eng
В России впервые создан инструментарий для исследователей и наноинженеров, который позволяет выполнять трехмерное манипулирование наночастицами. Работать с наноинструментами также просто и удобно, как с обычными элементами в макромире. Проект развивается Центром нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия.
Теги: nanoelectronics nanoengineering nanomanipulator наноинженерия наноманимуляторы наноэлектроника
Командой ученых из ИРЭ РАН, МИСиС, МИФИ и МФТИ разработана линейка уникальных миниатюрных инструментов на основе функциональных материалов с эффектом памяти формы. Новые микро- и наномеханические инструменты – нанопинцет, нанозахват, наноплоскогубцы и другие – дают возможность манипулирования нанообъектами, что может быть использовано во многих областях промышленности и науки. Закрепленные на кончике микроманипулятора наноинструменты можно сравнить с "нанопальцами", которые позволяют совершать сверхточные операции на наноуровне.
Эффективное манипулирование нанообъектами
Обычно в микроскопах используется манипулятор, который может передвигать нанообъект только в одной плоскости. Для перемещения по нескольким координатам и других операций, как правило, используются как минимум два манипулятора, которые необходимо вначале присоединять к нанообъектам, а после завершения манипуляций – отсоединять. В результате, подготовительные операции занимают от 20 минут до двух часов, что существенно ограничивает скорость исследований и преобразований нанообъектов.
Новые наноинструменты обеспечивают функционирование всех процессов в реальном времени без потерь на предварительные операции. Возможно манипулирование по трем координатам микро- и нанообъектов с размерами от 30 до 300 нм, включая перемещение, рассоединение связанных объектов (например, отделение наночастицы от подложки), поворот, изгиб и другие деформации, измерение механических свойств, подготовка проб, разрезание, интегрирование нанообъекта в систему. Благодаря этому новые инструменты не только расширяют возможности наблюдения наночастиц, но и позволяют превратить микроскоп в нанотехнологическую установку для создания наноустройств нового поколения или исследования свойств нанообъектов. Перечисленные функции можно реализовать практически во всех видах современных микроскопов – оптических, электронных, атомных силовых и ионных – в различных средах – вакууме, газах, жидкостях.
Уникальные сверхточные возможности совмещаются с предельно простым, удобным и интуитивным управлением – наноинструменты приводятся в действие простым нажатием кнопки без каких-либо предварительных операций. Простота управления обусловлена тем, что активация с помощью эффекта памяти формы (путем нагрева на температуру около 15°С или с помощью электрического тока) не требует ни мотора, ни линии передачи и обеспечивает предельно простой способ функционирования. Более того, рекордно маленькие инструменты имеют размеры одного порядка с наночастицами, что делает манипулирование простым, удобным и эффективным.
Развитие биомедицинских нанотехнологий с помощью новых инструментов
Уникальные возможности наноинструментов были продемонстрированы в эксперименте, где с помощью нанозахвата препарировали волосок на ножке комара в камере наблюдения ионного микроскопа. Следует отметить, что гораздо большие по размерам зарубежные аналоги практически не позволяют работать с биологическими объектами из-за неприемлемо высоких рабочих температур (350°С).
Современные медико-биологических методы исследований предполагают существенное уменьшение количества биологического материала. Некоторые типы клеток должны быть очень аккуратно, без повреждений отделены и экстрагированы. Например, при биопсии опухолевых клеток важно не повредить "сумку опухоли", так как в противном случае возможно распространение метастаз. Соразмерные исследуемым объектам наноинструменты могут проникать через пору в опухоль, не повреждая сумку, то есть предлагают новые уникальные возможности безопасного отбора проб для биопсии.
Использование наноинструментов впервые в мире дает возможности оперирования в замкнутом пространстве размером в несколько микрон, например, в капиллярах, внутри отдельных клеток опухолей и в других мельчайших полостях человеческого тела или других организмов. Это открывает следующие перспективы:
создание сверхточных и сверхминиатюрных инструментов для нанохирургии, в том числе клеточной, внутриклеточной и капиллярной;
нейронное протезирование;
тканевая инженерия с использованием манипуляций на уровне отдельных клеток;
разработка сверхминиатюрных активных катетеров, включая капсульные катетеры для колоноскопии и сердечно-сосудистой хирургии;
создание сверхминиатюрных биомикроэлектромеханических систем;
разработка сверхточной и сверхминиатюрной систем адресной доставки лекарств.
В биологии и медицине важно наблюдать и анализировать различные биохимические реакции в реальном времени для изучения структуры и функционирования отдельных клеток и других бионанообъектов. Наноинструменты дают возможность таких наблюдений благодаря отсутствию необходимости подготовки образцов и мгновенному срабатыванию нанозахватов.
Новые наноинструменты в прорывной наноэлектронике
Современные методы нанопроизводства можно разделить на два класса: bottom-up (снизу вверх) и top-down (сверху вниз). Самоорганизация на наноуровне представляется наиболее перспективной для типа bottom-up. Благодаря возможности манипулирования отдельными нанообъектами в реальном времени, наноинструменты предлагают новые пути реализации процессов bottom-up, а именно – сборку наноустройств из отдельных блоков (наночастиц) или молекулярный наноассемблер.
Разработки наномеханических и радиоэлектронных устройств на основе наночастиц ведутся уже достаточно давно. Наноинструменты способны обеспечить техническую реализацию производства таких наноустройств. Речь идет о создании нового поколения технологий сборки систем из крупных единичных молекул или отдельных наночастиц. Перспективными могут быть, например, следующие направления: молекулярный наноассемблер для крупных молекул (например, УНТ и ДНК) или частиц (например, графена); молекулярный механосинтез; измерение свойств индивидуальных нанообъектов; новое поколение нано- и микророботехники; нано- и микросенсорика; нано- и микрофлюидика; молекулярная лаборатория на чипе.
Таким образом, внедрение в исследовательскую практику новых инструментов, способных манипулировать нанообъектами в реальном времени, даст значительный импульс развитию индустрии наномеханизмов. При этом организации, которые первыми начнут использовать возможности новых наноинструментов, получат ощутимые преимущества в области исследований и разработки новых продуктов. ■
Эффективное манипулирование нанообъектами
Обычно в микроскопах используется манипулятор, который может передвигать нанообъект только в одной плоскости. Для перемещения по нескольким координатам и других операций, как правило, используются как минимум два манипулятора, которые необходимо вначале присоединять к нанообъектам, а после завершения манипуляций – отсоединять. В результате, подготовительные операции занимают от 20 минут до двух часов, что существенно ограничивает скорость исследований и преобразований нанообъектов.
Новые наноинструменты обеспечивают функционирование всех процессов в реальном времени без потерь на предварительные операции. Возможно манипулирование по трем координатам микро- и нанообъектов с размерами от 30 до 300 нм, включая перемещение, рассоединение связанных объектов (например, отделение наночастицы от подложки), поворот, изгиб и другие деформации, измерение механических свойств, подготовка проб, разрезание, интегрирование нанообъекта в систему. Благодаря этому новые инструменты не только расширяют возможности наблюдения наночастиц, но и позволяют превратить микроскоп в нанотехнологическую установку для создания наноустройств нового поколения или исследования свойств нанообъектов. Перечисленные функции можно реализовать практически во всех видах современных микроскопов – оптических, электронных, атомных силовых и ионных – в различных средах – вакууме, газах, жидкостях.
Уникальные сверхточные возможности совмещаются с предельно простым, удобным и интуитивным управлением – наноинструменты приводятся в действие простым нажатием кнопки без каких-либо предварительных операций. Простота управления обусловлена тем, что активация с помощью эффекта памяти формы (путем нагрева на температуру около 15°С или с помощью электрического тока) не требует ни мотора, ни линии передачи и обеспечивает предельно простой способ функционирования. Более того, рекордно маленькие инструменты имеют размеры одного порядка с наночастицами, что делает манипулирование простым, удобным и эффективным.
Развитие биомедицинских нанотехнологий с помощью новых инструментов
Уникальные возможности наноинструментов были продемонстрированы в эксперименте, где с помощью нанозахвата препарировали волосок на ножке комара в камере наблюдения ионного микроскопа. Следует отметить, что гораздо большие по размерам зарубежные аналоги практически не позволяют работать с биологическими объектами из-за неприемлемо высоких рабочих температур (350°С).
Современные медико-биологических методы исследований предполагают существенное уменьшение количества биологического материала. Некоторые типы клеток должны быть очень аккуратно, без повреждений отделены и экстрагированы. Например, при биопсии опухолевых клеток важно не повредить "сумку опухоли", так как в противном случае возможно распространение метастаз. Соразмерные исследуемым объектам наноинструменты могут проникать через пору в опухоль, не повреждая сумку, то есть предлагают новые уникальные возможности безопасного отбора проб для биопсии.
Использование наноинструментов впервые в мире дает возможности оперирования в замкнутом пространстве размером в несколько микрон, например, в капиллярах, внутри отдельных клеток опухолей и в других мельчайших полостях человеческого тела или других организмов. Это открывает следующие перспективы:
создание сверхточных и сверхминиатюрных инструментов для нанохирургии, в том числе клеточной, внутриклеточной и капиллярной;
нейронное протезирование;
тканевая инженерия с использованием манипуляций на уровне отдельных клеток;
разработка сверхминиатюрных активных катетеров, включая капсульные катетеры для колоноскопии и сердечно-сосудистой хирургии;
создание сверхминиатюрных биомикроэлектромеханических систем;
разработка сверхточной и сверхминиатюрной систем адресной доставки лекарств.
В биологии и медицине важно наблюдать и анализировать различные биохимические реакции в реальном времени для изучения структуры и функционирования отдельных клеток и других бионанообъектов. Наноинструменты дают возможность таких наблюдений благодаря отсутствию необходимости подготовки образцов и мгновенному срабатыванию нанозахватов.
Новые наноинструменты в прорывной наноэлектронике
Современные методы нанопроизводства можно разделить на два класса: bottom-up (снизу вверх) и top-down (сверху вниз). Самоорганизация на наноуровне представляется наиболее перспективной для типа bottom-up. Благодаря возможности манипулирования отдельными нанообъектами в реальном времени, наноинструменты предлагают новые пути реализации процессов bottom-up, а именно – сборку наноустройств из отдельных блоков (наночастиц) или молекулярный наноассемблер.
Разработки наномеханических и радиоэлектронных устройств на основе наночастиц ведутся уже достаточно давно. Наноинструменты способны обеспечить техническую реализацию производства таких наноустройств. Речь идет о создании нового поколения технологий сборки систем из крупных единичных молекул или отдельных наночастиц. Перспективными могут быть, например, следующие направления: молекулярный наноассемблер для крупных молекул (например, УНТ и ДНК) или частиц (например, графена); молекулярный механосинтез; измерение свойств индивидуальных нанообъектов; новое поколение нано- и микророботехники; нано- и микросенсорика; нано- и микрофлюидика; молекулярная лаборатория на чипе.
Таким образом, внедрение в исследовательскую практику новых инструментов, способных манипулировать нанообъектами в реальном времени, даст значительный импульс развитию индустрии наномеханизмов. При этом организации, которые первыми начнут использовать возможности новых наноинструментов, получат ощутимые преимущества в области исследований и разработки новых продуктов. ■
Отзывы читателей
