Нанокомпозиттер – тапсырыспен жасалатын материалдар, яғни негізгі макроскопиялық материалға (матрицаға) нанобөлшектерді енгізу есебінен жасалатын материалдардың жаңа түрі. Мысалы, кейбір нанокомпозиттер силикаты балшықтың бөлшектерін пластамассаға немесе керамикаға енгізу негізінде жасалады. Бұндай аса қатты нанокомпозиттер қазір панельдер мен баспалдақтар жасау үшін автокөлік өнеркәсібінде қолданылуда.
Композиттік материалдар немесе композиттер деп екі немесе одан да көп компоненттерден тұратын тұтас заттарды айтады. Композиттің қасиеттері оны құрайтын компоненттердің қасиеттеріне, олардың ара қатынасына және өзара байланысына тәуелді болады. Бұнда композит өзін құрайтын компоненттерде жоқ қасиеттерге ие болады. Мысалы, компоненттер арасында көптеген шекаралардың болуы, әдетте, композитті бастапқы компоненттерге қарағанда әлдеқайда берік етеді. Кәдімгі желімделген фанера, темірбетон және шыны-талшық композиттік материалдардың мысалдары болып табылады.
2
№ 3-4
дәріс
Наноматериалдарды алу технологиясы
Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары):
1. Объектілерді «жоғарыдан-төменге» принципі негізінде жасау
2. Литография. Фотолитография.
3. Объектілерді «төменнен-жоғарыға» принципі негізінде жасау. Эпитаксия.
Дәрістің қысқаша мазмұны: Көптеген нанобөлшектер мен микрокапсулалар өздігінен генерацияланады, яғни ол ғалымдар мен инженерлердің тікелей қатысуынсыз және өз-өзін қалыптасыру негізінде пайда болады. Бұл тәсіл «жоғарыдан төмен» немесе «төменнен жоғарыға» тәсілі Gotton up (жоғарылау) деген атқа ие болды. Атомдар мен молекулалар химиялық реакциялардың әсерінен өзбетінше наноқұрылымға айналады. Заманауи ғалымдар мен инженерлер болашақта барлық компьютерлер мен басқа да электрондық аспаптар осы тәсілмен жиналса екен деп армандайды. Олай болса, мықты нанокомпьютерлердің өзі саусақтың ұшындай жерге сыйып кете алады және тіпті, адам терісінің астына еніп кете алады. Сіздің мобильді телефоныңыз әрқашан қолыңызда білінбей қалар еді.
Заманауи компьютерлер төмендеу тәсілі арқылы жасалады. Барлық майда және өте майда бөлшектер макро және микроаспаптар, химикалий, шаблондар көмегімен қалыптасады және т.б. Нанотехнологиялар қазірден бастап жұмыс істеуде. Өндірістік кәсіпорындар материалдардың бұрынғы қасиеттерінен асып түсетін, жаңа наноқасиеттері бар көптеген тауарлар шығаруда. Молекулалық деңгейде кейбір материалдарды қоса отырып, ғалымдар олардың өміршеңдігін және беріктілігін жоғарылата алды.
Нанотехнологияның негізінде жасалған қаншама нәрсе қазіргі дүкендерде бар екендігін сіз тіпті, елестете алмайсыз. Мысалы, заманауи күннен қорғайтын кремдер барлық саяжайшыларға қорқынышты инопланетян түрін беретін бұрынғы ақ түсті жақпа майларға ұқсамайды. Заманауи түссіз кремдер көрінетін жарықты өткізеді, бірақ зиянды ультракүлгін шағылысуларды жұтып алады. Олар ультракүлгін сәуле шығаруды тиімді шағылыстыратын титан диоксидін және цинк оксидінің нанобөлшектерінен құралады. Бұрынғы ақ жақпа майдыкіндей жаңа кремдердің жұмыс істеу принципі дәл осындай, бірақ құрамындағы бөліктердің өлшемі өте кішкентай және олар білдірмей өз жұмыстарын жасайды.
Наноматериалдардың басқа да жерде қолданылуына мысал: тістің толықтырғышындағы кварцтың нанобөлшектері және кірді жұқтырмайтын Nanopants маталарындағы наноталшықтар. Nanopants компаниясы кірді жұқтырмайтын наноталшықтардан жасалынған жамылғының негізінде кірді жұқтырмайтын Nanopants матасын жасау технологиясын өңдеді. Енді киімдер және жұмсақ жиһаздың қабы үшін жаңа материалдарды жасауда 80-нен аса текстильді фабрикалар Nanopants технологиясын қолданады.
Nanopants жаңа кірді жұқтырмайтын матаның артықшылығы наномасштабтағы арнайы өңдеуден кейін мата гидрофобты және кір жұқтырмайтын болды. Дәстүрлі төмендету тәсілінің орнына, яғни макроскопиялық дақтарды кетіруде, жоғарылату тәсілі қолданылады, яғни дақтар олардың пайда болу кезеңінде жойылады. Жуырда наножамылғы мен нанотехнологиялар сондай жетіліп, тіпті, кір жуатын машиналарға деген қажеттілік те болмауы әбден мүмкін. Тұрмыстық химиядағы тағы бір жаңа тауар шыныларды жуу үдерісін жеңілдету мүмкін. Жаңа шыны тазалағыш сұйықтықта бізге күннен қорғаушы кремдердің компоненті ретінде танымал титан диоксидінің нанобөлшектері қолданылады. Титан диоксиді терезелер және басқа вертикаль тегіс беттерден кірлердің кетуіне және сырғып түсуіне ықпал ете отырып, органикалық қосылыстардың ыдырауын үдетеді.
Беттерді өңдеудің наномасштабты технологиялары механикалық, термиялық, биологиялық, электрондық, оптикалық, химиялық қасиеттері жақсартылған тауарларды жасауға мүмкіндік береді. Заттың үстіңгі қабатын нанотехнологиялар құрамдары бар жақсырақ өнімдер шығаруға керек болады. Төменде оларды қолданудың болашақтағы аймақтары көрсетілген:
Автокөліктер мен құрал-жабдықтарды тозудан қорғау;
Жұмсақ материалдарды қорғау (мысалы, полимерлік, ағаштан жасалған және тектильді);
Текстиль мен керамикалар үшін өздігінен тазаланатын беттік қабықшалар:
Автокөліктер мен құрал-жабдықтар үшін антикоррозиялық қорғаныш;
Трубиналар мен қозғалтқыштар үшін термотұрақты жамылғылар:
Құрылыс материалдары мен аспаптар үшін термоизоляция;
Биологиялық сәйкес келетін имплантанттар;
Антибактериялық медицина материалдары мен құралдары:
Транзисторлар үшін өте жұқа компоненттер:
Фотохромды және электрохромды терезелер:
Антибликті экрандар;
Тиімділігі жоғары күн батареялары.
Атомдық деңгейде жаңа материалдарды жасаудың алуан түрлі мүмкіндіктерін оңай елестетуге болады, алайда көптеген жобаларды принципиалды түрде жүзеге асыру мүмкін емес. Осындай таңғажайып жобалардың бірі наномасштабты роботтарды немесе наноботтарды дайындауға негізделген. Наноботтар (немесе молекулалық монтаждаушылар) нанотехнологияны танымал еткен Эрик Дрекслер өзінің «Жасампаз машиналар» атты кітабында сипаттаған, кейбір таңғажайып сценарийлердің жағымсыз персонажы болып та үлгерді. Ол наноботтарды Ғаламдағы барлық тұрғындары қырып жоятын «сұр шырышты» (gray goo) болатындығын суреттеді (2004 жылдың маусымында Nature журналында Эрик Дрекслер одан да «сұр шырыш» туралы ешқашан айтпағанымда ғой деген!). Тағы да бір ғылыми-фантастикалық триллердің авторы – атақты Майкл Крайтон, ол өзінің «Рой» (Prey) атты кітабында наноботтардың қауіпті жағын айтып кетті. Арзан комикстердің авторлары әдетте, супербатырлардың Жер бетін немесе бүкіл Ғаламды жоюға қауіп төндіретін қолдарында нанотехнологиялық қарулары бар бөгде планеталықтармен суреттейді.
