Молекул хэмжээтэй роботууд: нанотехнологи биднийг юунд бэлдэж байна вэ?

2024 Зохиолч: Seth Attwood | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-16 16:12

Ирээдүйд нанотехнологийн салбарт орчин үеийн хөгжил дэвшил нь хүний цусны урсгалд оруулах боломжтой жижиг роботуудыг бүтээх боломжийг олгоно. Ийм роботын "хэсгүүд" нь нэг хэмжээст байх ба жижиг байх тусмаа хүчирхэг байх болно. Оросын ШУА-ийн Биорганик химийн хүрээлэнгийн онолын материал судлалын чиглэлээр (нанотехнологийн салбарт компьютерийн туршилт) ажилладаг ахлах эрдэм шинжилгээний ажилтан Дмитрий Квашнин нано ертөнцийн парадоксуудын талаар ярьжээ. T&P гол зүйлийг бичсэн.

Дмитрий Квашнин

Нано технологи гэж юу вэ

Нанотехнологийг ашиглан бид сансарт илгээх эсвэл цусны судсанд суулгаж, эсүүдэд эм хүргэх, цусны улаан эсийг зөв чиглэлд хөдөлгөх гэх мэт роботуудыг бүтээхийг хүсч байна. Ийм роботуудын нэг араа нь хэдэн арван хэсгээс бүрддэг. хэсгүүд. Нэг нарийн ширийн зүйл бол нэг атом юм. Араа нь арван атом, 10-9 метр, өөрөөр хэлбэл нэг нанометр юм. Бүхэл бүтэн робот бол хэдхэн нанометр юм.

10-9 гэж юу вэ? Үүнийг хэрхэн танилцуулах вэ? Харьцуулбал энгийн хүний үс 10-5 метр орчим хэмжээтэй байдаг. Бидний биеийг хүчилтөрөгчөөр хангадаг цусны улаан эсүүд долоон микрон хэмжээтэй байдаг бөгөөд энэ нь мөн 10-5 метр юм. Нано ямар үед дуусч, бидний ертөнц эхэлдэг вэ? Бид нүцгэн нүдээр объектыг харж чадах үед.

Гурван хэмжээст, хоёр хэмжээст, нэг хэмжээст

Гурван хэмжээст, хоёр хэмжээст, нэг хэмжээст гэж юу вэ, тэдгээр нь нано технологид материал, тэдгээрийн шинж чанарт хэрхэн нөлөөлдөг вэ? 3D бол гурван хэмжээст гэдгийг бид бүгд мэднэ. Эгэл жирийн нэг кино байна, 3D кино ч байна, янз бүрийн акулууд бидэн рүү дэлгэцнээс нисэн гарч ирдэг. Математикийн утгаараа 3D нь иймэрхүү харагддаг: y = f (x, y, z), энд y нь урт, өргөн, өндөр гэсэн гурван хэмжээсээс хамаардаг. Гурван хэмжээст бүхний танил Марио нэлээд өндөр, өргөн, махлаг байдаг.

Хоёр хэмжээст рүү шилжих үед нэг тэнхлэг алга болно: y = f (x, y). Энд бүх зүйл илүү хялбар байдаг: Марио яг адилхан өндөр, өргөн, гэхдээ тарган биш, учир нь хэн ч хоёр хэмжээст тарган эсвэл туранхай байж чадахгүй.

Хэрэв бид буурсаар байвал нэг хэмжээст бүх зүйл маш энгийн болж, зөвхөн нэг тэнхлэг үлдэх болно: y = f (x). 1D дэх Марио зүгээр л урт - бид түүнийг танихгүй, гэхдээ тэр хэвээр байна.

Гурван хэмжээстээс - хоёр хэмжээст рүү

Манай дэлхий дээрх хамгийн түгээмэл материал бол нүүрстөрөгч юм. Энэ нь огт өөр хоёр бодисыг үүсгэж чаддаг - дэлхийн хамгийн бат бөх материал болох алмаз, бал чулуу, бал чулуу нь зүгээр л өндөр даралтаар алмаз болж чаддаг. Хэрэв манай ертөнцөд ч гэсэн нэг элемент эсрэг тэсрэг шинж чанартай тэс өөр материалыг үүсгэж чадвал нано ертөнцөд юу болох вэ?

Графитыг үндсэндээ харандааны хар тугалга гэж нэрлэдэг. Харандааны үзүүрийн хэмжээ нь нэг миллиметр, өөрөөр хэлбэл 10-3 метр юм. Нано хар тугалга ямар харагддаг вэ? Энэ нь зүгээр л нэг давхаргат бүтцийг бүрдүүлдэг нүүрстөрөгчийн атомуудын давхаргын цуглуулга юм. Овоолсон цаас шиг харагдаж байна.

