Fordítás it: 2009. március 1

11 min olvasni

A világ legkisebb rádiója

Egyetlen szén nanocső rádióként működhet, amely érzékeli és lejátssza a dalokat

Írta: Ed Regis

A nanotechnológia vitathatatlanul az egyik leginkább túlzásba vitt „következő nagy dolog” az alkalmazott tudomány közelmúltbeli történetében. Legradikálisabb szószólói szerint a nanotechnológia egy olyan molekuláris gyártási rendszer, amely lehetővé teszi, hogy gyakorlatilag tetszőleges bonyolultságú tárgyakat állítsunk elő molekulák egymás után mechanikai összekapcsolásával, amíg a végső, atomilag helyes termék a szemünk elé nem kerül.

A valóság némileg más volt: mára a „nano” szót annyira felhígították, hogy lényegében minden kicsire vonatkozik, egészen a „nanorészecskékig” az olyan változatos árucikkekben, mint a motorolaj, naptej, rúzs és síviasz. Ki gondolta volna tehát, hogy az egyik első valóban működőképes nanoméretű eszköz – amely mérhető hatással lesz a nagyobb, makroméretű világra –... rádiónak bizonyul? Ám a nanocsöves rádió, amelyet Alex Zettl fizikus és kollégái találtak fel 2007-ben a Kaliforniai Egyetemen, Berkeleyben, egy sor elképesztő bravúrt hajt végre: egyetlen szénnanocső ráhangol egy sugárzott jelet, felerősíti, audiojellé alakítja, majd majd elküldi egy külső hangszórónak olyan formában, amelyet az emberi fül könnyen felismer. Ha kétségei vannak ezzel az állítással kapcsolatban, látogasson el a www.sciam.com/nanoradio oldalra, és hallgassa meg a „Layla” című dalt.

A nanocsöves rádió a gyártók szerint számos forradalmi alkalmazás alapja lehet: hallókészülékek, mobiltelefonok és iPodok, amelyek elég kicsik ahhoz, hogy teljesen elférjenek a hallójáratban. A nanorádió „könnyen elférne egy élő sejtben” – mondja Zettl. "Elképzelhető interfészek az agyi vagy izomfunkciókhoz, vagy a rádióvezérlésű eszközökhöz, amelyek a véráramban mozognak."

A nanocső hívása
Zettl, aki 30, molekuláris méretű eszközök létrehozásával foglalkozó kutatót irányít, úgy döntött, hogy a nanocsöveket helyezi munkája középpontjába, mivel ezek figyelemre méltó szerkezetek. Az a kérdés, hogy ki fedezte fel először, ellentmondásos, de általában Sumio Iijima japán fizikus nevéhez fűződik, hogy felvette őket a tudományos térképre, amikor 1991-ben bejelentette, hogy „tűszerű széncsöveket” talált egy ívet kibocsátó grafitelektróda hegyén. , világító elektromos kisülés.

Ezeknek a nanocsöveknek volt néhány meglepő tulajdonsága. Nagyon sokféle méretű és formájú volt: egyfalúak, duplafalúak és többfalúak voltak. Némelyik egyenes volt, némelyik meggörbült, és némelyik toroid alakban még vissza is hurkolta magát. Mindegyikükben közös volt a kivételes szakítószilárdságuk, az ellenálló képesség a hosszuk mentén, törés nélkül való széthúzással szemben. Zettl szerint ennek a szokatlan tulajdonságnak az az oka, hogy „az erő, amely a szénatomokat összetartja a szén nanocsőben, a természet legerősebb kötése”. A nanocsövek kiváló elektromos vezetők is, sokkal jobbak, mint a réz, az ezüst vagy akár a szupravezetők. „Mert az elektronok nem ütköznek semmibe” – magyarázza. "A cső olyan tökéletes szerkezet."

