Нанотехнология негіздері факультативті курсын әзірлеу
АБАЙ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ ПЕДАГОГИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА ЖӘНЕ ИНФОРМАТИКА ИНСТИТУТЫ
ӘОЖ: 538,953
ЕСБЕРГЕН АЙГҮЛ ПОЛАТҚЫЗЫ
МЕКТЕП ФИЗИКА КУРСЫНДА НАНОТЕХНОЛОГИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ
6М011000-Физика мамандығы
Педагогика ғылымдарының магистрі дәрежесін алу үшін орындалған диссертация
Ғылыми жетекшісі:
Баймолда Д.,
доктор PhD., ассоц. профессор
Қорғауға жіберілді:
Математика,
физика және информатика
институтының директоры
______________М.Ж.Бекпатшаев
___________________2019 ж.
Кафедра меңгерушісі:__________________ф.-м. ғ.д., профессор Косов В.Н.
Ғылыми семинар төрағасы:_____________ф.-м.ғ.д., профессор Косов В.Н.
Алматы 2019 ж.
Мазмұны
Белгiлеулер мен қысқартулар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
4
КIРIСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
5
1.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.1
Нанотехнология ғылымының даму тарихы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
8
1.2
Нанотехнологияның бүгінгі таңда ғылымдағы қолданысы ... ... ... ... ... ...
17
1.3
Қазақстанда нанотехнологияны дамыту жолдары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
40
2.
ҚАЗАҚСТАН МЕКТЕПТЕРІНДЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯНЫ ҮЙРЕТУ ЖОЛДАРЫ ЖӘНЕ ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
46
2.1
ҚР-ның нанотехнология ғылымына қатысты қабылданған нормативтік құқықтық актілеріне жасалынған талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
46
2.2
Орта білім берудің мемлекеттік жалпыға міндетті стандарты, оқу бағдарламасына зерттеу тақырыбы тұрғысынан талдау ... ... ... ... ... ... ... .
50
2.3
Мектеп физика курсында нанотехнология негіздерін оқып-үйрену жолдары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
2.4
Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқытуды жүзеге асыру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
59
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
76
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... .
78
НОРМАТИВТІ СІЛТЕМЕЛЕР
Осы магистрлік диссертацияда пайдаланылған стандарттар:
1. 2010 жылғы 7 желтоқсанда № 1118 қабылданған Қазақстан Республикасында білім беруді дамытудың 2011-2020 жылдарға арналған мемлекеттік бағдарламасы.
2. Қазақстан Республикасының 2007 жылғы 27 шілдедегі № 319 Білім туралы Заңы
3. Қазақстан Республикасының 2011 жылғы 24 қазандағы Білім туралы Заңына енгізілген өзгерістер мен толықтырулары.
4. Жалпы білім беретін мектепке арналған Физика пәнін оқыту бағдарламасы.
АТАУЛАР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
ҚР МБЖС ҚР Мемлекеттік жалпыға міндетті білім беру стандарты
ББКХС Білім беруді классификациялаудың халықаралық стандарты
ҚР БҒМ ҚР Білім және ғылым министрлігі
СТМ Сканерлеуші туннелді микроскоп
АКМ Атомдық күшті микроскоп
СЗМ Сканерлеуші зондты микроскоп
КІРІСПЕ
Зерттеу тақырыбының өзектілігі: Қазақстан Республикасында білім беруді дамытудың 2011-2020 жылдарға арналған мемлекеттік бағдарламасының басты мақсаттарының бірі ретінде: Жалпы білім беретін мектептерде Қазақстан Республикасының зияткерлік, дене бітімі және рухани дамыған азаматын қалыптастыру, тез өзгеретін әлемде оның табысты болуын қамтамасыз ететін білім алудағы қажеттілігін қанағаттандыру, еліміздің экономикалық әл-ауқаты үшін бәсекеге қабілетті адами капиталды дамыту екендігі айтылған [1].
Қазіргі уақыттағы білім беру саласының алдында тұрған басты мақсат - білім сапасын көтеру, жеке тұлғаны қалыптастыру, қоғамдық сұранысты өтеу, еліміздегі білім беру жүйесін халықаралық деңгейге жеткізу, сөйтіп әлемдік білім кеңістігіне ену. Осыған байланысты оқушылардың ақыл-ой қабілеттерін дамыту, танымдық қызығушылықтарын арттыру үшін қажетті жағдайлар жасау мектептің, сонымен қатар математикалық және физикалық білім беруде бірінші кезекте тұрған міндеттердің бірі болып саналады.
Мектептегі физикалық білім мазмұны ғылымның осы саласының ақпараттар ағыны мен даму деңгейіне тәуелді екендігі және өскелең ұрпаққа берілетін деңгейі қоғамдық сұраныстан туындайтыны белгілі. Осыған орай білім мазмұны үздіксіз жаңғырып және жаңарып тұрады. Күн сайын жаңа жаңалықтар ашылып, жаңа құрылғылар пайда болады, жаңа мүмкіндіктер ашылады.
Физикадағы ең өзекті мәселелер жоғары оқу орындарында және ғылыми-зерттеу институттарында, сондай-ақ зертханаларда қарастырылған. Ал мектептер болса осыдан бірнеше ғасыр бұрынғы классикалық физиканы оқытумен ғана шектеліп келді. Нанотехнология қазіргі заманғы физиканың маңызды мәселелерінің бірі болып табылады. Ол соңғы уақытта ең жылдам дамушы сала болғандықтан біртіндеп біздің өмірімізге ене бастады. Болашақта өндірістің көптеген түрлері нанотехнологиямен байланысты болатындығын ғалым-мамандар айтып отыр.
Нанотехнология және оның тамаша мүмкіндіктерін дамытуға Р. Фейнман, Г. Бинниг, Г. Рорер, Л. Уильямс және У. Адамс секілді батыс ғалымдары және ресей ғалымдары А.Голубок, Ж.Альферов және А.Б. Чубайстар өз үлестерін қосты. Анато́лий Бори́сович Чуба́йс 2008 жылдан бері Ресейдің нанотехнология корпорациясы-ның бас директоры қызметін атқарады.
Нанотехнология туралы қазақ тілінде З.А.Мансұров, Б.Қ.Діністанова, А.Р.Керімқұлова және М.Нәжіпқызы авторлық еткен Нанотехнология негіздері атты оқулық бар. Оқулықта наноматериалдардың негізгі түрлері, қасиеттері, өлшемдік әсерлер, нанобөлшектерді физикалық-химиялық зерттеу әдістерінің теориялық негіздері мен алу әдістері және функционалдық наноматериалдардың алуан түрлі қолданылу аймақтары туралы баяндалады. Сондай-ақ, Л. Уильямс және У. Адамстың Құпиясыз нанотехнологиялар атты оқулығын З. А. Мансұров, М. Нәжіпқызы және Б. Қ. Діністанова қазақ тіліне аударды. Осы аталған жұмыстан басқа қазақ тілінде зерттеу тақырыбына арналған жұмыстар жоққа тән.
Нанотехнология - нанометрлерде өлшенетін текшелерге, құрылғыларға және тетіктерге ұқсас кішкентай объектілермен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін технология. Нанотехнология физика, химия және биологиядағы ең соңғы жетістіктерге ие болды. Нанотехнологиялардың келесі технологиялық революцияның негізі - материямен жұмыс істеуден жеке атомдарды басқаруға көшу[11]. Елімізде ғылым мен техниканың аса қарқынмен дамуы үшін мектеп оқушыларына физика пәнін оқытуда нанотехнологияның негізгі ұғымдарын қолдану, түсіндіру және қосымша факультативті курстар өткізу дұрыс деп есептейміз. Физика пәнін оқытуда нанотехнологияны қолдану оқушылардың пәнге деген қызығушылығын арттырады. Нанотехнологияның негізгі ұғымдарын меңгерген оқушыға физиканың күрделі есептерін шығару қиындық туғызбайды.
Бұдан нанотехнологияны физика пәнін оқытуда қолдану мәселесі арнайы зерттеуді қажет ететіндігін көрсетеді. Осы айтылғандардың барлығы біздің жүргізген зерттеу жұмысымыздың өзектілігін анықтап, зерттеу жұмысының тақырыбын Мектеп физика курсында нанотехнологияны оқыту әдістемесі деп тұжырымдауға негіз болды.
Зерттеудің негізгі мақсаты: Орта мектепте
физика пәнін оқытуда нанотехнология туралы оқушылардың түсінігін қалыптастыру әдістемесін негіздеу және дамыту.
Зерттеу нысаны: Орта мектепте физика пәнін оқыту барысында нанотехнологияны қолдануда оқушылардың түсініктерін қалыптастыру үдерісі.
Зерттеу пәні: Орта мектепте физика пәнін оқытуда нанотехнологияны қолдану әдістемесі.
Зерттеу міндеттері:
1. Нанотехнология туралы ғылыми және әдістемелік әдебиеттердегі, сондай-ақ физикадағы оқу-әдістемелік жинақтардағы ойларды көрсету.
2. Нанотехнологияға қатысты қабылданған нормативтік құқықтық актілеріне талдау жасау.
3. Орта білім берудің мемлекеттік жалпыға міндетті стандарты, оқу бағдарламасына зерттеу тақырыбы тұрғысынан талдау.
4. Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқып-үйрену жолдарын айқындау.
5. Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқытуды жүзеге асыру.
Зертеудің ғылыми болжамы:
- мектепте физика пәнін оқытуда нанотехнологияны пайдалану әдістемесі дайындалып, оны қолдану технологиясы берілсе, онда оқушылардың білімі нақты, терең, тиянақты және жинақты болады.
Зерттеудің әдіснамалық негіздері: Орта және жоғары білім беруді технологияландыру тұжырымдамасы; педагогикалық технология жүйесі Қазақстан Республикасының ресми материалдары (Қазақстан Республикасы білім туралы заңы, Қазақстан Республикасы жалпы білім беретін мектептің даму тұжырымдамасы,) нормативтік құжаттар (Қазақстан Республикасы орта жалпы білім мемлекеттік стандарты физика пәнінің оқу бағдарламалары);
Зерттеудің теориялық және практикалық маңыздылығы:
oo мектепте физиканы оқыту кезінде оқушылардың нанотехнология туралы идеяларын қалыптастыру қажеттілігін және мүмкіндігін негіздеу;
oo мектептің 11-сынып оқушылары үшін Нанотехнология негіздері факультативті курсын әзірлеу;
oo мектептерге арналған оқу-әдістемелік материалдарды әзірлеу.
