Dziesięć do minus dziewięć: popularne w nanotechnologii

Dziesięć do minus dziewięć: popularne w nanotechnologii

"Popular Mechanics" №4, 2009

Ostatnio w Rosji trudno jest znaleźć publikację, która nie wspomniałaby o "nanotechnologii" z lub bez niej. Jednak prawdziwe znaczenie tego terminu nie jest jasne dla wszystkich. W tym projekcie, przygotowanym przy udziale specjalistów z RUSNANO, postaramy się powiedzieć, co to słowo oznacza.

Co to jest "nano"?

Przedrostek "nano" (po grecku – "karzeł") oznacza "jedną miliardową". Oznacza to, że jeden nanometr (1 nm) to jedna miliardowa części metra (10-9 m). Aby oszacować skalę, wyobraź sobie kulę ziemską i monetę centową – w ten sposób przybliżają się w przybliżeniu metr i nanometr.

Milimetry (w tysięcznych metra) oznaczają linię szkolną, mikrometry (są to mikrony, milionowe części metra) – wielkość tego, co widać w dobrym mikroskopie (komórki, mikroby i ich narządy). Setki nanometrów mierzą rozmiar wirusów, dziesiątki – duże cząsteczki białka, a ostatnio tranzystory w procesorach komputerowych. Proste cząsteczki są mierzone w jednostkach nanometrów, atomach – w dziesiątych.

Nanoskal

W nanoskali zwyczajowo mierzy się to, co mieści się w zakresie od atomów do wirusów (0,1-100 nm).Dlaczego zasięg nanoskali zwiększa zainteresowanie naukowców i technologów? Faktem jest, że naukowcy nauczyli się ostatnio obsługiwać obiekty o tej wielkości. Ale na tym poziomie obserwuje się wiele procesów o fundamentalnym znaczeniu – od reakcji chemicznych po efekty kwantowe. Znajomość tych procesów pozwoli na stworzenie nanoskalowych struktur, które dostarczą materiałom i urządzeniom użyteczne, a czasem niezwykłe właściwości.

Nauka i technologia

Sposoby tworzenia takich nanoskalowych struktur nazywane są nanotechnologiami. Ogólnie mówiąc, nanotechnologia nie jest niezależną gałęzią nauki. Jest to raczej kompleks stosowanych technologii, których podstawy są badane w takich dyscyplinach jak chemia koloidalna, fizyka powierzchni, mechanika kwantowa, biologia molekularna, itp.

Poczuj nanoworld

Rozdzielczość zwykłego mikroskopu optycznego (około połowy długości fali światła) nie wystarcza dla obiektów w nanoskali. Aby zobaczyć nanowy świat, musiałem opracować inne metody.

Granica dyfrakcji dla światła widzialnego pozwala uzyskać około 1000-krotne powiększenie – odpowiada to rozdzielczości rzędu kilkuset nanometrów.Nie można dostrzec obiektów w dziesiątkach, a nawet więcej w jednostkach nanometrów w takim mikroskopie. Dlatego pierwszym krokiem w kierunku nanoświata był mikroskop elektronowy.

Mikroskop elektronowy (EM)

Zasadą przypomina zwykły mikroskop, ale zamiast światła działają elektrony skupione przez soczewki magnetyczne. Promień elektronu, przechodzący przez cienką próbkę, wchodzi w interakcje z nią, a następnie pada na świecący ekran, dzięki czemu obraz jest widoczny dla ludzkiego oka. Na zdjęciach wykonanych przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego, który pozwala na uzyskanie powiększenia miliony razy, warstwy atomowe i stopnie są już widoczne. Atomy mają formę punktów, a do szczegółowej analizy powierzchni potrzebujemy bardziej zaawansowanych narzędzi, które wykorzystują inne zasady.

Mikroskop elektronowy
Aż do lat 80. XX w., Mikroskop elektronowy opracowany w 1930 roku był jedynym sposobem, aby spojrzeć w nanoświat. Skanowanie EM (po prawej) pozwala uzyskać dane nie tylko o powierzchni próbki, ale także o jej składzie chemicznym. Obraz: Popular Mechanics

Jak działa mikroskop elektronowy

Praca EM opiera się na fakcie, że elektrony, podobnie jak fotony, wykazują równocześnie zarówno korpuskularne (wewnętrzne cząstki), jak i właściwości falowe. Przetaktowane do wysokich energii, mogą mieć długość fali de Broglie w setnych nanometra (15 keV odpowiada 0,01 nm). Chociaż soczewki elektronowe są znacznie gorsze od optycznych właściwości ogniskowania, powiększenie mikroskopu elektronowego może sięgać milionów razy, a rozdzielczość wynosi kilka dziesiątych nanometra.

