De verovering van de natuur door de mens is nog niet voorbij. In ieder geval hebben we de nanowereld nog niet vastgelegd en daarin onze eigen regels vastgelegd. Laten we eens kijken wat het is en welke kansen de wereld van objecten gemeten in nanometers ons biedt.
Wat is "nano"?
Ooit werden de verworvenheden van micro-elektronica gehoord. We zijn nu een nieuw tijdperk van nanotechnologie ingegaan. Dus wat is deze "nano", die hier en daar begon toe te voegen aan de gebruikelijke woorden, waardoor ze een nieuw modern geluid kregen: nanorobots, nanomachines, nanoradio enzovoort? Het voorvoegsel "nano" wordt gebruikt in het International System of Units (SI). Het wordt gebruikt om de notatie voor decimale eenheden te vormen. Dit is een miljardste van de oorspronkelijke eenheid. In dit geval hebben we het over objecten waarvan de afmetingen worden bepaald in nanometers. Dit betekent dat een nanometer een miljardste van een meter is. Ter vergelijking: een micron (ook bekend als de micrometer die de naam gaf aan micro-elektronica, en bovendien microbiologie, microchirurgie, enz.) Is een miljoenste van een meter.
Als we millimeters als voorbeeld nemen (het voorvoegsel "milli-" is een duizendste), dan zijn er in een millimeter 1.000.000 nanometer (nm) en dienovereenkomstig 1.000 micrometer (μm). Menselijk haar heeft een gemiddelde dikte van 0,05-0,07 mm, dat wil zeggen 50.000-70.000 nm. Hoewel de haardiameter in nanometers kan worden geschreven, is deze verre van de nanowereld. Laten we dieper gaan en kijken wat er nu al is.
De gemiddelde grootte van bacteriën is 0,5 - 5 µm (500 - 5000 nm). Virussen, een van de belangrijkste vijanden van bacteriën, zijn zelfs nog kleiner. De gemiddelde diameter van de meeste van de onderzochte virussen is 20-300 nm (0,02-0,3 μm). Maar de DNA-helix heeft een diameter van 1,8-2,3 nm. Aangenomen wordt dat het kleinste atoom een heliumatoom is, de straal is 32 pm (0,032 nm) en het grootste is cesium 225 pm (0,255 nm). In het algemeen wordt een nano-object beschouwd als een object waarvan de grootte in ten minste één dimensie op nanoschaal ligt (1-100 nm).
Kun je de nanowereld zien?
Promotie video:
Natuurlijk wil ik alles wat er wordt gezegd met eigen ogen zien. Nou ja, in ieder geval in het oculair van een optische microscoop. Is het mogelijk om in de nanowereld te kijken? De gebruikelijke manier, zoals we observeren, bijvoorbeeld microben, is onmogelijk. Waarom? Omdat licht, met een zekere mate van conventie, nanogolven kan worden genoemd. De golflengte van de violette kleur, van waaruit het zichtbare bereik begint, is 380-440 nm. De golflengte van de rode kleur is 620-740 nm. Zichtbare straling heeft golflengten van honderden nanometers. In dit geval wordt de resolutie van conventionele optische microscopen beperkt door de Abbe-diffractielimiet op ongeveer de helft van de golflengte. De meeste objecten die voor ons interessant zijn, zijn zelfs nog kleiner.
Daarom was de eerste stap naar penetratie in de nanowereld de uitvinding van de transmissie-elektronenmicroscoop. Bovendien werd de eerste dergelijke microscoop in 1931 gemaakt door Max Knoll en Ernst Ruska. In 1986 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend voor zijn uitvinding. Het werkingsprincipe is hetzelfde als dat van een conventionele optische microscoop. Alleen in plaats van licht wordt een stroom elektronen naar het object van interesse gericht, dat wordt gefocusseerd door magnetische lenzen. Als een optische microscoop een toename van ongeveer duizend keer gaf, dan was een elektronenmicroscoop al miljoenen keren. Maar het heeft ook zijn nadelen. Ten eerste is het nodig om voldoende dunne materiaalmonsters te verkrijgen voor het werk. Ze moeten transparant zijn in een elektronenbundel, dus hun dikte varieert in het bereik van 20-200 nm. Ten tweede is het zodat het monster onder invloed van elektronenbundels kan ontleden en onbruikbaar kan worden.
Een andere versie van de elektronenstroommicroscoop is de rasterelektronenmicroscoop. Het schijnt niet door het monster, zoals het vorige, maar scant het met een elektronenstraal. Hierdoor kunnen dikkere monsters worden onderzocht. De verwerking van het geanalyseerde monster met een elektronenstraal genereert secundaire en teruggereflecteerde elektronen, zichtbare (kathodoluminescentie) en röntgenstralen, die worden opgevangen door speciale detectoren. Op basis van de ontvangen gegevens wordt een idee van het object gevormd. De eerste scanning-elektronenmicroscopen verschenen begin jaren zestig.
Scanning probe microscopen zijn een relatief nieuwe klasse van microscopen die al in de jaren 80 verschenen. De reeds genoemde Nobelprijs voor natuurkunde uit 1986 werd verdeeld tussen de uitvinder van de transmissie-elektronenmicroscoop, Ernst Ruska, en de makers van de scanning tunneling microscoop, Gerd Binnig en Heinrich Rohrer. Scanning microscopen maken het mogelijk om niet te onderzoeken, maar om het reliëf van het monsteroppervlak te "voelen". De resulterende gegevens worden vervolgens omgezet in een afbeelding. In tegenstelling tot de scanning-elektronenmicroscoop, gebruikt de sonde een scherpe scannaald voor bediening. De naald, waarvan de punt slechts enkele atomen dik is, fungeert als een sonde, die op een minimale afstand van 0,1 nm tot het monster wordt gebracht. Tijdens het scannen beweegt de naald over het monsteroppervlak. Er ontstaat een tunnelstroom tussen de punt en het monsteroppervlak,en de waarde ervan hangt af van de afstand tussen hen. De veranderingen worden geregistreerd, waardoor op basis daarvan een hoogtekaart kan worden gemaakt - een grafische weergave van het oppervlak van het object.
Een soortgelijk werkingsprincipe wordt gebruikt door een andere microscoop uit de klasse van scanning probe microscopen - atoomkracht. Er is ook een sondepunt en een soortgelijk resultaat: een grafische weergave van het oppervlaktereliëf. Maar het is niet de grootte van de stroom die wordt gemeten, maar de krachtinteractie tussen het oppervlak en de sonde. Allereerst worden de van der Waalskrachten bedoeld, maar ook elastische krachten, capillaire krachten, adhesiekrachten en andere. In tegenstelling tot de scanning tunneling microscoop, die alleen kan worden gebruikt om metalen en halfgeleiders te bestuderen, maakt de atomic force microscoop ook de studie van diëlektrica mogelijk. Maar dit is niet het enige voordeel. Het laat niet alleen toe om in de nanowereld te kijken, maar ook om atomen te manipuleren.
Pentaceen molecuul. A is een model van een molecuul. B - afbeelding verkregen door een scanning tunneling microscoop. C - afbeelding verkregen met een atoomkrachtmicroscoop. D - verschillende moleculen (AFM). A, B en C op dezelfde schaal
Foto: Science
Nanomachines
In de natuur, op nanoschaal, dat wil zeggen op het niveau van atomen en moleculen, vinden veel processen plaats. We kunnen nu natuurlijk ook beïnvloeden hoe ze verder gaan. Maar we doen het bijna blindelings. Nanomachines zijn een gericht instrument om in de nanowereld te werken; het zijn apparaten waarmee je losse atomen en moleculen kunt manipuleren. Tot voor kort kon alleen de natuur ze creëren en beheersen. We zijn een stap verwijderd van de dag dat we het ook kunnen doen.
Nanomachines
Foto: warosu.org
Wat kunnen nanomachines doen? Neem bijvoorbeeld scheikunde. De synthese van chemische verbindingen is gebaseerd op het feit dat we de noodzakelijke voorwaarden scheppen om een chemische reactie te laten verlopen. Daardoor hebben we een bepaalde stof aan de uitgang. In de toekomst kunnen chemische verbindingen relatief gezien mechanisch worden gemaakt. Nanomachines zullen individuele atomen en moleculen kunnen verbinden en scheiden. Als gevolg hiervan zullen chemische bindingen worden gevormd of, omgekeerd, zullen bestaande bindingen worden verbroken. Het bouwen van nanomachines zal in staat zijn om de moleculaire structuren te creëren die we nodig hebben uit atomen. Chemicus nanorobots - synthetiseren chemische verbindingen. Dit is een doorbraak in het creëren van materialen met gewenste eigenschappen. Tegelijkertijd is het een doorbraak op het gebied van milieubescherming. Het is gemakkelijk aan te nemen dat nanomachines een uitstekend hulpmiddel zijn om afval te recyclen,die onder normale omstandigheden moeilijk te verwijderen zijn. Zeker als we het hebben over nanomaterialen. Immers, hoe verder de technische vooruitgang gaat, hoe moeilijker het milieu is om met de resultaten om te gaan. Te lang vindt de afbraak van door de mens uitgevonden nieuwe materialen plaats in de natuurlijke omgeving. Iedereen weet hoe lang het duurt om afgedankte plastic zakken - een product van de vorige wetenschappelijke en technologische revolutie - te ontbinden. Wat gebeurt er met nanomaterialen, die vroeg of laat afval blijken te zijn? Dezelfde nanomachines zullen hun bewerking moeten doen.hoe lang het duurt voordat afgedankte plastic zakken uiteenvallen - een product van een eerdere wetenschappelijke en technologische revolutie. Wat gebeurt er met nanomaterialen, die vroeg of laat afval blijken te zijn? Dezelfde nanomachines zullen hun bewerking moeten doen.hoe lang het duurt voordat afgedankte plastic zakken uiteenvallen - een product van een eerdere wetenschappelijke en technologische revolutie. Wat gebeurt er met nanomaterialen, die vroeg of laat afval blijken te zijn? Dezelfde nanomachines zullen hun bewerking moeten doen.
Nanomachine met fullereen wiel
Foto: warosu.org
Wetenschappers hebben het al lang over mechanosynthese. Het is een chemische synthese die plaatsvindt via mechanische systemen. Het voordeel is te zien in het feit dat het de positionering van reactanten met een hoge mate van nauwkeurigheid mogelijk maakt. Maar tot nu toe is er geen tool om het effectief te implementeren. Tegenwoordig kunnen atoomkrachtmicroscopen natuurlijk als dergelijke instrumenten fungeren. Ja, ze laten niet alleen toe om in de nanowereld te kijken, maar ook om met atomen te werken. Maar als objecten van de macrokosmos zijn ze niet het meest geschikt voor de massale toepassing van technologie, wat niet gezegd kan worden over nanomachines. In de toekomst zullen ze worden gebruikt om complete moleculaire transportbanden en nanofabrieken te maken.
Maar nu zijn er hele biologische nanofabrieken. Ze bestaan in ons en in alle levende organismen. Daarom worden doorbraken in de geneeskunde, biotechnologie en genetica verwacht van nanotechnologie. Door kunstmatige nanomachines te maken en deze in levende cellen te introduceren, kunnen we indrukwekkende resultaten behalen. Ten eerste kunnen nanomachines worden gebruikt voor gericht transport van medicijnen naar het gewenste orgaan. We hoeven geen medicijnen in te nemen, omdat we beseffen dat slechts een deel ervan in het zieke orgaan terechtkomt. Ten tweede nemen nanomachines de functies voor het bewerken van het genoom al over. CRISPR / Cas9-technologie, die uit de natuur gluurt, stelt je in staat veranderingen aan te brengen in het genoom van zowel eencellige als hogere organismen, inclusief de mens. Bovendien hebben we het niet alleen over het bewerken van het genoom van embryo's, maar ook over het genoom van levende volwassen organismen. En de nanomachines zullen dit allemaal doen.
Nanoradio
Als nanomachines ons instrument zijn in de nanowereld, dan moeten ze op de een of andere manier worden bestuurd. Het is echter ook hier niet nodig om iets fundamenteel nieuws uit te vinden. Een van de meest waarschijnlijke controlemethoden is radio. De eerste stappen in deze richting zijn al gezet. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, geleid door Alex Zettle, hebben een radio-ontvanger gemaakt van slechts één nanobuisje met een diameter van ongeveer 10 nm. Bovendien fungeert de nanobuis tegelijkertijd als antenne, selector, versterker en demodulator. De nanoradio-ontvanger kan zowel FM- als AM-golven ontvangen met een frequentie van 40 tot 400 MHz. Volgens de ontwikkelaars kan het apparaat niet alleen worden gebruikt voor het ontvangen van een radiosignaal, maar ook voor het verzenden ervan.
Ontvangen radiogolven laten de nanoradio-antenne trillen
nsf.gov
Muziek van Eric Clapton and the Beach Boys diende als testsignaal. De wetenschappers stuurden een signaal van het ene deel van de kamer naar het andere, waar de radio die ze maakten zich bevond. Het bleek dat de signaalkwaliteit goed genoeg was. Maar het doel van zo'n radio is natuurlijk niet naar muziek luisteren. De radio-ontvanger kan worden toegepast in verschillende nanodevices. Bijvoorbeeld in dezelfde nanorobots die medicijnen afleveren die via de bloedbaan naar het gewenste orgaan gaan.
Nanomaterialen
Het creëren van materialen met eigenschappen die voorheen ondenkbaar waren, is een andere mogelijkheid die nanotechnologie ons biedt. Om als "nano" te worden beschouwd, moet een materiaal een of meer dimensies op nanoschaal hebben. Ofwel gemaakt zijn met behulp van nanodeeltjes of door middel van nanotechnologie. De meest geschikte classificatie van nanomaterialen is tegenwoordig gebaseerd op de afmetingen van de structurele elementen waaruit ze zijn samengesteld.
Nul-dimensionaal (0D) - nanoclusters, nanokristallen, nanodispersies, kwantumstippen. Geen van de zijkanten van het 0D-nanomateriaal gaat verder dan de nanoschaal. Dit zijn materialen waarin nanodeeltjes van elkaar worden geïsoleerd. De eerste complexe nul-dimensionale structuren die in de praktijk zijn verkregen en toegepast, zijn fullerenen. Fullerenen zijn de sterkste antioxidanten die tegenwoordig bekend zijn. In de farmacologie wordt er op de creatie van nieuwe medicijnen gehoopt. Fullereenderivaten laten zich goed zien bij de behandeling van HIV. En bij het maken van nanomachines kunnen fullerenen als onderdelen worden gebruikt. De nanomachine met fullereenwielen is hierboven weergegeven.
Fullereen
Foto: wikipedia.org
Eendimensionaal (1D) - nanobuisjes, vezels en staafjes. Hun lengte varieert van 100 nm tot tientallen micrometers, maar hun diameter valt binnen de nanoschaal. De bekendste eendimensionale materialen van tegenwoordig zijn nanobuisjes. Ze hebben unieke elektrische, optische, mechanische en magnetische eigenschappen. In de nabije toekomst zouden nanobuisjes toepassing moeten vinden in moleculaire elektronica, biogeneeskunde en bij het creëren van nieuwe ultrasterke en ultralichte composietmaterialen. Nanobuisjes worden al gebruikt als naalden in scantunneling en atoomkrachtmicroscopen. Hierboven hadden we het over de creatie van nanoradio op basis van nanobuisjes. En natuurlijk is er hoop gevestigd op koolstofnanobuisjes als materiaal voor de ruimteliftkabel.
Koolstof nanobuis
Foto: wikipedia.org
Tweedimensionaal (2D) - films (coatings) van nanometerdikte. Dit is het bekende grafeen - een tweedimensionale allotrope modificatie van koolstof (de Nobelprijs voor natuurkunde voor 2010 werd toegekend voor grafeen). Minder bekend bij het publiek is siliceen - een tweedimensionale modificatie van silicium, fosfor - fosfor, germaneen - germanium. Vorig jaar hebben wetenschappers borofen gemaakt, dat, in tegenstelling tot andere tweedimensionale materialen, niet vlak maar gegolfd bleek te zijn. De rangschikking van booratomen in de vorm van een gegolfde structuur zorgt voor de unieke eigenschappen van het verkregen nanomateriaal. Borofen beweert de leider te zijn in treksterkte onder tweedimensionale materialen.
Borophene structuur
Foto: MIPT
Tweedimensionale materialen zouden toepassing moeten vinden in de elektronica, bij het ontwerp van filters voor de ontzilting van zeewater (grafeenmembranen) en het maken van zonnecellen. In de nabije toekomst kan grafeen indiumoxide - een zeldzaam en duur metaal - vervangen bij de productie van aanraakschermen.
Driedimensionale (3D) nanomaterialen zijn poeders, vezelachtige, meerlagige en polykristallijne materialen, waarin de bovengenoemde nul-dimensionale, eendimensionale en tweedimensionale nanomaterialen structurele elementen zijn. Ze sluiten nauw aan elkaar en vormen interfaces tussen zichzelf - interfaces.
Soorten nanomaterialen
Foto: thesaurus.rusnano.com
Er zal iets meer tijd verstrijken en nanotechnologie - technologieën voor het manipuleren van objecten op nanoschaal zullen gemeengoed worden. Net zoals micro-elektronische technologieën bekend zijn geworden en ons computers, mobiele telefoons, satellieten en vele andere attributen van het moderne informatietijdperk hebben opgeleverd. Maar de impact van nanotechnologie op het leven zal veel groter zijn. Veranderingen wachten ons op bijna alle gebieden van menselijke activiteit.
Sergey Sobol