Тестілеу және іске асыру
1) Қазақстанда нанотехнологияның даму барысы тақырыбында ғылыми баяндама М.Дулатов атындағы Қостанай инженерлік-экономикалық университетінде жыл сайын өтетін студенттер мен магистранттарға арналған ғылыми конференцияға дайындалып, талқылауға ұсынылды. (Қостанай, 2018ж)
2) Қазақстанда цифрлық технология негізінде нанотехнологияны дамыту атты ғылыми мақала Абай атындағы ҚазҰПУ-нің Физика - математика ғылымдары сериясы бойынша шығатын Хабаршы ғылыми журналының 2018 жылғы №2 (62) санында талқыланып жарияланды.
Дессертацияның құрылымы: кіріспе, екі бөлім, 26 сурет, 10 кесте, қорытынды және 60 атауды қамтитын пайдаланылған әдебиеттер тізімі, жалпысы 78 беттен тұрады.
1 НАНОТЕХНОЛОГИЯ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Нанотехнологияның даму тарихы
Осыдан 400 ғасырдай уақыт бұрын грек философы Демокрит заттың көзге көрінбейтін ең кішкентай бөлшегін грек тіліндегі атом яғни бөлінбейтін деген сөз арқылы атауды ұсыныс еткені белгілі. Сондықтан қазіргі нанотехнологияның шығу тарихы сонау грек философы Демокрит заманынан бастау алған деп есептеуге болады.
Нанотехнология саласындағы қарқынды зерттеулер XX-XXI ғасырдың қарсаңында күшейіп, өнеркәсіп өндірісіндегі түбегейлі өзгерістердің себепшісі болды. Нанотехнология ақпараттық өңдеудің, электр энергиясын алудың әдістері мен құралдарын дамытуға, ғылыми материалдарға негізделген жаңа материалдарды синтездеуге септігін тигізді. Наноэнергия пайда болғанға дейін адамдар атом-молекулярлық деңгейде зерттеу жұмыстарын жүргізіп, іс жүзінде наноөлшемді нысандар мен үрдістерге тап болды. Мысалы, наноөлшемді деңгейде биохимиялық реакциялар шарап, ірімшік және нан өндірісінде пайда болатын барлық тірі заттарды, химиялық өндірістегі катализді, ашытуды қамтитын макромолекулалар арасында кездеседі. Дегенмен, бастапқыда дамуы өздігінен осылай басталған нанотехнологияның болашағы қоршаған орта оның қасиеттерін жіті түсінбейінше сенімді негіз бола алмайтыны түсінікті бола бастады. Сондықтан осы бағыттағы ғылыми зерттеулер, нанотехнология әлемінің мүмкіндіктерін кеңейтіп, түбегейлі жаңа өнімдер мен ноу-хау жасауға бағытталды [32].
Нанотехнология ұғымының ең алғаш пайда болған күні - 1959 жылғы 29 желтоқсан. Калифорния технологиялық институтының профессоры Ричард Фейнман калифорния технологиялық институтында американдық физикалық қоғамның жыл сайынғы жиналысында дәріс оқыды. Бұл баяндамасында ол: алдағы болашақта физиктер үшін атом, молекула деңгейінде ірі жаңалықтар аша алатын мүмкіндіктердің жақындар қалғанын меңзеп, төменде көп орын бар... сондықтан адамзат баласы микроскопиялық деңгейдегі материалдарды басқарып және бақылай алатындығы туралы идеясын білдірді. Р.Фейнманның пікірінше, мұндай мүмкіндікті қолдану арқылы әдеттегі зат мөлшерін жоғалтпастан 25 мың рет кішірейту арқылы қол жеткізуге болады. Ол мұндай технологияларды қолданып, кітаптардың бүкіл әлемдік жинағын бір брошюраға орналастыруға болады деген болжам да жасады [24].
Фейнман нанотехнология түсінігін ешқашан айтпағанымен, ол микроскопиялық аспаптар мен керемет кішкентай компьютерлер жасау мүмкіндігіне назар аударды. Осы аса кішкентай аспаптар біздің органдарымызға еніп, хирургтер секілді белгілі бір тапсырмаларды орындауы мүмкін-деп есептеді. Көптеген ғалымдар Ричардтың бұл идеяларын әзіл ретінде қабылдады. Бір күні ол электронды микроскоппен оқылатындай етіп бет парақшаны бастапқы мөлшерінен 125000 мөлшеріне дейін азайтатын адамға 1000 АҚШ доллары көлемінде сыйақы беретінін жариялады. 1985 жылы Стэнфордтың түлегі Том Ньюман электронды сәулені пайдаланып, Чинар Диккенсдің Екі қаланың тарихы еңбегінің бірінші бетін жазды. Өз жұмысының нәтижелерін Фейнманға жіберген соң, ол екі апта ішінде уәде етілген 1000 доллар чегін алды. Осы күнге дейін көптеген ғалымдар Ричард Фейнманның болжамдарының қаншалықты дәл болғанына қайран қалады.
Наноөлшемді нысандарды жүйелі зерттеу XIX ғасырда пайда болды. 1856-1857 жж. ағылшын физигі Майкл Фарадей алдымен нанодисперсті, алтын және жұқа қабықшалардың коллоидты ерітінділерінің қасиеттерін зерттеді.
Нанотехнологияны алғаш қолдануға мысал ретінде 1883 жылы американдық өнертапқыш Джордж Истмен ойлап тапқан фотоплёнканы атауға болады, ол кейінірек белгілі Eastman Kodak компаниясының негізін қалады.
Нанометр дегеніміз бір метрдің миллиардтан бір бөлігі (1нанометр=10−9 метр). Бұл қашықтықта шамамен 10 атомды тығыз орналастыруға болады. Бұл өлшем бірлігін қолданған алғашқы ғалым Альберт Эйнштейн 1905 жылы қант молекуласының өлшемі бір нанометр екенін теориялық түрде дәлелдеді.
Бірақ 26 жылдан кейін ғана неміс физиктері Эрнст Руска және Макс Нолл 15 есе үлкейтуге болатын электронды микроскоп құрды. Бұл микроскоп нанотехнологиялар әлеміне енуге мүмкіндік беретін тағы да осындай құрылғылардың пайда болуына әсерін тигізді. Неміс физиктері Эрнст Руска және Макс Нолл осы еңбектері үшін 1986 жылы Нобель сыйлығының иегері атанды.
1932 жылы голландиялық профессор Фриц Зердики оптикалық микроскоптың бір нұсқасы - фазалы контрасты микроскопты ойлап тапты. Оған осы еңбегі үшін 1953 жылы Нобель сыйлығы берілді. Бұл суреттерді көрсету сапасын жақсартты және тірі жасушаларды зерттеу мүмкіндігін туғызды. Бір қызығы, Зердики өз өнертабысын Zeiss компаниясына ұсынады, бірақ менеджерлер бұл өздерінің болашақ өнімі болатынын түсінбейді, дегенмен бүгінгі күнде осындай микроскоптар медицинада кеңінен қолданылуда. 1939 жылы Эрнст Руска жұмыс істейтін Siemens компаниясы 10 нм-ге дейін көруге мүмкіндік бере алатын алғашқы коммерциялық электронды микроскопты ойлап тапты.
1972 жылы оптикалық микроскоп құрастырылды. 1981 жылы Цюрих зерттеу орталығында жұмыс істейтін IBM компаниясының мамандары Герд Бинниг және Генрих Рорер сканерлеуші туннельдік микроскопты құрастырды. Кейінірек, 1986 жылы сканерлеуші туннельдік осы микроскоп үшін оларға Нобель сыйлығы берілді. 1986 жылы олар атомдық-күштік микроскоп жасап шығарды. 1974 жылы жапон ғалымы Норио Танигучи емдеуге қатысты мәселелерді талқылағанда алғаш рет нанотехнология терминін енгізді. 1981 жылы американдық ғалым Гертер нанокристаллинді анықтауды алғаш қолданды. Кейін материалдардың сипаттамалары ретінде наноқұрылым, нанокомпозит және т.б. сөздер қолданысқа енді. 1975 жылы наноөлшемді нысандардың - кванттық нүктелердің және кванттық сымдардың арнайы түрлерінің теориялық мүмкіндіктері қарастырылды. 1986 жылы американдық физик Эрик Дрекслер биологиялық үлгілерге негізделген Жаратылыс машиналары: нанотехнология дәуірінің келуі атты кітабында молекулалық роботтардың тұжырымдамасын енгізді.
