Podbój przyrody przez człowieka jeszcze się nie zakończył. W każdym razie, dopóki nie opanowaliśmy nanoświata i nie ustaliliśmy w nim własnych reguł. Zobaczmy, co to jest i jakie możliwości daje nam świat obiektów mierzonych w nanometrach.
Co to jest „nano”?
Kiedyś słyszano o osiągnięciach mikroelektroniki. Wkroczyliśmy teraz w nową erę nanotechnologii. Czym więc jest to „nano”, które tu i ówdzie zaczęto dodawać do zwykłych słów, nadając im nowy nowoczesny dźwięk: nanoroboty, nanomaszyny, nanoradio i tak dalej? Przedrostek „nano” jest używany w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI). Służy do tworzenia notacji dla jednostek dziesiętnych. To jedna miliardowa części oryginalnej jednostki. W tym przypadku mówimy o obiektach, których wymiary określa się w nanometrach. Oznacza to, że jeden nanometr to jedna miliardowa metra. Dla porównania mikron (czyli mikrometr, od którego wzięła się nazwa mikroelektronika, a poza tym mikrobiologia, mikrochirurgia itp.) To jedna milionowa metra.
Jeśli weźmiemy na przykład milimetry (przedrostek „milli-” to jedna tysięczna), to w milimetrach jest 1 000 000 nanometrów (nm) i odpowiednio 1 000 mikrometrów (μm). Włosy ludzkie mają średnią grubość 0,05–0,07 mm, czyli 50 000–70 000 nm. Chociaż średnicę włosów można zapisać w nanometrach, jest to dalekie od nanoświata. Wejdźmy głębiej i zobaczmy, co jest już teraz.
Średnia wielkość bakterii to 0,5–5 µm (500–5000 nm). Wirusy, jeden z głównych wrogów bakterii, są jeszcze mniejsze. Średnia średnica większości badanych wirusów wynosi 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Ale helisa DNA ma średnicę 1,8-2,3 nm. Uważa się, że najmniejszym atomem jest atom helu, jego promień wynosi 32 μm (0,032 nm), a największym jest cezu 225 μm (0,255 nm). Ogólnie za nanoobiekt uważa się obiekt, którego rozmiar w co najmniej jednym wymiarze jest w nanoskali (1–100 nm).
Czy widzisz nanoświat?
Film promocyjny:
Oczywiście chcę zobaczyć wszystko, co się powie na własne oczy. Cóż, przynajmniej przez okular mikroskopu optycznego. Czy można zajrzeć do nanoświata? Zwykły sposób, jak obserwujemy na przykład mikroby, jest niemożliwy. Czemu? Ponieważ światło, z pewnym stopniem konwencji, można nazwać nanowawami. Długość fali koloru fioletowego, od którego zaczyna się zakres widzialny, wynosi 380–440 nm. Długość fali koloru czerwonego wynosi 620-740 nm. Promieniowanie widzialne ma fale o długości setek nanometrów. W tym przypadku rozdzielczość konwencjonalnych mikroskopów optycznych jest ograniczona granicą dyfrakcji Abbego przy mniej więcej połowie długości fali. Większość interesujących nas obiektów jest jeszcze mniejsza.
Dlatego pierwszym krokiem w kierunku penetracji nanoświata było wynalezienie transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Co więcej, pierwszy taki mikroskop został stworzony przez Maxa Knolla i Ernsta Ruskiej w 1931 roku. W 1986 roku za jego wynalazek przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Zasada działania jest taka sama, jak w przypadku konwencjonalnego mikroskopu optycznego. Tylko zamiast światła strumień elektronów kierowany jest na interesujący obiekt, na którym skupiają się soczewki magnetyczne. Jeśli mikroskop optyczny dał wzrost około tysiąc razy, to mikroskop elektronowy był już miliony razy. Ale ma też swoje wady. Po pierwsze, konieczne jest uzyskanie wystarczająco cienkich próbek materiałów do pracy. Muszą być przezroczyste w wiązce elektronów, więc ich grubość zmienia się w zakresie 20-200 nm. Po drugie, tak jestże próbka pod wpływem wiązek elektronów może się rozłożyć i stać się bezużyteczna.
Inną wersją elektronowego mikroskopu przepływowego jest skaningowy mikroskop elektronowy. Nie prześwieca przez próbkę, jak poprzednia, ale skanuje ją wiązką elektronów. Pozwala to na badanie grubszych próbek. Przetwarzanie analizowanej próbki wiązką elektronów generuje elektrony wtórne i odbite wstecz, widzialne (katodoluminescencja) i promieniowanie rentgenowskie, które są wychwytywane przez specjalne detektory. Na podstawie otrzymanych danych powstaje idea obiektu. Pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe pojawiły się na początku lat 60.
Mikroskopy z sondą skanującą to stosunkowo nowa klasa mikroskopów, która pojawiła się już w latach 80. Wspomniana już Nagroda Nobla z fizyki w 1986 roku została podzielona pomiędzy wynalazcę transmisyjnego mikroskopu elektronowego Ernsta Ruskę oraz twórców skaningowego mikroskopu tunelowego Gerda Binniga i Heinricha Rohrera. Mikroskopy skaningowe pozwalają nie badać, ale „poczuć” relief powierzchni próbki. Wynikowe dane są następnie konwertowane na obraz. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu elektronowego, sonda wykorzystuje do działania ostrą igłę skanującą. Igła, której końcówka ma zaledwie kilka atomów grubości, działa jak sonda, która jest umieszczona na minimalnej odległości 0,1 nm do próbki. Podczas skanowania igła przesuwa się po powierzchni próbki. Prąd tunelowy pojawia się między końcówką a powierzchnią próbki,a jego wartość zależy od odległości między nimi. Zmiany są rejestrowane, co pozwala na zbudowanie na ich podstawie mapy wysokości - graficznej reprezentacji powierzchni obiektu.
Podobną zasadę działania stosuje inny mikroskop z klasy mikroskopów z sondą skanującą - siła atomowa. Jest też końcówka sondy i podobny wynik - graficzne przedstawienie reliefu powierzchni. Ale to nie wielkość prądu jest mierzona, ale oddziaływanie sił między powierzchnią a sondą. Przede wszystkim chodzi o siły van der Waalsa, ale także siły sprężyste, siły kapilarne, siły adhezji i inne. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu tunelowego, którego można używać tylko do badania metali i półprzewodników, mikroskop sił atomowych umożliwia również badanie dielektryków. Ale to nie jedyna zaleta. Pozwala nie tylko zajrzeć do nanoświata, ale także manipulować atomami.
Cząsteczka pentacenu. A to model cząsteczki. B - obraz uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. C - obraz uzyskany za pomocą mikroskopu sił atomowych. D - kilka cząsteczek (AFM). A, B i C w tej samej skali
Zdjęcie: Science
Nanomaszyny
W przyrodzie w nanoskali, czyli na poziomie atomów i cząsteczek zachodzi wiele procesów. Oczywiście możemy teraz również wpływać na ich przebieg. Ale robimy to prawie na ślepo. Nanomaszyny są ukierunkowanym instrumentem do pracy w nanoświatach; są to urządzenia, które pozwalają manipulować pojedynczymi atomami i cząsteczkami. Do niedawna tylko natura mogła je tworzyć i kontrolować. Jesteśmy o krok od dnia, w którym my też możemy to zrobić.
Nanomaszyny
Zdjęcie: warosu.org
Co potrafią nanomaszyny? Weźmy na przykład chemię. Synteza związków chemicznych polega na tym, że tworzymy warunki niezbędne do zajścia reakcji chemicznej. W rezultacie na wyjściu mamy określoną substancję. W przyszłości związki chemiczne mogą być tworzone, relatywnie rzecz biorąc, mechanicznie. Nanomaszyny będą w stanie łączyć i rozdzielać poszczególne atomy i cząsteczki. W rezultacie utworzą się wiązania chemiczne lub odwrotnie, istniejące wiązania zostaną zerwane. Budowanie nanomaszyn będzie w stanie stworzyć potrzebne nam struktury molekularne z atomów. Chemiczne nanoroboty - syntetyzują związki chemiczne. To przełom w tworzeniu materiałów o pożądanych właściwościach. Jednocześnie jest to przełom w ochronie środowiska. Łatwo założyć, że nanomaszyny to doskonałe narzędzie do recyklingu odpadów,które w normalnych warunkach są trudne do usunięcia. Zwłaszcza jeśli mówimy o nanomateriałach. Wszakże im dalszy postęp techniczny idzie, tym trudniej środowisku radzić sobie z jego skutkami. Zbyt długo rozkład nowych materiałów wymyślonych przez człowieka odbywa się w środowisku naturalnym. Każdy wie, ile czasu zajmuje rozkładanie wyrzuconych toreb plastikowych - produktu poprzedniej rewolucji naukowo-technicznej. Co się stanie z nanomateriałami, które prędzej czy później okażą się śmieciami? Te same nanomaszyny będą musiały je przetwarzać.jak długo rozkładają się wyrzucone plastikowe torby - produkt poprzedniej rewolucji naukowej i technologicznej. Co się stanie z nanomateriałami, które prędzej czy później okażą się śmieciami? Te same nanomaszyny będą musiały je przetwarzać.jak długo rozkładają się wyrzucone plastikowe torby - produkt poprzedniej rewolucji naukowej i technologicznej. Co się stanie z nanomateriałami, które prędzej czy później okażą się śmieciami? Te same nanomaszyny będą musiały je przetwarzać.
Nanomaszyna z kołami fulerenowymi
Zdjęcie: warosu.org
Naukowcy od dawna mówią o mechanosyntezie. Jest to synteza chemiczna zachodząca poprzez układy mechaniczne. Jego zaleta polega na tym, że pozwoli na pozycjonowanie reagentów z dużą dokładnością. Ale jak dotąd nie ma narzędzia, które pozwoliłoby skutecznie go wdrożyć. Oczywiście istniejące dziś mikroskopy sił atomowych mogą pełnić takie funkcje. Tak, pozwalają nie tylko zajrzeć do nanoświata, ale także operować atomami. Ale one, jako obiekty makrokosmosu, nie nadają się najlepiej do masowego zastosowania technologii, czego nie można powiedzieć o nanomaszynach. W przyszłości posłużą do tworzenia całych przenośników molekularnych i nanofabryk.
Ale teraz istnieją całe biologiczne nanofabryki. Istnieją w nas i we wszystkich żywych organizmach. Dlatego od nanotechnologii oczekuje się przełomów w medycynie, biotechnologii i genetyce. Tworząc sztuczne nanomaszyny i wprowadzając je do żywych komórek, możemy osiągnąć imponujące wyniki. Po pierwsze, nanomaszyny można wykorzystać do ukierunkowanego transportu leków do wybranego narządu. Nie musimy brać lekarstw, zdając sobie sprawę, że tylko część z nich dostanie się do chorego narządu. Po drugie, nanomaszyny już przejmują funkcje edycji genomu. Podglądana z natury technologia CRISPR / Cas9 pozwala na dokonywanie zmian w genomie organizmów jednokomórkowych i wyższych, w tym ludzi. Ponadto mówimy nie tylko o edycji genomu zarodków, ale także genomu żywych organizmów dorosłych. A nanomaszyny zrobią to wszystko.
Nanoradio
Jeśli nanomaszyny są naszym instrumentem w nanoświatach, to w jakiś sposób trzeba je kontrolować. Jednak nie ma też potrzeby wymyślać tutaj czegoś zasadniczo nowego. Jedną z najbardziej prawdopodobnych metod sterowania jest radio. Pierwsze kroki w tym kierunku zostały już podjęte. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory, kierowani przez Alexa Zettle, stworzyli odbiornik radiowy z zaledwie jednej nanorurki o średnicy około 10 nm. Ponadto nanorurka pełni jednocześnie rolę anteny, selektora, wzmacniacza i demodulatora. Odbiornik nanoradio może odbierać zarówno fale FM, jak i AM o częstotliwości od 40 do 400 MHz. Według twórców urządzenie może służyć nie tylko do odbioru sygnału radiowego, ale także do jego transmisji.
Odbierane fale radiowe wprawiają antenę nanoradio w drgania
nsf.gov
Jako sygnał testowy posłużyła muzyka Erica Claptona and the Beach Boys. Naukowcy przekazali sygnał z jednej części pomieszczenia do drugiej, gdzie znajdowało się stworzone przez nich radio. Jak się okazało, jakość sygnału była dostatecznie dobra. Ale oczywiście celem takiego radia nie jest słuchanie muzyki. Odbiornik radiowy może być stosowany w różnych nanourządzeniach. Na przykład w tych samych nanorobotach dostarczających leki, które przedostaną się przez krwiobieg do żądanego organu.
