Penaklukan alam oleh manusia belum berakhir. Walau apa pun, kita belum menangkap dunia nano dan menetapkan peraturan kita sendiri di dalamnya. Mari lihat apa itu dan peluang apa yang diberikan oleh dunia objek yang diukur dalam nanometer.
Apa itu "nano"?
Suatu ketika dahulu pencapaian mikroelektronik didengar. Kami kini telah memasuki era baru nanoteknologi. Jadi apa "nano" ini, yang di sana-sini mula menambah kata-kata biasa, memberikan mereka bunyi moden baru: nanorobots, nanomachines, nanoradio dan sebagainya? Awalan "nano" digunakan dalam Sistem Antarabangsa Unit (SI). Ini digunakan untuk membentuk notasi untuk unit perpuluhan. Ini adalah satu bilion dari unit asal. Dalam kes ini, kita bercakap mengenai objek yang dimensinya ditentukan dalam nanometer. Ini bermaksud bahawa satu nanometer adalah satu bilion satu meter. Sebagai perbandingan, mikron (alias mikrometer yang memberi nama mikroelektronik, dan selain itu, mikrobiologi, bedah mikro, dan lain-lain) adalah sepersepuluh meter.
Sekiranya kita mengambil milimeter sebagai contoh (awalan "milli" adalah seperseribu), maka dalam milimeter terdapat 1,000,000 nanometer (nm) dan, dengan itu, 1,000 mikrometer (μm). Rambut manusia mempunyai ketebalan rata-rata 0.05–0.07 mm, iaitu 50.000–70.000 nm. Walaupun diameter rambut boleh ditulis dalam nanometer, ini jauh dari dunia nanoworld. Mari pergi lebih mendalam dan melihat apa yang ada sekarang.
Ukuran bakteria rata-rata adalah 0,5-5 μm (500-5000 nm). Virus, salah satu musuh utama bakteria, bahkan lebih kecil. Diameter rata-rata kebanyakan virus yang dikaji adalah 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Tetapi heliks DNA mempunyai diameter 1.8-2.3 nm. Dipercayai bahawa atom terkecil adalah atom helium, radiusnya 32 pm (0,032 nm), dan yang terbesar ialah cesium 225 pm (0.255 nm). Secara umum, nanoobject dianggap sebagai objek yang ukurannya sekurang-kurangnya satu dimensi berada dalam skala nano (1-100 nm).
Bolehkah anda melihat dunia nanoworld?
Video promosi:
Sudah tentu, saya ingin melihat semua yang diperkatakan dengan mata saya sendiri. Baiklah, sekurang-kurangnya pada lensa mikroskop optik. Adakah mungkin untuk melihat dunia nanoworld? Cara biasa, seperti yang kita perhatikan, misalnya, mikroba, adalah mustahil. Kenapa? Kerana cahaya, dengan beberapa tahap konvensi, dapat disebut gelombang nano. Panjang gelombang warna ungu, dari mana julat yang dapat dilihat bermula, adalah 380-440 nm. Panjang gelombang warna merah ialah 620-740 nm. Sinaran yang dapat dilihat mempunyai panjang gelombang beratus-ratus nanometer. Dalam kes ini, resolusi mikroskop optik konvensional dibatasi oleh had difraksi Abbe pada kira-kira separuh panjang gelombang. Sebilangan besar objek yang menarik bagi kami lebih kecil.
Oleh itu, langkah pertama menuju penembusan ke dunia nanow adalah penemuan mikroskop elektron penghantaran. Lebih-lebih lagi, mikroskop pertama dibuat oleh Max Knoll dan Ernst Ruska pada tahun 1931. Pada tahun 1986, Hadiah Nobel dalam Fizik diberikan kerana penemuannya. Prinsip operasi adalah sama dengan mikroskop optik konvensional. Hanya daripada cahaya, aliran elektron diarahkan ke objek menarik, yang difokuskan oleh lensa magnetik. Sekiranya mikroskop optik memberikan kenaikan sekitar seribu kali, maka mikroskop elektron sudah berjuta-juta kali. Tetapi ia juga mempunyai kekurangannya. Pertama, perlu mendapatkan sampel bahan yang cukup nipis untuk bekerja. Mereka mesti telus dalam rasuk elektron, sehingga ketebalannya berbeza dalam julat 20-200 nm. Kedua, ia adalahbahawa sampel di bawah pengaruh pancaran elektron boleh terurai dan tidak dapat digunakan.
