Die Eroberung der Natur durch den Menschen ist noch nicht beendet. Auf jeden Fall, bis wir die Nanowelt noch erobert und unsere eigenen Regeln darin aufgestellt haben. Mal sehen, was es ist und welche Möglichkeiten uns die Welt der in Nanometern gemessenen Objekte bietet.
Was ist "Nano"?
Es waren einmal die Errungenschaften der Mikroelektronik. Wir sind jetzt in eine neue Ära der Nanotechnologie eingetreten. Was ist also dieser "Nano", der hier und da zu den üblichen Wörtern hinzugefügt wurde und ihnen einen neuen modernen Klang verleiht: Nanoroboter, Nanomaschinen, Nanoradio und so weiter? Das Präfix "nano" wird im Internationalen Einheitensystem (SI) verwendet. Es wird verwendet, um die Notation für Dezimaleinheiten zu bilden. Dies ist ein Milliardstel der ursprünglichen Einheit. In diesem Fall handelt es sich um Objekte, deren Abmessungen in Nanometern bestimmt werden. Dies bedeutet, dass ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist. Zum Vergleich: Ein Mikron (auch bekannt als das Mikrometer, das der Mikroelektronik den Namen gab, und außerdem Mikrobiologie, Mikrochirurgie usw.) ist ein Millionstel Meter.
Nehmen wir als Beispiel Millimeter (das Präfix "Milli" ist ein Tausendstel), dann gibt es in einem Millimeter 1.000.000 Nanometer (nm) und dementsprechend 1.000 Mikrometer (μm). Menschliches Haar hat eine durchschnittliche Dicke von 0,05–0,07 mm, dh 50.000–70.000 nm. Obwohl der Haardurchmesser in Nanometern angegeben werden kann, ist dies weit von der Nanowelt entfernt. Lassen Sie uns tiefer gehen und sehen, was jetzt schon da ist.
Die durchschnittliche Größe der Bakterien beträgt 0,5–5 µm (500–5000 nm). Viren, einer der Hauptfeinde von Bakterien, sind noch kleiner. Der durchschnittliche Durchmesser der meisten untersuchten Viren beträgt 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Die DNA-Helix hat jedoch einen Durchmesser von 1,8 bis 2,3 nm. Es wird angenommen, dass das kleinste Atom ein Heliumatom ist, sein Radius 32 pm (0,032 nm) beträgt und das größte Cäsium 225 pm (0,255 nm) ist. Im Allgemeinen wird ein Nanoobjekt als ein Objekt betrachtet, dessen Größe in mindestens einer Dimension im Nanobereich (1–100 nm) liegt.
Kannst du die Nanowelt sehen?
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Natürlich möchte ich alles, was gesagt wird, mit eigenen Augen sehen. Zumindest im Okular eines optischen Mikroskops. Ist es möglich, in die Nanowelt zu schauen? Der übliche Weg, wie wir zum Beispiel Mikroben beobachten, ist unmöglich. Warum? Weil Licht mit einem gewissen Grad an Konvention als Nanowellen bezeichnet werden kann. Die Wellenlänge der violetten Farbe, ab der der sichtbare Bereich beginnt, beträgt 380–440 nm. Die Wellenlänge der roten Farbe beträgt 620-740 nm. Sichtbare Strahlung hat Wellenlängen von Hunderten von Nanometern. In diesem Fall ist die Auflösung herkömmlicher optischer Mikroskope durch die Abbe-Beugungsgrenze bei etwa der halben Wellenlänge begrenzt. Die meisten für uns interessanten Objekte sind noch kleiner.
Daher war der erste Schritt zum Eindringen in die Nanowelt die Erfindung des Transmissionselektronenmikroskops. Darüber hinaus wurde das erste derartige Mikroskop bereits 1931 von Max Knoll und Ernst Ruska entwickelt. 1986 wurde für seine Erfindung der Nobelpreis für Physik verliehen. Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei einem herkömmlichen optischen Mikroskop. Nur anstelle von Licht wird ein Elektronenstrom auf das interessierende Objekt gerichtet, das von magnetischen Linsen fokussiert wird. Wenn ein optisches Mikroskop eine etwa tausendfache Zunahme ergab, war ein Elektronenmikroskop bereits millionenfach. Es hat aber auch seine Nachteile. Erstens ist es notwendig, ausreichend dünne Materialproben für die Arbeit zu erhalten. Sie müssen in einem Elektronenstrahl transparent sein, damit ihre Dicke im Bereich von 20 bis 200 nm variiert. Zweitens ist esdass sich die Probe unter dem Einfluss von Elektronenstrahlen zersetzen und unbrauchbar werden kann.
Eine andere Variante des Elektronenstrahlmikroskops ist das Rasterelektronenmikroskop. Es scheint nicht wie das vorherige durch die Probe, sondern scannt es mit einem Elektronenstrahl. Dadurch können dickere Proben untersucht werden. Die Verarbeitung der analysierten Probe mit einem Elektronenstrahl erzeugt sekundäre und rückreflektierte Elektronen, sichtbare (Kathodolumineszenz) und Röntgenstrahlen, die von speziellen Detektoren erfasst werden. Basierend auf den empfangenen Daten wird eine Idee des Objekts gebildet. Die ersten Rasterelektronenmikroskope erschienen in den frühen 1960er Jahren.
Rastersondenmikroskope sind eine relativ neue Klasse von Mikroskopen, die bereits in den 80er Jahren auf den Markt kamen. Der bereits erwähnte Nobelpreis für Physik von 1986 wurde zwischen dem Erfinder des Transmissionselektronenmikroskops Ernst Ruska und den Machern des Rastertunnelmikroskops Gerd Binnig und Heinrich Rohrer aufgeteilt. Rastermikroskope ermöglichen es, das Relief der Probenoberfläche nicht zu untersuchen, sondern zu "fühlen". Die resultierenden Daten werden dann in ein Bild umgewandelt. Im Gegensatz zum Rasterelektronenmikroskop verwendet die Sonde eine scharfe Rasternadel für den Betrieb. Die Nadel, deren Spitze nur wenige Atome dick ist, wirkt als Sonde, die auf einen Mindestabstand von 0,1 nm zur Probe gebracht wird. Während des Scannens bewegt sich die Nadel über die Probenoberfläche. Zwischen der Spitze und der Probenoberfläche entsteht ein Tunnelstrom.und sein Wert hängt von der Entfernung zwischen ihnen ab. Die Änderungen werden aufgezeichnet, sodass auf ihrer Grundlage eine Höhenkarte erstellt werden kann - eine grafische Darstellung der Objektoberfläche.
Ein ähnliches Funktionsprinzip wird von einem anderen Mikroskop aus der Klasse der Rastersondenmikroskope verwendet - der Atomkraft. Es gibt auch eine Sondenspitze und ein ähnliches Ergebnis - eine grafische Darstellung des Oberflächenreliefs. Es wird jedoch nicht die Größe des Stroms gemessen, sondern die Kraftwechselwirkung zwischen Oberfläche und Sonde. Gemeint sind zunächst die Van-der-Waals-Kräfte, aber auch elastische Kräfte, Kapillarkräfte, Adhäsionskräfte und andere. Im Gegensatz zum Rastertunnelmikroskop, mit dem nur Metalle und Halbleiter untersucht werden können, ermöglicht das Rasterkraftmikroskop auch die Untersuchung von Dielektrika. Dies ist jedoch nicht der einzige Vorteil. Es erlaubt nicht nur, in die Nanowelt zu schauen, sondern auch Atome zu manipulieren.
Pentacenmolekül. A ist ein Modell eines Moleküls. B - Bild, das mit einem Rastertunnelmikroskop erhalten wurde. C - Bild erhalten mit einem Rasterkraftmikroskop. D - mehrere Moleküle (AFM). A, B und C im gleichen Maßstab
Foto: Wissenschaft
Nanomaschinen
In der Natur finden im Nanobereich, dh auf der Ebene der Atome und Moleküle, viele Prozesse statt. Natürlich können wir jetzt auch beeinflussen, wie sie vorgehen. Aber wir machen es fast blind. Nanomaschinen sind ein gezieltes Instrument für die Arbeit in der Nanowelt. Sie sind Geräte, mit denen man einzelne Atome und Moleküle manipulieren kann. Bis vor kurzem konnte nur die Natur sie erschaffen und kontrollieren. Wir sind einen Schritt von dem Tag entfernt, an dem wir es auch schaffen können.
Nanomaschinen
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Was können Nanomaschinen? Nehmen wir zum Beispiel die Chemie. Die Synthese chemischer Verbindungen basiert auf der Tatsache, dass wir die notwendigen Bedingungen für den Ablauf einer chemischen Reaktion schaffen. Infolgedessen haben wir eine bestimmte Substanz am Ausgang. In Zukunft können chemische Verbindungen relativ mechanisch erzeugt werden. Nanomaschinen können einzelne Atome und Moleküle verbinden und trennen. Infolgedessen werden chemische Bindungen gebildet oder umgekehrt werden bestehende Bindungen aufgebrochen. Durch den Bau von Nanomaschinen können aus Atomen die molekularen Strukturen erzeugt werden, die wir benötigen. Chemiker-Nanoroboter - synthetisieren chemische Verbindungen. Dies ist ein Durchbruch bei der Schaffung von Materialien mit gewünschten Eigenschaften. Gleichzeitig ist es ein Durchbruch im Umweltschutz. Es ist leicht anzunehmen, dass Nanomaschinen ein großartiges Werkzeug für das Recycling von Abfällen sind.die unter normalen Bedingungen schwer zu entsorgen sind. Besonders wenn wir über Nanomaterialien sprechen. Denn je weiter der technische Fortschritt geht, desto schwieriger ist es für die Umwelt, mit den Ergebnissen fertig zu werden. Zu lange findet die Zersetzung neuer Materialien, die vom Menschen erfunden wurden, in der natürlichen Umgebung statt. Jeder weiß, wie lange es dauert, weggeworfene Plastiktüten zu zersetzen - ein Produkt der vorherigen wissenschaftlichen und technologischen Revolution. Was passiert mit Nanomaterialien, die sich früher oder später als Müll herausstellen? Dieselben Nanomaschinen müssen ihre Verarbeitung durchführen. Wie lange dauert es, bis weggeworfene Plastiktüten zerfallen - ein Produkt einer früheren wissenschaftlichen und technologischen Revolution. Was passiert mit Nanomaterialien, die sich früher oder später als Müll herausstellen? Dieselben Nanomaschinen müssen ihre Verarbeitung durchführen. Wie lange dauert es, bis weggeworfene Plastiktüten zerfallen - ein Produkt einer früheren wissenschaftlichen und technologischen Revolution. Was passiert mit Nanomaterialien, die sich früher oder später als Müll herausstellen? Dieselben Nanomaschinen müssen ihre Verarbeitung durchführen.
Fullerenrad-Nanomaschine
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Wissenschaftler haben lange über Mechanosynthese gesprochen. Es ist eine chemische Synthese, die durch mechanische Systeme stattfindet. Sein Vorteil zeigt sich darin, dass es die Positionierung von Reaktanten mit einem hohen Maß an Genauigkeit ermöglicht. Bisher gibt es jedoch kein Tool, mit dem es effektiv implementiert werden kann. Natürlich können heute existierende Rasterkraftmikroskope als solche Instrumente fungieren. Ja, sie erlauben nicht nur, in die Nanowelt zu schauen, sondern auch mit Atomen zu arbeiten. Als Objekte des Makrokosmos eignen sie sich jedoch nicht am besten für die Massenanwendung von Technologie, was über Nanomaschinen nicht gesagt werden kann. In Zukunft werden damit ganze molekulare Förderer und Nanofabriken entstehen.
Es gibt aber bereits ganze biologische Nanofabriken. Sie existieren in uns und in allen lebenden Organismen. Deshalb werden von der Nanotechnologie Durchbrüche in Medizin, Biotechnologie und Genetik erwartet. Indem wir künstliche Nanomaschinen herstellen und in lebende Zellen einführen, können wir beeindruckende Ergebnisse erzielen. Erstens können Nanomaschinen zum gezielten Transport von Arzneimitteln zum gewünschten Organ verwendet werden. Wir müssen keine Medikamente einnehmen, da wir erkennen, dass nur ein Teil davon an das erkrankte Organ gelangt. Zweitens übernehmen Nanomaschinen bereits die Funktionen zur Bearbeitung des Genoms. Mit der CRISPR / Cas9-Technologie, die aus der Natur stammt, können Sie Veränderungen im Genom sowohl einzelliger als auch höherer Organismen, einschließlich des Menschen, vornehmen. Darüber hinaus geht es nicht nur um die Bearbeitung des Genoms von Embryonen, sondern auch des Genoms lebender erwachsener Organismen. Und die Nanomaschinen werden das alles tun.
Nanoradio
Wenn Nanomaschinen unser Instrument in der Nanowelt sind, müssen sie irgendwie kontrolliert werden. Es besteht jedoch auch hier keine Notwendigkeit, etwas grundlegend Neues zu erfinden. Eine der wahrscheinlichsten Kontrollmethoden ist das Radio. Die ersten Schritte in diese Richtung wurden bereits unternommen. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory unter der Leitung von Alex Zettle haben einen Funkempfänger aus nur einer Nanoröhre mit einem Durchmesser von etwa 10 nm hergestellt. Darüber hinaus wirkt die Nanoröhre gleichzeitig als Antenne, Selektor, Verstärker und Demodulator. Der Nanoradio-Empfänger kann sowohl FM- als auch AM-Wellen mit einer Frequenz von 40 bis 400 MHz empfangen. Laut den Entwicklern kann das Gerät nicht nur zum Empfangen, sondern auch zum Senden eines Funksignals verwendet werden.
Empfangene Funkwellen lassen die Nanoradioantenne vibrieren
nsf.gov
Musik von Eric Clapton und den Beach Boys diente als Testsignal. Die Wissenschaftler sendeten ein Signal von einem Teil des Raums zu einem anderen, wo sich das von ihnen erzeugte Radio befand. Wie sich herausstellte, war die Signalqualität gut genug. Aber der Zweck eines solchen Radios ist natürlich nicht, Musik zu hören. Der Funkempfänger kann in einer Vielzahl von Nanogeräten eingesetzt werden. Zum Beispiel in denselben Nanorobotern, die Medikamente abgeben, die über den Blutkreislauf zum gewünschten Organ gelangen.
