หุ่นยนต์ขนาดโมเลกุล: นาโนเทคโนโลยีเตรียมเราให้พร้อมสำหรับอะไร?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

การพัฒนาสมัยใหม่ในด้านนาโนเทคโนโลยีในอนาคตจะทำให้การสร้างหุ่นยนต์มีขนาดเล็กมากจนสามารถปล่อยเข้าสู่กระแสเลือดของมนุษย์ได้ "ชิ้นส่วน" ของหุ่นยนต์ดังกล่าวจะเป็นแบบมิติเดียว ยิ่งเล็ก ยิ่งแข็งแกร่ง Dmitry Kvashnin นักวิจัยอาวุโสของ Institute of Bioorganic Chemistry ของ Russian Academy of Sciences ซึ่งทำงานเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์เชิงทฤษฎี (การทดลองทางคอมพิวเตอร์ในด้านนาโนเทคโนโลยี) กล่าวถึงความขัดแย้งของโลกนาโน T&P เขียนสิ่งสำคัญ

Dmitry Kvashnin

นาโนเทคโนโลยีคืออะไร

การใช้นาโนเทคโนโลยีเราต้องการสร้างหุ่นยนต์ที่สามารถส่งไปยังอวกาศหรือฝังในหลอดเลือดเพื่อส่งยาไปยังเซลล์ช่วยให้เซลล์เม็ดเลือดแดงเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ถูกต้อง ฯลฯ หนึ่งเกียร์ในหุ่นยนต์ดังกล่าวประกอบด้วยโหล ชิ้นส่วน หนึ่งรายละเอียดคือหนึ่งอะตอม เกียร์มีสิบอะตอม 10-9 เมตร นั่นคือ หนึ่งนาโนเมตร หุ่นยนต์ทั้งหมดมีขนาดไม่กี่นาโนเมตร

10-9 คืออะไร? นำเสนออย่างไร? สำหรับการเปรียบเทียบ ผมมนุษย์ธรรมดาจะมีขนาดประมาณ 10-5 เมตร เซลล์เม็ดเลือดแดง ซึ่งเป็นเซลล์เม็ดเลือดที่ให้ออกซิเจนแก่ร่างกายของเรา มีขนาดประมาณ 7 ไมครอน ซึ่งมีขนาดประมาณ 10-5 เมตรเช่นกัน นาโนสิ้นสุดและโลกของเราเริ่มต้น ณ จุดใด เมื่อเรามองเห็นวัตถุด้วยตาเปล่า

สามมิติ สองมิติ หนึ่งมิติ

สามมิติ สองมิติ และมิติเดียว คืออะไร และมีผลกระทบต่อวัสดุและคุณสมบัติของวัสดุในนาโนเทคโนโลยีอย่างไร เราทุกคนรู้ดีว่า 3D เป็นสามมิติ มีภาพยนตร์ธรรมดาและมีภาพยนตร์ในแบบ 3 มิติที่ฉลามทุกประเภทบินออกจากหน้าจอมาที่เรา ในแง่คณิตศาสตร์ 3D มีลักษณะดังนี้: y = f (x, y, z) โดยที่ y ขึ้นอยู่กับสามมิติ - ความยาว ความกว้าง และความสูง มาริโอที่คุ้นเคยกับสามมิตินั้นค่อนข้างสูง กว้าง และอวบอ้วน

เมื่อเปลี่ยนเป็นสองมิติ แกนหนึ่งจะหายไป: y = f (x, y) ทุกอย่างง่ายกว่ามากที่นี่: มาริโอเป็นเพียงสูงและกว้าง แต่ไม่อ้วนเพราะไม่มีใครสามารถอ้วนหรือผอมในสองมิติ

หากเราลดลงอย่างต่อเนื่อง ในมิติเดียว ทุกอย่างจะค่อนข้างง่าย และจะเหลือเพียงแกนเดียว: y = f (x) Mario ใน 1D นั้นยาวมาก - เราจำเขาไม่ได้ แต่ก็ยังเป็นเขา

จากสามมิติ - เป็นสองมิติ

วัสดุที่พบมากที่สุดในโลกของเราคือคาร์บอน มันสามารถก่อให้เกิดสารสองชนิดที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง - เพชร ซึ่งเป็นวัสดุที่คงทนที่สุดในโลก และกราไฟต์ และกราไฟต์สามารถกลายเป็นเพชรได้ง่ายๆ ด้วยความดันสูง ถ้าแม้แต่ในโลกของเรา ธาตุหนึ่งสามารถสร้างวัสดุที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงโดยมีคุณสมบัติตรงกันข้าม แล้วจะเกิดอะไรขึ้นในนาโนเวิลด์?

