Roboter in Molekülgröße: Worauf bereitet uns die Nanotechnologie vor?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Moderne Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie werden es in Zukunft ermöglichen, Roboter zu bauen, die so klein sind, dass sie in den menschlichen Blutkreislauf geschleudert werden können. Die "Teile" eines solchen Roboters werden eindimensional sein und je kleiner, desto stärker. Dmitry Kvashnin, Senior Researcher am Institut für Bioorganische Chemie der Russischen Akademie der Wissenschaften, der sich mit theoretischen Materialwissenschaften (Computerexperimente im Bereich der Nanotechnologie) beschäftigt, sprach über die Paradoxien der Nanowelt. T&P hat die Hauptsache geschrieben.

Dmitry Kvashnin

Was ist Nanotechnologie?

Mithilfe von Nanotechnologie möchten wir Roboter schaffen, die ins All geschickt oder in Blutgefäße eingebettet werden können, um Medikamente an Zellen zu liefern, roten Blutkörperchen zu helfen, sich in die richtige Richtung zu bewegen usw. Ein Zahnrad in solchen Robotern besteht aus einem Dutzend Teile. Ein Detail ist ein Atom. Ein Zahnrad besteht aus zehn Atomen, 10-9 Meter, also einem Nanometer. Ein ganzer Roboter ist nur wenige Nanometer groß.

Was ist 10-9? Wie präsentiert man es? Zum Vergleich: Ein gewöhnliches menschliches Haar ist etwa 10-5 Meter groß. Rote Blutkörperchen, die Blutkörperchen, die unseren Körper mit Sauerstoff versorgen, sind etwa sieben Mikrometer groß, das sind auch etwa 10-5 Meter. An welchem Punkt endet Nano und wo beginnt unsere Welt? Wenn wir ein Objekt mit bloßem Auge sehen können.

Dreidimensional, zweidimensional, eindimensional

Was ist dreidimensional, zweidimensional und eindimensional und wie wirken sie sich auf Materialien und deren Eigenschaften in der Nanotechnologie aus? Wir alle wissen, dass 3D drei Dimensionen hat. Es gibt einen gewöhnlichen Film, und es gibt einen Film in 3D, in dem alle Arten von Haien aus der Leinwand auf uns zufliegen. Im mathematischen Sinne sieht 3D so aus: y = f (x, y, z), wobei y von drei Dimensionen abhängt - Länge, Breite und Höhe. Allen bekannt Mario in drei Dimensionen ist ziemlich groß, breit und prall.

Beim Umschalten auf zweidimensional verschwindet eine Achse: y = f (x, y). Hier ist alles viel einfacher: Mario ist genauso groß und breit, aber nicht dick, denn in zwei Dimensionen kann niemand dick oder dünn sein.

Wenn wir weiter abnehmen, wird in einer Dimension alles ganz einfach, es bleibt nur noch eine Achse: y = f (x). Mario in 1D ist einfach lang - wir erkennen ihn nicht, aber er ist es immer noch.

Aus drei Dimensionen - in zwei Dimensionen

Das häufigste Material unserer Welt ist Kohlenstoff. Es kann zwei völlig unterschiedliche Substanzen bilden - Diamant, das haltbarste Material der Erde, und Graphit, und Graphit kann einfach durch hohen Druck zu einem Diamanten werden. Wenn sogar in unserer Welt ein Element radikal unterschiedliche Materialien mit entgegengesetzten Eigenschaften erzeugen kann, was wird dann in der Nanowelt passieren?

Graphit ist vor allem als Bleistiftmine bekannt. Die Größe der Bleistiftspitze beträgt etwa einen Millimeter, dh 10-3 Meter. Wie sieht ein Nanoblei aus? Es ist einfach eine Ansammlung von Schichten von Kohlenstoffatomen, die eine Schichtstruktur bilden. Sieht aus wie ein Stapel Papier.

Wenn wir mit einem Bleistift schreiben, bleibt eine Spur auf dem Papier. Wenn wir eine Analogie zu einem Papierstapel ziehen, ist es, als würden wir ein Blatt Papier daraus ziehen. Die auf dem Papier verbleibende dünne Graphitschicht ist 2D und nur ein Atom dick. Damit ein Objekt als zweidimensional betrachtet wird, muss seine Dicke um das Vielfache (mindestens zehn) kleiner sein als seine Breite und Länge.

Aber es gibt einen Haken. In den 1930er Jahren bewiesen Lev Landau und Rudolf Peierls, dass zweidimensionale Kristalle instabil sind und aufgrund von thermischen Fluktuationen (zufällige Abweichungen physikalischer Größen von ihren Durchschnittswerten aufgrund chaotischer thermischer Bewegung von Partikeln. - Ca. T&P) kollabieren. Es stellt sich heraus, dass aus thermodynamischen Gründen kein zweidimensionales Flachmaterial existieren kann. Das heißt, es scheint, dass wir Nano in 2D nicht erstellen können. Allerdings nein! Konstantin Novoselov und Andrey Geim synthetisierten Graphen. Graphen in Nano ist nicht flach, sondern leicht gewellt und somit stabil.

Wenn wir in unserer dreidimensionalen Welt ein Blatt Papier aus einem Papierstapel herausnehmen, bleibt das Papier Papier, seine Eigenschaften ändern sich nicht. Wenn in der Nanowelt eine Graphitschicht entfernt wird, hat das resultierende Graphen einzigartige Eigenschaften, die mit denen seines „Vorläufers“Graphit nicht zu vergleichen sind. Graphen ist transparent, leicht, 100-mal stärker als Stahl, hervorragender thermoelektrischer und elektrischer Leiter. Es wird intensiv erforscht und wird bereits zur Basis für Transistoren.

Heute, wo jeder versteht, dass zweidimensionale Materialien prinzipiell existieren können, tauchen Theorien auf, dass aus Silizium, Bor, Molybdän, Wolfram usw.

Und weiter - in einer Dimension

Graphen in 2D hat eine Breite und eine Länge. Wie macht man 1D daraus und was wird am Ende passieren? Eine Methode besteht darin, es in dünne Bänder zu schneiden. Wenn ihre Breite auf die maximal mögliche Breite reduziert wird, handelt es sich nicht mehr nur um Bänder, sondern um ein weiteres einzigartiges Nanoobjekt - Carbine. Es wurde in den 1960er Jahren von sowjetischen Wissenschaftlern (Chemiker Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin und V. V. Korshak. - T&P note) entdeckt.

Die zweite Möglichkeit, ein eindimensionales Objekt herzustellen, besteht darin, das Graphen in eine Röhre zu rollen, wie einen Teppich. Die Dicke dieses Rohres ist viel geringer als seine Länge. Wird das Papier gerollt oder in Streifen geschnitten, bleibt es Papier. Wenn Graphen zu einer Röhre gerollt wird, verwandelt es sich in eine neue Form von Kohlenstoff – eine Nanoröhre, die eine Reihe einzigartiger Eigenschaften besitzt.

Interessante Eigenschaften von Nanoobjekten

Die elektrische Leitfähigkeit gibt an, wie gut oder wie schlecht ein Material einen elektrischen Strom leitet. In unserer Welt wird es durch eine Zahl für jedes Material beschrieben und ist unabhängig von seiner Form. Es spielt keine Rolle, ob Sie einen silbernen Zylinder, Würfel oder eine Kugel herstellen - seine Leitfähigkeit bleibt immer gleich.

In der Nanowelt ist alles anders. Änderungen des Durchmessers von Nanoröhren beeinflussen ihre Leitfähigkeit. Wenn die Differenz n – m (wobei n und m einige Indizes sind, die den Durchmesser der Röhre beschreiben) durch drei geteilt wird, dann leiten die Nanoröhren Strom. Wenn es nicht geteilt wird, wird es nicht ausgeführt.

Der Elastizitätsmodul ist eine weitere interessante Eigenschaft, die sich zeigt, wenn ein Stab oder ein Zweig gebogen wird. Der Elastizitätsmodul zeigt an, wie stark ein Material Verformung und Belastung widersteht. Bei Aluminium ist dieser Indikator beispielsweise zweimal geringer als bei Eisen, dh er widersteht doppelt so schlecht. Auch hier kann eine Aluminiumkugel nicht stärker sein als ein Aluminiumwürfel. Größe und Form spielen keine Rolle.

In der Nanowelt sieht das Bild wiederum anders aus: Je dünner der Nanodraht, desto höher sein Young-Modul. Wenn wir in unserer Welt etwas aus dem Zwischengeschoss holen wollen, dann wählen wir einen stärkeren Stuhl, damit er uns standhält. In der Nanowelt werden wir, auch wenn es nicht so offensichtlich ist, den kleineren Stuhl bevorzugen, weil er stärker ist.

Wenn in einem Material unserer Welt Löcher gebohrt werden, wird es nicht mehr stark sein. In der Nanowelt ist das Gegenteil der Fall. Wenn Sie viele Löcher in Graphen machen, wird es zweieinhalb Mal stärker als nicht defektes Graphen. Wenn wir Löcher in das Papier stechen, ändert sich sein Wesen nicht. Und wenn wir Löcher in Graphen machen, entfernen wir ein Atom, wodurch ein neuer lokaler Effekt auftritt. Die verbleibenden Atome bilden eine neue Struktur, die chemisch stärker ist als die intakten Bereiche in diesem Graphen.

Praktische Anwendung der Nanotechnologie

Graphen hat einzigartige Eigenschaften, aber wie man sie in einem bestimmten Bereich anwenden kann, ist noch eine Frage. Es wird heute in Prototypen für Ein-Elektronen-Transistoren (die ein Signal von genau einem Elektron übertragen) verwendet. Es wird angenommen, dass zweischichtiges Graphen mit Nanoporen (Löcher nicht in einem Atom, sondern mehr) in Zukunft ein ideales Material für die selektive Reinigung von Gasen oder Flüssigkeiten werden kann. Um Graphen in der Mechanik zu verwenden, benötigen wir große Materialflächen ohne Fehler, aber eine solche Herstellung ist technologisch äußerst schwierig.

Auch aus biologischer Sicht stellt sich bei Graphen ein Problem: Einmal in den Körper gelangt, vergiftet es alles. Obwohl Graphen in der Medizin als Sensor für „schlechte“DNA-Moleküle (Mutation mit einem anderen chemischen Element usw.) verwendet werden kann. Dazu werden zwei Elektroden daran befestigt und DNA wird durch seine Poren geleitet – sie reagiert auf jedes Molekül auf besondere Weise.

Pfannen, Fahrräder, Helme und Schuhsohlen mit Graphenzusatz werden bereits in Europa produziert. Eine finnische Firma stellt Komponenten für Autos her, insbesondere für Tesla-Autos, bei denen Knöpfe, Armaturenbrettteile und Bildschirme aus ziemlich dicken Nanoröhren bestehen. Diese Produkte sind langlebig und leicht.

Das Gebiet der Nanotechnologie ist sowohl aus experimenteller Sicht als auch aus Sicht der numerischen Modellierung schwierig für die Forschung. Alle grundlegenden Probleme, die eine geringe Computerleistung erfordern, wurden bereits gelöst. Heutzutage ist die Haupteinschränkung für die Forschung die unzureichende Leistung von Supercomputern.