Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 23 (vyšlo 27. června, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Nanoantény v lékařství II

Margarita Plotnikova

Katedra telekomunikační techniky, FEL ČVUT

Jedna z oblastí využití nanotechnologií je lékařství. Zde, stejně jako v jiných oblastech, je nutné v případě aplikací vyžadujících komunikaci (ať již vzájemnou, nebo s vnějším prostředím) vyvinout patřičné technologie. V principu jde o tři základní možnosti:

Náš svět → nanosvět

Komunikace mezi entitami v našem světě s entitami v nanosvětě přenáší (zatím) zejména řídicí informace pro řízení našich nanobotů v nanosvětě, neboť doposud se předpokládá vztah nadřazenosti našeho světa vůči nanosvětu. Tato etapa se však může v budoucnu zcela obrátit.

Nanosvět → náš svět

Komunikace nanosvěta s naším světem má za úkol zejména přenášet stavové, identifikační a lokalizační informace tak, aby bylo možné získat přehled o dění v nanosvětě, a tím i podklady pro jeho řízení (respektive pro řízení nanostrojů v něm).

Nanosvět → nanosvět

S rozvojem inteligence nanostrojů lze v budoucnu předpokládat také rozvoj jejich vzájemné komunikace, což by umocnilo možné aplikace nanostrojů.

Umělecká vize nanobota

Umělecká vize nanobota. Zdroj: K. Eric Drexler.

Nanobot – zkratka slova nanorobot. Jedná se o miniaturní zařízení složené z nanokomponent, atomů či molekul, které dokáže vykonávat některé jednoduché funkce.

Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959.

Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů.

Na samotnou komunikaci, obdobně jako na komunikaci v „našem“ světě, můžeme nahlížet z různých hledisek. Příkladem může být komunikace v reálném čase, simplexní komunikace, duplexní komunikace, komunikace dle technologie přenosu atd. Komunikace se také může lišit podle přístupu – na jedné straně klasického prostřednictvím elektromagnetických vln, na druhé straně musíme v nanosvětě připustit i jiné způsoby komunikace, například chemickou, magnetickou, polohovou, tepelnou, nebo i zcela mechanickou (dotykem). Oblast je tedy značně široká, a proto se v tomto krátkém přehledu omezíme jenom na radiofrekvenční aplikace. To ovšem znamená, že budeme potřebovat soustavu vysílač/přijímač. K realizaci lze využít široké spektrum technologií, v nichž se vždy musíme zabývat vyzářením a přijetím energie na určité frekvenci. Klíčovým prvkem bude tedy anténa.

V současnosti se stále řeší otázka, co je nanoanténa a jaká bude její konstrukce. Vědci z celého světa hledají způsob, jak zkonstruovat anténu, která bude svými vlastnostmi odpovídat klasické anténě v rádiovém pásmu, ale při tom bude mít rozměr v nanometrech. Základním problémem je fakt, že na malých měřítcích neplatí ekvivalenty anténních systémů běžně používaných v současné radiokomunikaci. Na druhou stranu zde lze nalézt zcela nové principy realizace využívající přímo vlastnosti nanosvěta s jeho vlnovými charakteristikami. To může představovat výhodná řešení i pro jiné oblasti aplikace než v lékařství – například pro nové typy panelů převádějících elektromagnetickou energii (obvykle v infračervené části spektra) na elektrický proud [2]. Pro komunikaci samotnou však není použití těchto frekvencí výhodné – obvyklé jsou přijímače a vysílače používající frekvence v jednotkách GHz. Zde ovšem může nastat problém s rozměrem nanoantény představující ekvivalent dipólu.

Podívejme se proto na některé příklady již realizovaných anténních systémů. Už v roce 1928 bylo v práci Edwarda Synge [3] prokázáno,  že lze pro lokalizaci optického pole využít kovové nanočástice. Později John Wessel dokázal, že takové nanočástice mají vlastnosti antény a s jejich pomocí lze překonat difrakčníDifrakce – ohyb. Skládání mnoha vln do maxim a minim charakteristické vlnové délky. Zdrojem skládaných vln může být okraj malého otvoru, hrana překážky nebo periodická struktura (například krystalová mřížka). mez rozlišení optických přístrojů (je dána vlnovou délkou), a tím zvýšit jejich rozlišení až do 1 nm [4]. V moderní literatuře nazýváme tyto antény monopóly.

Přijímací a vysílací monopóly

Nanoantény – přijímací a vysílací monopóly [3].

Další skupinu představují nanoantény obdobné anténám pro rádiová pásma. Frekvenci mají v řádu desítek MHz s ostře směrovou charakteristikou. Příkladem je kosočtvercová anténa. Ta představuje vlnovod, postupně se rozšiřující na konci. Na následujícím obrázku je schematicky ukázáno rozmístění přijímací a vysílací antény na skleněné podložce (uprostřed) a simulace bezdrátového přenosu mezi nimi.

Tvar a simulované pole kosočtvercové antény

Nahoře: Tvar a vyzařovací diagram antény. Uprostřed: vysílač a přijímač na skleněné podložce. Dole: simulované pole kosočtvercové antény [3].

Za zmínku také stoji nanoanténa ve tvaru smyčky, která je ekvivalentem dipólu. Na následujícím obrázku je ukázána vyzařovací charakteristika jedné smyčky. Soustava takových smyček zaručuje lepší směrovost.

Směrová charakteristika antény ve tvaru očka

Nanoanténa ve tvaru smyčky a její směrová charakteristika [3].

Vzhledem k nedostatku počítačových aplikací pro návrh tvarů antén je velká skupina nanoantén navrhována intuitivně a většina experimentálně navržených tvarů vychází z obvyklých základních elementů – kružnice, desky atd. Příklady jsou uvedeny na obrázku.

Různé návrhy tvarů nanoantén

Různé návrhy tvarů nanoantén vycházející z jednoduchých geometrických objektů [3].

Kromě zkoumání vhodné geometrie antén je součástí výzkumu i oblast zabývající se využitím vlastností samotných materiálů. Existují dielektrické materiály s dostatečně velkou hodnotou reálné části dielektrické permitivity, které zároveň vykazuji nízké ztráty v oblasti optických kmitočtů. Jako příklad lze uvést křemík (Si, ε = 16), germanium (Ge, ε = 20), antimonid hliníku (AlSb, ε = 12), arsenid hliníku (AlAs, ε = 10) a mnoho dalších. Hodnota dielektrické permitivity těchto materiálů umožňuje nanočásticím vyrobeným na bázi těchto materiálů elektrickou a magnetickou rezonanci v oblasti optických kmitočtů. Příkladem jsou nanoantény využívající grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. – materiálu tvořeného atomy uhlíku, uspořádanými jako plochá dvourozměrná hexagonální struktura. Ta má nejenom vynikající mechanické vlastnosti, ale i zajímavé elektrické parametry a optické vlastnosti [6].

Šíření elektromagnetické vlny na povrchu grafenu

Šíření elektromagnetické vlny na povrchu grafenu. Zdroj: Georgia Tech.

Celkově lze konstatovat, že oblast návrhu samotných nanoantén představuje dynamickou, rychle se rozvíjející oblast, u které lze očekávat bouřlivý a dlouhodobý rozvoj praktických aplikací. V současné době se vyvíjejí zejména technologie pro nové panely převádějící světelnou energii. Velký potenciál využití nanoantén ale skýtá i oblast nanobotů, neboť teprve spolehlivá komunikace mezi nanoboty a nanobotů s vnějším prostředím teprve umožní aplikace nanostrojů v lékařské technice. 

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage