Завладяването на природата от човека все още не е приключило. Във всеки случай все още не сме заловили наносвета и сме установили свои собствени правила в него. Нека да видим какво е това и какви възможности ни дава светът на обектите, измерен в нанометри.
Какво е "нано"?
Едно време се чуваха постиженията на микроелектрониката. Сега навлязохме в нова ера на нанотехнологиите. И така, какво е това "нано", което тук-там започна да добавя към обичайните думи, придавайки им нов модерен звук: нанороботи, наномашини, нанорадио и така нататък? Префиксът "nano" се използва в Международната система от единици (SI). Използва се за формиране на нотация за десетични единици. Това е една милиардна част от първоначалната единица. В този случай говорим за обекти, чиито размери се определят в нанометри. Това означава, че един нанометър е една милиардна част от метъра. За сравнение, един микрон (известен още като микрометър, който е дал името на микроелектрониката и освен това микробиология, микрохирургия и др.) Е една милионна част от метъра.
Ако вземем за пример милиметри (префиксът „мили-“е една хилядна), тогава в милиметър има 1 000 000 нанометра (nm) и съответно 1 000 микрометра (μm). Човешката коса има средна дебелина от 0,05–0,07 mm, т.е. 50 000–70 000 nm. Въпреки че диаметърът на косата може да се запише в нанометри, това далеч не е наносвета. Нека да отидем по-дълбоко и да видим какво има вече сега.
Средният размер на бактериите е 0,5–5 µm (500–5000 nm). Вирусите, един от основните врагове на бактериите, са още по-малки. Средният диаметър на повечето от изследваните вируси е 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Но спиралата на ДНК има диаметър 1,8-2,3 nm. Смята се, че най-малкият атом е хелиев атом, радиусът му е 32 pm (0,032 nm), а най-големият е цезий 225 pm (0,255 nm). Като цяло нанообектът ще се счита за обект, чийто размер в поне едно измерение е в наномащаба (1–100 nm).
Можете ли да видите новия свят?
Промоционално видео:
Разбира се, искам да видя всичко, което се казва с моите очи. Е, поне през окуляра на оптичен микроскоп. Възможно ли е да погледнем в новия свят? Обичайният начин, както наблюдаваме например микробите, е невъзможен. Защо? Защото светлината, с известна степен на условност, може да се нарече нановълни. Дължината на вълната на виолетовия цвят, от който започва видимият обхват, е 380–440 nm. Дължината на вълната на червения цвят е 620-740 nm. Видимото лъчение има дължини на вълните от стотици нанометри. В този случай разделителната способност на конвенционалните оптични микроскопи е ограничена от границата на дифракция на Abbe при около половината от дължината на вълната. Повечето от обектите, които ни интересуват, са още по-малки.
Следователно първата стъпка към проникването в наносвета е изобретяването на трансмисионния електронен микроскоп. Нещо повече, първият такъв микроскоп е създаден от Макс Нол и Ернст Руска през 1931 година. През 1986 г. за неговото изобретение е присъдена Нобелова награда за физика. Принципът на действие е същият като този на конвенционалния оптичен микроскоп. Само вместо светлина към обекта, който ни интересува, е насочен поток от електрони, който е фокусиран от магнитни лещи. Ако оптичният микроскоп даде увеличение от около хиляда пъти, тогава електронният микроскоп вече е бил милиони пъти. Но има и своите недостатъци. Първо, необходимо е да се получат достатъчно тънки проби от материали за работа. Те трябва да са прозрачни в електронен лъч, така че дебелината им варира в диапазона 20–200 nm. Второ, така ече пробата под въздействието на електронни лъчи може да се разложи и да стане неизползваема.
Друга версия на електронния микроскоп е сканиращият електронен микроскоп. Той не прониква през пробата, както предишната, но я сканира с електронен лъч. Това позволява да се изследват по-дебели проби. Обработката на анализираната проба с електронен лъч генерира вторични и обратно отразени електрони, видими (катодолуминесценция) и рентгенови лъчи, които се улавят от специални детектори. Въз основа на получените данни се формира представа за обекта. Първите сканиращи електронни микроскопи се появяват в началото на 60-те години.
Сканиращите сондови микроскопи са сравнително нов клас микроскопи, които се появяват още през 80-те години. Вече споменатата Нобелова награда за физика за 1986 г. беше разделена между изобретателя на пропускащия електронен микроскоп Ернст Руска и създателите на сканиращия тунелен микроскоп Герд Биниг и Хайнрих Рорер. Сканиращите микроскопи дават възможност не да се изследва, а да се "усети" релефа на повърхността на пробата. След това получените данни се преобразуват в изображение. За разлика от сканиращия електронен микроскоп, сондата използва остра сканираща игла за работа. Иглата, чийто връх е с дебелина само няколко атома, действа като сонда, която се довежда до минималното разстояние до пробата - 0,1 nm. По време на сканирането иглата се движи по повърхността на пробата. Тунелен ток възниква между върха и повърхността на пробата,а стойността му зависи от разстоянието между тях. Промените се записват, което позволява изграждането на карта на височината на тяхна основа - графично представяне на повърхността на обекта.
Подобен принцип на действие се използва и от друг микроскоп от класа на сканиращите сондови микроскопи - атомна сила. Има и накрайник на сондата, и подобен резултат - графично изображение на повърхностния релеф. Но не се измерва величината на тока, а силовото взаимодействие между повърхността и сондата. На първо място се имат предвид силите на ван дер Ваалс, но също така и еластични сили, капилярни сили, сили на сцепление и други. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп, който може да се използва само за изследване на метали и полупроводници, атомно-силовият микроскоп също позволява изследването на диелектриците. Но това не е единственото му предимство. Той позволява не само да погледнем в наносвета, но и да манипулираме атоми.
Пентацен молекула. А е модел на молекула. B - изображение, получено чрез сканиращ тунелен микроскоп. C - изображение, получено чрез атомно-силов микроскоп. D - няколко молекули (AFM). A, B и C в една и съща скала
Снимка: Наука
Наномашини
В природата на наномащаба, тоест на нивото на атомите и молекулите, протичат много процеси. Разбира се, сега можем да повлияем и на начина, по който протичат. Но го правим почти сляпо. Наномашините са целенасочен инструмент за работа в наносвета; те са устройства, които позволяват на човек да манипулира единични атоми и молекули. Доскоро само природата можеше да ги създава и контролира. На крачка сме от деня, в който и ние можем да го направим.
Наномашини
Снимка: warosu.org
Какво могат да направят наномашините? Вземете например химията. Синтезът на химични съединения се основава на факта, че ние създаваме необходимите условия за протичане на химична реакция. В резултат на това имаме определено вещество на изхода. В бъдеще химическите съединения могат да се създават, относително погледнато, механично. Наномашините ще могат да свързват и отделят отделни атоми и молекули. В резултат на това ще се образуват химически връзки или, обратно, съществуващите връзки ще се скъсат. Изграждането на наномашини ще може да създаде молекулярните структури, от които се нуждаем, от атоми. Нанороботи-химици - синтезират химични съединения. Това е пробив в създаването на материали с желани свойства. В същото време това е пробив в опазването на околната среда. Лесно е да се предположи, че наномашините са чудесен инструмент за рециклиране на отпадъци,които при нормални условия са трудни за изхвърляне. Особено ако говорим за наноматериали. В крайна сметка, колкото по-нататъшен технически напредък върви, толкова по-трудно е околната среда да се справи с резултатите си. Твърде дълго разграждането на нови материали, измислени от човека, се извършва в естествената среда. Всички знаят колко време отнема изхвърлянето на изхвърлените найлонови торбички - продукт на предишната научна и технологична революция. Какво ще се случи с наноматериалите, които рано или късно се оказват боклук? Същите наномашини ще трябва да извършат своята обработка.колко време отнема изхвърлените найлонови торбички за разлагане - продукт на предишна научна и технологична революция. Какво ще се случи с наноматериалите, които рано или късно се оказват боклук? Същите наномашини ще трябва да извършат своята обработка.колко време отнема изхвърлените найлонови торбички, за да се разложат - продукт на предишна научна и технологична революция. Какво ще се случи с наноматериалите, които рано или късно се оказват боклук? Същите наномашини ще трябва да извършат своята обработка.
Наномашина с фулеренови колела
Снимка: warosu.org
Учените отдавна говорят за механосинтезата. Това е химичен синтез, който се осъществява чрез механични системи. Предимството му се вижда във факта, че ще позволи позиционирането на реагентите с висока степен на точност. Но засега няма инструмент, който да позволи ефективното му прилагане. Разбира се, съществуващите днес атомно-силови микроскопи могат да действат като такива инструменти. Да, те позволяват не само да погледнем в наносвета, но и да оперираме с атоми. Но те, като обекти на макрокосмоса, не са най-подходящи за масовото приложение на технологиите, което не може да се каже за наномашините. В бъдеще те ще бъдат използвани за създаване на цели молекулярни конвейери и нанофабрики.
Но сега има цели биологични нанофабрики. Те съществуват в нас и във всички живи организми. Ето защо от нанотехнологиите се очакват пробиви в медицината, биотехнологиите и генетиката. Чрез създаването на изкуствени наномашини и въвеждането им в живите клетки можем да постигнем впечатляващи резултати. Първо, наномашините могат да се използват за целенасочен транспорт на лекарствата до желания орган. Не е нужно да приемаме лекарства, осъзнавайки, че само част от тях ще стигне до болния орган. Второ, наномашините вече поемат функциите за редактиране на генома. Технологията CRISPR / Cas9, надничана от природата, ви позволява да правите промени в генома както на едноклетъчните, така и на висшите организми, включително хората. Освен това говорим не само за редактиране на генома на ембриони, но и на генома на живите възрастни организми. И наномашините ще направят всичко това.
Нанорадио
Ако наномашините са нашият инструмент в наносвета, тогава те по някакъв начин трябва да бъдат контролирани. Тук обаче също няма нужда да измисляме нещо принципно ново. Един от най-вероятните методи за контрол е радиото. Първите стъпки в тази посока вече са направени. Учени от Националната лаборатория "Лорънс Бъркли", водени от Алекс Цетъл, създадоха радиоприемник само от една нанотръба с диаметър около 10 nm. Освен това нанотръбата действа едновременно като антена, селектор, усилвател и демодулатор. Нано-радио приемникът може да приема FM и AM вълни с честота от 40 до 400 MHz. Според разработчиците устройството може да се използва не само за получаване на радиосигнал, но и за предаването му.
Получените радиовълни карат нанорадио антената да вибрира
nsf.gov
Музиката на Ерик Клептън и момчетата от плажа служи като тест сигнал. Учените предават сигнал от една част на стаята в друга, където се намира радиото, което са създали. Както се оказа, качеството на сигнала беше доста добро. Но, естествено, целта на такова радио не е да слуша музика. Радиоприемникът може да се прилага в различни наноустройства. Например при същите нанороботи, доставящи лекарства, които ще си проправят път до желания орган чрез кръвообращението.
Наноматериали
Създаването на материали със свойства, които досега са били невъобразими, е друга възможност, която ни предлага нанотехнологията. За да се счита за „нано“, материалът трябва да има един или повече размери в наномащаба. Или да бъдат създадени с помощта на наночастици, или чрез нанотехнологии. Днес най-удобната класификация на наноматериалите е според размерите на структурните елементи, от които са съставени.
Нулеви измерения (0D) - нанокластери, нанокристали, нанодисперсии, квантови точки. Нито една от страните на 0D наноматериала не надхвърля наномащаба. Това са материали, в които наночастиците са изолирани една от друга. Първите сложни нулемерни структури, получени и приложени на практика, са фулерени. Фулерените са най-силните антиоксиданти, познати днес. Във фармакологията върху тях се възлагат надежди за създаването на нови лекарства. Производните на фулерен се показват добре при лечението на ХИВ. И когато създавате наномашини, фулерените могат да се използват като части. Наномашината с фулеренови колела е показана по-горе.
Фулерен
Снимка: wikipedia.org
Едномерни (1D) - нанотръби, влакна и пръчки. Дължината им варира от 100 nm до десетки микрометри, но диаметърът им попада в наномащаба. Най-известните едномерни материали днес са нанотръбите. Те имат уникални електрически, оптични, механични и магнитни свойства. В близко бъдеще нанотръбите трябва да намерят приложение в молекулярната електроника, биомедицината и в създаването на нови супер здрави и свръхлеки композитни материали. Нанотръбите вече се използват като игли в сканиращи тунелни и атомно-силови микроскопи. По-горе говорихме за създаването на нанорадио въз основа на нанотръби. И, разбира се, надеждата е заложена върху въглеродните нанотръби като материал за кабела на космическия асансьор.
Въглеродна нанотръба
Снимка: wikipedia.org
Двумерни (2D) - филми (покрития) с дебелина нанометър. Това е добре познатият графен - двуизмерна алотропна модификация на въглерода (Нобеловата награда за физика за 2010 г. е присъдена за графен). По-малко известни на обществеността са силиценът - двуизмерна модификация на силиций, фосфор - фосфор, германен - германий. Миналата година учените създадоха борофен, който за разлика от други двуизмерни материали се оказа не плосък, а гофриран. Разположението на борните атоми под формата на гофрирана структура осигурява уникалните свойства на получения наноматериал. Borofen твърди, че е лидерът по якост на опън сред двуизмерните материали.
Борофенова структура
Снимка: MIPT
Двуизмерните материали трябва да намерят приложение в електрониката, при проектирането на филтри за обезсоляване на морска вода (графенови мембрани) и създаването на слънчеви клетки. В близко бъдеще графенът може да замести индий оксид - рядък и скъп метал - в производството на сензорни екрани.
Тримерните (3D) наноматериали са прахове, влакнести, многослойни и поликристални материали, в които горните нулемерни, едномерни и двумерни наноматериали са структурни елементи. Прилепнали плътно един към друг, те образуват интерфейси помежду си - интерфейси.
Видове наноматериали
Снимка: thesaurus.rusnano.com
Ще мине още малко време и нанотехнологиите - технологиите за манипулиране на наномащабни обекти ще станат ежедневие. Точно както микроелектронните технологии са станали познати, давайки ни компютри, мобилни телефони, сателити и много други атрибути на съвременната информационна ера. Но въздействието на нанотехнологиите върху живота ще бъде много по-широко. Очакват ни промени в почти всички сфери на човешката дейност.
Сергей Собол