Cilvēka dabas iekarošana vēl nav beigusies. Jebkurā gadījumā, kamēr mēs vēl neesam notvēruši nanopasauli un izveidojuši tajā savus noteikumus. Apskatīsim, kas tas ir un kādas iespējas mums dod nanometros izmērītā objektu pasaule.
Kas ir "nano"?
Kādreiz dzirdēja mikroelektronikas sasniegumus. Tagad mēs esam iegājuši jaunā nanotehnoloģijas laikmetā. Kas tad ir šis "nano", kuru šur tur sāka pievienot parastajiem vārdiem, piešķirot tiem jaunu, modernu skanējumu: nanoroboti, nanoaparāti, nanoradio un tā tālāk? Prefikss "nano" tiek izmantots Starptautiskajā mērvienību sistēmā (SI). To izmanto, lai izveidotu apzīmējumu decimāldaļām. Tā ir viena miljardā daļa no sākotnējās vienības. Šajā gadījumā mēs runājam par objektiem, kuru izmēri tiek noteikti nanometros. Tas nozīmē, ka viens nanometrs ir viena miljardā daļa metra. Salīdzinājumam, mikrons (jeb mikrometrs, kas deva nosaukumu mikroelektronikai un turklāt mikrobioloģijai, mikroķirurģijai utt.) Ir viena miljonā daļa metra.
Ja kā piemēru ņemam milimetrus (prefikss "mili-" ir viena tūkstošdaļa), tad milimetrā ir 1 000 000 nanometri (nm) un attiecīgi 1000 mikrometri (μm). Cilvēka matu vidējais biezums ir 0,05–0,07 mm, tas ir, 50 000–70 000 nm. Lai gan matu diametru var uzrakstīt nanometros, tas ir tālu no nanopasaules. Ejam dziļāk un redzam, kas tur ir jau tagad.
Baktēriju vidējais izmērs ir 0,5–5 µm (500–5000 nm). Vīrusi, kas ir viens no galvenajiem baktēriju ienaidniekiem, ir vēl mazāks. Lielākā daļa pētīto vīrusu vidējais diametrs ir 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Bet DNS spirāles diametrs ir 1,8-2,3 nm. Tiek uzskatīts, ka mazākais atoms ir hēlija atoms, tā rādiuss ir 32 pm (0,032 nm) un lielākais ir cezijs 225 pm (0,255 nm). Parasti nanoobjekts tiek uzskatīts par objektu, kura izmērs vismaz vienā dimensijā atrodas nanoskaļā (1–100 nm).
Vai jūs varat redzēt nanopasauli?
Reklāmas video:
Protams, es gribu redzēt visu, ko saka, savām acīm. Nu, vismaz optiskā mikroskopa okulārā. Vai ir iespējams ielūkoties nanopasaulē? Parastais veids, kā mēs novērojam, piemēram, mikrobus, nav iespējams. Kāpēc? Tā kā gaismu ar zināmu vienošanās pakāpi var saukt par nanoviļņiem. Violetas krāsas viļņa garums, no kura sākas redzamais diapazons, ir 380–440 nm. Sarkanās krāsas viļņa garums ir 620-740 nm. Redzamā starojuma viļņu garumi ir simtiem nanometru. Šajā gadījumā parasto optisko mikroskopu izšķirtspēju ierobežo Abbes difrakcijas robeža aptuveni pusē viļņa garuma. Lielākā daļa mums interesējošo objektu ir vēl mazāki.
Tādēļ pirmais solis ceļā uz iekļūšanu nanopasaulē bija transmisijas elektronu mikroskopa izgudrošana. Turklāt pirmo šādu mikroskopu Makss Knols un Ernsts Ruska izveidoja tālajā 1931. gadā. 1986. gadā par viņa izgudrojumu tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Darbības princips ir tāds pats kā parastajam optiskajam mikroskopam. Tikai gaismas vietā elektronu plūsma tiek virzīta uz interesējošo objektu, kuru fokusē magnētiskās lēcas. Ja optiskais mikroskops palielināja apmēram tūkstoš reižu, tad elektronu mikroskops jau bija miljoniem reižu. Bet tam ir arī savi trūkumi. Pirmkārt, ir jāiegūst pietiekami plāni materiālu paraugi darbam. Tiem jābūt caurspīdīgiem elektronu starā, tāpēc to biezums svārstās 20-200 nm diapazonā. Otrkārt, tā irka paraugs elektronu kūļa ietekmē var sadalīties un kļūt nelietojams.
