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

23/2014

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. 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.

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.

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.

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 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. 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