Robots del tamaño de una molécula: ¿para qué nos prepara la nanotecnología?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Los desarrollos modernos en el campo de la nanotecnología en el futuro permitirán la creación de robots tan pequeños que se pueden lanzar al torrente sanguíneo humano. Las "partes" de dicho robot serán unidimensionales y cuanto más pequeñas, más fuertes. Dmitry Kvashnin, investigador principal del Instituto de Química Bioorgánica de la Academia de Ciencias de Rusia, que se dedica a la ciencia de los materiales teóricos (experimentos informáticos en el campo de la nanotecnología), habló sobre las paradojas del nanomundo. T&P escribió lo principal.

Dmitry Kvashnin

¿Qué es la nanotecnología?

Usando la nanotecnología, nos gustaría crear robots que puedan enviarse al espacio o incrustarse en los vasos sanguíneos, de modo que entreguen medicamentos a las células, ayuden a los glóbulos rojos a moverse en la dirección correcta, etc. Un engranaje de estos robots consta de una docena partes. Un detalle es un átomo. Un engranaje tiene diez átomos, 10-9 metros, es decir, un nanómetro. Un robot completo tiene unos pocos nanómetros.

¿Qué es 10-9? ¿Cómo presentarlo? A modo de comparación, un cabello humano ordinario tiene un tamaño de entre 10 y 5 metros. Los glóbulos rojos, los glóbulos que suministran oxígeno a nuestro cuerpo, tienen un tamaño de aproximadamente siete micrones, esto también es de unos 10-5 metros. ¿En qué punto termina nano y comienza nuestro mundo? Cuando podemos ver un objeto a simple vista.

Tridimensional, bidimensional, unidimensional

¿Qué es tridimensional, bidimensional y unidimensional y cómo afectan a los materiales y sus propiedades en nanotecnología? Todos sabemos que 3D tiene tres dimensiones. Hay una película normal, y hay una película en 3D, donde todo tipo de tiburones salen volando de la pantalla hacia nosotros. En un sentido matemático, 3D se ve así: y = f (x, y, z), donde y depende de tres dimensiones: largo, ancho y alto. Familiar para todos Mario en tres dimensiones es bastante alto, ancho y regordete.

Al cambiar a dos dimensiones, un eje desaparecerá: y = f (x, y). Aquí todo es mucho más simple: Mario es igual de alto y ancho, pero no gordo, porque nadie puede ser gordo o delgado en dos dimensiones.

Si continuamos disminuyendo, entonces en una dimensión todo se volverá bastante simple, solo quedará un eje: y = f (x). Mario en 1D es largo, no lo reconocemos, pero sigue siendo él.

De tres dimensiones a dos dimensiones

El material más común en nuestro mundo es el carbono. Puede formar dos sustancias completamente diferentes: el diamante, el material más duradero de la Tierra, y el grafito, y el grafito puede convertirse en un diamante simplemente mediante alta presión. Si incluso en nuestro mundo un elemento puede crear materiales radicalmente diferentes con propiedades opuestas, ¿qué sucederá en el nanomundo?

El grafito se conoce principalmente como mina de lápiz. El tamaño de la punta de un lápiz es de aproximadamente un milímetro, es decir, de 10 a 3 metros. ¿Cómo se ve un nano plomo? Es simplemente una colección de capas de átomos de carbono que forman una estructura en capas. Parece una pila de papel.

Cuando escribimos con un lápiz, queda un rastro en el papel. Si hacemos una analogía con una pila de papel, es como si estuviéramos sacando una hoja de papel. La fina capa de grafito que queda en el papel es 2D y solo tiene un átomo de espesor. Para que un objeto se considere bidimensional, su grosor debe ser muchas (al menos diez) veces menor que su ancho y largo.

Pero hay una trampa. En la década de 1930, Lev Landau y Rudolf Peierls demostraron que los cristales bidimensionales son inestables y colapsan debido a fluctuaciones térmicas (desviaciones aleatorias de cantidades físicas de sus valores promedio debido al movimiento térmico caótico de las partículas - Aprox. T&P). Resulta que el material plano bidimensional no puede existir por razones termodinámicas. Es decir, parece que no podemos crear nano en 2D. Sin embargo, ¡no! Konstantin Novoselov y Andrey Geim sintetizaron grafeno. El grafeno en nano no es plano, sino ligeramente ondulado y, por lo tanto, estable.

Si en nuestro mundo tridimensional sacamos una hoja de papel de una pila de papel, el papel seguirá siendo papel, sus propiedades no cambiarán. Si se elimina una capa de grafito en el nanomundo, entonces el grafeno resultante tendrá propiedades únicas que no se parecen en nada a las que tiene su grafito "progenitor". El grafeno es transparente, liviano, 100 veces más resistente que el acero, excelente conductor termoeléctrico y eléctrico. Se está investigando ampliamente y ya se está convirtiendo en la base de los transistores.

