Современные разработки в сфере нанотехнологий в будущем позволят создать роботов столь малого размера, что их можно будет запускать в кровоток человека. «Детали» такого робота будут одномерными и чем меньше, тем прочнее. Старший научный сотрудник ИБХФ РАН Дмитрий Квашнин, занимающийся теоретическим материаловедением (компьютерными экспериментами в области нанотехнологий), рассказал о парадоксах наномира. T&P записали основное.
Дмитрий Квашнин
Старший научный сотрудник ИБХФ РАН, кандидат физико-математических наук
Что такое нанотехнологии
С помощью нанотехнологий мы бы хотели создать роботов, которых можно отправить в космос или внедрить в кровеносные сосуды, чтобы они доставляли лекарства к клеткам, помогали эритроцитам двигаться в нужном направлении т. д. Одна шестеренка в таких роботах состоит из десятка деталей. Одна деталь — это один атом. Шестеренка — это десять атомов, 10-9 метров, то есть один нанометр. Целый робот — это несколько нанометров.
Что такое 10-9? Как это представить? Для сравнения: обычный человеческий волос имеет размер примерно 10-5 метра. Эритроциты, клетки крови, снабжающие наш организм кислородом, имеют размер около семи микронов, это тоже приблизительно 10-5 метра. В какой момент заканчивается нано и начинается наш мир? Когда мы можем увидеть объект невооруженным глазом.
Трехмерие, двумерие, одномерие
Что такое трехмерие, двумерие и одномерие и как они влияют на материалы и их свойства в нанотехнологиях? Все мы знаем, что 3D — это трехмерие. Есть обычный фильм, а есть кино в 3D, где на нас с экрана вылетают всякие акулы. В математическом смысле 3D выглядит так: y=f (x, y, z), где y зависит от трех измерений — длины, ширины и высоты. Знакомый всем Марио в трехмерии довольно высокий, широкий и толстенький.
При переходе в двумерие исчезнет одна ось: y=f (x, y). Здесь все намного проще: Марио такой же высокий и широкий, но не толстый, потому что в двумерии никто не может быть полным или худым.
Если мы продолжим уменьшаться, то в одномерии все станет совсем просто, останется всего одна ось: y=f (x). Марио в 1D просто длинный — мы его не узнаем, но это все еще он.
Из трехмерия — в двумерие
Самый распространенный материал в нашем мире — углерод. Он может образовать две абсолютно разные субстанции — алмаз, самый прочный материал на Земле, и графит, причем графит может стать алмазом просто посредством высокого давления. Если даже в нашем мире один элемент может создать кардинально разные материалы с противоположными свойствами, то что же будет в наномире?
Графит известен в первую очередь как карандашный грифель. Размер кончика карандаша — около одного миллиметра, то есть 10-3 метра. Как выглядит грифель в нано? Это просто набор слоев из атомов углерода, образующих слоистую структуру. Похож на стопку бумаги.Когда мы пишем карандашом, на бумаге остается след. Если проводить аналогию со стопкой бумаги, это как если бы мы вытаскивали из нее по одному листочку. Тонкий слой графита, который остается на бумаге, — это 2D, его толщина составляет всего один атом. Чтобы объект мог считаться двумерным, его толщина должна быть во много (как минимум в десять) раз меньше, чем ширина и длина.
Но есть загвоздка. В 1930-х годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что двумерные кристаллы нестабильны и разрушаются из-за термических флуктуаций (случайных отклонений физических величин от их средних значений из-за хаотического теплового движения частиц. — Прим. T&P). Получается, что двумерный плоский материал не может существовать из термодинамических соображений. То есть вроде бы мы не можем создать нано в 2D. Однако нет! Константин Новоселов и Андрей Гейм синтезировали графен. Графен в нано не плоский, а немножко волнистый и поэтому стабильный.
Если в нашем трехмерном мире вытащить из стопки бумаги один лист, то бумага останется бумагой, ее свойства не изменятся. Если же в наномире убрать один слой графита, то получившийся графен будет обладать уникальными свойствами, ничем не похожими на те, что имеет его «прародитель» графит. Графен прозрачный, легкий, в 100 раз прочнее стали, отличный термоэлектрик и электропроводник. Он широко исследуется и уже становится основой для транзисторов.
Сегодня, когда все понимают, что двумерные материалы в принципе могут существовать, появляются теории о том, что новые сущности можно получить из кремния, бора, молибдена, вольфрама и др.
