Osvajanje narave s strani človeka se še ni končalo. Vsekakor pa, dokler še nismo zajeli nanosveta in v njem vzpostavili lastnih pravil. Poglejmo, kaj je to in kakšne priložnosti nam daje svet predmetov, merjen v nanometrih.
Kaj je "nano"?
Nekoč so se slišali dosežki mikroelektronike. Zdaj smo vstopili v novo dobo nanotehnologije. Torej, kaj je ta "nano", ki so ga tu in tam začeli dodajati običajnim besedam in jim dati nov sodoben zvok: nanoboti, nanomatine, nanoradio in tako naprej? Predpona "nano" se uporablja v Mednarodnem sistemu enot (SI). Uporablja se za oblikovanje zapisa za decimalne enote. To je milijarda izvirne enote. V tem primeru govorimo o predmetih, katerih dimenzije so določene v nanometrih. To pomeni, da je en nanometer ena milijarda metra. Za primerjavo, mikron (znan tudi kot mikrometer, ki je dal ime mikroelektroniki, poleg tega pa še mikrobiologija, mikrokirurgija itd.) Je ena milijoninka metra.
Če za primer vzamemo milimetre (predpona »mili-« je tisočinka), potem je v milimetru 1.000.000 nanometrov (nm) in temu primerno 1.000 mikrometrov (μm). Človeški lasje imajo povprečno debelino 0,05–0,07 mm, to je 50 000–70 000 nm. Čeprav lahko premer las zapišemo v nanometrih, to še zdaleč ni nanosvet. Pojdimo globlje in poglejmo, kaj je tam že zdaj.
Povprečna velikost bakterij je 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virusi, ki so eden glavnih sovražnikov bakterij, so še manjši. Povprečni premer večine preučenih virusov je 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Toda vijačnica DNA ima premer 1,8-2,3 nm. Menijo, da je najmanjši atom helijev atom, njegov polmer je 32 pm (0,032 nm), največji pa cezij 225 pm (0,255 nm). Na splošno velja, da je nanoobjekt objekt, katerega velikost je vsaj v eni dimenziji v nanometru (1–100 nm).
Ali lahko vidite nanomir?
Promocijski video:
Seveda želim videti vse, kar je rečeno na lastne oči. No, vsaj skozi okular optičnega mikroskopa. Ali je mogoče pogledati v nanomir? Običajni način, kot opažamo na primer mikrobe, je nemogoč. Zakaj? Ker lahko svetlobo z določeno mero konvencije imenujemo nanovalovi. Valovna dolžina vijolične barve, od katere se začne vidno območje, je 380–440 nm. Valovna dolžina rdeče barve je 620-740 nm. Vidno sevanje ima valovne dolžine na stotine nanometrov. V tem primeru je ločljivost običajnih optičnih mikroskopov omejena z Abbejevo mejo difrakcije pri približno polovici valovne dolžine. Večina predmetov, ki nas zanimajo, je še manjših.
Zato je bil prvi korak k prodiranju v nano svet izum prenosnega elektronskega mikroskopa. Poleg tega sta prvi tak mikroskop ustvarila Max Knoll in Ernst Ruska leta 1931. Leta 1986 je bila za njegov izum podeljena Nobelova nagrada za fiziko. Načelo delovanja je enako kot pri običajnem optičnem mikroskopu. Le namesto svetlobe je tok elektronov usmerjen na predmet, ki nas zanima, ki ga osredotočajo magnetne leče. Če je optični mikroskop povečal približno tisočkrat, potem je bil elektronski mikroskop že milijonkrat. Ima pa tudi svoje pomanjkljivosti. Najprej je treba za delo pridobiti dovolj tanke vzorce materialov. V elektronskem žarku morajo biti prozorni, zato se njihova debelina spreminja v območju 20-200 nm. Drugič jeda se vzorec pod vplivom elektronskih žarkov lahko razgradi in postane neuporaben.
Druga različica elektronskega mikroskopa je skenirni elektronski mikroskop. Skozi vzorec ne sije, kot prejšnji, ampak ga optično prebere z elektronskim žarkom. To omogoča pregled debelejših vzorcev. Pri obdelavi analiziranega vzorca z elektronskim žarkom nastanejo sekundarni in odbojni elektroni, vidni (katodoluminescenca) in rentgenski žarki, ki jih zajamejo posebni detektorji. Na podlagi prejetih podatkov se oblikuje ideja o predmetu. Prvi elektronski mikroskopi so se pojavili v zgodnjih šestdesetih letih.
Skenirni sondni mikroskopi so sorazmerno nov razred mikroskopov, ki so se pojavili že v 80. letih. Že omenjeno Nobelovo nagrado za fiziko iz leta 1986 so si razdelili izumitelj prenosnega elektronskega mikroskopa Ernst Ruska in ustvarjalca skenirnega tunelskega mikroskopa Gerd Binnig in Heinrich Rohrer. Skenirni mikroskopi omogočajo, da ne pregledujejo, ampak da "čutijo" relief površine vzorca. Nastali podatki se nato pretvorijo v sliko. Za razliko od skenirnega elektronskega mikroskopa sonda za delovanje uporablja ostro iglo za skeniranje. Igla, katere konica je debela le nekaj atomov, deluje kot sonda, ki je od vzorca oddaljena najmanj 0,1 nm. Med skeniranjem se igla premika po površini vzorca. Med vrhom in površino vzorca nastane tunelski tok,njegova vrednost pa je odvisna od razdalje med njima. Spremembe se zabeležijo, kar na njihovi podlagi omogoča izdelavo zemljevida višine - grafični prikaz površine predmeta.
Podoben princip delovanja uporablja tudi drug mikroskop iz razreda mikroskopov z optičnimi sondami - atomska sila. Obstaja tudi konica sonde in podoben rezultat - grafični prikaz površinskega reliefa. Toda ne meri se jakost toka, temveč interakcija sile med površino in sondo. Najprej so mišljene van der Waalsove sile, pa tudi elastične sile, kapilarne sile, adhezijske sile in druge. Za razliko od skenirnega tunelskega mikroskopa, ki ga lahko uporabljamo samo za preučevanje kovin in polprevodnikov, mikroskop z atomsko silo omogoča tudi preučevanje dielektrikov. A to ni edina njegova prednost. Omogoča ne samo pogled v nanomir, temveč tudi manipulacijo z atomi.
Molekula pentacena. A je model molekule. B - slika, pridobljena z optičnim tunelskim mikroskopom. C - slika, pridobljena z mikroskopom z atomsko silo. D - več molekul (AFM). A, B in C na isti lestvici
Foto: Znanost
Nanomašine
V naravi se na nanometru, torej na ravni atomov in molekul, odvijajo številni procesi. Seveda lahko še vedno vplivamo na njihovo nadaljevanje. Ampak to počnemo skoraj na slepo. Nanomašine so ciljno usmerjen instrument za delo v nanomeru; so naprave, ki omogočajo manipulacijo posameznih atomov in molekul. Do nedavnega jih je lahko ustvarjala in obvladovala le narava. Korak od dneva, ko lahko to storimo tudi mi.
Nanomašine
Foto: warosu.org
Kaj zmorejo nanomachines? Vzemimo na primer kemijo. Sinteza kemičnih spojin temelji na dejstvu, da ustvarjamo potrebne pogoje za nadaljevanje kemijske reakcije. Posledično imamo na izhodu določeno snov. V prihodnosti lahko kemične spojine, relativno gledano, ustvarjamo mehanično. Nanomašine bodo lahko povezale in ločile posamezne atome in molekule. Posledično se bodo oblikovale kemične vezi ali, nasprotno, obstoječe vezi se bodo prekinile. Gradnja nanomašin bo lahko iz atomov ustvarila molekularne strukture, ki jih potrebujemo. Kemični nanoroboti - sintetizirajo kemične spojine. To je preboj pri ustvarjanju materialov z želenimi lastnostmi. Hkrati gre za preboj na področju varovanja okolja. Lahko je domnevati, da so nanomajine odlično orodje za recikliranje odpadkov,ki jih je v običajnih razmerah težko odstraniti. Še posebej, če govorimo o nanomaterialih. Konec koncev, nadaljnji tehnični napredek je, okolje se težje spopada z njegovimi rezultati. Predolgo se razkroj novih materialov, ki jih je izumil človek, odvija v naravnem okolju. Vsi vemo, kako dolgo traja razgradnja zavrženih plastičnih vrečk - produkt prejšnje znanstvene in tehnološke revolucije. Kaj se bo zgodilo z nanomateriali, ki se prej ali slej izkažejo za smeti? Predelavo bodo morali opraviti isti nanomatini.kako dolgo zavržene plastične vrečke razpadejo - produkt prejšnje znanstvene in tehnološke revolucije. Kaj bo z nanomateriali, ki se prej ali slej izkažejo za smeti? Predelavo bodo morali opraviti isti nanomatini.kako dolgo zavržene plastične vrečke razpadejo - produkt prejšnje znanstvene in tehnološke revolucije. Kaj se bo zgodilo z nanomateriali, ki se prej ali slej izkažejo za smeti? Predelavo bodo morali opraviti isti nanomatini.
Fullerenova kolesna nanomašina
Foto: warosu.org
Znanstveniki že dolgo govorijo o mehanosintezi. Gre za kemično sintezo, ki poteka skozi mehanske sisteme. Njegova prednost se kaže v tem, da bo omogočil pozicioniranje reaktantov z visoko stopnjo natančnosti. Zaenkrat še ni nobenega orodja, ki bi omogočalo njegovo učinkovito izvajanje. Seveda lahko danes takšni instrumenti delujejo mikroskopi z atomsko silo. Da, omogočajo ne samo pogled v nanomir, temveč tudi delovanje z atomi. Toda ti kot objekti makrokozmosa niso najbolj primerni za množično uporabo tehnologije, česar ne moremo reči o nanomašinah. V prihodnosti bodo z njimi ustvarjali celotne molekularne transporterje in nanotovarne.
Zdaj pa obstajajo celotne biološke nanofabrike. Obstajajo v nas in v vseh živih organizmih. Zato od nanotehnologije pričakujemo preboje v medicini, biotehnologiji in genetiki. Z ustvarjanjem umetnih nanomatin in njihovim vnašanjem v žive celice lahko dosežemo impresivne rezultate. Prvič, nanomačine lahko uporabimo za ciljni transport zdravil do želenega organa. Zdravila nam ni treba jemati, saj se zavedamo, da bo le njegov del prišel do obolelega organa. Drugič, nanomachines že prevzemajo funkcije urejanja genoma. Tehnologija CRISPR / Cas9, pokukana iz narave, vam omogoča spreminjanje genomov enoceličnih in višjih organizmov, vključno z ljudmi. Poleg tega ne govorimo le o urejanju genoma zarodkov, temveč tudi o genomu živih odraslih organizmov. In vse to bodo naredile nanomašine.
Nanoradio
Če so nanomašine naš instrument v nanovem svetu, jih je treba nekako nadzorovati. Vendar tudi tu ni treba izumljati česa bistveno novega. Ena najverjetnejših načinov nadzora je radio. Prvi koraki v tej smeri so že narejeni. Znanstveniki iz nacionalnega laboratorija Lawrence Berkeley pod vodstvom Alexa Zettleja so iz samo ene nanocevke s premerom približno 10 nm ustvarili radijski sprejemnik. Poleg tega nanocevka hkrati deluje kot antena, izbirnik, ojačevalnik in demodulator. Nanoradio sprejemnik lahko sprejema FM in AM valove s frekvenco od 40 do 400 MHz. Po navedbah razvijalcev lahko napravo uporabljamo ne le za sprejem radijskega signala, temveč tudi za njegov prenos.
Sprejeti radijski valovi naredijo nanoradio anteno vibriranje
nsf.gov
Glasba Erica Claptona in Beach Boysa je služila kot testni signal. Znanstveniki so oddajali signal iz enega dela sobe v drugega, kjer je bil radio, ki so ga ustvarili. Izkazalo se je, da je bila kakovost signala dovolj dobra. Toda namen takšnega radia seveda ni poslušanje glasbe. Radijski sprejemnik je mogoče uporabiti v različnih nano napravah. Na primer, pri istih nanorobotih, ki dostavljajo zdravila, ki bodo skozi krvni obtok prišla do želenega organa.
