Nanorobootika

Nanorobootika on tehnoloogia haru, mille eesmärgiks on luua masinaid või roboteid suuruses 1–10 mikromeetrit (10⁻⁶m), lähenedes nanoskaalale (10⁻⁹m). Täpsemalt nanorobootika viitab hüpoteetilisele nanotehnoloogia inseneri erialale, kus projekteeritakse ja ehitatakse nanoroboteid, mis koosnevad nanoskalaarsetest või molekulaarsetest komponentidest. Kuigi visionäärid on ette näinud nanorobootika tulevikku nanomeditsiinis ja molekulaarses sünteesis, siis selliste nanorobotite kuju ja täpsed ülesanded on veel ebaselged. Kaasaegse teaduse võimekusega on saanud võimalikuks proovida luua selliseid nanorobootilisi süsteeme ning nende juhtimiseks liidestada neid makromaailmaga. Vähe saadakse veel aru, kuidas rakendada “lisafunktsioone” nagu intelligentsust, replikatsioonivõimet ja mehaanilis-keemilist sünteesi.

Dr. Eric Drexleri ülim visioon on luua molekulaarne tootmine, mille põhikomponendiks on kokkupanija (inglise k. assembler) – mistahes nanoseadmeid ja -roboteid valmistava universaalse arvuti poolt juhitav seade, mis on võimeline ka iseennast reprodutseerima. See on midagi ribosoomi taolist elusrakus. Võib öelda, et bioloogia on selliseid süsteeme juba oma viisil loonud. Neid matkides oleks teoreetiliselt võimalik sarnaseid süsteeme ka molekulaartootmises kasutada. 

Nanorobootikale on pannud aluse varasemad avastused nagu skaneeriv tunnelmikroskoop (STM) ja hästi defineeritud nanomaterjalide süntees (fullereenid, süsiniknanotorud).

Teooria ja areng

Richard Feynman

Richard Zsigmondy uuris nanotehnoloogiat 20. sajandi alguses ja 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” , kus ta kirjeldab protsesse, kus manipuleeritakse üksikute aatomite ja molekulidega. Vastavalt Richard Feynmanile oli see tema endine õpilane ja kaastöötaja Albert Hibbs, kes esimesena pakkus välja meditsiinilised rakendused Feynmani teoreetilistele mikromasinatele. Hibbs arvas, et meditsiiniaparaadid võiksid tulevikus olla nii miniatuursed, et saaksid inimese sees eksisteerida.

• 1974 – professor Norio Taniguchi defineerib nanotehnoloogiat kui materjalide töötlemist,

lahutamist, konsolideerimist ja deformeerimist ühe aatomi või molekuli tasemel.

• 1980. aastatel avaldas Dr. Eric Dexler mitu teadusartiklit nanotasandi nähtustest ja seadmetest.

• 1981 – leiutati skaneeriv tunnelmikroskoop (STM).

• 1985 – avastati fullereenid (ainult süsiniku aatomitest koosnevad kera-, ellipsoidi- või torukujulised molekulid).

• 1986 – leiutati aatomijõumikroskoop (AFM) ja Dr. Eric Dexler avaldas raamatu “Engines of Creations: The Coming Era of Nanotechnology”, mida peetakse esimeseks nanotehnoloogia raamatuks.

• 1987 – esimene ühe elektroni transistor
• 1988 – töötati välja esimene valk
• 1989 – suudetakse kirjutada IBM vaid 35 ksenooniaatomiga
• 1991 – leiutati süsiniknanotorud
• 1999 – esimene ühemolekulilüliti
• 2000 – loodi USA nanotehnoloogia initsiatiiv valdkonna uurimiseks ja koordineerimiseks, mis pani alguse tõsistele jõupingutustele nanotehnloloogias.

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 passiivsed. Fullereenide reaktsioonivõimet saab suurendada nende pinnale aktiivseid rühmi sidudes.

