Дәріс Пәнге кіріспе: Химия, нанотехнология және наноғылым ұғымы, олардың өзара байланысы. Химия дегеніміз заттардың құрамын, қасиетін және құрылымын зерттейтін ғылым. Ал, нанохимия 00 нм-ден кіші заттардың құрамын
жүктеу/скачать 317,14 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Нанотехнология
|
Дәріс 1. Пәнге кіріспе: Химия, нанотехнология және наноғылым ұғымы, олардың өзара байланысы. Химия дегеніміз заттардың құрамын, қасиетін және құрылымын зерттейтін ғылым. Ал, нанохимия 100 нм-ден кіші заттардың құрамын, қасиетін және құрылымын зерттейтін ғылым. XX-XXI ғасырлар тоғысында жаңа жылдам дамып келе жатқан ғылыми-техникалық сала қалыптасты, оны 3 түсінікпен сипаттауға болады: наноғылым, нанотехнология, наноиндустрия. Наноғылым өлшемі нанометр болатын нысандардың (нанонысандардың) іргелі қасиеттерін және олармен байланысты құбылыстарды зерттейді. Грек тілінен енген нано сөзі «ергежейлі» деген мағынаны білдіреді, демек, ұзындық бірлігінің айтарлықтай қысқа мәні үшін пайдаланылады. Нанонысандарға конфигурациясы әртүрлі мынадай материалдық нысандарды жатқызады: бөлшектер (дәндер), талшықтар, түтікшелер, қабыршақтар және т.б., олардың кем дегенде бір сызықты өлшемі 1-100 нм, яғни 10-9 – 10-7 м аралығында болуы керек. Яғни ол материалдың ұзындығын өлшейтін халықаралық өлшем бірлік метрдің миллиардтан бірі болып табылады. Аз мән жағынан бұл аралық атомдар мен молекулалардың өлшемдерінің облысымен шектеседі, ал нанонысандарды микронысандардан бөліп тұратын жоғарғы шекарасы шартты түрде бөлінген. Жалпы жағдайда оны заттың қасиетін анықтайтын белгілі бір сипаттағы өлшемдік параметрлермен, мысалы, магниттік домендердің өлшемімен, заряд тасымалдаушылардың еркін жүгіру ұзындығымен немесе Де Бройль толқын ұзындығымен біржақты байланыстыруға болмайды, себебі әртүрлі заттар үшін бұл параметрлердің мәндері әртүрлі болуы мүмкін. Атомдар саны 2-ден 25-ке дейін тұратын молекула радиусы, әдетте, 1-ден 10 нм-ге дейінгі мөлшерде болады. Анықтама бойынша молекула бірнеше атомнан тұрады. Н2 сутегінің молекуласы ең кіші молекула болып саналады. Көптеген биологиялық молекулалар, мысалы, ДНҚ, су молекуласынан әлдеқайда үлкен, сондықтан әлдеқайда көп атомнан тұрады. Нанобөлшек 50-ден 200000-ға дейінгі атомнан тұруы мүмкін, сондықтан оның өлшемдері бірнеше нанометрден жүздік нанометрге дейінгі аралықта өзгеріп отырады. Бактерияның өлшемі – 100 нм, ал қызыл қан түйіршігі – 6000 нм. Қазіргі заманғы микросызбада элементтің ең аз өлшемі 130 нм шамасында. Нанотехнология нанонысандарды алу мәселесін шешеді, оларды конфигурациясына байланысты наноқұрылымды элементтер немесе наноқұрылымдар, олардың негізіндегі материалдарды наноқұрылымдық материалдар немесе наноматериалдар деп атайды. «Нанотехнология» терминін пайдаланып, осы саладағы бағыттардың көптүрлілігін немесе нақты қандай да бір технологиялар кешенін де айтады. Анығында, наноғылымының практикада қолданылуы нанотехнология деп аталады. Тұңғыш рет «нанотехнология» терминін 1974 жылы жапон ғалымы Н. Танигучи пайдаланған, бірақ басқашалау мағынада: бұл терминмен материалдарды нанометрдің ондық үлесіне, яғни атомдар мен қарапайым молекулалардың өлшемдеріне дейін прецизиялық өңдеуді белгілеген. Наноиндустрия наноматериалдар мен құрамында осы материалдар бар бұйымдардың ауқымды өндірісін қамтамасыз етеді. Наноғылым, нанотехнология және наноиндустрия өзара тығыз байланысты. Сондықтан қарастырылатын ғылыми-техникалық саланы белгілеу үшін әдетте тек бір «нанотехнология» ұғымы қолданылады, ол технологияның ғылыми негіздері мен өндірістік аспектілерін қамтиды деп айтылады. Бірақ шетелдік әдебиеттерде «nanoscience» термині жиі қолдалынады, шынын айтқанда, наноғылым жеке-дара ғылыми бағыт емес, ол физика, химия, биология, математика және басқа да техникалық және гуманитарлық ғылымдардың іргелі ережелері мен