अणु-आकार के रोबोट: नैनो तकनीक हमें किसके लिए तैयार कर रही है?

2024 लेखक: Seth Attwood | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-16 16:05

भविष्य में नैनो टेक्नोलॉजी के क्षेत्र में आधुनिक विकास रोबोटों को इतना छोटा बनाने की अनुमति देगा कि उन्हें मानव रक्तप्रवाह में लॉन्च किया जा सके। ऐसे रोबोट के "भाग" एक-आयामी होंगे और छोटे, मजबूत होंगे। सैद्धांतिक सामग्री विज्ञान (नैनो प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में कंप्यूटर प्रयोग) में लगे रूसी विज्ञान अकादमी के बायोऑर्गेनिक रसायन विज्ञान संस्थान के वरिष्ठ शोधकर्ता दिमित्री क्वासिन ने नैनोवर्ल्ड के विरोधाभासों के बारे में बात की। टी एंड पी ने मुख्य बात लिखी।

दिमित्री क्वाशनिन

नैनो टेक्नोलॉजी क्या है

नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करके, हम ऐसे रोबोट बनाना चाहेंगे जिन्हें अंतरिक्ष में भेजा जा सके या रक्त वाहिकाओं में एम्बेड किया जा सके, ताकि वे कोशिकाओं तक दवाएं पहुंचा सकें, लाल रक्त कोशिकाओं को सही दिशा में ले जाने में मदद कर सकें, आदि। ऐसे रोबोट में एक गियर में एक दर्जन होते हैं। भागों। एक विवरण एक परमाणु है। एक गियर में दस परमाणु होते हैं, 10-9 मीटर यानी एक नैनोमीटर। एक पूरा रोबोट कुछ नैनोमीटर का होता है।

10-9 क्या है? इसे कैसे प्रस्तुत करें? तुलना के लिए, एक सामान्य मानव बाल का आकार लगभग 10-5 मीटर होता है। लाल रक्त कोशिकाएं, जो रक्त कोशिकाएं हमारे शरीर को ऑक्सीजन की आपूर्ति करती हैं, उनका आकार लगभग सात माइक्रोन होता है, यह भी लगभग 10-5 मीटर होता है। नैनो किस बिंदु पर समाप्त होती है और हमारी दुनिया शुरू होती है? जब हम किसी वस्तु को नंगी आंखों से देख सकते हैं।

त्रि-आयामी, दो-आयाम, एक-आयाम

त्रि-आयामी, दो-आयाम और एक-आयाम क्या है और वे नैनोटेक्नोलॉजी में सामग्री और उनके गुणों को कैसे प्रभावित करते हैं? हम सभी जानते हैं कि 3D तीन आयाम हैं। एक साधारण फिल्म है, और 3 डी में एक फिल्म है, जहां सभी प्रकार के शार्क स्क्रीन से बाहर उड़ते हैं। गणितीय अर्थ में, 3D इस तरह दिखता है: y = f (x, y, z), जहां y तीन आयामों पर निर्भर करता है - लंबाई, चौड़ाई और ऊंचाई। तीन आयामों में सभी मारियो से परिचित काफी लंबा, चौड़ा और मोटा है।

द्वि-आयाम में स्विच करते समय, एक अक्ष गायब हो जाएगा: y = f (x, y)। यहां सब कुछ बहुत आसान है: मारियो उतना ही लंबा और चौड़ा है, लेकिन मोटा नहीं है, क्योंकि कोई भी दो आयामों में मोटा या पतला नहीं हो सकता है।

अगर हम कम करते रहे तो एक आयाम में सब कुछ बिलकुल सरल हो जाएगा, एक ही अक्ष बचेगा: y = f (x)। 1D में मारियो अभी लंबा है - हम उसे नहीं पहचानते, लेकिन यह अभी भी वही है।

तीन आयामों से - दो आयामों में

हमारी दुनिया में सबसे आम सामग्री कार्बन है। यह दो पूरी तरह से अलग पदार्थ बना सकता है - हीरा, पृथ्वी पर सबसे टिकाऊ सामग्री और ग्रेफाइट, और ग्रेफाइट केवल उच्च दबाव के माध्यम से हीरा बन सकता है। अगर हमारी दुनिया में भी एक तत्व विपरीत गुणों के साथ मौलिक रूप से भिन्न सामग्री बना सकता है, तो नैनोवर्ल्ड में क्या होगा?

