Robôs do tamanho de moléculas: para que a nanotecnologia está nos preparando?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Desenvolvimentos modernos no campo da nanotecnologia no futuro permitirão a criação de robôs tão pequenos que podem ser lançados na corrente sanguínea humana. As "partes" de tal robô serão unidimensionais e quanto menores, mais forte. Dmitry Kvashnin, pesquisador sênior do Instituto de Química Bioorgânica da Academia Russa de Ciências, que se dedica à ciência dos materiais teóricos (experimentos de computador no campo da nanotecnologia), falou sobre os paradoxos do nanomundo. T&P escreveu a coisa principal.

Dmitry Kvashnin

O que é nanotecnologia

Usando nanotecnologia, gostaríamos de criar robôs que possam ser enviados ao espaço ou incorporados em vasos sanguíneos, de modo que entreguem drogas às células, ajudem os glóbulos vermelhos a se moverem na direção certa, etc. Uma engrenagem em tais robôs consiste em uma dúzia partes. Um detalhe é um átomo. Uma engrenagem tem dez átomos, 10-9 metros, ou seja, um nanômetro. Um robô inteiro tem alguns nanômetros.

O que é 10-9? Como apresentar? Para efeito de comparação, um cabelo humano comum tem cerca de 10-5 metros de tamanho. As células vermelhas do sangue, as células sanguíneas que fornecem oxigênio ao nosso corpo, têm cerca de sete mícrons de tamanho, ou seja, cerca de 10-5 metros. Em que ponto termina o nano e começa o nosso mundo? Quando podemos ver um objeto a olho nu.

Tridimensional, bidimensional, unidimensional

O que é tridimensional, bidimensional e unidimensional e como elas afetam os materiais e suas propriedades em nanotecnologia? Todos nós sabemos que o 3D tem três dimensões. Há um filme comum e outro em 3D, onde todos os tipos de tubarões voam para fora da tela em nossa direção. Em um sentido matemático, 3D se parece com isto: y = f (x, y, z), onde y depende de três dimensões - comprimento, largura e altura. Familiar a todos os Mario em três dimensões é bastante alto, largo e rechonchudo.

Ao mudar para bidimensional, um eixo desaparecerá: y = f (x, y). Tudo é muito mais simples aqui: Mario é tão alto e largo, mas não gordo, porque ninguém pode ser gordo ou magro em duas dimensões.

Se continuarmos a diminuir, então em uma dimensão tudo se tornará bastante simples, haverá apenas um eixo restante: y = f (x). Mario em 1D é apenas longo - não o reconhecemos, mas ainda é ele.

De três dimensões - em duas dimensões

O material mais comum em nosso mundo é o carbono. Ele pode formar duas substâncias completamente diferentes - diamante, o material mais durável da Terra, e grafite, e a grafite pode se tornar um diamante simplesmente por meio de alta pressão. Se mesmo em nosso mundo um elemento pode criar materiais radicalmente diferentes com propriedades opostas, o que acontecerá no nanomundo?

O grafite é conhecido principalmente como grafite de lápis. O tamanho da ponta de um lápis é cerca de um milímetro, ou seja, 10-3 metros. Qual é a aparência de um nano lead? É simplesmente uma coleção de camadas de átomos de carbono formando uma estrutura em camadas. Parece uma pilha de papel.

Quando escrevemos com um lápis, um traço permanece no papel. Se fizermos uma analogia com uma pilha de papel, é como se estivéssemos puxando um pedaço de papel dela. A fina camada de grafite que permanece no papel é 2D e tem apenas um átomo de espessura. Para que um objeto seja considerado bidimensional, sua espessura deve ser muitas (pelo menos dez) vezes menor que sua largura e comprimento.

Mas há um porém. Na década de 1930, Lev Landau e Rudolf Peierls provaram que os cristais bidimensionais são instáveis e colapsam devido a flutuações térmicas (desvios aleatórios de quantidades físicas de seus valores médios devido ao movimento térmico caótico das partículas. - Aprox. T&P). Acontece que o material plano bidimensional não pode existir por razões termodinâmicas. Ou seja, parece que não podemos criar nano em 2D. Porém, não! Konstantin Novoselov e Andrey Geim sintetizaram o grafeno. O grafeno em nano não é plano, mas ligeiramente ondulado e, portanto, estável.

Se em nosso mundo tridimensional tirarmos uma folha de papel de uma pilha de papel, então o papel permanecerá papel, suas propriedades não mudarão. Se uma camada de grafite for removida do nanomundo, o grafeno resultante terá propriedades únicas que não são nada como aquelas que têm seu grafite "progenitor". O grafeno é transparente, leve, 100 vezes mais forte que o aço, excelente termelétrico e condutor elétrico. Ele está sendo amplamente pesquisado e já está se tornando a base para transistores.

