Dobytí přírody člověkem ještě neskončilo. V každém případě jsme dosud nezachytili nanosvět a nestanovili jsme v něm vlastní pravidla. Podívejme se, co to je a jaké příležitosti nám svět objektů měřených v nanometrech dává.
Co je „nano“?
Kdysi byly slyšet úspěchy mikroelektroniky. Nyní jsme vstoupili do nové éry nanotechnologie. Co je to tedy za „nano“, které se sem tam začalo přidávat k obvyklým slovům a dodávalo jim nový moderní zvuk: nanoroboty, nanomachiny, nanoradio atd.? Předpona „nano“se používá v mezinárodním systému jednotek (SI). Používá se k vytvoření zápisu pro desítkové jednotky. To je jedna miliardtina původní jednotky. V tomto případě mluvíme o objektech, jejichž rozměry jsou určeny v nanometrech. To znamená, že jeden nanometr je miliardtina metru. Pro srovnání, mikron (neboli mikrometr, který dal název mikroelektronice a kromě toho mikrobiologie, mikrochirurgie atd.) Je miliontina metru.
Vezmeme-li jako příklad milimetry (předpona „milli-“je tisícina), pak v milimetru existuje 1 000 000 nanometrů (nm) a podle toho 1 000 mikrometrů (μm). Lidské vlasy mají průměrnou tloušťku 0,05–0,07 mm, tj. 50 000–70 000 nm. Ačkoli průměr vlasů lze zapsat v nanometrech, je daleko od nanosvětu. Pojďme hlouběji a podívejme se, co tam je už teď.
Průměrná velikost bakterií je 0,5–5 µm (500–5000 nm). Viry, jeden z hlavních nepřátel bakterií, jsou ještě menší. Průměrný průměr většiny studovaných virů je 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Ale šroubovice DNA má průměr 1,8-2,3 nm. Předpokládá se, že nejmenší atom je atom helia, jeho poloměr je 32 pm (0,032 nm) a největší je cesium 225 pm (0,255 nm). Obecně bude nanoobjekt považován za objekt, jehož velikost alespoň v jedné dimenzi je v nanoměřítku (1–100 nm).
Vidíte nanosvět?
Propagační video:
Samozřejmě chci vidět všechno, co se říká, na vlastní oči. Tedy alespoň okulárem optického mikroskopu. Je možné nahlédnout do nanosvěta? Obvyklý způsob, jak pozorujeme například mikroby, je nemožný. Proč? Protože světlo, s určitým stupněm konvence, lze nazvat nanovlnami. Vlnová délka fialové barvy, od které začíná viditelný rozsah, je 380–440 nm. Vlnová délka červené barvy je 620-740 nm. Viditelné záření má vlnové délky stovek nanometrů. V tomto případě je rozlišení konvenčních optických mikroskopů omezeno Abbeho difrakčním limitem na přibližně polovině vlnové délky. Většina objektů, které nás zajímají, jsou ještě menší.
Prvním krokem k proniknutí do nanosvěta byl proto vynález transmisního elektronového mikroskopu. První takový mikroskop navíc vytvořili Max Knoll a Ernst Ruska již v roce 1931. V roce 1986 byla za jeho vynález udělena Nobelova cena za fyziku. Princip činnosti je stejný jako u běžného optického mikroskopu. Pouze namísto světla je proud elektronů směrován na předmět zájmu, který je zaostřen magnetickými čočkami. Pokud optický mikroskop zaznamenal nárůst asi tisíckrát, pak elektronový mikroskop již byl milionkrát. Má však také své nevýhody. Nejprve je nutné získat dostatečně tenké vzorky materiálů pro práci. Musí být průhledné v elektronovém paprsku, takže jejich tloušťka se pohybuje v rozmezí 20-200 nm. Zadruhé to ježe se vzorek pod vlivem elektronových paprsků může rozložit a stát se nepoužitelným.