Zettlnek akkor támadt a nanorádió ötlete, amikor úgy döntött, hogy olyan apró érzékelőeszközöket szeretne létrehozni, amelyek képesek kommunikálni egymással, és vezeték nélkül sugározzák megfigyeléseiket. „Meg kellett figyelniük a környezeti feltételeket” – mondja. Kiosztanák őket a terepen valamelyik gyár vagy finomító közelében, és az eredményeiket rádión visszaküldenék valamilyen gyűjtőhelyre. Ezután bárki felkeresheti a Google-t, „a város levegőminőségére kattintva megtekintheti azt valós időben”. A nanocső tömegérzékelő előállítását célzó kísérletek során Zettl egyik végzős hallgatója, Kenneth Jensen azt találta, hogy ha egy szén nanocső egyik végét egy felületre ültetik, ami egy konzolt hoz létre, akkor a sugár rezegni fog, amikor egy molekula leszáll. szabad végén. A különböző tömegű molekulák különböző frekvenciákon rezegtetik a nyalábot. Amikor Zettl észrevette, hogy e frekvenciák némelyike ​​a kereskedelmi rádió sávjában található, gyakorlatilag ellenállhatatlanná vált a konzolos nanocső felhasználásának gondolata rádió előállításához.

Zettl tudta, hogy a csupasz rádiónak négy lényeges része van: egy antenna, amely felveszi az elektromágneses jelet; egy tuner, amely kiválasztja a kívánt frekvenciát az összes sugárzott közül; egy erősítő, amely növeli a jel erősségét; és egy demodulátor, amely elválasztja az információs jelet a vivőhullámtól, amelyen továbbítják. Az információs komponens ezután egy külső hangszóróhoz kerül, amely a jelnek ezt a részét hallható hangokká alakítja.

Az eszköz magját képező szén nanocső olyan rendkívül kedvező kémiai, geometriai és elektromos tulajdonságok kombinációjának bizonyult, hogy egy sor elektróda közé helyezve a miniatűr elem önmagában mind a négy funkciót egyszerre látta el. Más alkatrészre nem volt szükség.

Zettl és Jensen egy átfogó terv kidolgozásával kezdte, amelyben egy többfalú szén nanocsövet építenek egy elektróda hegyére, egy olyan elrendezésben, amelyben a nanocső egy hegytetőn lévő zászlórúdra hasonlítana. Azért döntöttek a többfalú cső mellett, mert az valamivel nagyobb volt, mint a többi, és az elektróda felületére is könnyebb volt felszerelni, bár később építettek egy falú változatot is. A körülbelül 500 nanométer hosszú és 10 nanométer átmérőjű csövet (körülbelül bizonyos vírusok mérete és alakja) nanomanipulációs módszerekkel az elektródára helyeznék, vagy közvetlenül az elektródán növesztik fel a kémiai gőzleválasztásnak nevezett technikával. mely szénrétegek válnak ki egy ionizált gázból.

A csúcstól valamivel távolabb, félgömb alakú buckyball alakban lekerekítve egy ellenelektróda lenne. Kis egyenáramú (DC) feszültséget alkalmaznának az elektródákon, ami elektronáramlást hoz létre a nanocső csúcsától az ellenelektródáig. Az ötlet az volt, hogy a bejövő rádióadás elektromágneses hullámai becsapódnának a nanocsőbe, és az elektromágneses jel változásaival összhangban fizikailag rezegne. A bejövő rádióhullámokkal szinkronban rezgő nanocső antennaként működne, de másképpen működik, mint egy hagyományos rádió.

Egy normál rádióban az antenna elektronikusan veszi fel a bejövő jeleket, ami azt jelenti, hogy a bejövő hullámok elektromos áramot indukálnak az antennán belül, amely mozdulatlan marad. Ezzel szemben a nanorádióban a nanocső annyira karcsú és enyhén töltött tárgy, hogy a beérkező elektromágneses hullámok elegendőek ahhoz, hogy mechanikusan előre-hátra lökdösik.

„A nanovilág furcsa – más dolgok dominálnak” – írja le Zettl. "A gravitáció semmilyen szerepet nem játszik, és a tehetetlenségi hatások alapvetően nem léteznek, mert a dolgok olyan kicsik, hogy a maradék elektromos mezők domináns szerepet játszhatnak."

A nanocső rezgései viszont változást hoznának létre a nanocső csúcsától az ellenelektródáig folyó áramban: technikailag egy mező-emissziós áramot. A terepi emisszió egy kvantummechanikai jelenség, amelyben egy kis rákapcsolt feszültség nagy elektronáramlást hoz létre egy tárgy felületéről – mondjuk egy tűhegyről. A terepi emisszió működése miatt a nanocsőtől azt várták, hogy nemcsak antennaként, hanem erősítőként is működjön.

A nanocsövet érő kis léptékű elektromágneses hullám nagy elektronpermetet okozna a rezgő szabad végéből. Ez az elektronpermet felerősítené a bejövő jelet.

Következett a demoduláció, az a folyamat, amely során a rádióállomás vivőhullám-frekvenciáját elválasztják az információs üzenettől – hangtól vagy zenétől –, amely rá van kódolva. Egy amplitúdómodulációs (AM) rádióadásban például ezt az elválasztást egy egyenirányító és szűrő áramkör éri el, amely reagál az amplitúdóra, és figyelmen kívül hagyja (kiszűri) a vivőhullám jel frekvenciáját. Zettl csapata szerint ezek a funkciók is megvalósíthatók a nanocsöves rádióban: amikor egy nanocső mechanikusan rezeg a vivőhullám frekvenciájával összhangban, akkor a kódolt információs hullámra is reagál. Szerencsére a rektifikáció a kvantummechanikai térkibocsátás velejárója, ami azt jelenti, hogy a nanocsőből kilépő áram csak a kódolt vagy modulált információs hullámtól függ, míg a vivőhullám kiesik a képből. Ez ingyenes demoduláció lenne – nincs szükség külön áramkörre.
Iratkozzon fel napi hírlevelünkre
E-mail cím
Azzal, hogy megadja nekünk e-mail-címét, elfogadja a Today In Science hírlevelét, valamint a Felhasználási feltételeket és az Adatvédelmi szabályzatunkat .

Röviden: egy bejövő elektromágneses jel rezgésbe hozná a most antennaként működő nanocsövet. Rezgő vége felerősítené a jelet, a beépített egyenirányító térkibocsátási tulajdonsága pedig elválasztaná (vagy demodulálná) a vivőhullámot az információs hullámtól. Az ellenelektróda ezután érzékeli a térkibocsátási áram változásait, és egy dalt vagy híradást küld egy hangszóróra, amely a jelet hanghullámokká alakítja.

A Kísérlet elvégzése
Egyébként ez volt az elmélet. 2007 januárjában Zettl, Jensen és két másik Berkeley-kutató, Jeff Weldon és Henry Garcia végezte el a tényleges kísérletet. Egy többfalú szén nanocsövet szereltek fel egy szilíciumelektródára, és egy ellenelektródát helyeztek el körülbelül egy mikrométernyire, és a kettőt vezetékkel összekötték. Ezenkívül egy egyenáramú akkumulátort is csatlakoztattak a készülékhez, hogy kis mező-emissziós áramot hozzanak létre a nanocső csúcsa és az ellenelektróda között. Hogy valóban lássák, mi fog történni egy közeli antennáról érkező rádióadás során, készüléküket egy nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópba (TEM) helyezték. Aztán elkezdték sugározni.

A jól megszokott mese szerint az első telefonon küldött üzenet a következő volt: „Mr. Watson, gyere ide. Látni akarlak” – mondta Alexander Graham Bell 1876-ban. Az első vezeték nélküli átvitel, amelyet Guglielmo Marconi küldött 1894-ben, egy rádióhullám volt, amely 30 méterrel arrébb megszólalt egy csengőt. 2007 januárjában pedig a Zettl szén nanocsöves rádiójának első sikeres működése az Eric Clapton „Layla” című zenéjének rádió vétele volt (miközben Derekkel és a Dominóval játszott).