Nanomateriali
Ustvarjanje materialov z lastnostmi, ki si jih prej nismo mogli predstavljati, je še ena priložnost, ki nam jo ponuja nanotehnologija. Da se material šteje za "nano", mora imeti eno ali več dimenzij v nanometru. Ustvarjeni bodisi z uporabo nanodelcev bodisi z nanotehnologijo. Danes je najugodnejša klasifikacija nanomaterialov odvisna od dimenzije strukturnih elementov, iz katerih so sestavljeni.
Ničelno dimenzionalni (0D) - nanoklasterji, nanokristali, nanodisperzije, kvantne pike. Nobena stran 0D nanomateriala ne presega nanometrske lestvice. To so materiali, v katerih so nanodelci izolirani drug od drugega. Prve kompleksne ničelne dimenzijske strukture, pridobljene in uporabljene v praksi, so fulereni. Fulereni so danes najmočnejši antioksidanti. V farmakologiji nanje pripisujejo upanje za ustvarjanje novih zdravil. Derivati fulerena se dobro izkažejo pri zdravljenju virusa HIV. In pri ustvarjanju nanomatin se lahko fulereni uporabljajo kot deli. Nanostroj s kolesi iz fulerena je prikazan zgoraj.
Fuleren
Foto: wikipedia.org
Enodimenzionalni (1D) - nanocevke, vlakna in palice. Njihova dolžina se giblje od 100 nm do več deset mikrometrov, vendar je premer znotraj nanosov. Najbolj znani enodimenzionalni materiali danes so nanocevke. Imajo edinstvene električne, optične, mehanske in magnetne lastnosti. V bližnji prihodnosti bi nanocevke morale najti uporabo v molekularni elektroniki, biomedicini in pri ustvarjanju novih super močnih in ultralahkih kompozitnih materialov. Nanocevke se že uporabljajo kot igle pri skeniranju tunelov in mikroskopih z atomsko silo. Zgoraj smo govorili o ustvarjanju nanoradioa na osnovi nanocevk. In upanje seveda opiramo na ogljikove nanocevke kot material za kabel vesoljskega dvigala.
Ogljikova nanocevka
Foto: wikipedia.org
Dvodimenzionalni (2D) - filmi (prevleke) debeline nanometrov. To je dobro znani grafen - dvodimenzionalna alotropna modifikacija ogljika (za grafen je bila podeljena Nobelova nagrada za fiziko za leto 2010). Javnosti so manj znani silicen - dvodimenzionalna modifikacija silicija, fosforja - fosforja, germanena - germanija. Lani so znanstveniki ustvarili borofen, za katerega se je v nasprotju z drugimi dvodimenzionalnimi materiali izkazalo, da ni raven, ampak valovit. Razporeditev atomov bora v obliki valovite strukture zagotavlja edinstvene lastnosti pridobljenega nanomateriala. Borofen trdi, da je vodilni v natezni trdnosti med dvodimenzionalnimi materiali.
Struktura borofena
Foto: MIPT
Dvodimenzionalni materiali bi morali najti uporabo v elektroniki, pri oblikovanju filtrov za razsoljevanje morske vode (grafenske membrane) in ustvarjanju sončnih celic. V bližnji prihodnosti lahko grafen v proizvodnji zaslonov na dotik nadomesti indijev oksid - redko in drago kovino.
Tridimenzionalni (3D) nanomateriali so praški, vlakneni, večplastni in polikristalni materiali, v katerih so zgornji ničelni, enodimenzionalni in dvodimenzionalni nanomateriali strukturni elementi. Tesno se držijo med seboj in tvorijo medsebojne vmesnike - vmesnike.
Vrste nanomaterialov
Foto: thesaurus.rusnano.com
Še malo časa bo minilo in nanotehnologija - tehnologije za manipulacijo nanometrskih predmetov bodo postale običajne. Tako kot so se mikroelektronske tehnologije že poznale in nam dajejo računalnike, mobilne telefone, satelite in številne druge lastnosti sodobne informacijske dobe. Toda vpliv nanotehnologije na življenje bo veliko širši. Spremembe nas čakajo na skoraj vseh področjih človekovega delovanja.
Sergey Sobol