Skaningowy mikroskop elektronowy

Jeśli próbka nie jest półprzezroczysta, ale skanowanie jej powierzchni jest skupiane przez wiązkę elektronów skupioną w bardzo małym punkcie (kilka nanometrów), te ostatnie są nie tylko rozproszone na próbnych atomach, ale także generują elektrony wtórne, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie widzialne. Rejestracja tych danych opiera się na działaniu skaningowego mikroskopu elektronowego. W przeciwieństwie do półprzezroczystego EM, można go wykorzystać do zbadania "grubych" próbek. Rejestrując kąt rozproszenia, natężenie promieniowania i energię elektronów wtórnych, można badać nie tylko relief powierzchni, ale także skład chemiczny próbki, a także strukturę próbki w warstwie powierzchniowej (dziesiątki i setki nanometrów).Rozdzielczość skaningowego mikroskopu elektronowego jest zwykle nieco mniejsza niż elektronu transmisyjnego i waha się od jednostek do dziesiątek nanometrów.

Skanowanie mikroskopu tunelowego

Rozważmy pojedyncze atomy pozwalające na użycie efektu tunelowania kwantowego – skanującego mikroskopu tunelowego (STM). Jednak dokładniej, skanujący mikroskop tunelowy nie bada, lecz raczej "omiata" badaną powierzchnię. Oczywiście nie dosłownie: bardzo cienka sonda igłowa z grotem o grubości jednego atomu porusza się po powierzchni obiektu w odległości rzędu jednego nanometra. W tym przypadku, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektrony pokonują barierę próżniową między przedmiotem a igłą – tunelują, a prąd zaczyna płynąć między sondą a próbką. Wielkość tego prądu jest bardzo zależna od odległości między końcem igły a powierzchnią próbki – ponieważ przerwa zmienia się o dziesiątki nanometra, prąd może wzrosnąć lub zmniejszyć o rząd wielkości. Przesuwając sondę po powierzchni za pomocą elementów piezoelektrycznych i śledząc zmianę prądu, można odkrywać jej ulgę niemal w dotyku.

Skanowanie mikroskopu tunelowego. Obraz: Popular Mechanics

Stworzenie STM było znaczącym krokiem w rozwoju nanoświata. W 1986 r. Gerda Binnig i Heinrich Rohrer z IBM Research Center w Zurychu otrzymali Nagrodę Nobla za to osiągnięcie.

STM pozwala zobaczyć szczegóły powierzchni z rozdzielczością setnych lub nawet tysięcznych nanometra (co odpowiada wzrostowi o około 100 milionów razy). W rzeczywistości, jak już wspomniano, nie jest to zdjęcie. Jest to jedynie graficzne przedstawienie, w jaki sposób zmienia się szczelina między sondą a powierzchnią, aby utrzymać stałą wartość prądu. Interakcja sondy STM z powłokami elektronowymi atomów pozwala badać najmniejsze dostępne dziś szczegóły.

Magnetyczny tomografia mocy rezonansu magnetycznego

Rezonans magnetyczny (MR) dosłownie zrewolucjonizował współczesną medycynę. Po raz pierwszy stało się możliwe obserwowanie procesów biologicznych w czasie rzeczywistym, bez zakłócania ich naturalnego przebiegu. Jednak najwyższą rozdzielczość nowoczesnych tomografów mierzy się w ułamkach milimetra, a problemy pojawiają się, gdy przechodzą na mniejszą skalę.Specjalne mikroskopy MR mają rozdzielczość rzędu mikrometrów – to wszystko, co można uzyskać za pomocą tradycyjnych metod rezonansu magnetycznego. Większa dokładność jest utrudniona przez szum w sygnale odbieranym przez cewki.

