A conquista da natureza pelo homem ainda não terminou. Em qualquer caso, ainda não capturamos o nano-mundo e estabelecemos nossas próprias regras nele. Vamos ver o que é e quais oportunidades o mundo dos objetos medidos em nanômetros nos oferece.
O que é "nano"?
Era uma vez ouvidas as conquistas da microeletrônica. Agora entramos em uma nova era da nanotecnologia. Então o que é esse "nano", que aqui e ali começou a ser adicionado às palavras usuais, dando-lhes um novo som moderno: nanorrobôs, nanomáquinas, nanoradio e assim por diante? O prefixo "nano" é usado no Sistema Internacional de Unidades (SI). É usado para formar a notação de unidades decimais. Este é um bilionésimo da unidade original. Nesse caso, estamos falando de objetos cujas dimensões são determinadas em nanômetros. Isso significa que um nanômetro é um bilionésimo de um metro. Para efeito de comparação, um mícron (também conhecido como micrômetro que deu o nome à microeletrônica e, além disso, microbiologia, microcirurgia, etc.) é um milionésimo de metro.
Se tomarmos os milímetros como exemplo (o prefixo "milli" é um milésimo), então em um milímetro existem 1.000.000 nanômetros (nm) e, portanto, 1.000 micrômetros (μm). O cabelo humano tem uma espessura média de 0,05–0,07 mm, ou seja, 50.000–70.000 nm. Embora o diâmetro do cabelo possa ser escrito em nanômetros, isso está longe de ser um nanomundo. Vamos nos aprofundar e ver o que já existe agora.
O tamanho médio das bactérias é de 0,5–5 µm (500–5000 nm). Os vírus, um dos principais inimigos das bactérias, são ainda menores. O diâmetro médio da maioria dos vírus estudados é de 20–300 nm (0,02–0,3 μm). Mas a hélice de DNA tem um diâmetro de 1,8-2,3 nm. Acredita-se que o menor átomo seja um átomo de hélio, seu raio seja 32 pm (0,032 nm), e o maior seja césio 225 pm (0,255 nm). Em geral, um nanoobjeto é considerado um objeto cujo tamanho em pelo menos uma dimensão está na nanoescala (1–100 nm).
Você pode ver o nanomundo?
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Claro, eu quero ver tudo o que é dito com meus próprios olhos. Bem, pelo menos através da ocular de um microscópio óptico. É possível olhar para o nanomundo? A maneira usual, como observamos, por exemplo, micróbios, é impossível. Por quê? Porque a luz, com algum grau de convenção, pode ser chamada de nano-ondas. O comprimento de onda da cor violeta, a partir do qual começa a faixa visível, é 380–440 nm. O comprimento de onda da cor vermelha é 620-740 nm. A radiação visível tem comprimentos de onda de centenas de nanômetros. Neste caso, a resolução dos microscópios ópticos convencionais é limitada pelo limite de difração de Abbe em cerca de metade do comprimento de onda. A maioria dos objetos de interesse para nós é ainda menor.
Portanto, o primeiro passo para a penetração no nanomundo foi a invenção do microscópio eletrônico de transmissão. Além disso, o primeiro microscópio foi criado por Max Knoll e Ernst Ruska em 1931. Em 1986, o Prêmio Nobel de Física foi concedido por sua invenção. O princípio de operação é o mesmo de um microscópio óptico convencional. Só que em vez de luz, um fluxo de elétrons é direcionado ao objeto de interesse, que é focalizado por lentes magnéticas. Se um microscópio óptico deu um aumento de cerca de mil vezes, então um microscópio eletrônico já deu milhões de vezes. Mas também tem suas desvantagens. Primeiro, é necessário obter amostras suficientemente finas de materiais para o trabalho. Eles devem ser transparentes em um feixe de elétrons, então sua espessura varia na faixa de 20–200 nm. Em segundo lugar, éque a amostra sob a influência de feixes de elétrons pode se decompor e se tornar inutilizável.
Outra variante do microscópio de feixe de elétrons é o microscópio eletrônico de varredura. Ele não brilha através da amostra, como o anterior, mas a examina com um feixe de elétrons. Isso permite que amostras mais espessas sejam examinadas. O processamento da amostra analisada com feixe de elétrons gera elétrons secundários e retro-refletidos, visíveis (catodoluminescência) e raios-X, que são captados por detectores especiais. A partir dos dados recebidos, forma-se uma ideia do objeto. Os primeiros microscópios eletrônicos de varredura surgiram no início dos anos 1960.
Os microscópios de varredura são uma classe relativamente nova de microscópios que já apareceu na década de 80. O já mencionado Prêmio Nobel de Física de 1986 foi dividido entre o inventor do microscópio eletrônico de transmissão Ernst Ruska e os criadores do microscópio de tunelamento de varredura Gerd Binnig e Heinrich Rohrer. Os microscópios de varredura permitem não examinar, mas "sentir" o relevo da superfície da amostra. Os dados resultantes são então convertidos em uma imagem. Ao contrário do microscópio eletrônico de varredura, a sonda usa uma agulha de varredura afiada para a operação. A agulha, cuja ponta tem apenas alguns átomos de espessura, atua como uma sonda, que é trazida à distância mínima até a amostra - 0,1 nm. Durante a varredura, a agulha se move sobre a superfície da amostra. Uma corrente de tunelamento surge entre a ponta e a superfície da amostra,e seu valor depende da distância entre eles. As alterações são registradas, o que permite construir um mapa de altura a partir delas - uma representação gráfica da superfície do objeto.
Um princípio de operação semelhante é usado por outro microscópio da classe de microscópios de sonda de varredura - força atômica. Há também uma ponta de prova e um resultado semelhante - uma representação gráfica do relevo da superfície. Mas não é a magnitude da corrente que é medida, mas a interação de força entre a superfície e a sonda. Em primeiro lugar, se referem às forças de van der Waals, mas também às forças elásticas, capilares, de adesão e outras. Ao contrário do microscópio de tunelamento de varredura, que só pode ser usado para estudar metais e semicondutores, o microscópio de força atômica também permite o estudo de dielétricos. Mas essa não é a única vantagem. Ele permite não apenas olhar para o nanomundo, mas também manipular átomos.
Molécula de pentaceno. A é o modelo de uma molécula. B - imagem obtida em microscópio de tunelamento de varredura. C - imagem obtida em microscópio de força atômica. D - várias moléculas (AFM). A, B e C na mesma escala
Foto: Ciência
Nanomáquinas
Na natureza, em nanoescala, ou seja, no nível de átomos e moléculas, muitos processos ocorrem. Podemos, é claro, ainda influenciar como eles procedem. Mas fazemos isso quase às cegas. Nanomáquinas são um instrumento direcionado para trabalhar no nanomundo; são dispositivos que permitem a manipulação de átomos e moléculas individuais. Até recentemente, apenas a natureza poderia criá-los e controlá-los. Estamos a um passo do dia em que também podemos fazer isso.
Nanomáquinas
Foto: warosu.org
O que as nanomáquinas podem fazer? Veja a química, por exemplo. A síntese de compostos químicos se baseia no fato de que criamos as condições necessárias para que uma reação química prossiga. Como resultado, temos uma certa substância na saída. No futuro, os compostos químicos podem ser criados, relativamente falando, mecanicamente. Nanomáquinas serão capazes de conectar e separar átomos e moléculas individuais. Como resultado, ligações químicas serão formadas ou, inversamente, ligações existentes serão quebradas. A construção de nanomáquinas será capaz de criar as estruturas moleculares de que precisamos a partir dos átomos. Nanorrobôs químicos - sintetizam compostos químicos. Este é um avanço na criação de materiais com as propriedades desejadas. Ao mesmo tempo, é um avanço na proteção ambiental. É fácil assumir que as nanomáquinas são uma excelente ferramenta para reciclar resíduos,que em condições normais são difíceis de eliminar. Especialmente se falamos de nanomateriais. Afinal, quanto mais avança o progresso técnico, mais difícil é para o ambiente lidar com seus resultados. Por muito tempo, a decomposição de novos materiais inventados pelo homem ocorre no ambiente natural. Todo mundo sabe quanto tempo leva para se decompor as sacolas plásticas descartadas - produto da revolução científica e tecnológica anterior. O que acontecerá com os nanomateriais, que mais cedo ou mais tarde acabarão sendo lixo? As mesmas nanomáquinas terão que fazer seu processamento.quanto tempo as sacolas plásticas descartadas levam para se decompor - um produto de uma revolução científica e tecnológica anterior. O que acontecerá com os nanomateriais, que mais cedo ou mais tarde acabarão sendo lixo? As mesmas nanomáquinas terão que fazer seu processamento.quanto tempo leva para se decompor sacolas plásticas descartadas - produto de uma revolução científica e tecnológica anterior. O que acontecerá com os nanomateriais, que mais cedo ou mais tarde acabarão sendo lixo? As mesmas nanomáquinas terão que fazer seu processamento.
Nanomáquina de roda Fulereno
Foto: warosu.org
Os cientistas falam sobre mecanossíntese há muito tempo. É uma síntese química que ocorre por meio de sistemas mecânicos. Sua vantagem está no fato de permitir o posicionamento de reagentes com alto grau de precisão. Mas até agora não existe uma ferramenta que permita implementá-lo de forma eficaz. Claro, os microscópios de força atômica existentes hoje podem atuar como tais instrumentos. Sim, eles permitem não apenas olhar para o nanomundo, mas também operar com átomos. Mas, como objetos do macrocosmo, não são os mais adequados para a aplicação em massa da tecnologia, o que não pode ser dito sobre as nanomáquinas. No futuro, eles serão usados para criar transportadores moleculares inteiros e nanofábricas.
Mas já existem nanofábricas biológicas inteiras. Eles existem em nós e em todos os organismos vivos. É por isso que avanços na medicina, biotecnologia e genética são esperados da nanotecnologia. Ao criar nanomáquinas artificiais e introduzi-las em células vivas, podemos alcançar resultados impressionantes. Primeiro, as nanomáquinas podem ser usadas para o transporte direcionado de drogas ao órgão desejado. Não precisamos tomar remédios, sabendo que apenas uma parte chegará ao órgão doente. Em segundo lugar, as nanomáquinas já estão assumindo as funções de edição do genoma. A tecnologia CRISPR / Cas9, espiada da natureza, permite que você faça mudanças no genoma de organismos unicelulares e superiores, incluindo humanos. E estamos falando não apenas sobre a edição do genoma de embriões, mas também do genoma de organismos adultos vivos. E as nanomáquinas farão tudo isso.
Nanoradio
Se as nanomáquinas são nosso instrumento no nanomundo, de alguma forma elas precisam ser controladas. No entanto, também não há necessidade de inventar algo fundamentalmente novo aqui. Um dos métodos de controle mais prováveis é o rádio. Os primeiros passos nessa direção já foram dados. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, liderados por Alex Zettle, criaram um receptor de rádio a partir de apenas um nanotubo com cerca de 10 nm de diâmetro. Além disso, o nanotubo atua simultaneamente como antena, seletor, amplificador e demodulador. O receptor nanorradio pode receber ondas FM e AM com uma frequência de 40 a 400 MHz. Segundo os desenvolvedores, o aparelho pode ser usado não só para receber um sinal de rádio, mas também para transmiti-lo.
As ondas de rádio recebidas fazem a antena nanoradio vibrar
nsf.gov
A música de Eric Clapton e os Beach Boys serviu como um sinal de teste. Os cientistas transmitiram um sinal de uma parte da sala para outra, onde o rádio que eles criaram estava localizado. No final das contas, a qualidade do sinal era muito boa. Mas, naturalmente, o propósito de tal rádio não é ouvir música. O receptor de rádio pode ser aplicado em uma variedade de nanodispositivos. Por exemplo, nos mesmos nanorrobôs entregando drogas que farão seu caminho até o órgão desejado através da corrente sanguínea.