И дальше — в одномерие
У графена в 2D есть ширина и длина. Как же сделать из него 1D и что получится в итоге? Один из методов — порезать его на тонкие ленточки. Если их ширину уменьшать до предельно возможной, то это уже будут не просто ленточки, а еще один уникальный нанообъект — карбин. Его открыли советские ученые (химики Ю.П. Кудрявцев, А.М. Сладков, В.И. Касаточкин и В.В. Коршак. — Прим. T&P) в 1960-е годы.
Второй способ сделать одномерный объект — свернуть графен в трубочку, как ковер. Толщина этой трубочки будет намного меньше, чем ее длина. Если бумагу свернуть в трубочку или нарезать на полосочки, она останется бумагой. Если графен свернуть в трубку, он перейдет в новую форму углерода — нанотрубку, которая обладает рядом уникальных свойств.
Интересные свойства нанообъектов
Электропроводимость — это то, насколько хорошо или плохо материал проводит электрический ток. В нашем мире она описывается одним числом для каждого материала и не зависит от его формы. Неважно, сделаете ли вы серебряный цилиндрик, кубик или шарик — его удельная проводимость всегда будет одинаковой.
В наномире все иначе. Изменения в диаметре нанотрубок повлияют на их проводимость. Если разность n — m (где n и m — некоторые индексы, описывающие диаметр трубки) делится на три, то нанотрубки проводят ток. Если не делится, то не проводят.
Модуль Юнга — еще одно интересное свойство, которое проявляется при сгибании стержня или прутика. Модуль Юнга показывает, насколько сильно материал сопротивляется деформации и напряжению. Например, у алюминия этот показатель в два раза меньше, чем у железа, то есть он сопротивляется в два раза хуже. Опять же, алюминиевый шарик не может быть прочнее алюминиевого кубика. Размер и форма не имеют значения.
В наномире вновь другая картина: чем нанопровод тоньше, тем выше у него модуль Юнга. Если в нашем мире мы захотим что-нибудь достать с антресоли, то выберем стул покрепче, чтобы он нас выдержал. В наномире, хотя это не так очевидно, нам придется предпочесть стул поменьше, потому что он прочнее.
Если в нашем мире наделать в каком-то материале дырок, то он перестанет быть прочным. В наномире все наоборот. Если сделать в графене много дырочек, он станет в два с половиной раза прочнее, чем недефектный графен. Когда мы протыкаем дырки в бумаге, ее сущность не меняется. А когда делаем дырки в графене, убираем один атом, благодаря чему появляется новый локальный эффект. Оставшиеся атомы образуют новую структуру, которая с химической точки зрения прочнее, чем нетронутые области в этом графене.
Практическое применение нанотехнологий
Графен обладает уникальными свойствами, но как их применять в той или иной области, пока еще вопрос. Сейчас он используется в прототипах для одноэлектронных транзисторов (пропускающих сигнал ровно в один электрон). Считается, что в перспективе двухслойный графен с нанопорами (дыры не в один атом, а побольше) сможет стать идеальным материалом для селективной очистки газов или жидкостей. Для применения графена в механике нам нужны большие площади материала без дефектов, но такое производство крайне сложно технологически.
С биологической точки зрения с графеном тоже возникает проблема: попав внутрь организма, он все отравляет. Хотя в медицине графен может использоваться как сенсор «плохих» молекул ДНК (мутирующих, с другим химическим элементом и др.). Для этого к нему прикрепляют два электрода и пропускают через его поры ДНК — на каждую молекулу он реагирует особенным образом.
В Европе уже производят сковородки, велосипеды, шлемы и обувные стельки с добавлением графена. Одна финская фирма изготавливает компоненты для машин, в частности для автомобилей Tesla, в которых кнопки, детали приборной панели и экраны сделаны из довольно толстых нанотрубок. Эти товары прочные и легкие.
Область нанотехнологий сложна для исследования как с точки зрения экспериментов, так и с позиций численного моделирования. Все фундаментальные вопросы, требующие небольших мощностей компьютеров, уже решены. Сегодня основное ограничение для исследований — это недостаточная мощность суперкомпьютеров.
Литература
К.С. Новоселов. Графен: материалы Флатландии. Нобелевская лекция, 8 декабря 2010 г.
А.К. Гейм. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену. Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря 2010 г.
M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito. Physics of carbon nanotubes. Carbon, Vol. 33, No. 7, pp. 883–891, 1995.
Carbon Nanotubes Synthesis, Structure, Properties, and Applications. Editors: Dresselhaus, Mildred S., Dresselhaus, Gene, Avouris, Phaedon (Eds.). 2001.
