Robot berukuran molekul: untuk apa nanoteknologi mempersiapkan kita?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Perkembangan modern di bidang nanoteknologi di masa depan akan memungkinkan terciptanya robot-robot yang sangat kecil sehingga dapat diluncurkan ke dalam aliran darah manusia. "Bagian" dari robot semacam itu akan menjadi satu dimensi dan semakin kecil, semakin kuat. Dmitry Kvashnin, peneliti senior di Institut Kimia Bioorganik dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, yang terlibat dalam ilmu material teoretis (eksperimen komputer di bidang nanoteknologi), berbicara tentang paradoks dunia nano. T&P menulis hal utama.

Dmitry Kvashnin

Apa itu nanoteknologi?

Menggunakan nanoteknologi, kami ingin membuat robot yang dapat dikirim ke luar angkasa atau disematkan di pembuluh darah, sehingga mereka mengirimkan obat ke sel, membantu sel darah merah bergerak ke arah yang benar, dll. Satu roda gigi di robot semacam itu terdiri dari selusin bagian. Satu detail adalah satu atom. Roda gigi adalah sepuluh atom, 10-9 meter, yaitu satu nanometer. Seluruh robot berukuran beberapa nanometer.

Apa itu 10-9? Bagaimana cara menyajikannya? Sebagai perbandingan, rambut manusia biasa berukuran sekitar 10-5 meter. Sel darah merah, sel darah yang memasok oksigen ke tubuh kita, berukuran sekitar tujuh mikron, ini juga sekitar 10-5 meter. Pada titik apa nano berakhir dan dunia kita dimulai? Ketika kita dapat melihat suatu objek dengan mata telanjang.

Tiga dimensi, dua dimensi, satu dimensi

Apa itu tiga dimensi, dua dimensi dan satu dimensi dan bagaimana pengaruhnya terhadap material dan sifat-sifatnya dalam nanoteknologi? Kita semua tahu bahwa 3D adalah tiga dimensi. Ada film biasa, dan ada film 3D, di mana segala macam hiu terbang keluar dari layar ke arah kita. Secara matematis, 3D terlihat seperti ini: y = f (x, y, z), di mana y bergantung pada tiga dimensi - panjang, lebar, dan tinggi. Akrab dengan semua Mario dalam tiga dimensi yang cukup tinggi, lebar dan montok.

Saat beralih ke dua dimensi, satu sumbu akan hilang: y = f (x, y). Semuanya jauh lebih sederhana di sini: Mario sama tinggi dan lebarnya, tetapi tidak gemuk, karena tidak ada yang bisa gemuk atau kurus dalam dua dimensi.

Jika kita terus mengecilkan, maka dalam satu dimensi semuanya akan menjadi cukup sederhana, hanya akan ada satu sumbu yang tersisa: y = f (x). Mario dalam 1D hanya panjang - kami tidak mengenalinya, tapi itu tetap dia.

Dari tiga dimensi - menjadi dua dimensi

Bahan yang paling umum di dunia kita adalah karbon. Ini dapat membentuk dua zat yang sama sekali berbeda - berlian, bahan yang paling tahan lama di Bumi, dan grafit, dan grafit dapat menjadi berlian hanya melalui tekanan tinggi. Jika bahkan di dunia kita satu elemen dapat membuat bahan yang sangat berbeda dengan sifat yang berlawanan, lalu apa yang akan terjadi di dunia nano?

Grafit dikenal terutama sebagai ujung pensil. Ukuran ujung pensil sekitar satu milimeter, yaitu 10-3 meter. Seperti apa bentuk timah nano? Ini hanyalah kumpulan lapisan atom karbon yang membentuk struktur berlapis. Tampak seperti tumpukan kertas.

Ketika kita menulis dengan pensil, jejak tetap ada di kertas. Jika kita menggambar analogi dengan setumpuk kertas, seolah-olah kita sedang menarik selembar kertas darinya. Lapisan tipis grafit yang tersisa di atas kertas adalah 2D dan hanya setebal satu atom. Agar suatu objek dianggap dua dimensi, ketebalannya harus banyak (setidaknya sepuluh) kali lebih kecil dari lebar dan panjangnya.

Tapi ada tangkapan. Pada 1930-an, Lev Landau dan Rudolf Peierls membuktikan bahwa kristal dua dimensi tidak stabil dan runtuh karena fluktuasi termal (penyimpangan acak kuantitas fisik dari nilai rata-ratanya karena gerakan termal partikel yang kacau. - Kira-kira T&P). Ternyata bahan datar dua dimensi tidak dapat eksis karena alasan termodinamika. Artinya, sepertinya kita tidak bisa membuat nano dalam 2D. Namun, tidak! Konstantin Novoselov dan Andrey Geim mensintesis graphene. Graphene dalam nano tidak datar, tetapi sedikit bergelombang dan karenanya stabil.

Jika di dunia tiga dimensi kita mengambil satu lembar kertas dari tumpukan kertas, maka kertas itu akan tetap kertas, sifat-sifatnya tidak akan berubah. Jika satu lapisan grafit dihilangkan di dunia nano, maka graphene yang dihasilkan akan memiliki sifat unik yang tidak seperti yang memiliki grafit "nenek moyangnya". Graphene transparan, ringan, 100 kali lebih kuat dari baja, termoelektrik dan konduktor listrik yang sangat baik. Ini sedang diteliti secara luas dan sudah menjadi dasar untuk transistor.

