Nanorobootika

Nanorobootika on robootika haru, mille eesmärgiks on luua masinaid või roboteid suuruses 0,1–10 mikromeetrit (10⁻⁶ m), lähenedes nanoskaalale (10⁻⁹ m). Täpsemalt viitab nanorobootika nanotehnoloogia erialale, kus projekteeritakse ja ehitatakse nanoroboteid, mis koosnevad nanoskalaarsetest või molekulaarsetest komponentidest. Kuigi nanorobootikale on ennustatud tulevikku nanomeditsiinis ja molekulaarses sünteesis, on võimalike nanorobotite kuju ja täpsed ülesanded veel ebaselged. Tänapäeva teadmistega on saanud võimalikuks luua nanorobootilisi süsteeme ja liidestada neid makromaailmaga. Välja töötamisel on viisid, kuidas rakendada lisafunktsioone nagu tehisintellekti, replikatsioonivõimet ja mehaanilis-keemilist sünteesi.

Nanotehnoloogia inseneri Eric Drexleri sõnul on lõppeesmärgiks molekulaarne tootmine, mille keskmeks on komplekteeriv koostur (ingl assembler) – mistahes nanoseadmeid ja -roboteid valmistav universaalne arvutijuhitav seade, mis on võimeline ka iseennast reprodutseerima. See sarnaneks ribosoomidega elusrakus. Võib öelda, et looduses on nanotootmissüsteemid juba omal viisil olemas. Neid matkides oleks teoreetiliselt võimalik sarnaseid süsteeme ka molekulaartootmises kasutada. 

Nanorobootikale on pannud aluse sellised varasemad avastused nagu skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM) ja nanomaterjalide süntees (fullereenid, süsiniknanotorud).

Ajalugu

Richard Feynman

Richard Zsigmondy uuris nanotehnoloogiat juba 20. sajandi alguses. Hilisemad avastused kulmineerusid ideedeks, mida esitas 29. detsembril 1959 füüsikust Nobeli auhinna võitja Richard Feynman oma essees “There's Plenty of Room at the Bottom”, milles ta kirjeldab protsesse, kus manipuleeritakse üksikute aatomite ja molekulidega. Richard Feynmani sõnul pakkus tema endine õpilane ja kaastöötaja Albert Hibbs esimesena välja meditsiinilisi rakendusi Feynmani teoreetilistele mikromasinatele. Hibbs arvas, et meditsiiniaparaadid võiksid tulevikus olla nii väiksed, et saaksid töötada inimese sees.

Nanorobootika arengu tähtsamad etapid

• 1974 – professor Norio Taniguchi defineeris nanotehnoloogiat kui materjalide töötlemist, lahutamist, konsolideerimist ja deformeerimist üksiku aatomi või molekuli tasemel.
• 1980. aastatel avaldas Eric Dexler mitu teadusartiklit nanotasandi nähtustest ja seadmetest.
• 1981 – leiutati skaneeriv tunnelmikroskoop (STM).
• 1985 – avastati fullereenid (ainult süsinikuaatomitest koosnevad kera-, ellipsoidi- või torukujulised molekulid); leiutati aatomijõumikroskoop (AFM).
• 1986 – ilmus Eric Drexleri raamat “Engines of Creations: The Coming Era of Nanotechnology”, mida peetakse esimeseks nanotehnoloogiaraamatuks.
• 1987 – loodi esimene üheelektroniline transistor.
• 1988 – töötati välja esimene nanotehnoloogiline valk.
• 1989 – suudeti kirjutada täheühend "IBM" vaid 35 ksenooniaatomiga.
• 1991 – leiutati süsiniknanotorud.
• 1999 – valmistati esimene ühemolekuliline lüliti.
• 2000 – USA-s loodi nanotehnoloogia initsiatiiv (National Nanotechnology Initiative) valdkonna uurimiseks ja koordineerimiseks, mis pani alguse tõsistele jõupingutustele nanotehnoloogias.

Nanorobootika ehituskivid

Fullereen C60

Fullereenid

 Pikemalt artiklis Fullereen

Üks fullereenide tähtsamaid füüsikalisi omadusi on nende elektrijuhtivus, mis tuleneb üle kogu molekuli delokaliseerunud elektronidest. Fullereenid on keemiliselt üsna stabiilsed, kuid mitte täiesti inertsed. Fullereenide reaktsioonivõimet saab parandada nende pinnale aktiivseid rühmi sidudes.

Fullereene kasutatakse fotosünteetiliste süsteemidena, mille abil saab valgusenergiat muuta keemiliseks energiaks. Valguse toimel fullereen ergastub ja toimub elektroni ülekanne.

Fullereenhammasrattad

C60-t kasutatakse elektronide aktseptorina, kuna sellel on suur elektronafiinsus. Samuti iseloomustab seda elektronide võrdlemisi laialdane delokaliseeritus kolmedimensionaalses pi-süsteemis. Selliste kahevalentsete molekulide puhul on oluline, et ergastatud olek oleks ajas võimalikult stabiilne, sest seda efektiivsemalt saab valgusenergiat keemiliseks energiaks muundada. Selleks tuleb hoolikalt valida molekuli osa, mis jääb doonori ja aktseptori vahele (ingl spacer).

Süsiniknanotoru

Süsiniknanotorud

 Pikemalt artiklis Süsiniknanotorud

Süsiniknanotoru (CNT – carbon nanotube) on silindrilise nanostruktuuriga süsiniku allotroop. Nende süsinikumolekulide ebaharilikke omadusi väärtustatakse nanotehnoloogias, optikas, materjaliteaduses ja teistes tehnoloogia valdkondades. Tänu erakordselt heale soojusjuhtivusele ning ainulaadsetele mehaanilistele ja elektrilistele omadustele sobivad nad kasutamiseks nanoelektroonikas, elektromehaanilistes mikrosüsteemides ja nanorobootikas.

Omaduste liik	Omadused	Näitajad	Potentsiaalsed kasutusvaldkonnad nanorobootikas
Geomeetrilised	kihid ristlõike suhe diameeter pikkus	üks/mitu 10–1000 ~0,4 nm kuni >3 nm – ühekihilised (SWNT-d) ~1,4 nm kuni >100 nm – mitmekihilised (MWNT-d) mitu mikromeetrit (köite puhul sentimeetrit)	struktuurid, andurid, haaratsid või pintsetid, käärid
Mehaanilised	Youngi moodul tõmbetugevus tihedus vahekihtide hõõrdumine	~1 TPa (teras: 0.2 TPa) 45 GPa (teras: 2 GPa) ~1.33–1.4 g/cm3 (Al: 2.7 g/cm3) väga väike	aktuaatorid, laagrid, süstlad, lülitid, mälud
Elektrilised	elektrijuhtivus voolukoormus elektronvälja emissioon	metall/pooljuht ~1 TA/cm3 (Cu: 1 GA/cm3) fosforit aktiveeriv ~1–3 V	dioodid, transistorid, lülitid, loogikaväravad juhtmed, kaablid lähedus- ja asendiandurid
Elektromehaanilised	piesoelektrilisus	positiivne/negatiivne	deformatsiooni- ja nihkeandurid
Termilised	soojusülekanne	>3 kW/mK (teemant: 2 kW/mK)	ahelad, andurid, termilised aktuaatorid

Molekulaarmootorid

Bakteriaalne molekulaarmootor (vibur)

Molekulaarmootor koosneb diskreetsest arvust molekulidest või komponentidest ning sooritab molekulaarseid ja supramolekulaarseid liigutusi. Tavaliselt suudab see genereerida jõude pikonjuutonites. Mootor reageerib valgus-, soojus- ja keemilisele energiale või elektrokeemiliste potentsiaalide vahele. Uuemate mootorite toiteallikaks on enamasti valgusenergia ja potentsiaalide vahe, sest temperatuurigradienti on väikestel vahekaugustel raske säilitada ja keemilise energia jõul töötavad mootorid tekitavad jääkprodukte. Mootorite töö sõltub Browni liikumisest ja termodünaamika II seadusest, st töö ei teki juhuslikust liikumisest.

Sünteetiline molekulaarmootor

Molekulaarmootorite liigitus

• Biomolekulaarmootorid
• Sünteetilised molekulaarmootorid

1. Pöörlevad
2. Lineaarsed
3. DNA-põhised

• Elektrostaatilised nanomootorid (süsiniknanotorumootor)

Nanosensorid

 Pikemalt artiklis Nanosensor

Nanosensorid on optilised, elektromagneetilised või mehaanilised seadmed, mis edastavad makromaailmale teavet nanoosakeste kohta. Neid kasutatakse peamiselt meditsiinilistel eesmärkidel, kuid peetakse vajalikuks ka tulevikus nanomõõtmeliste seadmete konstrueerimiseks.

Suunad

Sajad geelitilgad biokiibil

Biokiip

 Pikemalt artiklis Biokiip

Biokiibid on sisuliselt miniatuursed laboratooriumid, mis suudavad läbi viia sadu või tuhandeid üheaegseid biokeemilisi reaktsioone. Biokiibid võimaldavad teadlastel kiiresti läbi sõeluda suurt hulka analüüte (näiteks haiguste diagnoosimiseks ja kahjulike ainete tuvastamiseks).

Nanoelektroonika, fotolitograafia ja biomaterjalide ühendamine võimaldab toota nanoroboteid meditsiinilisteks eesmärkideks (kirurgilised, diagnostilised ja ravimit transportivad instrumendid). Sellised tehnoloogiad on tänapäeval kasutusel elektroonikatööstuses. Seega saaks mehaanilisi nanoroboteid integreerida nanoelektrooniliste seadmetega, mis täiustaksid meditsiiniliste aparaatide võimalusi.

Nubot

Nubot on lühend nukleiinhapperobotist. Nubotid on nanoskaalal orgaanilised molekulaarsed seadmed. DNA struktuur võib pakkuda võimalusi nanomehaaniliste seadmete kahe- ja kolmemõõtmeliseks komplekteerimiseks. DNA-baasil masinaid saab aktiveerida, kasutades väikseid molekule, proteiine ja DNA molekule.