Osvajanje prirode od strane čovjeka još nije završeno. U svakom slučaju, sve dok još nismo zauzeli nano svijet i u njemu uspostavili svoja vlastita pravila. Pogledajmo što je to i kakve nam mogućnosti pruža svijet objekata izmjeren u nanometrima.
Što je "nano"?
Nekoć su se čula postignuća mikroelektronike. Sada smo ušli u novo doba nanotehnologije. Pa što je to "nano", koji se tu i tamo počeo dodavati uobičajenim riječima, dajući im novi moderni zvuk: nanoroboti, nanomašine, nanoradio i tako dalje? Prefiks "nano" koristi se u Međunarodnom sustavu jedinica (SI). Koristi se za oblikovanje zapisa za decimalne jedinice. Ovo je milijarda izvorne jedinice. U ovom slučaju govorimo o objektima čije se dimenzije određuju u nanometrima. To znači da je jedan nanometar milijarditi dio metra. Za usporedbu, mikron (poznat i kao mikrometar koji je dao ime mikroelektronici, a osim toga, mikrobiologija, mikrokirurgija itd.) Je milijunti dio metra.
Ako za primjer uzmemo milimetre (prefiks "milli" je tisućinka), tada u milimetru ima 1.000.000 nanometara (nm) i, prema tome, 1.000 mikrometara (μm). Ljudska kosa ima prosječnu debljinu od 0,05–0,07 mm, odnosno 50 000–70 000 nm. Iako se promjer kose može zapisati u nanometrima, on je daleko od nano svijeta. Idemo dublje i pogledajte što već sada postoji.
Prosječna veličina bakterija je 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virusi, jedan od glavnih neprijatelja bakterija, još su manji. Prosječni promjer većine proučavanih virusa je 20-300 nm (0,02-0,3 μm). Ali spirala DNA ima promjer 1,8-2,3 nm. Smatra se da je najmanji atom atom helija, radijus mu je 32 pm (0,032 nm), a najveći cezij 225 pm (0,255 nm). Općenito, nanoobjektom se smatra objekt čija je veličina u barem jednoj dimenziji u nanoskali (1–100 nm).
Možete li vidjeti novi svijet?
Promotivni video:
Naravno, želim vidjeti sve što se kaže vlastitim očima. Pa, barem u okularu optičkog mikroskopa. Je li moguće zaviriti u nano svijet? Uobičajeni način, kao što primjećujemo, na primjer, mikrobe, nemoguć je. Zašto? Budući da se svjetlost, uz određeni stupanj konvencionalnosti, može nazvati nanovalima. Valna duljina ljubičaste boje, od koje počinje vidljivi raspon, iznosi 380–440 nm. Valna duljina crvene boje je 620-740 nm. Vidljivo zračenje ima valne duljine stotine nanometara. U ovom je slučaju razlučivost uobičajenih optičkih mikroskopa ograničena Abbeovom difrakcijskom granicom na približno polovini valne duljine. Većina objekata koji nas zanimaju još su manji.
Stoga je prvi korak prema prodiranju u nano svijet bio izum prijenosnog elektronskog mikroskopa. Štoviše, prvi takav mikroskop stvorili su Max Knoll i Ernst Ruska davne 1931. godine. 1986. godine za njegov je izum dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Načelo rada je isto kao i kod uobičajenog optičkog mikroskopa. Samo umjesto svjetlosti, struja elektrona usmjerena je na predmet koji nas zanima, a koji je fokusiran magnetskim lećama. Ako je optički mikroskop povećao oko tisuću puta, tada je elektronski mikroskop već bio milijune puta. Ali ima i svojih nedostataka. Prvo je potrebno dobiti dovoljno tanke uzorke materijala za rad. Moraju biti prozirni u snopu elektrona, tako da njihova debljina varira u rasponu od 20-200 nm. Drugo, jesteda se uzorak pod utjecajem elektronskih zraka može razgraditi i postati neupotrebljiv.
Druga inačica elektronskog mikroskopa je skenirajući elektronski mikroskop. Ne sjaji kroz uzorak, kao prethodni, već ga skenira elektronskim snopom. To omogućuje ispitivanje debljih uzoraka. Obradom analiziranog uzorka snopom elektrona nastaju sekundarni i povratno reflektirani elektroni, vidljivi (katodoluminescencija) i X-zrake, koji se hvataju posebnim detektorima. Na temelju primljenih podataka formira se predodžba o objektu. Prvi elektronski mikroskopi koji se skeniraju pojavili su se početkom 1960-ih.
Skenirajući sondni mikroskopi relativno su nova klasa mikroskopa koji su se pojavili već 80-ih. Već spomenuta Nobelova nagrada za fiziku iz 1986. godine podijeljena je između izumitelja prijenosnog elektronskog mikroskopa Ernsta Ruske i stvaratelja mikroskopa za skeniranje tunela Gerda Binniga i Heinricha Rohrera. Skenirajući mikroskopi omogućuju ne ispitivanje, već "osjetiti" reljef površine uzorka. Dobiveni podaci se zatim pretvaraju u sliku. Za razliku od elektronskog mikroskopa za skeniranje, sonda za rad koristi oštru iglu za skeniranje. Igla, čiji je vrh debeo samo nekoliko atoma, djeluje kao sonda koja se dovodi na najmanju udaljenost od uzorka - 0,1 nm. Tijekom skeniranja, igla se kreće površinom uzorka. Struja tuneliranja nastaje između vrha i površine uzorka,a njegova vrijednost ovisi o udaljenosti između njih. Promjene se bilježe, što omogućuje izradu karte visina na njihovoj osnovi - grafički prikaz površine objekta.
Sličan princip rada koristi i drugi mikroskop iz klase mikroskopa za skeniranje sondi - atomska sila. Tu je i vrh sonde, a sličan rezultat - grafički prikaz reljefa površine. Ali ne mjeri se veličina struje, već interakcija sila između površine i sonde. Prije svega, podrazumijevaju se van der Waalsove sile, ali i elastične sile, kapilarne sile, adhezijske sile i druge. Za razliku od mikroskopa za skeniranje tunela, koji se može koristiti samo za proučavanje metala i poluvodiča, mikroskop atomske sile također omogućuje proučavanje dielektrika. Ali to nije jedina njegova prednost. Omogućuje ne samo pogled u novi svijet, već i manipuliranje atomima.
Molekula pentacena. A je model molekule. B - slika dobivena skenirajućim tunelskim mikroskopom. C - slika dobivena atomskim mikroskopom. D - nekoliko molekula (AFM). A, B i C na istoj ljestvici
Foto: Znanost
Nanomašine
U prirodi se na nanomjeru, odnosno na razini atoma i molekula, odvijaju mnogi procesi. Možemo, naravno, još uvijek utjecati na njihov postupak. Ali to radimo gotovo slijepo. Nanomašine su ciljani instrument za rad u nano svijetu, uređaji koji omogućuju manipulaciju pojedinačnim atomima i molekulama. Donedavno ih je mogla stvarati i kontrolirati samo priroda. Na korak smo od dana kada i to možemo učiniti.
Nanomašine
Foto: warosu.org
Što mogu nanomašine? Uzmimo za primjer kemiju. Sinteza kemijskih spojeva temelji se na činjenici da stvaramo potrebne uvjete za nastavak kemijske reakcije. Kao rezultat, na izlazu imamo određenu tvar. U budućnosti se kemijski spojevi mogu stvarati, relativno govoreći, mehanički. Nanomašine će moći povezivati i razdvajati pojedinačne atome i molekule. Kao rezultat toga, stvorit će se kemijske veze ili, obratno, postojeće veze će se prekinuti. Izgradnja nanomašina moći će od atoma stvoriti molekularne strukture koje su nam potrebne. Kemijski nanoroboti - sintetiziraju kemijske spojeve. Ovo je proboj u stvaranju materijala sa željenim svojstvima. Istodobno, to je proboj u zaštiti okoliša. Lako je pretpostaviti da su nanostrojevi izvrstan alat za recikliranje otpada,kojima se u normalnim uvjetima teško raspolagati. Pogotovo ako govorimo o nanomaterijalima. Napokon, što daljnji tehnički napredak ide, to se okoliš teže nosi sa svojim rezultatima. Predugo se razgradnja novih materijala koje je čovjek izumio odvija u prirodnom okruženju. Svatko zna koliko je vremena potrebno za razgradnju odbačenih plastičnih vrećica - proizvod prethodne znanstvene i tehnološke revolucije. Što će biti s nanomaterijalima, koji se prije ili kasnije pokažu smećem? Isti nanomašini morat će obaviti svoju obradu.koliko vremena odbačenim plastičnim vrećicama treba da se razgrade - proizvod prethodne znanstvene i tehnološke revolucije. Što će biti s nanomaterijalima, koji se prije ili kasnije pokažu smećem? Isti nanomašini morat će obaviti svoju obradu.koliko vremena odbačenim plastičnim vrećicama treba da se razgrade - proizvod prethodne znanstvene i tehnološke revolucije. Što će biti s nanomaterijalima, koji se prije ili kasnije pokažu smećem? Isti nanomašini morat će obaviti svoju obradu.
Nomašina s kotačima od fulerena
Foto: warosu.org
Znanstvenici već dugo govore o mehanosintezi. To je kemijska sinteza koja se odvija kroz mehaničke sustave. Njegova prednost vidi se u činjenici da će omogućiti pozicioniranje reaktanata s visokim stupnjem točnosti. Ali zasad ne postoji alat koji bi omogućio njegovu učinkovitu provedbu. Naravno, danas postojeći atomski mikroskopi mogu djelovati kao takvi instrumenti. Da, oni omogućuju ne samo pogled u nano svijet, već i rad s atomima. Ali kao objekti makrokozmosa nisu najprikladniji za masovnu primjenu tehnologije, što se ne može reći o nanostrojevima. U budućnosti će se koristiti za stvaranje čitavih molekularnih transportera i nano tvornica.
Ali već postoje čitave biološke nano tvornice. Postoje u nama i u svim živim organizmima. Zbog toga se od nanotehnologije očekuju otkrića u medicini, biotehnologiji i genetici. Stvaranjem umjetnih nanomašina i njihovim uvođenjem u žive stanice možemo postići impresivne rezultate. Prvo, nanomatini se mogu koristiti za ciljani transport lijekova do željenog organa. Ne moramo uzimati lijek, shvaćajući da će samo njegov dio doći do oboljelog organa. Drugo, nanomatine već preuzimaju funkcije uređivanja genoma. CRISPR / Cas9 tehnologija, izvirena iz prirode, omogućuje vam promjene u genomu jednoćelijskih i viših organizama, uključujući ljude. Štoviše, govorimo ne samo o uređivanju genoma zametaka, već i o genomu živih odraslih organizama. A nanomachines će sve to učiniti.
Nanoradio
Ako su nanomatine naš instrument u nanom svijetu, onda ih nekako treba kontrolirati. Međutim, ni ovdje nije potrebno izmišljati nešto bitno novo. Jedna od najvjerojatnijih metoda upravljanja je radio. Prvi koraci u ovom smjeru su već poduzeti. Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Berkeley, pod vodstvom Alexa Zettlea, stvorili su radio prijamnik od samo jedne nanocijevi promjera oko 10 nm. Štoviše, nanocijev istovremeno djeluje kao antena, selektor, pojačalo i demodulator. Nano-radio prijemnik može primati FM i AM valove s frekvencijom od 40 do 400 MHz. Prema programerima, uređaj se može koristiti ne samo za primanje radio signala, već i za njegov prijenos.
Primljeni radio valovi čine da nanoradio antena vibrira
nsf.gov
Glazba Erica Claptona i Beach Boysa poslužila je kao testni signal. Znanstvenici su prenijeli signal iz jednog dijela sobe u drugi, gdje se nalazio radio koji su stvorili. Ispostavilo se da je kvaliteta signala bila dovoljno dobra. Ali, naravno, svrha takvog radija nije slušanje glazbe. Radio prijamnik se može primijeniti na razne nanouređaje. Primjerice, kod istih nanorobota koji dostavljaju lijekove koji će krvotokom proći do željenog organa.
Nanomaterijali
Stvaranje materijala s svojstvima koja su prije bila nezamisliva još je jedna prilika koju nam nudi nanotehnologija. Da bi se materijal smatrao "nano", materijal mora imati jednu ili više dimenzija u nanoskali. Ili biti stvoreni pomoću nanočestica ili pomoću nanotehnologije. Danas najprikladnija klasifikacija nanomaterijala temelji se na dimenziji strukturnih elemenata od kojih su sastavljeni.
Nula-dimenzionalni (0D) - nanoklasteri, nanokristali, nanodisperzije, kvantne točke. Nijedna strana 0D nanomaterijala ne prelazi nanosu. To su materijali u kojima su nanočestice međusobno izolirane. Prve složene nuldimenzionalne strukture dobivene i primijenjene u praksi su fulereni. Fulereni su najjači danas poznati antioksidanti. U farmakologiji se na njih polažu nade u stvaranje novih lijekova. Derivati fulerena dobro se pokazuju u liječenju HIV-a. A pri stvaranju nanomašina, fulereni se mogu koristiti kao dijelovi. Nanostroj s fulerenskim kotačima prikazan je gore.
Fuleren
Foto: wikipedia.org
Jednodimenzionalni (1D) - nanocijevi, vlakna i šipke. Duljina im se kreće od 100 nm do desetaka mikrometara, ali promjer je unutar nanorazmjera. Najpoznatiji jednodimenzionalni materijali danas su nanocijevi. Imaju jedinstvena električna, optička, mehanička i magnetska svojstva. U bliskoj budućnosti nanocijevi bi trebale pronaći primjenu u molekularnoj elektronici, biomedicini i u stvaranju novih superjakih i ultralakih kompozitnih materijala. Nanocijevi se već koriste kao igle u skenirajućim tunelima i mikroskopima atomske sile. Iznad smo govorili o stvaranju nanoradioa na bazi nanocijevi. I, naravno, nada se polaže na ugljične nanocijevi kao materijal za kabel svemirskog dizala.
Ugljična nanocijev
Foto: wikipedia.org
Dvodimenzionalni (2D) - filmovi (premazi) debljine nanometara. Riječ je o dobro poznatom grafenu - dvodimenzionalnoj alotropskoj modifikaciji ugljika (za grafen je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku za 2010. godinu). Javnosti su manje poznati silicen - dvodimenzionalna modifikacija silicija, fosfor - fosfor, germanen - germanij. Prošle su godine znanstvenici stvorili borofen, koji se, za razliku od ostalih dvodimenzionalnih materijala, pokazao nije ravan, već valovit. Raspored atoma bora u obliku valovite strukture pruža jedinstvena svojstva dobivenog nanomaterijala. Borofen tvrdi da je vodeći u vlačnoj čvrstoći među dvodimenzionalnim materijalima.
Građa borofena
Foto: MIPT
Dvodimenzionalni materijali trebali bi naći primjenu u elektronici, u dizajnu filtara za desalinizaciju morske vode (grafenske membrane) i stvaranju solarnih ćelija. U bliskoj budućnosti grafen može zamijeniti indij-oksid - rijedak i skup metal - u proizvodnji zaslona osjetljivih na dodir.
Trodimenzionalni (3D) nanomaterijali su prašci, vlaknasti, višeslojni i polikristalni materijali, u kojima su gornji nultodimenzionalni, jednodimenzionalni i dvodimenzionalni nanomaterijali strukturni elementi. Usko se pridržavajući, međusobno čine sučelja - sučelja.
Vrste nanomaterijala
Foto: thesaurus.rusnano.com
Proći će još malo vremena i nanotehnologija - tehnologije za manipulaciju nanorazmjernim objektima postat će uobičajena. Baš kao što su se mikroelektronske tehnologije postale poznate, dajući nam računala, mobitele, satelite i mnoge druge atribute modernog informacijskog doba. Ali utjecaj nanotehnologije na život bit će mnogo širi. Očekuju nas promjene u gotovo svim sferama ljudskog djelovanja.
Sergey Sobol
