Нанотехнология сөзі жақында ғана пайда болғанымен, наноөлшемді құрылғылар мен құрылымдар жаңа емес. Негізінен олар Жер қашаннан бері пайда болса сол кезден келе жатыр. Мысалы, теңіз ұлуының қабыршағының беріктілігі соншалықты тіпті күштің әсерінен болған сызаттар оның ішкі жағына таралмайды. Бұл ұлудың қабыршағының наноқұрылымды кірпіштерден тұратындығымен түсіндіріледі және нанобөлшектердің өте берік болатындығының табиғи дәлелі. Ұзақ уақыт бойы ғалымдар геккон деген кесірткенің тегіс беттерде, тік әйнектің бетінде, төбеде еркін жүретіндігін түсіндіре алмаған. Басында оның алақанында жабыстырғыштар бар деп ойлаған, бірақ кейін ондай ешнәрсенің жоқ екені белгілі болды. Бұл құбылыстың жұмбағы қоғамды таңқалдырды, себебі геккон қозғалыс кезінде молекулалық физика заңдарын қолданады екен! Ғалымдар геккон алақанын микроскоппен зерттегенде, оның шаштың диаметрінен 10 есе кіші шаштардан тұратыны белгілі болды. Әр шаштың ұшында мыңдаған жастықшадан, ал әрбір жастықша жүздеген қылдан тұрады екен. Әрбір қылдың ұшы алақан тәрізді және диаметрі 200 нм екені белгілі болды. Геккон қозғалысында Ван дер Вальс күшімен (аз қашықтықтарда молекулалар тебіледі, ал үлкен қашықтықта тартылады) түсіндіруге болады.
Негізінен адамзат наноөлшемді материалдарды қашан қолдана бастағаны нақ анық емес, бірақ біздің эрамызға дейін 4 ғасырда жасалған римдіктердің королі Ликургтің алтын мен күміс нанобөлшектерінен тұратын тостақанын айтуға болады. Осы күнге дейін Британ мұражайында тұрған тостақанға жарық түсіргенде, жасылдан қанық қызыл түске өзгереді екен.
Мұның барлығы наноөлшемді материалдар технологиясының көне заманнан белгілі екенін көрсетеді.
2
№ 2
дәріс
Наноматериалдардың жіктемесі (классификациясы)
Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары):
1. Нанобөлшектер. Нанокеуекті заттар. Нанодисперсиялар
2. Наноқұрылымды беттер және қабықшалар. Дендримерлер. Нанокомпозиттер
3. Наноматериалдардың құрылымы, қасиеттері және оларды қолдану
Дәрістің қысқаша мазмұны: Нанобөлшектер деп өлшемі 1 нм-ден 100 нм-ге дейінгі бөлшектерді айтады.
Қазіргі кездегі ғылымның жетістіктері сол, онда заттың өте ұсақ бөлшектерін зерттеп, оларда жаңа қасиеттердің болатынын анықтаған. Кейбір нанобөлшектердің катализаторлық және адсорбциялық қасиеттері байқалады. Ал кейбір материалдар ғажайып оптикалық қасиетерге ие, мысалы, аса жұқа органикалық қабықшаларды Күн батареясын өндіруде қолдануға болады. Жасанды нанобөлшектердің табиғи наноөлшемдегі объектілермен, яғни ақуыздар, нуклеин қышқылдары, амин қышқылдары, және нейропептидтермен өзара әсерлесуі жүзеге асырылуда. Өте мұқият тазартылған нанобөлшектер белгілі бір құрылымға өзбетімен түзілу мүмкіндігі бар. Мұндай құрылымда қатаң реттелген нанобөлшектер болады және олардың ерекше қасиеттері көрініс береді.
Наноқұрылымдарды жеке атомдардан немесе жалғыз молекуладан ғана емес, сондай-ақ молекулалық блоктан да жинауға болады. Наноқұрылымдар жасауға болатын бұндай блоктар немесе элементтер фуллерендер, графендер және көміртекті нанотүтікшелер болып табылады.
Графен жасау тәсілін ойлап тапқаны үшін 2010 жылы желтоқсанда Стокгольмде физикадан Нобель сыйлығы Ресейден шыққан ғалым-профессорлар Константин Новоселов пен Андрей Геймге тапсырылды. Бұл көрнекті ғалымдар МФТИ (атақты Физтехтың) түлектері болатын, екеуі әртүрлі жылдарда Черноголовка қаласындағы Микроэлектроника проблемалары институтында жұмыс істеді.
Графен – бұл бір-бірімен байланысқан және әрбір ұяшығы араның сотасын еске салатындай тор түзетін көміртегі атомдарынан тұратын жеке жазық бет (1-сурет). Графенде көміртегінің жақын жатқан атомдары арасындағы қашықтық шамамен 0,14 нм.
1-сурет. Графеннің сызба түріндегі бейнесі. Ақшыл шариктер – көміртегі атомдары, ал олардың арасындағы өзекшелер – атомдарды графеннің парақшасында ұстап тұратын байланыстар.