กราไฟต์เป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นไส้ดินสอ ปลายดินสอมีขนาดประมาณหนึ่งมิลลิเมตรนั่นคือ 10-3 เมตร ตะกั่วนาโนมีลักษณะอย่างไร เป็นเพียงกลุ่มของชั้นของอะตอมของคาร์บอนที่สร้างโครงสร้างเป็นชั้นๆ ดูเหมือนกองกระดาษ

เมื่อเราเขียนด้วยดินสอ ร่องรอยยังคงอยู่บนกระดาษ หากเราวาดความคล้ายคลึงกันกับกองกระดาษ ก็เหมือนกับว่าเรากำลังดึงกระดาษแผ่นหนึ่งออกมา กราไฟต์ชั้นบางๆ ที่หลงเหลืออยู่บนกระดาษจะเป็นแบบ 2 มิติ และมีความหนาเพียงอะตอมเดียวเท่านั้น สำหรับวัตถุที่จะถือว่าเป็นสองมิติ ความหนาต้องน้อยกว่าความกว้างและความยาวหลาย (อย่างน้อยสิบ) เท่า

แต่มีการจับ ในช่วงทศวรรษที่ 1930 Lev Landau และ Rudolf Peierls ได้พิสูจน์ว่าผลึกสองมิติไม่เสถียรและยุบตัวเนื่องจากความผันผวนของความร้อน (การเบี่ยงเบนแบบสุ่มของปริมาณทางกายภาพจากค่าเฉลี่ยของพวกมันเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่โกลาหลของอนุภาค - ประมาณ T&P) ปรากฎว่าวัสดุแบนสองมิติไม่สามารถมีอยู่ได้ด้วยเหตุผลทางอุณหพลศาสตร์ นั่นคือ ดูเหมือนว่าเราไม่สามารถสร้างนาโนในแบบ 2 มิติได้อย่างไรก็ตาม ไม่! Konstantin Novoselov และ Andrey Geim สังเคราะห์กราฟีน กราฟีนในนาโนไม่แบน แต่เป็นคลื่นเล็กน้อย จึงเสถียร

หากในโลกสามมิติของเรา เรานำกระดาษหนึ่งแผ่นออกจากกองกระดาษ แล้วกระดาษนั้นก็จะยังคงเป็นกระดาษ คุณสมบัติของกระดาษจะไม่เปลี่ยนแปลง ถ้าชั้นของกราไฟท์ถูกกำจัดออกไปในนาโนเวิร์ล กราฟีนที่ได้ก็จะมีคุณสมบัติเฉพาะตัวซึ่งไม่เหมือนกับกราไฟต์ที่มี "ต้นกำเนิด" ของมัน กราฟีนมีความโปร่งใส น้ำหนักเบา แข็งแรงกว่าเหล็ก 100 เท่า เทอร์โมอิเล็กทริกและตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม กำลังมีการวิจัยอย่างกว้างขวางและเป็นพื้นฐานสำหรับทรานซิสเตอร์อยู่แล้ว

ทุกวันนี้ เมื่อทุกคนเข้าใจว่าโดยหลักการแล้ววัสดุสองมิติสามารถดำรงอยู่ได้ ทฤษฎีก็ปรากฏว่าองค์ประกอบใหม่สามารถหาได้จากซิลิกอน โบรอน โมลิบดีนัม ทังสเตน ฯลฯ

และต่อไป - ในมิติเดียว

Graphene ในแบบ 2D มีความกว้างและความยาว จะสร้าง 1D ได้อย่างไรและจะเกิดอะไรขึ้นในที่สุด? วิธีหนึ่งคือการตัดเป็นริบบิ้นเส้นเล็ก หากความกว้างลดลงเหลือสูงสุด มันก็จะไม่ใช่แค่ริบบอนอีกต่อไป แต่เป็นคาร์ไบน์ที่เป็นวัตถุระดับนาโนที่ไม่เหมือนใคร มันถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์โซเวียต (นักเคมี Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin และ V. V. Korshak. - บันทึก T&P) ในปี 1960

วิธีที่สองในการสร้างวัตถุหนึ่งมิติคือการม้วนกราฟีนเป็นหลอด เช่น พรม ความหนาของท่อนี้จะน้อยกว่าความยาวของท่อมาก หากม้วนหรือตัดกระดาษเป็นเส้น แสดงว่ายังคงเป็นกระดาษ ถ้ากราฟีนถูกรีดเป็นหลอด มันจะเปลี่ยนเป็นคาร์บอนรูปแบบใหม่ นั่นคือท่อนาโน ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษหลายประการ

คุณสมบัติที่น่าสนใจของวัตถุนาโน

ค่าการนำไฟฟ้าเป็นวิธีที่วัสดุนำกระแสไฟฟ้าได้ดีหรือต่ำเพียงใด ในโลกของเรา วัสดุแต่ละชนิดอธิบายด้วยตัวเลขเดียวและไม่ขึ้นอยู่กับรูปร่างของมัน ไม่สำคัญว่าคุณจะสร้างกระบอกเงิน ลูกบาศก์หรือลูกบอล ค่าการนำไฟฟ้าจะเท่ากันเสมอ

ทุกอย่างแตกต่างกันในนาโนเวิลด์ การเปลี่ยนแปลงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อนาโนจะส่งผลต่อการนำไฟฟ้า ถ้าความแตกต่าง n - m (โดยที่ n และ m เป็นดัชนีบางตัวที่อธิบายเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ) ถูกหารด้วยสาม ดังนั้นท่อนาโนก็จะนำกระแส ถ้าไม่แตกแยกก็ไม่ดำเนินการ