„Fantasztikus volt” – emlékszik vissza Zettl az élményre. „Úgy értem, látványos volt. Megnézhettük a nanocsövet [a TEM-ben], és az a tény, hogy láthattad ezt a molekuláris szerkezetet vibrálni, és egyszerre hallhattuk is, valami klassz. Soha nem gondoltam volna, hogy láthatok működni!” rádiót

Az eredményeket Ön is láthatja, mert a kísérletezők a teljes folyamatot – hangot és videót – dokumentálták, és a felvételt QuickTime filmmé konvertálták, amelyet a Zettl-csoport weboldalára tettek fel, ahonnan bárki ingyenesen letöltheti és lejátszhatja. Később ugyanezt tették a Beach Boys „Good Vibrations” című dalával; a „Main Title” téma a Star Warsból , John Williamstől; és a Xerxész largója , George Frideric Händel operája. „Ez az első dal, amelyet rádión keresztül továbbítottak” – magyarázza Zettl.

Ezeket a dallamokat hallani (és igen, még nézni is) szürreális élménynek lehet tanúja. Ahogy a folyamat beindul, egy hosszú, vékony, álló nanocső jelenik meg egy jellegtelen, szemcsés háttér előtt. A cső vízszintesen nyúlik ki egy sziklás kinézetű, szabálytalan felületről, egy rövidebb nanocső mellé, amely a körülötte zajló elektromágneses zűrzavartól mindvégig érintetlen marad. (A rövidebb nanocső érzéketlen az adásra, mert a rezonálási frekvencia, amely a hosszától függ, nem esik egybe a bejövő adás frekvenciájával.)

Hamarosan sok statikus hangot hall, de aztán a tű egyszerűen eltűnik egy vibrációs homályban, mivel a szóban forgó dal halványan, de felismerhetően hallható a háttérzaj felett. Lehet, hogy úgy hangzik, mint egy adás a Neptunuszból, de valójában ez egy hallható jelentés a zenével szinkronban mozgó megszámlálhatatlan számú szénatomról.

Röviddel a kezdeti siker után a kísérletezők eltávolították az eszközt a TEM-ből, kisebb változtatásokat hajtottak végre a rádió konfigurációján, majd a laboratórium hosszában, néhány méteres távolságban képesek voltak jeleket sugározni és fogadni. Valós időben is be tudták hangolni a különböző frekvenciákat, gyakorlatilag „változtatták az állomást”, miközben a rádió szólt.

A nanocsöves rádió kétféleképpen hangolható. Az egyik a hosszának megváltoztatása. Míg a gitárhúr hangját megváltoztathatja úgy, hogy lehajlítja a különböző szalagokhoz, a nanocsövek rezonanciafrekvenciáját megváltoztathatja lerövidítéssel – például atomok forralásával.

Ez a változás azonban visszafordíthatatlan. De ahogy van egy második módszer a gitárhúr hangmagasságának változtatására (nevezetesen a feszültség változtatásával), úgy a nanocsővel is. Az alkalmazott elektromos tér erősségének változtatásával a nanorádió a rádiósáv különböző frekvenciáira reagál.

Eszközük valójában a rádió mind a négy funkcióját egyszerre látta el: antenna, erősítő, demodulátor és tuner volt – mindez egyben. Zettl továbbra is lenyűgözi, hogy egy ilyen kicsi és egyszerű szerkezet egyesíti ezeket a funkciókat. Hogyan magyarázza szinte varázslatos konvergenciájukat egyetlen megnyúlt szénmolekulában?

„Az elektronikában gyakran van egy kompromisszum: ha ezt optimalizálja, akkor valami mást veszít el. Úgy tűnik, itt minden csak neked működik, ami kissé szokatlan. Ilyet nem gyakran látni a tudományban. Ez azon ritka lehetőségek egyike, hogy Murphy törvénye nem emeli fel a csúnya fejét. Itt minden jól megy, ami jól megy” – mondja.

-ben megjelent a Nano Letters Zettl és munkatársai több hónapig visszatartották a nanorádió hírét, amíg az Amerikai Kémiai Társaság folyóiratában, . A készülék hivatalosan 2007 októberében, majd a novemberi nyomtatott kiadásban debütált az interneten. Ugyanebben a nyomtatott számban két független kutató, Chris Rutherglen és Peter Burke, mindketten a Kaliforniai Egyetemen (Irvine) bejelentették, hogy szén nanocsövet használnak az AM jel demodulálására. A darabjukat „Carbon Nanotube Radio”-nak hívták, de a rádiójuk nem volt olyan minden az egyben készülék, mint a Zettlé. Rutherglen és Burke beállításában az antenna és az erősítő funkciókat hagyományos, életnagyságú asztali egységek biztosították. Burke a maga részéről elismeri, hogy a Zettl all-in-one rádiója „nagyon elegáns”.