ग्रेफाइट को मुख्य रूप से पेंसिल लेड के रूप में जाना जाता है। एक पेंसिल की नोक का आकार लगभग एक मिलीमीटर, यानी 10-3 मीटर होता है। नैनो लीड कैसा दिखता है? यह केवल एक स्तरित संरचना बनाने वाले कार्बन परमाणुओं की परतों का एक संग्रह है। कागज का ढेर लग रहा है।

जब हम पेंसिल से लिखते हैं तो कागज पर एक निशान रह जाता है। यदि हम कागज के ढेर के साथ एक सादृश्य बनाते हैं, तो ऐसा लगता है जैसे हम कागज के एक टुकड़े को उसमें से निकाल रहे हैं। कागज पर बनी ग्रेफाइट की पतली परत 2D होती है और केवल एक परमाणु मोटी होती है। किसी वस्तु को द्वि-आयामी माना जाने के लिए, उसकी मोटाई उसकी चौड़ाई और लंबाई से कई (कम से कम दस) गुना कम होनी चाहिए।

लेकिन वहां एक जाल है। 1930 के दशक में, लेव लैंडौ और रुडोल्फ पीयरल्स ने साबित किया कि दो-आयामी क्रिस्टल अस्थिर हैं और थर्मल उतार-चढ़ाव के कारण ढह जाते हैं (कणों की अराजक तापीय गति के कारण उनके औसत मूल्यों से भौतिक मात्रा का यादृच्छिक विचलन। - लगभग। टी एंड पी)। यह पता चला है कि थर्मोडायनामिक कारणों से द्वि-आयामी फ्लैट सामग्री मौजूद नहीं हो सकती है। यानी ऐसा लगता है कि हम 2डी में नैनो नहीं बना सकते।हालाँकि, नहीं! कॉन्स्टेंटिन नोवोसेलोव और एंड्री गीम ने ग्रेफीन को संश्लेषित किया। नैनो में ग्राफीन सपाट नहीं है, लेकिन थोड़ा लहराती है और इसलिए स्थिर है।

अगर हमारी त्रि-आयामी दुनिया में हम कागज के ढेर से कागज की एक शीट निकालते हैं, तो कागज कागज ही रहेगा, इसके गुण नहीं बदलेंगे। यदि नैनोवर्ल्ड में ग्रेफाइट की एक परत को हटा दिया जाता है, तो परिणामी ग्रैफेन में अद्वितीय गुण होंगे जो कि इसके "पूर्वज" ग्रेफाइट के समान कुछ भी नहीं हैं। ग्राफीन पारदर्शी, हल्का, स्टील से 100 गुना अधिक मजबूत, उत्कृष्ट थर्मोइलेक्ट्रिक और विद्युत कंडक्टर है। यह व्यापक रूप से शोध किया जा रहा है और पहले से ही ट्रांजिस्टर का आधार बन रहा है।

आज, जब हर कोई समझता है कि दो-आयामी सामग्री सिद्धांत रूप में मौजूद हो सकती है, सिद्धांत प्रकट होते हैं कि सिलिकॉन, बोरॉन, मोलिब्डेनम, टंगस्टन, आदि से नई संस्थाएं प्राप्त की जा सकती हैं।

और आगे - एक आयाम में

2डी में ग्राफीन की चौड़ाई और लंबाई होती है। इसमें से 1D कैसे बनाते हैं और आखिर में क्या होगा? एक तरीका यह है कि इसे पतले रिबन में काट दिया जाए। यदि उनकी चौड़ाई अधिकतम संभव तक कम हो जाती है, तो यह अब केवल रिबन नहीं होगा, बल्कि एक और अद्वितीय नैनो-ऑब्जेक्ट - कार्बाइन होगा। इसकी खोज 1960 के दशक में सोवियत वैज्ञानिकों (रसायनज्ञ यू.पी. कुद्रियात्सेव, ए.एम.स्लाडकोव, वी.आई. कासातोचिन और वी.वी. कोर्शक - टी एंड पी नोट) ने की थी।

एक आयामी वस्तु बनाने का दूसरा तरीका ग्राफीन को एक कालीन की तरह एक ट्यूब में रोल करना है। इस ट्यूब की मोटाई इसकी लंबाई से काफी कम होगी। यदि कागज को लुढ़काया जाता है या स्ट्रिप्स में काटा जाता है, तो यह कागज ही रहता है। यदि ग्राफीन को एक ट्यूब में घुमाया जाता है, तो यह कार्बन के एक नए रूप में बदल जाता है - एक नैनोट्यूब, जिसमें कई अद्वितीय गुण होते हैं।

नैनोऑब्जेक्ट्स के दिलचस्प गुण

विद्युत चालकता यह है कि कोई सामग्री विद्युत प्रवाह को कितनी अच्छी तरह या कितनी खराब तरीके से संचालित करती है। हमारी दुनिया में, यह प्रत्येक सामग्री के लिए एक संख्या द्वारा वर्णित है और इसके आकार पर निर्भर नहीं करता है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप चांदी का सिलेंडर, घन या गेंद बनाते हैं - इसकी चालकता हमेशा समान रहेगी।

नैनोवर्ल्ड में सब कुछ अलग है। नैनोट्यूब के व्यास में परिवर्तन उनकी चालकता को प्रभावित करेगा। यदि अंतर n - m (जहाँ n और m ट्यूब के व्यास का वर्णन करने वाले कुछ सूचकांक हैं) को तीन से विभाजित किया जाता है, तो नैनोट्यूब करंट का संचालन करते हैं। यदि इसे विभाजित नहीं किया जाता है, तो इसे पूरा नहीं किया जाता है।