Další variantou elektronového paprskového mikroskopu je rastrovací elektronový mikroskop. Nesvítí vzorkem, jako předchozí, ale skenuje jej elektronovým paprskem. To umožňuje zkoumat silnější vzorky. Zpracování analyzovaného vzorku elektronovým paprskem generuje sekundární a zpětně odražené elektrony, viditelné (katodoluminiscence) a rentgenové záření, které jsou zachycovány speciálními detektory. Na základě přijatých dat se vytvoří představa o objektu. První rastrovací elektronové mikroskopy se objevily na počátku 60. let.
Mikroskopy skenovací sondy jsou relativně nová třída mikroskopů, která se objevila již v 80. letech. Již zmíněná Nobelova cena za fyziku z roku 1986 byla rozdělena mezi vynálezce transmisního elektronového mikroskopu Ernsta Ruska a tvůrce rastrovacího tunelového mikroskopu Gerda Binniga a Heinricha Rohrera. Skenovací mikroskopy umožňují nešetřit, ale „cítit“reliéf povrchu vzorku. Výsledná data jsou poté převedena na obrázek. Na rozdíl od rastrovacího elektronového mikroskopu používá sonda pro provoz ostrou skenovací jehlu. Jehla, jejíž hrot má tloušťku jen několika atomů, působí jako sonda, která je přivedena do minimální vzdálenosti 0,1 nm od vzorku. Během skenování se jehla pohybuje po povrchu vzorku. Mezi špičkou a povrchem vzorku vzniká tunelovací proud,a jeho hodnota závisí na vzdálenosti mezi nimi. Změny se zaznamenávají, což umožňuje na jejich základě stavět výškovou mapu - grafické znázornění povrchu objektu.
Podobný princip činnosti využívá i jiný mikroskop ze třídy mikroskopů skenovací sondy - atomová síla. K dispozici je také hrot sondy a podobný výsledek - grafické znázornění povrchového reliéfu. Měří se však nejen velikost proudu, ale silová interakce mezi povrchem a sondou. Nejprve se rozumí van der Waalsovy síly, ale také elastické síly, kapilární síly, adhezní síly a další. Na rozdíl od rastrovacího tunelového mikroskopu, který lze použít pouze ke studiu kovů a polovodičů, umožňuje mikroskop s atomovou silou také studium dielektrik. To však není jeho jediná výhoda. Umožňuje nejen nahlédnout do nanosvětu, ale také manipulovat s atomy.
Molekula pentacenu. A je model molekuly. B - obraz získaný skenovacím tunelovým mikroskopem. C - obraz získaný mikroskopem atomové síly. D - několik molekul (AFM). A, B a C ve stejném měřítku
Foto: Věda
Nanomachiny
V přírodě probíhá v nanoměřítku, tj. Na úrovni atomů a molekul, mnoho procesů. Můžeme samozřejmě nyní také ovlivnit, jak postupují. Ale děláme to téměř slepě. Nanomachiny jsou cíleným nástrojem pro práci v nanosvětu; jsou to zařízení, která člověku umožňují manipulovat s jednotlivými atomy a molekulami. Až donedávna je mohla vytvářet a ovládat pouze příroda. Jsme krůček od dne, kdy to dokážeme také.
Nanomachiny
Foto: warosu.org
Co mohou nanostroje dělat? Vezměme si například chemii. Syntéza chemických sloučenin je založena na skutečnosti, že vytváříme podmínky nezbytné pro to, aby chemická reakce mohla pokračovat. Ve výsledku máme na výstupu určitou látku. V budoucnu lze chemické sloučeniny vytvářet, relativně řečeno, mechanicky. Nanomachiny budou schopné spojit a oddělit jednotlivé atomy a molekuly. V důsledku toho se vytvoří chemické vazby nebo se naopak rozbijí stávající vazby. Budování nanostrojů bude schopné vytvořit z atomů molekulární struktury, které potřebujeme. Chemici nanoroboti - syntetizují chemické sloučeniny. Jedná se o průlom ve vytváření materiálů s požadovanými vlastnostmi. Zároveň jde o průlom v ochraně životního prostředí. Je snadné předpokládat, že nanostroje jsou skvělým nástrojem pro recyklaci odpadu,které je za normálních podmínek obtížné zlikvidovat. Zvláště pokud mluvíme o nanomateriálech. Koneckonců, další technický pokrok jde, tím obtížnější je pro životní prostředí vyrovnat se s jeho výsledky. Příliš dlouho probíhá rozklad nových materiálů vynalezených člověkem v přírodním prostředí. Každý ví, jak dlouho trvá rozložení vyřazených plastových tašek - produkt předchozí vědecké a technologické revoluce. Co se stane s nanomateriály, které se dříve či později stanou odpadky? Stejné nanomachiny budou muset provést jejich zpracování.jak dlouho se vyřazené plastové sáčky rozkládají - produkt předchozí vědecké a technologické revoluce. Co se stane s nanomateriály, které se dříve či později stanou odpadky? Stejné nanomachiny budou muset provést jejich zpracování.jak dlouho se vyřazené plastové sáčky rozkládají - produkt předchozí vědecké a technologické revoluce. Co se stane s nanomateriály, které se dříve či později stanou odpadky? Stejné nanomachiny budou muset provést jejich zpracování.