Versi lain dari mikroskop aliran elektron adalah mikroskop elektron pengimbasan. Ia tidak bersinar melalui sampel, seperti yang sebelumnya, tetapi mengimbasnya dengan sinar elektron. Ini membolehkan sampel yang lebih tebal diperiksa. Pemprosesan sampel yang dianalisis dengan sinar elektron menghasilkan elektron sekunder dan pantulan belakang, yang dapat dilihat (cathodoluminescence) dan sinar-X, yang ditangkap oleh pengesan khas. Berdasarkan data yang diterima, idea objek dibentuk. Mikroskop elektron imbasan pertama muncul pada awal 1960-an.
Mikroskop probe pengimbasan adalah kelas mikroskop yang agak baru yang sudah muncul pada tahun 80-an. Hadiah Nobel Fizik 1986 yang telah disebutkan telah dibahagikan antara penemu mikroskop elektron transmisi Ernst Ruska dan pencipta mikroskop terowong pengimbasan Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer. Mikroskop pengimbasan memungkinkan untuk tidak memeriksa, tetapi untuk "merasakan" lega permukaan sampel. Data yang dihasilkan kemudian diubah menjadi gambar. Tidak seperti mikroskop elektron pengimbasan, probe menggunakan jarum pengimbas tajam untuk operasi. Jarum, ujungnya hanya tebal beberapa atom, berfungsi sebagai probe, yang dibawa ke jarak minimum ke sampel - 0,1 nm. Semasa mengimbas, jarum bergerak ke atas permukaan sampel. Arus terowong timbul antara hujung dan permukaan sampel,dan nilainya bergantung pada jarak di antara mereka. Perubahan dicatatkan, yang memungkinkan membangun peta tinggi berdasarkannya - gambaran grafik permukaan objek.
Prinsip operasi yang serupa digunakan oleh mikroskop lain dari kelas mikroskop probe pengimbasan - daya atom. Terdapat juga hujung probe, dan hasil yang serupa - gambaran grafik lekapan permukaan. Tetapi bukan besarnya arus yang diukur, tetapi kekuatan interaksi antara permukaan dan probe. Pertama sekali, daya van der Waals dimaksudkan, tetapi juga daya elastik, daya kapilari, daya lekatan, dan lain-lain. Tidak seperti mikroskop terowong pengimbasan, yang hanya dapat digunakan untuk mempelajari logam dan semikonduktor, mikroskop daya atom juga memungkinkan kajian dielektrik. Tetapi ini bukan satu-satunya kelebihannya. Ia bukan sahaja dapat melihat ke dalam dunia nano, tetapi juga untuk memanipulasi atom.
Molekul pentasena. A adalah model molekul. B - gambar yang diperoleh dengan mikroskop terowong pengimbasan. C - gambar yang diperoleh oleh mikroskop daya atom. D - beberapa molekul (AFM). A, B dan C pada skala yang sama
Foto: Sains
Nanomachines
Secara semula jadi, pada skala nano, iaitu pada tahap atom dan molekul, banyak proses berlaku. Kita tentu saja masih dapat mempengaruhi bagaimana mereka meneruskannya. Tetapi kita melakukannya hampir secara membuta tuli. Nanomachines adalah instrumen yang disasarkan untuk bekerja di dunia nanow; mereka adalah alat yang membolehkan seseorang memanipulasi atom dan molekul tunggal. Sehingga baru-baru ini, hanya alam yang dapat mencipta dan mengawalnya. Kita selangkah lagi dari hari ketika kita dapat melakukan ini juga.
