli i oprogramowania, które przekształca dane w mapę. Do igły przykładane jest niewielkie napięcie. Pole elektryczne działa na próbkę, a sonda odczytuje jej odpowiedź mechaniczną. Sprzężenie zwrotne jest podobne, więc możemy dowiedzieć się, jak ścisnąć obiekt, aby odpowiadał żądanym sygnałem elektrycznym. Daje to badaczowi narzędzie do wyszukiwania i badania nowych biokompatybilnych źródeł żywności”- wyjaśnia Kalinin.