Dobytie prírody človekom sa ešte neskončilo. V každom prípade sme zatiaľ nezachytili nanosvet a nestanovili sme v ňom svoje vlastné pravidlá. Pozrime sa, čo to je a aké príležitosti nám dáva svet objektov meraných v nanometroch.
Čo je „nano“?
Kedysi boli počuť úspechy mikroelektroniky. Teraz sme vstúpili do novej éry nanotechnológie. Čo je to teda „nano“, ktoré sa tu a tam začalo pridávať k obvyklým slovám a dostalo im nový moderný zvuk: nanoroboty, nanostroje, nanorádio a tak ďalej? Predpona „nano“sa používa v Medzinárodnom systéme jednotiek (SI). Používa sa na vytvorenie zápisu pre desatinné jednotky. To je jedna miliardtina pôvodnej jednotky. V tomto prípade hovoríme o objektoch, ktorých rozmery sú určené v nanometroch. To znamená, že jeden nanometer je jedna miliardtina metra. Pre porovnanie, mikrón (alias mikrometer, ktorý dal meno mikroelektronike a okrem toho mikrobiológia, mikrochirurgia atď.) Predstavuje jednu milióntinu metra.
Ak si vezmeme ako príklad milimetre (predpona „milli“je tisícina), potom v milimetri existuje 1 000 000 nanometrov (nm) a podľa toho 1 000 mikrometrov (μm). Ľudské vlasy majú priemernú hrúbku 0,05–0,07 mm, teda 50 000–70 000 nm. Aj keď priemer vlasov možno napísať v nanometroch, je ďaleko od nanosveta. Poďme hlbšie a pozrime sa, čo tam je už teraz.
Priemerná veľkosť baktérií je 0,5–5 µm (500–5000 nm). Vírusy, ktoré sú jedným z hlavných nepriateľov baktérií, sú ešte menšie. Priemerný priemer väčšiny študovaných vírusov je 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Ale špirála DNA má priemer 1,8 - 2,3 nm. Predpokladá sa, že najmenší atóm je atóm hélia, jeho polomer je 32 pm (0,032 nm) a najväčší je cézium 225 pm (0,255 nm). Všeobecne sa za nanoobjekt považuje objekt, ktorého veľkosť najmenej v jednej dimenzii je v nanomierke (1–100 nm).
Vidíte nanosvet?
Propagačné video:
Samozrejme, všetko, čo sa hovorí, chcem vidieť na vlastné oči. Prinajmenšom v okulári optického mikroskopu. Je možné nahliadnuť do nanosveta? Zvyčajný spôsob, ako pozorujeme napríklad mikróby, je nemožný. Prečo? Pretože svetlo, s určitým stupňom konvencie, možno nazvať nanovlnami. Vlnová dĺžka fialovej farby, od ktorej začína viditeľný rozsah, je 380–440 nm. Vlnová dĺžka červenej farby je 620-740 nm. Viditeľné žiarenie má vlnové dĺžky stovky nanometrov. V tomto prípade je rozlíšenie bežných optických mikroskopov obmedzené Abbeho difrakčným limitom pri približne polovici vlnovej dĺžky. Väčšina objektov, ktoré nás zaujímajú, sú ešte menšie.
Prvým krokom k prieniku do nanosveta preto bol vynález transmisného elektrónového mikroskopu. Prvý takýto mikroskop navyše vytvorili Max Knoll a Ernst Ruska ešte v roku 1931. V roku 1986 bola za jeho vynález udelená Nobelova cena za fyziku. Princíp činnosti je rovnaký ako princíp bežného optického mikroskopu. Iba namiesto svetla smeruje prúd elektrónov na predmet záujmu, ktorý je zameraný magnetickými šošovkami. Ak optický mikroskop zaznamenal nárast asi tisíckrát, potom bol elektrónový mikroskop už miliónkrát. Má však aj svoje nevýhody. Najskôr je potrebné získať dostatočne tenké vzorky materiálov pre prácu. Musia byť priehľadné v elektrónovom lúči, takže ich hrúbka sa pohybuje v rozmedzí 20 - 200 nm. Po druhé, ježe vzorka sa vplyvom elektrónových lúčov môže rozložiť a stať sa nepoužiteľnou.
