Загадочный мир нанотехнологий…

Картинка Wirestock, Freepik

Приставкой «нано» обозначают миллиардную долю метра. Приблизительно такой размер имеют молекулы, из-за чего иногда нанотехнологии называют молекулярными технологиями.

Молекулярные технологии представляют собой общность методов, которые позволяют манипулировать атомами и молекулами. Другими словами, с их помощью можно создавать и эксплуатировать материалы, строить определённые системы, в основе которых находятся наноструктуры с размерами компонентов от 1 до 100 нанометров.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

Наноматериалы принято классифицировать на следующие типы: частицы, трубки, волокна, дисперсии, поверхности и плёнки, кристаллы, кластеры (которые могут содержать до 1000 атомов в упорядоченной структуре). Учёные считают, что, например, на базе нанотрубок можно создать волокна, которые будут приблизительно в 100 раз прочнее и 6 раз легче, чем сталь!

Свойства вещества определяются взаимодействием его компонентов, причём если мы начинаем рассматривать то же самое вещество на наноуровне, то его исходные свойства не сохраняются (что естественно, учитывая, что его свойства определяются взаимодействием всех компонентов). Благодаря этому на наноуровне у вещества может наблюдаться увеличение или уменьшение его способности выступать в роли катализатора, вступать в химические реакции, а также изменение других его свойств.

Это связано с тем, что у наночастиц гораздо больше удельная площадь, а так как химические реакции происходят по поверхности (у твёрдых тел), то в общем случае большая площадь даёт возможность гораздо более активных реакций.

Ещё нанообъекты являются очень прочными, так как их масса уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, в то время как площадь их поперечного сечения только пропорциональна второй степени.

При переходе на такой уровень миниатюризации начинают также возникать и интересные эффекты, например, если изготовить болт и гайку наноразмеров, то после откручивания гайка не будет отлипать от болта, так как они будут притягиваться друг к другу из-за сил межмолекулярного взаимодействия.

Ещё одним интересным моментом является то, что сопротивление резистора наноразмера нельзя измерить по формуле: R=ρL/S, где L — длина, S — площадь поперечного сечения, а ρ — удельное сопротивление материала резистора.

Было обнаружено, что в некоторых случаях сопротивление резисторов наноразмера не зависит ни от их размера, ни от вещества, из которого они изготовлены, и детерминировано только двумя физическими константами:



Где e — заряд электрона , h — постоянная Планка

Поэтому величина получила название кванта электрического сопротивления, под чем подразумевается, что в наноразмерах сопротивления всех резисторов равны!

Ещё один любопытный факт заключается в том, что при прохождении тока не выделяется тепло! Причём это не зависит ни от длины, ни от поперечного сечения резистора. Этот эффект получил название баллистической проводимости, чем его открыватели хотели сказать, что электроны как снаряды точно движутся через резистор, не сталкиваясь с атомами узлов его кристаллической решётки.

Говоря о наномире, учёные вспоминают о давней мечте, так называемом демоне Максвелла — воображаемом миниатюрном существе, которому можно было бы поручить задачу по сборке физических объектов с заданными свойствами. Но пока это всё ещё находится в области фантастики, хотя наука и делает свои шаги в этом направлении, скажем, учёные из компании IBM смогли манипулировать отдельными атомами кислорода, используя сверхтонкие иглы.

Но сборка чего-то действительно полезного и массового, осуществлённая таким способом, заняла бы гигантское количество времени и потребовала бы аналогичного количества энергии. Например, если производить сборку электронной батарейки для часов со скоростью по одному атому в секунду, используя сканирующий электронный микроскоп, то общее время, которое на это потребовалось бы, составило порядка лет, что в 10 млн. раз больше, чем возраст Вселенной.

Создание наноструктур, или «3D-принтер на максималках»

Итак, как мы могли видеть выше, скоростное создание наноструктур является камнем преткновения. Одним из наилучших путей её решения (но не единственным), является идея так называемой нанофабрики, в основе которой находятся так называемые фабрикаторы, которые должны представлять собой захваты, способные схватить и перемещать строительные блоки. Нанофабрика предназначена для прямой сборки любого физического предмета с заданными свойствами. Скажем «распечатать» стеклянный шар со стальным внутри? Почему бы и нет!

