Применение нанотехнологий (1075549), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Среди крупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят пример с радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одном кристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всеми стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее.

Благодаря интегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать не только для внешней коммуникации, но и для внутренней - например, между отдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будут сделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей. На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика и приемника

Теория нанороботов

Так как нанороботы имеют микроскопические размеры, то их, вероятно, потребуется очень много для совместной работы в решении микроскопических и макроскопических задач. Рассматривают стаи нанороботов, которые не способны к репликации (т. н. «сервисный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь» и др. варианты). Нанороботы широко описаны в научной фантастике, так в фильме Терминатор 2: Судный день, робот T-1000 наглядно демонстрирует потенциальные возможности использования нанороботов в военной технике. Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит», «наноген» и «наномуравей», однако, технически правильным термином в контексте серьезных инженерных исследований все равно остается первоначальный вариант.

Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи» высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определенном пространстве нанозавода. Кроме того, еще только предстоит разработать процесс саморепликации, который сделает данную нанотехнологию безопасной. Кроме того, свободная саморепликация роботов является гипотетическим процессом и даже не рассматривается в текущих планах научных исследований.

Молекулярный мотор

Однако, имеются планы по созданию медицинских нанороботов, которые будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Такие нанороботы не могут быть получены в ходе самостоятельного копирования, так как это вероятно приведет к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надежность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого, нанороботов планируется изготавливать в специализированных медицинских нанофабриках.

Молекулярный пропеллер

В связи с развитием направления научных исследований нанороботов сейчас наиболее остро стоят вопросы их конкретного проектирования, такие как зондирование, силовые связи между молекулами, навигация, инструментарий для манипуляций, двигательный аппарат, молекулярные моторы и бортовой компьютер, предназначенный для решения медицинских задач. Хотя большая часть этих задач еще не решена и отсутствуют детальные инженерные предложения, создано «Сотрудничество по разработке нанофабрик», основанное Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле в 2000 году, деятельность которого сосредоточена на разработке практической программы исследований, которая направлена на создание контролируемой алмазной механосинтетической нанофабрики, которая будет способна к производству медицинских нанороботов на основе алмазных соединений.

Потенциальная сфера применений

Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации.

• Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки

• Биомедицинский инструментарий

• Хирургия

• Фармакокинетика

• Мониторинг больных диабетом

• Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам

• Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия

• Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана, способные нести на околоземной орбите пушку Гаусса)

Какие подсистемы должен иметь наноробот?

• Так как основная функция наноробота - передвижение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему.

• Устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.

• Также нанороботу необходима мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам, и обратно.

• Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором телескопических наноманипуляторов разного применения.

• Материал, из которого будет изготовлен наноробот - алмазоид или сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.

• Также необходимо наличие приемо - передаточных устройств, позволяющих нанороботам связываться друг с другом.

• И, наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты.

На основании выдвинутых требований можно построить модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае, это устройство будет способно "ремонтировать" поврежденные клетки, ткани; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды; производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой; уничтожать бактерии, вирусы, и т.п. Максимальный размер устройства не должен превышать 1x1x3 микрона (без двигательных жгутиков). Ниже на картинке представлен вид наноробота, выполненного из алмазоида (рис. 1, 2).

Рис. 1. Медицинский наноробот общего применения из алмаза

Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому приемно-передающие антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса. Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики должны быть телескопическими, и при необходимости должны складываться в корпус робота для того, чтобы робот смог лучше передвигаться в кровеносном русле. Иммунная система, в основном, реагирует на «чужеродные» поверхности. Размер наноробота также играет важную роль при этом, так же как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие («организованное», т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна. Для такого наноробота, можно будет использовать нанокомпьютер, производящий ~10^6-10^9 операций в секунду для исполнения своей работы. Это на 4-7 порядков меньше вычислительной мощности человеческого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду. Так что этот наноробот не будет обладать искусственным интеллектом.

Рис. 2. Объяснение его структуры

Не забудьте также, что это всего лишь описательная работа. Она не основана на результатах каких-либо расчетов. Ниже мы рассмотрим отдельные подсистемы наноробота (рис. 3, 4, 5).

Рис. 3. Двигательная подсистема и подсистема заякоривания

Рис. 4. Сенсорная и обрабатывающая подсистема

Рис. 5. Транспортная подсистема

Для работы с внутриклеточными структурами нанороботу вовсе не обязательно целиком проникать внутрь клетки (можно повредить внутриклеточный цитоскелет). зато телескопические наноманипуляторы предотвратят повреждение органелл и цитоскелета. Ниже приведены рисунки, изображающие наноробота в кровеносной системе, и наноробота, ремонтирующего клетку in vivo (рис. 6, 7).

Рис. 6. Нанороботы в кровеносной системе

Рис. 7. Наноробот ремонтирует клетку

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы, полезно будет использовать еще один тип нанороботов - коммунноцитов [1], которые будут работать в виде усилительных станций.

1. Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — система образец + игла, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая таким образом туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 A.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.

Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см?), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

СТМ был изобретен в начале 1980-х годов Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, которые в 1986 году за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике.

1. Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп (англ. AFM - atomic force microscope) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Атомно-силовой микроскоп применяется для снятия профиля поверхности и для изменения её рельефа, а также для манипулирования микроскопическими объектами на поверхности.

Принцип работы

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) представляет собой систему образец + игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ.

Характеристики

Список файлов книги