โมดูลัสของ Young เป็นคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งที่แสดงออกเมื่อไม้เรียวหรือกิ่งงอ โมดูลัสของ Young แสดงให้เห็นว่าวัสดุต้านทานการเสียรูปและความเค้นได้มากเพียงใด ตัวอย่างเช่น สำหรับอลูมิเนียม ตัวบ่งชี้นี้น้อยกว่าเหล็กสองเท่า กล่าวคือ ต้านทานได้แย่เป็นสองเท่า อีกครั้ง ลูกบอลอะลูมิเนียมไม่สามารถแข็งแรงกว่าลูกบาศก์อะลูมิเนียมได้ ขนาดและรูปร่างไม่สำคัญ

ในโลกนาโน ภาพจะแตกต่างออกไปอีกครั้ง: ยิ่งสายนาโนบางลงเท่าใด โมดูลัสของ Young ก็จะยิ่งสูงขึ้น ถ้าในโลกของเราเราต้องการอะไรจากชั้นลอย เราจะเลือกเก้าอี้ที่แข็งแรงกว่าเพื่อให้มันทนทานต่อเรา ในโลกนาโน ถึงแม้จะยังไม่ชัดเจนนัก แต่เราก็ต้องเลือกเก้าอี้ที่เล็กกว่าเพราะมันแข็งแรงกว่า

หากหลุมถูกสร้างขึ้นด้วยวัสดุบางอย่างในโลกของเรา มันก็จะเลิกแข็งแรง ในโลกนาโนสิ่งที่ตรงกันข้ามคือความจริง หากคุณสร้างรูหลายรูในกราฟีน กราฟีนจะแข็งแรงกว่ากราฟีนที่ไม่มีข้อบกพร่องถึงสองเท่าครึ่ง เมื่อเราเจาะรูในกระดาษ สาระสำคัญของมันจะไม่เปลี่ยนแปลง และเมื่อเราสร้างรูในกราฟีน เราจะเอาอะตอมออกหนึ่งอะตอม ซึ่งมีผลเฉพาะในพื้นที่ใหม่ปรากฏขึ้น อะตอมที่เหลือสร้างโครงสร้างใหม่ที่มีความแข็งแกร่งทางเคมีมากกว่าบริเวณที่ไม่บุบสลายในกราฟีนนี้

การประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีในทางปฏิบัติ

กราฟีนมีคุณสมบัติเฉพาะตัว แต่วิธีการนำไปใช้ในพื้นที่เฉพาะยังคงเป็นคำถาม ตอนนี้มันถูกใช้ในต้นแบบสำหรับทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว (ส่งสัญญาณของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเท่านั้น) เป็นที่เชื่อกันว่าในอนาคต กราฟีนสองชั้นที่มีรูพรุนระดับนาโน (รูที่ไม่ได้อยู่ในอะตอมเดียว แต่มีมากกว่านั้น) สามารถกลายเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซหรือของเหลว ในการใช้กราฟีนในกลไก เราจำเป็นต้องมีวัสดุขนาดใหญ่โดยไม่มีข้อบกพร่อง แต่การผลิตดังกล่าวเป็นเรื่องยากมากในด้านเทคโนโลยี

จากมุมมองทางชีววิทยา ปัญหาก็เกิดขึ้นกับกราฟีนเช่นกัน เมื่อมันเข้าไปในร่างกาย มันจะเป็นพิษต่อทุกสิ่ง แม้ว่าในทางการแพทย์ กราฟีนสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์สำหรับโมเลกุลดีเอ็นเอที่ "ไม่ดี" ได้ (กลายพันธุ์ด้วยองค์ประกอบทางเคมีอื่น ฯลฯ) ในการทำเช่นนี้ อิเล็กโทรดสองอันติดอยู่กับมันและ DNA ถูกส่งผ่านรูพรุนของมัน - มันทำปฏิกิริยากับแต่ละโมเลกุลในลักษณะพิเศษ

กระทะ จักรยาน หมวกกันน๊อค และพื้นรองเท้าที่เติมสารกราฟีนได้ผลิตขึ้นในยุโรปแล้ว บริษัทสัญชาติฟินแลนด์แห่งหนึ่งผลิตส่วนประกอบสำหรับรถยนต์ โดยเฉพาะสำหรับรถยนต์เทสลา ซึ่งปุ่ม ชิ้นส่วนแดชบอร์ด และหน้าจอทำจากท่อนาโนที่มีความหนาพอสมควร ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีความทนทานและน้ำหนักเบา

สาขานาโนเทคโนโลยีเป็นเรื่องยากสำหรับการวิจัยทั้งจากมุมมองของการทดลองและจากมุมมองของการสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข ปัญหาพื้นฐานทั้งหมดที่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ต่ำได้รับการแก้ไขแล้ว ทุกวันนี้ ข้อจำกัดหลักสำหรับการวิจัยคือพลังที่ไม่เพียงพอของซูเปอร์คอมพิวเตอร์