Zece până la minus nouă: populare în domeniul nanotehnologiei

Zece până la minus nouă: populare în domeniul nanotehnologiei

"Mecanică populară" № 4, 2009

Recent, în Rusia este dificil să se găsească o publicație care să nu menționeze cuvântul "nanotehnologie" cu sau fără ea. Cu toate acestea, sensul real al acestui termen este departe de a fi clar pentru toată lumea. În acest proiect, pregătit cu participarea specialiștilor de la RUSNANO, vom încerca să vă spunem ce înseamnă acest cuvânt.

Ce este "nano"?

Prefixul "nano" (în greacă – "pitic") înseamnă "o miliardime". Adică, un nanometru (1 nm) este de o miliardime de metru (10-9 m). Pentru a estima scara, imaginați-vă un glob și o monedă penny – un metru și un nanometru corespund aproximativ în acest fel.

Milimetri (în mii de metri) marchează linia școlii, micrometrele (sunt microni, milioane de metri) și dimensiunea a ceea ce se vede într-un microscop bun (celule, microbi și organe). Sute de nanometri măsoară mărimea virușilor, zeci – molecule de proteine ​​mari, mai recent – tranzistori în procesoare de calculator. Moleculele simple sunt măsurate în unități de nanometri, atomi – în zecimi.

nanoscala

La scara nanometrica, se obisnuieste sa se masoare ce se potriveste in marime in intervalul de la atomi la virusi (0,1-100 nm).De ce gama nanometrică provoacă un interes sporit al oamenilor de știință și al tehnologilor? Faptul este că cercetătorii au învățat recent cum să opereze pe obiecte de această dimensiune. Dar la acest nivel sunt observate multe procese de importanță fundamentală – de la reacțiile chimice la efectele cuantice. Cunoașterea acestor procese vă va permite să creați structuri nanometrice care să ofere materialelor și dispozitivelor proprietăți utile și uneori extraordinare.

Știință și tehnologie

Modalitățile de a crea astfel de structuri nanoscale se numesc nanotehnologii. În general, nanotehnologia nu este o ramură independentă a științei. Mai degrabă, este un complex de tehnologii aplicate, ale căror fundamente sunt studiate în discipline precum chimia coloidală, fizica suprafeței, mecanica cuantică, biologia moleculară etc.

Simțiți lumea nanoworld

Rezoluția unui microscop obișnuit (aproximativ jumătate din lungimea de undă a luminii) nu este suficientă pentru obiectele nanometrice. Pentru a vedea lumea nanoworld, a trebuit să dezvolt alte metode.

Limita de difracție pentru lumina vizibilă face posibilă obținerea unei măriri de aproximativ 1000 de ori – aceasta corespunde unei rezoluții de ordinul a câteva sute de nanometri.Obiectele din zeci și chiar mai mult în unități de nanometri într-un astfel de microscop nu pot fi discutate. Prin urmare, primul pas spre Nanoworld a fost un microscop electronic.

Electron Microscop (EM)

Prin principiul său, seamănă cu un microscop obișnuit, dar în loc de lumină, electronii care sunt focalizați de lentilele magnetice lucrează aici. Fasciculul de electroni, care trece printr-o mostră subțire, interacționează cu acesta, apoi cade pe un ecran luminiscent, făcând imaginea vizibilă pentru ochiul uman. În fotografiile realizate cu un microscop electronic de transmisie, care vă permite să obțineți mărirea de milioane de ori, straturile atomice și pașii sunt deja vizibili. Atomii au forma de puncte, iar pentru a examina suprafața în detaliu, avem nevoie de instrumente mai avansate care folosesc alte principii.

Electron microscop
Până în anii 1980, un microscop electronic dezvoltat în anii 1930 era singura modalitate de a privi lumea nanoworld. Scanarea EM (în dreapta) permite obținerea de date nu numai despre suprafața probei, ci și despre compoziția sa chimică. Imagine: Mecanică populară

Cum funcționează microscopul electronic?

Lucrarea EM se bazează pe faptul că electronii, ca și fotonii, prezintă simultan proprietăți corpusulare (particule intrinseci la particule) și valuri. Overclockat la energii înalte, ele pot avea o lungime de undă de Broglie în sute de nanometri (15 keV corespunde cu 0,01 nm). Și, deși lentilele electronice sunt semnificativ inferioare proprietăților de focalizare optică, mărirea unui microscop electronic poate ajunge la milioane de ori, iar rezoluția este de câteva zeci de nanometri.

Scanarea microscopului electronic

În cazul în care proba nu este translucidă, dar scanarea suprafeței sale este focalizată de un fascicul de electroni concentrat pe un punct foarte mic (câțiva nanometri), acestea nu sunt numai împrăștiate pe atomii de probă, ci generează și electroni secundari, raze X și radiații vizibile. Înregistrarea acestor date se bazează pe funcționarea microscopului electronic de scanare. Spre deosebire de EM translucide, acesta poate fi folosit pentru a examina mostrele "groase". Prin înregistrarea unghiurilor de dispersie, a intensității radiațiilor și a energiei electronilor secundari, se poate studia nu numai relieful de suprafață, ci și compoziția chimică a probei, precum și structura probei în stratul de suprafață (zeci și sute de nanometri).Rezoluția unui microscop electronic de scanare este, de obicei, oarecum mai mică decât cea a unui electron de transmisie și variază de la unități la zeci de nanometri.

Scanarea microscopului de tunel

Luați în considerare atomii individuali care permit un dispozitiv care utilizează un efect de tunel cuantic – un microscop de scanare tunel (STM). Cu toate acestea, pentru a fi mai precis, microscopul de scanare nu analizează, ci "gropes" suprafața investigată. Nu literalmente, bineînțeles: o probă de ac foarte subțire, cu un vârf de un atom gros, se deplasează pe suprafața unui obiect la o distanță de ordinul unui nanometru. În acest caz, în conformitate cu legile mecanicii cuantice, electronii depășesc bariera de vid între obiect și ac – aceștia tunel și un curent începe să curgă între sondă și mostră. Amplitudinea acestui curent depinde foarte mult de distanța dintre capătul acului și suprafața probei – pe măsură ce decalajul se modifică cu zeci de nanometri, curentul poate crește sau scădea cu un ordin de mărime. Deci, mutați sonda de-a lungul suprafeței cu ajutorul elementelor piezoelectrice și urmăriți schimbarea curentului, puteți explora relieful aproape la atingere.

Scanarea microscopului de tunel. Imagine: Mecanică populară

Crearea STM a reprezentat un pas semnificativ în dezvoltarea nanoworld-ului. În 1986, Gerda Binnig și Heinrich Rohrer de la Centrul de Cercetare IBM din Zurich au primit Premiul Nobel pentru această realizare.

STM vă permite să vedeți detaliile suprafeței cu o rezoluție de sutimi sau chiar o mie de nanometru (corespunzând unei creșteri de aproximativ 100 de milioane de ori). De fapt, așa cum am menționat deja, aceasta nu este o fotografie. Aceasta este doar o reprezentare grafică a modului în care spațiul dintre sonde și suprafață se schimbă pentru a menține o valoare constantă a curentului. Interacțiunea sondei STM cu carapacele de electroni ale atomilor face posibilă studierea celor mai mici detalii disponibile astăzi.

Tomografia de putere prin rezonanță magnetică

Rezonanța magnetică (MR) a revoluționat literalmente medicina modernă. Pentru prima dată, a devenit posibilă observarea proceselor biologice în timp real, fără a fi afectată cursul lor natural. Cu toate acestea, cea mai mare rezoluție a tomografelor moderne este măsurată în fracțiuni de un milimetru, iar problemele încep să apară atunci când se deplasează la o scară mai mică.Microscoapele MR speciale au o rezoluție de ordinul micrometrelor – toate acestea pot fi obținute folosind metode tradiționale de imagistică prin rezonanță magnetică. Precizia mai mare este împiedicată de zgomotul din semnalul primit de bobine.

Cum se vizualizează virușii live
Proba este situată pe vârful consolei, sub care există un magnet permanent care creează un câmp magnetic gradient. Un câmp magnetic de frecvență radio este creat în jurul sârmei, interacțiunea rotirilor cu câmpul este determinată de amplitudinea deflecției consolei. Imagine: Mecanică populară

Dar oamenii de stiinta au venit cu o modalitate de a eluda aceasta limitare: in microscoapele cu putere de rezonanta magnetica au aparut recent o masurare directa a fortei de interactiune a unui camp magnetic gradient cu rotiri de nuclee de hidrogen intr-o proba situata pe varful unui consola. Deformarea consolei este măsurată folosind un interferometru laser. Folosind această tehnică, în 2007 a fost obținută o rezoluție de aproximativ 0,1 microni la Centrul de Cercetare IBM Almaden din San José (pe o bucată de mostră anorganică). Mai recent, în același loc, cercetătorii au construit și au demonstrat capacitățile unei scanări 3D tridimensionale pe un eșantion de virus mozaic de tutun (cu diametrul de 18 nm și lungimea de până la 300 nm).Prin combinarea microscopiei de forță cu scanarea mecanică tridimensională și prin utilizarea unui algoritm special pentru prelucrarea datelor obținute, oamenii de știință au reușit să obțină o rezoluție spațială de aproximativ 4 nm la scanarea unei probe biologice.

Microscop de forță atomică

STM are o limitare importantă: numai metalele sau semiconductorii pot fi obiectul studiului (amintesc că efectul se bazează pe curentul de tunel). Dielectrics în STM "considera" nu va funcționa. Pentru studiul lor de către dezvoltatorii de STM, a fost propusă o altă metodă, numită scanarea microscopiei forței atomice. Principiul funcționării sale este acela că, la distanțe mici între sonde și eșantion, acționează o forță, a cărei magnitudine și direcție depind de spațiu. Această forță este măsurată prin fixarea acului sondei pe o suspensie elastică de consolă (consola) și determinarea deformării acesteia. Folosind microscopia forțelor atomice, puteți studia orice suprafață – indiferent dacă acestea sunt conductori sau dielectrice.

Microscop de forță atomică
Microscopul forței atomice simte literalmente eșantionul, înregistrând forța de interacțiune dintre sonde și suprafață.Imagine: Mecanică populară

Unul dintre avantajele importante ale unui microscop de forță atomică (AFM) este posibilitatea utilizării sale în studiul probelor biologice: nu necesită un vid sau straturi subțiri (spre deosebire de un microscop electronic). AFM permite, de asemenea, studierea nu numai a topografiei de suprafață, ci și a interacțiunii dintre obiectele moleculare specifice – este suficient să se "fixeze" una dintre moleculele studiate pe vârful sondei. Cu toate acestea, AFM este mult inferior STM-ului în rezoluție (de ordinul câtorva nanometri) datorită zgomotului termic puternic care afectează măsurătorile.

Consultați nanometrul

AFM și STM sunt cazuri speciale ale microscopiei așa-numitei sonde de scanare, un instrument de cercetare foarte puternic care vă permite să studiați diferitele proprietăți ale suprafețelor și nu doar ușurința. Totul este determinat de cedespre utilizarea ca probă. De exemplu, folosind un ac conductiv, se pot studia proprietățile dielectrice locale ale unei suprafețe cu precizie nanometrică – aceasta este microscopia forței electrice (EFM). Folosind o sondă feromagnetică, se poate studia distribuția câmpului magnetic pe o scară nanometrică (MSM, microscopie de forță magnetică).

Una dintre cele mai interesante și exotice variante ale microscopiei sondei este scanarea microscopiei optice apropiate câmpului (BOM) dezvoltată de Dieter Pohl de la IBM Research Center din Zurich. În acest caz, o diafragmă cu un diametru de câțiva nanometri este folosită ca sondă. Lumina cu o lungime de undă de sute de nanometri este capabilă să pătrundă printr-o astfel de diafragmă subwavelength în conformitate cu legile mecanicii cuantice, dar pentru o distanță scurtă comparabilă cu diametrul găurii (acesta este așa numitul câmp apropiat). Dacă plasați o mostră acolo, se poate înregistra lumina reflectată. În același timp, se obține o imagine reală a suprafeței în lumină vizibilă, în funcție de proprietățile optice locale și de rezoluția nanometrică!

Nanotehnologia din jurul nostru

Ca și domnul Jourdain din "The Tradesman in Nobility" al lui Moliere, care nu știa ce a spus în proză, mulți nu-și dau seama că unele dintre lucrurile obișnuite din jurul nostru sunt deja realizări ale nanotehnologiei.

Dacă credeți că nanotehnologia este un viitor îndepărtat sau știință fictivă, în general, atunci vă greșiți.Natura "a inventat" nanotehnologia (precum și multe alte lucruri) cu mult înainte de un bărbat care doar în ultimele decenii urmărește aceeași cale, încercând să repete unele dintre invențiile ei. Succesele până acum sunt destul de modeste, dar oamenii de știință au realizat deja unele realizări în domeniul nanotehnologiei. Iată câteva exemple.

Pe fiecare masă

Poate cel mai faimos exemplu de exploatare cu succes a nanotehnologiilor în masă este componentele electronice. Acum câțiva ani, acest domeniu a fost numit microelectronică, dar acum se poate numi pe bună dreptate nanoelectronică: în 2003, compania Intel sa mutat la tehnologia procesorului de 90 nanometri, care intră sub incidența definiției nanotehnologiei (mai mică de 100 nm). Da, și progresul în acest domeniu este foarte rapid – în prezent, procesoarele Intel sunt deja lansate pe tehnologia de 45 de nanometri. Și aceasta este o producție în masă și în serie, care stă în aproape orice calculator modern. Un astfel de procesor constă din multe sute de milioane de tranzistori, fiecare având dimensiuni de numai câteva zeci de nanometri.În comparație cu generația anterioară (tehnologia 65 nanometri), frecvența ceasului a crescut (aproximativ 3 GHz), numărul de tranzistoare a crescut (aproape de două ori), iar eliberarea de căldură a scăzut semnificativ. În următorii câțiva ani, compania Intel intenționează să treacă la tehnologia de producție de 32 de nanometri și apoi la tehnologia de fabricare a procesoarelor de 22 de nanometri.

Praf util

Una dintre cele mai populare tipuri de nanoproduse sunt pulberile ultrafine. Substanțele de măcinat la nanoparticule cu dimensiuni de zeci sau sute de nanometri le oferă de multe ori calități utile. Faptul este că o astfel de nanoparticolă constă doar din câteva mii sau milioane de atomi, deci toți se dovedesc a fi aproape de suprafață, la granița cu lumea exterioară și interacționează viguros cu ea. Suprafața totală a particulelor într-o astfel de nanopulberă devine imensă.

De exemplu, argintul sub formă de nanoparticule devine extrem de distructiv pentru bacterii – această proprietate este utilizată cu succes în pansamentele moderne de vindecare a rănilor, precum și în țesuturile antimicrobiene. Nanopulberul de anvelope folosit când este adăugat la materiile prime din asfalt face ca suprafața șoselei să fie extrem de rezistentă la uzură.În ultimii ani, nanopulberii din argilă au fost utilizați în mod activ în izolarea acoperirilor cablurilor de putere – această izolație arde foarte prost și este foarte bună pentru siguranța clădirilor. Nanoparticulele cu dioxid de titan (baze ale tuturor alburilor de titan cunoscute) sunt fotocatalizatori foarte eficienți și sunt utilizați ca elemente active în filtrele de curățare a aerului de uz casnic. Și nanoparticulele de platină sunt folosite în arderea catalitică a mașinilor moderne pentru a reduce emisia de substanțe nocive în atmosferă.

Nano droguri

Din păcate, nanorobotul medical (nanobot), descrierea căruia este atât de popular în literatura populară, este fantastic. Cu toate acestea, acest lucru nu aduce atingere succesului nanotehnologiei în medicina modernă. Unul dintre domeniile principale de lucru este nanocapsulele pentru livrarea de droguri vizate. Această metodă vă permite să lucrați numai pe celulele afectate, fără a afecta cele sănătoase. Această idee a fost formulată încă de la începutul secolului XX de medicul german Paul Ehrlich și a fost numită de către el un "glonț magic" – dar numai nanotehnologiile (de exemplu, plasarea substanței active într-o capsulă lipozomală) au făcut posibilă.Preparatele de acest tip (lipozomale) pentru tratamentul anumitor forme de cancer și infecții fungice, hepatoprotectori și chiar vaccinuri antigripale au fost disponibile comercial de la mijlocul anilor 1990.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: