Wetenschappers hebben bijna nanorobots gemaakt. Daar zijn materialen voor: nanodeeltjes, nanobuisjes, grafeen, verschillende eiwitten. Ze zijn allemaal erg kwetsbaar - om ze te bestuderen zijn nieuwe, meer geavanceerde microscopen nodig die het apparaat tijdens het onderzoeksproces niet beschadigen.
Nanorobots kunnen op veel gebieden van het menselijk leven nuttig zijn, voornamelijk in de geneeskunde. Stel je kleine slimme apparaten voor die stilletjes in ons werken, verschillende parameters besturen en gegevens in realtime rechtstreeks naar de smartphone van de dokter verzenden. Zo'n robot moet gemaakt zijn van een biocompatibel materiaal dat niet door het lichaam wordt afgestoten, het heeft ook een krachtbron en geheugen nodig.
De batterij helpt hier niet, omdat het de grootte van het apparaat vergroot en het niet eenvoudig is om er een biocompatibel materiaal voor te vinden. Het probleem wordt opgelost met behulp van piëzo-elektrische materialen: materialen die energie opwekken wanneer ze mechanisch worden toegepast, zoals compressie. Er is ook het tegenovergestelde effect: als reactie op de werking van een elektrisch veld veranderen structuren gemaakt van piëzo-elektrische materialen van vorm.
Biocompatibele piëzo-elektrische nanorobots kunnen in bloedvaten worden gelanceerd en zetten hun pulsatie om in elektriciteit. Een andere optie is om de apparaten van stroom te voorzien door gewrichten en spieren te bewegen. Maar dan zullen nanorobots niet constant kunnen handelen, in tegenstelling tot die in de schepen.
In elk geval is het voor nanorobots noodzakelijk om geschikte materialen te selecteren en precies te bepalen hoeveel druk er op het apparaat moet worden uitgeoefend om er een elektrische impuls in te genereren.
Atomic Relations
Een driedimensionaal beeld van een object of oppervlak op nanoschaal wordt verkregen met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. Het werkt als volgt: atomen in elke stof interageren met elkaar, en op verschillende manieren, afhankelijk van de afstand. Op grote afstanden trekken ze elkaar aan, maar naarmate ze dichterbij komen, stoten de elektronenschillen van de atomen elkaar af.
Promotie video:
“Een sonde-naald met een punt van 1-30 nanometer in diameter nadert het monsteroppervlak. Zodra het dichtbij genoeg komt, zullen de atomen van de sonde en het te bestuderen object beginnen af te stoten. Het resultaat is dat de elastische arm waaraan de naald is bevestigd, zal buigen”, zegt Arseniy Kalinin, hoofdontwikkelaar bij NT-MDT Spectrum Instruments.
De naald beweegt langs het oppervlak en eventuele hoogteverschillen veranderen de buiging van de console, die wordt geregistreerd door een uiterst nauwkeurig optisch systeem. Terwijl de sonde over het oppervlak gaat, registreert de software het hele reliëf en bouwt er een 3D-model van op. Als resultaat wordt een afbeelding gevormd op het computerscherm, die kan worden geanalyseerd: om de algehele ruwheid van het monster te meten, de parameters van objecten op het oppervlak. Bovendien gebeurt dit in een natuurlijke omgeving voor de monsters - vloeistof, vacuüm, bij verschillende temperaturen. De horizontale resolutie van de microscoop wordt alleen beperkt door de diameter van de punt van de sonde, terwijl de verticale nauwkeurigheid van goede instrumenten tientallen picometers is, wat minder is dan de grootte van een atoom.
De naald van een atoomkrachtmicroscoop tast het monster / ITMO University Press Service af.
Gedurende 30 jaar ontwikkeling van atoomkrachtmicroscopie hebben wetenschappers geleerd om niet alleen het oppervlaktereliëf van het monster te bepalen, maar ook de eigenschappen van het materiaal: mechanisch, elektrisch, magnetisch, piëzo-elektrisch. En al deze parameters kunnen met de hoogste nauwkeurigheid worden gemeten. Dit heeft in hoge mate bijgedragen aan de vooruitgang van de materiaalkunde, nanotechnologie en biotechnologie.
Biologen doen ook zaken
Meting van piëzo-elektrische parameters is een uniek kenmerk van een atoomkrachtmicroscoop. Het werd lange tijd alleen gebruikt voor de studie van piëzo-elektriciteit in vaste toestand. Feit is dat biologische objecten vrij zacht zijn; de punt van de sonde beschadigt ze gemakkelijk. Als een ploeg ploegt hij het oppervlak, verplaatst en vervormt hij het monster.
Onlangs hebben natuurkundigen uit Rusland en Portugal ontdekt hoe ze een atomic force microscope-naald kunnen maken die een biologisch monster niet zou beschadigen. Ze ontwikkelden een algoritme waarmee de sonde, wanneer hij van het ene punt naar het andere gaat, net genoeg van het oppervlak weg beweegt om er op geen enkele manier mee te interageren. Dan raakt hij het te bestuderen onderwerp aan en staat weer op, op weg naar het volgende punt. De naald kan natuurlijk nog een beetje op het oppervlak drukken, maar dit is een elastische interactie, waarna een object, of het nu een eiwitmolecuul of een cel is, gemakkelijk wordt hersteld. Bovendien wordt de drukkracht gecontroleerd door een speciaal programma. Deze technologie maakt het mogelijk om een biocompatibele piëzo-elektrische structuur te bestuderen zonder deze te beschadigen.
“De nieuwe methode is toepasbaar op elke atoomkrachtmicroscoop, mits er speciaal ontworpen high-speed elektronica is die de piëzo-elektrische respons van de console verwerkt en software die de gegevens omzet in een kaart. Er staat een lichte spanning op de naald. Het elektrische veld werkt op het monster en de sonde leest zijn mechanische respons. De feedback is vergelijkbaar, dus we kunnen erachter komen hoe we een object moeten samendrukken zodat het reageert met het gewenste elektrische signaal. Dit geeft de onderzoeker een hulpmiddel om nieuwe biocompatibele voedselbronnen te zoeken en te bestuderen”, legt Kalinin uit.