зерттеу әдістеріне сүйенеді, бұл оның нағыз пәнаралық ғылым екендігін дәлелдейді. Нанотехнология дәстүрлі технологиялар көмегімен жасалмайтын және жаңа ерекше қасиеттері бар материалдар мен бұйымдар алу үшін қызмет етеді. Себебі нанотехнология –компоненттерінің өлшемі 100 нм-ден кіші болатын (өлшемі 100 нм-ден кіші компоненттерден тұратын) нысандарды алуға және түрлендіруге мүмкіндік беретін әдістер мен тәсілдердің жиынтығы. Бұл нысандардың жаңа сапалық қасиеттері бар және оларды толық функцияланатын ауқымды үлкен жүйелерге біріктіруді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Нанобөлшектер жиынтығы, яғни наноұнтақ жеке материал, мысалы, катализатор ретінде қолданыла алады. Наноұнтақтарды пісіру немесе престеу арқылы одан беріктігі жоғары қатты материалдар алуға болады. Толтырғыш ретінде наноұнтақтар ерекше механикалық, жылулық немесе электрофизикалық сипаттамалары бар әртүрлі композициялық материалдардың құрамына кіруі мүмкін. Нанобөлшектердің қасиеттері одан ірі тұтас материалдардың қасиетінен өзгешеленеді. Олардың қасиеттері ерекше болатынын төмендегі бірнеше сипатымен дәлелдеуге болады. Біріншіден, материалдар микродан нанонысанға көшкенде сыртқы беттегі атомдар санының көлемдегі атомдар санына қатынасы артады, нанобөлшектердің меншікті ауданы өседі. Нәтижесінде беттік әсерлесу және бөлу шекарасының заттық қасиеттеріне әсері өседі. Шынында да, бір уыс металл ұнтағының жалпы беттік ауданы, массасы соған тең тұтас металл кесегінің ауданынан көбірек болады. Қатты заттар арасындағы химиялық реакциялар олардың беттерінде жүретіндіктен, онда беттің үлкен ауданы аса жоғары реакция жылдамдығын береді. Екіншіден, бөлшек өлшемдері кішірейген сайын кванттық әсерлер көбірек әсер ете бастайды. Нанобөлшектер – оларды тежейтін «жүктің» қатысынсыз, бір-бірімен өте тез реакцияға түсетіндіктен, «әрі бері қозғалып жүргенді» өте ұнатады. Өлшемдері сонымен қатар түсіне де әсер етеді. Әртүрлі өлшемді және түсті нанобөлшектердің көмегімен алуан түрлі түстерді алуға болады. Осы ерекшеліктердің барлығы нанобөлшектерді жаңаша қолдануға мүмкіндік береді. Бірінші фактордың рөлі механикалық қасиеттері ерекше наноматериалдарды алғанда, ал екіншісі – наноэлектроника элементтерін жасағанда маңызды. Осылайша, наноқұрылымды зат оның көлемдік күйдегі физика-химиялық қасиеттерінен өзгеше жаңа қасиеттерге ие болады. Мұндай сапалық жаңа күйге жиі ауысу нанокүй деп аталады, ауысу көптеген заттар үшін құрылымдық элементтердің өлшемі 100 нм-ден кіші болғанда басталады. Үшіншіден, нанотехнологияның микро- және макротехнологиялардан тағы бір маңызды ерекшелігі – «төменнен – жоғарыға» принципін жүзеге асыру мүмкіндігі. Ол жеке атомдар мен молекулаларды жинау арқылы қажет құрылымдар, материалдар мен бұйымдар жасауды қамтиды. Бұл кезде тірі жүйелердегі сияқты атомаралық және молекулааралық әсерлесулер есебінен өздігінен ұйымдасу және өздігінен жинақталу процестері айтарлықтай рөл атқарады. Демек, бұл принцип дәстүрлі «жоғарыдан – төмен» технологиялық принципінен мүлде өзгеше. Дәстүрлі принцип материалдарды механикалық өңдеу, химиялық әсер ету, ұсақтау сияқты процестермен жүзеге асады. Дәріс 2. Нанотехнологияның қалыптасуы және оның даму кезеңдері Жеке атомдарды мақсатты ретпен орналастыру арқылы қажет қасиеттері бар заттарды алу идеясын алғаш рет Нобель сыйлығының иегері Р. Фейнман 1959 жылы желтоқсанда Америка физика қоғамының мәжілісінде «There is plenty room in the bottom» тақырыбындағы оқыған дәрісінде айтқан болатын, ол «Төменде әлі көп орын бар» деп аударылады. Бұл идеяны америка ғалымы Э. Дрекслер дамытты, ол 1986 жылы «Машина созидания: пришествие эры нанотехнологии» кітабын жариялаған, онда жеке атомдар мен молекулалардан жинау арқылы әртүрлі механизмдер жасау мүмкіндігін қарастырған болатын. Фейнман қазіргі кезде наноәлем деп аталатын, молекулалық әлемнің шексіз мүмкіндіктерін бейнеледі. Ғалым әріптестерінің елестету қабілетін оятты, сонымен қатар молекулалық әлемнің зерттеулерінде ғылыми бәсекенің бастамасын жасады. Фейнман «төменде өте көп орын бар» дегенде, ол наноәлем жаңа ашылулар үшін зерттеушілерге үлкен мүмкіндіктер ұсынатындығын айтқысы келген болатын. Наноәлем үлкен кеңістіктермен бөлінген, көптеген кішкентай атомдар мен молекулалардан тұрады. Алайда оқшауланған атомдар немесе олардың компоненттері – субатомдық бөлшектерді табу жер бетіндегі жағдайларда өте қиын. Химиялық элементтердің көптеген атомдары (инертті газдардан басқасы) байланысқан күйде болады: не молекулаларда, не болмаса, өзіне ұқсас атомдармен немесе басқа элементтердің атомдарымен қосылыстарында болады. Атомдар барлық жерде болады және барлық қоршаған ортамен әрекеттеседі. Біз оларды қорек етіп, тыныс алып және киіп жүрміз. Барлығы, яғни бізді қоршап тұрғанның абсолютті түрде бәрі атомдардан немесе субатомдық бөлшектерден тұрады. Бірақ ұзақ уақыт бойы нанотехнологиялық идеялар практикада жүзеге аспады. Оның басты себебі ең алдымен қажет техникалық базаның болмауынан болды. Өйткені наноматериалдарды жай көзбен көру мүлде мүмкін емес. Оны жасауға сапалық секіріс 1981 жылы сканерлеуші туннельді микроскоптың және 1986 жылы атомдық күшті микроскоптың ойлап табуымен жасалды. Екі құрылғының да жұмысы ұшының радиусы шамамен 10 нм жіңіш-ке зондты пайдалануға негізделген, зонд зерттелетін нысан бетіне 1 нм қашықтыққа жақындап, өте үлкен дәлдікпен оның бетінде қозғалады. Бірінші жағдайда бет рельефі жайлы ақпаратты зонд пен оның астындағы бет ауданы арасында кванттық механикалық әсер – электрондардың потенциал тосқауылы арқылы туннельденуінің нәтижесінде пайда болатын электр тогы береді. Ал екінші жағдайда зондтың бет атомдарымен әсерлесу күштері маңызды. Екі микроскоптың да шешу қабілеті – нанометрдің ондық үлесі, бұл жеке атомдарды және үлкен дәлдікпен оның бетте орналасуын анықтауға мүмкіндік береді. Зондтық микроскоптың ойлап табылуы және кейіннен жетілдірілуі зат құрылымын зерттеу мүмкіндігін кеңейтіп қана қоймай, зерттеушілерді жеке атомдарды манипуляциялау идеясын жүзеге асыратын жаңа технологиялық құралдармен қамтамасыз етті. Бұл идеяның практикада іске асуының айқын мысалы – 1990 жылы IBM компаниясы қызметкерлерінің орындаған тәжірибесі, онда олар никель монокристалының бетінде өз компаниясының атын 35 ксенон атомымен көрсеткен, оны сканерлеуші туннельді микроскоп көмегімен жылжытқан. Атомдардың орналасуы зондқа белгілі бір шамада кернеу бергенде зонд ұшына электростатикалық тартылу есебінен жүзеге асырылады. Жаңа эксперименттік база құру нанотехнология саласындағы зерттеулерге айтарлықтай қарқын берді. 1990 жылдардың басынан осы тақырып бойынша наноматериалдар қасиетін талдауға, оларды алу және қолдану әдістеріне арналған ғылыми жарияланымдар саны күрт артты. Наноматериалдардың адам іс-әрекетінің әртүрлі салаларына кең енгізуге жол ашатын болашағы өте зор, көптеген сарапшылар нанотехнологияның қалыптасуын кезекті ғылыми-техникалық революция деп атайды. Нанотехнологиялардың арқасында аса жылдам және жеңіл компьютерлер, жақсартылған теннис доптары және басқада спорт материалдары, мықты мата, (мөлдір күннен) күн сәулесінен қорғайтын кремдер, жұмсақ телевизорлар мен экрандар, температураны реттейтін киімдер, молекулалық сенсорлар мен қатерлі ісікті емдеудің жасушалық әдістерін жасау мүмкіндіктері пайда бола бастады. Қазір нанотехнологиялар жүздеген сауда өнімдерінде қолданылады. Олардың ішінде көпшілігі бұрыннан бар технологияларды жақсартудың нәтижесі болды, мысалы, антивандальді беттер, жабыспайтын жамылғылар жасала бастады. Бірақ алдағы уақытта бізді нанотехнология негізінде жасалған мүлде жаңа өнімдер таңғалдыратын болады. жүктеу/скачать 317,14 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|