1970 жылы жапон ғалымдары Аиджи Осава мен Зеншо Йошида көміртегі атомдарынан құралған көп қырлы молекулалық зат - фуллерендердің болу мүмкіндігін алғаш рет болжаған болатын. Біраз уақыттан кейін, 1973 жылы орыс зерттеушілері Дмитрий Бочвар мен Елена Халперн осындай молекуланың алғашқы теориялық квантты-химиялық есептерін жасап, оның тұрақтылығын дәлелдеді. 1980 жылдары осындай кешендердің болуын көрсететін кейбір жұлдыздардың спектрлерінің астрофизикалық зерттеулерінің нәтижелері алынды. 1985 жылы фуллерен алғаш рет синтезделді. Бұны британдық ғалым Гарольд Крото және американдық Роберт Курл мен Ричард Смолли жүргізді. 1996 жылы оларға Нобель сыйлығы берілді. Лазерлік сәулелену нәтижесінде алынған графиттік булардың масс-спектрін зерттеу кезінде 60 және 70 көміртегі атомдарынан тұратын C60 және C70-тің үлкен бірліктері бары анықталды. 1990 жылы неміс ғалымдары В. Кретчмер мен К. Фостирополустың әзірлеген технологиялары бойынша жеткілікті мөлшерде фуллерендер шығару мүмкіндігі жасалды. Кейін, мұндай кешендердің табиғатта бар екені анықталды. 1992 жылы табиғи көміртекті минералды-шунгит (Карелиядағы Шунга ауылынан) ашылды. 1991 жылы жапон ғалымы Сумио Ижима көміртегі нанотүтікшелерін анықтады. Фуллерендер және көміртекті нанотүтікшелердің ерекше құрылымы мен қасиеттері көптеген зерттеушілердің назарын тартты. Кейінгі зерттеулер барысында фуллерен мен көміртекті нанотүтікшелердің басқа заттармен өзара әрекеттесуі нәтижесінде алынған осы құрылымдардың түрлі туындылары анықталды. Сондай-ақ, осы сияқты құрылымдар тек көміртегі ғана емес, сонымен қатар басқа элементтердің атомдары арқылы қалыптасуы мүмкін екендігі анықталды. Атап айтқанда, 1992 жылы фуллерен тәрізді титан мен көміртегінің - Ti8C12 нанобөлшектері анықталды. Сол жылы молибден мен күкірттің - MoS2 және вольфрам мен күкірттің - WS2 негізіндегі көміртекті емес нанотүтікшелері алғаш рет синтезделді. Осындай молекулярлық наноқұрылымдардың әрқандай түрлерін жасауға мүмкіндік беретін Жоғары молекулалық химия атты химияның жаңа саласының жедел түрде дамып келе жатқаны қазіргі нанотехнологиялық зерттеулердің аса жылдам әрі күшті дамуының бір себебі болып отыр.
Жоғары молекулалық химия термині 1978 жылы француз химигі Жан-Мари Лен тарапынан енгізілді. Көптеген күрделі молекулалық қосылыстардың пайда болуынан туындайтын қоспаның жоғары деңгейін сипаттау үшін қолданылды. Жоғары молекулалар молекулалық тану механизмі арқылы бір-бірімен байланысы бар компоненттерден тұрады, бұл олардың арасында белгілі бір байланыс бар деп есептейді.
Нанотехнология жетістіктері салыстырмалы түрде қысқа мерзім ішінде адам қызметінің түрлі салаларында кеңінен тарала бастады. Нанотехнология көмегімен биотехнологияның қалай дамуын көре аламыз. 1917 жылы венгр инженері Карл Эреки қант қызылшасын пайдаланып, шошқаның өсу үрдісін сипаттауға болатынын ұсынды. Ол биотехнология ғылымы негізінде тірі ағзаларды пайдалана отырып, шикізаттан белгілі бір өнім түрлерін шығаруға болады деп түсінді. Биотехнологияның одан арықарайғы даму хронологиясы келесідей: 1943 жылы пенициллинн өндіру игерілді; 1944 жылы генетикалық материал - дезоксирибонуклеин қышқылы - ДНҚ аныталды, ал 1953 жылы ДНҚ қос спиралі табылды; 1966 жылы генетикалық код анықталды; 1970 жылы оқшауланған ДНҚ-ның бөлінуіне қабілетті фермент табылды; 1973 жылы толық өлшемді РНҚ (t-RNA) гені синтезделіп-рибонуклеин қышқылын тасымалдау мүмкін болды; 1975 жылы рекомбинантты ДНҚ технологиясы жасалды, ал 1976 жылы ДНҚ нуклеотидтік дәйектілігін анықтау әдістері жасалды. Келесі жылдары гендік инженерия саласында кең ауқымды зерттеулер жүргізілді, 1990 жылы Адам геномын жасау жобасы жұмысқа кірісті. 1997 жылы сүтқоректілер дифференциалды соматикалық клетканың көмегімен клондалған болатын. Міне мұның бәрі нанотехнологияның биологиялық объектілерге қатысты мүмкіндіктерінің жарқын мысалы болмақ.
Нанотехнологияны қолданудың тағы бір мысалы, ол - кванттық компьютерлер идеясын дамыту тарихы. 1985 жылы Оксфорд университетінің профессоры Дэвид Дюк Turing машинасының кванттық-механикалық нұсқасының математикалық моделін ұсынды. 1994 жылы П.Шор (AT & T Bell) мұндай машинаны қолдануға болатындығын көрсетті.
Атап айтқанда, факторингтік мәселелерді шешуде тиімді болды. Қазіргі кезде Шор (Shor) ұсынған алгоритм кванттық компьютерлердің әртүрлі түрлерін жасау үшін кеңінен қолданылады. 1998 жылы жапондық М.Такеуши (M.Takeuchi-Mitsubishi) фотонды пайдаланып, кванттық есептеу жүйелеріне іргелі тәжірибелер жүргізді. 1999 жылы Н. Накамура (NEC) кванттық компьютердің практикалық жұмысының мүмкіндігін сәтті зерттеді[17].
Нанотехнологияны дамытудағы қазіргі кезең осы саладағы зерттеулер мен әзірлемелерді жандандырумен, оларға елеулі инвестицияларды енгізумен сипатталады. Бұл тенденциялар әлемнің жетекші индустриалды елдерінде ерекше байқалады. Америка Құрама Штаттары осы бағытта жетекші орын алады.
2001 жылы АҚШ-та Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) мақұлданды және оның негізгі идеясы келесідей тұжырымдалды: Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы АҚШ-тың әртүрлі федералды органдарының өзара әрекеттесу стратегиясын анықтайды, бұл АҚШ экономикасының және ұлттық қауіпсіздіктің негізіне айналуы тиіс нанотехнологиялардың басымдықты дамуын қамтамасыз етеді. АҚШ-тың Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) қабылданғанға дейін яғни 1996-1998 жылдары АҚШ-тың Технологияларға сараптама орталығының арнайы комитеті әлемнің барлық елдеріндегі нанотехнологиялардың дамуын зерттеп талдады және американдық ғылыми, техникалық және әкімшілік мамандарға арналған негізгі трендтер мен жетістіктер туралы шолу бюллетендерін шығарып тұрды.
1999 жылы Наноғылым және нанотехнология (IWGN) бойынша индустриалды топтың кездесуі өтті, оның нәтижесінде келесі 10 жылға арналған зерттеудің болжамы жасалды. Сол жылы IWGN қорытындылары мен ұсыныстары АҚШ Президентінің жанындағы Ғылым және Технология жөніндегі Ұлттық кеңестің қолдауына ие болды, содан кейін 2000 жылы Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) қабылдау туралы ресми түрде жарияланды. Құжаттың кіріспесінде АҚШ президенті Билл Клинтон былай деп мәлімдеді: Ағымдағы қаржы жылында мемлекеттік нанотехнологиялар бастамасына 500 млн. АҚШ долларын бөліп отырмыз, бұл Конгресс кітапханасының барлық ақпаратын кішкентай құрылғыға жаза алатын, залалданған жасушалар пайда болған кезде, онкологиялық диагнозды анықтап, қоя алатын және басқа таңғаларлық нәтижелерге қол жеткізе алатын, сондай-ақ болашақта жаңа материалдарды жасауға мүмкіндік бере алатын мүмкіндігі зор құрылғы болмақ. Ұсынылған бастама кем дегенде 20 жылға есептелген және маңызды практикалық нәтижелерге қол жеткізуге уәде береді.
Жапония, АҚШ сияқты нано-технологиялық зерттеулерге үлкен көңіл бөледі. 2000 жылы Жапонияның Keidanren экономикалық ассоциациясы өнеркәсіптік-техникалық комитетінде нанотехнологиялар бойынша арнайы бөлімше ашылды. Оның негізгі ережелері: ақпараттық технологиялар, биотехнология, энергетика, экология және материалтану ғылымын нано-ғылымдағы серпілістің негізгі бағыттары ретінде анықтау; нанотехнологияларға негізделген салаларға ірі капитал салымдарының түсуін қамтамасыз ету; осы салалардағы зерттеулерді белсенді түрде дамытады және олардың нәтижелерін болашақта нанотехнологиялық революцияның флагманы болуға мүмкіндік береді; нанотехнологияны дамытудың ұлттық стратегиясын әзірлеу, осы саладағы өнеркәсіптік, мемлекеттік және ғылыми бөлімдер мен ұйымдардың тиімді ынтымақтастығын ұйымдастыру.
Батыс Еуропа елдері тиісті ұлттық бағдарламалар шеңберінде нанотехнология саласында жұмыс істей бастады. Германияда нанотехнологиялық зерттеулер негізінен Білім және ғылым, ғылым және технологиялар министрлігінің қолдауымен жүзеге асырылады. Ұлыбританяда бұл бағытта Физикалық-техникалық зерттеулер кеңесі, сондай-ақ Ұлттық физикалық зертхана жұмыс жасайды. Францияда нанотехнологияны дамыту стратегиясын Ұлттық ғылыми зерттеулер орталығы үйлестріп отырады. Азия құрылығының Қытай, Оңтүстік Корея қатарлы бірқатар мемлекеттерінде нанотехнологияларға көбірек көңіл бөлінеді.
Нанотехнологияларды зерттеу ТМД елдерінде, әсіресе Ресей, Белоруссия және Украинада, мемлекеттік ғылыми бағдарламалар аясында жүргізіле бастады. Белоруссияда мұндай жұмыс 2006-2010 жылдарға арналған Наноматериалдар және нанотехнологиялар мемлекеттік ғылыми-технологиялық институты шеңберінде жүзеге асырылады. Бұл 2003-2005 жылдары өткен аталмыш мемлекеттік бағдарламаға негізделген бұрынғы мемлекеттік бағдарламаның жалғасы болмақ.
Болашақта нанотехнология саласында зерттеулер жүргізу үшін жетекші индустриалды елдер тарапынан бюджеттік қаражат бөлу айтарлықтай артады деп болжануда. Бұл жағдайда жоспарланған зерттеулер бірнеше нақты міндеттерді шешуге бағытталған болады: мысалы, көп мақсатты жадымен жоғары сапалы сақтау құрылғыларын құру; компьютерлердің жылдамдығын миллион есеге арттыру; ауыр материалдарды жасау және олардың негізінде - жаңа көлік құралдарын құрастыру; СПИД-пен күрес саласында ауыруды анықтау және емдеу үшін генетикалық және медициналық жаңа өнімдерді шығару; қоршаған ортаны қорғауға арналған жаңа материалдар мен процестерді дамыту және т.б.
Әлемдік ғылыми қауымдастық нанотехнологияны дамыту проблемаларына үлкен көңіл бөледі. Оларды пайдалану қатты дискілерде және басқа да магниттік сақтау құралдарында магниттік жазу құрылғыларының өнеркәсіптік өндірісін айтарлықтай өзгертеді[18].
Бұл фактілер адамзат нанотехнологияның белсенді даму дәуіріне енгенін көрсетеді. Қол жеткізілген нәтижелер таңқаларлық, нанотехнологияның келешегі әлі де алда деп білеміз.
Нанотехнология тарихындағы атаулы күндер:
Жоғарыда айтып өткеніміздей нанотехнологияның ең алғашқы бастамасы ретінде осыдан 4 ғасырдай уақыт бұрын өмір сүрген грек философы Демокритті айтуға болады. Алғаш рет ол заттың ең кішкентай бөлігін грек тіліндегі атом деген сөзді қолданып сипаттаған.
1905 жылы Швейцариялық физик Альберт Эйнштейн, қант молекуласының мөлшері шамамен 1 нанометр болатындығын теориялық тұрғыдан дәлелдеді.
1931 жылы Неміс физиктері Макс Нолл мен Эрнст Руска электронды микроскоп құрастырды, соның көмегімен алғаш рет нано-нысандарды зерттеуге мүмкіндік берілді.
1959 жылы Американдық физик Ричард Фейнман заттың микробөлшектерден тұратындығын және оның болашағын бағалаған мақаласын жариялады.
1966 жылы Америка стандарттары бюросында жұмыс істеген американдық физик Рассел Янг сканерлеуші туннельдік микроскоптарын қолданып, пьезомоторды ойлап тапты және нано құралдарды 0.01 ангстремді (1 нм = 10 А °) дәлдікпен орналастырды.
1968 жылы Америкалық Бэлл компаниясының ғылыми бөлімшесінің қызметкерлері Альфред Чо мен Джон Артур беттік емдеудегі нанотехнологияның теориялық негіздерін жасады.
1971 жылы Рассел Янг сынақ микроскопының тұлғасы ретінде қызмет атқарған топографинер құралының идеясын ұсынды. Осындай құрылғылардың дамуының мұндай ұзақ мерзімдері атом құрылымдарының сақталуы және олардың күйін өзгертуге әкелетіндігімен түсіндіріледі, сондықтан тергеу нысанын бұзбайтын сапалы жаңа тәсілдер қажет.
1974 жылы Токио университетінде жұмыс істеген, жапон физигі Норио Танигучи, ғылыми орталарда тез танымал болған нанотехнология терминін (бір атомға немесе бір молекулаға бөлу арқылы материалдарды бөліп алу, жинау және өзгерту процесін) ұсынды.
1981 жылы Неміс физиктері Герд Бинниг және Генрих Рохер жеке атомдарды көрсете алатын алғашқы микроскопты ойлап тауып, оны жасады.
1982 жылы IBM Физика Цюрихтегі зерттеу орталығында Герд Бинниг пен Генрих Рохер (1986 жылғы Эрнст Рускамен бірге Нобель сыйлығының лауреаттары) өткізгіш материалдардың беттеріндегі атомдардың орналасуының үш өлшемді бейнесін құруға мүмкіндік беретін сканерлеуші туннельдік микроскопты (СTM) жасады.
СTM Рассел Янг ойлап тапқан топографинердің жұмыс істеу ережесіне сай әрекет етті, бірақ швейцар оны Янгқа тәуелсіз құрды, ол әлдеқайда жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізді және кальций-иридия-қалайы кристалдарындағы жеке атомдарды таниды.Зерттеудің басты мәселесі фондық шу болды. Атомдық фракциялардың дәлдігімен орналасқан микроскоптың ұшы көшедегі ең аз шу мен дірілден аулақ болды.
1985 жылы Американдық Райс университетінің үш химигі: Ричард Смалли, сондай-ақ Роберт Карл және Херолд Крото (1996 жылғы Нобель сыйлығының лауреаттары) фуллеренді анықтады. Ол сала түрінде орналасқан 60 көміртегі атомы бар молекулалар. Бұл ғалымдар алғаш рет 1 нм мөлшерінде нысананы (объектіні) өлшеді.
1986 жылы Герд Биннг атомдық-күштік зондты микроскопты сканерледі, ол кез-келген материалдың атомдарын бейнелеуге мүмкіндік берді (тек өткізумен ғана емес), сондай-ақ оларды қозғалтуға яғни басқаруға да мүмкіндік берді.
1986 жылы Массачусетс технологиялық институтында жасанды интеллект зертханасында жұмыс істеген американдық ғалым Эрик Дрекслер осы бағдарламада жұмыс істейтін әмбебап молекулярлық роботтардың тұжырымдамасын ұсынған Құрастыру машиналары атты кітабын жазды.
Бұл идея Дрекслердің негізгі қызметі арқылы шабыттанған болатын. Өзін-өзі тарататын құрылғылар идеясы жасанды интеллект проблемасында үнемі кездеседі.
Ғалым қазірдің өзінде нанотехнологияның болашақ жетістіктерін айтарлықтай дәл болжады, ал 1989 жылдан бері оның болжамдары шынымен орындалды.
1987-1988 жж Микроскоп зондысының бөлшектерін жылудың әсерінен бағыттайтын алғашқы ресейлік нанотехнологиялық қондырғы П.Н. Лускиновичтің басшылығымен Дельта ғылыми-зерттеу институтында жұмыс істей бастады.
1989 жылы
Оксана Дональд Эйлер және Калифорния ғылыми орталығының қызметкері Эрхард Шуццер IBM фирмасының атауын никель кристалындағы 35 ксенондық атоммен бірге орналастыра алды.
1991 жылы NEC компаниясында жұмыс істеген жапондық профессор Сумио Лимма диаметрі 0,8 нм болатын көміртекті нанотүтікшелер жасау үшін фуллеренді пайдаланды. Олардың өлшемдері өндірілген заттардың беріктігіне тікелей байланысты болды. Солтүстік Каролина университетінің геохимик Уоррен Робинт пен химик Стэнди Уильямс атом микроскопымен шектеліп қана қоймай, виртуалды шындық интерфейсі арқылы басқарылатын нанобасқарғышты адам өлшеміндегі робот жасады.
1991 жылы АҚШ-та ұлттық ғылым қорының алғашқы нанотехнологиялық бағдарламасы іске қосылды. Осындай іс-шаралар Жапония үкіметіне де қатысты. Бірақ Еуропада мемлекеттік деңгейде мұндай зерттеулерге елеулі қолдау 1997 жылы ғана басталды.
1997 жылы Эрик Дрекслер 2020 жылға қарай жекелеген атомдардан наноқұрылғылардың өнеркәсіптік жинағын құруға болады деп мәлімдеді. Осы уақытқа дейін оның барлық болжамдары дер кезінде орындалды.
1998 жылы Дельфтс қаласындағы голландиялық техникалық университетінің профессоры Сиз Деккер нанотүтікшеге негізделген транзисторларды молекулалар ретінде қолданды. Ол үшін ол әлемдегі осындай молекуланың электрөткізгіштігін өлшеуі керек еді.
Ұзындығы 300 нм болатын нанотүтікшелер жасау технологиялары пайда болды.
Жапонияда ғарыштық суықта және мыңдаған дәрежедегі жылу жағдайында жұмыс істеуге қабілетті наноэлектрониканы дамыту үшін Астробой бағдарламасы іске қосылды.
1999 жылы Американдық ғалымдар - физика профессоры Марк Рид (Йель университеті) және химия профессоры Джеймс Тур (Райс университеті) бірыңғай молекуланы және олардың тізбегін басқарудың ортақ принциптерін жасады.
2000 жылы Неміс физигі Франц Гиссибил кремнийдегі субатомдық бөлшектерді көрді. Оның әріптесі Роберт Магерле нанотомография технологиясын ұсынды - 100 нм рұқсатпен материяның ішкі құрылымының үш өлшемді бейнесін жасауға болады. Жобаны Фольсваген қаржыландырды. АҚШ үкіметі Ұлттық нанотехнологиялар бастамасын (NNI) іске қосты. АҚШ бюджетінде бұл салаға 270 миллион доллар бөлінді, коммерциялық компаниялар он есе көп инвестиция салған.
2001 жылы NNI компаниясының жоспарланған (422 млн. доллар) қаржыдан 42 млн. артық нәтиже берді[27].
2002 жылы Сиз Диккер көміртегі түтігін ДНҚ-мен жалғыз наномеханизмді қолданады. NNI-дің қаржыландыруы 697 миллион АҚШ долларын құрады (жоспарланғандан 97 миллион артық).
1.2 Нанотехнологияның бүгінгі таңдағы ғылымдағы қолданысы
Нанотехнологияларға жаңа материалдарды әзірлеуде, коммуникацияларды жақсартуда, биотехнология, микроэлектроника, энергетика және қаруды дамытуда үлкен сенім артылды. Сарапшылардың ең алдымен ғылыми жетістіктерінің бірі - компьютерлік өнімділіктің арттыру, жаңадан қалпына келтірілген маталарды қолдану арқылы адам ағзаларын қалпына келтіру, атомдар мен молекулалардан тікелей жаңа материалдар алу және өркениеттің дамуына революциялық әсер етуі мүмкін химия мен физикадағы жаңа жаңалықтардың пайда болуы.
Нанотехнологияны пайдалану болашақта адамзат үшін ең маңызды мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Олардың бірі - жаһандық энергетикалық қажеттілікті қамтамасыз ету. Болжам бойынша электр энергиясына деген сұраныс 2025 жылға қарай 50% -ға артады. Электр энергиясының негізгі көзі саналатын мұнай, газ , көмірге деген сұраныс өсіп келеді және жақын жылдары екі есеге дейін өседі. Қазба отындарының қолда бар қорын ескере отырып, бұл мәселенің жыл өткен сайын қиындай түсетінін көруге болады. Нано-деңгейде электр энергиясының жоғары сапалы жаңаруы есебінен нанотехнология энергия тиімділігін жарықтандыруды, отын элементтерін, сутекті батареяларды, күн батареяларын, энергия көздерін бөлуді және өндірісті орталықсыздандыруды және энергияны сақтауды қолдану арқылы энергия мәселелерін шешеді деп болжануда[22].
Биологияда қолданылуы
Наномасштабты әлем біз білетін, біз көзбен көре алатын макроәлемнен яғни көп қабатты үй, ұшақ, пойыз, автомобиль, туфли, қарындаш пен өшіргіщ резеңкеге дейін ірі масштабты әлемнен өзінің қасиеттерімен ерекшеленеді. Бізді қоршаған айналамыздағы мм-ден км-ге дейінгі өлшемдері бар барлық макроскопиялық заттарға үйкеліс, пластикалық, серпімділік, жабысқыштық және т.б. иілгіштік қасиеттер тән. Осының арқасында біздің үйлеріміз картоннан жасалған үйлер сияқты бұзылмай, өз іргетасында берік орналасып тұр.
Наномасштабта керісінше, нысандардың орналасу әрекеті олардың өлшемдеріне барынша тәуелді болады. Мысалы, қарапайым шаң желдің соғуына тәуелді, бірақ ауырлық күшімен аз тежеледі, сол сияқты нанобөлшектер гравитациялық тартылысты аз сезінеді. Атомдар мен молекулалардың күйі көп жағдайда көршілес нысандардың әсерлеріне тәуелді келеді. Атомдар мен молекулалардың өзара байланыс әрекеттесулері олардың гравитациялық тартылысынан әлдеқайда күшті болады. Нанобөлшектердің қозғалысы мен реакциялық белсенділігіне сол сияқты сыртқы күштердің де әсері бар, мысалы электромагниттік өріс, газдық және сұйықтық ағындар, жылу және салқындық[14].
Нанобөлшектердің атомдардың өлшемімен салыстыруға болатындай өлшемі бар, шамамен 0,1 нм-ді құрайды. Нысанның кем дегенде бір өлшемі 1-ден 100 нм аралығында болса, ол наномасштабты деп саналады. Көптеген биологиялық нысандардың бір өлшемі болсын осы диапазонда жатады. 5.1-суретте аспапсыз көзбен көруге мүмкін емес, кейбір органикалық нысандардың салыстырмалы өлшемдері көрсетілген.
Көптеген бір жасушалы ағзалар өте ұсақ компоненттерден тұрады: ядро, митохондрия, Гольджи аппараты және т.б. Жасушаның бұл компоненттері әртүрлі күрделі қызметтер атқарады, мысалы, энергия береді немесе көрінісін қамтамасыз етеді.
Сурет 1. Тіпті наномасштабты деңгейде нысандар әртүрлі өлшемде болады
Сұйық және қатты заттардың бөліну шекарасы
Заттардың әртүрлі күйлерінің арасындағы, мысалы сұйық және қатты затардың бөлінуінің беткі қабаты, олардың ерігіштігі үшін маңызды рөл атқарады. Ғалымдар биологиялық нанотехнологиялардың көмегімен суда ерімейтін заттарды суда еритін заттарға түрлендіруді үйренді, олар тірі ағзалар ерітінділерін қосқанда, әртүрлі сұйық ерітінділермен қоса түрлендіреді. Бұндай түрлендірулердің жаңа тәсілдерінің ашылуы (құрғақ күйден дымқыл күйге) биология мен медицинаға нанотехнологияны табысты енгізудің негізгі факторы болып табылады.
Негізгі тәсілдердің бірі - құрғақ патшалығынан бір затты алып, мысалы, алтынды және оны дымқыл патшалығына қосып, мысалы арнайы антиденелер көмегімен ауру жасушаға енгізу. Осылай ауруларды, мысалы, қатерлі ісікті емдеу үшін түрлі улы емес бөлшектер немесе гибридті субстанцияларды пайдалануға болады. Нанотехнологиялардың жеке жасушаларға, мүшелерге, ағзаларға және экожүйелерге әсер ету потенциалы өте зор.
Сонымен қатар, тірі ағзаларды наноқұрылымдарды жасау үшін де қолданады. Табиғат күрделі химиялық, физикалық және биологиялық қызметтерді атқаратын әртүрлі көмірсутектермен толып кеткен. Егер ғалымдар наноқұрылымдарды синтездеуде осы биологиялық жүйелерді пайдалануды үйренсе, онда бұл біздің химия, биология және материалтану туралы көзқарасымызды толығымен өзгертер еді.
Табиғат биомеханикасы
Табиғатта алуан түрлі тірі ағзалар түрі бар - кішкентай жәндіктерден бастап үлкен көк киттерге дейін. Осы био құрылымдардың барлығының негізінде протеиндер (ақуыздар) жатыр. Протеин (ақуыз) бірнеше бағытқа бөлінген көміртегінің орталық атомын білдіреді: аминқышқыл топтары, карбоксиль топтары және әртүрлі ұзындықтағы бүйір тізбектері.
Протеиндер (ақуыздар) - пептидтік байланыспен байланысқан аминқышқылдарынан құралған жоғары молекулалы органикалық қосылыстар.
Сонымен, бірнеше пептидтік байланыспен байланысқан аминқышқылдар протеин (ақуыз) тізбегін құрайды. Бұл байланыстардың қасиеті ғалымдарға ішкі жасушалық тетіктерді белгілі бір биологиялық мақсатта басқаруға мүмкіндік береді.
Сурет 2. Аминқышқылдары арасындағы пептидті байланыс
Протеин (ақуыз) тізбегінде қосымша көміртегін сутегі тасиды және әртүрлі 20 бүйір тізбектердің ішіндегі біреуі К әрпімен белгіленеді. Сіздер әртүрлі жаңа наноқұрылымдар мен наноматериалдардың әлеуетіне протеиндердің (ақуыздардың) байланысының әсер етуінің көптеген әртүрлі тәсілдерін көре аласыздар.
Жасушалардағы протеиндердің (ақуыздардың) жұмыс істеу ұстанымын түсіну үшін олардың қалай құрылғандықтарын білу мүмкіндігіне қол жеткізу керек. Мысалы,биологиялық молекулалардың құпиясын олардың базалық құрылымын білмей жатып ашуға болмайды.
Ғалымдардың айтуынша ДНҚ-дағы протеиндер (ақуыздар) өмір жоспарынан құралады. Олар шынымен тірі ағзаның даму және функционирлеу бағдарламасын сақтайды.
Барлық жануарлар (трубкозубтан және броненостан бегемотпен адамға дейін) ұрпақтан ұрпаққа берілетін жануардың құрылуының жазылған негіздері бар ДНҚ-дан тұрады.
1951 жылы биологтар Джеймс Уотсон және Фрэнсис Крик Кембридж Университетінде (Ұлыбритания) рентгендік кристаллография әдістерінің көмегімен ДНҚ құрылысын зерттеді.
Крик протеин (ақуыз) молекуласының құрылымын рентгендік кристаллография деп аталатын үдерістің көмегімен зерттеді. Сымдардан құралған нуклеотидтердің модельдерімен жұмыс жасай отырып, Уотсон және Крик ДНҚ құрылымын түсінді. 1962 жылы Уотсон, Крик және Морис Уилкинс бірігіп медицинафизиология саласындағы ДНҚ құрылымы бойынша еңбегі үшін Нобель сыйлығын иеленді.
Алынған мәліметтер негізінде олар ДНҚ-ның физикалық үлгісін жасады. Кейін олардың ұсынған қос спиральді құрылысының бар екені дәлелденді, ал олардың жұмысына 1962 жылы физиология және медицина саласында Нуклеин қышқылдарының молекулалық құрылысына қатысты ашылулар жасағаны үшін және тірі жүйелерде ақпараттардың тасымалдау нысанын, олардың маңыздылығын ашқаны үшін Нобель сыйлығы берілді.
ДНҚ-ның құрылысы ашылғаннан кейін ғалымдар тұқым қуалаушық пен тұқым қуалау ауруларының тетіктерін жақсы түсіне бастады. ДНҚ ағза денесінің ақуыздары, сол сияқты әртүрлі энзимдері туралы ақпаратты сақтайтын фрагменттерден тұрады.
ДНҚ - әр молекуласы сутектік байланыспен байланысқан және қос спиральмен оралған екі ұзын жіпшеден тұрады. Жіпшелер фосфат, қант және төрт азотты негіздердің бірінен тұратын аралық топтардан құралады. Жіпшелер бір-бірімен азотты негіздер жұбының арасындағы сутектік байланыстар көмегімен байланысқан. Сонымен, бес атомы бар көміртегі мен қант (дезоксирибоза), фосфат және азотты негіздер нуклеотид түзеді. Төрт азотты негіздер: гуанин (Г), цитозин (Ц), аденин (А) және тимин (Т) генетикалық код түзеді. Анығында олар энзимдер мен басқа ақуыздарды қалай жасау жөніндегі ақпарат жазылған жасуша жадының рөлін атқарады.
ДНҚ-ның екі тізбегі де байланысқан жұп түзетін пуриндік немесе пирамидиндік негіздердің көмегімен ұсталынып тұрады. Сонымен қоса, аденин (пуриндік негіз) тек қана тиминмен (пирамидиндік байланыс), ал гуанин (пуриндік негіз) - цитозинмен (пирамидиндік негіз) байланыса алады.
ДНҚ-ның екі тізбегіндегі байланысқан жұп түзетін әртүрлі жағдайдағы төрт нуклеотид (А, Т, Ц және Г) ағзаның құрылысы мен атқаратын қызметінің толық жоспарын құрайды. Олар бұл ақпаратты өте үлкен дәлдікпен көшіре алады.
Сурет 3. ДНҚ молекуласы төрт азотты негіздердің тізбегінен құралған екі спираль ретінде бұралған байланысқан жіпшелерден тұрады
Адам ағзасындағы әр жасуша ДНҚ-ның жеке 46 молекулаларынан тұрады және олардың әрқайсысында 160 млн. жұп нуклеотид бар. Және барлық бұл ақпараттардың жиыны еш қатесіз көшіріледі және сақталады. Бұл - компьютерге қарағанда аса сенімді ақпаратты сақтау жүйесі[13]!
ДНҚ коды
Адам ДНҚ-сы бүкіл ағзаның құрылысының жоспарынан немесе кодынан тұрады. Кодталған нұсқауды орындау үшін ақпарат көшіріледі де, басқа молекулаларға беріледі. Егер ДНҚ-ның бір жіпшесі АГЦГЦААГ азоттық қосылыстардың тізбегінен құралатын болса, онда екінші жіпшеде оған сәйкес тізбек ТЦГЦГТТЦ түрінде болады. ДНҚ-ға ешқандай зиян келмеген кезде азоттық негіздердің бұндай сәйкестік ұстанымы әрдайым сақталады.
ДНҚ-ның зақымдануы әртүрлі факторлардың әсерінен болуы мүмкін, мысалы радиациялық сәулеленуден. Сондықтан жүкті әйелдерге рентгенографиядан өтуге тыйым салынған. Себебі, рентгендік сәулелену нәрестенің ДНҚ молекулаларындағы ақуыз құрылысын зақымдауы мүмкін.
Әрине, ДНҚ-ның көшіру кезіндегі қателік шамасының үлкен маңызы бар. Егер ДНҚ-ның белгілі бір аумағы ГГЦААТЦ азоттың негіздер тізбегімен ГГЦААТЦ тізбегіне көшірілетін болса, онда мұндай қателіктен туындайтын әлеуетті қауіп сол берілген аймақтағы ДНҚ-ның кодталғандығынан тәуелді болады. Нанотехнологияның дамуының болашақтағы бағыттарының бірі генетикалық кодта осындай қателерді жөндеу мүмкіншілігі болып табылады. Егер де ғалымдар жекеше атомдарды жоюды немесе алмастыруды үйренгенде, онда олар көптеген гендік ауруларды емдей алар еді, мысалы, серпті - жасушалы анемия.
Ғалымдарға ұқсас биологиялық пазлдарды жинап үйрену үшін ұзақ әрі тапжылмай еңбек етуге тура келеді.
ДНҚ-дағы нуклеотидтер тізбегі кейбір үдерістердің қосылуы мен өшірілуіне, ақуыздар және басқа биологиялық құрылымдардың жасалуына жауап береді. Алайда, әлі күнге дейін маңызы белгісіз көптеген тізбектер бар. Жаңа нанотехнологиялар мен наноқұралдар тереңірек қарауға мүмкіндік береді (атомдық деңгейге дейін) және нанодеңгейде не болып жатқандығын және оны адамзат пайдасы үшін қалай қолдануға болатындығын қарастыруға ыңғайлы.
Биологиялық құрылымдар мен үдерістерді бақылау
Биологиялық құрылымдар мен үдерістерді бақылаудағы жетістік зерттелінетін үлгілерді шеберлікпен дайындауға тәуелді болады. Зертханалық қондырғы неғұрлым жақсы және үлгі таза болса, оның құрылымын, химиялық құрамы мен қасиетін дәл анықтау ықтималдығы соғұрлым көп. Көбінесе студенттер осындай қондырғыларды және өздерінің аса тәжірибелі жол сілтеушілері пайдаланатын әдістердің де көмегімен жақсы нәтижелерге жете алмай жатады. Тәжірибе және ұсақ-түйектерге қатысты мұқияттылық маңызды рөл атқарады.
Ғалымдарға жақсы нәтижелер алу үшін олардың барлық тәжірибесі керек. Сонымен қатар, олар ол туралы аса көп ақпарат алуға мүмкіндік беретін, зерттелінетін нысанның сол спецификациялық қасиеттерін пайдалануға тырысады. Мысалы, егер үлгі флуоресцирлеуге қабілетті болса, онда оны бақылау үшін флуоресценцияны талдау қажет, ал егер үлгі жақсы өткізгіш болса, оның электрлік қасиетін өлшеу керек[8].
Бірқабатты көміртекті нанотүтікшелерді бақылау
Райс университетінің (АҚШ) биология мен қоршаған ортаны қорғаудағы нанотехнологияны зерттеу Орталығының профессоры Брюс Вайсман мен Ребекка Дрезек басшылығындағы зерттеушілер тобы биологиялық нанобөлшектерді алудың, тазалаудың және сараптаудың жаңа әдістерін іздеуде.
Өз жұмыстарында олар кейбір биологиялық үдерістерді бақылау үдерістерін қысқартатын бірқабатты көміртекті нанотүтікшелерді пайдаланды. Алынатын нанотүтікшелердің әртүрлі өлшемде, пішінде және бағытта болуына байланысты жұмыс үлкен техникалық қиындықтармен күрделенеді. Ғалымдарға олардың мақсаттарына жарайтын нанотүтікшелерді ғана тексеріп және сүзіп алу керек. Олар тұңғыш рет биологиялық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА ЖӘНЕ ИНФОРМАТИКА ИНСТИТУТЫ
ӘОЖ: 538,953
ЕСБЕРГЕН АЙГҮЛ ПОЛАТҚЫЗЫ
МЕКТЕП ФИЗИКА КУРСЫНДА НАНОТЕХНОЛОГИЯНЫ ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ
6М011000-Физика мамандығы
Педагогика ғылымдарының магистрі дәрежесін алу үшін орындалған диссертация
Ғылыми жетекшісі:
Баймолда Д.,
доктор PhD., ассоц. профессор
Қорғауға жіберілді:
Математика,
физика және информатика
институтының директоры
______________М.Ж.Бекпатшаев
___________________2019 ж.
Кафедра меңгерушісі:__________________ф.-м. ғ.д., профессор Косов В.Н.
Ғылыми семинар төрағасы:_____________ф.-м.ғ.д., профессор Косов В.Н.
Алматы 2019 ж.
Мазмұны
Белгiлеулер мен қысқартулар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
4
КIРIСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
5
1.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.1
Нанотехнология ғылымының даму тарихы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
8
1.2
Нанотехнологияның бүгінгі таңда ғылымдағы қолданысы ... ... ... ... ... ...
17
1.3
Қазақстанда нанотехнологияны дамыту жолдары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
40
2.
ҚАЗАҚСТАН МЕКТЕПТЕРІНДЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯНЫ ҮЙРЕТУ ЖОЛДАРЫ ЖӘНЕ ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
46
2.1
ҚР-ның нанотехнология ғылымына қатысты қабылданған нормативтік құқықтық актілеріне жасалынған талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
46
2.2
Орта білім берудің мемлекеттік жалпыға міндетті стандарты, оқу бағдарламасына зерттеу тақырыбы тұрғысынан талдау ... ... ... ... ... ... ... .
50
2.3
Мектеп физика курсында нанотехнология негіздерін оқып-үйрену жолдары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
2.4
Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқытуды жүзеге асыру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
59
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
76
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... .
78
НОРМАТИВТІ СІЛТЕМЕЛЕР
Осы магистрлік диссертацияда пайдаланылған стандарттар:
1. 2010 жылғы 7 желтоқсанда № 1118 қабылданған Қазақстан Республикасында білім беруді дамытудың 2011-2020 жылдарға арналған мемлекеттік бағдарламасы.
2. Қазақстан Республикасының 2007 жылғы 27 шілдедегі № 319 Білім туралы Заңы
3. Қазақстан Республикасының 2011 жылғы 24 қазандағы Білім туралы Заңына енгізілген өзгерістер мен толықтырулары.
4. Жалпы білім беретін мектепке арналған Физика пәнін оқыту бағдарламасы.
АТАУЛАР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
ҚР МБЖС ҚР Мемлекеттік жалпыға міндетті білім беру стандарты
ББКХС Білім беруді классификациялаудың халықаралық стандарты
ҚР БҒМ ҚР Білім және ғылым министрлігі
СТМ Сканерлеуші туннелді микроскоп
АКМ Атомдық күшті микроскоп
СЗМ Сканерлеуші зондты микроскоп
КІРІСПЕ
Зерттеу тақырыбының өзектілігі: Қазақстан Республикасында білім беруді дамытудың 2011-2020 жылдарға арналған мемлекеттік бағдарламасының басты мақсаттарының бірі ретінде: Жалпы білім беретін мектептерде Қазақстан Республикасының зияткерлік, дене бітімі және рухани дамыған азаматын қалыптастыру, тез өзгеретін әлемде оның табысты болуын қамтамасыз ететін білім алудағы қажеттілігін қанағаттандыру, еліміздің экономикалық әл-ауқаты үшін бәсекеге қабілетті адами капиталды дамыту екендігі айтылған [1].
Қазіргі уақыттағы білім беру саласының алдында тұрған басты мақсат - білім сапасын көтеру, жеке тұлғаны қалыптастыру, қоғамдық сұранысты өтеу, еліміздегі білім беру жүйесін халықаралық деңгейге жеткізу, сөйтіп әлемдік білім кеңістігіне ену. Осыған байланысты оқушылардың ақыл-ой қабілеттерін дамыту, танымдық қызығушылықтарын арттыру үшін қажетті жағдайлар жасау мектептің, сонымен қатар математикалық және физикалық білім беруде бірінші кезекте тұрған міндеттердің бірі болып саналады.
Мектептегі физикалық білім мазмұны ғылымның осы саласының ақпараттар ағыны мен даму деңгейіне тәуелді екендігі және өскелең ұрпаққа берілетін деңгейі қоғамдық сұраныстан туындайтыны белгілі. Осыған орай білім мазмұны үздіксіз жаңғырып және жаңарып тұрады. Күн сайын жаңа жаңалықтар ашылып, жаңа құрылғылар пайда болады, жаңа мүмкіндіктер ашылады.
Физикадағы ең өзекті мәселелер жоғары оқу орындарында және ғылыми-зерттеу институттарында, сондай-ақ зертханаларда қарастырылған. Ал мектептер болса осыдан бірнеше ғасыр бұрынғы классикалық физиканы оқытумен ғана шектеліп келді. Нанотехнология қазіргі заманғы физиканың маңызды мәселелерінің бірі болып табылады. Ол соңғы уақытта ең жылдам дамушы сала болғандықтан біртіндеп біздің өмірімізге ене бастады. Болашақта өндірістің көптеген түрлері нанотехнологиямен байланысты болатындығын ғалым-мамандар айтып отыр.
Нанотехнология және оның тамаша мүмкіндіктерін дамытуға Р. Фейнман, Г. Бинниг, Г. Рорер, Л. Уильямс және У. Адамс секілді батыс ғалымдары және ресей ғалымдары А.Голубок, Ж.Альферов және А.Б. Чубайстар өз үлестерін қосты. Анато́лий Бори́сович Чуба́йс 2008 жылдан бері Ресейдің нанотехнология корпорациясы-ның бас директоры қызметін атқарады.
Нанотехнология туралы қазақ тілінде З.А.Мансұров, Б.Қ.Діністанова, А.Р.Керімқұлова және М.Нәжіпқызы авторлық еткен Нанотехнология негіздері атты оқулық бар. Оқулықта наноматериалдардың негізгі түрлері, қасиеттері, өлшемдік әсерлер, нанобөлшектерді физикалық-химиялық зерттеу әдістерінің теориялық негіздері мен алу әдістері және функционалдық наноматериалдардың алуан түрлі қолданылу аймақтары туралы баяндалады. Сондай-ақ, Л. Уильямс және У. Адамстың Құпиясыз нанотехнологиялар атты оқулығын З. А. Мансұров, М. Нәжіпқызы және Б. Қ. Діністанова қазақ тіліне аударды. Осы аталған жұмыстан басқа қазақ тілінде зерттеу тақырыбына арналған жұмыстар жоққа тән.
Нанотехнология - нанометрлерде өлшенетін текшелерге, құрылғыларға және тетіктерге ұқсас кішкентай объектілермен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін технология. Нанотехнология физика, химия және биологиядағы ең соңғы жетістіктерге ие болды. Нанотехнологиялардың келесі технологиялық революцияның негізі - материямен жұмыс істеуден жеке атомдарды басқаруға көшу[11]. Елімізде ғылым мен техниканың аса қарқынмен дамуы үшін мектеп оқушыларына физика пәнін оқытуда нанотехнологияның негізгі ұғымдарын қолдану, түсіндіру және қосымша факультативті курстар өткізу дұрыс деп есептейміз. Физика пәнін оқытуда нанотехнологияны қолдану оқушылардың пәнге деген қызығушылығын арттырады. Нанотехнологияның негізгі ұғымдарын меңгерген оқушыға физиканың күрделі есептерін шығару қиындық туғызбайды.
Бұдан нанотехнологияны физика пәнін оқытуда қолдану мәселесі арнайы зерттеуді қажет ететіндігін көрсетеді. Осы айтылғандардың барлығы біздің жүргізген зерттеу жұмысымыздың өзектілігін анықтап, зерттеу жұмысының тақырыбын Мектеп физика курсында нанотехнологияны оқыту әдістемесі деп тұжырымдауға негіз болды.
Зерттеудің негізгі мақсаты: Орта мектепте
физика пәнін оқытуда нанотехнология туралы оқушылардың түсінігін қалыптастыру әдістемесін негіздеу және дамыту.
Зерттеу нысаны: Орта мектепте физика пәнін оқыту барысында нанотехнологияны қолдануда оқушылардың түсініктерін қалыптастыру үдерісі.
Зерттеу пәні: Орта мектепте физика пәнін оқытуда нанотехнологияны қолдану әдістемесі.
Зерттеу міндеттері:
1. Нанотехнология туралы ғылыми және әдістемелік әдебиеттердегі, сондай-ақ физикадағы оқу-әдістемелік жинақтардағы ойларды көрсету.
2. Нанотехнологияға қатысты қабылданған нормативтік құқықтық актілеріне талдау жасау.
3. Орта білім берудің мемлекеттік жалпыға міндетті стандарты, оқу бағдарламасына зерттеу тақырыбы тұрғысынан талдау.
4. Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқып-үйрену жолдарын айқындау.
5. Мектеп физика курсында нанотехнологияның негіздерін оқытуды жүзеге асыру.
Зертеудің ғылыми болжамы:
- мектепте физика пәнін оқытуда нанотехнологияны пайдалану әдістемесі дайындалып, оны қолдану технологиясы берілсе, онда оқушылардың білімі нақты, терең, тиянақты және жинақты болады.
Зерттеудің әдіснамалық негіздері: Орта және жоғары білім беруді технологияландыру тұжырымдамасы; педагогикалық технология жүйесі Қазақстан Республикасының ресми материалдары (Қазақстан Республикасы білім туралы заңы, Қазақстан Республикасы жалпы білім беретін мектептің даму тұжырымдамасы,) нормативтік құжаттар (Қазақстан Республикасы орта жалпы білім мемлекеттік стандарты физика пәнінің оқу бағдарламалары);
Зерттеудің теориялық және практикалық маңыздылығы:
oo мектепте физиканы оқыту кезінде оқушылардың нанотехнология туралы идеяларын қалыптастыру қажеттілігін және мүмкіндігін негіздеу;
oo мектептің 11-сынып оқушылары үшін Нанотехнология негіздері факультативті курсын әзірлеу;
oo мектептерге арналған оқу-әдістемелік материалдарды әзірлеу.
Тестілеу және іске асыру
1) Қазақстанда нанотехнологияның даму барысы тақырыбында ғылыми баяндама М.Дулатов атындағы Қостанай инженерлік-экономикалық университетінде жыл сайын өтетін студенттер мен магистранттарға арналған ғылыми конференцияға дайындалып, талқылауға ұсынылды. (Қостанай, 2018ж)
2) Қазақстанда цифрлық технология негізінде нанотехнологияны дамыту атты ғылыми мақала Абай атындағы ҚазҰПУ-нің Физика - математика ғылымдары сериясы бойынша шығатын Хабаршы ғылыми журналының 2018 жылғы №2 (62) санында талқыланып жарияланды.
Дессертацияның құрылымы: кіріспе, екі бөлім, 26 сурет, 10 кесте, қорытынды және 60 атауды қамтитын пайдаланылған әдебиеттер тізімі, жалпысы 78 беттен тұрады.
1 НАНОТЕХНОЛОГИЯ ТУРАЛЫ ЖАЛПЫ ТҮСІНІК
1.1 Нанотехнологияның даму тарихы
Осыдан 400 ғасырдай уақыт бұрын грек философы Демокрит заттың көзге көрінбейтін ең кішкентай бөлшегін грек тіліндегі атом яғни бөлінбейтін деген сөз арқылы атауды ұсыныс еткені белгілі. Сондықтан қазіргі нанотехнологияның шығу тарихы сонау грек философы Демокрит заманынан бастау алған деп есептеуге болады.
Нанотехнология саласындағы қарқынды зерттеулер XX-XXI ғасырдың қарсаңында күшейіп, өнеркәсіп өндірісіндегі түбегейлі өзгерістердің себепшісі болды. Нанотехнология ақпараттық өңдеудің, электр энергиясын алудың әдістері мен құралдарын дамытуға, ғылыми материалдарға негізделген жаңа материалдарды синтездеуге септігін тигізді. Наноэнергия пайда болғанға дейін адамдар атом-молекулярлық деңгейде зерттеу жұмыстарын жүргізіп, іс жүзінде наноөлшемді нысандар мен үрдістерге тап болды. Мысалы, наноөлшемді деңгейде биохимиялық реакциялар шарап, ірімшік және нан өндірісінде пайда болатын барлық тірі заттарды, химиялық өндірістегі катализді, ашытуды қамтитын макромолекулалар арасында кездеседі. Дегенмен, бастапқыда дамуы өздігінен осылай басталған нанотехнологияның болашағы қоршаған орта оның қасиеттерін жіті түсінбейінше сенімді негіз бола алмайтыны түсінікті бола бастады. Сондықтан осы бағыттағы ғылыми зерттеулер, нанотехнология әлемінің мүмкіндіктерін кеңейтіп, түбегейлі жаңа өнімдер мен ноу-хау жасауға бағытталды [32].
Нанотехнология ұғымының ең алғаш пайда болған күні - 1959 жылғы 29 желтоқсан. Калифорния технологиялық институтының профессоры Ричард Фейнман калифорния технологиялық институтында американдық физикалық қоғамның жыл сайынғы жиналысында дәріс оқыды. Бұл баяндамасында ол: алдағы болашақта физиктер үшін атом, молекула деңгейінде ірі жаңалықтар аша алатын мүмкіндіктердің жақындар қалғанын меңзеп, төменде көп орын бар... сондықтан адамзат баласы микроскопиялық деңгейдегі материалдарды басқарып және бақылай алатындығы туралы идеясын білдірді. Р.Фейнманның пікірінше, мұндай мүмкіндікті қолдану арқылы әдеттегі зат мөлшерін жоғалтпастан 25 мың рет кішірейту арқылы қол жеткізуге болады. Ол мұндай технологияларды қолданып, кітаптардың бүкіл әлемдік жинағын бір брошюраға орналастыруға болады деген болжам да жасады [24].
Фейнман нанотехнология түсінігін ешқашан айтпағанымен, ол микроскопиялық аспаптар мен керемет кішкентай компьютерлер жасау мүмкіндігіне назар аударды. Осы аса кішкентай аспаптар біздің органдарымызға еніп, хирургтер секілді белгілі бір тапсырмаларды орындауы мүмкін-деп есептеді. Көптеген ғалымдар Ричардтың бұл идеяларын әзіл ретінде қабылдады. Бір күні ол электронды микроскоппен оқылатындай етіп бет парақшаны бастапқы мөлшерінен 125000 мөлшеріне дейін азайтатын адамға 1000 АҚШ доллары көлемінде сыйақы беретінін жариялады. 1985 жылы Стэнфордтың түлегі Том Ньюман электронды сәулені пайдаланып, Чинар Диккенсдің Екі қаланың тарихы еңбегінің бірінші бетін жазды. Өз жұмысының нәтижелерін Фейнманға жіберген соң, ол екі апта ішінде уәде етілген 1000 доллар чегін алды. Осы күнге дейін көптеген ғалымдар Ричард Фейнманның болжамдарының қаншалықты дәл болғанына қайран қалады.
