Penaklukan alam oleh manusia belum berakhir. Bagaimanapun, kami belum menangkap dunia nano dan menetapkan aturan kami sendiri di dalamnya. Mari kita lihat apa itu dan peluang apa yang diberikan dunia benda yang diukur dalam nanometer kepada kita.
Apa itu "nano"?
Alkisah prestasi mikroelektronika terdengar. Kita sekarang telah memasuki era baru nanoteknologi. Jadi apa itu "nano", yang di sana-sini mulai ditambahkan ke kata-kata biasa, memberi mereka suara modern baru: robot-nano, mesin-nano, radio-nano, dan seterusnya? Awalan "nano" digunakan dalam Sistem Satuan Internasional (SI). Ini digunakan untuk membentuk notasi untuk unit desimal. Ini adalah satu miliar unit aslinya. Dalam hal ini, kita berbicara tentang objek yang dimensinya ditentukan dalam nanometer. Ini berarti satu nanometer sama dengan satu miliar meter. Sebagai perbandingan, satu mikron (alias mikrometer yang memberi nama pada mikroelektronika, dan selain itu, mikrobiologi, bedah mikro, dll.) Adalah sepersejuta meter.
Jika kita mengambil milimeter sebagai contoh (awalan "mili-" adalah seperseribu), maka dalam milimeter ada 1.000.000 nanometer (nm) dan, karenanya, 1.000 mikrometer (μm). Rambut manusia memiliki ketebalan rata-rata 0,05–0,07 mm, yaitu 50.000–70.000 nm. Meskipun diameter rambut dapat ditulis dalam nanometer, ia jauh dari dunia nano. Mari masuk lebih dalam dan lihat apa yang sudah ada di sana sekarang.
Ukuran rata-rata bakteri adalah 0,5–5 µm (500–5000 nm). Virus, salah satu musuh utama bakteri, bahkan berukuran lebih kecil. Diameter rata-rata sebagian besar virus yang diteliti adalah 20-300 nm (0,02–0,3 µm). Namun heliks DNA memiliki diameter 1,8-2,3 nm. Dipercaya bahwa atom terkecil adalah atom helium, jari-jarinya 32 pm (0,032 nm), dan yang terbesar adalah caesium 225 pm (0,255 nm). Secara umum, objek nano dianggap sebagai objek yang ukurannya setidaknya dalam satu dimensi dalam skala nano (1–100 nm).
Bisakah Anda melihat nanoworld?
Video promosi:
Tentu saja, saya ingin melihat semua yang dikatakan dengan mata kepala sendiri. Setidaknya melalui lensa mata dari mikroskop optik. Apakah mungkin untuk melihat ke dalam nanoworld? Cara yang biasa, seperti yang kita amati, misalnya, mikroba, tidak mungkin dilakukan. Mengapa? Karena cahaya, dengan derajat konvensi tertentu, bisa disebut gelombang nano. Panjang gelombang warna violet, dari mana kisaran terlihat dimulai, adalah 380–440 nm. Panjang gelombang warna merah adalah 620-740 nm. Radiasi yang terlihat memiliki panjang gelombang ratusan nanometer. Dalam hal ini, resolusi mikroskop optik konvensional dibatasi oleh batas difraksi Abbe pada sekitar setengah panjang gelombang. Sebagian besar objek yang menarik bagi kami bahkan lebih kecil.
Oleh karena itu, langkah pertama menuju penetrasi ke dalam nanoworld adalah penemuan mikroskop elektron transmisi. Selain itu, mikroskop semacam itu pertama kali dibuat oleh Max Knoll dan Ernst Ruska pada tahun 1931. Pada tahun 1986, Hadiah Nobel Fisika dianugerahkan untuk penemuannya. Prinsip operasinya sama dengan mikroskop optik konvensional. Hanya alih-alih cahaya, aliran elektron diarahkan ke objek yang diinginkan, yang difokuskan oleh lensa magnet. Jika mikroskop optik memberikan peningkatan sekitar seribu kali lipat, maka mikroskop elektron sudah jutaan kali lipat. Tetapi itu juga memiliki kekurangan. Pertama, perlu untuk mendapatkan sampel bahan yang cukup tipis untuk pekerjaan. Mereka harus transparan dalam berkas elektron, sehingga ketebalannya bervariasi dalam kisaran 20-200 nm. Kedua, ini benarbahwa sampel di bawah pengaruh berkas elektron dapat terurai dan menjadi tidak dapat digunakan.
