Les scientifiques ont failli créer des nanorobots. Il existe des matériaux pour cela: des nanoparticules, des nanotubes, du graphène, diverses protéines. Tous sont très fragiles - pour les étudier, il faut de nouveaux microscopes plus avancés qui n'endommagent pas l'appareil pendant le processus de recherche.
Les nanorobots peuvent être utiles dans de nombreux domaines de la vie humaine, principalement en médecine. Imaginez de minuscules appareils intelligents qui fonctionnent silencieusement à l'intérieur de nous, contrôlent divers paramètres, transmettant des données en temps réel directement sur le smartphone du médecin. Un tel robot doit être réalisé dans un matériau biocompatible non rejeté par le corps, il a également besoin d'une source d'alimentation et d'une mémoire.
La batterie n'aidera pas ici, car elle augmente la taille de l'appareil et il n'est pas facile de trouver un matériau biocompatible pour cela. Le problème est résolu à l'aide de piézoélectriques - des matériaux qui génèrent de l'énergie lorsqu'ils leur sont appliqués mécaniquement, comme la compression. Il y a aussi l'effet inverse - en réponse à l'action d'un champ électrique, les structures faites de matériaux piézoélectriques changent de forme.
Des nanorobots piézoélectriques biocompatibles peuvent être lancés dans les vaisseaux sanguins et convertissent leur pulsation en électricité. Une autre option consiste à alimenter les appareils en déplaçant les articulations et les muscles. Mais alors les nanorobots ne pourront pas agir en permanence, contrairement à ceux des vaisseaux.
Dans tous les cas, pour les nanorobots, il est nécessaire de sélectionner des matériaux adaptés et de déterminer exactement quelle pression doit être appliquée sur le dispositif pour y générer une impulsion électrique.
Relations atomiques
Une image tridimensionnelle d'un objet ou d'une surface à l'échelle nanométrique est obtenue à l'aide d'un microscope à force atomique. Cela fonctionne comme suit: les atomes de n'importe quelle substance interagissent les uns avec les autres, et de différentes manières, en fonction de la distance. A de grandes distances, ils s'attirent, mais à mesure qu'ils s'approchent, les couches électroniques des atomes se repoussent.
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«Une aiguille sonde avec une pointe de 1 à 30 nanomètres de diamètre s'approche de la surface de l'échantillon. Dès qu'il se rapproche suffisamment, les atomes de la sonde et de l'objet étudié commenceront à se repousser. En conséquence, le bras élastique, auquel l'aiguille est attachée, se pliera », explique Arseniy Kalinin, développeur principal chez NT-MDT Spectrum Instruments.
L'aiguille se déplace le long de la surface et toute différence de hauteur modifie le coude de la console, qui est enregistré par un système optique ultra-précis. Au fur et à mesure que la sonde passe au-dessus de la surface, le logiciel enregistre tout le relief et en construit un modèle 3D. En conséquence, une image se forme sur l'écran de l'ordinateur, qui peut être analysée: pour mesurer la rugosité globale de l'échantillon, les paramètres des objets sur la surface. De plus, cela se fait dans un environnement naturel pour les échantillons - liquide, vide, à différentes températures. La résolution horizontale du microscope n'est limitée que par le diamètre de la pointe de la sonde, tandis que la précision verticale des bons instruments est de dizaines de picomètres, ce qui est inférieur à la taille d'un atome.
L'aiguille d'un microscope à force atomique sonde l'échantillon / Service de presse universitaire de l'ITMO.
Depuis 30 ans de développement de la microscopie à force atomique, les scientifiques ont appris à déterminer non seulement le relief de surface de l'échantillon, mais aussi les propriétés du matériau: mécanique, électrique, magnétique, piézoélectrique. Et tous ces paramètres peuvent être mesurés avec la plus grande précision. Cela a grandement contribué aux progrès de la science des matériaux, de la nanotechnologie et de la biotechnologie.
Les biologistes sont aussi en affaires
La mesure des paramètres piézoélectriques est une caractéristique unique d'un microscope à force atomique. Pendant longtemps, il n'a été utilisé que pour l'étude des piézoélectriques à l'état solide. Le fait est que les objets biologiques sont assez mous; la pointe de la sonde les endommage facilement. Comme une charrue, il laboure la surface, déplace et déforme l'échantillon.
Récemment, des physiciens de Russie et du Portugal ont découvert comment fabriquer une aiguille de microscope à force atomique qui n'endommagerait pas un échantillon biologique. Ils ont développé un algorithme selon lequel la sonde, lorsqu'elle se déplace d'un point à un autre, s'éloigne de la surface juste assez pour ne pas interagir avec elle de quelque manière que ce soit. Puis il touche le sujet étudié et se relève, se dirigeant vers le point suivant. Bien sûr, l'aiguille peut encore appuyer un peu sur la surface, mais il s'agit d'une interaction élastique, après quoi un objet, que ce soit une molécule de protéine ou une cellule, est facilement restauré. De plus, la force de pression est contrôlée par un programme spécial. Cette technologie permet d'étudier une structure piézoélectrique biocompatible sans l'endommager.
«La nouvelle méthode est applicable à tout microscope à force atomique, à condition qu'il y ait une électronique haute vitesse spécialement conçue qui traite la réponse piézoélectrique de la console et un logiciel qui convertit les données en une carte. Une légère tension est appliquée à l'aiguille. Le champ électrique agit sur l'échantillon et la sonde lit sa réponse mécanique. La rétroaction est similaire, nous pouvons donc comprendre comment presser un objet pour qu'il réponde avec le signal électrique souhaité. Cela donne au chercheur un outil pour rechercher et étudier de nouvelles sources alimentaires biocompatibles », explique Kalinin.