Ďalším variantom elektrónového lúčového mikroskopu je skenovací elektrónový mikroskop. Nesvieti cez vzorku, ako predchádzajúca, ale skenuje ju elektrónovým lúčom. To umožňuje preskúmať hrubšie vzorky. Spracovanie analyzovanej vzorky elektrónovým lúčom generuje sekundárne a spätne odrazené elektróny, viditeľné (katodoluminiscencia) a röntgenové lúče, ktoré sú zachytávané špeciálnymi detektormi. Na základe prijatých údajov sa vytvorí predstava o objekte. Prvé skenovacie elektrónové mikroskopy sa objavili začiatkom 60. rokov.
Mikroskopy skenovacej sondy sú relatívne novou triedou mikroskopov, ktorá sa objavila už v 80. rokoch. Už spomínanú Nobelovu cenu za fyziku z roku 1986 rozdelili medzi vynálezcu transmisného elektrónového mikroskopu Ernsta Ruska a tvorcov skenovacieho tunelového mikroskopu Gerda Binniga a Heinricha Rohrera. Skenovacie mikroskopy umožňujú neskúmať, ale „cítiť“reliéf povrchu vzorky. Výsledné údaje sa potom prevedú na obrázok. Na rozdiel od rastrovacieho elektrónového mikroskopu používa sonda na svoju činnosť ostrú skenovaciu ihlu. Ihla, ktorej hrot je hrubý iba niekoľko atómov, slúži ako sonda, ktorá sa privedie do minimálnej vzdialenosti vzorky - 0,1 nm. Počas skenovania sa ihla pohybuje po povrchu vzorky. Tunelujúci prúd vzniká medzi špičkou a povrchom vzorky,a jeho hodnota závisí od vzdialenosti medzi nimi. Zmeny sa zaznamenajú, čo umožňuje na ich základe zostaviť výškovú mapu - grafické znázornenie povrchu objektu.
Podobný princíp činnosti využíva aj ďalší mikroskop z triedy mikroskopov skenovacej sondy - atómová sila. K dispozícii je tiež hrot sondy a podobný výsledok - grafické znázornenie povrchového reliéfu. Nemeria sa však veľkosť prúdu, ale silová interakcia medzi povrchom a sondou. Najskôr sa myslia van der Waalsove sily, ale aj elastické sily, kapilárne sily, adhézne sily a ďalšie. Na rozdiel od rastrovacieho tunelového mikroskopu, ktorý je možné použiť iba na štúdium kovov a polovodičov, umožňuje mikroskop s atómovou silou aj štúdium dielektrika. To však nie je jeho jediná výhoda. Umožňuje nielen nahliadnuť do nanosveta, ale aj manipulovať s atómami.
Molekula pentacénu. A je model molekuly. B - obraz získaný skenovacím tunelovým mikroskopom. C - obrázok získaný mikroskopom s atómovou silou. D - niekoľko molekúl (AFM). A, B a C v rovnakej mierke
Foto: Veda
Nanomachines
V prírode prebieha v nanorozsahu, teda na úrovni atómov a molekúl, veľa procesov. Môžeme samozrejme stále ovplyvňovať, ako postupujú. Robíme to však takmer naslepo. Nanomachines sú cieleným nástrojom pre prácu v nanosvete; sú to zariadenia, ktoré umožňujú človeku manipulovať s jednotlivými atómami a molekulami. Donedávna ich mohla vytvárať a ovládať iba príroda. Sme krôčik od dňa, keď to dokážeme aj my.
Nanomachines
Foto: warosu.org
Čo môžu robiť nanostroje? Zoberme si napríklad chémiu. Syntéza chemických zlúčenín je založená na skutočnosti, že vytvárame potrebné podmienky na uskutočnenie chemickej reakcie. Vďaka tomu máme na výstupe určitú látku. V budúcnosti môžu byť chemické zlúčeniny vytvárané, relatívne povedané, mechanicky. Nanomachiny budú schopné spájať a separovať jednotlivé atómy a molekuly. Vďaka tomu sa vytvoria chemické väzby alebo sa naopak rozbijú existujúce väzby. Budovanie nanostrojov bude schopné vytvárať z atómov molekulárne štruktúry, ktoré potrebujeme. Chemici nanoroboti - syntetizujú chemické zlúčeniny. Jedná sa o prielom vo vytváraní materiálov s požadovanými vlastnosťami. Zároveň je to prielom v ochrane životného prostredia. Je ľahké predpokladať, že nanostroje sú vynikajúcim nástrojom na recykláciu odpadu,ktoré sú za normálnych podmienok ťažko zlikvidovateľné. Najmä ak hovoríme o nanomateriáloch. Nakoniec, ďalší technický pokrok ide, tým ťažšie je pre životné prostredie vyrovnať sa s jeho výsledkami. Príliš dlho dochádza k rozkladu nových materiálov vynájdených človekom v prírodnom prostredí. Každý vie, ako dlho trvá rozloženie vyradených plastových tašiek - produktu predchádzajúcej vedeckej a technologickej revolúcie. Čo sa stane s nanomateriálmi, ktoré sa skôr či neskôr ukážu ako odpad? Rovnaké nanostroje budú musieť vykonať svoje spracovanie.ako dlho trvá rozloženiu plastových tašiek rozklad - produkt predchádzajúcej vedecko-technickej revolúcie. Čo sa stane s nanomateriálmi, ktoré sa skôr či neskôr ukážu ako odpad? Rovnaké nanostroje budú musieť vykonať svoje spracovanie.ako dlho trvá rozloženiu igelitových tašiek rozklad - produkt predchádzajúcej vedecko-technickej revolúcie. Čo sa stane s nanomateriálmi, ktoré sa skôr či neskôr ukážu ako odpad? Rovnaké nanostroje budú musieť vykonať svoje spracovanie.
Fullerenový kolesový nanostroj
Foto: warosu.org
Vedci hovoria o mechanosyntéze už dlho. Jedná sa o chemickú syntézu, ktorá prebieha prostredníctvom mechanických systémov. Jeho výhodu vidno v tom, že umožní umiestnenie reaktantov s vysokou mierou presnosti. Ale zatiaľ neexistuje žiadny nástroj, ktorý by to umožnil efektívne implementovať. Ako také prístroje samozrejme môžu slúžiť dnes existujúce mikroskopy atómovej sily. Áno, umožňujú nielen nahliadnuť do nanosveta, ale aj pracovať s atómami. Ale oni, ako objekty makrokozmu, nie sú najvhodnejšie na masové použitie technológií, čo sa o nanomachinách nedá povedať. V budúcnosti sa z nich budú vyrábať celé molekulárne dopravníky a nanofaktory.
Ale už existujú celé biologické nanofaktory. Existujú v nás a vo všetkých živých organizmoch. Preto sa od nanotechnológií očakávajú prielomy v medicíne, biotechnológiách a genetike. Vytváraním umelých nanostrojov a ich zavádzaním do živých buniek môžeme dosiahnuť pôsobivé výsledky. Najskôr je možné použiť nanostroje na cielený transport liečiv do požadovaného orgánu. Nemusíme brať lieky, pretože si uvedomujeme, že iba časť z nich sa dostane do chorého orgánu. Po druhé, nanostroje už preberajú funkcie úprav genómu. Technológia CRISPR / Cas9, vykuknutá z prírody, vám umožňuje vykonávať zmeny v genóme jednobunkových aj vyšších organizmov vrátane človeka. Navyše hovoríme nielen o úprave genómu embryí, ale aj genómu živých dospelých organizmov. A toto všetko urobia nanostroje.
Nanorádio
Ak sú nanostroje našim nástrojom v nanosvete, potom ich treba nejako ovládať. Ani tu však nie je potrebné vymýšľať niečo zásadne nové. Jednou z najpravdepodobnejších metód kontroly je rádio. Prvé kroky v tomto smere už boli urobené. Vedci z Národného laboratória Lawrenca Berkeleyho pod vedením Alexa Zettleho vytvorili rádiový prijímač iba z jednej nanorúrky s priemerom asi 10 nm. Nanorúrka navyše funguje súčasne ako anténa, selektor, zosilňovač a demodulátor. Nanorádiový prijímač dokáže prijímať vlny FM aj AM s frekvenciou 40 až 400 MHz. Podľa vývojárov môže byť zariadenie použité nielen na príjem rádiového signálu, ale aj na jeho prenos.
Vďaka prijatým rádiovým vlnám vibruje anténa nanorádia
nsf.gov
Ako testovací signál slúžila hudba od Erica Claptona a Beach Boys. Vedci prenášali signál z jednej časti miestnosti do druhej, kde sa nachádzalo rádio, ktoré vytvorili. Ako sa ukázalo, kvalita signálu bola celkom dobrá. Ale samozrejme, účelom takéhoto rádia nie je počúvanie hudby. Rádiový prijímač je možné použiť v rôznych nanozariadeniach. Napríklad v tých istých nanorobotoch dodávajúcich lieky, ktoré sa dostanú do požadovaného orgánu krvou.
