Robot cỡ phân tử: Công nghệ nano đang chuẩn bị cho chúng ta điều gì?

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Những phát triển hiện đại trong lĩnh vực công nghệ nano trong tương lai sẽ cho phép tạo ra những robot nhỏ đến mức có thể phóng vào máu người. Các "bộ phận" của một robot như vậy sẽ là một chiều và càng nhỏ, càng mạnh. Dmitry Kvashnin, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Hóa học tổ chức sinh học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, người làm việc trong lĩnh vực khoa học vật liệu lý thuyết (các thí nghiệm máy tính trong lĩnh vực công nghệ nano), đã nói về những nghịch lý của thế hệ nano. T&P đã viết điều chính.

Dmitry Kvashnin

Công nghệ nano là gì

Sử dụng công nghệ nano, chúng tôi muốn tạo ra các robot có thể được gửi vào không gian hoặc nhúng vào các mạch máu, để chúng phân phối thuốc đến các tế bào, giúp các tế bào hồng cầu di chuyển theo đúng hướng, v.v. Một thiết bị trong những robot như vậy bao gồm một tá các bộ phận. Một chi tiết là một nguyên tử. Một bánh răng là mười nguyên tử, 10-9 mét, tức là một nanomet. Toàn bộ một con robot là một vài nanomet.

10-9 là gì? Làm thế nào để trình bày nó? Để so sánh, một sợi tóc người bình thường có kích thước khoảng 10-5 mét. Tế bào hồng cầu, tế bào máu cung cấp oxy cho cơ thể của chúng ta, có kích thước khoảng 7 micron, cũng khoảng 10-5 mét. Nano kết thúc và thế giới của chúng ta bắt đầu vào thời điểm nào? Khi chúng ta có thể nhìn thấy một vật bằng mắt thường.

Ba chiều, hai chiều, một chiều

Ba chiều, hai chiều và một chiều là gì và chúng ảnh hưởng như thế nào đến vật liệu và tính chất của chúng trong công nghệ nano? Tất cả chúng ta đều biết rằng 3D là ba chiều. Có một bộ phim bình thường, và có một bộ phim 3D, nơi tất cả các loại cá mập bay ra khỏi màn hình về phía chúng tôi. Theo nghĩa toán học, 3D trông giống như sau: y = f (x, y, z), trong đó y phụ thuộc vào ba kích thước - chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Quen thuộc với tất cả Mario trong không gian ba chiều là khá cao, rộng và đầy đặn.

Khi chuyển sang hai chiều, một trục sẽ biến mất: y = f (x, y). Mọi thứ ở đây đơn giản hơn nhiều: Mario vừa cao vừa rộng chứ không hề mập, vì không ai có thể béo hay gầy theo hai chiều.

Nếu chúng ta tiếp tục giảm, thì trong một chiều mọi thứ sẽ trở nên khá đơn giản, sẽ chỉ còn lại một trục: y = f (x). Mario trong 1D chỉ dài - chúng tôi không nhận ra anh ấy, nhưng đó vẫn là anh ấy.

Từ ba chiều - thành hai chiều

Vật liệu phổ biến nhất trong thế giới của chúng ta là carbon. Nó có thể tạo thành hai chất hoàn toàn khác nhau - kim cương, vật liệu bền nhất trên Trái đất, và than chì, và than chì có thể trở thành kim cương chỉ đơn giản là thông qua áp suất cao. Nếu ngay cả trong thế giới của chúng ta, một nguyên tố có thể tạo ra các vật liệu hoàn toàn khác nhau với các đặc tính trái ngược nhau, thì điều gì sẽ xảy ra trong thế giới nano?

Graphite được biết đến chủ yếu như một loại chì kẻ. Kích thước của đầu bút chì là khoảng một mm, tức là 10-3 mét. Chì nano trông như thế nào? Nó chỉ đơn giản là một tập hợp các lớp nguyên tử cacbon tạo thành một cấu trúc phân lớp. Trông giống như một xấp giấy.