Қарапайым қарындаштың грифельдері жасалатын графит, графен парақшаларының бумасы іспеттес (2-сурет). Графиттегі графендер бірімен-бірі өте нашар байланысқан әрі олар бір-біріне қатысты сырғи алады. Сондықтан, егер графитті қағазға сүйкесек, онда графеннің онымен үйкелетін парақшасы графиттен ажырайды да қағаз бетінде қалады. Міне, осы неліктен графитпен жазуға болатынын түсіндіреді.
2-сурет. Графитте бірінің үстіне бірі орналасқан графеннің үш парақшасының сызбада бейнеленуі.
Нанотехнологиядағы болашағы бар көптеген бағыттарды көміртекті нанотүтікшелермен байланыстырады. Көміртектінанотүтікшелер – бұл тек көміртегі атомдарынан тұратын каркасты құрылымдар немесе гигант молекулалар. Көміртекті нанотүтікшелерді графиттің молекулалық қабаттарының бірін, яғни графенді түтікше етіп ойша орасаңыз оңай көзге елестетуге болады (3-сурет).
Нанотүтікшелерді орау тәсілі – нанотүтікше осінің бағыты мен графеннің симметрия осі арасындағы бұрыш (шиыршықтау бұрышы) – көп жағдайда оның қасиеттерін анықтайды.
Әрине, ешкім графит парақшасын шиыршықтап нанотүтікше дайындамайды. Нанотүтікшелер өздігінен түзіледі, мысалы, көмір электродтар арасында доға разряды болған кезде олардың бетінде түзіледі. Разрядталу кезінде көміртегі атомдары беткі қабаттан буланады да өзара біріге отырып, алуан түрлі – бірқабатты, көпқабатты және шиыршықталу бұрышы әртүрлі – нанотүтікшелер түзеді (4-сурет).
4-сурет. Сол жақта – бірқабатты көміртекті нанотүтікшенің сызба бейнесі; оң жақта (жоғарыдан төмен қарай) – екіқабатты, түзу және спираль тәрізді нанотүтікшелер.
Бірқабатты нанотүтікшелердің диаметрі, әдетте, шамамен 1 нм, ал олардың ұзындығы мың есе үлкен, яғни 40 мкм жуық. Олар катодқа оның сыртқы жағындағы жазық бетке перпендикуляр жиналады. Осылайша көміртегі атомдарынан көміртекті нанотүтікшелердің өздігінен жиналуы деп аталатын құбылыс байқалады. Шиыршықталу бұрышының шамасына байланысты нанотүтікшелер металдардыкі сияқты жоғары өткізгіштікке ие болуы мүмкін, не шалаөткізгіштің қасиетін иемденуі мүмкін.
Көміртекті нанотүтікшелер, дәл сондай атомдардан жасалғанына қарамастан, графитке қарағанда беріктеу, өйткені графитте көміртегі атомдары парақшаларда орналасқан (2-сурет). Ал түтікше етіліп оралған қағаз парағын жырту немесе бүктеу жай параққа қарағанда әлдеқайда қиынырақ екені баршаға мәлім. Сондықтан да көміртекті түтікшелер сондай берік. Нанотүтікшелерді өте мықты микроскопиялық өзекшелер мен жіптер ретінде пайдалануға болады, себебі, бірқабатты нанотүтікшенің Юнг модулі 1-5 ТПа, бұл болаттыкінен әлдеқайда үлкен! Сол себепті нанотүтікшеден жасалған жуандығы адамның шашындай болатын жіп жүздеген килограмм жүкті көтере алады.
Графиттің қызған бетінен буланған көміртегі атомдары, бірімен бірі біріге отырып, нанотүтікшелерді ғана емес, сонымен бірге дөңес тұйық көпжақтар болып табылатын, мысалы, сфера немесе эллипсоид түріндегі басқа молекулаларды да түзе алады. Бұл молекулаларда көміртегі атомдары сфераның немесе эллипсоидтың бетін құрайтын дұрыс алты- және бесбұрыштардың төбелерінде орналасқан.
Көміртегі атомдарының барлық осы молекулалық байланыстары американдық инженер, дизайнер және архитектор Р. Бакминстер Фуллердің атымен фуллерендер деп аталған, ол өз ғимараттарының куполдарын салуда барлық фуллерендердің молекулалық каркастарының негізгі құрылымдық элементтері болып табылатын бес- және алтыбұрыштарды (5-сурет) қолданған.
5-сурет. Фуллер Биосферасы (АҚШ-тағы Экспо-67 Павильоны, қазіргі кезде «Биосфера» мұражайы Монреаль, Канада.
Ең симметриялы және неғұрлым көп зерттелген, көміртегінің 60 атомынан тұратын фуллереннің (C60) молекулалары 20 алтыбұрыштан және 12 бесбұрыштан тұратын және футбол добын еске түсіретін көпжақты құрайды (7-сурет). C60 фуллереннің диаметрі шамамен 1 нм.
a) ә)
6-сурет. a) С60 фуллереннің сызба бейнесі. ә) Фуллереннің моделі.
Фуллерендерді ашқаны үшін американдық физик Р. Смолли, сондай-ақ ағылшын физиктері Х. Крото мен Р. Керлге 1996 жылы Нобель сыйлығы берілді. C60 фуллереннің бейнесін көпшілік нанотехнологиялардың символы деп есептейді.
