Наномашины
В природе на наноуровне, то есть на уровне атомов и молекул, происходит множество процессов. Мы можем, конечно, и сейчас оказывать влияние на то, как они протекают. Но делаем мы это практически вслепую. Наномашины – это адресный инструмент для работы в наномире, это устройства, позволяющие манипулировать одиночными атомами и молекулами. До недавнего времени только природа могла создавать их и управлять ими. Мы в шаге от того дня, когда тоже сможем делать это.
Наномашины/ © warosu.org
Что могут наномашины? Возьмем, к примеру, химию. Синтез химических соединений основан на том, что мы создаем необходимые условия для протекания химической реакции. В результате на выходе имеем некое вещество. В будущем химические соединения можно будет создать, условно говоря, механическим путем. Наномашины смогут соединять и разъединять отдельные атомы и молекулы. В результате будут образовываться химические связи или, наоборот, имеющиеся связи будут рваться. Наномашины-строители смогут создавать из атомов нужные нам молекулярные конструкции. Нанороботы-химики – синтезировать химические соединения. Это прорыв в создании материалов с заданными свойствами. Одновременно это прорыв в деле защиты окружающей среды. Несложно предположить, что наномашины – прекрасный инструмент для переработки отходов, которые в обычных условиях сложно поддаются утилизации. Тем более если говорить о наноматериалах. Ведь чем дальше заходит технический прогресс, тем сложнее окружающей среде справляться с его результатами. Слишком долго происходит разложение в природной среде новых материалов, придуманных человеком. Всем известно, как долго разлагаются выброшенные пластиковые пакеты – продукт предыдущей научно-технической революции. Что будет с наноматериалами, которые рано или поздно окажутся мусором? Их переработкой должны будут заняться те же наномашины.
Наномашина с фуллереновыми колесами/ © warosu.org
Ученые давно уже говорят о механосинтезе. Это химический синтез, который осуществляется благодаря механическим системам. Его преимущество видится в том, что он позволит позиционировать реагирующие вещества с высокой степенью точности. Вот только пока не существует инструмента, который позволил бы эффективно осуществлять его. Конечно, такими инструментами могут выступать существующие сегодня атомно-силовые микроскопы. Да, они позволяют не только заглянуть в наномир, но и оперировать атомами. Но они как объекты макромира не лучшим образом подходят для массового применения технологии, чего нельзя сказать о наномашинах. В будущем на их основе будут создавать целые молекулярные конвейеры и нанофабрики.
Но уже сейчас имеются целые биологические нанофабрики. Они существуют в нас и во всех живых организмах. Вот поэтому от нанотехнологий ожидают прорывов в медицине, биотехнологиях и генетике. Создав искусственные наномашины и внедрив их в живые клетки, мы можем добиться впечатляющих результатов. Во-первых, наномашины могут быть использованы для адресной переноски лекарственных препаратов к нужному органу. Нам не придется принимать лекарство, понимая, что только часть его попадет к больному органу. Во-вторых, уже сейчас наномашины берут на себя функции редактирования генома. Технология CRISPR/Cas9, подсмотренная у природы, позволяет вносить изменения в геном как одноклеточных, так и высших организмов, и в том числе человека. Причем речь идет не только о редактировании генома эмбрионов, но и генома живых взрослых организмов. И займутся всем этим наномашины.
Нанорадио
Если наномашины – это наш инструмент в наномире, то ими как-то нужно управлять. Впрочем, и здесь что-то принципиально новое придумывать не придется. Один из наиболее вероятных способов управления – это радио. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли во главе с Алексом Зеттлом создан радиоприемник из всего одной нанотрубки диаметром около 10 нм. Причем нанотрубка выступает одновременно в качестве антенны, селектора, усилителя и демодулятора. Принимать нанорадиоприемник может как FM, так и AM волны с частотой от 40 до 400 МГц. Использовать устройство, по словам разработчиков, можно не только для приема радиосигнала, но и для его передачи.
Принимаемые радиоволны заставляют антенну нанорадио вибрировать / © nsf.gov
В качестве тестового сигнала послужила музыка Эрика Клэптона и группы Beach Boys. Ученые передали сигнал из одной части комнаты в другую, где находилось созданное ими радио. Как оказалось, качество сигнала было достаточно хорошим. Но, естественно, предназначение такого радиоприемника не прослушивание музыки. Радиоприемник может быть применен во множестве наноустройств. К примеру, в тех же нанороботах-доставщиках лекарств, которые будут пробираться к нужному органу по кровотоку.
Наноматериалы
Создание материалов со свойствами, которые раньше невозможно было и представить, – еще одна возможность, которую нам предоставляют нанотехнологии. Чтобы считаться «нано», материал должен иметь один или несколько размеров, лежащих в нанодиапазоне. Либо быть созданным с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий. Самая удобная на сегодня классификация наноматериалов – по размерности структурных элементов, из которых они состоят.
Нульмерные (0D) – нанокластеры, нанокристаллы, нанодисперсии, квантовые точки. Ни одна из сторон 0D-наноматериала не выходит за пределы нанодиапазона. Это материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Первые сложные нульмерные структуры, полученные и применяемые на практике, – это фуллерены. Фуллерены – это сильнейшие антиоксиданты из известных на сегодняшний день. В фармакологии с ними связывают надежды на создание новых лекарств. Производные фуллеренов хорошо показывают себя в лечении ВИЧ. А при создании наномашин фуллерены могут быть использованы в качестве деталей. Наномашина с фулереновыми колесами на изображении выше.
Фуллерен/ © wikipedia.org
Одномерные (1D) – нанотрубки, волокна и прутки. Их длина составляет от 100 нм до десятков микрометров, но диаметр укладывается в нанодиапазон. Самые известные одномерные материалы сегодня – это нанотрубки. Они обладают уникальными электрическими, оптическими, механическими и магнитными свойствами. В ближайшее время нанотрубки должны найти применение в молекулярной электронике, биомедицине, в создании новых сверхпрочных и сверхлегких композиционных материалов. Уже используются нанотрубки и в качестве игл в сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопах. Выше говорилось о создании на основе нанотрубок нанорадио. Ну и, конечно, на углеродные нанотрубки возлагается надежда как на материал для троса космического лифта.
Углеродная нанотрубка / © wikipedia.org
Двумерные (2D) – пленки (покрытия) нанометровой толщины. Это всем известный графен – двумерная аллотропная модификация углерода (за графен вручена Нобелевская премия по физике за 2010 год). Менее известные общественности силицен – двумерная модификация кремния, фосфорен – фосфора, германен – германия. В прошлом году ученые создали борофен, который, в отличие от других двумерных материалов, получился не плоским, а гофрированным. Расположение атомов бора в виде гофрированной структуры обеспечивает уникальные свойства полученного наноматериала. Борофен претендует на лидерство по прочности на растяжение среди двумерных материалов.
Структура борофена/ © МФТИ
Двумерные материалы должны найти применение в электронике, при создании фильтров для опреснения морской воды (графеновые мембраны) и создании солнечных батарей. Уже в ближайшее время графен может заменить окись индия – редкого и дорогого металла – при производстве сенсорных экранов.
Трехмерные (3D) наноматериалы – это порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых вышеперечисленные нульмерные, одномерные и двумерные наноматериалы являются структурными элементами. Плотно прилегая друг к другу, они образуют между собой поверхности раздела – интерфейсы.
Типы наноматериалов / © thesaurus.rusnano.com
Пройдет еще немного времени и нанотехнологии – технологии манипуляции наноразмерными объектами станут привычным явлением. Так же как привычными стали технологии микроэлектроники подарившие нам компьютеры, мобильные телефоны, спутники и многие другие атрибуты современной информационной эпохи. Но влияние нанотехнологий на жизнь будет куда шире. Нас ожидают изменения практически во всех сферах деятельности человека.