Khi chúng ta viết bằng bút chì, một dấu vết vẫn còn trên giấy. Nếu chúng ta vẽ một sự tương tự với một xấp giấy, thì giống như thể chúng ta đang rút một tờ giấy ra khỏi đó. Lớp than chì mỏng còn lại trên giấy là 2D và chỉ dày một nguyên tử. Đối với một vật thể được coi là hai chiều, độ dày của nó phải nhỏ hơn nhiều (ít nhất mười) lần so với chiều rộng và chiều dài của nó.

Nhưng có một nhược điểm. Vào những năm 1930, Lev Landau và Rudolf Peierls đã chứng minh rằng tinh thể hai chiều không ổn định và sụp đổ do dao động nhiệt (sai lệch ngẫu nhiên của các đại lượng vật lý so với giá trị trung bình của chúng do chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt - Xấp xỉ T&P). Nó chỉ ra rằng vật chất phẳng hai chiều không thể tồn tại vì lý do nhiệt động lực học. Đó là, có vẻ như chúng ta không thể tạo nano ở dạng 2D. Tuy nhiên, không! Konstantin Novoselov và Andrey Geim đã tổng hợp graphene. Graphene trong nano không phẳng, nhưng hơi gợn sóng và do đó ổn định.

Nếu trong thế giới ba chiều của chúng ta, chúng ta lấy ra một tờ giấy từ một xấp giấy, thì tờ giấy đó sẽ vẫn là giấy, các tính chất của nó sẽ không thay đổi. Nếu một lớp graphit bị loại bỏ trong thế giới nano, thì graphene tạo thành sẽ có các đặc tính độc đáo không giống với graphite "tiền thân" của nó. Graphene trong suốt, nhẹ, cứng hơn thép 100 lần, nhiệt điện và dẫn điện tuyệt vời. Nó đang được nghiên cứu rộng rãi và đã trở thành cơ sở cho bóng bán dẫn.

Ngày nay, khi mọi người đều hiểu rằng về nguyên tắc có thể tồn tại vật liệu hai chiều, các lý thuyết xuất hiện rằng các thực thể mới có thể thu được từ silicon, boron, molypden, vonfram, v.v.

Và xa hơn nữa - trong một chiều không gian

Graphene trong 2D có chiều rộng và chiều dài. Làm thế nào để biến 1D ra khỏi nó và điều gì sẽ xảy ra cuối cùng? Một phương pháp là cắt nó thành các dải ruy băng mỏng. Nếu chiều rộng của chúng giảm đến mức tối đa có thể, thì nó sẽ không còn chỉ là những dải băng nữa mà là một vật thể nano độc đáo khác - carbyne. Nó được phát hiện bởi các nhà khoa học Liên Xô (các nhà hóa học Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin và V. V. Korshak. - T&P note) vào những năm 1960.

Cách thứ hai để tạo ra một vật thể một chiều là cuộn graphene thành một cái ống, giống như một tấm thảm. Chiều dày của ống này sẽ nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của nó. Nếu giấy được cuộn hoặc cắt thành dải, nó vẫn là giấy. Nếu graphene được cuộn thành một ống, nó sẽ biến đổi thành một dạng carbon mới - một ống nano, có một số đặc tính độc đáo.

Các đặc tính thú vị của nanoobjects

Độ dẫn điện là mức độ tốt hay kém của vật liệu dẫn dòng điện. Trong thế giới của chúng ta, nó được mô tả bằng một con số cho mỗi vật liệu và không phụ thuộc vào hình dạng của nó. Không quan trọng bạn làm một hình trụ, khối lập phương hay quả bóng bằng bạc - độ dẫn điện của nó sẽ luôn như nhau.

Mọi thứ đều khác biệt trong thế giới nano. Những thay đổi về đường kính của ống nano sẽ ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chúng. Nếu sự khác biệt n - m (trong đó n và m là một số chỉ số mô tả đường kính của ống) được chia cho ba, thì các ống nano dẫn dòng điện. Nếu nó không được phân chia, thì nó không được thực hiện.