Jak oglądać żywe wirusy
Próbka znajduje się na końcu wspornika, pod którym znajduje się magnes trwały, który wytwarza gradientowe pole magnetyczne. Wokół drutu powstaje pole magnetyczne o częstotliwości radiowej, interakcja spinów z polem jest określona przez amplitudę ugięcia dźwigni. Obraz: Popular Mechanics

Naukowcy wymyślili sposób na obejście tego ograniczenia: w niedawno pojawiających się mikroskopach mocy rezonansu magnetycznego zastosowano bezpośredni pomiar siły oddziaływania gradientowego pola magnetycznego z spinami jąder wodorowych w próbce znajdującej się na wierzchołku wspornika. Odchylenie wspornika jest mierzone za pomocą interferometru laserowego. Stosując tę ​​technikę, w 2007 r. Uzyskano rozdzielczość około 0,1 mikrona w ośrodku IBM Almaden Research Center w San José (na kawałku próbki nieorganicznej). Niedawno w tym samym miejscu naukowcy zbudowali i zademonstrowali możliwości trójwymiarowego skanowania MR na próbce wirusa mozaiki tytoniu (o średnicy 18 nm i długości do 300 nm).Łącząc mikroskopię siłową z trójwymiarowym skanowaniem mechanicznym i stosując specjalny algorytm do przetwarzania uzyskanych danych, naukowcy byli w stanie uzyskać rozdzielczość przestrzenną około 4 nm podczas skanowania próbki biologicznej.

Mikroskop sił atomowych

STM ma jedno ważne ograniczenie: przedmiotem badań mogą być tylko metale lub półprzewodniki (przypominamy, że efekt jest oparty na prądzie tunelowania). Dielektryki w STM "rozważyć" nie będą działać. Do ich badania przez twórców STM zaproponowano inną metodę, zwaną skaningową mikroskopię sił atomowych. Zasada działania polega na tym, że przy niewielkich odległościach między sondą a próbką działa siła, której wielkość i kierunek zależą od luki. Siła ta jest mierzona przez zamocowanie igły sondy na elastycznym zawieszeniu wspornikowym (wspornikowym) i określenie jego ugięcia. Za pomocą mikroskopii sił atomowych można badać dowolną powierzchnię – niezależnie od tego, czy są to przewodniki czy dielektryki.

Mikroskop sił atomowych
Mikroskop sił atomowych dosłownie odczuwa próbkę, rejestrując siłę oddziaływania między sondą a powierzchnią.Obraz: Popular Mechanics

Jedną z ważnych zalet mikroskopu sił atomowych (AFM) jest możliwość jego wykorzystania w badaniach próbek biologicznych: nie wymaga próżni ani cienkich warstw (w przeciwieństwie do mikroskopu elektronowego). AFM pozwala również badać nie tylko topografię powierzchni, ale także interakcję pomiędzy konkretnymi obiektami molekularnymi – wystarczy "naprawić" jedną z badanych cząsteczek na czubku sondy. Jednak AFM jest znacznie gorszy od STM w rozdzielczości (rzędu kilku nanometrów) z powodu silnego szumu cieplnego wpływającego na pomiary.

Zobacz nanometr

AFM i STM są szczególnymi przypadkami tak zwanej mikroskopii sond skaningowych, bardzo potężnym narzędziem badawczym, które pozwala badać różne właściwości powierzchni, a nie tylko ulgę. Wszystko zależy od tego, cookoło używać jako sondy. Na przykład za pomocą przewodzącej igły można badać lokalne właściwości dielektryczne powierzchni z dokładnością nanometrową – jest to mikroskopia sił elektrycznych (EFM). Za pomocą sondy ferromagnetycznej można badać rozkład pola magnetycznego w skali nanometrowej (MSM, mikroskopia sił magnetycznych).

Jednym z najciekawszych i najbardziej egzotycznych wariantów mikroskopii sondującej jest skanowanie mikroskopii optycznej bliskiego pola (BOM) opracowanej przez Dietera Pohl z IBM Research Center w Zurychu. W tym przypadku jako sonda stosuje się przeponę o średnicy kilku nanometrów. Światło o długości fali wynoszącej setki nanometrów jest w stanie przeniknąć przez taką podfuniczną przeponę zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, ale na niewielką odległość porównywalną do średnicy otworu (jest to tak zwane pole bliskie). Jeśli umieścisz tam próbkę, światło odbite od niej może zostać zarejestrowane. Jednocześnie uzyskuje się rzeczywisty obraz powierzchni w świetle widzialnym, w zależności od lokalnych właściwości optycznych i rozdzielczości nanometrowej!

Nanotechnologia wokół nas

Podobnie jak pan Jourdain z Moliere "The Tradesman in the Nobility", który nie wiedział, co powiedział w prozie, wielu nie zdaje sobie sprawy, że niektóre z normalnych rzeczy wokół nas są już osiągnięciami nanotechnologii.

