Нанотехнологии

Молекулярные моторы: как химия создаёт нанороботов будущего
(И почему Нобелевская премия 2016 года изменила правила игры)

Введение: От молекул к машинам

В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал, как частицы пыльцы беспорядочно двигаются в воде. Сегодня мы не просто объяснили это явление — мы научились проектировать молекулы, которые движутся целенаправленно. Речь о молекулярных моторах — синтетических структурах, способных преобразовывать энергию в механическую работу. Это не фантастика: такие «наномашины» уже доставляют лекарства в клетки, сортируют молекулы и даже генерируют механическую силу.

Что такое молекулярный мотор?

В этой части «Наноматериалов и …» рассматриваются УНТ на фоне глобальных вызовов тех, что названы в долгосрочном прогнозе научно-технологического развития РФ до 2030.
– Повышение экологических требований к производству
– Глобальный дефицит энергоресурсов и сырья для производства новых материалов
– Угроза негативного воздействия нанопродуктов на здоровье и безопасность человека
– Распространение новых загрязняющих веществ (в том числе наночастиц) в окружающей среде. Угроза неконтролируемого распространения продуктов, производимых с использованием нанотехнологий

В статье, как и в предшествующих статьях этого цикла, рассматривается многообразие структур и основ устройства, свойств, синтеза, классификация, и области применения углеродных нанотрубок (УНТ) (англ. carbon nanotube сокр., CNT; SWNT; MWNT) открывающих возможности создания материалов и устройств с новыми замечательными свойствами.

Оптическая электроника направлена на интеграцию оптических и электронных систем на невероятно высоких скоростях с использованием сверхбыстрых колебаний световых полей.

Представьте себе, как работает телефонный звонок: ваш голос преобразуется в электронные сигналы, смещается на более высокие частоты, передаётся на большие расстояния, а затем снова смещается вниз, чтобы его было ясно слышно на другом конце. Процесс, обеспечивающий такое смещение частот сигнала, называется смешением частот, и он необходим для таких коммуникационных технологий, как радио и Wi-Fi. Смесители частот являются жизненно важными компонентами во многих электронных устройствах и обычно работают с использованием частот, которые колеблются от миллиардов (ГГц, гигагерц) до триллионов (ТГц, терагерц) раз в секунду.

Научные и прикладные исследования в сфере нано- материалов и технологий ( НМ и НТ), области вычислительной техники проводятся широким фронтом во всем мире и РФ не является исключением. Известный закон Мура показывает, что люди практически исчерпали возможности полупроводниковых материалов, и носителей информации на которых базируется электронная техника. Рост быстродействия вычислений за счет уменьшения элементов и увеличения их количества на единице площади подошел к своему физическому пределу.
Специалисты это понимают и предпринимают определенные попытки для сохранения темпов развития цивилизации. Разыскивают и создают новые материалы, физические принципы, разрабатывают теории, позволяющие находить выход из приближающегося кризиса. Но их мало и возможности их ограничены. Дело не только в финансах и отсутствии новых перспективных теорий. Огромное значение приобретает этическая сторона, что мы уже видим в биологических исследованиях, в искусственном интеллекте и других направлениях. (Кодекс этики ИИ и всеобщая декларация о биоэтике и правах человека и др.)
Оказалось, что эта сфера очень слабо разработана и предпринимаемые меры оказываются без четкого обоснования, а часто сильно запаздывающими.   
В предлагаемой публикации автор касается всего лишь одной сферы деятельности людей, связанной с вычислениями и вычислительными средствами.  (см. здесь).

Химики Санкт-Петербургского государственного университета создали наномаркеры, с помощью которых можно наносить невидимые метки на товары и различные металлические предметы. Эта разработка поможет защитить ценные изделия от незаконного копирования и помешать появлению контрафакта на рынке металлов. Нанометки были разработаны под руководством постдока СПбГУ Дарьи Мамоновой в рамках гранта Российского научного фонда. О том, как работают наномаркеры, рассказала один из авторов разработки, доктор химических наук, профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения) Алина Маньшина.