Nanomaterialien
Die Schaffung von Materialien mit Eigenschaften, die bisher nicht vorstellbar waren, ist eine weitere Chance, die uns die Nanotechnologie bietet. Um als "Nano" zu gelten, muss ein Material eine oder mehrere Dimensionen im Nanobereich haben. Entweder mit Nanopartikeln oder durch Nanotechnologie hergestellt werden. Die bequemste Klassifizierung von Nanomaterialien erfolgt heute nach der Dimension der Strukturelemente, aus denen sie bestehen.
Nulldimensional (0D) - Nanocluster, Nanokristalle, Nanodispersionen, Quantenpunkte. Keine der Seiten des 0D-Nanomaterials geht über die Nanoskala hinaus. Dies sind Materialien, in denen Nanopartikel voneinander isoliert sind. Die ersten komplexen nulldimensionalen Strukturen, die in der Praxis erhalten und angewendet werden, sind Fullerene. Fullerene sind die stärksten heute bekannten Antioxidantien. In der Pharmakologie hängen Hoffnungen auf die Schaffung neuer Medikamente. Fullerenderivate zeigen sich gut in der Behandlung von HIV. Bei der Herstellung von Nanomaschinen können Fullerene als Teile verwendet werden. Die Nanomaschine mit Fullerenrädern ist oben gezeigt.
Fulleren
Foto: wikipedia.org
Eindimensional (1D) - Nanoröhren, Fasern und Stäbe. Ihre Länge reicht von 100 nm bis zu einigen zehn Mikrometern, aber ihr Durchmesser liegt im Nanobereich. Die bekanntesten eindimensionalen Materialien sind heute Nanoröhren. Sie haben einzigartige elektrische, optische, mechanische und magnetische Eigenschaften. In naher Zukunft sollten Nanoröhren in der molekularen Elektronik, in der Biomedizin und bei der Entwicklung neuer superstarker und ultraleichter Verbundwerkstoffe Anwendung finden. Nanoröhren werden bereits als Nadeln in Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen eingesetzt. Oben haben wir über die Schaffung von Nanoradio auf Basis von Nanoröhren gesprochen. Und natürlich steckt die Hoffnung in Kohlenstoffnanoröhren als Material für das Weltraumaufzugskabel.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Foto: wikipedia.org
Zweidimensionale (2D) - Filme (Beschichtungen) mit Nanometerdicke. Dies ist das bekannte Graphen - eine zweidimensionale allotrope Modifikation von Kohlenstoff (für Graphen wurde der Nobelpreis für Physik 2010 verliehen). Weniger bekannt in der Öffentlichkeit ist Silicen - eine zweidimensionale Modifikation von Silicium, Phosphor - Phosphor, Germanen - Germanium. Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler Borofen hergestellt, das sich im Gegensatz zu anderen zweidimensionalen Materialien als nicht flach, sondern als gewellt herausstellte. Die Anordnung von Boratomen in Form einer gewellten Struktur liefert die einzigartigen Eigenschaften des erhaltenen Nanomaterials. Borofen behauptet, führend in der Zugfestigkeit unter zweidimensionalen Materialien zu sein.
Borophenstruktur
Foto: MIPT
Zweidimensionale Materialien sollten in der Elektronik Anwendung finden, bei der Entwicklung von Filtern zur Entsalzung von Meerwasser (Graphenmembranen) und bei der Erzeugung von Solarzellen. In naher Zukunft könnte Graphen Indiumoxid - ein seltenes und teures Metall - bei der Herstellung von Touchscreens ersetzen.
Dreidimensionale (3D) Nanomaterialien sind Pulver, faserige, mehrschichtige und polykristalline Materialien, bei denen die obigen nulldimensionalen, eindimensionalen und zweidimensionalen Nanomaterialien Strukturelemente sind. Sie haften eng aneinander und bilden Schnittstellen untereinander - Schnittstellen.
Arten von Nanomaterialien
Foto: thesaurus.rusnano.com
Ein wenig mehr Zeit wird vergehen und Nanotechnologie - Technologien zur Manipulation nanoskaliger Objekte werden alltäglich. So wie mikroelektronische Technologien bekannt geworden sind und uns Computer, Mobiltelefone, Satelliten und viele andere Attribute des modernen Informationszeitalters geben. Die Auswirkungen der Nanotechnologie auf das Leben werden jedoch viel breiter sein. Veränderungen erwarten uns in fast allen Bereichen menschlichen Handelns.
Sergey Sobol
