В 1978 году газета «Пионерская правда» опубликовала научно-фантастический рассказ известного теоретика изобретательской деятельности Генриха Сауловича Альтова (1926 – 1998) «20 лет спустя», где высказалась идея: «использовать атомы вместо колес» и иллюстрировалась таким рисунком:
Для создания такого устройства необходимо найти сочетание атомов и атомно-молекулярные структуры, в которых силы химического взаимодействия обеспечивали бы возможность механического сопряжения. На рисунке, представленном во введении этой книги, показан проект создания «наноредуктора» из 15342 атомов. (анимацию см. http://kbogdanov1.narod.ru/nanotechnology/Drexler.htm
). Несмотря на наличие других возможностей для передачи вращательного момента на наноуровне, такое устройство может быть востребовано практической наномеханикой. Этот пример демонстрирует важный принцип – возможность создания на наноуровне механических аналогов известных узлов и деталей современных машин.
Имеются реальные химические структуры конструктивно необходимые для наномеханики. Перечислим некоторые из них: ротаксаны, катенаны, фуллерены и нанотрубки.
Ротаксаны – соединения, молекулы которых состоят из цикла и открытой цепи, продетой сквозь цикл.
Из-за пространственных препятствий, создаваемых объемистыми группами X [например, (С6Н5)3С], разъединить такую композицию без разрыва химической связи невозможно.
Ротаксаны – соединения, молекулы которых состоят
из цикла и открытой цепи, продетой сквозь цикл.
С механической точки зрения молекулярная конструкция ротаксана соответствует оси на подшипнике. Он не требует смазки и не нагревается при работе. Кроме того, ротаксаны могут оказаться полезными и при создании новых «классических компьютеров» – на принципе смещения ротаксанного кольца уже создан экспериментальный микрочип, плотность битов у которого составляет около 100 млрд на 1 кв. см – примерно в 40 раз выше, чем у современных микросхем памяти.
Ниже приведена модель механического «молекулярного колеса», которое можно использовать в конструкциях нанороботов, а рядом – ее химическая структура.
Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2-гибридизации и соединенных посредством у- и р-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.
В 2010 г. Константин Гейм и Андрей Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике «За новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена».
Листы графена могут сворачиваться в нанотрубки и образовывать сферические фуллерены.
Нанотрубки и фуллерены как производные графена.
Ист. рис http://elementy.ru/news/430857
Углеродные нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку графитовых плоскостей (графенов).
Они образуются, например, на поверхности графитового катода в электрической дуге между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Отдельные нанотрубки достигают в диаметре 100 мкм. В зависимости от того, под каким углом была «свернута» графеновая плоскость при построении нанотрубки, результирующий материал имеет различные электрофизические свойства. Он может быть как металлом, так и полупроводником с заданной шириной запрещенной зоны.
Нанотрубки – это наиболее бурно развивающееся направление применения нанохимических конструкций. Уже есть сообщения об осуществляющемся применении углеродных нанотрубок в электронике, химическом катализе, медицине и других областях. Использование телескопических нанотрубок в наномеханике позволяет решить проблему не только передачи вращательного момента (что мы уже видели на примере ротаксанов), но и точно регулировать возвратно-поступательное перемещение деталей наномашин: В научно-исследовательском центре Эймса произведено присоединение молекулы бензола к внешней стороне нанотрубки для образования зубьев шестерни: