Wissenschaftler sind der Herstellung von Nanorobotern nahe gekommen. Dafür gibt es Materialien: Nanopartikel, Nanoröhren, Graphen, verschiedene Proteine. Alle von ihnen sind sehr zerbrechlich - um sie zu untersuchen, werden neue, fortschrittlichere Mikroskope benötigt, die das Gerät während des Forschungsprozesses nicht beschädigen.
Nanoroboter können in vielen Bereichen des menschlichen Lebens nützlich sein, vor allem in der Medizin. Stellen Sie sich winzige intelligente Geräte vor, die leise in uns arbeiten, verschiedene Parameter steuern und Daten in Echtzeit direkt auf das Smartphone des Arztes übertragen. Ein solcher Roboter muss aus einem biokompatiblen Material bestehen, das vom Körper nicht zurückgewiesen wird, sondern auch eine Stromquelle und einen Speicher benötigt.
Der Akku hilft hier nicht weiter, da er das Gerät vergrößert und es nicht einfach ist, ein biokompatibles Material dafür zu finden. Das Problem wird mit Hilfe von Piezoelektrika gelöst - Materialien, die Energie erzeugen, wenn sie mechanisch auf sie aufgebracht werden, wie z. B. Kompression. Es gibt auch den gegenteiligen Effekt: In Reaktion auf die Wirkung eines elektrischen Feldes ändern Strukturen aus piezoelektrischen Materialien ihre Form.
Biokompatible piezoelektrische Nanoroboter können in Blutgefäße gestartet werden und wandeln ihre Pulsation in Elektrizität um. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Geräte durch Bewegen von Gelenken und Muskeln mit Strom zu versorgen. Aber dann können Nanoroboter im Gegensatz zu denen in den Gefäßen nicht ständig agieren.
In jedem Fall ist es für Nanoroboter erforderlich, geeignete Materialien auszuwählen und genau zu bestimmen, wie viel Druck auf das Gerät ausgeübt werden muss, um einen elektrischen Impuls zu erzeugen.
Atomare Beziehungen
Ein dreidimensionales Bild eines Objekts oder einer Oberfläche im Nanobereich wird unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops erhalten. Es funktioniert wie folgt: Atome in jeder Substanz interagieren miteinander und je nach Entfernung auf unterschiedliche Weise. In großen Entfernungen ziehen sie sich an, aber wenn sie sich nähern, stoßen sich die Elektronenschalen der Atome gegenseitig ab.
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„Eine Sondennadel mit einer Spitze von 1 bis 30 Nanometern Durchmesser nähert sich der Probenoberfläche. Sobald es nahe genug kommt, beginnen sich die Atome der Sonde und des untersuchten Objekts abzustoßen. Infolgedessen wird sich der elastische Arm, an dem die Nadel befestigt ist, verbiegen “, sagt Arseniy Kalinin, leitender Entwickler bei NT-MDT Spectrum Instruments.
Die Nadel bewegt sich entlang der Oberfläche, und Höhenunterschiede verändern die Biegung der Konsole, die von einem hochpräzisen optischen System aufgezeichnet wird. Während die Sonde über die Oberfläche fährt, zeichnet die Software das gesamte Relief auf und erstellt ein 3D-Modell davon. Als Ergebnis wird auf dem Computerbildschirm ein Bild erzeugt, das analysiert werden kann: Um die allgemeine Rauheit der Probe zu messen, werden die Parameter von Objekten auf der Oberfläche gemessen. Darüber hinaus erfolgt dies in einer natürlichen Umgebung für die Proben - Flüssigkeit, Vakuum, bei verschiedenen Temperaturen. Die horizontale Auflösung des Mikroskops ist nur durch den Durchmesser der Sondenspitze begrenzt, während die vertikale Genauigkeit guter Instrumente zehn Pikometer beträgt, was weniger als die Größe eines Atoms ist.
Die Nadel eines Rasterkraftmikroskops tastet die Probe / den ITMO University Press Service ab.
In 30 Jahren Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie haben Wissenschaftler gelernt, nicht nur das Oberflächenrelief der Probe, sondern auch die Eigenschaften des Materials zu bestimmen: mechanisch, elektrisch, magnetisch, piezoelektrisch. Und all diese Parameter können mit höchster Genauigkeit gemessen werden. Dies hat wesentlich zum Fortschritt der Materialwissenschaften, Nanotechnologie und Biotechnologie beigetragen.
Biologen sind auch im Geschäft
Die Messung piezoelektrischer Parameter ist ein einzigartiges Merkmal eines Rasterkraftmikroskops. Lange Zeit wurde es nur zur Untersuchung von Festkörper-Piezoelektrika verwendet. Tatsache ist, dass biologische Objekte ziemlich weich sind und durch die Spitze der Sonde leicht beschädigt werden. Wie ein Pflug pflügt er die Oberfläche, verschiebt und verformt die Probe.
Kürzlich haben Physiker aus Russland und Portugal herausgefunden, wie man eine Rasterkraftmikroskopnadel herstellt, die eine biologische Probe nicht beschädigt. Sie entwickelten einen Algorithmus, nach dem sich die Sonde beim Bewegen von einem Punkt zum anderen gerade so weit von der Oberfläche entfernt, dass sie in keiner Weise mit ihr interagiert. Dann berührt er das zu untersuchende Thema und erhebt sich wieder, um zum nächsten Punkt zu gelangen. Natürlich kann die Nadel noch ein wenig auf die Oberfläche drücken, aber dies ist eine elastische Wechselwirkung, nach der ein Objekt, sei es ein Proteinmolekül oder eine Zelle, leicht wiederhergestellt werden kann. Zusätzlich wird die Druckkraft durch ein spezielles Programm gesteuert. Diese Technologie ermöglicht es, eine biokompatible piezoelektrische Struktur zu untersuchen, ohne sie zu beschädigen.
„Die neue Methode ist auf jedes Rasterkraftmikroskop anwendbar, vorausgesetzt, es gibt eine speziell entwickelte Hochgeschwindigkeitselektronik, die die piezoelektrische Antwort von der Konsole und der Software verarbeitet, die die Daten in eine Karte konvertiert. An die Nadel wird eine leichte Spannung angelegt. Das elektrische Feld wirkt auf die Probe und die Sonde liest ihre mechanische Reaktion. Die Rückkopplung ist ähnlich, sodass wir herausfinden können, wie ein Objekt so zusammengedrückt wird, dass es mit dem gewünschten elektrischen Signal reagiert. Dies gibt dem Forscher ein Werkzeug, um neue biokompatible Nahrungsquellen zu suchen und zu untersuchen “, erklärt Kalinin.