Hoje, quando todos entendem que os materiais bidimensionais podem, em princípio, existir, aparecem teorias de que novas entidades podem ser obtidas a partir do silício, boro, molibdênio, tungstênio, etc.

E mais - em uma dimensão

O grafeno em 2D tem largura e comprimento. Como fazer 1D disso e o que acontecerá no final? Um método é cortá-lo em tiras finas. Se sua largura for reduzida ao máximo possível, não serão mais apenas fitas, mas outro nano-objeto único - carbyne. Foi descoberto por cientistas soviéticos (químicos Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin e V. V. Korshak. - nota T&P) na década de 1960.

A segunda maneira de fazer um objeto unidimensional é enrolar o grafeno em um tubo, como um tapete. A espessura desse tubo será muito menor do que seu comprimento. Se o papel for enrolado ou cortado em tiras, ele permanecerá como papel. Se o grafeno for enrolado em um tubo, ele se transforma em uma nova forma de carbono - um nanotubo, que possui uma série de propriedades únicas.

Propriedades interessantes de nanoobjetos

A condutividade elétrica é o quão bem ou mal um material conduz uma corrente elétrica. Em nosso mundo, ele é descrito por um número para cada material e não depende de sua forma. Não importa se você faz um cilindro de prata, cubo ou bola - sua condutividade será sempre a mesma.

Tudo é diferente no nanomundo. Mudanças no diâmetro dos nanotubos afetarão sua condutividade. Se a diferença n - m (onde n e m são alguns índices que descrevem o diâmetro do tubo) for dividida por três, então os nanotubos conduzem corrente. Se não for dividido, não será executado.

O módulo de Young é outra propriedade interessante que se manifesta quando uma haste ou galho é dobrado. O módulo de Young mostra quão fortemente um material resiste à deformação e tensão. Por exemplo, para o alumínio, esse indicador é duas vezes menor que o do ferro, ou seja, resiste duas vezes mais. Novamente, uma bola de alumínio não pode ser mais forte do que um cubo de alumínio. Tamanho e forma não importam.

No nanomundo, a imagem é novamente diferente: quanto mais fino o nanofio, maior seu módulo de Young. Se em nosso mundo queremos tirar algo do mezanino, então escolheremos uma cadeira mais forte para que ela nos aguente. No nanomundo, embora não seja tão óbvio, teremos que preferir a cadeira menor porque é mais forte.

Se forem feitos furos em algum material em nosso mundo, ele deixará de ser forte. No nanomundo, o oposto é verdadeiro. Se você fizer muitos orifícios no grafeno, ele se tornará duas vezes e meia mais forte do que o grafeno sem defeito. Quando fazemos furos no papel, sua essência não muda. E quando fazemos buracos no grafeno, removemos um átomo, devido ao qual um novo efeito local aparece. Os átomos restantes formam uma nova estrutura quimicamente mais forte do que as regiões intactas deste grafeno.

Aplicação prática da nanotecnologia

O grafeno tem propriedades únicas, mas como aplicá-las em uma determinada área ainda é uma questão. Agora é usado em protótipos de transistores de elétron único (transmitindo um sinal de exatamente um elétron). Acredita-se que, no futuro, o grafeno de duas camadas com nanoporos (orifícios não em um átomo, mas em mais) pode se tornar um material ideal para a purificação seletiva de gases ou líquidos. Para usar o grafeno na mecânica, precisamos de grandes áreas de material sem defeitos, mas essa produção é extremamente difícil tecnologicamente.

Do ponto de vista biológico, também surge um problema com o grafeno: uma vez que entra no corpo, envenena tudo. Embora na medicina, o grafeno possa ser usado como um sensor para moléculas de DNA “ruins” (mutação com outro elemento químico, etc.). Para fazer isso, dois eletrodos são fixados nele e o DNA é passado por seus poros - ele reage a cada molécula de uma maneira especial.

Panelas, bicicletas, capacetes e palmilhas com adição de grafeno já são produzidos na Europa. Uma empresa finlandesa fabrica componentes para carros, principalmente para carros Tesla, nos quais botões, partes do painel e telas são feitos de nanotubos bastante grossos. Esses produtos são duráveis e leves.

O campo da nanotecnologia é difícil para a pesquisa, tanto do ponto de vista de experimentos quanto do ponto de vista da modelagem numérica. Todas as questões fundamentais que exigem pouca energia do computador já foram resolvidas. Hoje, a principal limitação da pesquisa é a potência insuficiente dos supercomputadores.