Roboti o velikosti molekul: na co nás nanotechnologie připravuje?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Moderní vývoj v oblasti nanotechnologií v budoucnu umožní vytvářet roboty tak malé, že je lze spustit do lidského krevního oběhu. „Součásti“takového robota budou jednorozměrné a čím menší, tím silnější. Dmitrij Kvashnin, vedoucí vědecký pracovník Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd, který se zabývá teoretickou materiálovou vědou (počítačové experimenty v oblasti nanotechnologií), hovořil o paradoxech nanosvěta. T&P napsal to hlavní.

Dmitrij Kvašnin

Co je nanotechnologie

Pomocí nanotechnologie bychom chtěli vytvořit roboty, které lze poslat do vesmíru nebo zabudovat do krevních cév, aby dopravili léky do buněk, pomohli červeným krvinkám pohybovat se správným směrem atd. Jedno ozubené kolo v takových robotech se skládá z tuctu díly. Jeden detail je jeden atom. Ozubené kolo je deset atomů, 10-9 metrů, tedy jeden nanometr. Celý robot má několik nanometrů.

Kolik je 10-9? Jak to prezentovat? Pro srovnání, běžný lidský vlas je velký asi 10-5 metrů. Červené krvinky, krvinky, které zásobují naše tělo kyslíkem, jsou velké asi sedm mikronů, to je také asi 10-5 metrů. V jakém bodě nano končí a náš svět začíná? Když můžeme vidět předmět pouhým okem.

Trojrozměrný, dvourozměrný, jednorozměrný

Co je trojrozměrný, dvourozměrný a jednorozměrný a jak ovlivňují materiály a jejich vlastnosti v nanotechnologiích? Všichni víme, že 3D je trojrozměrný. Existuje obyčejný film a existuje film ve 3D, kde na nás z obrazovky vylétají nejrůznější žraloci. V matematickém smyslu vypadá 3D takto: y = f (x, y, z), kde y závisí na třech rozměrech – délce, šířce a výšce. Všem známý Mario ve třech rozměrech je poměrně vysoký, široký a baculatý.

Při přechodu na dvourozměrnost zmizí jedna osa: y = f (x, y). Všechno je zde mnohem jednodušší: Mario je stejně vysoký a široký, ale není tlustý, protože nikdo nemůže být tlustý nebo hubený ve dvou rozměrech.

Budeme-li dále klesat, pak v jedné dimenzi bude vše docela jednoduché, zbude jen jedna osa: y = f (x). Mario v 1D je prostě dlouhý - nepoznáváme ho, ale pořád je to on.

Ze tří dimenzí – do dvou dimenzí

Nejběžnějším materiálem v našem světě je uhlík. Může tvořit dvě zcela odlišné látky – diamant, nejodolnější materiál na Zemi, a grafit, přičemž z grafitu se může stát diamant jednoduše díky vysokému tlaku. Pokud i v našem světě dokáže jeden prvek vytvořit radikálně odlišné materiály s opačnými vlastnostmi, co se pak stane v nanosvětě?

Grafit je známý především jako tužka. Velikost hrotu tužky je asi jeden milimetr, to znamená 10-3 metry. Jak vypadá nanoolovo? Je to jednoduše sbírka vrstev atomů uhlíku tvořící vrstvenou strukturu. Vypadá jako stoh papíru.

Když píšeme tužkou, zůstane na papíře stopa. Pokud nakreslíme analogii se stohem papíru, je to, jako bychom z něj vytahovali jeden kus papíru. Tenká vrstva grafitu, která na papíru zůstane, je 2D a má tloušťku pouze jednoho atomu. Aby byl objekt považován za dvourozměrný, musí být jeho tloušťka mnohonásobně (alespoň deset) menší než jeho šířka a délka.

Má to ale háček. Ve 30. letech 20. století Lev Landau a Rudolf Peierls prokázali, že dvourozměrné krystaly jsou nestabilní a hroutí se v důsledku tepelných fluktuací (náhodné odchylky fyzikálních veličin od jejich průměrných hodnot v důsledku chaotického tepelného pohybu částic. - Přibližně T&P). Ukazuje se, že dvourozměrný plochý materiál nemůže existovat z termodynamických důvodů. To znamená, že se zdá, že nemůžeme vytvořit nano ve 2D. Nicméně, ne! Konstantin Novoselov a Andrey Geim syntetizovali grafen. Grafen v nano není plochý, ale mírně zvlněný a tudíž stabilní.

Pokud v našem trojrozměrném světě vyjmeme jeden list papíru ze stohu papíru, pak papír zůstane papírem, jeho vlastnosti se nezmění. Pokud je v nanosvětě odstraněna jedna vrstva grafitu, pak výsledný grafen bude mít jedinečné vlastnosti, které nejsou podobné těm, které mají jeho „progenitor“grafit. Grafen je průhledný, lehký, 100x pevnější než ocel, výborný termoelektrický a elektrický vodič. Je široce zkoumán a již se stává základem pro tranzistory.