Fullerenový nanostroj
Foto: warosu.org
Vědci už dlouho mluví o mechanosyntéze. Jedná se o chemickou syntézu, která probíhá prostřednictvím mechanických systémů. Jeho výhoda spočívá ve skutečnosti, že umožní umístění reaktantů s vysokou mírou přesnosti. Ale zatím neexistuje žádný nástroj, který by to umožnil efektivně implementovat. Jako takové nástroje mohou samozřejmě fungovat dnes existující mikroskopy atomových sil. Ano, umožňují nejen nahlédnout do nanosvětu, ale také pracovat s atomy. Ale jako objekty makrokosmu nejsou nejvhodnější pro masové použití technologie, což se o nanomachinech nedá říci. V budoucnu budou použity k vytvoření celých molekulárních dopravníků a nanofaktorů.
Nyní však existují celé biologické nanofaktory. Existují v nás a ve všech živých organismech. Proto se od nanotechnologií očekávají průlomy v medicíně, biotechnologii a genetice. Vytvářením umělých nanostrojů a jejich zaváděním do živých buněk můžeme dosáhnout působivých výsledků. Za prvé, nanomachiny lze použít pro cílený transport léků do požadovaného orgánu. Nemusíme brát léky, protože si uvědomujeme, že pouze část z nich se dostane k nemocnému orgánu. Zadruhé, nanostroje již přebírají funkce pro editaci genomu. Technologie CRISPR / Cas9, vyhlížející z přírody, vám umožňuje provádět změny v genomu jednobuněčných i vyšších organismů, včetně lidí. Navíc mluvíme nejen o úpravě genomu embryí, ale také o genomu živých dospělých organismů. A to všechno udělají nanostroje.
Nanoradio
Pokud jsou nanostroje naším nástrojem v nanosvětu, je třeba je nějak ovládat. Ani zde však není třeba vymýšlet něco zásadně nového. Jednou z nejpravděpodobnějších metod ovládání je rádio. První kroky v tomto směru již byly učiněny. Vědci z Národní laboratoře Lawrencea Berkeleye, vedené Alexem Zettleem, vytvořili rádiový přijímač pouze z jedné nanotrubice o průměru přibližně 10 nm. Nanotrubice navíc funguje současně jako anténa, selektor, zesilovač a demodulátor. Přijímač nanoradia může přijímat vlny FM i AM s frekvencí 40 až 400 MHz. Podle vývojářů lze zařízení použít nejen k příjmu rádiového signálu, ale také k jeho přenosu.
Přijaté rádiové vlny způsobují, že anténa nanoradia vibruje
nsf.gov
Jako zkušební signál posloužila hudba Erica Claptona a Beach Boys. Vědci přenesli signál z jedné části místnosti do druhé, kde bylo umístěno rádio, které vytvořili. Jak se ukázalo, kvalita signálu byla dost dobrá. Účelem takového rádia samozřejmě není poslech hudby. Rádiový přijímač lze použít v různých nanozařízeních. Například ve stejných nanorobotech dodávajících léky, které se dostanou do požadovaného orgánu krví.
