Looduse vallutamine inimese poolt pole veel lõppenud. Igal juhul seni, kuni me pole veel nanomaailma hõivanud ja selles oma reeglid paika pannud. Vaatame, mis see on ja milliseid võimalusi pakub nanomeetrites mõõdetud objektide maailm.
Mis on "nano"?
Kunagi oli mikroelektroonika saavutusi kuulda. Nüüd oleme jõudnud uude nanotehnoloogia ajastusse. Mis on see "nano", mida siin-seal hakati lisama tavalistele sõnadele, andes neile uue moodsa kõla: nanorobotid, nanomasinad, nanoradio ja nii edasi? Rahvusvahelises ühikute süsteemis (SI) kasutatakse eesliidet "nano". Seda kasutatakse kümnendühikute tähistuse moodustamiseks. See on üks miljardik algsest üksusest. Sel juhul räägime objektidest, mille mõõtmed määratakse nanomeetrites. See tähendab, et üks nanomeeter on üks miljardik meetrit. Võrdluseks võib öelda, et mikron (aka mikromeeter, mis andis nime mikroelektroonikale ja peale selle mikrobioloogia, mikrokirurgia jne) on üks miljonosa meetrist.
Kui võtta näiteks millimeetrid (eesliide "milli" on üks tuhandik), siis millimeetris on 1 000 000 nanomeetrit (nm) ja vastavalt 1000 mikromeetrit (μm). Inimese juuste keskmine paksus on 0,05–0,07 mm, see tähendab 50 000–70 000 nm. Kuigi juuste läbimõõtu saab kirjutada nanomeetrites, pole see nanomaailmast kaugel. Läheme sügavamale ja vaatame, mis seal juba on.
Bakterite keskmine suurus on 0,5–5 µm (500–5000 nm). Viirused, bakterite üks peamisi vaenlasi, on veelgi väiksemad. Enamiku uuritud viiruste keskmine läbimõõt on 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Kuid DNA heeliksi läbimõõt on 1,8-2,3 nm. Arvatakse, et väikseim aatom on heeliumi aatom, selle raadius on 32 pm (0,032 nm) ja suurim on tseesium 225 pm (0,255 nm). Üldiselt peetakse nanoobjektiks objekti, mille suurus vähemalt ühes mõõtmes on nanoskaalas (1–100 nm).
Kas näete nanomaailma?
Reklaamvideo:
Muidugi tahan kõike, mida öeldakse, oma silmaga näha. Noh, vähemalt läbi optilise mikroskoobi okulaaride. Kas nanomaailma on võimalik vaadata? Tavaline viis, nagu me vaatleme näiteks mikroobe, on võimatu. Miks? Sest valgust saab teatud määral kokku leppides nimetada nanolaineteks. Lilla värvi lainepikkus, millest nähtav ulatus algab, on 380–440 nm. Punase värvi lainepikkus on 620–740 nm. Nähtava kiirguse lainepikkus on sadu nanomeetreid. Sellisel juhul piirab tavapäraste optiliste mikroskoopide eraldusvõimet Abbe difraktsioonipiir umbes pool lainepikkust. Enamik meid huvitavatest objektidest on veelgi väiksemad.
Seetõttu oli esimene samm nanomaailma tungimise suunas ülekandelektroonmikroskoobi leiutamine. Pealegi lõid esimese sellise mikroskoobi Max Knoll ja Ernst Ruska veel 1931. aastal. 1986. aastal anti tema leiutise eest Nobeli füüsikaauhind. Tööpõhimõte on sama mis tavalisel optilisel mikroskoobil. Ainult valguse asemel suunatakse huvipakkuvale objektile elektronide voog, millele keskenduvad magnetläätsed. Kui optiline mikroskoop andis kasvu umbes tuhat korda, siis elektronmikroskoop oli juba miljoneid kordi. Kuid sellel on ka oma puudused. Esiteks on vaja hankida töö jaoks piisavalt õhukesed materjalide proovid. Need peavad olema elektronkiires läbipaistvad, nii et nende paksus varieerub vahemikus 20–200 nm. Teiseks onet proov elektronkiirte mõjul võib laguneda ja muutuda kasutuskõlbmatuks.