Dnes, kdy každý chápe, že dvourozměrné materiály mohou v principu existovat, se objevují teorie, že nové entity lze získat z křemíku, boru, molybdenu, wolframu atd.

A dále – v jedné dimenzi

Grafen ve 2D má šířku a délku. Jak z toho udělat 1D a co se nakonec stane? Jednou z metod je nakrájet ji na tenké pásky. Pokud se jejich šířka zmenší na maximum možné, pak už to nebudou jen stužky, ale další unikátní nanoobjekt – karbyn. Objevili ho sovětští vědci (chemici Ju. P. Kudrjavcev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin a V. V. Korshak. - pozn. T&P) v 60. letech 20. století.

Druhým způsobem, jak vyrobit jednorozměrný objekt, je svinout grafen do tuby, jako je koberec. Tloušťka této trubky bude mnohem menší než její délka. Pokud se papír sroluje nebo nařeže na proužky, zůstane papírem. Pokud je grafen srolován do trubičky, přemění se na novou formu uhlíku – nanotrubici, která má řadu unikátních vlastností.

Zajímavé vlastnosti nanoobjektů

Elektrická vodivost je to, jak dobře nebo jak špatně materiál vede elektrický proud. V našem světě se popisuje jedním číslem pro každý materiál a nezáleží na jeho tvaru. Je jedno, jestli vyrobíte stříbrný válec, kostku nebo kouli – jeho vodivost bude vždy stejná.

V nanosvětě je všechno jinak. Změny průměru nanotrubic ovlivní jejich vodivost. Pokud je rozdíl n - m (kde n a m jsou nějaké indexy popisující průměr trubice) dělen třemi, pak nanotrubice vedou proud. Pokud není rozdělena, pak se neprovádí.

Youngův modul je další zajímavá vlastnost, která se projevuje při ohýbání tyče nebo větvičky. Youngův modul ukazuje, jak silně materiál odolává deformaci a napětí. Například u hliníku je tento indikátor dvakrát menší než u železa, to znamená, že odolává dvakrát tak špatně. Opět platí, že hliníková koule nemůže být pevnější než hliníková kostka. Na velikosti a tvaru nezáleží.

V nanosvětě je obrázek opět jiný: čím tenčí je nanodrátek, tím vyšší je jeho Youngův modul. Pokud v našem světě chceme dostat něco z mezipatra, tak zvolíme pevnější židli, aby nám vydržela. V nanosvětě, i když to není tak zřejmé, budeme muset dát přednost menší židli, protože je pevnější.

Pokud se v našem světě udělají díry do nějakého materiálu, přestane být pevný. V nanosvětě je opak pravdou. Pokud do grafenu uděláte mnoho děr, stane se dvaapůlkrát pevnější než nedefektní grafen. Když do papíru uděláme díry, jeho podstata se nezmění. A když uděláme díry do grafenu, odstraníme jeden atom, díky čemuž se objeví nový lokální efekt. Zbývající atomy tvoří novou strukturu, která je chemicky silnější než neporušené oblasti v tomto grafenu.

Praktická aplikace nanotechnologií

Grafen má jedinečné vlastnosti, ale jak je aplikovat v konkrétní oblasti, je stále otázkou. Nyní se používá v prototypech pro jednoelektronové tranzistory (přenášející signál právě jednoho elektronu). Předpokládá se, že v budoucnu se dvouvrstvý grafen s nanopóry (otvory ne v jednom atomu, ale více) může stát ideálním materiálem pro selektivní čištění plynů nebo kapalin. Pro využití grafenu v mechanice potřebujeme velké plochy materiálu bez defektů, ale taková výroba je technologicky extrémně náročná.

Z biologického hlediska také nastává problém s grafenem: jakmile se dostane dovnitř těla, otráví vše. Přestože v medicíně lze grafen použít jako senzor pro „špatné“molekuly DNA (mutující s jiným chemickým prvkem atd.). K tomu se k ní připojí dvě elektrody a jejími póry prochází DNA – na každou molekulu reaguje zvláštním způsobem.

Pánve, jízdní kola, helmy a vložky do bot s přídavkem grafenu se již v Evropě vyrábějí. Jedna finská firma vyrábí komponenty pro automobily, zejména pro vozy Tesla, ve kterých jsou tlačítka, díly palubní desky a obrazovky vyrobeny z poměrně silných nanotrubic. Tyto výrobky jsou odolné a lehké.

Oblast nanotechnologií je výzkumně náročná jak z hlediska experimentů, tak z hlediska numerického modelování. Všechny zásadní problémy vyžadující nízký výkon počítače jsou již vyřešeny. Dnes je hlavním omezením pro výzkum nedostatečný výkon superpočítačů.