La conquête de la nature par l'homme n'est pas encore terminée. En tout cas, jusqu'à ce que nous ayons encore capturé le nanomonde et y établi nos propres règles. Voyons ce que c'est et quelles opportunités nous offre le monde des objets mesurés en nanomètres.
Qu'est-ce que "nano"?
Il était une fois les réalisations de la microélectronique. Nous sommes maintenant entrés dans une nouvelle ère de nanotechnologie. Alors, quel est ce «nano», qui ici et là a commencé à s'ajouter aux mots habituels, leur donnant un nouveau son moderne: nanorobots, nanomachines, nanoradio, etc. Le préfixe «nano» est utilisé dans le Système international d'unités (SI). Il est utilisé pour former la notation des unités décimales. C'est un milliardième de l'unité d'origine. Dans ce cas, il s'agit d'objets dont les dimensions sont déterminées en nanomètres. Cela signifie qu'un nanomètre est un milliardième de mètre. A titre de comparaison, un micron (aka le micromètre qui a donné le nom à la microélectronique, et en plus, à la microbiologie, à la microchirurgie, etc.) est un millionième de mètre.
Si nous prenons l'exemple des millimètres (le préfixe «milli-» est un millième), alors dans un millimètre il y a 1 000 000 nanomètres (nm) et, par conséquent, 1 000 micromètres (μm). Les cheveux humains ont une épaisseur moyenne de 0,05 à 0,07 mm, soit 50 000 à 70 000 nm. Bien que le diamètre des cheveux puisse être écrit en nanomètres, c'est loin d'être le nanomonde. Allons plus loin et voyons ce qui existe déjà maintenant.
La taille moyenne des bactéries est de 0,5 à 5 µm (500 à 5 000 nm). Les virus, l'un des principaux ennemis des bactéries, sont encore plus petits. Le diamètre moyen de la plupart des virus étudiés est de 20 à 300 nm (0,02 à 0,3 μm). Mais l'hélice d'ADN a un diamètre de 1,8 à 2,3 nm. On pense que le plus petit atome est un atome d'hélium, son rayon est de 32 pm (0,032 nm) et le plus grand est le césium 225 pm (0,255 nm). En général, un nanoobjet sera considéré comme un objet dont la taille dans au moins une dimension est à l'échelle nanométrique (1 à 100 nm).
Pouvez-vous voir le nanomonde?
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Bien sûr, je veux voir tout ce qui se dit de mes propres yeux. Eh bien, au moins dans l'oculaire d'un microscope optique. Est-il possible de regarder dans le nanomonde? La manière habituelle, comme nous l'observons, par exemple, les microbes, est impossible. Pourquoi? Parce que la lumière, avec un certain degré de convention, peut être appelée nanowaves. La longueur d'onde de la couleur violette, à partir de laquelle commence la gamme visible, est de 380 à 440 nm. La longueur d'onde de la couleur rouge est de 620 à 740 nm. Le rayonnement visible a des longueurs d'onde de centaines de nanomètres. Dans ce cas, la résolution des microscopes optiques conventionnels est limitée par la limite de diffraction d'Abbe à environ la moitié de la longueur d'onde. La plupart des objets qui nous intéressent sont encore plus petits.
Par conséquent, la première étape vers la pénétration dans le nanomonde a été l'invention du microscope électronique à transmission. De plus, le premier microscope de ce type a été créé par Max Knoll et Ernst Ruska en 1931. En 1986, le prix Nobel de physique a été décerné pour son invention. Le principe de fonctionnement est le même que celui d'un microscope optique classique. Seulement à la place de la lumière, un flux d'électrons est dirigé vers l'objet d'intérêt, qui est focalisé par des lentilles magnétiques. Si un microscope optique a donné une augmentation d'environ mille fois, alors un microscope électronique était déjà des millions de fois. Mais il a aussi ses inconvénients. Tout d'abord, il est nécessaire d'obtenir des échantillons de matériaux suffisamment fins pour le travail. Ils doivent être transparents dans un faisceau d'électrons, de sorte que leur épaisseur varie de 20 à 200 nm. Deuxièmement, c'estque l'échantillon sous l'influence de faisceaux d'électrons peut se décomposer et devenir inutilisable.
Une autre variante du microscope à faisceau électronique est le microscope électronique à balayage. Il ne brille pas à travers l'échantillon, comme le précédent, mais le scanne avec un faisceau d'électrons. Cela permet d'examiner des échantillons plus épais. Le traitement de l'échantillon analysé avec un faisceau d'électrons génère des électrons secondaires et rétroréfléchis, visibles (cathodoluminescence) et des rayons X, qui sont capturés par des détecteurs spéciaux. Sur la base des données reçues, une idée de l'objet se forme. Les premiers microscopes électroniques à balayage sont apparus au début des années 1960.
Les microscopes à sonde à balayage sont une classe relativement nouvelle de microscopes qui est apparue déjà dans les années 80. Le prix Nobel de physique 1986 déjà mentionné a été partagé entre l'inventeur du microscope électronique à transmission, Ernst Ruska, et les créateurs du microscope à effet tunnel, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer. Les microscopes à balayage permettent non pas d'examiner, mais de "sentir" le relief de la surface de l'échantillon. Les données résultantes sont ensuite converties en une image. Contrairement au microscope électronique à balayage, la sonde utilise une aiguille à balayage pointue pour son fonctionnement. L'aiguille, dont la pointe n'a que quelques atomes d'épaisseur, agit comme une sonde, qui est amenée à la distance minimale de l'échantillon - 0,1 nm. Pendant le balayage, l'aiguille se déplace sur la surface de l'échantillon. Un courant tunnel se produit entre la pointe et la surface de l'échantillon,et sa valeur dépend de la distance qui les sépare. Les changements sont enregistrés, ce qui permet de construire une carte de hauteur sur leur base - une représentation graphique de la surface de l'objet.
Un principe de fonctionnement similaire est utilisé par un autre microscope de la classe des microscopes à sonde à balayage - la force atomique. Il y a aussi une pointe de sonde, et un résultat similaire - une représentation graphique du relief de la surface. Mais ce n'est pas l'amplitude du courant qui est mesurée, mais l'interaction de force entre la surface et la sonde. Tout d'abord, il s'agit des forces de van der Waals, mais aussi des forces élastiques, des forces capillaires, des forces d'adhérence et autres. Contrairement au microscope à effet tunnel, qui ne peut être utilisé que pour étudier les métaux et les semi-conducteurs, le microscope à force atomique permet également l'étude des diélectriques. Mais ce n'est pas son seul avantage. Cela permet non seulement de regarder dans le nanomonde, mais aussi de manipuler les atomes.
Molécule de pentacène. A est un modèle de molécule. B - image obtenue par un microscope à effet tunnel. C - image obtenue par un microscope à force atomique. D - plusieurs molécules (AFM). A, B et C sur la même échelle
Photo: Science
Nanomachines
Dans la nature, à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire au niveau des atomes et des molécules, de nombreux processus ont lieu. Nous pouvons, bien sûr, encore influencer la manière dont ils procèdent. Mais nous le faisons presque aveuglément. Les nanomachines sont un instrument ciblé pour travailler dans le nanomonde; ce sont des dispositifs qui permettent de manipuler des atomes et des molécules uniques. Jusqu'à récemment, seule la nature pouvait les créer et les contrôler. Nous sommes à un pas du jour où nous pouvons le faire aussi.
Nanomachines
Photo: warosu.org
Que peuvent faire les nanomachines? Prenons la chimie, par exemple. La synthèse de composés chimiques est basée sur le fait que nous créons les conditions nécessaires pour qu'une réaction chimique se déroule. En conséquence, nous avons une certaine substance à la sortie. À l'avenir, des composés chimiques peuvent être créés, relativement parlant, mécaniquement. Les nanomachines pourront connecter et séparer des atomes et des molécules individuels. En conséquence, des liaisons chimiques seront formées ou, au contraire, les liaisons existantes seront rompues. La construction de nanomachines permettra de créer les structures moléculaires dont nous avons besoin à partir d'atomes. Nanorobots chimistes - synthétisent des composés chimiques. Il s'agit d'une percée dans la création de matériaux aux propriétés souhaitées. En même temps, c'est une percée dans la protection de l'environnement. Il est facile de supposer que les nanomachines sont un excellent outil de recyclage des déchets,qui, dans des conditions normales, sont difficiles à éliminer. Surtout si on parle de nanomatériaux. Après tout, plus les progrès techniques progressent, plus il est difficile pour l'environnement de faire face à ses résultats. Pendant trop longtemps, la décomposition des nouveaux matériaux inventés par l'homme a lieu dans le milieu naturel. Tout le monde sait combien de temps il faut pour décomposer les sacs en plastique jetés - un produit de la révolution scientifique et technologique précédente. Qu'arrivera-t-il aux nanomatériaux, qui, tôt ou tard, deviendront des déchets? Les mêmes nanomachines devront faire leur traitement.combien de temps les sacs en plastique mis au rebut se décomposent - un produit d'une précédente révolution scientifique et technologique. Qu'arrivera-t-il aux nanomatériaux, qui, tôt ou tard, deviendront des déchets? Les mêmes nanomachines devront faire leur traitement.combien de temps les sacs en plastique mis au rebut se décomposent - un produit d'une précédente révolution scientifique et technologique. Qu'arrivera-t-il aux nanomatériaux, qui, tôt ou tard, deviendront des déchets? Les mêmes nanomachines devront faire leur traitement.
Nanomachine à roue fullerène
Photo: warosu.org
Les scientifiques parlent de mécanosynthèse depuis longtemps. C'est une synthèse chimique qui a lieu à travers des systèmes mécaniques. Son avantage réside dans le fait qu'il permettra le positionnement des réactifs avec une grande précision. Mais jusqu'à présent, aucun outil ne permettrait de le mettre en œuvre efficacement. Bien entendu, les microscopes à force atomique existants aujourd'hui peuvent agir comme de tels instruments. Oui, ils permettent non seulement de regarder dans le nanomonde, mais aussi d'opérer avec des atomes. Mais ils, en tant qu'objets du macrocosme, ne sont pas les mieux adaptés à l'application de masse de la technologie, ce qui ne peut pas être dit des nanomachines. À l'avenir, ils seront utilisés pour créer des convoyeurs moléculaires entiers et des nanofactories.
Mais il existe déjà des nanofactories biologiques entières. Ils existent en nous et dans tous les organismes vivants. C'est pourquoi des avancées en médecine, en biotechnologie et en génétique sont attendues de la nanotechnologie. En créant des nanomachines artificielles et en les introduisant dans des cellules vivantes, nous pouvons obtenir des résultats impressionnants. Premièrement, les nanomachines peuvent être utilisées pour le transport ciblé de médicaments vers l'organe souhaité. Nous n'avons pas à prendre de médicaments, sachant que seule une partie de celui-ci atteindra l'organe malade. Deuxièmement, les nanomachines prennent déjà le relais des fonctions d'édition du génome. La technologie CRISPR / Cas9, issue de la nature, vous permet de modifier le génome des organismes unicellulaires et supérieurs, y compris les humains. De plus, il ne s'agit pas seulement de modifier le génome des embryons, mais aussi le génome des organismes vivants adultes. Et les nanomachines feront tout cela.
Nanoradio
Si les nanomachines sont notre instrument dans le nanomonde, elles doivent en quelque sorte être contrôlées. Cependant, il n'est pas non plus nécessaire d'inventer quelque chose de fondamentalement nouveau ici. La radio est l'une des méthodes de contrôle les plus probables. Les premiers pas dans ce sens ont déjà été franchis. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory, dirigé par Alex Zettle, ont créé un récepteur radio à partir d'un seul nanotube d'environ 10 nm de diamètre. De plus, le nanotube agit à la fois comme antenne, sélecteur, amplificateur et démodulateur. Le récepteur nano-radio peut recevoir des ondes FM et AM avec une fréquence de 40 à 400 MHz. Selon les développeurs, l'appareil peut être utilisé non seulement pour recevoir un signal radio, mais également pour le transmettre.
Les ondes radio reçues font vibrer l'antenne nanoradio
nsf.gov
La musique d'Eric Clapton et des Beach Boys a servi de signal de test. Les scientifiques ont transmis un signal d'une partie de la pièce à une autre, où se trouvait la radio qu'ils ont créée. Il s'est avéré que la qualité du signal était assez bonne. Mais, naturellement, le but d'une telle radio n'est pas d'écouter de la musique. Le récepteur radio peut être appliqué dans une variété de nanodispositifs. Par exemple, dans les mêmes nanorobots délivrant des médicaments qui se dirigeront vers l'organe souhaité par la circulation sanguine.