Teine elektronvoolumikroskoobi versioon on skaneeriv elektronmikroskoop. See ei paista proovi kaudu läbi, nagu eelmine, vaid skaneerib seda elektronkiirega. See võimaldab uurida paksemaid proove. Analüüsitud proovi töötlemisel elektronkiirega tekivad sekundaarsed ja tagasi peegelduvad elektronid, nähtavad (katodoluminestsents) ja röntgenikiired, mis on püütud spetsiaalsete detektorite abil. Saadud andmete põhjal moodustub objekti idee. Esimesed skaneerivad elektronmikroskoobid ilmusid 1960. aastate alguses.
Skaneerivad sondmikroskoobid on suhteliselt uus mikroskoopide klass, mis ilmus juba 80ndatel. Juba mainitud 1986. aasta Nobeli füüsikaauhind jagati ülekandelektroonmikroskoobi leiutaja Ernst Ruska ning skaneeriva tunnelmikroskoobi loojate Gerd Binnigi ja Heinrich Rohreri vahel. Skaneerivad mikroskoobid võimaldavad mitte uurida, vaid "tunnetada" proovipinna reljeefsust. Saadud andmed teisendatakse seejärel pildiks. Erinevalt skaneerivast elektronmikroskoobist kasutab sond tööks teravat skaneerimisnõela. Nõel, mille ots on vaid mõne aatomi paksune, toimib sondina, mis viiakse proovini minimaalsele kaugusele - 0,1 nm. Skaneerimise ajal liigub nõel üle proovipinna. Otsa ja proovipinna vahel tekib tunnelivool,ja selle väärtus sõltub nende vahelisest kaugusest. Muudatused registreeritakse, mis võimaldab nende põhjal ehitada kõrguste kaarti - graafiliselt objekti pinda.
Sarnast tööpõhimõtet kasutab ka teine mikroskoop skaneerivate sondimikroskoopide klassist - aatomijõud. Samuti on olemas sondi ots ja sarnane tulemus - pinna reljeefi graafiline esitus. Kuid mõõdetakse mitte voolu suurust, vaid pinna ja sondi jõude vastastikust mõju. Kõigepealt on mõeldud van der Waalsi jõude, aga ka elastseid jõude, kapillaarjõude, haardumisjõude jt. Erinevalt skaneerivast tunnelmikroskoobist, mida saab kasutada ainult metallide ja pooljuhtide uurimiseks, võimaldab aatomijõumikroskoop uurida ka dielektrikuid. Kuid see pole selle ainus eelis. See võimaldab mitte ainult uurida nanomaailma, vaid ka aatomitega manipuleerida.
Pentatseenimolekul. A on molekuli mudel. B - skaneeriva tunnelmikroskoobi abil saadud pilt. C - aatomjõumikroskoobi abil saadud pilt. D - mitu molekuli (AFM). A, B ja C samal skaalal
Foto: teadus
Nanomasinad
Looduses toimuvad nanoskaalal ehk aatomite ja molekulide tasandil paljud protsessid. Muidugi saame ka nüüd mõjutada nende tegevust. Kuid me teeme seda peaaegu pimesi. Nanomasinad on nanomaailmas töötamiseks suunatud vahend; need on seadmed, mis võimaldavad üksikute aatomite ja molekulidega manipuleerida. Kuni viimase ajani suutis neid luua ja kontrollida ainult loodus. Oleme sammu kaugusel päevast, mil saame ka seda teha.
Nanomasinad
Foto: warosu.org
Mida saavad teha nanomasinad? Võtame näiteks keemia. Keemiliste ühendite süntees põhineb sellel, et loome vajalikud tingimused keemilise reaktsiooni kulgemiseks. Selle tulemusena on meil väljundis kindel aine. Tulevikus saab keemilisi ühendeid luua suhteliselt mehaaniliselt. Nanomasinad suudavad ühendada ja eraldada üksikuid aatomeid ja molekule. Selle tulemusena tekivad keemilised sidemed või vastupidi, olemasolevad sidemed purunevad. Nanomasinate ehitamine võimaldab aatomitest luua meile vajalikke molekulaarstruktuure. Keemilised nanorobotid - sünteesivad keemilisi ühendeid. See on läbimurre soovitud omadustega materjalide loomisel. Samal ajal on see läbimurre keskkonnakaitses. On lihtne arvata, et nanomasinad on suurepärane vahend jäätmete ringlussevõtuks,mida tavalistes tingimustes on raske käsutada. Eriti kui rääkida nanomaterjalidest. Lõppude lõpuks, mida edasi tehnika areng toimub, seda raskem on keskkonnal selle tulemustega toime tulla. Liiga kaua toimub inimese leiutatud uute materjalide lagunemine looduskeskkonnas. Kõik teavad, kui kaua kulub ära visatud kilekottide lagundamine - eelmise teaduse ja tehnoloogia revolutsiooni toode. Mis saab nanomaterjalidest, mis varem või hiljem osutuvad prügiks? Samad nanomasinad peavad töötlema.kui kaua kulub ära visatud kilekottide lagunemisele - eelmise teadusliku ja tehnoloogilise revolutsiooni produkt. Mis saab nanomaterjalidest, mis varem või hiljem osutuvad prügiks? Samad nanomasinad peavad töötlema.kui kaua kulub ära visatud kilekottide lagunemisele - eelmise teadusliku ja tehnoloogilise revolutsiooni produkt. Mis saab nanomaterjalidest, mis varem või hiljem osutuvad prügiks? Samad nanomasinad peavad töötlema.
Fullerene ratta nanomasin
Foto: warosu.org
Teadlased on mehosünteesist rääkinud juba pikka aega. See on keemiline süntees, mis toimub mehaaniliste süsteemide kaudu. Selle eelist nähakse selles, et see võimaldab reaktante positsioneerida suure täpsusega. Kuid seni pole ühtegi tööriista, mis võimaldaks seda tõhusalt rakendada. Muidugi võivad tänapäevased aatomijõu mikroskoobid toimida selliste vahenditena. Jah, need võimaldavad mitte ainult nanomaailma vaadata, vaid ka aatomitega opereerida. Kuid makrokosmose objektidena ei sobi need kõige paremini tehnoloogia massirakendamiseks, mida ei saa öelda nanomasinate kohta. Tulevikus kasutatakse neid tervete molekulaarsete konveierite ja nanotehaste loomiseks.
Kuid nüüd on olemas terved bioloogilised nanotehased. Nad eksisteerivad meis ja kõigis elusorganismides. Seetõttu oodatakse nanotehnoloogiast läbimurdeid meditsiinis, biotehnoloogias ja geneetikas. Kunstlike nanomasinate loomisega ja elusrakkudesse viimisega saame saavutada muljetavaldavaid tulemusi. Esiteks saab nanomasinat kasutada ravimite sihipäraseks transportimiseks soovitud elundisse. Me ei pea ravimeid võtma, mõistes, et ainult osa sellest jõuab haigesse elundisse. Teiseks, nanomasinad võtavad juba üle genoomi redigeerimise funktsioonid. Loodusest piilunud CRISPR / Cas9 tehnoloogia võimaldab teil teha muudatusi nii üherakuliste kui ka kõrgemate organismide, sealhulgas inimeste, genoomis. Veelgi enam, me ei räägi mitte ainult embrüote, vaid ka täiskasvanud elusorganismide genoomi redigeerimisest. Ja seda kõike teevad nanomasinad.
Nanoradio
Kui nanomasinad on nanomaailmas meie vahendiks, siis tuleb neid kuidagi kontrollida. Kuid ka siin pole vaja midagi põhimõtteliselt uut leiutada. Üks tõenäolisemaid juhtimismeetodeid on raadio. Esimesed sammud selles suunas on juba tehtud. Lawrence Berkeley riikliku labori teadlased eesotsas Alex Zettle'iga on loonud raadiovastuvõtja vaid ühest umbes 10 nm läbimõõduga nanotorust. Pealegi toimib nanotoru üheaegselt nii antenni, valija, võimendi kui ka demodulaatorina. Nanoraadio vastuvõtja suudab vastu võtta nii FM- kui ka AM-laineid sagedusega 40–400 MHz. Arendajate sõnul saab seadet kasutada mitte ainult raadiosignaali vastuvõtmiseks, vaid ka selle edastamiseks.
Vastuvõetud raadiolained panevad nanoraadio antenni vibreerima
nsf.gov
Testsignaalina kõlas Eric Claptoni ja Beach Boys'i muusika. Teadlased edastasid signaali ruumi ühest osast teise, kus asus nende loodud raadio. Nagu selgus, oli signaali kvaliteet piisavalt hea. Kuid loomulikult pole sellise raadio eesmärk muusika kuulamine. Raadiovastuvõtjat saab rakendada mitmesugustes nanoseadmetes. Näiteks samades nanorobotites, mis toimetavad ravimeid, mis jõuavad vereringe kaudu soovitud elundini.
Nanomaterjalid
Materjalide loomine omadustega, mida varem oli võimatu ette kujutada, on veel üks võimalus, mida nanotehnoloogia meile pakub. "Nanoks" käsitlemiseks peab materjalil olema nanoskaalas üks või mitu mõõdet. Kas need on loodud nanoosakeste abil või nanotehnoloogia abil. Nanomaterjalide kõige mugavam klassifikatsioon põhineb nende struktuurielementide mõõtmetel, millest need koosnevad.
Nullmõõtmeline (0D) - nanoklastrid, nanokristallid, nanodispersioonid, kvantpunktid. Ükski 0D nanomaterjali külg ei ületa nanoskaalat. Need on materjalid, milles nanoosakesed on üksteisest eraldatud. Esimesed saadud ja praktikas rakendatud keerulised nullmõõtmelised struktuurid on fullereenid. Fullereenid on tänapäeval kõige tugevamad antioksüdandid. Farmakoloogias pannakse neile lootust uute ravimite loomisel. Fullereeni derivaadid näitavad end HIV-i ravis hästi. Ja nanomasinate loomisel saab fullereene kasutada osade kaupa. Eespool on näidatud fullereenratastega nanomasin.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Ühemõõtmeline (1D) - nanotorud, kiud ja vardad. Nende pikkus jääb vahemikku 100 nm kuni kümneid mikromeetreid, kuid läbimõõt jääb nanoskaalasse. Kõige kuulsamad ühemõõtmelised materjalid on tänapäeval nanotorud. Neil on ainulaadsed elektrilised, optilised, mehaanilised ja magnetilised omadused. Lähitulevikus peaksid nanotorud leidma rakenduse molekulaarelektroonikas, biomeditsiinis ning uute ülitugevate ja ülikergete komposiitmaterjalide loomisel. Nanotorusid kasutatakse juba nõeltena tunnelite ja aatomjõu mikroskoopide skaneerimisel. Eespool rääkisime nanotorudel põhineva nanoraadio loomisest. Ja muidugi on lootus kinnitatud süsinik nanotorudele kui kosmoselifti kaabli materjalile.
Süsinik nanotoru
Foto: wikipedia.org
Kahemõõtmelised (2D) - nanomeetrise paksusega kiled (katted). See on tuntud grafeen - süsiniku kahemõõtmeline allotroopne modifikatsioon (grafeeni eest anti 2010. aastal Nobeli füüsikaauhind). Vähem üldsusele on tuntud silikoon - räni, fosfori - fosfori, germaaniumi - germaaniumi kahemõõtmeline modifikatsioon. Eelmisel aastal lõid teadlased borofeeni, mis erinevalt teistest kahemõõtmelistest materjalidest osutus mitte lamedaks, vaid laineliseks. Boori aatomite paigutus lainelise struktuuri kujul annab saadud nanomaterjali ainulaadsed omadused. Borofen väidab end olevat kahemõõtmeliste materjalide tõmbetugevuse liider.
Borofeeni struktuur
Foto: MIPT
Kahemõõtmelised materjalid peaksid leidma rakenduse elektroonikas, merevee magestamiseks mõeldud filtrite (grafeenmembraanid) ja päikesepatareide loomisel. Lähitulevikus võib grafeen puutetundlike ekraanide tootmisel asendada indiumoksiidi - haruldase ja kalli metalli.
Kolmemõõtmelised (3D) nanomaterjalid on pulbrid, kiulised, mitmekihilised ja polükristallilised materjalid, milles ülaltoodud null-, ühemõõtmelised ja kahemõõtmelised nanomaterjalid on struktuurielemendid. Teineteisest tihedalt kinni pidades moodustavad nad omavahel liidesed - liidesed.
Nanomaterjalide tüübid
Foto: tesaurus.rusnano.com
Möödub natuke rohkem aega ja nanotehnoloogia - nanoskaalaobjektidega manipuleerimise tehnoloogiad muutuvad tavapäraseks. Nii nagu mikroelektroonilised tehnoloogiad on tuttavaks saanud, andes meile arvuteid, mobiiltelefone, satelliite ja paljusid muid tänapäevase infoajastu atribuute. Kuid nanotehnoloogia mõju elule on palju laiem. Muutused ootavad meid peaaegu kõigis inimtegevuse valdkondades.
Sergei Sobol
