La conquista della natura da parte dell'uomo non è ancora terminata. In ogni caso, non abbiamo ancora catturato il nanomondo e stabilito le nostre regole in esso. Vediamo cos'è e quali opportunità ci offre il mondo degli oggetti misurati in nanometri.
Cos'è "nano"?
C'era una volta i risultati della microelettronica. Siamo ora entrati in una nuova era della nanotecnologia. Allora cos'è questo "nano", che qua e là ha cominciato ad aggiungersi alle solite parole, dando loro un nuovo suono moderno: nanorobot, nanomacchine, nanoradio e così via? Il prefisso "nano" è utilizzato nel Sistema internazionale di unità (SI). Viene utilizzato per formare la notazione per le unità decimali. Questo è un miliardesimo dell'unità originale. In questo caso, stiamo parlando di oggetti le cui dimensioni sono determinate in nanometri. Ciò significa che un nanometro è un miliardesimo di metro. Per fare un confronto, un micron (ovvero il micrometro che ha dato il nome alla microelettronica, e inoltre, microbiologia, microchirurgia, ecc.) È un milionesimo di metro.
Se prendiamo i millimetri come esempio (il prefisso "milli-" è un millesimo), allora in un millimetro ci sono 1.000.000 nanometri (nm) e, di conseguenza, 1.000 micrometri (μm). I capelli umani hanno uno spessore medio di 0,05-0,07 mm, ovvero 50.000-70.000 nm. Sebbene il diametro dei capelli possa essere scritto in nanometri, questo è lontano dal nanomondo. Andiamo più a fondo e vediamo cosa c'è già adesso.
La dimensione media dei batteri è 0,5–5 µm (500–5000 nm). I virus, uno dei principali nemici dei batteri, sono ancora più piccoli. Il diametro medio della maggior parte dei virus studiati è di 20–300 nm (0,02–0,3 µm). Ma l'elica del DNA ha un diametro di 1,8-2,3 nm. Si ritiene che l'atomo più piccolo sia un atomo di elio, il suo raggio è di 32 pm (0,032 nm) e il più grande è il cesio 225 pm (0,255 nm). In generale, un nanooggetto è considerato un oggetto la cui dimensione in almeno una dimensione è in nanoscala (1–100 nm).
Riesci a vedere il nanomondo?
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Certo, voglio vedere tutto ciò che viene detto con i miei occhi. Ebbene, almeno attraverso l'oculare di un microscopio ottico. È possibile guardare nel nanomondo? Il modo usuale, come osserviamo, ad esempio, i microbi, è impossibile. Perché? Perché la luce, con un certo grado di convenzione, può essere chiamata nanowaves. La lunghezza d'onda del colore viola, da cui inizia l'intervallo visibile, è 380–440 nm. La lunghezza d'onda del colore rosso è di 620-740 nm. La radiazione visibile ha lunghezze d'onda di centinaia di nanometri. In questo caso, la risoluzione dei microscopi ottici convenzionali è limitata dal limite di diffrazione di Abbe a circa metà della lunghezza d'onda. La maggior parte degli oggetti che ci interessano sono ancora più piccoli.
Pertanto, il primo passo verso la penetrazione nel nanomondo è stata l'invenzione del microscopio elettronico a trasmissione. Inoltre, il primo microscopio di questo tipo è stato creato da Max Knoll ed Ernst Ruska nel 1931. Nel 1986, il premio Nobel per la fisica è stato assegnato per la sua invenzione. Il principio di funzionamento è lo stesso di quello di un microscopio ottico convenzionale. Solo al posto della luce, un flusso di elettroni viene diretto verso l'oggetto di interesse, che viene focalizzato da lenti magnetiche. Se un microscopio ottico ha dato un aumento di circa mille volte, allora un microscopio elettronico era già milioni di volte. Ma ha anche i suoi svantaggi. Innanzitutto, è necessario ottenere campioni di materiali sufficientemente sottili per il lavoro. Devono essere trasparenti in un fascio di elettroni, quindi il loro spessore varia nell'intervallo di 20-200 nm. In secondo luogo, lo èche il campione sotto l'influenza di fasci di elettroni può decomporsi e diventare inutilizzabile.
Un'altra versione del microscopio elettronico a flusso è il microscopio elettronico a scansione. Non brilla attraverso il campione, come il precedente, ma lo scansiona con un fascio di elettroni. Ciò consente di esaminare campioni più spessi. L'elaborazione del campione analizzato con un fascio di elettroni genera elettroni secondari e retro-riflessi, visibili (catodoluminescenza) e raggi X, che vengono catturati da appositi rivelatori. Sulla base dei dati ricevuti, si forma un'idea dell'oggetto. I primi microscopi elettronici a scansione apparvero all'inizio degli anni '60.
I microscopi a sonda a scansione sono una classe relativamente nuova di microscopi apparsa già negli anni '80. Il già citato Premio Nobel per la Fisica del 1986 è stato diviso tra l'inventore del microscopio elettronico a trasmissione Ernst Ruska e i creatori del microscopio a scansione a tunnel Gerd Binnig e Heinrich Rohrer. I microscopi a scansione consentono non di esaminare, ma di "sentire" il rilievo della superficie del campione. I dati risultanti vengono quindi convertiti in un'immagine. A differenza del microscopio elettronico a scansione, la sonda utilizza un ago di scansione affilato per il funzionamento. L'ago, la cui punta è spessa solo pochi atomi, funge da sonda, che viene portata alla distanza minima dal campione - 0,1 nm. Durante la scansione, l'ago si sposta sulla superficie del campione. Si forma una corrente di tunneling tra la punta e la superficie del campione,e il suo valore dipende dalla distanza tra loro. Le modifiche vengono registrate, il che consente di costruire una mappa di altezza sulla base - una rappresentazione grafica della superficie dell'oggetto.
Un principio di funzionamento simile viene utilizzato da un altro microscopio della classe dei microscopi a sonda di scansione: la forza atomica. C'è anche una punta della sonda e un risultato simile: una rappresentazione grafica del rilievo superficiale. Ma non è l'entità della corrente che viene misurata, ma l'interazione della forza tra la superficie e la sonda. Prima di tutto, si intendono le forze di van der Waals, ma anche forze elastiche, forze capillari, forze di adesione e altre. A differenza del microscopio a scansione a tunnel, che può essere utilizzato solo per studiare metalli e semiconduttori, il microscopio a forza atomica consente anche lo studio dei dielettrici. Ma questo non è il suo unico vantaggio. Permette non solo di guardare nel nanomondo, ma anche di manipolare gli atomi.
Molecola di pentacene. A è un modello di una molecola. B - immagine ottenuta da un microscopio a tunneling a scansione. C - immagine ottenuta da un microscopio a forza atomica. D - diverse molecole (AFM). A, B e C sulla stessa scala
Foto: Science
Nanomachines
In natura, su scala nanometrica, cioè a livello di atomi e molecole, avvengono molti processi. Possiamo, ovviamente, ancora influenzare il modo in cui procedono. Ma lo facciamo quasi alla cieca. Le nanomacchine sono uno strumento mirato per lavorare nel nanomondo, sono dispositivi che consentono di manipolare singoli atomi e molecole. Fino a poco tempo, solo la natura poteva crearli e controllarli. Siamo a un passo dal giorno in cui possiamo fare anche questo.