Nanomateriały
Tworzenie materiałów o właściwościach, których wcześniej nie można było sobie wyobrazić, to kolejna szansa, jaką daje nam nanotechnologia. Aby można było uznać go za „nano”, materiał musi mieć co najmniej jeden wymiar w nanoskali. Mogą być tworzone za pomocą nanocząstek lub za pomocą nanotechnologii. Najdogodniejsza obecnie klasyfikacja nanomateriałów opiera się na wymiarach elementów strukturalnych, z których się składają.
Zero-wymiarowe (0D) - nanoklastry, nanokryształy, nanodyspersje, kropki kwantowe. Żadna ze stron nanomateriału 0D nie wykracza poza nanoskalę. Są to materiały, w których nanocząstki są od siebie izolowane. Pierwsze złożone struktury zerowymiarowe otrzymane i zastosowane w praktyce to fulereny. Fulereny to najsilniejsze znane obecnie przeciwutleniacze. W farmakologii pokładane są w nich nadzieje na tworzenie nowych leków. Pochodne fulerenów dobrze sprawdzają się w leczeniu HIV. Podczas tworzenia nanomaszyn fulereny mogą być używane jako części. Powyżej pokazano nanomaszynę z kołami fulerenowymi.
Fuleren
Zdjęcie: wikipedia.org
Jednowymiarowe (1D) - nanorurki, włókna i pręty. Ich długość waha się od 100 nm do kilkudziesięciu mikrometrów, ale średnica mieści się w nanoskali. Najbardziej znanymi obecnie jednowymiarowymi materiałami są nanorurki. Posiadają wyjątkowe właściwości elektryczne, optyczne, mechaniczne i magnetyczne. W niedalekiej przyszłości nanorurki powinny znaleźć zastosowanie w elektronice molekularnej, biomedycynie oraz w tworzeniu nowych super mocnych i ultralekkich materiałów kompozytowych. Nanorurki są już używane jako igły w skanujących mikroskopach tunelowych i mikroskopach sił atomowych. Powyżej mówiliśmy o stworzeniu nanoradia opartego na nanorurkach. I oczywiście nadzieja wiąże się z nanorurkami węglowymi jako materiałem na kabel kosmicznej windy.
Nanorurka węglowa
Zdjęcie: wikipedia.org
Dwuwymiarowe (2D) - filmy (powłoki) o grubości nanometrów. To dobrze znany grafen - dwuwymiarowa alotropowa modyfikacja węgla (grafen uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za 2010 rok). Mniej znane publiczności są silicen - dwuwymiarowa modyfikacja krzemu, fosforu - fosforu, germanenu - germanu. W zeszłym roku naukowcy stworzyli borofen, który w przeciwieństwie do innych dwuwymiarowych materiałów okazał się nie płaski, ale pofałdowany. Ułożenie atomów boru w postaci struktury falistej zapewnia unikalne właściwości otrzymanego nanomateriału. Borofen twierdzi, że jest liderem pod względem wytrzymałości na rozciąganie wśród materiałów dwuwymiarowych.
Struktura borofenowa
Zdjęcie: MIPT
Materiały dwuwymiarowe powinny znaleźć zastosowanie w elektronice, przy projektowaniu filtrów do odsalania wody morskiej (membrany grafenowe) oraz tworzeniu ogniw słonecznych. W niedalekiej przyszłości grafen może zastąpić tlenek indu - rzadki i drogi metal - w produkcji ekranów dotykowych.
Nanomateriały trójwymiarowe (3D) to proszki, materiały włókniste, materiały wielowarstwowe i polikrystaliczne, w których powyżej zerowymiarowe, jednowymiarowe i dwuwymiarowe nanomateriały są elementami strukturalnymi. Ściśle przylegając do siebie, tworzą między sobą interfejsy - interfejsy.
Rodzaje nanomateriałów
Zdjęcie: thesaurus.rusnano.com
Minie trochę więcej czasu, a nanotechnologia - technologie manipulacji obiektami w nanoskali staną się powszechne. Tak jak technologie mikroelektroniczne stały się nam znane, dając nam komputery, telefony komórkowe, satelity i wiele innych atrybutów współczesnej ery informacyjnej. Ale wpływ nanotechnologii na życie będzie znacznie szerszy. Zmiany czekają nas niemal we wszystkich sferach ludzkiej działalności.
Sergey Sobol
