Los científicos han estado cerca de crear nanorobots. Hay materiales para esto: nanopartículas, nanotubos, grafeno, varias proteínas. Todos ellos son muy frágiles: para estudiarlos se necesitan microscopios nuevos y más avanzados que no dañen el dispositivo durante el proceso de investigación.
Los nanorobots pueden ser útiles en muchas áreas de la vida humana, principalmente en medicina. Imagina pequeños dispositivos inteligentes que trabajan silenciosamente dentro de nosotros, controlan varios parámetros y transmiten datos en tiempo real directamente al teléfono inteligente del médico. Dicho robot debe estar hecho de un material biocompatible que no sea rechazado por el cuerpo, también necesita una fuente de energía y memoria.
La batería no ayudará aquí, ya que aumenta el tamaño del dispositivo, y no es fácil encontrar un material biocompatible para él. El problema se resuelve con la ayuda de piezoeléctricas, materiales que generan energía cuando se les aplica mecánicamente, como la compresión. También existe el efecto contrario: en respuesta a la acción de un campo eléctrico, las estructuras hechas de materiales piezoeléctricos cambian de forma.
Los nanorobots piezoeléctricos biocompatibles se pueden lanzar a los vasos sanguíneos y convierten su pulsación en electricidad. Otra opción es alimentar los dispositivos moviendo las articulaciones y los músculos. Pero entonces los nanorobots no podrán actuar constantemente, a diferencia de los de los vasos.
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En cualquier caso, para los nanorobots, es necesario seleccionar materiales adecuados y determinar exactamente cuánta presión se debe aplicar al dispositivo para generar un impulso eléctrico en él.
Relaciones atómicas
Se obtiene una imagen tridimensional de un objeto o superficie a nanoescala utilizando un microscopio de fuerza atómica. Funciona de la siguiente manera: los átomos de cualquier sustancia interactúan entre sí, y de diferentes formas, dependiendo de la distancia. A grandes distancias, se atraen, pero a medida que se acercan, las capas de electrones de los átomos se repelen entre sí.
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“Una aguja sonda con una punta de 1-30 nanómetros de diámetro se acerca a la superficie de la muestra. Tan pronto como se acerque lo suficiente, los átomos de la sonda y el objeto en estudio comenzarán a repeler. Como resultado, el brazo elástico al que está unida la aguja se doblará”, dice Arseniy Kalinin, desarrollador principal de NT-MDT Spectrum Instruments.
La aguja se mueve a lo largo de la superficie y cualquier diferencia de altura cambia la curvatura de la consola, que se registra mediante un sistema óptico ultrapreciso. A medida que la sonda pasa sobre la superficie, el software registra todo el relieve y crea un modelo 3D del mismo. Como resultado, se forma una imagen en la pantalla de la computadora, que se puede analizar: para medir la rugosidad general de la muestra, los parámetros de los objetos en la superficie. Además, esto se realiza en un entorno natural para las muestras: líquido, vacío, a diferentes temperaturas. La resolución horizontal del microscopio está limitada solo por el diámetro de la punta de la sonda, mientras que la precisión vertical de los buenos instrumentos es de decenas de picómetros, que es menor que el tamaño de un átomo.
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La aguja de un microscopio de fuerza atómica sondea la muestra / ITMO University Press Service.
Durante 30 años de desarrollo de la microscopía de fuerza atómica, los científicos han aprendido a determinar no solo el relieve de la superficie de la muestra, sino también las propiedades del material: mecánicas, eléctricas, magnéticas, piezoeléctricas. Y todos estos parámetros se pueden medir con la mayor precisión. Esto ha contribuido en gran medida al progreso de la ciencia de los materiales, la nanotecnología y la biotecnología.
Los biólogos también están en el negocio
La medición de parámetros piezoeléctricos es una característica única de un microscopio de fuerza atómica. Durante mucho tiempo, se utilizó solo para el estudio de piezoeléctricas de estado sólido. El hecho es que los objetos biológicos son bastante blandos, la punta de la sonda los daña fácilmente. Como un arado, ara la superficie, desplaza y deforma la muestra.
Recientemente, físicos de Rusia y Portugal descubrieron cómo hacer una aguja de microscopio de fuerza atómica que no dañe una muestra biológica. Desarrollaron un algoritmo según el cual la sonda, al moverse de un punto a otro, se aleja de la superficie lo suficiente para no interactuar con ella de ninguna manera. Luego toca el tema en estudio y vuelve a subir, dirigiéndose al siguiente punto. Por supuesto, la aguja todavía puede presionar un poco la superficie, pero esta es una interacción elástica, después de la cual un objeto, ya sea una molécula de proteína o una célula, se restaura fácilmente. Además, la fuerza de presión se controla mediante un programa especial. Esta tecnología permite estudiar una estructura piezoeléctrica biocompatible sin dañarla.
“El nuevo método es aplicable a cualquier microscopio de fuerza atómica, siempre que haya una electrónica de alta velocidad especialmente diseñada que procese la respuesta piezoeléctrica de la consola y un software que convierta los datos en un mapa. Se aplica un ligero voltaje a la aguja. El campo eléctrico actúa sobre la muestra y la sonda lee su respuesta mecánica. La retroalimentación es similar, por lo que podemos descubrir cómo apretar un objeto para que responda con la señal eléctrica deseada. Esto le da al investigador una herramienta para buscar y estudiar nuevas fuentes de alimentos biocompatibles”, explica Kalinin.