Versi lain dari mikroskop aliran elektron adalah mikroskop elektron scanning. Itu tidak bersinar melalui sampel, seperti yang sebelumnya, tetapi memindai dengan berkas elektron. Ini memungkinkan sampel yang lebih tebal untuk diperiksa. Pemrosesan sampel yang dianalisis dengan berkas elektron menghasilkan elektron sekunder dan elektron yang dipantulkan kembali, terlihat (cathodoluminescence) dan sinar-X, yang ditangkap oleh detektor khusus. Berdasarkan data yang diterima, terbentuklah ide tentang objek tersebut. Pemindaian mikroskop elektron pertama kali muncul pada awal 1960-an.
Mikroskop probe pemindaian adalah kelas mikroskop yang relatif baru yang sudah muncul di tahun 80-an. Penghargaan Nobel Fisika 1986 yang telah disebutkan dibagi antara penemu mikroskop elektron transmisi Ernst Ruska dan pencipta mikroskop penerowongan pemindai Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer. Mikroskop pemindai memungkinkan untuk tidak memeriksa, tetapi untuk "merasakan" relief permukaan sampel. Data yang dihasilkan kemudian diubah menjadi sebuah gambar. Berbeda dengan mikroskop elektron pemindaian, probe menggunakan jarum pemindai yang tajam untuk pengoperasiannya. Jarum, yang ujungnya hanya memiliki ketebalan beberapa atom, bertindak sebagai probe, yang dibawa ke jarak minimum 0,1 nm ke sampel. Selama pemindaian, jarum bergerak di atas permukaan sampel. Arus tunneling muncul antara ujung dan permukaan sampel,dan nilainya tergantung pada jarak di antara mereka. Perubahan dicatat, yang memungkinkan membangun peta ketinggian berdasarkan mereka - representasi grafis dari permukaan objek.
Prinsip operasi yang serupa digunakan oleh mikroskop lain dari kelas mikroskop probe pemindaian - gaya atom. Ada juga ujung probe, dan hasil yang serupa - representasi grafis dari relief permukaan. Tetapi bukan besarnya arus yang diukur, tetapi interaksi gaya antara permukaan dan probe. Pertama-tama yang dimaksud gaya van der Waals, tetapi juga gaya elastik, gaya kapiler, gaya adhesi, dan lain-lain. Tidak seperti mikroskop penerowongan pemindaian, yang hanya dapat digunakan untuk mempelajari logam dan semikonduktor, mikroskop gaya atom juga memungkinkan studi dielektrik. Tapi ini bukan satu-satunya keuntungan. Hal ini memungkinkan tidak hanya untuk melihat ke dalam nanoworld, tetapi juga untuk memanipulasi atom.
Molekul Pentacene. A adalah model molekul. B - gambar yang diperoleh dengan mikroskop penerowongan pemindaian. C - gambar yang diperoleh dengan mikroskop gaya atom. D - beberapa molekul (AFM). A, B dan C pada skala yang sama
Foto: Sains
Mesin nano
Di alam, pada skala nano, yaitu pada tingkat atom dan molekul, banyak proses terjadi. Kami sekarang dapat, tentu saja, juga mempengaruhi bagaimana mereka melanjutkan. Tapi kami melakukannya hampir secara membabi buta. Mesin nano adalah instrumen yang ditargetkan untuk bekerja di dunia nano; mereka adalah perangkat yang memungkinkan seseorang untuk memanipulasi atom dan molekul tunggal. Sampai saat ini, hanya alam yang dapat menciptakan dan mengendalikannya. Kita selangkah lagi dari hari dimana kita bisa melakukannya juga.
Mesin nano
Foto: warosu.org
Apa yang bisa dilakukan mesin nano? Ambil contoh kimiawi. Sintesis senyawa kimia didasarkan pada fakta bahwa kita menciptakan kondisi yang diperlukan untuk melanjutkan reaksi kimia. Akibatnya, kita memiliki zat tertentu pada keluarannya. Di masa depan, senyawa kimia dapat dibuat, secara relatif, secara mekanis. Mesin nano akan dapat menghubungkan dan memisahkan atom dan molekul individu. Akibatnya ikatan kimia akan terbentuk atau sebaliknya ikatan yang ada akan putus. Membangun mesin nano akan dapat membuat struktur molekul yang kita butuhkan dari atom. Nanorobots kimiawi - mensintesis senyawa kimia. Ini adalah terobosan dalam kreasi material dengan properti yang diinginkan. Pada saat yang sama, ini merupakan terobosan dalam perlindungan lingkungan. Mudah untuk mengasumsikan bahwa mesin nano adalah alat yang sangat baik untuk mendaur ulang limbah,yang dalam kondisi normal sulit untuk dibuang. Apalagi jika kita berbicara tentang nanomaterial. Bagaimanapun, kemajuan teknis lebih lanjut, semakin sulit bagi lingkungan untuk mengatasi hasilnya. Terlalu lama, penguraian materi baru yang ditemukan manusia terjadi di lingkungan alam. Semua orang tahu berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menguraikan kantong plastik bekas - produk dari revolusi ilmu pengetahuan dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan terjadi dengan nanomaterial, yang cepat atau lambat berubah menjadi sampah? Mesin nano yang sama harus melakukan pemrosesannya.berapa lama kantong plastik yang dibuang untuk membusuk - produk dari revolusi ilmiah dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan terjadi dengan nanomaterial, yang cepat atau lambat berubah menjadi sampah? Mesin nano yang sama harus melakukan pemrosesannya.berapa lama kantong plastik yang dibuang untuk membusuk - produk dari revolusi ilmiah dan teknologi sebelumnya. Apa yang akan terjadi dengan nanomaterial, yang cepat atau lambat berubah menjadi sampah? Mesin nano yang sama harus melakukan pemrosesannya.
Mesin nano roda Fullerene
Foto: warosu.org
Ilmuwan telah berbicara tentang mekanosintesis sejak lama. Ini adalah sintesis kimia yang terjadi melalui sistem mekanis. Keunggulannya terlihat pada fakta bahwa ia akan memungkinkan penempatan reaktan dengan tingkat akurasi yang tinggi. Namun sejauh ini tidak ada alat yang memungkinkan untuk mengimplementasikannya secara efektif. Tentu saja, mikroskop gaya atom yang ada saat ini dapat bertindak sebagai instrumen semacam itu. Ya, mereka tidak hanya memungkinkan untuk melihat ke dalam nanoworld, tetapi juga untuk beroperasi dengan atom. Tetapi mereka, sebagai objek makrokosmos, tidak paling cocok untuk aplikasi teknologi massal, yang tidak bisa dikatakan tentang mesin nano. Di masa depan, mereka akan digunakan untuk membuat seluruh konveyor molekuler dan nanofaktori.
Tapi sekarang ada seluruh nanofaktori biologis. Mereka ada di dalam kita dan di semua organisme hidup. Oleh karena itu, diharapkan ada terobosan di bidang kedokteran, bioteknologi dan genetika dari nanoteknologi. Dengan membuat mesin nano buatan dan memasukkannya ke dalam sel hidup, kami dapat mencapai hasil yang mengesankan. Pertama, mesin nano dapat digunakan untuk pengangkutan obat yang ditargetkan ke organ yang diinginkan. Kita tidak perlu minum obat, sadar bahwa hanya sebagian yang akan masuk ke organ yang sakit. Kedua, mesin nano sudah mengambil alih fungsi pengeditan genom. Teknologi CRISPR / Cas9, yang dilihat dari alam, memungkinkan Anda membuat perubahan dalam genom organisme uniseluler dan yang lebih tinggi, termasuk manusia. Selain itu, kita berbicara tidak hanya tentang mengedit genom embrio, tetapi juga genom organisme dewasa yang masih hidup. Dan mesin nano akan melakukan semua ini.
Nanoradio
Jika mesin nano adalah instrumen kita di dunia nano, maka mereka perlu dikontrol. Namun, tidak perlu menemukan sesuatu yang baru secara fundamental di sini. Salah satu metode kontrol yang paling mungkin adalah radio. Langkah pertama ke arah ini telah diambil. Ilmuwan di Lawrence Berkeley National Laboratory, dipimpin oleh Alex Zettle, telah menciptakan penerima radio hanya dari satu tabung nano berdiameter sekitar 10 nm. Selain itu, tabung nano bertindak secara bersamaan sebagai antena, selektor, penguat, dan demodulator. Penerima nanoradio dapat menerima gelombang FM dan AM dengan frekuensi 40 hingga 400 MHz. Menurut pengembangnya, perangkat tersebut tidak hanya dapat digunakan untuk menerima sinyal radio, tetapi juga untuk mentransmisikannya.
Gelombang radio yang diterima membuat antena radio nano bergetar
nsf.gov
Musik oleh Eric Clapton dan Beach Boys berfungsi sebagai sinyal ujian. Para ilmuwan mengirimkan sinyal dari satu bagian ruangan ke bagian lain, di mana radio yang mereka buat berada. Ternyata kualitas sinyalnya cukup bagus. Tapi, tentu saja, tujuan dari radio semacam itu bukanlah untuk mendengarkan musik. Penerima radio dapat diterapkan di berbagai layanan nano. Misalnya, dalam robot nano yang sama mengirimkan obat yang akan menuju ke organ yang diinginkan melalui aliran darah.
Nanomaterials
Penciptaan material dengan properti yang sebelumnya tak terbayangkan adalah peluang lain yang ditawarkan nanoteknologi kepada kita. Untuk dianggap sebagai "nano", suatu material harus memiliki satu atau beberapa dimensi dalam skala nano. Bisa dibuat dengan menggunakan nanopartikel atau melalui nanoteknologi. Klasifikasi nanomaterial yang paling sesuai saat ini adalah menurut dimensi elemen struktural penyusunnya.
Dimensi-nol (0D) - nanoclusters, nanocrystals, nanodispersions, quantum dots. Tidak ada sisi dari nanomaterial 0D yang melampaui skala nano. Ini adalah bahan di mana nanopartikel diisolasi satu sama lain. Struktur nol-dimensi kompleks pertama yang diperoleh dan diterapkan dalam praktik adalah fullerene. Fullerene adalah antioksidan terkuat yang dikenal saat ini. Dalam farmakologi, harapan akan terciptanya obat baru disematkan padanya. Derivatif fullerene menunjukkan kemampuannya dengan baik dalam pengobatan HIV. Dan saat membuat mesin nano, fullerene dapat digunakan sebagai bagian. Mesin nano dengan roda fullerene ditunjukkan di atas.
Fullerene
Foto: wikipedia.org
Satu dimensi (1D) - tabung nano, serat dan batang. Panjangnya berkisar dari 100 nm hingga puluhan mikrometer, tetapi diameternya termasuk dalam skala nano. Bahan satu dimensi yang paling terkenal saat ini adalah tabung nano. Mereka memiliki sifat listrik, optik, mekanik dan magnet yang unik. Dalam waktu dekat, nanotube harus diterapkan dalam elektronika molekuler, biomedis, dan dalam pembuatan material komposit super-kuat dan ultra-ringan. Nanotube sudah digunakan sebagai jarum dalam scanning tunneling dan mikroskop gaya atom. Di atas, kami berbicara tentang pembuatan radio nano berdasarkan tabung nano. Dan, tentunya harapan disematkan pada carbon nanotubes sebagai material kabel elevator ruang angkasa.
Tabung nano karbon
Foto: wikipedia.org
Dua dimensi (2D) - film (pelapis) dengan ketebalan nanometer. Ini adalah graphene yang terkenal - modifikasi alotropik dua dimensi dari karbon (graphene dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk 2010). Yang kurang dikenal publik adalah silicene - modifikasi silikon dua dimensi, fosfor - fosfor, germanene - germanium. Tahun lalu, para ilmuwan menciptakan borofen, yang, tidak seperti bahan dua dimensi lainnya, ternyata tidak datar, tetapi bergelombang. Susunan atom boron dalam bentuk struktur bergelombang memberikan sifat unik dari nanomaterial yang diperoleh. Borofen mengklaim sebagai pemimpin dalam kekuatan tarik di antara material dua dimensi.
Struktur borofen
Foto: MIPT
Bahan dua dimensi harus diterapkan dalam elektronik, dalam desain filter untuk desalinasi air laut (membran graphene) dan pembuatan sel surya. Dalam waktu dekat, graphene dapat menggantikan indium oksida - logam langka dan mahal - dalam produksi layar sentuh.
Nanomaterial tiga dimensi (3D) adalah material serbuk, berserat, multilayer, dan polikristalin, di mana nanomaterial satu dimensi, satu dimensi, dan dua dimensi di atas merupakan elemen struktural. Berpegang erat satu sama lain, mereka membentuk antarmuka di antara mereka - antarmuka.
Jenis material nano
Foto: thesaurus.rusnano.com
Sedikit lebih banyak waktu akan berlalu dan nanoteknologi - teknologi untuk memanipulasi objek berskala nano akan menjadi hal biasa. Sama seperti teknologi mikroelektronika yang telah menjadi akrab, memberi kita komputer, telepon seluler, satelit, dan banyak atribut lain dari era informasi modern. Tapi dampak nanoteknologi pada kehidupan akan jauh lebih luas. Perubahan menunggu kita di hampir semua bidang aktivitas manusia.
Sergey Sobol