Liliputi gyógyszerszállító rendszerek
Mivel a nanotechnológiát elméletek, remények és spekulációk gyűjteményéből praktikus, működő eszközzé alakítja, a nanocsöves rádió potenciálisan átalakító berendezés. A Zettl például nem szemérmes azzal, hogy előre lát egy csomó gyilkos alkalmazást, amelyet a nanorádió tesz lehetővé: a kommunikációs eszközök teljesen új generációját, az agy- és izomimplantátumokat és így tovább. Míg e futurisztikusabb alkalmazások némelyike ​​nem triviális további ismereteket és mérnöki ismereteket igényel ahhoz, hogy működőképessé váljon, mások inkább rövid távúak – például rádióvezérlésű gyógyszeradagoló rendszerek formájában.

Az elterjedt láthatatlan rákos megbetegedések visszaszorítására vagy a nem operálhatatlanok kezelésére szolgáló kemoterápia egyik hátránya, hogy a rákos sejtek elpusztítására használt kémiai szerek a véráramon keresztül eljutnak a test minden részébe, és gyakran elpusztítják az egészséges sejteket, valamint a rosszindulatú sejteket. Egyes Zettl-lel kapcsolatba került orvosok által javasolt megoldás az lenne, hogy először olyan csomagokat fecskendezzenek be, amelyek molekulárisan a rákos sejtekre irányulnak, és amelyek kemoanyagot, valamint nanorádiót tartalmaznak; Miután a csomagoknak időt hagytak a daganatok megtalálására, a rádió-vezérlő jelek kiváltják a gyógyszer felszabadulását a daganatsejtekbe, hogy megsemmisítsék azokat.

A második felhasználási mód az egyes sejtek helyreállítása lenne, gyógyszerek befecskendezésével. Zettl csoportja ebbe az irányba mozdult el azáltal, hogy a nanoinjekció finomléptékű megközelítésén dolgozott, amelyben a kutatók átszúrták a sejtfalakat és a membránokat, és nanocső szerkezeteket helyeztek be, ahol speciális vegyi anyagokat bocsátanak ki.

„A sejtek ezt nagyon jól bírják” – mondja Zettl. „Ez a nanoinjekciós technika sokkal jobban működik, mint a régi technika, ahol az emberek sejteket szúró és folyadékot fecskendező mikropipettákkal próbálkoztak. Ezek túl durvák és bomlasztóak a legtöbb élő sejt számára.” Zettl az eredeti nanocső tömegérzékelő alkalmazását is tervezi. A robbanóanyagok bizonyos típusai ismert tömegű jellegzetes molekulákat tartalmaznak, így egy apró műszer, amely gyorsan és megbízhatóan érzékeli ezeket a molekulákat, helyettesítheti a néhány repülőtéri biztonsági ellenőrző ponton jelenleg használatos, hűtőszekrény méretű robbanóanyag-érzékelő tömegspektrométereket. Egyelőre senki sem forgalmazza ezeket az eszközöket. Zettl azonban szabadalmaztatta nanorádióját, a nanotömeg-érzékelőt és más találmányait, amelyek az Integrált Nanomechanikai Rendszerek Központjából származtak, és megkezdte a technológia engedélyezését mások számára.

Talán nem meglepő, hogy Zettl néhány újabb vívmánya a nanovilágban úgy tűnik, hogy a liliputi határait átlépte. 2008 júliusában a Nature-ben bejelentette, hogy csoportjával egy elektronmikroszkópot koaxoltak a hidrogén, a természet legkisebb atomjának egyes atomjainak leképezésére. Lefelé haladva már nincs hova menni.


És itt: a PubMed-en is, nem engedi csatolni az oldal címét, így screenshot-ot illesztek be