Nanomachines
Foto: warosu.org
Apa yang boleh dilakukan oleh nanomachines? Ambil contoh kimia. Sintesis sebatian kimia didasarkan pada fakta bahawa kita mewujudkan keadaan yang diperlukan agar tindak balas kimia dapat berjalan. Akibatnya, kita mempunyai bahan tertentu pada outputnya. Pada masa akan datang, sebatian kimia dapat dibuat, secara relatif, secara mekanikal. Nanomachines akan dapat menghubungkan dan memisahkan atom dan molekul individu. Akibatnya, ikatan kimia akan terbentuk atau, sebaliknya, ikatan yang ada akan terputus. Membina nanomachines akan dapat membuat struktur molekul yang kita perlukan dari atom. Nanorobots ahli kimia - mensintesis sebatian kimia. Ini adalah kejayaan dalam penciptaan bahan dengan sifat yang diinginkan. Pada masa yang sama, ini merupakan kejayaan dalam perlindungan alam sekitar. Adalah mudah untuk menganggap bahawa nanomachines adalah alat yang sangat baik untuk mengitar semula sampah,yang dalam keadaan normal sukar dilupuskan. Terutama jika kita bercakap mengenai nanomaterials. Bagaimanapun, semakin maju kemajuan teknikal, semakin sukar bagi persekitaran untuk mengatasi hasilnya. Terlalu lama, penguraian bahan baru yang diciptakan oleh manusia berlaku di persekitaran semula jadi. Semua orang tahu berapa lama masa untuk menguraikan beg plastik yang dibuang - produk dari revolusi saintifik dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan berlaku pada bahan nano, yang lambat laun akan menjadi sampah? Nanomachines yang sama perlu dilakukan pemprosesannya.berapa lama beg plastik yang dibuang untuk diuraikan - produk dari revolusi saintifik dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan berlaku pada bahan nano, yang lambat laun berubah menjadi sampah? Nanomachines yang sama perlu dilakukan pemprosesannya.berapa lama beg plastik yang dibuang untuk diuraikan - produk dari revolusi saintifik dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan berlaku pada bahan nano, yang lambat laun berubah menjadi sampah? Nanomachines yang sama perlu dilakukan pemprosesannya.
Nanomachine roda Fullerene
Foto: warosu.org
Para saintis telah lama bercakap mengenai mekanosintesis. Ini adalah sintesis kimia yang berlaku melalui sistem mekanikal. Kelebihannya dapat dilihat pada kenyataan bahawa ia akan membenarkan penempatan reaktan dengan tahap ketepatan yang tinggi. Tetapi setakat ini tidak ada alat yang memungkinkan untuk melaksanakannya dengan berkesan. Sudah tentu, mikroskop daya atom yang ada sekarang boleh bertindak sebagai instrumen seperti itu. Ya, mereka membenarkan bukan sahaja melihat ke dunia nano, tetapi juga beroperasi dengan atom. Tetapi sebagai objek makrokosmos, mereka bukan yang paling sesuai untuk penggunaan teknologi secara besar-besaran, yang tidak dapat dikatakan mengenai nanomachines. Pada masa akan datang, mereka akan digunakan untuk membuat keseluruhan penghantar molekul dan nanofactories.
Tetapi sekarang terdapat keseluruhan nanofactories biologi. Mereka wujud di dalam kita dan di semua organisma hidup. Itulah sebabnya kemajuan dalam bidang perubatan, bioteknologi dan genetik diharapkan dari nanoteknologi. Dengan membuat nanomachines buatan dan memasukkannya ke dalam sel hidup, kita dapat mencapai hasil yang mengagumkan. Pertama, nanomachines boleh digunakan untuk pengangkutan ubat yang disasarkan ke organ yang dikehendaki. Kita tidak perlu minum ubat, menyedari bahawa hanya sebahagian daripadanya yang akan sampai ke organ yang berpenyakit. Kedua, nanomachines sudah mengambil alih fungsi penyuntingan genom. Teknologi CRISPR / Cas9, yang dilihat dari alam semula jadi, membolehkan anda membuat perubahan pada genom organisma uniselular dan lebih tinggi, termasuk manusia. Lebih-lebih lagi, kita bercakap bukan sahaja mengenai penyuntingan genom embrio, tetapi juga genom organisma dewasa yang hidup. Dan nanomachines akan melakukan semua ini.
Nanoradio
Sekiranya nanomachines adalah alat kita di dunia nanow, maka entah bagaimana mereka perlu dikawal. Walau bagaimanapun, tidak ada keperluan untuk mencipta sesuatu yang asasnya baru di sini. Salah satu kaedah kawalan yang paling mungkin adalah radio. Langkah pertama ke arah ini sudah diambil. Para saintis di Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley, yang diketuai oleh Alex Zettle, telah membuat penerima radio dari satu nanotube berdiameter sekitar 10 nm. Lebih-lebih lagi, nanotube bertindak serentak sebagai antena, pemilih, penguat dan demodulator. Penerima nanoradio dapat menerima gelombang FM dan AM dengan frekuensi 40 hingga 400 MHz. Menurut para pembangun, peranti tersebut dapat digunakan bukan hanya untuk menerima isyarat radio, tetapi juga untuk mengirimkannya.
Gelombang radio yang diterima menjadikan antena nanoradio bergetar
nsf.gov
Muzik oleh Eric Clapton dan Beach Boys berfungsi sebagai isyarat ujian. Para saintis menghantar isyarat dari satu bahagian bilik ke bahagian lain, di mana radio yang mereka buat berada. Ternyata, kualiti isyaratnya cukup baik. Tetapi, secara semula jadi, tujuan radio seperti itu bukanlah mendengar muzik. Penerima radio boleh digunakan dalam pelbagai alat nanodev. Sebagai contoh, dalam nanorobots yang sama memberikan ubat yang akan menuju ke organ yang diinginkan melalui aliran darah.
Bahan Nanomaterial
Penciptaan bahan dengan sifat yang sebelumnya tidak mungkin dibayangkan adalah peluang lain yang ditawarkan oleh nanoteknologi kepada kita. Untuk dianggap "nano", bahan mesti mempunyai satu atau lebih dimensi dalam skala nano. Sama ada dibuat menggunakan nanopartikel atau melalui nanoteknologi. Pengelasan nanomaterial yang paling sesuai pada masa ini adalah berdasarkan dimensi unsur-unsur struktur yang mana ia disusun.
Sifar dimensi (0D) - nanoclusters, nanocrystals, nanodispersion, titik kuantum. Tiada sisi nanomaterial 0D melampaui skala nano. Ini adalah bahan di mana nanopartikel diasingkan antara satu sama lain. Struktur sifar dimensi kompleks pertama yang diperoleh dan digunakan dalam praktiknya adalah fullerenes. Fullerenes adalah antioksidan terkuat yang dikenali sekarang. Dalam bidang farmakologi, harapan untuk mencipta ubat-ubatan baru disematkan pada mereka. Derivatif Fullerene menunjukkan diri mereka dengan baik dalam rawatan HIV. Dan semasa membuat nanomachines, fullerenes boleh digunakan sebagai bahagian. Nanoomachine dengan roda fullerene ditunjukkan di atas.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Satu dimensi (1D) - nanotube, gentian dan batang. Panjangnya berkisar antara 100 nm hingga puluhan mikrometer, tetapi diameternya berada dalam skala nano. Bahan satu dimensi yang paling terkenal hari ini ialah nanotube. Mereka mempunyai sifat elektrik, optik, mekanikal dan magnet yang unik. Dalam masa terdekat, nanotube mesti mendapat aplikasi elektronik molekul, bioperubatan, dan dalam pembuatan bahan komposit ultra-kuat dan ultra ringan baru. Nanotube sudah digunakan sebagai jarum dalam mengimbas tunneling dan mikroskop kekuatan atom. Di atas, kita bercakap mengenai penciptaan nanoradio berdasarkan nanotube. Dan, tentu saja, harapan disematkan pada nanotube karbon sebagai bahan untuk kabel ruang angkasa.
Nanotube karbon
Foto: wikipedia.org
Dua dimensi (2D) - filem (pelapis) ketebalan nanometer. Ini adalah graphene yang terkenal - pengubahsuaian allotropic karbon dua dimensi (graphene dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik untuk 2010). Yang kurang dikenali oleh masyarakat adalah silikon - pengubahsuaian dua dimensi silikon, fosforus - fosforus, germanene - germanium. Tahun lalu, saintis mencipta borofen, yang, tidak seperti bahan dua dimensi lain, ternyata tidak rata, tetapi bergelombang. Susunan atom boron dalam bentuk struktur bergelombang memberikan sifat unik dari nanomaterial yang diperoleh. Borofen mendakwa sebagai peneraju kekuatan tegangan di antara bahan dua dimensi.
Struktur Borofena
Foto: MIPT
Bahan dua dimensi harus digunakan dalam elektronik, dalam reka bentuk penapis untuk penyahgaraman air laut (membran graphene) dan penciptaan sel suria. Dalam masa terdekat, graphene dapat menggantikan indium oksida - logam yang jarang dan mahal - dalam pengeluaran skrin sentuh.
Nanomaterial tiga dimensi (3D) adalah serbuk, berserat, multilayer dan bahan polikristalin, di mana nanomaterial sifar dimensi, satu dimensi dan dua dimensi di atas adalah unsur struktur. Melekat satu sama lain, mereka membentuk antara muka antara mereka - antara muka.
Jenis-jenis nanomaterials
Foto: thesaurus.rusnano.com
Sedikit masa akan berlalu dan nanoteknologi - teknologi untuk memanipulasi objek skala nano akan menjadi perkara biasa. Sama seperti teknologi mikroelektronik yang sudah biasa, memberi kita komputer, telefon bimbit, satelit dan banyak atribut lain dari era maklumat moden. Tetapi kesan nanoteknologi pada kehidupan akan jauh lebih luas. Perubahan menanti kita dalam hampir semua bidang aktiviti manusia.
Sergey Sobol
