Robot a grandezza molecolare: a cosa ci sta preparando la nanotecnologia?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

I moderni sviluppi nel campo della nanotecnologia consentiranno in futuro la creazione di robot così piccoli da poter essere lanciati nel flusso sanguigno umano. Le "parti" di un tale robot saranno unidimensionali e più piccole, più forti. Dmitry Kvashnin, ricercatore senior presso l'Istituto di chimica bioorganica dell'Accademia delle scienze russa, impegnato nella scienza dei materiali teorici (esperimenti informatici nel campo delle nanotecnologie), ha parlato dei paradossi del nanomondo. T&P ha scritto la cosa principale.

Dmitry Kvashnin

Cos'è la nanotecnologia?

Utilizzando la nanotecnologia, vorremmo creare robot che possono essere inviati nello spazio o incorporati nei vasi sanguigni, in modo che forniscano farmaci alle cellule, aiutino i globuli rossi a muoversi nella giusta direzione, ecc. Un ingranaggio in tali robot è costituito da una dozzina di parti. Un dettaglio è un atomo. Un ingranaggio è composto da dieci atomi, 10-9 metri, cioè un nanometro. Un intero robot è di pochi nanometri.

Cosa fa 10-9? Come presentarlo? Per fare un confronto, un normale capello umano ha una dimensione di circa 10-5 metri. I globuli rossi, le cellule del sangue che forniscono ossigeno al nostro corpo, hanno una dimensione di circa sette micron, anche questo è di circa 10-5 metri. A che punto finisce il nano e inizia il nostro mondo? Quando possiamo vedere un oggetto ad occhio nudo.

Tridimensionale, bidimensionale, monodimensionale

Che cos'è il tridimensionale, il bidimensionale e il monodimensionale e in che modo influenzano i materiali e le loro proprietà nelle nanotecnologie? Sappiamo tutti che il 3D è tre dimensioni. C'è un film normale, e c'è un film in 3D, in cui tutti i tipi di squali volano fuori dallo schermo verso di noi. In senso matematico, il 3D si presenta così: y = f (x, y, z), dove y dipende da tre dimensioni: lunghezza, larghezza e altezza. Familiare a tutti Mario in tre dimensioni è piuttosto alto, largo e grassoccio.

Quando si passa alla bidimensionalità, scompare un asse: y = f (x, y). Qui tutto è molto più semplice: Mario è altrettanto alto e largo, ma non grasso, perché nessuno può essere grasso o magro in due dimensioni.

Se continuiamo a diminuire, allora in una dimensione tutto diventerà abbastanza semplice, rimarrà solo un asse: y = f (x). Mario in 1D è solo lungo - non lo riconosciamo, ma è sempre lui.

Da tre dimensioni - a due dimensioni

Il materiale più comune nel nostro mondo è il carbonio. Può formare due sostanze completamente diverse: il diamante, il materiale più durevole sulla Terra, e la grafite, e la grafite può diventare un diamante semplicemente attraverso l'alta pressione. Se anche nel nostro mondo un elemento può creare materiali radicalmente diversi con proprietà opposte, cosa accadrà nel nanomondo?

La grafite è nota principalmente come mina di matita. La dimensione della punta di una matita è di circa un millimetro, cioè 10-3 metri. Che aspetto ha un nano piombo? È semplicemente una raccolta di strati di atomi di carbonio che formano una struttura a strati. Sembra una pila di fogli.

Quando scriviamo con una matita, sulla carta rimane una traccia. Se tracciamo un'analogia con una risma di carta, è come se ne tirassimo fuori un pezzo di carta. Il sottile strato di grafite che rimane sulla carta è 2D ed è spesso solo un atomo. Perché un oggetto sia considerato bidimensionale, il suo spessore deve essere molte (almeno dieci) volte inferiore alla sua larghezza e lunghezza.

Ma c'è un problema. Negli anni '30, Lev Landau e Rudolf Peierls hanno dimostrato che i cristalli bidimensionali sono instabili e collassano a causa delle fluttuazioni termiche (deviazioni casuali delle quantità fisiche dai loro valori medi a causa del movimento termico caotico delle particelle. - Approx. T&P). Si scopre che il materiale piatto bidimensionale non può esistere per ragioni termodinamiche. Cioè, sembra che non possiamo creare nano in 2D. Tuttavia, no! Konstantin Novoselov e Andrey Geim hanno sintetizzato il grafene. Il grafene in nano non è piatto, ma leggermente ondulato e quindi stabile.

Se nel nostro mondo tridimensionale estraiamo un foglio di carta da una risma di carta, la carta rimarrà carta, le sue proprietà non cambieranno. Se uno strato di grafite viene rimosso nel nanomondo, il grafene risultante avrà proprietà uniche che non assomigliano a quelle che hanno la grafite "progenitrice". Il grafene è trasparente, leggero, 100 volte più resistente dell'acciaio, ottimo conduttore termoelettrico ed elettrico. Viene ampiamente studiato e sta già diventando la base per i transistor.

Oggi, quando tutti capiscono che in linea di principio possono esistere materiali bidimensionali, appaiono teorie secondo cui nuove entità possono essere ottenute da silicio, boro, molibdeno, tungsteno, ecc.

E inoltre - in una dimensione

Il grafene in 2D ha una larghezza e una lunghezza. Come ricavarne 1D e cosa accadrà alla fine? Un metodo è tagliarlo a nastri sottili. Se la loro larghezza viene ridotta al massimo possibile, non saranno più solo nastri, ma un altro nano-oggetto unico: carbyne. È stato scoperto dagli scienziati sovietici (chimici Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin e V. V. Korshak. - nota T&P) negli anni '60.

Il secondo modo per creare un oggetto unidimensionale è arrotolare il grafene in un tubo, come un tappeto. Lo spessore di questo tubo sarà molto inferiore alla sua lunghezza. Se la carta viene arrotolata o tagliata a strisce, rimane carta. Se il grafene viene arrotolato in un tubo, si trasforma in una nuova forma di carbonio: un nanotubo, che ha una serie di proprietà uniche.

Proprietà interessanti dei nanooggetti

La conduttività elettrica è quanto bene o quanto male un materiale conduce una corrente elettrica. Nel nostro mondo, è descritto da un numero per ogni materiale e non dipende dalla sua forma. Non importa se realizzi un cilindro, un cubo o una palla d'argento: la sua conduttività sarà sempre la stessa.

Tutto è diverso nel nanomondo. Le variazioni del diametro dei nanotubi influenzeranno la loro conduttività. Se la differenza n - m (dove n e m sono alcuni indici che descrivono il diametro del tubo) è divisa per tre, i nanotubi conducono corrente. Se non viene diviso, non viene eseguito.

Il modulo di Young è un'altra proprietà interessante che si manifesta quando un'asta o un ramoscello viene piegato. Il modulo di Young mostra quanto un materiale resista alle deformazioni e alle sollecitazioni. Ad esempio, per l'alluminio, questo indicatore è due volte inferiore a quello del ferro, cioè resiste due volte più male. Ancora una volta, una palla di alluminio non può essere più forte di un cubo di alluminio. Le dimensioni e la forma non contano.

Nel nanomondo, il quadro è di nuovo diverso: più sottile è il nanofilo, maggiore è il suo modulo di Young. Se nel nostro mondo vogliamo ottenere qualcosa dal soppalco, allora sceglieremo una sedia più forte in modo che possa resisterci. Nel nanomondo, anche se non è così scontato, dovremo preferire la sedia più piccola perché è più forte.

Se vengono fatti dei buchi in qualche materiale nel nostro mondo, allora cesserà di essere forte. Nel nanomondo è vero il contrario. Se fai molti buchi nel grafene, diventa due volte e mezzo più forte del grafene non difettoso. Quando facciamo dei buchi nella carta, la sua essenza non cambia. E quando facciamo buchi nel grafene, rimuoviamo un atomo, a causa del quale appare un nuovo effetto locale. Gli atomi rimanenti formano una nuova struttura che è chimicamente più forte delle regioni intatte in questo grafene.

Applicazione pratica delle nanotecnologie

Il grafene ha proprietà uniche, ma come applicarle in un'area particolare è ancora una questione. Ora è utilizzato nei prototipi per transistor a singolo elettrone (che trasmettono un segnale di esattamente un elettrone). Si ritiene che in futuro il grafene a due strati con nanopori (fori non in un atomo, ma in più) possa diventare un materiale ideale per la purificazione selettiva di gas o liquidi. Per utilizzare il grafene in meccanica, abbiamo bisogno di grandi aree di materiale senza difetti, ma tale produzione è tecnologicamente estremamente difficile.

Da un punto di vista biologico sorge anche un problema con il grafene: una volta entrato nel corpo, avvelena tutto. Sebbene in medicina, il grafene possa essere utilizzato come sensore per molecole di DNA "cattive" (mutando con un altro elemento chimico, ecc.). Per fare ciò, vengono attaccati due elettrodi e il DNA viene fatto passare attraverso i suoi pori: reagisce a ciascuna molecola in un modo speciale.

In Europa si stanno già producendo pentole, biciclette, caschi e solette per scarpe con l'aggiunta di grafene. Un'azienda finlandese produce componenti per auto, in particolare per auto Tesla, in cui pulsanti, parti del cruscotto e schermi sono realizzati con nanotubi piuttosto spessi. Questi prodotti sono resistenti e leggeri.

Il campo delle nanotecnologie è difficile per la ricerca sia dal punto di vista degli esperimenti che dal punto di vista della modellazione numerica. Tutti i problemi fondamentali che richiedono una bassa potenza del computer sono già stati risolti. Oggi, il principale limite per la ricerca è l'insufficiente potenza dei supercomputer.