Погружение в наномир: нанообъекты и их возможности

Что такое «нано»?

Когда-то на слуху были достижения микроэлектроники. Сейчас мы перешли к новой эре нанотехнологий. Так что такое это «нано», которое то тут то там стали добавлять к привычным словам, придавая им новое современное звучание: нанороботы, наномашины, нанорадио и так далее? Приставка «нано-» применяется в Международной системе единиц (СИ). Ее используют для образования обозначений десятичных дольных единиц. Это одна миллиардная часть исходной единицы. В данном случае мы говорим об объектах, чьи размеры определяются в нанометрах. Значит, один нанометр – это одна миллиардная часть метра. Для сравнения, микрон (он же микрометр, давший название микроэлектронике, а кроме того, микробиологии, микрохирургии и т. д.) – это одна миллионная часть метра.

Если взять для примера миллиметры (приставка «милли-» – одна тысячная), то в миллиметре 1 000 000 нанометров (нм) и, соответственно, 1 000 микрометров (мкм). Человеческий волос имеет толщину в среднем 0,05–0,07 мм, то есть 50 000–70 000 нм. Хотя диаметр волоса и можно записать в нанометрах, это еще далеко не наномир. Углубимся и посмотрим, что там есть уже сейчас.

Размеры бактерий составляют в среднем 0,5–5 мкм (500–5000 нм). Вирусы, одни из главных врагов бактерий, еще меньше. Средний диаметр большинства изученных вирусов составляет 20–300 нм (0,02–0,3 мкм). А вот спираль ДНК имеет диаметр уже 1,8–2,3 нм. Считается, что самый маленький атом – это атом гелия, его радиус 32 пм (0,032 нм), а самый большой – цезия 225 пм (0,255 нм). В целом, нанообъектом будет считаться такой объект, размер которого хотя бы в одном измерении находится в нанодиапазоне (1–100 нм).

Можно ли увидеть наномир?

Конечно, все, о чем говорится, хочется увидеть своими глазами. Ну хотя бы в окуляр оптического микроскопа. Можно ли заглянуть в наномир? Обычным способом, как мы наблюдаем, например, микробов, нельзя. Почему? Потому что свет с некоторой долей условности можно назвать нановолнами. Длина волны фиолетового цвета, с которого начинается видимый диапазон, – 380–440 нм. Длина волны красного цвета – 620–740 нм. Длины волн видимого излучения составляют сотни нанометров. При этом разрешение обычных оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом Аббе примерно на уровне половины длины волны. Большинство интересующих нас объектов еще меньше.

Поэтому первым шагом на пути проникновения в наномир стало изобретение просвечивающего электронного микроскопа. Причем первый такой микроскоп был создан Максом Кноллем и Эрнстом Руска еще в 1931 году. В 1986 году за его изобретение была вручена Нобелевская премия по физике. Принцип работы такой же, как и у обычного оптического микроскопа. Только вместо света на интересующий объект направляется поток электронов, который фокусируется магнитными линзами. Если оптический микроскоп давал увеличение примерно в тысячу раз, то электронный уже в миллионы раз. Но у него есть и свои недостатки. Во-первых, это необходимость получить для работы достаточно тонкие образцы материалов. Они должны быть прозрачны в электронном пучке, поэтому их толщина варьируется в пределах 20–200 нм. Во-вторых, это то, что образец под воздействием пучков электронов может разлагаться и приходить в негодность.

Другим вариантом микроскопа, использующего поток электронов, является сканирующий электронный микроскоп. Он не просвечивает образец, как предыдущий, а сканирует его пучком электронов. Это позволяет изучать более «толстые» образцы. Обработка анализируемого образца электронным пучком порождает вторичные и обратноотраженные электроны, видимое (катодолюминесценция) и рентгеновское излучения, которые улавливаются специальными детекторами. На основании полученных данных и формируется представление об объекте. Первые сканирующие электронные микроскопы появились в начале 1960-х годов.

