Занурення в наносвіт: нанооб`єктів та їх можливості
Відео: Подорож в наносвіт. частина 1
Підкорення природи людиною ще не закінчилося. У всякому разі, поки ми ще не захопили наносвіт і не встановили в ньому свої правила. Подивимося, що це таке і які можливості нам дає світ об`єктів, вимірюваних нанометрами.
Що таке «нано»?
Колись на слуху були досягнення мікроелектроніки. Зараз ми перейшли до нової ери нанотехнологій. Так що таке це «нано», яке то тут то там стали додавати до звичних словами, надаючи їм нове сучасне звучання: нанороботи, наномашини, нанорадіо і так далі? Приставка «нано» застосовується в Міжнародній системі одиниць (СІ). Її використовують для утворення позначень десяткових часткових одиниць. Це одна мільярдна частина вихідної одиниці. В даному випадку ми говоримо про об`єкти, чиї розміри визначаються в нанометрах. Значить, один нанометр - це одна мільярдна частина метра. Для порівняння, мікрон (він же мікрометр, що дав назву мікроелектроніці, а крім того, мікробіології, мікрохірургії та т. Д.) - це одна мільйонна частина метра.
Якщо взяти для прикладу міліметри (приставка «мілі» - одна тисячна), то в міліметрі 1 000 000 нанометрів (нм) і, відповідно, 1 000 мікрометрів (мкм). Людський волосся має товщину в середньому 0,05-0,07 мм, тобто 50 000-70 000 нм. Хоча діаметр волоса і можна записати в нанометрах, це ще далеко не наносвіт. Заглибимося і подивимося, що там є вже зараз.
Розміри бактерій складають в середньому 0,5-5 мкм (500-5000 нм). Віруси, одні з головних ворогів бактерій, ще менше. Середній діаметр більшості вивчених вірусів становить 20-300 нм (0,02-0,3 мкм). А ось спіраль ДНК має діаметр вже 1,8-2,3 нм. Вважається, що найменший атом - це атом гелію, його радіус 32 пм (0,032 нм), а найбільший - цезію 225 пм (0,255 нм). В цілому, нанооб`єктів буде вважатися такий об`єкт, розмір якого хоча б в одному вимірі знаходиться в нанодіапазоні (1-100 нм).
Чи можна побачити наносвіт?
Звичайно, все, про що йдеться, хочеться побачити своїми очима. Ну хоча б в окуляр оптичного мікроскопа. Чи можна заглянути в наносвіт? Звичайним способом, як ми спостерігаємо, наприклад, мікробів, не можна. Чому? Тому що світло з деякою часткою умовності можна назвати нановолнамі. Довжина хвилі фіолетового кольору, з якого починається видимий діапазон, - 380-440 нм. Довжина хвилі червоного кольору - 620-740 нм. Довжини хвиль видимого випромінювання складають сотні нанометрів. При цьому дозвіл звичайних оптичних мікроскопів обмежується дифракційною межею Аббе приблизно на рівні половини довжини хвилі. Більшість цікавлять нас об`єктів ще менше.
Відео: Подорож в Наносвіт 3/4
Тому першим кроком на шляху проникнення в наносвіт стало винахід просвічує електронного мікроскопа. Причому перший такий мікроскоп був створений Максом Кнолль і Ернстом Руска ще в 1931 році. У 1986 році за його винахід була вручена Нобелівська премія з фізики. Принцип роботи такий же, як і у звичайного оптичного мікроскопа. Тільки замість світла на об`єкт, що цікавить направляється потік електронів, який фокусується магнітними лінзами. Якщо оптичний мікроскоп давав збільшення приблизно в тисячу разів, то електронний вже в мільйони разів. Але у нього є і свої недоліки. По-перше, це необхідність отримати для роботи достатньо тонкі зразки матеріалів. Вони повинні бути прозорі в електронному пучку, тому їх товщина варіюється в межах 20-200 нм. По-друге, це те, що зразок під впливом пучків електронів може розкладатися і приходити в непридатність.
Іншим варіантом мікроскопа, що використовує потік електронів, є скануючий електронний мікроскоп. Він не просвічує зразок, як попередній, а сканує його пучком електронів. Це дозволяє вивчати більш «товсті» зразки. Обробка аналізованого зразка електронним пучком породжує вторинні і обратноотраженние електрони, видиме (катодолюмінесценція) і рентгенівське випромінювання, які уловлюються спеціальними детекторами. На підставі отриманих даних і формується уявлення про об`єкт. Перші скануючі електронні мікроскопи з`явилися на початку 1960-х років.
Відео: Подорож в наносвіт
Скануючі зондові мікроскопи - відносно новий клас мікроскопів, що з`явилися вже в 80-і роки. Вже згадана Нобелівська премія з фізики 1986 року було розділена між винахідником просвічує електронного мікроскопа Ернстом Руска і творцями скануючого тунельного мікроскопа Гердом Бінніг і Генріхом Рорером. Скануючі мікроскопи дозволяють швидше не розглянути, а «обмацати» рельєф поверхні зразка. Отримані дані потім перетворюються в зображення. На відміну від скануючого електронного мікроскопа, зондові використовують для роботи гостру сканує голку. Голка, вістря якої має товщину всього кілька атомів, виступає в ролі зонда, який підводиться на мінімальну відстань до зразка - 0,1 нм. В ході сканування голка переміщається над поверхнею зразка. Між голкою і поверхнею зразка виникає тунельний струм, і його величина залежить від відстані між ними. Зміни фіксуються, що дозволяє на їх підставі побудувати карту висот - графічне зображення поверхні об`єкту.
Схожий принцип роботи використовує й інший мікроскоп з класу скануючих зондових мікроскопів - атомно-силової. Тут є і голка-зонд, і аналогічний результат - графічне зображення рельєфу поверхні. Але вимірюється не величина струму, а силове взаємодія між поверхнею і зондом. В першу чергу маються на увазі сили Ван-дер-Ваальса, але також і пружні сили, капілярні сили, сили адгезії та інші. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа, який може застосовуватися тільки для дослідження металів і напівпровідників, атомно-силової дозволяє вивчити і діелектрики. Але це не єдина його перевага. Він дозволяє не тільки заглянути в наносвіт, а й маніпулювати атомами.
Молекула пентацена. А - модель молекули. В - зображення, отримане сканирующим тунельним мікроскопом. З - зображення, отримане атомно-силовим мікроскопом. D-кілька молекул (АСМ). А, B і C в одному масштабі.
наномашини
У природі на нанорівні, тобто на рівні атомів і молекул, відбувається безліч процесів. Ми можемо, звичайно, і зараз впливати на те, як вони протікають. Але робимо ми це практично наосліп. Наномашини - це адресний інструмент для роботи в наносвіту, це пристрої, що дозволяють маніпулювати одиночними атомами і молекулами. До недавнього часу тільки природа могла створювати їх і управляти ними. Ми в кроці від того дня, коли теж зможемо робити це.
наномашини
Що можуть наномашини? Візьмемо, наприклад, хімію. Синтез хімічних сполук заснований на тому, що ми створюємо необхідні умови для протікання хімічної реакції. В результаті на виході маємо якусь речовину. В майбутньому хімічні сполуки можна буде створити, умовно кажучи, механічним шляхом. Наномашини зможуть сполучати і роз`єднувати окремі атоми і молекули. В результаті будуть утворюватися хімічні зв`язки або, навпаки, наші зв`язки будуть рватися. Наномашини-будівельники зможуть створювати з атомів потрібні нам молекулярні конструкції. Нанороботи-хіміки - синтезувати хімічні сполуки. Це прорив у створенні матеріалів із заданими властивостями. Одночасно це прорив в справі захисту навколишнього середовища. Нескладно припустити, що наномашини - прекрасний інструмент для переробки відходів, які в звичайних умовах складно піддаються утилізації. Тим більше якщо говорити про наноматеріалах. Адже чим далі заходить технічний прогрес, тим складніше навколишньому середовищу справлятися з його результатами. Занадто довго відбувається розкладання в природному середовищі нових матеріалів, придуманих людиною. Всім відомо, як довго розкладаються викинуті пластикові пакети - продукт попередньої науково-технічної революції. Що буде з наноматеріалів, які рано чи пізно опиняться сміттям? Їх переробкою повинні будуть зайнятися ті ж наномашини.
Наномашин з фуллереновой колесами
Вчені давно вже говорять про механосінтезе. Це хімічний синтез, який здійснюється завдяки механічним системам. Його перевага бачиться в тому, що він дозволить позиціонувати реагують речовини з високим ступенем точності. Ось тільки поки не існує інструмента, який дозволив би ефективно здійснювати його. Звичайно, такими інструментами можуть виступати існуючі сьогодні атомно-силові мікроскопи. Так, вони дозволяють не тільки заглянути в наносвіт, а й оперувати атомами. Але вони як об`єкти макросвіту не кращим чином підходять для масового застосування технології, чого не можна сказати про наномашин. В майбутньому на їх основі будуть створювати цілі молекулярні конвеєри і нанофабрик.
Але вже зараз є цілі біологічні нанофабрик. Вони існують в нас і у всіх живих організмах. Ось тому від нанотехнологій очікують проривів в медицині, біотехнологіях і генетики. Створивши штучні наномашини і запровадивши їх у живі клітини, ми можемо досягти вражаючих результатів. По-перше, наномашини можуть бути використані для адресної перенесення лікарських препаратів до потрібного органу. Нам не доведеться приймати ліки, розуміючи, що тільки частина його потрапить до хворого органу. По-друге, вже зараз наномашини беруть на себе функції редагування генома. Технологія CRISPR / Cas9, підглянута у природи, дозволяє вносити зміни в геном як одноклітинних, так і вищих організмів, і в тому числі людини. Причому мова йде не тільки про редагування генома ембріонів, а й генома живих дорослих організмів. І займуться всім цим наномашини.
Нанорадіо
Якщо наномашини - це наш інструмент в наносвіті, то ними якось треба управляти. Втім, і тут щось принципово нове придумувати не доведеться. Один з найбільш ймовірних способів управління - це радіо. Перші кроки в цьому напрямку вже зроблені. Вченими з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі на чолі з Алексом Зеттлом створений радіоприймач з усього однієї нанотрубки діаметром близько 10 нм. Причому нанотрубка виступає одночасно в якості антени, селектора, підсилювача і демодулятора. Приймати нанорадіопріемнік може як FM, так і AM хвилі з частотою від 40 до 400 МГц. Використовувати пристрій, за словами розробників, можна не тільки для прийому радіосигналу, а й для його передачі.
Прийняті радіохвилі змушують антену нанорадіо вібрувати
В якості тестового сигналу послужила музика Еріка Клептона і групи Beach Boys. Вчені передали сигнал з однієї частини кімнати в іншу, де знаходилося створене ними радіо. Як виявилося, якість сигналу було досить хорошим. Але, природно, призначення такого радіоприймача НЕ прослуховування музики. Радіо може бути застосований в безлічі наноустройств. Наприклад, в тих же нанороботів-постачальник ліків, які будуть пробиратися до потрібного органу по кровотоку.
наноматеріали
Створення матеріалів з властивостями, які раніше не могли навіть уявити, - ще одна можливість, яку нам надають нанотехнології. Щоб вважатися «нано», матеріал повинен мати один або кілька розмірів, що лежать в нанодіапазоні. Або бути створеним з використанням наночастинок або за допомогою нанотехнологій. На зручніше на сьогодні класифікація наноматеріалів - по розмірності структурних елементів, з яких вони складаються.
Нульмерние (0D) - нанокластери, нанокристали, нанодісперсіі, квантові точки. Жодна зі сторін 0D-наноматериал не виходить за межі нанодіапазоні. Це матеріали, в яких наночастинки ізольовані один від одного. Перші складні нульмерние структури, отримані і застосовуються на практиці, - це фулерени. Фулерени - це найсильніші антиоксиданти з відомих на сьогоднішній день. У фармакології з ними пов`язують надії на створення нових ліків. Похідні фулеренів добре показують себе в лікуванні ВІЛ. А при створенні наномашин фулерени можуть бути використані в якості деталей. Наномашин з фулеренових колесами на зображенні вище.
Фуллерен
Одномірні (1D) - нанотрубки, волокна і прутки. Їх довжина становить від 100 нм до десятків мікрометрів, але діаметр укладається в нанодіапазоні. Найвідоміші одномірні матеріали сьогодні - це нанотрубки. Вони володіють унікальними електричними, оптичними, механічними і магнітними властивостями. Найближчим часом нанотрубки повинні знайти застосування в молекулярній електроніці, біомедицині, в створенні нових надміцних і надлегких композиційних матеріалів. Уже використовуються нанотрубки і в якості голок в скануючих тунельних і атомно-силових мікроскопах. Ми вже наголошували про створення на основі нанотрубок нанорадіо. Ну і, звичайно, на вуглецеві нанотрубки покладається надія як на матеріал для троса космічного ліфта.
вуглецева нанотрубка
Двовимірні (2D) - плівки (покриття) нанометровій товщини. Це всім відомий графен - двовимірна аллотропная модифікація вуглецю (за графен вручена Нобелівська премія з фізики за 2010 рік). Менш відомі громадськості силіцію - двовимірна модифікація кремнію, фосфору - фосфору, Німеччина - Німеччина. У минулому році вчені створили борофен, який, на відміну від інших двовимірних матеріалів, вийшов не плоским, а гофрованим. Розташування атомів бору у вигляді гофрованої структури забезпечує унікальні властивості отриманого наноматериал. Борофен претендує на лідерство по міцності на розтягнення серед двовимірних матеріалів.
структура борофена
Двовимірні матеріали повинні знайти застосування в електроніці, при створенні фільтрів для опріснення морської води (графенові мембрани) і створенні сонячних батарей. Уже найближчим часом графен може замінити окис індію - рідкісного і дорогого металу - при виробництві сенсорних екранів.
Тривимірні (3D) наноматеріали - це порошки, волоконні, багатошарові і полікристалічні матеріали, в яких перераховані вище нульмерние, одномірні і двовимірні наноматеріали є структурними елементами. Щільно прилягаючи один до одного, вони утворюють між собою поверхні розділу - інтерфейси.
типи наноматеріалів
Пройде ще трохи часу і нанотехнології - технології маніпуляції нанорозмірними об`єктами стануть звичним явищем. Так само, як звичними стали технології мікроелектроніки, які подарували нам комп`ютери, мобільні телефони, супутники і багато інших атрибутів сучасної інформаційної епохи. Але вплив нанотехнологій на життя буде значно ширший. Нас очікують зміни практично у всіх сферах діяльності людини.