Nanomateriais
A criação de materiais com propriedades antes inimagináveis é mais uma oportunidade que a nanotecnologia nos oferece. Para ser considerado "nano", um material deve ter uma ou mais dimensões na nanoescala. Seja criado a partir de nanopartículas ou por meio da nanotecnologia. A classificação mais conveniente dos nanomateriais hoje é baseada na dimensão dos elementos estruturais que os compõem.
Zero-dimensional (0D) - nanoclusters, nanocristais, nanodispersões, pontos quânticos. Nenhum dos lados do nanomaterial 0D vai além da nanoescala. São materiais em que as nanopartículas são isoladas umas das outras. As primeiras estruturas complexas de dimensão zero obtidas e aplicadas na prática são os fulerenos. Os fulerenos são os antioxidantes mais fortes conhecidos hoje. Na farmacologia, as esperanças de criação de novos medicamentos estão depositadas neles. Os derivados do fulereno apresentam-se bem no tratamento do HIV. E ao criar nanomáquinas, os fulerenos podem ser usados como peças. A nanomáquina com rodas de fulereno é mostrada acima.
Fulereno
Foto: wikipedia.org
Unidimensional (1D) - nanotubos, fibras e hastes. Seu comprimento varia de 100 nm a dezenas de micrômetros, mas seu diâmetro está dentro da nanoescala. Os materiais unidimensionais mais famosos hoje são os nanotubos. Eles têm propriedades elétricas, ópticas, mecânicas e magnéticas únicas. Em um futuro próximo, os nanotubos devem encontrar aplicação em eletrônica molecular, biomedicina e na criação de novos materiais compósitos ultra-fortes e ultraleves. Os nanotubos já são usados como agulhas em microscópios de tunelamento e força atômica. Acima, falamos sobre a criação de nanorrádios a partir de nanotubos. E, é claro, a esperança está fixada nos nanotubos de carbono como material para o cabo do elevador espacial.
Nanotubo de carbono
Foto: wikipedia.org
Bidimensional (2D) - filmes (revestimentos) de espessura nanométrica. Este é o conhecido grafeno - uma modificação alotrópica bidimensional do carbono (o Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido ao grafeno). Menos conhecidos do público são o siliceno - uma modificação bidimensional do silício, fósforo - fósforo, germaneno - germânio. No ano passado, os cientistas criaram o borofen, que, ao contrário de outros materiais bidimensionais, não era plano, mas corrugado. O arranjo dos átomos de boro na forma de uma estrutura ondulada fornece as propriedades únicas do nanomaterial obtido. Borofen afirma ser o líder em resistência à tração entre os materiais bidimensionais.
Estrutura do borofeno
Foto: MIPT
Os materiais bidimensionais devem ter aplicação na eletrônica, no projeto de filtros para dessalinização da água do mar (membranas de grafeno) e na criação de células solares. Em um futuro próximo, o grafeno pode substituir o óxido de índio - um metal raro e caro - na produção de telas sensíveis ao toque.
Nanomateriais tridimensionais (3D) são pós, materiais fibrosos, multicamadas e policristalinos, nos quais os nanomateriais de dimensão zero, unidimensional e bidimensional acima são elementos estruturais. Aderentes uns aos outros, eles formam interfaces entre si - interfaces.
Tipos de nanomateriais
Foto: thesaurus.rusnano.com
Um pouco mais de tempo passará e nanotecnologia - tecnologias para manipulação de objetos em nanoescala se tornarão comuns. Assim como as tecnologias microeletrônicas se tornaram familiares, nos dando computadores, telefones celulares, satélites e muitos outros atributos da era da informação moderna. Mas o impacto da nanotecnologia na vida será muito mais amplo. Mudanças nos aguardam em quase todas as esferas da atividade humana.
Sergey Sobol