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

Fullereeni hammasrattad

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

Süsiniknanotoru

Süsiniknanotorud

 Pikemalt artiklis Süsiniknanotorud

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

Omadused	Kirje	Andmed	Potentsiaalsed kasutusvaldkonnad nanorobootikas
Geomeetrilised	Kihid Ristlõike suhe Diameeter Pikkus	Üks/mitu 10–1000 ~0,4 nm to >3 nm – ühekihilised (SWNTs) ~1,4 nm to >100 nm – mitmekihilised (MWNTs) Mitmeid mikromeetreid (nöör – sentimeetreid)	Struktuurid, andurid, haaratsid / pintsetid, käärid
Mehaanilised	Youngi moodul Tõbetugevus Tihedus	~1 TPa (teras: 0.2 TPa) 45 GPa (teras: 2 GPa) ~1.33–1.4 g/cm3 (Al: 2.7 g/cm3)
	Vahekiht hõõrdumine	Väga väike	Aktuaatorid, laagrid, süstlad, lülitid, mälud
Elektroonilised	Elektrijuhtivus Voolukoormus Välja emissioon	Metalliline / Pooljuhtiv ~1 TA/cm3 (Cu: 1 GA/cm3) fosforit aktiveeriv ~1–3 V	Dioodid, transistorid, lülitid, loogika väravad Juhtmed / kaablid Lähedus / asendiandurid
Elektromehaanilised	Piesoelektriline	Positiivne/negatiivne	Deformatsioon / nihkeandurid
Termilised	Soojusülekanne	>3 kW/mK (Teemant: 2 kW/mK)	Ahelad, andurid, termilise aktuaatorid

Molekulaarmootorid

Molekulaarmootor koosneb diskreetsest arvust molekulidest/komponentidest ja sooritavad molekulaarseid ning supramolekulaarseid liigutusi. Tüüpiliselt suudab genereerida jõude pikonjuutonites.  Mootor reageerib energiale, mis tuleb valgus-, soojus- ja keemilisest energiast või elektrokeemilisest potentsiaalide vahest. Moodsamate mootorite toiteks on enamasti valgus ja potentsiaalide vahe, sest temperatuurigradienti on väikestel vahekaugustel raske säilitada ja keemilise energia jõul töötavad mootorid tekitavad jääkprodukte. Mootorite töötamine sõltub Browni liikumisest ja termodünaamika 2. seadusest, st töö ei teki juhuslikust liikumisest.

Molekulaarmootorite jagunemine:

• Biomolekulaarmootorid
• Sünteetilised molekulaarmootorid

1. Pöörlevad
2. Lineaarsed
3. DNA baasil

• Elektrostaatilised nanomootorid (süsiniknanotoru mootor)

Bakteriaalne molekulaarmootor (Flagellum)

Sünteetiline molekulaarmootor

Nanosensorid

Nanosensorid on bioloogilised, keemilised või kirurgilised sensoorsed punktid, mis edastavad nanoosakeste kohta teavet makromaailmale. Neid kasutatakse peamiselt erinevatel meditsiinilistel eesmärkidel, kuid peetakse ka vajalikuks tulevikus nanomõõtmeliste seadmete konstrueerimiseks.

Suunad

Sajad geelitilgad on nähtavad biokiibil

Biokiip

 Pikemalt artiklis Biokiip

Biokiibid on sisuliselt miniatuursed laboratooriumid, mis suudavad sooritada sadu või tuhandeid üheaegseid biokeemilisi reaktsioone. Biokiibid võimaldavad teadlastel kiiresti läbi sõeluda suurt hulka bioloogilisi analüüte erinevatel eesmärkidel (haiguste diagnoos, kahjulike ainete tuvastamine).

Nanoelektroonika, fotolitograafia ja biomaterjalide ühiskasutamine annab võimaluse nanorobotite tootmise meditsiinilisteks rakendusteks (kirurgilised, diagnoosivad ja ravimit transportivad instrumendid). Selline nanoskaalal valmistamise meetod on kasutusel hetkel elektroonikatööstuses. Niisiis praktilisi nanoroboteid tuleks integreerida nanoelektroonika seadmetele, mis lisaksid täiustatud võimalused meditsiiniaparaatidele.

Nubot

Nubot on lühend nukleiinhappe robotile. Nubotid on nanoskaalas orgaanilised molekulaarsed seadmed.DNA struktuur võib pakkuda vahendeid nanomehaaniliste seadmete 2D ja 3D kokkupanemiseks. DNA baasil masinaid saab aktiveerida, kasutades väikseid molekule, proteiine ja teisi DNA molekule.