Строительство в рамках этой идеи возможно в виде двух конкурирующих концепций: конвергентной сборки, во время которой сначала собираются фабрикаторами небольшие блоки, которые затем передаются следующим фабрикаторам, которые собирают из них ещё более крупные структуры и так далее.

Альтернативной концепцией является идея параллельной сборки, во время которой массив фабрикаторов строит объект слой за слоем (похоже на 3D-печать, не так ли?):

Картинка: «Нанотехнологии для всех» — М. Рыбалкина

Так как моделировать предметы физического мира с использованием всего одного или даже нескольких фабрикаторов будет весьма затруднительно и продолжительно, предполагается, что подобная фабрика должна содержать триллионы подобных манипуляторов. Но как создать такое количество манипуляторов? Учёные предполагают, что начинать нужно с малого, а именно: заложить в каждый кирпичик этой нанофабрики возможность к реплицированию, то есть самовоспроизведению. Таким образом, фабрика могла бы сама вырастить сама себя, начиная с маленьких кирпичиков и до макроразмера.

Гипотетический принцип действия манипуляторов, на основе которых они должны были бы работать, химический: при хватании блока манипулятор химически связывается с ним, а после поднесения его на то место, где блок должен быть закреплён, блок укладывается и образует более сильную связь с этим местом, чем с манипулятором, что позволяет манипулятору оторваться от него. К сожалению, несмотря на множество прикладываемых усилий, этот краеугольный кирпичик — фабрикатор — до конца ещё никем до сих пор не реализован, хотя разработки ведутся.

Одним из наиболее примечательных способов такого манипулирования является использование лазерных лучей. При этом если применяется неоднородный лазерный луч, то захватываемая частица притягивается в область самой большой яркости. Причиной этого является наличие у потоков фотонов импульса, как и у любых квантовых частиц. В последнее время эта технология прогрессировала, и были созданы специальные бесселевы пучки, где силы действуют вдоль луча или вращаясь вокруг его оси, что позволяет вращать или сдвигать объекты вдоль луча.

Интересным достижением в области лучевого манипулирования объектами является создание жидкого кристалла, позволяющего разделять лазерный луч на 200 лучиков, каждый из которых управляется отдельно. Благодаря этому кристаллу уже удалось точно манипулировать нанообъектами.

Несмотря на кажущуюся фантастичность концепции в целом, NASA полагает, что подобное устройство (нанофабрика) вполне возможно и было бы не сильно сложнее, чем Pentium 4. Их живой интерес к этому предмету понятен, так как идут исследования возможности терраформирования далёких планет…

Применение нанотехнологий

▍ Электроника

С 1990-х годов учёные в США разрабатывают проект так называемой умной пыли, суть которого заключается в создании массива сенсоров-радиопередатчиков, взаимодействующих друг с другом и передающих данные центральному компьютеру. Был разработан даже прототип, в котором отдельные пылинки ещё были не наноразмера, а наподобие медицинских таблеток. Объём памяти каждой таблетки составлял несколько килобайт, а для управления процессом была разработана миниатюрная операционная система TinyOS, которая могла оперировать файлами размером до 200 КБ, взаимодействуя в процессе работы с небольшой базой данных TinyDB. Общее количество «пылинок» составляло несколько сотен. Но это был всего лишь прототип, а вот дальнейшие успехи в развитии нанотехнологий могут привести к появлению уже настоящей «умной» пыли, доведя миниатюризацию этих устройств до соответствующего названию уровня.

Ещё одним интересным применением нанотехнологий является создание так называемого электронного носа, который содержит специальную чувствительную матрицу, созданную с применением нанотехнологий и позволяющую обнаруживать даже малейшее содержание веществ в анализируемом воздухе. Она состоит из массива датчиков, каждый из которых может обнаруживать наличие определённого компонента в воздухе. В одном из вариантов своей реализации подобная матрица содержит иглы толщиной 100 нанометров и длиной в 50 микрон. При наличии в воздухе и последующем прикреплении к этой игле специфического химического компонента происходит изменение частоты колебаний этой иглы за счёт увеличения её массы. Анализируя частоту колебаний иглы, можно детектировать наличие определённых молекул.

Такие устройства уже широко используются и служат хорошую службу в различных областях, начиная с криминалистики и заканчивая медициной и поиском полезных ископаемых.

▍ Медицина

Совершенствование биотехнологий привело к созданию нового направления в медицине, которое называется «молекулярной наномедициной». Она позволяет реализовывать множество уникальных направлений, среди которых:

Лаборатория на чипе. Было создано поразительное устройство, имеющее размеры приблизительно в 4x4 см, которое может выступать в роли целого ряда медицинского лабораторного оборудования и позволяет производить анализ ДНК, РНК, родства, исследование генетически модифицированных организмов, проводить диагностику онкологических заболеваний и многие другие лабораторные исследования! Подобное устройство, несмотря на свои размеры, может одновременно производить анализ двенадцати образцов за период порядка 15-30 минут (что раньше занимало около недели). В отличие от микросхем, которые содержат функциональные блоки, связанные токопроводящими дорожками, подобные микросхемы на чипе содержат также функциональные блоки, однако в качестве них выступает различная запорная арматура, реакторы, каналы, по которым текут реагенты, а также хранилища этих реагентов.

Например, ДНК в таких чипах исследуется с использованием метода полимеразной цепной реакции, который был разработан в 1987 году и представляет собой охлаждение и нагревание раствора, в котором содержится исследуемая ДНК.

Также в мировой практике известен чип, разработанный одной из компаний, имеющий размеры с почтовую марку и предназначенный для анализа биологической опасности путём исследования и нахождения компонентов, содержащихся в составе бактериологического оружия.

Производство таких чипов осуществляется с использованием MEMS/NEMS (микроэлектромеханических/наноэлектромеханических) технологий производства чипов.

Почему нельзя использовать классические технологии производства микросхем? По той простой причине, что электрический ток может течь по плоским проводникам, а жидкие реагенты не могут. Поэтому вынужденно приходится создавать трёхмерные структуры.

Наноматериалы для борьбы с бактериями и вирусами. Учёными был разработан ковёр из нанотрубок, эффективно борющийся с микроорганизмами за счёт того, что его отдельные нанотрубки протыкают клеточные мембраны, что вызывает гибель микроорганизмов:

Картинка: «Нанотехнологии для всех» — М. Рыбалкина

Адресная доставка лекарств. С помощью нанотехнологии была разработана особая макромолекула, которая занимается доставкой лекарств в раковые клетки. Причём макромолекула состоит из четырёх компонентов:

• средства обнаружения больной клетки;
• модуль разрыва пузыря вокруг макромолекулы, что позволяет втянуть внутрь неё раковую клетку;
• модуль, предназначенный для проникновения через опоры ядерной мембраны клетки;
• модуль с лекарством, который предназначен для уничтожения ядра раковой клетки.

Как показали эксперименты, использование подобного способа с применением макромолекулы увеличивает эффективность доставки лекарства до 1000 раз.

▍ Механика

Многие действия, осуществляющиеся на наноуровне, требуют механического движения — перемещения или вращения. Для этого весьма важным является вопрос микромоторов, другими словами, наноактюаторов.

Науке известно множество способов преобразования электрической и химической энергии в механическое движение. В то же время, если говорить о таких маленьких масштабах, то для них существует возможность применения и иных способов, которые могли быть нецелесообразны в макроразмерах (в источнике, видимо, подразумевается, что для использования в качестве двигателей — прим.автора статьи): электростатический, памяти формы, термопневматический, биметаллический, молекулярный, биологического преобразования энергии.

Например, в нанотехнологиях вместо электромагнитного принципа (широко распространённого на макроуровне) зачастую используют пьезоэлектрический и электростатический принципы.

Приводиться в движение подобные устройства могут как с помощью приложения внешней разницы потенциалов, так и воздействием электромагнитного поля.

Например, известен электродвигатель, где в качестве вращающегося элемента выступает золотая пластинка размером 250 нанометров, осью которой является углеродная нанотрубка. Вокруг устройства треугольником расположены три электрода, на которые подаётся переменное напряжение с амплитудой 5 Вольт, что приводит к вращению пластинки.

Также подобные микромоторы могут приводиться в движение за счёт сил теплового расширения, которое возникает в месте контакта двух материалов с разными коэффициентами теплового расширения, через которые пропускают электрический ток.

Может быть применён также и химический принцип управления, который заключается в изменении состава среды, в которой находится мотор, например, её кислотности.

С применением такого принципа известен существующий микромотор, который может производить возвратно-поступательное движение (перемещая стержень, состоящий из молекулы ДНК) со скоростью 190 нм в секунду на расстояние до 3 мкм. Источником энергии для такого двигателя являются молекулы АТФ — те же самые, которые используются клетками живого тела в качестве источника энергии.

▍ Энергетика

Научно-технический прогресс во многих сферах тормозится из-за отсутствия компактных энергоёмких систем питания, где в том числе могут помочь нанотехнологии.

Как уже говорилось, чем меньше размер частиц, тем больше их суммарная площадь. И если, например, в тех же самых батареях использовать в качестве электродов наноструктурированные материалы, то это приведёт к увеличению площади контакта между электролитом и электродами. Следствием станет увеличение ёмкости аккумуляторов и скоростей заряда и разряда. Причиной этого является уменьшение расстояния, которое должны проходить ионы в процессе диффузии в материал. Таким образом, мы видим здесь положительное влияние эффекта масштаба.

Ещё одним интересным моментом является то, что благодаря своей прочности наночастицы не растрескиваются в ходе прохождения циклов заряда/разряда, что, соответственно, увеличивает долговечность батареи в целом.

Использование нанотехнологии не ограничивается только аккумулятором, так как они могут быть применены, например, и в создании солнечных батарей с увеличенной площадью, и, соответственно, с повышенной энергогенерацией.

Ещё одним достаточно интересным применением нанотехнологии может быть хранение водорода. Дело в том, что водород при своём сгорании даёт очень большое количество тепла, которое в три раза превышает сгорание бензина или природного газа.

Но молекула водорода очень маленькая, и поэтому может просачиваться через другие материалы. А так как водород обладает повышенной взрывоопасностью, это является существенной проблемой и вызывает необходимость в проектировании более толстых стенок для водородных резервуаров, чем для других газов.

И здесь могут как раз пойти на помощь нанотехнологии, а именно углеродные нанотрубки, которые могли бы выступить в роли своеобразной губки, позволяющей впитать в себя водород и удерживать его нужное время. Механизм удержания водорода базируется на хемосорбции, то есть захвате водорода поверхностью трубки и последующем образовании химической связи. Кроме того, водород может захватываться и чисто физическим способом с помощью ван-дер-ваальсова взаимодействия.

Обратное извлечение водорода происходит при нагреве этой губки до 600°. Таким образом, хранение его становится взрывобезопасным. В дальнейшем водород может быть применён как непосредственно для сжигания, так и для прямого преобразования его в электрическую энергию в топливном элементе.

Подытоживая, можно сказать, что нанотехнологии дают совершенно новые возможности, которые ещё совсем недавно относились к области фантастики. Тема нанотехнологий весьма широка, и статья только слегка приоткрывает завесу, поэтому желающие могут ознакомиться с ней более подробно по списку использованной литературы, либо же самостоятельно. От себя хочу добавить, что мне видится особо привлекательным в нанотехнологиях то, что для занятия ими не обязательно иметь «огромные ангары». В принципе, вести свои разработки в этом направлении можно даже и «в гараже», что так популярно у многих стартаперов. Или даже просто на своём письменном столе…

Список использованной литературы

1. «Нанотехнологии: азбука для всех» — под ред. ак. РАН Ю.Д.Третьякова.
2. «Нанотехнологии для всех» — М. Рыбалкина.
3. «Что могут нанотехнологии» — Богданов К.Ю.

Пол-лимона подарков от RUVDS. Отвечай на вопросы и получай призы