Бид харандаагаар бичихэд цаасан дээр ул мөр үлддэг. Хэрэв бид овоолсон цаастай зүйрлэвэл түүнээс нэг цаас сугалж байгаа мэт болно. Цаасан дээр үлдсэн бал чулууны нимгэн давхарга нь 2D бөгөөд зөвхөн нэг атомын зузаантай. Объектыг хоёр хэмжээст гэж үзэхийн тулд түүний зузаан нь өргөн, уртаас олон (дор хаяж арав) дахин бага байх ёстой.

Гэхдээ барьж авах зүйл бий. 1930-аад онд Лев Ландау, Рудольф Пейерлс нар хоёр хэмжээст талстууд дулааны хэлбэлзлээс болж тогтворгүй бөгөөд нурдаг болохыг нотолсон (бөөмийн эмх замбараагүй дулааны хөдөлгөөний улмаас физик хэмжигдэхүүнүүдийн дундаж утгуудаас санамсаргүй хазайлт. - Ойролцоогоор T&P). Хоёр хэмжээст хавтгай материал термодинамикийн шалтгаанаар оршин тогтнох боломжгүй юм. Энэ нь бид 2D хэлбэрээр нано бүтээх боломжгүй юм шиг санагдаж байна. Гэсэн хэдий ч үгүй! Константин Новоселов, Андрей Гейм нар графеныг нэгтгэсэн. Нано дахь графен нь хавтгай биш, бага зэрэг долгионтой тул тогтвортой байдаг.

Хэрэв гурван хэмжээст ертөнцөд бид овоолсон цааснаас нэг хуудас цаас гаргаж авбал цаас цаас хэвээр үлдэж, шинж чанар нь өөрчлөгдөхгүй. Хэрэв нано ертөнцөд графитын нэг давхаргыг арилгавал үүссэн графен нь өөрийн "өвлөгч" бал чулуутай адил өвөрмөц шинж чанартай байх болно. Графен нь тунгалаг, хөнгөн, гангаас 100 дахин бат бөх, маш сайн дулаан, цахилгаан дамжуулагч юм. Үүнийг өргөнөөр судалж байгаа бөгөөд аль хэдийн транзисторын үндэс суурь болж байна.

Өнөөдөр хүн бүр хоёр хэмжээст материал нь зарчмын хувьд байж болно гэдгийг ойлгосон үед цахиур, бор, молибден, вольфрам гэх мэтээс шинэ биетүүдийг олж авах боломжтой гэсэн онолууд гарч ирэв.

Мөн цаашлаад - нэг хэмжээст

2 хэмжээст графен нь өргөн ба урттай. Үүнээс хэрхэн 1D хийх вэ, эцэст нь юу болох вэ? Нэг арга бол нимгэн тууз болгон хайчилж авах явдал юм. Хэрэв тэдгээрийн өргөнийг аль болох багасгах юм бол энэ нь зөвхөн тууз биш, харин өөр нэг өвөрмөц нано объект болох карбин болно. Үүнийг 1960-аад онд Зөвлөлтийн эрдэмтэд (химич Ю. П. Кудрявцев, А. М. Сладков, В. И. Касаточкин, В. В. Коршак. - T&P тэмдэглэл) нээсэн.

Нэг хэмжээст объект хийх хоёр дахь арга бол графеныг хивс шиг хоолой болгон өнхрүүлэх явдал юм. Энэ хоолойн зузаан нь түүний уртаас хамаагүй бага байх болно. Хэрэв цаасыг өнхрүүлж эсвэл тууз болгон хуваасан бол цаас хэвээр үлдэнэ. Графеныг хоолойд өнхрүүлбэл нүүрстөрөгчийн шинэ хэлбэр болох нано хоолой болон хувирах бөгөөд энэ нь хэд хэдэн өвөрмөц шинж чанартай байдаг.

Нанообъектуудын сонирхолтой шинж чанарууд

Цахилгаан дамжуулах чанар нь материал нь цахилгаан гүйдлийг хэр сайн эсвэл хэр муу дамжуулж байгааг илэрхийлдэг. Манай ертөнцөд энэ нь материал бүрийн хувьд нэг тоогоор тодорхойлогддог бөгөөд түүний хэлбэрээс хамаардаггүй. Мөнгөн цилиндр, шоо эсвэл бөмбөг хийх нь хамаагүй - түүний дамжуулах чанар үргэлж ижил байх болно.

Нано ертөнцөд бүх зүйл өөр байдаг. Нано хоолойн диаметрийн өөрчлөлт нь дамжуулах чанарт нөлөөлнө. Хэрэв n - m ялгаа (энд n ба m нь хоолойн диаметрийг тодорхойлсон зарим индексүүд) гурваар хуваагдвал нано хоолой нь гүйдэл дамжуулдаг. Хэрэв энэ нь хуваагдаагүй бол үүнийг хийхгүй.