Nanomatériaux
La création de matériaux aux propriétés auparavant impossibles à imaginer est une autre opportunité que nous offre la nanotechnologie. Pour être considéré comme «nano», un matériau doit avoir une ou plusieurs dimensions à l'échelle nanométrique. Soit être créé à l'aide de nanoparticules, soit grâce à la nanotechnologie. La classification la plus pratique des nanomatériaux aujourd'hui est selon la dimension des éléments structurels dont ils sont composés.
Zéro dimension (0D) - nanoclusters, nanocristaux, nanodispersions, points quantiques. Aucun des côtés du nanomatériau 0D ne va au-delà de l'échelle nanométrique. Ce sont des matériaux dans lesquels les nanoparticules sont isolées les unes des autres. Les premières structures complexes de dimension nulle obtenues et appliquées en pratique sont les fullerènes. Les fullerènes sont les antioxydants les plus puissants connus aujourd'hui. En pharmacologie, les espoirs de création de nouveaux médicaments reposent sur eux. Les dérivés du fullerène se montrent bien dans le traitement du VIH. Et lors de la création de nanomachines, les fullerènes peuvent être utilisés comme pièces. La nanomachine avec des roues de fullerène est illustrée ci-dessus.
Fullerène
Photo: wikipedia.org
Unidimensionnel (1D) - nanotubes, fibres et bâtonnets. Leur longueur varie de 100 nm à des dizaines de micromètres, mais leur diamètre se situe à l'échelle nanométrique. Les matériaux unidimensionnels les plus connus aujourd'hui sont les nanotubes. Ils ont des propriétés électriques, optiques, mécaniques et magnétiques uniques. Dans un proche avenir, les nanotubes devraient trouver des applications dans l'électronique moléculaire, la biomédecine et dans la création de nouveaux matériaux composites ultra-résistants et ultralégers. Les nanotubes sont déjà utilisés comme aiguilles dans les microscopes à effet tunnel et à force atomique. Ci-dessus, nous avons parlé de la création de nanoradio à base de nanotubes. Et, bien sûr, l'espoir repose sur les nanotubes de carbone en tant que matériau pour le câble de l'ascenseur spatial.
Nanotube de carbone
Photo: wikipedia.org
Bidimensionnel (2D) - films (revêtements) d'épaisseur nanométrique. C'est le graphène bien connu - une modification allotropique bidimensionnelle du carbone (le prix Nobel de physique pour 2010 a été attribué au graphène). Le silicène - une modification bidimensionnelle du silicium, du phosphore - du phosphore, du germanène - du germanium est moins connu du public. L'année dernière, les scientifiques ont créé le borofène, qui, contrairement à d'autres matériaux bidimensionnels, s'est avéré non plat, mais ondulé. La disposition des atomes de bore sous la forme d'une structure ondulée fournit les propriétés uniques du nanomatériau obtenu. Borofen prétend être le leader de la résistance à la traction parmi les matériaux bidimensionnels.
Structure du borophène
Photo: MIPT
Les matériaux bidimensionnels devraient trouver une application dans l'électronique, dans la conception de filtres pour le dessalement de l'eau de mer (membranes de graphène) et dans la création de cellules solaires. Dans un proche avenir, le graphène pourrait remplacer l'oxyde d'indium - un métal rare et coûteux - dans la production d'écrans tactiles.
Les nanomatériaux tridimensionnels (3D) sont des poudres, des matériaux fibreux, multicouches et polycristallins, dans lesquels les nanomatériaux à une dimension, à une dimension et à deux dimensions ci-dessus sont des éléments structurels. Adhérant étroitement les uns aux autres, ils forment des interfaces entre eux - des interfaces.
Types de nanomatériaux
Photo: thesaurus.rusnano.com
Un peu plus de temps passera et la nanotechnologie - les technologies de manipulation d'objets à l'échelle nanométrique deviendront monnaie courante. Tout comme les technologies microélectroniques sont devenues familières, nous donnant des ordinateurs, des téléphones portables, des satellites et de nombreux autres attributs de l'ère de l'information moderne. Mais l'impact des nanotechnologies sur la vie sera beaucoup plus large. Des changements nous attendent dans presque toutes les sphères de l'activité humaine.
Sergey Sobol