Nanomateriály
Vytváranie materiálov s vlastnosťami, ktoré si predtým nebolo možné predstaviť, je ďalšou príležitosťou, ktorú nám ponúka nanotechnológia. Materiál, ktorý sa má považovať za „nano“, musí mať jeden alebo viac rozmerov v nanomere. Buď sa vytvárajú pomocou nanočastíc, alebo prostredníctvom nanotechnológie. Najpohodlnejšia klasifikácia nanomateriálov je dnes založená na rozmere štrukturálnych prvkov, z ktorých sú zložené.
Zero-dimenzionální (0D) - nanoklastre, nanokryštály, nanodisperzie, kvantové body. Žiadna zo strán 0D nanomateriálu nepresahuje nanometriu. Ide o materiály, v ktorých sú nanočastice navzájom izolované. Prvé komplexné nulové dimenzionálne štruktúry získané a aplikované v praxi sú fullerény. Fullerény sú najsilnejšie antioxidanty známe v súčasnosti. Vo farmakológii sa na nich vkladá nádej na vytvorenie nových liekov. Fullerénové deriváty sa dobre osvedčujú pri liečbe HIV. A pri vytváraní nanostrojov možno ako súčasť použiť fullerény. Nanostroj s kolieskami fullerénu je zobrazený vyššie.
Fullerén
Foto: wikipedia.org
Jednorozmerné (1D) - nanorúrky, vlákna a tyčinky. Ich dĺžka sa pohybuje od 100 nm do desiatok mikrometrov, ale ich priemer spadá do nanomery. Najznámejšie jednorozmerné materiály súčasnosti sú nanorúrky. Majú jedinečné elektrické, optické, mechanické a magnetické vlastnosti. V blízkej budúcnosti by mali nanorúrky nájsť uplatnenie v molekulárnej elektronike, biomedicíne a pri vytváraní nových ultra silných a ultraľahkých kompozitných materiálov. Nanotrubice sa už používajú ako ihly pri skenovaní tunelovania a mikroskopov s atómovou silou. Vyššie sme hovorili o vytvorení nanorádia založeného na nanorúrkach. A samozrejme, nádej je vložená do uhlíkových nanorúrok ako materiálu pre kábel vesmírneho výťahu.
Uhlíková nanorúrka
Foto: wikipedia.org
Dvojrozmerné (2D) - filmy (povlaky) s hrúbkou nanometra. Jedná sa o známy grafén - dvojrozmernú alotropickú modifikáciu uhlíka (za grafén bola udelená Nobelova cena za fyziku za rok 2010). Menej známe verejnosti sú silicén - dvojrozmerná modifikácia kremíka, fosfor - fosfor, germán - germánium. Minulý rok vedci vytvorili borofén, ktorý sa na rozdiel od iných dvojrozmerných materiálov ukázal byť nie plochý, ale zvlnený. Usporiadanie atómov bóru vo forme zvlnenej štruktúry poskytuje jedinečné vlastnosti získaného nanomateriálu. Borofen tvrdí, že je lídrom v oblasti pevnosti v ťahu medzi dvojrozmernými materiálmi.
Borofénová štruktúra
Foto: MIPT
Dvojrozmerné materiály by mali nájsť uplatnenie v elektronike, pri navrhovaní filtrov na odsoľovanie morskej vody (grafénové membrány) a na vytváranie solárnych článkov. V blízkej budúcnosti môže grafén nahradiť oxid india - vzácny a drahý kov - pri výrobe dotykových obrazoviek.
Trojrozmerné (3D) nanomateriály sú prášky, vláknité, viacvrstvové a polykryštalické materiály, v ktorých sú vyššie uvedené nulové, jednorozmerné a dvojrozmerné nanomateriály štruktúrnymi prvkami. Úzko priliehajú k sebe a vytvárajú medzi sebou rozhrania - rozhrania.
Druhy nanomateriálov
Foto: thesaurus.rusnano.com
Ubehne trochu viac času a nanotechnológie - technológie na manipuláciu s objektmi v nanometroch sa stanú samozrejmosťou. Rovnako ako sa mikroelektronické technológie udomácnili, poskytujú nám počítače, mobilné telefóny, satelity a mnoho ďalších atribútov modernej informačnej doby. Dopad nanotechnológie na život však bude oveľa širší. Zmeny nás čakajú takmer vo všetkých sférach ľudskej činnosti.
Sergej Sobol