Одна из самых причин смерти – это проблема с сердечно-сосудистой системой. Но задолго до момента смерти проблема с кровотоком значительно отравляет жизнь, снижая когнитивные способности и подтачивая общую выносливость организма. Новые наночастицы призваны улучшить состояние организма.

• Смерть массивной звезды от чёрной дыры стала крупнейшим и ярчайшим событием своего рода

• НАСА впервые продемонстрировало в космосе «ультрахолодный» квантовый датчик

• Учёные создали материал, способный измерять температуру наноразмерных объектов

• Данио-рерио используют удивительную стратегию для восстановления спинного мозга

• Учёные-любители заметили объект, движущийся со скоростью 1,5 миллиона км/ч

Струйные насосы-эжекторы

В статье про тепловые узлы домов уже рассматривался элеваторный узел как вариант использования водоструйного насоса с приводом от напора тепловых сетей.

Элеватор вовсе не уникальное устройство, а лишь одна из версий применения широко известного  семейства «струйных насосов».

Такими струйными насосами могут быть как водо-водяные, так и водо-газовые, газо-водяные или газо-газовые насосы. (см.рис.1.)

• Радость спорта: Как просмотр спортивных состязаний может улучшить самочувствие

• В процессе изучения самого мощного космического взрыва за всю историю наблюдений астрономы столкнулись с неожиданностью

• Исследователи разработали растягивающийся дисплей на квантовых точках

• Первая в природе фрактальная молекула собирается в треугольник Серпинского, и мы не знаем почему

• Обнаружена новая странная форма золота в виде листа толщиной в один атом

Одними из самых жутких и одновременно эффективных изобретений нашей цивилизации являются кассетные боеприпасы и химиотерапия. На английском языке кассетные боеприпасы называются «cluster munition» или «cluster bomb». Именно с кассетными боеприпасами сравнивается удивительный класс противораковых препаратов, которые разрабатываются с начала XXI века. Это капсулы, которые собирают нанотехнологическим методом, начиняют активным веществом, доставляют к опухоли и дистанционно подрывают (например, при помощи ультразвука). Этот терапевтический подход практически не рассмотрен на Хабре (не считая одной новости, опубликованной уважаемым @SLY_G а в настоящее время всё более причудливо сочетает нанотехнологии с биотехнологией и генной инженерией. Рассмотрим его подробнее.

В фильме «Бладшот» армия нанороботов в крови превращает главного героя в бессмертного суперсолдата, наделенного сверхсилой и способностью мгновенно самоисцеляться.

В фильме «Не время умирать» враждебные наноботы попадают в кровь Джеймса Бонда и заражают его вирусом.

В игре Fortnite инопланетные наноботы могут воссоздавать атмосферу планеты пришельцев.

А как обстоят дела с наноботами в реальной жизни? Во сколько оценивается мировой рынок? Какие интересные разработки предлагают компании? И главное, как всё начиналось и для чего?

В июне 2021 года я затрагивал в этом блоге тему наступающего углеродного века – публиковал статьи «Очень крепкие мячики. Фуллереновый конструктор и другие заметки на заре углеродного века» и «Космический лифт. Как, зачем, из чего». Под статьёй о космическом лифте развернулась жаркая дискуссия со множеством критических замечаний (124 комментария), и меня особенно позабавил комментарий Алексея Журавкова @Alex_SLV: «Каждые 3 месяца приходит человек и пишет про космический лифт, думая, что такова уж точно не было, нанотехнологии!». Также очень проницателен был комментарий Сергея Соколова @kolu4iy: «Была у меня старая советская книжка, в которой этот аспект был затронут. И по подсчётам оказалось, что все, что летает на геостационарной орбите или ниже, обязано с данным лифтом встретится. А поскольку лифта ещё нет, а спутников там уже много — выбор человечества, собственно, уже сделан, и не в пользу лифта». Я же полагаю, что ни фуллереновые молекулярные клетки, ни кабели из нанотрубок до сих пор не стали технологической обыденностью именно из-за сложности промышленного получения фуллеренов заданной формы и нанотрубок макроскопической длины. При этом новейшие исследования подсказывают, что хорошим полуфабрикатом для таких структур могут послужить обычная сажа и пепел, получаемый при сжигании полициклических углеводородов в присутствии катализатора. Об этом поговорим под катом.