Оған қоса нанотехнологияны өндірудегі мүмкін болатын қауіптер туралы айтып, бұқаралық ақпараттар құралдары шу шығарды. Көптеген сценарийлерді іске асыру мүмкін еместігін айқындайтын табиғат заңдылығына қарсы біраз аргументтерді келтіргенмен де негативті ақпарат толқынмен күресу оңай емес.
Расында, наноботтар өте кішкентай өлшемде болғандықтан айтарлықтай тез немесе тек қана белгілі бір бағытта қимыл жасй алмайды. Оларда биологиялық ағзалар сияқты функциялануына қажетті өзіндік энергия көзі болмайды. Оған қоса органикалық молекулалардан жасалған наноботтардың өздері бактериялар мен қышыма қотырларға (грибоктарға) жем болуы мүмкін. Егер де наноботтар бейорганикалық материалдардан өздігінен туындайтын болса, мұндай синтезге олардың барлық уақыттары, энергиялары және басқа ресурстары кететін еді.
Информатика саласының сарапшылары осы қиындықтарды жеңуге көмектесе алатын, қиялды әрекет бағдарламасы тақырыбына қиялданғанды ұнатады. Мұндай бағдарлама ресурстардың шығындардың ток көзінің ажыратулы кезінде де, мәндерді жаңалап және қажетті ресурстарды іздей отырып бақылап тұруға көмектесетін еді. Бұл өте қызықты іс, бірақ шынайы өмір, «Жабайы Батысты наноботтармен жаулау» секілді фантастикалық әңгімелерде мүлдем өзгеше.
Ричард Смолли және АҚШ-тың Солтүстік-Батыс университетінің химия профессоры, 2001 жылы нанотехнология саласындағы зерттеулері үшін Жейнман сыйлығының лауреаты Марк Ратнер сияқты ғалымдар наноботтардың қолданылу мүмкіндігіне күмәнмен қарайды. Смолли макроскопиялық нысанды жасау үшін наноботтарға масқара үлкен уақыт керек деп есептейді. Атомның көлемі метрдің миллиардтан біріне тен екенн еске сала кетейік, себебі макроскопиялық нысанды жинақтау үшін өте көп атомдар саны қажет. Ғалымдар мынадай мысалдар келтіргенді ұнатады: бір милилитр судың атомдарын бірінен соң бірін жинақтау үшін Тынық мұхитын шай қасықпен алуға кететіндей операциялар қажет болады.
Star Trek (“Жұлдызды жол”)және Star Wars(“Жұлдызды батырлар”) сериалдарында сыртқы келбеті әдеттегі адамдай емес көңілдіадамдар өте көп, мәселен, Вуки мен Клинтон. Бұрын тек қана кескін баратын көріністерді казіргі телескоптар бізге көруге мүмкіндік береді. Бұрын қол жетпес болған жұлдыздар, планеталар мен жердегі емес, ландшафтар енді әртүрлі әдістермен мұқият зерттелінуде. Қазіргі ғалымдар атмосфера құрылымынан бастап, топырақтың химиялық кұрамына дейін талдайды
Алайда казіргі ашылулар тек кана ашық ғарышта емес, сонымен қатар. жерде де болып жатыр. Технологияның өте жылдам жетілуіне карай енді ғалымдар алыстағы және үлкен нысандары көріп және талдап ғана қоймай. бізге өте жақын және тым ұзақ нысандарды да қарастыра алады Қызық және бұрын қолжетімсіз болған микроәлемдер енді ерекше назарға алынған аймақта жатыр.