Hari ini, ketika semua orang memahami bahwa bahan dua dimensi pada prinsipnya dapat ada, teori muncul bahwa entitas baru dapat diperoleh dari silikon, boron, molibdenum, tungsten, dll.

Dan selanjutnya - dalam satu dimensi

Grafena dalam 2D memiliki lebar dan panjang. Bagaimana cara membuat 1D darinya dan apa yang akan terjadi pada akhirnya? Salah satu caranya adalah dengan memotongnya menjadi pita tipis. Jika lebarnya dikurangi semaksimal mungkin, maka itu tidak lagi hanya pita, tetapi objek nano unik lainnya - carbyne. Itu ditemukan oleh ilmuwan Soviet (ahli kimia Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin dan V. V. Korshak. - Catatan T&P) pada 1960-an.

Cara kedua untuk membuat objek satu dimensi adalah dengan menggulung graphene menjadi tabung, seperti karpet. Ketebalan tabung ini akan jauh lebih sedikit daripada panjangnya. Jika kertas digulung atau dipotong-potong, itu tetap kertas. Jika graphene digulung menjadi tabung, ia berubah menjadi bentuk karbon baru - nanotube, yang memiliki sejumlah sifat unik.

Sifat menarik dari objek nano

Konduktivitas listrik adalah seberapa baik atau seberapa buruk suatu bahan menghantarkan arus listrik. Di dunia kita, itu dijelaskan oleh satu nomor untuk setiap bahan dan tidak tergantung pada bentuknya. Tidak masalah jika Anda membuat silinder, kubus, atau bola perak - konduktivitasnya akan selalu sama.

Semuanya berbeda di dunia nano. Perubahan diameter nanotube akan mempengaruhi konduktivitasnya. Jika perbedaan n - m (di mana n dan m adalah beberapa indeks yang menggambarkan diameter tabung) dibagi tiga, maka tabung nano menghantarkan arus. Jika tidak dibagi, maka tidak dilakukan.

Modulus Young adalah properti menarik lainnya yang muncul ketika batang atau ranting ditekuk. Modulus Young menunjukkan seberapa kuat suatu material menahan deformasi dan tegangan. Misalnya, untuk aluminium, indikator ini dua kali lebih kecil dari pada besi, yaitu tahan dua kali lebih buruk. Sekali lagi, bola aluminium tidak bisa lebih kuat dari kubus aluminium. Ukuran dan bentuk tidak masalah.

Di dunia nano, gambarannya sekali lagi berbeda: semakin tipis kawat nano, semakin tinggi modulus Young-nya. Jika di dunia kita ingin mendapatkan sesuatu dari mezzanine, maka kita akan memilih kursi yang lebih kuat sehingga dapat menahan kita. Di dunia nano, meskipun tidak begitu jelas, kita harus memilih kursi yang lebih kecil karena lebih kuat.

Jika lubang dibuat di beberapa bahan di dunia kita, maka itu akan berhenti menjadi kuat. Di dunia nano, yang terjadi adalah kebalikannya. Jika Anda membuat banyak lubang di graphene, itu menjadi dua setengah kali lebih kuat dari graphene yang tidak cacat. Ketika kita melubangi kertas, esensinya tidak berubah. Dan ketika kami membuat lubang di graphene, kami menghilangkan satu atom, yang menyebabkan efek lokal baru muncul. Atom-atom yang tersisa membentuk struktur baru yang secara kimiawi lebih kuat daripada daerah utuh di graphene ini.

Aplikasi praktis nanoteknologi

Graphene memiliki sifat yang unik, tetapi bagaimana menerapkannya di area tertentu masih menjadi pertanyaan. Sekarang digunakan dalam prototipe untuk transistor elektron tunggal (mentransmisikan sinyal tepat satu elektron). Dipercaya bahwa di masa depan, graphene dua lapis dengan nanopori (lubang bukan di satu atom, tetapi lebih) dapat menjadi bahan yang ideal untuk pemurnian selektif gas atau cairan. Untuk menggunakan graphene dalam mekanika, kita membutuhkan area material yang luas tanpa cacat, tetapi produksi seperti itu sangat sulit secara teknologi.

Dari sudut pandang biologis, masalah juga muncul dengan graphene: begitu masuk ke dalam tubuh, ia meracuni segalanya. Meskipun dalam kedokteran, graphene dapat digunakan sebagai sensor untuk molekul DNA "buruk" (bermutasi dengan unsur kimia lain, dll). Untuk melakukan ini, dua elektroda dilekatkan padanya dan DNA dilewatkan melalui pori-porinya - ia bereaksi terhadap setiap molekul dengan cara khusus.

Panci, sepeda, helm dan sol sepatu dengan tambahan graphene sudah diproduksi di Eropa. Satu perusahaan Finlandia membuat komponen untuk mobil, terutama untuk mobil Tesla, di mana tombol, bagian dasbor, dan layar terbuat dari nanotube yang cukup tebal. Produk-produk ini tahan lama dan ringan.

Bidang nanoteknologi sulit untuk diteliti baik dari sudut pandang eksperimen maupun dari sudut pandang pemodelan numerik. Semua masalah mendasar yang membutuhkan daya komputer rendah telah diselesaikan. Saat ini, batasan utama untuk penelitian adalah kekuatan superkomputer yang tidak mencukupi.