Vēl viens elektronu staru mikroskopa variants ir skenējošais elektronu mikroskops. Tas nespīd caur paraugu, tāpat kā iepriekšējais, bet skenē to ar elektronu staru. Tas ļauj pārbaudīt biezākus paraugus. Analizētā parauga apstrāde ar elektronu staru rada sekundāros un aizmugurē atstarotos elektronus, redzamus (katodoluminiscences) un rentgenstarus, kurus uztver speciāli detektori. Pamatojoties uz saņemtajiem datiem, tiek veidota objekta ideja. Pirmie skenējošie elektronu mikroskopi parādījās 60. gadu sākumā.
Skenējošie zondes mikroskopi ir salīdzinoši jauna mikroskopu klase, kas parādījās jau 80. gados. Jau pieminētā 1986. gada Nobela prēmija fizikā tika sadalīta starp transmisijas elektronu mikroskopa izgudrotājiem Ernstu Rusku un skenējošā tuneļa mikroskopa veidotājiem Gerdu Binnigu un Heinrihu Roheru. Skenējošie mikroskopi ļauj nevis pārbaudīt, bet "sajust" parauga virsmas reljefu. Iegūtie dati pēc tam tiek pārveidoti par attēlu. Atšķirībā no skenējošā elektronu mikroskopa, zonde darbībai izmanto asu skenēšanas adatu. Adata, kuras gals ir tikai dažu atomu biezs, darbojas kā zonde, kas tiek novesta līdz minimālajam attālumam līdz paraugam - 0,1 nm. Skenēšanas laikā adata pārvietojas pa parauga virsmu. Starp galu un parauga virsmu rodas tuneļa strāva,un tā vērtība ir atkarīga no attāluma starp tiem. Izmaiņas tiek reģistrētas, kas ļauj uz to pamata veidot augstuma karti - objekta virsmas grafisku attēlojumu.
Līdzīgu darbības principu izmanto cits mikroskops no skenējošo zondes mikroskopu klases - atomu spēks. Ir arī zondes uzgalis, un līdzīgs rezultāts - grafisks virsmas reljefa attēlojums. Bet tiek mērīts nevis strāvas lielums, bet gan spēka mijiedarbība starp virsmu un zondi. Pirmkārt, ir domāti van der Vālsa spēki, bet arī elastīgie spēki, kapilārie spēki, saķeres spēki un citi. Atšķirībā no skenējošā tuneļa mikroskopa, kuru var izmantot tikai metālu un pusvadītāju izpētei, atomu spēka mikroskops ļauj pētīt arī dielektriskos elementus. Bet tā nav tā vienīgā priekšrocība. Tas ļauj ne tikai ieskatīties nanopasaulē, bet arī manipulēt ar atomiem.
Pentacēna molekula. A ir molekulas modelis. B - attēls, kas iegūts ar skenējošu tuneļa mikroskopu. C - attēls, kas iegūts ar atomu spēka mikroskopu. D - vairākas molekulas (AFM). A, B un C vienā skalā
Foto: Zinātne
Nanomašīnas
Dabā nanoskaļā, tas ir, atomu un molekulu līmenī, notiek daudzi procesi. Mēs, protams, arī tagad varam ietekmēt viņu rīcību. Bet mēs to darām gandrīz akli. Nanomašīnas ir mērķa instruments darbam nanopasaulē; tās ir ierīces, kas ļauj manipulēt ar atsevišķiem atomiem un molekulām. Vēl nesen tikai daba varēja viņus radīt un kontrolēt. Mēs esam viena soļa attālumā no dienas, kad to varam izdarīt arī mēs.
Nanomašīnas
Foto: warosu.org
Ko var darīt nanommašīnas? Veikt, piemēram, ķīmiju. Ķīmisko savienojumu sintēze ir balstīta uz faktu, ka mēs izveidojam nepieciešamos apstākļus ķīmiskās reakcijas norisei. Tā rezultātā mūsu izejā ir noteikta viela. Nākotnē ķīmiskos savienojumus var izveidot, salīdzinoši runājot, mehāniski. Nanomašīnas varēs savienot un atdalīt atsevišķus atomus un molekulas. Tā rezultātā tiks izveidotas ķīmiskās saites vai, gluži pretēji, esošās saites tiks pārrautas. Nanomazīnu veidošana spēs izveidot no atomiem mums vajadzīgās molekulārās struktūras. Ķīmiķu nanoroboti - sintezē ķīmiskos savienojumus. Tas ir sasniegums materiālu ar vēlamām īpašībām radīšanā. Tajā pašā laikā tas ir sasniegums vides aizsardzībā. Ir viegli pieņemt, ka nanomachines ir lielisks līdzeklis atkritumu pārstrādei,no kuriem normālos apstākļos ir grūti atbrīvoties. It īpaši, ja mēs runājam par nanomateriāliem. Galu galā, jo tālāk notiek tehniskais progress, jo grūtāk videi ir tikt galā ar tā rezultātiem. Pārāk ilgi cilvēka izgudroto jauno materiālu sadalīšanās notiek dabiskajā vidē. Ikviens zina, cik ilgs laiks vajadzīgs, lai sadalītu izmestos plastmasas maisiņus - iepriekšējās zinātniskās un tehnoloģiskās revolūcijas produktu. Kas notiks ar nanomateriāliem, kas agrāk vai vēlāk izrādās atkritumi? Tiem pašiem nanoapstrādes aparātiem būs jāveic to apstrāde.cik ilgi jāiznīcina izmesti plastmasas maisiņi - iepriekšējās zinātniskās un tehnoloģiskās revolūcijas rezultāts. Kas notiks ar nanomateriāliem, kas agrāk vai vēlāk izrādās atkritumi? Tiem pašiem nanoiekārtām būs jāveic to apstrāde.cik ilgi jāiznīcina izmesti plastmasas maisiņi - iepriekšējās zinātniskās un tehnoloģiskās revolūcijas rezultāts. Kas notiks ar nanomateriāliem, kas agrāk vai vēlāk izrādās atkritumi? Tiem pašiem nanoapstrādes aparātiem būs jāveic to apstrāde.
Fullerene riteņu nanomachine
Foto: warosu.org
Zinātnieki jau ilgu laiku runā par mehānosintēzi. Tā ir ķīmiskā sintēze, kas notiek caur mehāniskām sistēmām. Tās priekšrocība ir redzama faktā, ka tas ļaus reaģentus izvietot ar lielu precizitātes pakāpi. Bet līdz šim nav instrumenta, kas ļautu to efektīvi ieviest. Protams, šodien pastāvošie atomu spēka mikroskopi var darboties kā šādi instrumenti. Jā, tie ļauj ne tikai ieskatīties nanopasaulē, bet arī darboties ar atomiem. Bet kā makrokosma objekti tie nav vislabāk piemēroti tehnoloģiju masveida pielietošanai, ko nevar teikt par nanomachīnām. Nākotnē tos izmantos, lai izveidotu veselus molekulāros konveijerus un nanorūpnīcas.
Bet jau ir veselas bioloģiskās nanorūpnīcas. Tās pastāv mūsos un visos dzīvajos organismos. Tāpēc no nanotehnoloģijas tiek sagaidīti sasniegumi medicīnā, biotehnoloģijā un ģenētikā. Izveidojot mākslīgos nanomehānismus un ievadot tos dzīvās šūnās, mēs varam sasniegt iespaidīgus rezultātus. Pirmkārt, nanomehānikas var izmantot mērķtiecīgai narkotiku transportēšanai uz vēlamo orgānu. Mums nav jālieto zāles, saprotot, ka tikai daļa no tām nonāks slimajā orgānā. Otrkārt, nanommašīnas jau pārņem genoma rediģēšanas funkcijas. CRISPR / Cas9 tehnoloģija, kas palūrēta no dabas, ļauj veikt izmaiņas gan vienšūnu, gan augstāku organismu, tostarp cilvēku, genomā. Turklāt mēs runājam ne tikai par embriju, bet arī par pieaugušo dzīvo organismu genoma rediģēšanu. Un visu to darīs nanomehānikas.
Nanoradio
Ja nanomachines ir mūsu instruments nanopasaulē, tad tie kaut kā ir jākontrolē. Tomēr arī šeit nav jāizdomā kaut kas principiāli jauns. Viena no visticamākajām vadības metodēm ir radio. Pirmie soļi šajā virzienā jau ir sperti. Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas zinātnieki, ko vada Alekss Zetls, radījuši radio uztvērēju tikai no viena nanocaurules, kuras diametrs ir aptuveni 10 nm. Turklāt nanocaurule vienlaikus darbojas kā antena, selektors, pastiprinātājs un demodulators. Nanoradio uztvērējs var uztvert gan FM, gan AM viļņus ar frekvenci no 40 līdz 400 MHz. Pēc izstrādātāju domām, ierīci var izmantot ne tikai radio signāla saņemšanai, bet arī tā pārraidīšanai.
Saņemtie radioviļņi liek vibrēt nanoradio antenai
nsf.gov
Kā testa signāls kalpoja Ērika Kleptona un Pludmales zēnu mūzika. Zinātnieki raidīja signālu no vienas telpas daļas uz otru, kur atradās viņu radītais radio. Kā izrādījās, signāla kvalitāte bija pietiekami laba. Bet, protams, šāda radio mērķis nav mūzikas klausīšanās. Radiouztvērēju var izmantot dažādās nanodaļās. Piemēram, tajos pašos nanorobotos, kas piegādā zāles, kas caur asinsriti nokļūs vajadzīgajā orgānā.
