Robots de mida molècula: per a què ens prepara la nanotecnologia?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Els desenvolupaments moderns en el camp de la nanotecnologia en el futur permetran la creació de robots tan petits que es puguin llançar al torrent sanguini humà. Les "parts" d'aquest robot seran unidimensionals i com més petites, més forts. Dmitry Kvashnin, investigador sènior de l'Institut de Química Bioorgànica de l'Acadèmia Russa de Ciències, que es dedica a la ciència teòrica dels materials (experiments informàtics en el camp de la nanotecnologia), va parlar de les paradoxes del nanomón. T&P va escriure el més important.

Dmitri Kvashnin

Què és la nanotecnologia

Mitjançant la nanotecnologia, ens agradaria crear robots que es puguin enviar a l'espai o incrustar-se en vasos sanguinis, de manera que proporcionin fàrmacs a les cèl·lules, ajudin els glòbuls vermells a moure's en la direcció correcta, etc. Un engranatge d'aquests robots consta d'una dotzena. parts. Un detall és un àtom. Un engranatge té deu àtoms, 10-9 metres, és a dir, un nanòmetre. Un robot sencer té uns pocs nanòmetres.

Què és 10-9? Com presentar-lo? En comparació, un cabell humà normal fa uns 10-5 metres de mida. Els glòbuls vermells, els glòbuls que subministren oxigen al nostre cos, tenen una mida d'unes set micres, això també fa uns 10-5 metres. En quin moment acaba el nano i comença el nostre món? Quan podem veure un objecte a ull nu.

Tres dimensions, dues dimensions, una dimensió

Què és tridimensional, bidimensional i unidimensional i com afecten els materials i les seves propietats en nanotecnologia? Tots sabem que el 3D és en tres dimensions. Hi ha una pel·lícula normal, i una pel·lícula en 3D, on tota mena de taurons surten volant de la pantalla cap a nosaltres. En un sentit matemàtic, 3D té aquest aspecte: y = f (x, y, z), on y depèn de tres dimensions: longitud, amplada i alçada. Familiar per a tots Mario en tres dimensions és bastant alt, ample i regordete.

Quan es canvia a dues dimensions, un eix desapareixerà: y = f (x, y). Aquí tot és molt més senzill: en Mario és igual d'alt i ample, però no és gros, perquè ningú pot ser gros ni prim en dues dimensions.

Si continuem disminuint, aleshores en una dimensió tot es tornarà bastant senzill, només quedarà un eix: y = f (x). Mario en 1D és llarg: no el reconeixem, però encara és ell.

De tres dimensions - a dues dimensions

El material més comú al nostre món és el carboni. Pot formar dues substàncies completament diferents: el diamant, el material més durador de la Terra, i el grafit, i el grafit es pot convertir en un diamant simplement a través de l'alta pressió. Si fins i tot al nostre món un element pot crear materials radicalment diferents amb propietats oposades, què passarà al nanomón?

El grafit es coneix principalment com a mina de llapis. La mida de la punta d'un llapis és d'aproximadament un mil·límetre, és a dir, 10-3 metres. Com és un nano plom? És simplement una col·lecció de capes d'àtoms de carboni que formen una estructura en capes. Sembla una pila de papers.

Quan escrivim amb un llapis, queda un rastre al paper. Si fem una analogia amb una pila de paper, és com si en estiguéssim un paper. La fina capa de grafit que queda al paper és 2D i només té un àtom de gruix. Perquè un objecte es consideri bidimensional, el seu gruix ha de ser moltes (almenys deu) vegades inferior a la seva amplada i llargada.

Però hi ha una trampa. A la dècada de 1930, Lev Landau i Rudolf Peierls van demostrar que els cristalls bidimensionals són inestables i col·lapsen a causa de les fluctuacions tèrmiques (desviacions aleatòries de les magnituds físiques dels seus valors mitjans a causa del moviment tèrmic caòtic de les partícules. - Aprox. T&P). Resulta que el material pla bidimensional no pot existir per raons termodinàmiques. És a dir, sembla que no podem crear nano en 2D. No obstant això, no! Konstantin Novoselov i Andrey Geim van sintetitzar el grafè. El grafè en nano no és pla, sinó lleugerament ondulat i, per tant, estable.

Si al nostre món tridimensional traiem un full de paper d'una pila de paper, llavors el paper seguirà sent paper, les seves propietats no canviaran. Si s'elimina una capa de grafit al nanomón, el grafè resultant tindrà propietats úniques que no s'assemblen en res a les que tenen el seu grafit "progenitor". El grafè és transparent, lleuger, 100 vegades més fort que l'acer, excel·lent conductor termoelèctric i elèctric. S'està investigant àmpliament i ja s'està convertint en la base dels transistors.

