Robots de la taille d'une molécule : à quoi nous préparent les nanotechnologies ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Les développements modernes dans le domaine de la nanotechnologie à l'avenir permettront la création de robots si petits qu'ils peuvent être lancés dans la circulation sanguine humaine. Les "parties" d'un tel robot seront unidimensionnelles et les plus petites, les plus fortes. Dmitry Kvashnin, chercheur principal à l'Institut de chimie bioorganique de l'Académie des sciences de Russie, qui est engagé dans la science théorique des matériaux (expériences informatiques dans le domaine de la nanotechnologie), a parlé des paradoxes du nanomonde. T&P a écrit l'essentiel.

Dmitri Kvachnine

Qu'est-ce que la nanotechnologie

En utilisant la nanotechnologie, nous aimerions créer des robots qui peuvent être envoyés dans l'espace ou intégrés dans des vaisseaux sanguins, afin qu'ils délivrent des médicaments aux cellules, aident les globules rouges à se déplacer dans la bonne direction, etc. Un engrenage dans de tels robots se compose d'une douzaine les pièces. Un détail est un atome. Un engrenage, c'est dix atomes, 10-9 mètres, c'est-à-dire un nanomètre. Un robot entier fait quelques nanomètres.

Qu'est-ce que 10-9? Comment le présenter ? À titre de comparaison, un cheveu humain ordinaire mesure environ 10 à 5 mètres. Les globules rouges, les cellules sanguines qui alimentent notre corps en oxygène, mesurent environ sept microns, soit environ 10 à 5 mètres. A quel moment la nano se termine et notre monde commence ? Quand on peut voir un objet à l'œil nu.

Trois dimensions, deux dimensions, une dimension

Qu'est-ce que le tridimensionnel, le bidimensionnel et le unidimensionnel et comment affectent-ils les matériaux et leurs propriétés en nanotechnologie ? Nous savons tous que la 3D est en trois dimensions. Il y a un film ordinaire, et il y a un film en 3D, où toutes sortes de requins sortent de l'écran vers nous. Au sens mathématique, la 3D ressemble à ceci: y = f (x, y, z), où y dépend de trois dimensions - longueur, largeur et hauteur. Familier de tous, Mario en trois dimensions est assez grand, large et dodu.

Lors du passage en deux dimensions, un axe disparaîtra: y = f (x, y). Tout est beaucoup plus simple ici: Mario est tout aussi grand et large, mais pas gros, car personne ne peut être gros ou mince en deux dimensions.

Si nous continuons à diminuer, alors dans une dimension tout deviendra assez simple, il ne restera qu'un seul axe: y = f (x). Mario en 1D est juste long - on ne le reconnaît pas, mais c'est toujours lui.

De trois dimensions - à deux dimensions

Le matériau le plus répandu dans notre monde est le carbone. Il peut former deux substances complètement différentes - le diamant, le matériau le plus durable sur Terre, et le graphite, et le graphite peut devenir un diamant simplement par haute pression. Si même dans notre monde un élément peut créer des matériaux radicalement différents avec des propriétés opposées, alors que se passera-t-il dans le nanomonde ?

Le graphite est principalement connu comme une mine de crayon. La taille de la pointe d'un crayon est d'environ un millimètre, soit 10-3 mètres. A quoi ressemble un nano-plomb ? C'est simplement une collection de couches d'atomes de carbone formant une structure en couches. On dirait une pile de papier.

Quand on écrit avec un crayon, une trace reste sur le papier. Si nous faisons une analogie avec une pile de papier, c'est comme si nous en retirions un morceau de papier. La fine couche de graphite qui reste sur le papier est en 2D et n'a qu'un atome d'épaisseur. Pour qu'un objet soit considéré comme bidimensionnel, son épaisseur doit être plusieurs (au moins dix) fois inférieure à sa largeur et à sa longueur.

Mais il ya un hic. Dans les années 1930, Lev Landau et Rudolf Peierls ont prouvé que les cristaux bidimensionnels sont instables et s'effondrent en raison des fluctuations thermiques (déviations aléatoires des quantités physiques par rapport à leurs valeurs moyennes en raison du mouvement thermique chaotique des particules. - Approx. T&P). Il s'avère que le matériau plat bidimensionnel ne peut pas exister pour des raisons thermodynamiques. C'est-à-dire qu'il semble que nous ne puissions pas créer de nano en 2D. Cependant, non ! Konstantin Novoselov et Andrey Geim ont synthétisé du graphène. Le graphène en nano n'est pas plat, mais légèrement ondulé et donc stable.

Si, dans notre monde tridimensionnel, nous retirons une feuille de papier d'une pile de papier, alors le papier restera du papier, ses propriétés ne changeront pas. Si une couche de graphite est retirée dans le nanomonde, le graphène résultant aura des propriétés uniques qui ne ressemblent en rien à celles de son « ancêtre » graphite. Le graphène est transparent, léger, 100 fois plus résistant que l'acier, excellent conducteur thermoélectrique et électrique. Il fait l'objet de nombreuses recherches et devient déjà la base des transistors.

Aujourd'hui, alors que tout le monde comprend que les matériaux bidimensionnels peuvent en principe exister, des théories apparaissent selon lesquelles de nouvelles entités peuvent être obtenues à partir du silicium, du bore, du molybdène, du tungstène, etc.

Et plus loin - dans une dimension

Le graphène en 2D a une largeur et une longueur. Comment en faire du 1D et que se passera-t-il à la fin ? Une méthode consiste à le couper en rubans minces. Si leur largeur est réduite au maximum, il ne s'agira plus seulement de rubans, mais d'un autre nano-objet unique - la carbyne. Il a été découvert par des scientifiques soviétiques (les chimistes Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin et V. V. Korshak. - T&P note) dans les années 1960.

La deuxième façon de fabriquer un objet unidimensionnel consiste à rouler le graphène dans un tube, comme un tapis. L'épaisseur de ce tube sera bien inférieure à sa longueur. Si le papier est enroulé ou coupé en bandes, il reste du papier. Si le graphène est roulé dans un tube, il se transforme en une nouvelle forme de carbone - un nanotube, qui possède un certain nombre de propriétés uniques.

Propriétés intéressantes des nano-objets

La conductivité électrique est la façon dont un matériau conduit bien ou mal un courant électrique. Dans notre monde, il est décrit par un numéro pour chaque matériau et ne dépend pas de sa forme. Peu importe que vous fabriquiez un cylindre, un cube ou une boule en argent - sa conductivité sera toujours la même.

Tout est différent dans le nanomonde. Les changements de diamètre des nanotubes affecteront leur conductivité. Si la différence n - m (où n et m sont des indices décrivant le diamètre du tube) est divisée par trois, alors les nanotubes conduisent le courant. S'il n'est pas divisé, il n'est pas exécuté.

Le module de Young est une autre propriété intéressante qui se manifeste lorsqu'une tige ou une brindille est pliée. Le module de Young montre à quel point un matériau résiste à la déformation et aux contraintes. Par exemple, pour l'aluminium, cet indicateur est deux fois moins que celui du fer, c'est-à-dire qu'il résiste deux fois moins bien. Encore une fois, une boule en aluminium ne peut pas être plus solide qu'un cube en aluminium. La taille et la forme n'ont pas d'importance.

Dans le nanomonde, le tableau est encore différent: plus le nanofil est fin, plus son module de Young est élevé. Si dans notre monde nous voulons obtenir quelque chose de la mezzanine, alors nous choisirons une chaise plus solide pour qu'elle puisse nous résister. Dans le nanomonde, même si ce n'est pas si évident, il faudra préférer la chaise plus petite car elle est plus solide.

Si des trous sont faits dans un matériau dans notre monde, il cessera d'être solide. Dans le nanomonde, c'est le contraire qui est vrai. Si vous faites de nombreux trous dans le graphène, il devient deux fois et demie plus résistant que le graphène non défectueux. Quand on fait des trous dans le papier, son essence ne change pas. Et lorsque nous faisons des trous dans le graphène, nous enlevons un atome, ce qui provoque l'apparition d'un nouvel effet local. Les atomes restants forment une nouvelle structure chimiquement plus forte que les régions intactes de ce graphène.

Application pratique de la nanotechnologie

Le graphène a des propriétés uniques, mais comment les appliquer dans un domaine particulier reste une question. Il est maintenant utilisé dans des prototypes de transistors à un seul électron (transmettant un signal d'exactement un électron). On pense qu'à l'avenir, le graphène à deux couches avec des nanopores (trous non pas dans un atome, mais plus) peut devenir un matériau idéal pour la purification sélective de gaz ou de liquides. Pour utiliser le graphène en mécanique, il faut de grandes surfaces de matière sans défauts, mais une telle production est extrêmement difficile technologiquement.

D'un point de vue biologique, un problème se pose également avec le graphène: une fois qu'il pénètre dans le corps, il empoisonne tout. Bien qu'en médecine, le graphène peut être utilisé comme capteur de « mauvaises » molécules d'ADN (mutant avec un autre élément chimique, etc.). Pour ce faire, deux électrodes y sont attachées et l'ADN passe à travers ses pores - il réagit à chaque molécule d'une manière spéciale.

Des casseroles, des vélos, des casques et des semelles de chaussures avec l'ajout de graphène sont déjà produits en Europe. Une entreprise finlandaise fabrique des composants pour voitures, en particulier pour les voitures Tesla, dans lesquels les boutons, les pièces du tableau de bord et les écrans sont constitués de nanotubes assez épais. Ces produits sont durables et légers.

Le domaine des nanotechnologies est difficile pour la recherche tant du point de vue de l'expérimentation que du point de vue de la modélisation numérique. Tous les problèmes fondamentaux nécessitant une faible puissance informatique ont déjà été résolus. Aujourd'hui, la principale limitation de la recherche est la puissance insuffisante des supercalculateurs.