Gli scienziati si sono avvicinati alla creazione di nanorobot. Ci sono materiali per questo: nanoparticelle, nanotubi, grafene, varie proteine. Sono tutti molto fragili: per studiarli, sono necessari microscopi nuovi e più avanzati che non danneggino il dispositivo durante il processo di ricerca.
I nanorobot possono essere utili in molti settori della vita umana, principalmente in medicina. Immagina piccoli dispositivi intelligenti che funzionano silenziosamente dentro di noi, controllano vari parametri, trasmettono dati in tempo reale direttamente allo smartphone del medico. Un tale robot deve essere realizzato con un materiale biocompatibile che non viene rifiutato dal corpo, necessita anche di una fonte di energia e di memoria.
La batteria non aiuterà qui, poiché aumenta le dimensioni del dispositivo e non è facile trovare un materiale biocompatibile per questo. Il problema viene risolto con l'aiuto dei piezoelettrici, materiali che generano energia quando applicati meccanicamente ad essi, come la compressione. C'è anche l'effetto opposto: in risposta all'azione di un campo elettrico, le strutture realizzate con materiali piezoelettrici cambiano forma.
I nanorobot piezoelettrici biocompatibili possono essere lanciati nei vasi sanguigni e convertono la loro pulsazione in elettricità. Un'altra opzione è alimentare i dispositivi muovendo articolazioni e muscoli. Ma poi i nanorobot non saranno in grado di agire costantemente, a differenza di quelli nei vasi.
In ogni caso, per i nanorobot, è necessario selezionare materiali idonei e determinare esattamente quanta pressione deve essere applicata al dispositivo per generare un impulso elettrico in esso.
Relazioni atomiche
Un'immagine tridimensionale di un oggetto o di una superficie su scala nanometrica viene ottenuta utilizzando un microscopio a forza atomica. Funziona come segue: gli atomi di qualsiasi sostanza interagiscono tra loro e in modi diversi, a seconda della distanza. A grandi distanze, si attraggono, ma quando si avvicinano, i gusci di elettroni degli atomi si respingono a vicenda.
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“Un ago della sonda con una punta di 1-30 nanometri di diametro si avvicina alla superficie del campione. Non appena si avvicina abbastanza, gli atomi della sonda e l'oggetto in studio inizieranno a respingersi. Di conseguenza, il braccio elastico, a cui è collegato l'ago, si piegherà , afferma Arseniy Kalinin, sviluppatore capo presso NT-MDT Spectrum Instruments.
L'ago si sposta lungo la superficie e le eventuali differenze di altezza modificano la curvatura della console, che viene registrata da un sistema ottico ultra preciso. Mentre la sonda passa sulla superficie, il software registra l'intero rilievo e ne costruisce un modello 3D. Di conseguenza, si forma un'immagine sullo schermo del computer, che può essere analizzata: per misurare la rugosità complessiva del campione, i parametri degli oggetti sulla superficie. Inoltre, questo viene fatto in un ambiente naturale per i campioni: liquido, sotto vuoto, a diverse temperature. La risoluzione orizzontale del microscopio è limitata solo dal diametro della punta della sonda, mentre la precisione verticale di buoni strumenti è di decine di picometri, che è inferiore alla dimensione di un atomo.
L'ago di un microscopio a forza atomica sonda il campione / ITMO University Press Service.
Per 30 anni di sviluppo della microscopia a forza atomica, gli scienziati hanno imparato a determinare non solo il rilievo superficiale del campione, ma anche le proprietà del materiale: meccanico, elettrico, magnetico, piezoelettrico. E tutti questi parametri possono essere misurati con la massima precisione. Ciò ha notevolmente contribuito al progresso della scienza dei materiali, della nanotecnologia e della biotecnologia.
Anche i biologi sono in affari
La misurazione dei parametri piezoelettrici è una caratteristica unica di un microscopio a forza atomica. Per molto tempo è stato utilizzato solo per lo studio di piezoelettrici a stato solido. Il fatto è che gli oggetti biologici sono abbastanza morbidi; la punta della sonda li danneggia facilmente. Come un aratro, solca la superficie, sposta e deforma il campione.
Di recente, fisici russi e portoghesi hanno scoperto come realizzare un ago per microscopio a forza atomica che non danneggiasse un campione biologico. Hanno sviluppato un algoritmo in base al quale la sonda, spostandosi da un punto all'altro, si allontana dalla superficie quel tanto che basta per non interagire con essa in alcun modo. Quindi tocca l'argomento in studio e si rialza, dirigendosi al punto successivo. Certo, l'ago può ancora premere un po 'sulla superficie, ma questa è un'interazione elastica, dopo di che un oggetto, sia esso una molecola proteica o una cellula, viene facilmente ripristinato. Inoltre, la forza di pressione è controllata da un programma speciale. Questa tecnologia permette di studiare una struttura piezoelettrica biocompatibile senza danneggiarla.
“Il nuovo metodo è applicabile a qualsiasi microscopio a forza atomica, a condizione che sia presente un'elettronica ad alta velocità appositamente progettata che elabora la risposta piezoelettrica dalla console e il software che converte i dati in una mappa. Viene applicata una leggera tensione all'ago. Il campo elettrico agisce sul campione e la sonda legge la sua risposta meccanica. Il feedback è simile, quindi possiamo capire come spremere un oggetto in modo che risponda con il segnale elettrico desiderato. Ciò fornisce al ricercatore uno strumento per cercare e studiare nuove fonti alimentari biocompatibili , spiega Kalinin.