यंग का मापांक एक और दिलचस्प गुण है जो एक छड़ या टहनी को मोड़ने पर प्रकट होता है। यंग का मापांक दर्शाता है कि कोई सामग्री विरूपण और तनाव का कितनी दृढ़ता से विरोध करती है। उदाहरण के लिए, एल्यूमीनियम के लिए, यह संकेतक लोहे की तुलना में दो गुना कम है, अर्थात यह दो बार खराब होने का प्रतिरोध करता है। फिर, एक एल्युमिनियम की गेंद एल्युमिनियम क्यूब से अधिक मजबूत नहीं हो सकती। आकार और आकार कोई फर्क नहीं पड़ता।

नैनोवर्ल्ड में, तस्वीर फिर से अलग है: नैनोवायर जितना पतला होगा, उसका यंग मापांक उतना ही अधिक होगा। अगर हमारी दुनिया में हम मेजेनाइन से कुछ पाना चाहते हैं, तो हम एक मजबूत कुर्सी चुनेंगे ताकि वह हमारा सामना कर सके। नैनोवर्ल्ड में, हालांकि यह इतना स्पष्ट नहीं है, हमें छोटी कुर्सी को प्राथमिकता देनी होगी क्योंकि यह मजबूत है।

अगर हमारी दुनिया में किसी पदार्थ में छेद कर दिए जाएं तो वह मजबूत होना बंद हो जाएगा। नैनोवर्ल्ड में, विपरीत सच है। यदि आप ग्राफीन में कई छेद करते हैं, तो यह गैर-दोषपूर्ण ग्राफीन की तुलना में ढाई गुना अधिक मजबूत हो जाता है। जब हम कागज में छेद करते हैं, तो उसका सार नहीं बदलता है। और जब हम ग्रेफीन में छेद करते हैं तो हम एक परमाणु को हटा देते हैं, जिससे एक नया स्थानीय प्रभाव दिखाई देता है। शेष परमाणु एक नई संरचना बनाते हैं जो इस ग्राफीन में बरकरार क्षेत्रों की तुलना में रासायनिक रूप से अधिक मजबूत है।

नैनोटेक्नोलॉजी का व्यावहारिक अनुप्रयोग

ग्रैफेन में अद्वितीय गुण होते हैं, लेकिन किसी विशेष क्षेत्र में उन्हें कैसे लागू किया जाए यह अभी भी एक प्रश्न है। यह अब एकल-इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर के लिए प्रोटोटाइप में उपयोग किया जाता है (बिल्कुल एक इलेक्ट्रॉन का संकेत प्रेषित करना)। यह माना जाता है कि भविष्य में, नैनोपोर्स के साथ दो-परत ग्रेफीन (एक परमाणु में छेद नहीं, बल्कि अधिक) गैसों या तरल पदार्थों के चयनात्मक शुद्धिकरण के लिए एक आदर्श सामग्री बन सकती है। यांत्रिकी में ग्राफीन का उपयोग करने के लिए, हमें बिना किसी दोष के सामग्री के बड़े क्षेत्रों की आवश्यकता होती है, लेकिन ऐसा उत्पादन तकनीकी रूप से अत्यंत कठिन है।

जैविक दृष्टि से भी ग्रैफीन के साथ एक समस्या उत्पन्न होती है: एक बार यह शरीर के अंदर पहुंच जाता है, तो यह सब कुछ जहर कर देता है। हालांकि दवा में, ग्रैफेन का उपयोग "खराब" डीएनए अणुओं (एक अन्य रासायनिक तत्व के साथ उत्परिवर्तन, आदि) के लिए एक सेंसर के रूप में किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, दो इलेक्ट्रोड इससे जुड़े होते हैं और डीएनए को इसके छिद्रों से गुजारा जाता है - यह प्रत्येक अणु पर एक विशेष तरीके से प्रतिक्रिया करता है।

यूरोप में पहले से ही पैन, साइकिल, हेलमेट और ग्रेफीन के साथ जूते के इनसोल का उत्पादन किया जा रहा है। एक फिनिश फर्म कारों के लिए कलपुर्जे बनाती है, खासकर टेस्ला कारों के लिए, जिसमें बटन, डैशबोर्ड के पुर्जे और स्क्रीन काफी मोटे नैनोट्यूब से बने होते हैं। ये उत्पाद टिकाऊ और हल्के होते हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी का क्षेत्र प्रयोगों की दृष्टि से और संख्यात्मक मॉडलिंग की दृष्टि से अनुसंधान के लिए कठिन है। कम कंप्यूटर शक्ति की आवश्यकता वाले सभी मूलभूत मुद्दों को पहले ही हल कर लिया गया है। आज, अनुसंधान के लिए मुख्य सीमा सुपर कंप्यूटर की अपर्याप्त शक्ति है।