Мир Политики

 По материалам информагентств

До сих пор рассуждения о нанороботах, которые перевернут мир, носили чисто теоретический характер — ученые только подступали к проблеме создания машин и механизмов, имеющих наноразмеры. И все же наука не стоит на месте, и первые образцы таких аппаратов уже появились.

Разумеется, первейшей задачей для разработчиков является задача создания движителя для нанороботов. На сегодняшний день определены два главных пути для ее решения.

Алекс Зеттл и его коллеги из Университета Калифорнии, что в Беркли, построили самый маленький в мире двигатель, поперечник которого составляет всего 200 нанометров — в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса! Двигатель использует силы поверхностного натяжения, которые в «наномире» играют куда большую роль, чем в привычном нам мире сантиметров и метров.

Полное название устройства — «Наноэлектромеханический осциллятор релаксации, приводимый силами поверхностного натяжения» («Surface-tension-driven nanoelectromechanical relaxation oscillator»). Оно состоит из двух мельчайших жидких капель металла индия, лежащих рядом друг с другом на подложке, составленной из углеродных нанотрубок. Одна из капель меньше другой. Когда через подложку пропускают слабый постоянный ток (десятки микроампер при напряжении 1,3-1,5 вольта), он вызывает убегание атомов из большой капли в меньшую. Поскольку диаметр меньшей капли при этом растет быстрее, чем уменьшается диаметр большой капли, наступает момент, когда меньшая капля соприкасается с большей, хотя по-прежнему уступает ей в размерах. В этот момент силы поверхностного натяжения заставляют убежавшие атомы вернуться к большей капле через точку контакта, и так восстанавливается первоначальное положение. Цикл начинается заново.

Этот двигатель можно было бы применять в нанороботах для движения и привода исполнительных механизмов, в миктоэлектромеханических схемах, в микроскопических датчиках и так далее.

К сожалению, принцип, положенный в основу установки, работает только при наномасштабах. Дело в том, что у этого нанодвигателя необычайно высокое отношение мощности к размерам. Если бы его можно было бы увеличить до размеров автомобильного двигателя, то потребляемая мощность осциллятора оказалась бы в сто миллионов раз больше.

Другим путем пошел Винсенто Бальзани из университета Болоньи. Вместе с коллегами из Испании и США он построил самый маленький и самый быстрый наномотор, состоящий всего из одной молекулы.

Поперечник этого двигателя, состоящего из молекулы ротаксан (rotaxane), не превышает 5 нанометров. В его составе есть кольцевая структура, способная смещаться вперед и назад на расстояние в 1,3 нанометра. При этом данное кольцо можно уподобить поршню классического двигателя внутреннего сгорания, так как наномотор работает в четыре цикла. В качестве топлива в этой молекуле выступает электрон, созданный солнечным светом, — он пробегает по цепочке атомов, заставляя смещаться кольцо. Затем электрон перебрасывается с одного конца молекулы на другой, заставляя «поршень» вернуться к исходному положению. К.п.д. двигателя составляет 12%.

Весь цикл движений занимает примерно 100 микросекунд. Все перемещения кольца и электрона, выбиваемого светом, ученые уподобляют впрыску топлива и сгоранию, выхлопу, всасыванию и сжатию в двигателе внутреннего сгорания.

Авторы работы отмечают, что их двигатель-молекула работает достаточно долго, пока есть свет. По крайней мере, опыты показали устойчивость ротаксана после тысячи циклов работы. Кроме того, этот двигатель совершенно автономен, может быть разогнан до частоты 1 килогерца и не требует особых условий — функционирует в жидких растворах при комнатной температуре.

Первый наноавтомобиль

Пока одни ученые разрабатывают двигатели наномашин, другие уже пытаются эти самые наномашины построить.

Джеймс Тур и его коллеги из Техасского университета имени Райса создали самый маленький в мире действующий автомобиль — он состоит из трех сотен атомов, собранных в одну сложную молекулу. Ширина автомобиля — 4 нанометра, чуть больше, чем толщина ДНК. Он имеет раму и оси, а каждое его колесо — это бакиболл, то есть сфера из 60 атомов углерода.

Конкуренты уже представляли объекты нанометрового масштаба, напоминающие внешне автомобили, однако Тур первым добился того, чтобы его молекулярная конструкция действительно катилась по поверхности подобно тому, как катятся автомобили на своих колесах.

При этом ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы увидеть свое творение и доказать, что оно действительно катится.

Джеймс Тур надеется, что в самое ближайшее время ему удастся создать наногрузовики, которые могли бы транспортировать на себе молекулы к конвейерам нанофабрик, где будут собираться объекты микроскопических размеров.

Маленький шаг нанороботов

Каждая машина Ли имеет поперечник один нанометр и представляет собой некое сочетание прутка и кольца. Эти кольца хаотически колеблются из-за теплового движения молекул, составляющих машину. При облучении ультрафиолетовым светом в машинах происходит химическая реакция, и все кольца синхронно смещаются к одному концу стержней. Это меняет свойства поверхности и, через силы поверхностного натяжения, приводит в движение каплю воды, лежащую на этих наномашинах сверху. Каждая машина способна подтолкнуть каплю на один нанометр, но вместе они сдвигают ее на целый миллиметр. Таким образом, действия нанообъектов уже можно увидеть в макромире, без всякого туннельного микроскопа.

  Без сомнения, этот маленький шаг нанороботов — большой шаг для всего человечества!