Avui, quan tothom entén que en principi poden existir materials bidimensionals, apareixen teories que es poden obtenir noves entitats a partir de silici, bor, molibdè, tungstè, etc.

I més enllà, en una dimensió

El grafè en 2D té una amplada i una longitud. Com fer-ne 1D i què passarà al final? Un mètode és tallar-lo en cintes fines. Si la seva amplada es redueix al màxim possible, ja no seran només cintes, sinó un altre nanoobjecte únic: la carbina. Va ser descobert pels científics soviètics (els químics Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin i V. V. Korshak. - Nota de T&P) a la dècada de 1960.

La segona manera de fer un objecte unidimensional és enrotllar el grafè en un tub, com una catifa. El gruix d'aquest tub serà molt inferior a la seva longitud. Si el paper s'enrotlla o es talla a tires, queda paper. Si el grafè s'enrotlla en un tub, es transforma en una nova forma de carboni: un nanotub, que té una sèrie de propietats úniques.

Propietats interessants dels nanoobjectes

La conductivitat elèctrica és com de bé o malament un material condueix un corrent elèctric. Al nostre món, es descriu amb un número per a cada material i no depèn de la seva forma. No importa si feu un cilindre, un cub o una bola de plata: la seva conductivitat sempre serà la mateixa.

Tot és diferent al nanomón. Els canvis en el diàmetre dels nanotubs afectaran la seva conductivitat. Si la diferència n - m (on n i m són alguns índexs que descriuen el diàmetre del tub) es divideix per tres, aleshores els nanotubs condueixen el corrent. Si no es divideix, no es porta a terme.

El mòdul de Young és una altra propietat interessant que es manifesta quan es doblega una vareta o branca. El mòdul de Young mostra amb quina força un material resisteix la deformació i la tensió. Per exemple, per a l'alumini, aquest indicador és dues vegades menor que el del ferro, és a dir, resisteix el doble de malament. De nou, una bola d'alumini no pot ser més forta que un cub d'alumini. La mida i la forma no importen.

Al nanomón, la imatge torna a ser diferent: com més prim és el nanofil, més alt és el seu mòdul de Young. Si al nostre món volem obtenir alguna cosa de l'entresòl, triarem una cadira més forta perquè ens pugui suportar. En el nanomón, encara que no és tan evident, haurem de preferir la cadira més petita perquè és més forta.

Si es fan forats en algun material del nostre món, deixarà de ser fort. En el nanomón, és cert el contrari. Si feu molts forats al grafè, esdevindrà dues vegades i mitja més fort que el grafè no defectuós. Quan fem forats al paper, la seva essència no canvia. I quan fem forats al grafè, eliminem un àtom, a causa del qual apareix un nou efecte local. Els àtoms restants formen una nova estructura químicament més forta que les regions intactes d'aquest grafè.

Aplicació pràctica de la nanotecnologia

El grafè té propietats úniques, però encara és una qüestió de com aplicar-les en una àrea determinada. Ara s'utilitza en prototips de transistors d'un sol electró (que transmeten un senyal d'exactament un electró). Es creu que en el futur, el grafè de dues capes amb nanopors (forats no en un àtom, sinó més) pot esdevenir un material ideal per a la purificació selectiva de gasos o líquids. Per utilitzar el grafè en mecànica, necessitem grans àrees de material sense defectes, però aquesta producció és extremadament difícil tecnològicament.

Des del punt de vista biològic, també sorgeix un problema amb el grafè: un cop entra a l'organisme, ho enverina tot. Encara que en medicina, el grafè es pot utilitzar com a sensor per a molècules d'ADN "dolentes" (mutant amb un altre element químic, etc.). Per fer-ho, s'hi connecten dos elèctrodes i es fa passar DNA pels seus porus: reacciona a cada molècula d'una manera especial.

A Europa ja s'estan produint paelles, bicicletes, cascs i plantilles de sabates amb l'addició de grafè. Una empresa finlandesa fa components per a cotxes, especialment per a cotxes Tesla, en què els botons, les peces del quadre de comandament i les pantalles estan fets de nanotubs bastant gruixuts. Aquests productes són duradors i lleugers.

El camp de la nanotecnologia és difícil d'investigar tant des del punt de vista dels experiments com des del punt de vista de la modelització numèrica. Tots els problemes fonamentals que requereixen poca potència de l'ordinador ja s'han resolt. Avui dia, la principal limitació per a la investigació és la potència insuficient dels superordinadors.