Как не раздавить наноробота

Ученые вплотную приблизились к тому, чтобы создавать нанороботов. Материалы для этого есть: наночастицы, нанотрубки, графен, различные белки. Все они очень хрупкие — чтобы их изучать, нужны новые, более совершенные микроскопы, не повреждающие устройство в процессе исследования. 

Нанороботы могут быть полезны во многих сферах человеческой жизни, и в первую очередь в медицине. Представьте себе крошечные умные устройства, которые незаметно работают у нас внутри, контролируют разные параметры, передавая данные в реальном времени прямо на смартфон врачу. Такой робот должен быть из биосовместимого материала, не отторгаемого организмом, ему также понадобятся источник питания и память.

Батарейка здесь не поможет, поскольку она увеличивает размер устройства, да и подобрать биосовместимый материал для нее непросто. Проблема решается с помощью пьезоэлектриков — материалов, которые вырабатывают энергию при механическом воздействии на них, например сжатии. Существует и обратный эффект — в ответ на воздействие электрическим полем структуры из пьезоэлектриков меняют свою форму.

Можно запустить биосовместмые пьезоэлектрические нанороботы в кровеносные сосуды, и они преобразуют их пульсацию в электроэнергию. Другой вариант — питать устройства за счет движения суставов и мышц. Но тогда нанороботы не смогут действовать постоянно, в отличие от тех, что в сосудах.

В любом случае для нанороботов необходимо подобрать подходящие материалы и точно определить, с какой силой нужно надавить на устройство, чтобы в нем возник электрический импульс.

Атомные отношения

Объемное изображение объекта или поверхности на наноуровне получают с помощью атомно-силового микроскопа. Работает он следующим образом: атомы в любом веществе взаимодействуют между собой, причем по-разному, в зависимости от расстояния. На больших расстояниях они притягиваются, но при сближении электронные оболочки атомов отталкиваются друг от друга.

Игла перемещается вдоль поверхности, и любые перепады высоты меняют изгиб консоли, что регистрирует сверхточная оптическая система. По мере прохождения зонда над поверхностью программное обеспечение записывает весь рельеф и строит его трехмерную модель. В итоге на экране компьютера образуется картинка, которую можно анализировать: измерять общую шероховатость образца, параметры объектов на поверхности. Причем это делается в естественной для образцов среде — жидкости, вакууме, при разных температурах. Разрешение микроскопа по горизонтали ограничено лишь диаметром острия зонда, а по вертикали точность хороших приборов составляет десятки пикометров, что меньше размера атома.

Игла атомно-силового микроскопа ощупывает образец

За 30 лет развития атомно-силовой микроскопии ученые научились определять не только рельеф поверхности образца, но и свойства материала: механические, электрические, магнитные, пьезоэлектрические. И все эти параметры можно измерить с высочайший точностью. Это весьма способствовало прогрессу материаловедения, нанотехнологий и биотехнологий.

Биологи тоже в деле

Измерение пьезоэлектрических параметров — уникальная особенность атомно-силового микроскопа. Долгое время ее использовали только для исследования твердотельных пьезоэлектриков. Дело в том, что биологические объекты довольно мягкие, острие зонда легко повреждает их. Словно плуг, оно пропахивает поверхность, смещает и деформирует образец.

Российские ученые создали микроскоп, "видящий" объект и снаружи, и внутри
Недавно физики из России и Португалии придумали, как сделать иглу атомно-силового микроскопа, не повреждающую биологический образец. Они разработали алгоритм, по которому зонд при движении от одной точки к другой удаляется от поверхности ровно настолько, чтобы никак не взаимодействовать с ней. Потом он касается изучаемого предмета и снова поднимается, направляясь к следующей точке. Конечно, игла все равно может немного надавить на поверхность, но это упругое взаимодействие, после которого объект, будь то молекула белка или клетка, легко восстанавливается. Кроме того, сила давления контролируется специальной программой. Эта технология позволяет изучать биосовместимую пьезоэлектрическую структуру, не травмируя ее.

"Новый метод применим на любом атомно-силовом микроскопе при наличии специально разработанной высокоскоростной электроники, обрабатывающей пьезоэлектрический отклик-сигнал с консоли, и программного обеспечения, преобразующего полученные данные в карту. На иглу подается небольшое напряжение. Электрическое поле воздействует на образец, а зонд считывает его механический отклик. Обратная реакция аналогична, поэтому мы можем понять, как сдавить объект, чтобы он откликнулся нужным электрическим сигналом. Это дает исследователю инструмент для поиска и изучения новых биосовместимых источников питания", — поясняет Калинин.