Nanomachines
Foto: warosu.org
Cosa possono fare le nanomacchine? Prendi la chimica, per esempio. La sintesi dei composti chimici si basa sul fatto che creiamo le condizioni necessarie affinché una reazione chimica possa procedere. Di conseguenza, abbiamo una certa sostanza in uscita. In futuro, i composti chimici possono essere creati, relativamente parlando, meccanicamente. Le nanomacchine saranno in grado di connettere e separare singoli atomi e molecole. Di conseguenza, si formeranno legami chimici o, al contrario, i legami esistenti verranno rotti. La costruzione di nanomacchine sarà in grado di creare le strutture molecolari di cui abbiamo bisogno dagli atomi. Nanorobot chimici: sintetizzano composti chimici. Questa è una svolta nella creazione di materiali con le proprietà desiderate. Allo stesso tempo, è una svolta nella protezione ambientale. È facile presumere che le nanomacchine siano un ottimo strumento per il riciclaggio dei rifiuti,che in condizioni normali sono difficili da smaltire. Soprattutto se parliamo di nanomateriali. Dopo tutto, maggiore è il progresso tecnico, più difficile è per l'ambiente far fronte ai suoi risultati. Per troppo tempo la decomposizione di nuovi materiali inventati dall'uomo avviene nell'ambiente naturale. Tutti sanno quanto tempo ci vuole per decomporre i sacchetti di plastica scartati, un prodotto della precedente rivoluzione scientifica e tecnologica. Cosa succederà ai nanomateriali, che prima o poi si rivelano spazzatura? Le stesse nanomacchine dovranno fare la loro elaborazione.quanto tempo impiegano i sacchetti di plastica scartati a decomporsi - un prodotto di una precedente rivoluzione scientifica e tecnologica. Cosa succederà ai nanomateriali, che prima o poi si rivelano spazzatura? Le stesse nanomacchine dovranno fare la loro elaborazione.quanto tempo impiegano i sacchetti di plastica scartati a decomporsi - un prodotto di una precedente rivoluzione scientifica e tecnologica. Cosa succederà ai nanomateriali, che prima o poi si rivelano spazzatura? Le stesse nanomacchine dovranno fare la loro elaborazione.
Nanomacchina ruota fullerene
Foto: warosu.org
Gli scienziati parlano da tempo di meccanosintesi. È una sintesi chimica che avviene attraverso sistemi meccanici. Il suo vantaggio è visto nel fatto che consentirà il posizionamento dei reagenti con un alto grado di precisione. Ma finora non esiste uno strumento che consenta di implementarlo efficacemente. Naturalmente, i microscopi a forza atomica esistenti oggi possono agire come tali strumenti. Sì, consentono non solo di guardare nel nanomondo, ma anche di operare con gli atomi. Ma in quanto oggetti del macrocosmo, non sono i più adatti per l'applicazione di massa della tecnologia, cosa che non si può dire delle nanomacchine. In futuro, verranno utilizzati per creare interi trasportatori molecolari e nanofabbriche.
Ma esistono già intere nanofabbriche biologiche. Esistono in noi e in tutti gli organismi viventi. Questo è il motivo per cui dalla nanotecnologia si attendono scoperte in medicina, biotecnologia e genetica. Creando nanomacchine artificiali e introducendole nelle cellule viventi, possiamo ottenere risultati impressionanti. In primo luogo, le nanomacchine possono essere utilizzate per il trasporto mirato di farmaci all'organo desiderato. Non dobbiamo prendere medicine, rendendoci conto che solo una parte di essa arriverà all'organo malato. In secondo luogo, le nanomacchine stanno già assumendo le funzioni di modifica del genoma. La tecnologia CRISPR / Cas9, sbirciata dalla natura, consente di apportare modifiche al genoma di organismi sia unicellulari che superiori, compreso l'uomo. Inoltre, non stiamo parlando solo della modifica del genoma degli embrioni, ma anche del genoma degli organismi adulti viventi. E le nanomacchine faranno tutto questo.
Nanoradio
Se le nanomacchine sono il nostro strumento nel nanomondo, allora in qualche modo devono essere controllate. Tuttavia, anche qui non è necessario inventare qualcosa di fondamentalmente nuovo. Uno dei metodi di controllo più probabili è la radio. I primi passi in questa direzione sono già stati fatti. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory, guidati da Alex Zettle, hanno creato un ricevitore radio da un solo nanotubo di circa 10 nm di diametro. Inoltre, il nanotubo funge contemporaneamente da antenna, selettore, amplificatore e demodulatore. Il ricevitore nanoradio può ricevere onde FM e AM con una frequenza da 40 a 400 MHz. Secondo gli sviluppatori, il dispositivo può essere utilizzato non solo per ricevere un segnale radio, ma anche per trasmetterlo.
Le onde radio ricevute fanno vibrare l'antenna nanoradio
nsf.gov
La musica di Eric Clapton e dei Beach Boys è servita come segnale di prova. Gli scienziati hanno trasmesso un segnale da una parte all'altra della stanza, dove si trovava la radio che avevano creato. Come si è scoperto, la qualità del segnale era abbastanza buona. Ma, naturalmente, lo scopo di una tale radio non è ascoltare musica. Il ricevitore radio può essere applicato a una varietà di nanodispositivi. Ad esempio, negli stessi nanorobot somministrano farmaci che si dirigono verso l'organo desiderato attraverso il flusso sanguigno.