Сканирующие зондовые микроскопы – относительно новый класс микроскопов, появившихся уже в 80-е годы. Уже упомянутая Нобелевская премия по физике 1986 года была разделена между изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Эрнстом Руска и создателями сканирующего туннельного микроскопа Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Сканирующие микроскопы позволяют скорее не рассмотреть, а «ощупать» рельеф поверхности образца. Полученные данные затем преобразуются в изображение. В отличие от сканирующего электронного микроскопа, зондовые используют для работы острую сканирующую иглу. Игла, острие которой имеет толщину всего несколько атомов, выступает в роли зонда, который подводится на минимальное расстояние к образцу – 0,1 нм. В ходе сканирования игла перемещается над поверхностью образца. Между иглой и поверхностью образца возникает туннельный ток, и его величина зависит от расстояния между ними. Изменения фиксируются, что позволяет на их основании построить карту высот – графическое изображение поверхности объекта.

Похожий принцип работы использует и другой микроскоп из класса сканирующих зондовых микроскопов – атомно-силовой. Здесь есть и игла-зонд, и аналогичный результат – графическое изображение рельефа поверхности. Но измеряется не величина тока, а силовое взаимодействие между поверхностью и зондом. В первую очередь подразумеваются силы Ван-дер-Ваальса, но также и упругие силы, капиллярные силы, силы адгезии и другие. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, который может применяться только для исследования металлов и полупроводников, атомно-силовой позволяет изучить и диэлектрики. Но это не единственное его преимущество. Он позволяет не только заглянуть в наномир, но и манипулировать атомами.

Наномашины

В природе на наноуровне, то есть на уровне атомов и молекул, происходит множество процессов. Мы можем, конечно, и сейчас оказывать влияние на то, как они протекают. Но делаем мы это практически вслепую. Наномашины – это адресный инструмент для работы в наномире, это устройства, позволяющие манипулировать одиночными атомами и молекулами. До недавнего времени только природа могла создавать их и управлять ими. Мы в шаге от того дня, когда тоже сможем делать это.

Что могут наномашины? Возьмем, к примеру, химию. Синтез химических соединений основан на том, что мы создаем необходимые условия для протекания химической реакции. В результате на выходе имеем некое вещество. В будущем химические соединения можно будет создать, условно говоря, механическим путем. Наномашины смогут соединять и разъединять отдельные атомы и молекулы. В результате будут образовываться химические связи или, наоборот, имеющиеся связи будут рваться. Наномашины-строители смогут создавать из атомов нужные нам молекулярные конструкции. Нанороботы-химики – синтезировать химические соединения. Это прорыв в создании материалов с заданными свойствами. Одновременно это прорыв в деле защиты окружающей среды. Несложно предположить, что наномашины – прекрасный инструмент для переработки отходов, которые в обычных условиях сложно поддаются утилизации. Тем более если говорить о наноматериалах. Ведь чем дальше заходит технический прогресс, тем сложнее окружающей среде справляться с его результатами. Слишком долго происходит разложение в природной среде новых материалов, придуманных человеком. Всем известно, как долго разлагаются выброшенные пластиковые пакеты – продукт предыдущей научно-технической революции. Что будет с наноматериалами, которые рано или поздно окажутся мусором? Их переработкой должны будут заняться те же наномашины.

Ученые давно уже говорят о механосинтезе. Это химический синтез, который осуществляется благодаря механическим системам. Его преимущество видится в том, что он позволит позиционировать реагирующие вещества с высокой степенью точности. Вот только пока не существует инструмента, который позволил бы эффективно осуществлять его. Конечно, такими инструментами могут выступать существующие сегодня атомно-силовые микроскопы. Да, они позволяют не только заглянуть в наномир, но и оперировать атомами. Но они как объекты макромира не лучшим образом подходят для массового применения технологии, чего нельзя сказать о наномашинах. В будущем на их основе будут создавать целые молекулярные конвейеры и нанофабрики.

Но уже сейчас имеются целые биологические нанофабрики. Они существуют в нас и во всех живых организмах. Вот поэтому от нанотехнологий ожидают прорывов в медицине, биотехнологиях и генетике. Создав искусственные наномашины и внедрив их в живые клетки, мы можем добиться впечатляющих результатов. Во-первых, наномашины могут быть использованы для адресной переноски лекарственных препаратов к нужному органу. Нам не придется принимать лекарство, понимая, что только часть его попадет к больному органу. Во-вторых, уже сейчас наномашины берут на себя функции редактирования генома. Технология CRISPR/Cas9, подсмотренная у природы, позволяет вносить изменения в геном как одноклеточных, так и высших организмов, и в том числе человека. Причем речь идет не только о редактировании генома эмбрионов, но и генома живых взрослых организмов. И займутся всем этим наномашины.

Нанорадио

Если наномашины – это наш инструмент в наномире, то ими как-то нужно управлять. Впрочем, и здесь что-то принципиально новое придумывать не придется. Один из наиболее вероятных способов управления – это радио. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли во главе с Алексом Зеттлом создан радиоприемник из всего одной нанотрубки диаметром около 10 нм. Причем нанотрубка выступает одновременно в качестве антенны, селектора, усилителя и демодулятора. Принимать нанорадиоприемник может как FM, так и AM волны с частотой от 40 до 400 МГц. Использовать устройство, по словам разработчиков, можно не только для приема радиосигнала, но и для его передачи.

В качестве тестового сигнала послужила музыка Эрика Клэптона и группы Beach Boys. Ученые передали сигнал из одной части комнаты в другую, где находилось созданное ими радио. Как оказалось, качество сигнала было достаточно хорошим. Но, естественно, предназначение такого радиоприемника не прослушивание музыки. Радиоприемник может быть применен во множестве наноустройств. К примеру, в тех же нанороботах-доставщиках лекарств, которые будут пробираться к нужному органу по кровотоку.

Наноматериалы

Создание материалов со свойствами, которые раньше невозможно было и представить, – еще одна возможность, которую нам предоставляют нанотехнологии. Чтобы считаться «нано», материал должен иметь один или несколько размеров, лежащих в нанодиапазоне. Либо быть созданным с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий. Самая удобная на сегодня классификация наноматериалов – по размерности структурных элементов, из которых они состоят.

Нульмерные (0D) – нанокластеры, нанокристаллы, нанодисперсии, квантовые точки. Ни одна из сторон 0D-наноматериала не выходит за пределы нанодиапазона. Это материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Первые сложные нульмерные структуры, полученные и применяемые на практике, – это фуллерены. Фуллерены – это сильнейшие антиоксиданты из известных на сегодняшний день. В фармакологии с ними связывают надежды на создание новых лекарств. Производные фуллеренов хорошо показывают себя в лечении ВИЧ. А при создании наномашин фуллерены могут быть использованы в качестве деталей. Наномашина с фулереновыми колесами на изображении выше.

Одномерные (1D) – нанотрубки, волокна и прутки. Их длина составляет от 100 нм до десятков микрометров, но диаметр укладывается в нанодиапазон. Самые известные одномерные материалы сегодня – это нанотрубки. Они обладают уникальными электрическими, оптическими, механическими и магнитными свойствами. В ближайшее время нанотрубки должны найти применение в молекулярной электронике, биомедицине, в создании новых сверхпрочных и сверхлегких композиционных материалов. Уже используются нанотрубки и в качестве игл в сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопах. Выше говорилось о создании на основе нанотрубок нанорадио. Ну и, конечно, на углеродные нанотрубки возлагается надежда как на материал для троса космического лифта.

Двумерные (2D) – пленки (покрытия) нанометровой толщины. Это всем известный графен – двумерная аллотропная модификация углерода (за графен вручена Нобелевская премия по физике за 2010 год). Менее известные общественности силицен – двумерная модификация кремния, фосфорен – фосфора, германен – германия. В прошлом году ученые создали борофен, который, в отличие от других двумерных материалов, получился не плоским, а гофрированным. Расположение атомов бора в виде гофрированной структуры обеспечивает уникальные свойства полученного наноматериала. Борофен претендует на лидерство по прочности на растяжение среди двумерных материалов.

Двумерные материалы должны найти применение в электронике, при создании фильтров для опреснения морской воды (графеновые мембраны) и создании солнечных батарей. Уже в ближайшее время графен может заменить окись индия – редкого и дорогого металла – при производстве сенсорных экранов.

Трехмерные (3D) наноматериалы – это порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых вышеперечисленные нульмерные, одномерные и двумерные наноматериалы являются структурными элементами. Плотно прилегая друг к другу, они образуют между собой поверхности раздела – интерфейсы.

Пройдет еще немного времени и нанотехнологии – технологии манипуляции наноразмерными объектами станут привычным явлением. Так же, как привычными стали технологии микроэлектроники, подарившие нам компьютеры, мобильные телефоны, спутники и многие другие атрибуты современной информационной эпохи. Но влияние нанотехнологий на жизнь будет куда шире. Нас ожидают изменения практически во всех сферах деятельности человека.