Mô đun của Young là một đặc tính thú vị khác thể hiện khi một thanh hoặc cành cây bị uốn cong. Mô đun của Young cho thấy một vật liệu chống lại sự biến dạng và ứng suất mạnh như thế nào. Ví dụ, đối với nhôm, chỉ số này kém hơn sắt hai lần, tức là nó có khả năng chống chịu kém gấp đôi. Một lần nữa, một quả cầu bằng nhôm không thể mạnh hơn một khối nhôm. Kích thước và hình dạng không quan trọng.

Trong thế giới nano, bức tranh lại khác: dây nano càng mỏng, môđun Young của nó càng cao. Nếu trong thế giới của chúng ta, chúng ta muốn lấy một thứ gì đó từ gác lửng, thì chúng ta sẽ chọn một chiếc ghế chắc chắn hơn để nó có thể chịu được chúng ta. Trong thế giới nano, mặc dù nó không quá rõ ràng nhưng chúng ta sẽ phải thích chiếc ghế nhỏ hơn vì nó chắc chắn hơn.

Nếu các lỗ được tạo ra trong một số vật liệu trong thế giới của chúng ta, thì nó sẽ không còn bền nữa. Trong thế giới nano, điều ngược lại là đúng. Nếu bạn tạo nhiều lỗ trên graphene, nó sẽ trở nên mạnh hơn gấp hai lần rưỡi so với graphene không bị lỗi. Khi chúng ta chọc lỗ trên tờ giấy, bản chất của nó không thay đổi. Và khi chúng tôi tạo ra các lỗ trên graphene, chúng tôi loại bỏ một nguyên tử, do đó hiệu ứng cục bộ mới xuất hiện. Các nguyên tử còn lại tạo thành một cấu trúc mới mạnh hơn về mặt hóa học so với các vùng nguyên vẹn trong graphene này.

Ứng dụng thực tế của công nghệ nano

Graphene có những đặc tính độc đáo, nhưng làm thế nào để áp dụng chúng trong một lĩnh vực cụ thể vẫn còn là một câu hỏi. Hiện nó được sử dụng trong các nguyên mẫu cho bóng bán dẫn đơn electron (truyền tín hiệu của chính xác một electron). Người ta tin rằng trong tương lai, graphene hai lớp với các lỗ nano (lỗ không nằm trong một nguyên tử, mà là nhiều hơn) có thể trở thành vật liệu lý tưởng để tinh lọc chọn lọc khí hoặc chất lỏng. Để sử dụng graphene trong cơ khí, chúng ta cần những vùng vật liệu lớn không có khuyết tật, nhưng việc sản xuất như vậy là cực kỳ khó khăn về mặt công nghệ.

Từ quan điểm sinh học, một vấn đề cũng nảy sinh với graphene: một khi nó vào bên trong cơ thể, nó sẽ đầu độc mọi thứ. Mặc dù trong y học, graphene có thể được sử dụng như một cảm biến cho các phân tử DNA “xấu” (đột biến với một nguyên tố hóa học khác, v.v.). Để làm điều này, hai điện cực được gắn vào nó và DNA được đưa qua các lỗ của nó - nó phản ứng với từng phân tử theo một cách đặc biệt.

Chảo, xe đạp, mũ bảo hiểm và lót giày có bổ sung graphene đã được sản xuất ở châu Âu. Một công ty Phần Lan sản xuất các linh kiện cho ô tô, đặc biệt là ô tô Tesla, trong đó các nút bấm, bộ phận bảng điều khiển và màn hình được làm bằng các ống nano khá dày. Các sản phẩm này bền và nhẹ.

Lĩnh vực công nghệ nano rất khó để nghiên cứu cả từ quan điểm thí nghiệm và quan điểm của mô hình số. Tất cả các vấn đề cơ bản yêu cầu năng lượng máy tính thấp đã được giải quyết. Ngày nay, hạn chế chính của nghiên cứu là không đủ sức mạnh của các siêu máy tính.