Jeśli uważasz, że nanotechnologia jest odległą przyszłością lub ogólnie science fiction, to się mylisz.Natura "wymyśliła" nanotechnologię (a także wiele innych rzeczy) na długo przed osobą, która dopiero w ciągu ostatnich kilku dekad podąża tą samą ścieżką, próbując powtórzyć niektóre z jej wynalazków. Dotychczasowe sukcesy są dość skromne, ale naukowcy osiągnęli już pewne osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii. Oto tylko kilka przykładów.

Na każdym stole

Być może najbardziej znanym przykładem udanych operacji i masowych nanotechnologii są komponenty elektroniczne. Kilka lat temu obszar ten nazywano mikroelektroniką, ale teraz można go słusznie nazwać nanoelektroniką: w 2003 roku firma Intel przeniesiony do 90-nanometrowej technologii procesorowej, która w pełni mieści się w definicji nanotechnologii (mniej niż 100 nm). Tak, a postęp w tej dziedzinie jest bardzo szybki – obecnie procesory Intela są już dostępne w technologii 45-nanometrowej. A to jest produkcja seryjna i masowa, która stoi w prawie każdym nowoczesnym komputerze. Taki procesor składa się z setek milionów tranzystorów, z których każdy ma wymiary zaledwie kilkudziesięciu nanometrów.W porównaniu z poprzednią generacją (technologia 65-nanometrowa), częstotliwość zegara wzrosła (około 3 GHz), liczba tranzystorów wzrosła (prawie dwukrotnie), a wydzielanie ciepła znacznie się zmniejszyło. W ciągu najbliższych kilku lat firma Intel planuje przejść na 32-nanometrowe, a następnie na 22-nanometrową technologię wytwarzania procesorów.

Przydatny kurz

Jednym z najbardziej popularnych rodzajów nanoproduktów są najdrobniejsze proszki. Szlifowanie substancji do nanocząsteczek o wymiarach dziesiątek lub setek nanometrów często daje im nowe, przydatne cechy. Fakt, że takie nanocząstki składa się z zaledwie kilku tysięcy lub milion atomów, więc są one blisko powierzchni, na granicy ze światem zewnętrznym, a także aktywnie współpracować z nim. Całkowita powierzchnia cząstek w takim nanoproszku staje się ogromna.

Na przykład srebro w postaci nanocząstek staje się wyjątkowo niszczycielskie dla bakterii – właściwość tę z powodzeniem stosuje się w nowoczesnych opatrunkach do gojenia ran, a także w tkankach przeciwdrobnoustrojowych. Zużyty nanoproszek do opon, dodawany do surowców asfaltowych, sprawia, że ​​nawierzchnia drogi jest wyjątkowo odporna na zużycie.W ostatnich latach nanoproszki z gliny zostały aktywnie wykorzystane w izolacyjnych powłokach kabli energetycznych – ta izolacja pali się bardzo słabo i jest bardzo dobra dla bezpieczeństwa budynków. Nanocząsteczki dwutlenku tytanu (podstawy wszystkich znanych białek tytanu) są bardzo skutecznym fotokatalizatorem i są stosowane jako aktywny składnik w filtrach domowych oczyszczaczy powietrza. Nanocząstki platyny są wykorzystywane w katalitycznych dopalaczach nowoczesnych samochodów w celu ograniczenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery.

Nano leki

Niestety, medyczny nanorobot (nanobot), którego opis jest tak popularny w literaturze popularnej, jest fantastyczny. To jednak nie umniejsza sukcesu nanotechnologii we współczesnej medycynie. Jednym z głównych obszarów prac są nanokapsuły do ​​ukierunkowanego dostarczania leków. Ta metoda pozwala pracować tylko na dotkniętych komórkach bez uszkadzania zdrowych. Idea ta została sformułowana już na początku XX wieku przez niemieckiego lekarza Paula Ehrlicha i została przez niego nazwana "magiczną kulą" – ale tylko nanotechnologie (na przykład umieszczenie substancji czynnej w kapsułce liposomowej) umożliwiły to.Preparaty tego typu (liposomalne) do leczenia pewnych postaci raka i infekcji grzybiczych, hepatoprotektorów, a nawet szczepionek przeciwko grypie są dostępne w handlu od połowy lat 90.


Like this post? Please share to your friends:

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