Nanomateriāli
Materiālu radīšana ar īpašībām, kuras iepriekš nebija iedomājamas, ir vēl viena iespēja, ko mums piedāvā nanotehnoloģija. Lai materiālu varētu uzskatīt par “nano”, nanoskaļā jābūt ar vienu vai vairākiem izmēriem. Vai nu jāizveido, izmantojot nanodaļiņas, vai arī izmantojot nanotehnoloģijas. Visērtākā nanomateriālu klasifikācija mūsdienās ir balstīta uz to strukturālo elementu dimensiju, no kuriem tie sastāv.
Nulle dimensiju (0D) - nanoklusteri, nanokristāli, nanodispersijas, kvantu punkti. Neviena no 0D nanomateriāla malām nepārsniedz nano mērogu. Tie ir materiāli, kuros nanodaļiņas ir izolētas viena no otras. Pirmās sarežģītās nulles dimensiju struktūras, kas iegūtas un pielietotas praksē, ir fullerēni. Fulerēni ir spēcīgākie šodien zināmie antioksidanti. Farmakoloģijā uz tām tiek liktas cerības uz jaunu zāļu radīšanu. Fullerēna atvasinājumi labi parāda sevi HIV ārstēšanā. Veidojot nanomachines, fullerēnus var izmantot kā daļas. Nanomšīna ar fullerēna riteņiem ir parādīta iepriekš.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Viendimensiju (1D) - nanocaurules, šķiedras un stieņi. To garums svārstās no 100 nm līdz desmitiem mikrometru, bet diametrs ir nanoskaļā. Mūsdienās visslavenākie viendimensiju materiāli ir nanocaurules. Viņiem ir unikālas elektriskās, optiskās, mehāniskās un magnētiskās īpašības. Tuvākajā nākotnē nanocaurulēm vajadzētu atrast pielietojumu molekulārajā elektronikā, biomedicīnā un jaunu īpaši spēcīgu un īpaši vieglu kompozītmateriālu radīšanā. Nanocaurules jau tiek izmantotas kā adatas skenēšanas tuneļa un atomu spēka mikroskopos. Iepriekš mēs runājām par nanoradio izveidi, pamatojoties uz nanocaurulītēm. Un, protams, cerība tiek likta uz oglekļa nanocaurulītēm kā kosmosa lifta kabeļa materiāls.
Oglekļa nanocaurule
Foto: wikipedia.org
Divdimensiju (2D) - nanometru biezas plēves (pārklājumi). Tas ir labi pazīstamais grafēns - divdimensiju oglekļa alotropiska modifikācija (Nobela prēmija fizikā 2010. gadā tika piešķirta par grafēnu). Mazāk sabiedrībai pazīstams ir silicēns - silīcija divdimensiju modifikācija, fosfors - fosfors, germanēns - germānijs. Pagājušajā gadā zinātnieki izveidoja borofēnu, kas, atšķirībā no citiem divdimensiju materiāliem, izrādījās nevis plakans, bet gofrēts. Bora atomu izvietojums gofrētas struktūras veidā nodrošina iegūtā nanomateriāla unikālās īpašības. Borofēns apgalvo, ka ir divdimensiju materiālu stiepes izturības līderis.
Borofēna struktūra
Foto: MIPT
Divdimensiju materiāliem būtu jāatrod pielietojums elektronikā, filtrējot jūras ūdens atsāļošanas filtrus (grafēna membrānas) un izveidojot saules baterijas. Tuvākajā nākotnē grafēns skārienekrānu ražošanā var aizstāt indija oksīdu - retu un dārgu metālu.
Trīsdimensiju (3D) nanomateriāli ir pulveri, šķiedru, daudzslāņu un polikristāliski materiāli, kuros iepriekšminētie nulles, viendimensiju un divdimensiju nanomateriāli ir strukturāli elementi. Cieši pieturoties viens pie otra, viņi veido saskarnes savā starpā - saskarnes.
Nanomateriālu veidi
Foto: thesaurus.rusnano.com
Paies vēl nedaudz laika, un nanotehnoloģija - tehnoloģijas, lai manipulētu ar nanomēra mēroga objektiem, kļūs par parastu. Tāpat kā mikroelektroniskās tehnoloģijas ir kļuvušas pazīstamas, dodot mums datorus, mobilos tālruņus, satelītus un daudzus citus mūsdienu informācijas laikmeta atribūtus. Bet nanotehnoloģiju ietekme uz dzīvi būs daudz plašāka. Pārmaiņas mūs sagaida gandrīz visās cilvēka darbības sfērās.
Sergejs Sobols