Можно утверждать, что наибольшее влияние на развитие технологий оказывает материаловедение. Технологии могут развиваться, если использовать больше имеющихся у нас материалов, но новые материалы могут полностью изменить ситуацию. Неслучайно мы отмечаем разные технологические эпохи по преобладающему используемому материалу, например, бронзовый век и железный век. Но как мы изобретаем новые материалы?
Исторически новые материалы в основном открывались, а не изобретались. Или мы открывали технологии, которые позволяли нам использовать новые материалы. Металлургия, например, в основном заключалась в создании огня, достаточно горячего для плавки различных металлов. Иногда мы буквально открывали новые элементы, такие как алюминий или вольфрам, с желаемыми свойствами. Мы также выяснили, как изготавливать сплавы, комбинируя различные элементы для создания нового материала с уникальными или улучшенными свойствами. Добавление олова к меди позволило получить гораздо более прочный металл – бронзу. Хотя поиск новых полезных элементов в основном завершен, существует так много возможных комбинаций, что исследование новых сплавов по-прежнему является эффективным способом поиска новых материалов. На самом деле, недавно появившийся класс материалов, известный как “суперсплавы”, обладает невероятными свойствами, такими как высокая термостойкость.
Если нет новых элементов (кроме действительно крупных и, следовательно, нестабильных искусственных элементов), а у нас уже есть развитая наука о создании сплавов, что будет дальше? Существуют также материалы на химической основе, такие как полимеры, смолы и композиты, которые могут обладать превосходными свойствами, в том числе простотой изготовления. Пластмассы, несомненно, оказали огромное влияние на нашу технологию, и одними из самых прочных и легких материалов, которые у нас есть, являются углеродные композиты. Но, опять же, кажется, что мы уже сорвали этот низко висящий плод. Нам по-прежнему нужны новые, более качественные материалы.
Похоже, что новым рубежом материаловедения являются наноструктурированные материалы. Теперь дело не только в элементах, из которых изготовлен материал, но и в том, как атомы этого материала расположены на наноуровне. Мы находимся только в начале развития этой технологии. Этот подход позволил получить то, что мы называем метаматериалами – вещества, свойства которых определяются их структурой, а не только составом. Некоторые метаматериалы могут выполнять функции, которые ранее считались теоретически невозможными, например, фокусировать свет за пределами дифракционного предела. Другим классом структурированных материалов являются двумерные материалы, такие как углеродные нановолокна.
Однако проблема наноструктурированных материалов заключается в их производстве с высоким качеством и производительностью. Одно дело – использовать точную технологию в лаборатории в качестве доказательства концепции, но если мы не сможем массово производить такие материалы, они принесут пользу только самым крупным конечным пользователям. Это по-прежнему актуально для таких учреждений, как НАСА, но мы, вероятно, не увидим такие материалы на рабочем столе или дома.
Это подводит нас к теме сегодняшнего поста – использованию ДНК для управления сборкой наноматериалов. Это уже используется, и продолжается уже около десяти лет, но в недавней статье освещаются некоторые достижения в этой технологии: Трехмерные наноразмерные структуры из металла, оксида металла и полупроводника с помощью ДНК-программируемой сборки и создания шаблонов.
Здесь используется несколько методов. ДНК – это наноразмерная молекула, которая, по сути, эволюционировала для управления сборкой белков. Здесь не используется тот же процесс, но программируемая структура ДНК позволяет использовать ее для других целей. Первым шагом в описанном здесь процессе является использование ДНК для управления сборкой решетки из неорганического материала. Они проводят аналогию с тем, что решетка похожа на каркас дома. Она обеспечивает базовую конструкцию, но затем вы устанавливаете специальные конструкции (например, медные трубы для подачи воды и изоляции), чтобы обеспечить определенную функциональность.
Затем они используют два различных метода для пропитки решетки специальными материалами для обеспечения желаемых свойств – полупроводниками, диэлектриками, магнитной проводимостью и т.д. Одним из методов является парофазная инфильтрация, при которой нужные элементы вводятся в виде газа, который может глубоко проникать в структуру решетки. Другой способ – это инфильтрация в жидкой фазе, которая лучше переносит вещество на поверхность решетки.
Эти комбинации методов решают некоторые проблемы, связанные непосредственно с сборкой ДНК. Во-первых, этот процесс легко программируется. Это имеет решающее значение для создания различных трехмерных наноструктурированных материалов с различными свойствами. Во-вторых, в этом процессе используется принцип самосборки, который является еще одной важной концепцией для наноструктурированных материалов. Когда вы переходите к масштабу в 30 нм, вы не можете разместить отдельные атомы или молекулы в нужных местах. Вам нужен метод изготовления, который заставляет молекулы автоматически перемещаться туда, куда они должны, – к самосборке. Именно это происходит при проникновении в кристаллическую решетку.
Исследователи также надеются разработать метод, который позволит работать с различными материалами для получения целого ряда желаемых структур в рамках процесса, который можно будет масштабировать до уровня производства. Здесь они демонстрируют, по крайней мере, первые два свойства и демонстрируют потенциал для массового производства, но, конечно, это еще предстоит продемонстрировать на практике. Они работали с различными материалами, включая: ”цинк, алюминий, медь, молибден, вольфрам, индий, олово и платину, а также композиты, такие как оксид цинка, легированный алюминием, оксид индия-олова и оксид цинка, легированный платиной/алюминием”.
Я не знаю, продвинулись ли мы еще достаточно далеко, но это кажется большим шагом на пути к конечной цели – массовому производству специальных трехмерных наноструктурированных неорганических материалов, которые мы можем запрограммировать таким образом, чтобы они обладали целым рядом желаемых свойств. Однажды компьютерные чипы в вашем смартфоне или настольном компьютере могут сойти с конвейера, используя процесс, аналогичный описанному в этой статье. Или это может позволить создавать новые приложения, которые сегодня даже невозможны.