Nanomateriály
Vytváření materiálů s dříve nepředstavitelnými vlastnostmi je další příležitost, kterou nám nanotechnologie nabízí. Aby byl materiál považován za „nano“, musí mít v nanoměřítku jeden nebo více rozměrů. Buď být vytvořeny pomocí nanočástic nebo prostřednictvím nanotechnologií. Nejpohodlnější klasifikace nanomateriálů je dnes podle dimenze strukturních prvků, z nichž jsou složeny.
Nulová dimenze (0D) - nanoklastry, nanokrystaly, nanodisperze, kvantové tečky. Žádná ze stran 0D nanomateriálu nepřesahuje nanoměřítko. Jedná se o materiály, ve kterých jsou nanočástice navzájem izolovány. První komplexní nulové dimenzionální struktury získané a aplikované v praxi jsou fullereny. Fullereny jsou nejsilnější antioxidanty, jaké jsou dnes známy. Ve farmakologii se na ně upínají naděje na vytvoření nových léků. Fullerenové deriváty se dobře osvědčují při léčbě HIV. A při vytváření nanostrojů lze jako součásti použít fullereny. Nanostroj s koly fullerenu je zobrazen výše.
Fulleren
Foto: wikipedia.org
Jednorozměrné (1D) - nanotrubice, vlákna a tyče. Jejich délka se pohybuje od 100 nm do desítek mikrometrů, ale jejich průměr spadá do nanoměřítka. Nejznámějšími jednorozměrnými materiály současnosti jsou nanotrubice. Mají jedinečné elektrické, optické, mechanické a magnetické vlastnosti. V blízké budoucnosti by nanotrubice měly najít uplatnění v molekulární elektronice, biomedicíně a při vytváření nových super silných a ultra lehkých kompozitních materiálů. Nanotrubice se již používají jako jehly při skenování tunelovacích a atomových silových mikroskopů. Výše jsme mluvili o vytvoření nanoradia založeného na nanotrubičkách. A samozřejmě je na uhlíkových nanotrubkách vložena naděje jako materiál pro kabel vesmírného výtahu.
Uhlíková nanotrubice
Foto: wikipedia.org
Dvourozměrné (2D) - filmy (povlaky) o tloušťce nanometrů. Jedná se o známý grafen - dvourozměrnou alotropickou modifikaci uhlíku (grafen získal Nobelovu cenu za fyziku za rok 2010). Méně známé veřejnosti jsou silicen - dvourozměrná modifikace křemíku, fosfor - fosfor, germanen - germanium. V loňském roce vědci vytvořili borofen, který se na rozdíl od jiných dvojrozměrných materiálů ukázal být ne plochý, ale zvlněný. Uspořádání atomů boru ve formě vlnité struktury poskytuje jedinečné vlastnosti získaného nanomateriálu. Borofen tvrdí, že je lídrem v pevnosti v tahu mezi dvourozměrnými materiály.
Borofenová struktura
Foto: MIPT
Dvojrozměrné materiály by měly najít uplatnění v elektronice, při konstrukci filtrů pro odsolování mořské vody (grafenové membrány) a při vytváření solárních článků. V blízké budoucnosti může grafen nahradit oxid india - vzácný a drahý kov - při výrobě dotykových obrazovek.
Trojrozměrné (3D) nanomateriály jsou prášky, vláknité, vícevrstvé a polykrystalické materiály, ve kterých jsou výše uvedenými nulovými, jednorozměrnými a dvourozměrnými nanomateriály strukturální prvky. Těsně přiléhající k sobě tvoří rozhraní mezi sebou - rozhraní.
Druhy nanomateriálů
Foto: thesaurus.rusnano.com
Uběhne trochu času a nanotechnologie - technologie pro manipulaci s objekty v měřítku se stanou samozřejmostí. Stejně jako se mikroelektronické technologie staly známými a dávají nám počítače, mobilní telefony, satelity a mnoho dalších atributů moderní informační doby. Dopad nanotechnologie na život však bude mnohem širší. Změny na nás čekají téměř ve všech sférách lidské činnosti.
Sergej Sobol