Нанобөлшектерді анықтау, зерттеу және басқаруға арналған құралдар болмағандықтан, оларды ертерек бақылауға мүмкіндік болмады. Қазіргі ғалымдар өздерінен бұрынғы ізашар ғалымдарға қарағанда, әлдеқайда көбірек көруге қабілетті. Қазіргі таңда микроскоптар және басқа да жоғары үлкейткіш құралдардың көмегімен ең кішкентай объектілердің құрылымы мен қасиеттерін зерттеуге болады.
Нанотехнологиялар ғалымдар, инженерлер мен тіпті. қаржы маман дарының пәнаралық сабақтарының тұтасқан саласы болып “бір күнде” пайда бола салған жоқ. Көптеген сенсациялық ашылулар мен жиі болатындай нанотехнологияның пайда болуына ұзақ жылдар бойы жүргізген қарқынды зерттеулер және адам тұрмысындағы жаңа бағыттар негізіндегі жаңа кұрал жабдықтардың ашылуы негіз болды. Өткен ғасырлардағы ғалымдар мұқият жылтыратылған линзасы бар қарапайым оптикалық микроскоп көмегімен бактерияларды алғаш рет тапты. Қазіргі ғалымдар нанонысандарымен жұмыс жасау үшін әлдеқайда аса куатты жане күрделі құрал-жабдықтарды қолданады. Адам көзі 25 см қашықтықта 0,1 мм шамасымен кіші емес детальдарды көруге қабілетті. Өте ұсақ заттарды көру үшін микроскоп қолдану керек.
Қарапайым оптикалық микроскоптар молекуллаларды қарастыруға болатындай күшті емес. Оптикалық микроскоптардың шекті ұлғайтылуы 1000 есе шамасында (100 есе шын өлшемі; олардың көмегімен 200мм –дей кіші емес тетіктерді қарауға болады. Ал өте ұсақ нысандарды қарастыру үшін ғалымдар жарықты емес электронды қолданады. Электронды микроскоптар ғана өте ұсақ майда заттарды қарастыруға мүмкіндік береді.
Микроскоптың ұлғайтуы 6ұл шама зерттелетін нысаның көрінісін оның шынайы өлшемінен салыстырғанда микроскоппен қанша есе үлкейтіліп көрінетінін көрсетеді.
Микроскоптың түрін таңдау үшін бірнеше фактылар маңызды болып табылады. Мысалы, зерттелетін нысанның флоурицентті жарықты сәулелендіру қабілеті (яғни, белгілі бір толқын ұзындығы бар жарық) электр тоғының өткізгіштігі немесе органикалық құрылымдардың болуы.
4
№ 5
дәріс
Нанотехнологиядағы өзін-өзі реттейтін процесс
Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары):
1. Түрлері мен процестердің сипаты
2. Қолданылуы
Дәрістің қысқаша мазмұны:
Бұл қоспа арнайы кремний диоксиді, алюминий триоксиді және плазма-ауқымды графит қоспаларынан тұратын және өз қасиеттерін 1200 С температурада сақтап қалатын қоспаны болып табылады.
Қозғалтқыштағы туындаған шығындарды және басқа да бірлік азайту үшін нанотехнология қолдану үйкеліс энергиясын пайдалану, техниканы пайдалану кезінде үйкеліс жұбы арқылы мерзімін ұзарту, жаңа принципін кинематикалық микромодификация үйкеліс бетіне мүмкіндік береді.
Үйкеліс аумағындағы NanoVit кіріспесі металл бетінде өзін-өзі шипалы микромодификацияланған қабатының түрінде үйкеліс энергетикалық нанокристалды құрылымдарын пайдаланып белсенді аймаққа әкеледі. Металл беті микромодификацияланған қабаты туралы серпінді сынғыштығын қалпына келтірілді, белгілі бір тепе-теңдік қалған болып бетінің қабаты сақталды, ол оның қатты және икемді құрылым болып табылады. Микромодификацияланған қабатын құру өнімнің сомасы арқылы реттеуге болады. Үйкеліс және жылу айтарлықтай үлкен күш болып саналады, беттік қабатының қызметін NanoVit өзгертуге септңгңн тигізеді.