Янгийн модуль нь саваа эсвэл мөчрийг нугалахад илэрдэг өөр нэг сонирхолтой шинж чанар юм. Янгийн модуль нь материал нь хэв гажилт, стрессийг хэр хүчтэй эсэргүүцдэгийг харуулдаг. Жишээлбэл, хөнгөн цагааны хувьд энэ үзүүлэлт төмрөөс хоёр дахин бага, өөрөөр хэлбэл хоёр дахин муу эсэргүүцэлтэй байдаг. Дахин хэлэхэд хөнгөн цагаан бөмбөг нь хөнгөн цагаан шооноос илүү хүчтэй байж чадахгүй. Хэмжээ, хэлбэр нь хамаагүй.

Нано ертөнцөд зураг дахин өөр байна: нано утас нимгэн байх тусам түүний Янгийн модуль өндөр байна. Хэрэв манай ертөнцөд бид мезанинаас ямар нэгэн зүйл авахыг хүсч байвал бид тэсвэрлэх чадвартай байхын тулд илүү хүчтэй сандал сонгох болно. Нано ертөнцөд энэ нь тийм ч тодорхой биш ч гэсэн бид илүү хүчтэй учраас жижиг сандлыг илүүд үзэх хэрэгтэй болно.

Хэрэв манай ертөнцөд ямар нэгэн материалд нүх гаргавал энэ нь бат бөх байхаа болино. Нано ертөнцөд бол эсрэгээрээ. Хэрэв та графен дээр олон нүх гаргавал энэ нь гэмтэлгүй графенаас хоёр ба хагас дахин хүчтэй болно. Бид цаасан дээр нүх гаргахад түүний мөн чанар өөрчлөгддөггүй. Графенд нүх гаргахдаа бид нэг атомыг зайлуулдаг бөгөөд үүний үр дүнд орон нутгийн шинэ эффект гарч ирдэг. Үлдсэн атомууд нь энэ графены бүрэн бүтэн хэсгүүдээс химийн хувьд илүү хүчтэй шинэ бүтэц үүсгэдэг.

Нанотехнологийн практик хэрэглээ

Графен нь өвөрмөц шинж чанартай боловч тодорхой газар нутагт хэрхэн хэрэглэх нь асуулт хэвээр байна. Одоо үүнийг нэг электрон транзисторын (яг нэг электроны дохиог дамжуулдаг) прототипт ашиглаж байна. Ирээдүйд нано нүх сүв бүхий хоёр давхаргат графен (нэг атом дахь нүхнүүд биш, гэхдээ илүү олон) нь хий эсвэл шингэнийг сонгон цэвэрлэхэд тохиромжтой материал болж чадна гэж үздэг. Графеныг механикт ашиглахын тулд бидэнд согоггүй их хэмжээний материал хэрэгтэй боловч ийм үйлдвэрлэл нь технологийн хувьд маш хэцүү байдаг.

Биологийн үүднээс авч үзвэл графентай холбоотой асуудал бас үүсдэг: нэгэнт биед орсны дараа бүх зүйлийг хордуулдаг. Хэдийгээр анагаах ухаанд графеныг "муу" ДНХ молекулуудыг (өөр химийн элементтэй мутаци хийх гэх мэт) мэдрэгч болгон ашиглаж болно. Үүнийг хийхийн тулд түүнд хоёр электродыг холбож, ДНХ-ийг нүхээр нь дамжуулдаг - энэ нь молекул бүрт тусгай аргаар хариу үйлдэл үзүүлдэг.

Графен нэмсэн тогоо, унадаг дугуй, дуулга, гутлын улавчийг Европт аль хэдийн үйлдвэрлэж эхэлжээ. Финляндын нэг компани автомашины эд анги, ялангуяа Тесла автомашины эд ангиудыг хийдэг бөгөөд товчлуурууд, хяналтын самбарын эд анги, дэлгэц нь нэлээд зузаан нано гуурсаар хийгдсэн байдаг. Эдгээр бүтээгдэхүүн нь удаан эдэлгээтэй, хөнгөн жинтэй байдаг.

Нанотехнологийн салбар нь туршилтын үүднээс ч, тоон загварчлалын үүднээс ч судалгаа хийхэд хэцүү байдаг. Компьютерийн бага хүч шаардагддаг бүх үндсэн асуудлууд аль хэдийн шийдэгдсэн. Өнөөдөр судалгааны гол хязгаарлалт бол суперкомпьютерийн хүчин чадал хангалтгүй юм.