Hoy, cuando todo el mundo entiende que los materiales bidimensionales pueden existir en principio, aparecen teorías de que se pueden obtener nuevas entidades a partir del silicio, boro, molibdeno, tungsteno, etc.

Y además, en una dimensión

El grafeno en 2D tiene un ancho y un largo. ¿Cómo convertirlo en 1D y qué sucederá al final? Un método consiste en cortarlo en tiras finas. Si su ancho se reduce al máximo posible, entonces ya no serán solo cintas, sino otro nano-objeto único: el carbino. Fue descubierto por científicos soviéticos (químicos Yu. P. Kudryavtsev, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin y V. V. Korshak. - nota de T&P) en la década de 1960.

La segunda forma de hacer un objeto unidimensional es enrollar el grafeno en un tubo, como una alfombra. El grosor de este tubo será mucho menor que su longitud. Si el papel se enrolla o se corta en tiras, sigue siendo papel. Si el grafeno se enrolla en un tubo, se transforma en una nueva forma de carbono: un nanotubo, que tiene una serie de propiedades únicas.

Interesantes propiedades de los nanoobjetos

La conductividad eléctrica es qué tan bien o qué tan mal un material conduce una corriente eléctrica. En nuestro mundo, se describe con un número para cada material y no depende de su forma. No importa si hace un cilindro, un cubo o una bola de plata, su conductividad siempre será la misma.

Todo es diferente en el nanomundo. Los cambios en el diámetro de los nanotubos afectarán su conductividad. Si la diferencia n - m (donde nym son algunos índices que describen el diámetro del tubo) se divide por tres, entonces los nanotubos conducen la corriente. Si no se divide, no se lleva a cabo.

El módulo de Young es otra propiedad interesante que se manifiesta cuando se dobla una varilla o una ramita. El módulo de Young muestra la fuerza con la que un material resiste la deformación y la tensión. Por ejemplo, para el aluminio, este indicador es dos veces menor que el del hierro, es decir, resiste el doble de mal. Una vez más, una bola de aluminio no puede ser más fuerte que un cubo de aluminio. El tamaño y la forma no importan.

En el nano-mundo, el panorama es nuevamente diferente: cuanto más delgado es el nanoalambre, mayor es su módulo de Young. Si en nuestro mundo queremos sacar algo del entrepiso, entonces elegiremos una silla más resistente para que nos aguante. En el nanomundo, aunque no es tan obvio, tendremos que preferir la silla más pequeña porque es más resistente.

Si se hacen agujeros en algún material de nuestro mundo, dejará de ser fuerte. En el nanomundo, ocurre lo contrario. Si haces muchos agujeros en el grafeno, se vuelve dos veces y media más fuerte que el grafeno no defectuoso. Cuando hacemos agujeros en el papel, su esencia no cambia. Y cuando hacemos agujeros en el grafeno, eliminamos un átomo, por lo que aparece un nuevo efecto local. Los átomos restantes forman una nueva estructura que es químicamente más fuerte que las regiones intactas de este grafeno.

Aplicación práctica de la nanotecnología

El grafeno tiene propiedades únicas, pero cómo aplicarlas en un área en particular sigue siendo una pregunta. Ahora se utiliza en prototipos de transistores de un solo electrón (que transmiten una señal de exactamente un electrón). Se cree que en el futuro, el grafeno de dos capas con nanoporos (agujeros no en un átomo, sino más) puede convertirse en un material ideal para la purificación selectiva de gases o líquidos. Para usar el grafeno en mecánica, necesitamos grandes áreas de material sin defectos, pero esa producción es extremadamente difícil tecnológicamente.

Desde un punto de vista biológico, también surge un problema con el grafeno: una vez que entra al cuerpo, lo envenena todo. Aunque en medicina, el grafeno se puede utilizar como sensor de moléculas de ADN “malas” (mutando con otro elemento químico, etc.). Para hacer esto, se le colocan dos electrodos y el ADN pasa a través de sus poros; reacciona a cada molécula de una manera especial.

En Europa ya se están produciendo sartenes, bicicletas, cascos y plantillas de zapatos con la adición de grafeno. Una empresa finlandesa fabrica componentes para automóviles, en particular para automóviles Tesla, en los que los botones, las partes del tablero y las pantallas están hechos de nanotubos bastante gruesos. Estos productos son duraderos y ligeros.

El campo de la nanotecnología es difícil de investigar tanto desde el punto de vista de los experimentos como desde el punto de vista del modelado numérico. Ya se han resuelto todos los problemas fundamentales que requieren poca potencia informática. Hoy, la principal limitación para la investigación es la potencia insuficiente de las supercomputadoras.