Nanomateriali
La creazione di materiali con proprietà prima inimmaginabili è un'altra opportunità che la nanotecnologia ci offre. Per essere considerato "nano", un materiale deve avere una o più dimensioni in nanoscala. O essere creato utilizzando nanoparticelle o attraverso la nanotecnologia. La classificazione più conveniente dei nanomateriali oggi è in base alla dimensione degli elementi strutturali di cui sono composti.
Zero-dimensionale (0D) - nanocluster, nanocristalli, nanodispersioni, punti quantici. Nessuno dei lati del nanomateriale 0D va oltre la nanoscala. Questi sono materiali in cui le nanoparticelle sono isolate l'una dall'altra. Le prime strutture complesse a dimensione zero ottenute e applicate nella pratica sono i fullereni. I fullereni sono gli antiossidanti più potenti conosciuti oggi. In farmacologia, le speranze per la creazione di nuovi farmaci sono riposte su di loro. I derivati del fullerene si mostrano bene nel trattamento dell'HIV. E quando si creano nanomacchine, i fullereni possono essere utilizzati come parti. La nanomacchina con ruote fullerene è mostrata sopra.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Unidimensionale (1D) - nanotubi, fibre e bacchette. La loro lunghezza varia da 100 nm a decine di micrometri, ma il loro diametro rientra nella nanoscala. I materiali unidimensionali più famosi oggi sono i nanotubi. Hanno proprietà elettriche, ottiche, meccaniche e magnetiche uniche. Nel prossimo futuro, i nanotubi dovrebbero trovare applicazione nell'elettronica molecolare, nella biomedicina e nella creazione di nuovi materiali compositi super resistenti e ultraleggeri. I nanotubi sono già usati come aghi nella scansione di tunneling e nei microscopi a forza atomica. Sopra, abbiamo parlato della creazione di nanoradio basati su nanotubi. E, naturalmente, la speranza è riposta sui nanotubi di carbonio come materiale per il cavo dell'ascensore spaziale.
Nanotubo di carbonio
Foto: wikipedia.org
Bidimensionali (2D) - film (rivestimenti) di spessore nanometrico. Questo è il noto grafene, una modifica allotropica bidimensionale del carbonio (il grafene ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per il 2010). Meno conosciuti al pubblico sono il silicene - una modifica bidimensionale di silicio, fosforo - fosforo, germanene - germanio. L'anno scorso, gli scienziati hanno creato il borofen, che, a differenza di altri materiali bidimensionali, si è rivelato non piatto, ma ondulato. La disposizione degli atomi di boro sotto forma di una struttura ondulata fornisce le proprietà uniche del nanomateriale ottenuto. Borofen afferma di essere il leader nella resistenza alla trazione tra i materiali bidimensionali.
Struttura borofene
Foto: MIPT
I materiali bidimensionali dovrebbero trovare applicazione nell'elettronica, nella progettazione di filtri per la dissalazione dell'acqua di mare (membrane di grafene) e nella realizzazione di celle solari. Nel prossimo futuro, il grafene potrebbe sostituire l'ossido di indio - un metallo raro e costoso - nella produzione di touch screen.
I nanomateriali tridimensionali (3D) sono polveri, materiali fibrosi, multistrato e policristallini, in cui i suddetti nanomateriali a dimensione zero, unidimensionale e bidimensionale sono elementi strutturali. Strettamente aderenti l'uno all'altro, formano interfacce tra loro: interfacce.
Tipi di nanomateriali
Foto: thesaurus.rusnano.com
Passerà ancora un po 'di tempo e le nanotecnologie - le tecnologie per manipolare oggetti su scala nanometrica diventeranno comuni. Proprio come le tecnologie microelettroniche sono diventate familiari, fornendoci computer, telefoni cellulari, satelliti e molti altri attributi della moderna era dell'informazione. Ma l'impatto della nanotecnologia sulla vita sarà molto più ampio. I cambiamenti ci aspettano in quasi tutte le sfere dell'attività umana.
Sergey Sobol