Наноөлшемді нысандарды жүйелі зерттеу XIX ғасырда пайда болды. 1856-1857 жж. ағылшын физигі Майкл Фарадей алдымен нанодисперсті, алтын және жұқа қабықшалардың коллоидты ерітінділерінің қасиеттерін зерттеді.
Нанотехнологияны алғаш қолдануға мысал ретінде 1883 жылы американдық өнертапқыш Джордж Истмен ойлап тапқан фотоплёнканы атауға болады, ол кейінірек белгілі Eastman Kodak компаниясының негізін қалады.
Нанометр дегеніміз бір метрдің миллиардтан бір бөлігі (1нанометр=10−9 метр). Бұл қашықтықта шамамен 10 атомды тығыз орналастыруға болады. Бұл өлшем бірлігін қолданған алғашқы ғалым Альберт Эйнштейн 1905 жылы қант молекуласының өлшемі бір нанометр екенін теориялық түрде дәлелдеді.
Бірақ 26 жылдан кейін ғана неміс физиктері Эрнст Руска және Макс Нолл 15 есе үлкейтуге болатын электронды микроскоп құрды. Бұл микроскоп нанотехнологиялар әлеміне енуге мүмкіндік беретін тағы да осындай құрылғылардың пайда болуына әсерін тигізді. Неміс физиктері Эрнст Руска және Макс Нолл осы еңбектері үшін 1986 жылы Нобель сыйлығының иегері атанды.
1932 жылы голландиялық профессор Фриц Зердики оптикалық микроскоптың бір нұсқасы - фазалы контрасты микроскопты ойлап тапты. Оған осы еңбегі үшін 1953 жылы Нобель сыйлығы берілді. Бұл суреттерді көрсету сапасын жақсартты және тірі жасушаларды зерттеу мүмкіндігін туғызды. Бір қызығы, Зердики өз өнертабысын Zeiss компаниясына ұсынады, бірақ менеджерлер бұл өздерінің болашақ өнімі болатынын түсінбейді, дегенмен бүгінгі күнде осындай микроскоптар медицинада кеңінен қолданылуда. 1939 жылы Эрнст Руска жұмыс істейтін Siemens компаниясы 10 нм-ге дейін көруге мүмкіндік бере алатын алғашқы коммерциялық электронды микроскопты ойлап тапты.
1972 жылы оптикалық микроскоп құрастырылды. 1981 жылы Цюрих зерттеу орталығында жұмыс істейтін IBM компаниясының мамандары Герд Бинниг және Генрих Рорер сканерлеуші туннельдік микроскопты құрастырды. Кейінірек, 1986 жылы сканерлеуші туннельдік осы микроскоп үшін оларға Нобель сыйлығы берілді. 1986 жылы олар атомдық-күштік микроскоп жасап шығарды. 1974 жылы жапон ғалымы Норио Танигучи емдеуге қатысты мәселелерді талқылағанда алғаш рет нанотехнология терминін енгізді. 1981 жылы американдық ғалым Гертер нанокристаллинді анықтауды алғаш қолданды. Кейін материалдардың сипаттамалары ретінде наноқұрылым, нанокомпозит және т.б. сөздер қолданысқа енді. 1975 жылы наноөлшемді нысандардың - кванттық нүктелердің және кванттық сымдардың арнайы түрлерінің теориялық мүмкіндіктері қарастырылды. 1986 жылы американдық физик Эрик Дрекслер биологиялық үлгілерге негізделген Жаратылыс машиналары: нанотехнология дәуірінің келуі атты кітабында молекулалық роботтардың тұжырымдамасын енгізді.
1970 жылы жапон ғалымдары Аиджи Осава мен Зеншо Йошида көміртегі атомдарынан құралған көп қырлы молекулалық зат - фуллерендердің болу мүмкіндігін алғаш рет болжаған болатын. Біраз уақыттан кейін, 1973 жылы орыс зерттеушілері Дмитрий Бочвар мен Елена Халперн осындай молекуланың алғашқы теориялық квантты-химиялық есептерін жасап, оның тұрақтылығын дәлелдеді. 1980 жылдары осындай кешендердің болуын көрсететін кейбір жұлдыздардың спектрлерінің астрофизикалық зерттеулерінің нәтижелері алынды. 1985 жылы фуллерен алғаш рет синтезделді. Бұны британдық ғалым Гарольд Крото және американдық Роберт Курл мен Ричард Смолли жүргізді. 1996 жылы оларға Нобель сыйлығы берілді. Лазерлік сәулелену нәтижесінде алынған графиттік булардың масс-спектрін зерттеу кезінде 60 және 70 көміртегі атомдарынан тұратын C60 және C70-тің үлкен бірліктері бары анықталды. 1990 жылы неміс ғалымдары В. Кретчмер мен К. Фостирополустың әзірлеген технологиялары бойынша жеткілікті мөлшерде фуллерендер шығару мүмкіндігі жасалды. Кейін, мұндай кешендердің табиғатта бар екені анықталды. 1992 жылы табиғи көміртекті минералды-шунгит (Карелиядағы Шунга ауылынан) ашылды. 1991 жылы жапон ғалымы Сумио Ижима көміртегі нанотүтікшелерін анықтады. Фуллерендер және көміртекті нанотүтікшелердің ерекше құрылымы мен қасиеттері көптеген зерттеушілердің назарын тартты. Кейінгі зерттеулер барысында фуллерен мен көміртекті нанотүтікшелердің басқа заттармен өзара әрекеттесуі нәтижесінде алынған осы құрылымдардың түрлі туындылары анықталды. Сондай-ақ, осы сияқты құрылымдар тек көміртегі ғана емес, сонымен қатар басқа элементтердің атомдары арқылы қалыптасуы мүмкін екендігі анықталды. Атап айтқанда, 1992 жылы фуллерен тәрізді титан мен көміртегінің - Ti8C12 нанобөлшектері анықталды. Сол жылы молибден мен күкірттің - MoS2 және вольфрам мен күкірттің - WS2 негізіндегі көміртекті емес нанотүтікшелері алғаш рет синтезделді. Осындай молекулярлық наноқұрылымдардың әрқандай түрлерін жасауға мүмкіндік беретін Жоғары молекулалық химия атты химияның жаңа саласының жедел түрде дамып келе жатқаны қазіргі нанотехнологиялық зерттеулердің аса жылдам әрі күшті дамуының бір себебі болып отыр.
Жоғары молекулалық химия термині 1978 жылы француз химигі Жан-Мари Лен тарапынан енгізілді. Көптеген күрделі молекулалық қосылыстардың пайда болуынан туындайтын қоспаның жоғары деңгейін сипаттау үшін қолданылды. Жоғары молекулалар молекулалық тану механизмі арқылы бір-бірімен байланысы бар компоненттерден тұрады, бұл олардың арасында белгілі бір байланыс бар деп есептейді.
Нанотехнология жетістіктері салыстырмалы түрде қысқа мерзім ішінде адам қызметінің түрлі салаларында кеңінен тарала бастады. Нанотехнология көмегімен биотехнологияның қалай дамуын көре аламыз. 1917 жылы венгр инженері Карл Эреки қант қызылшасын пайдаланып, шошқаның өсу үрдісін сипаттауға болатынын ұсынды. Ол биотехнология ғылымы негізінде тірі ағзаларды пайдалана отырып, шикізаттан белгілі бір өнім түрлерін шығаруға болады деп түсінді. Биотехнологияның одан арықарайғы даму хронологиясы келесідей: 1943 жылы пенициллинн өндіру игерілді; 1944 жылы генетикалық материал - дезоксирибонуклеин қышқылы - ДНҚ аныталды, ал 1953 жылы ДНҚ қос спиралі табылды; 1966 жылы генетикалық код анықталды; 1970 жылы оқшауланған ДНҚ-ның бөлінуіне қабілетті фермент табылды; 1973 жылы толық өлшемді РНҚ (t-RNA) гені синтезделіп-рибонуклеин қышқылын тасымалдау мүмкін болды; 1975 жылы рекомбинантты ДНҚ технологиясы жасалды, ал 1976 жылы ДНҚ нуклеотидтік дәйектілігін анықтау әдістері жасалды. Келесі жылдары гендік инженерия саласында кең ауқымды зерттеулер жүргізілді, 1990 жылы Адам геномын жасау жобасы жұмысқа кірісті. 1997 жылы сүтқоректілер дифференциалды соматикалық клетканың көмегімен клондалған болатын. Міне мұның бәрі нанотехнологияның биологиялық объектілерге қатысты мүмкіндіктерінің жарқын мысалы болмақ.
Нанотехнологияны қолданудың тағы бір мысалы, ол - кванттық компьютерлер идеясын дамыту тарихы. 1985 жылы Оксфорд университетінің профессоры Дэвид Дюк Turing машинасының кванттық-механикалық нұсқасының математикалық моделін ұсынды. 1994 жылы П.Шор (AT & T Bell) мұндай машинаны қолдануға болатындығын көрсетті.
Атап айтқанда, факторингтік мәселелерді шешуде тиімді болды. Қазіргі кезде Шор (Shor) ұсынған алгоритм кванттық компьютерлердің әртүрлі түрлерін жасау үшін кеңінен қолданылады. 1998 жылы жапондық М.Такеуши (M.Takeuchi-Mitsubishi) фотонды пайдаланып, кванттық есептеу жүйелеріне іргелі тәжірибелер жүргізді. 1999 жылы Н. Накамура (NEC) кванттық компьютердің практикалық жұмысының мүмкіндігін сәтті зерттеді[17].
Нанотехнологияны дамытудағы қазіргі кезең осы саладағы зерттеулер мен әзірлемелерді жандандырумен, оларға елеулі инвестицияларды енгізумен сипатталады. Бұл тенденциялар әлемнің жетекші индустриалды елдерінде ерекше байқалады. Америка Құрама Штаттары осы бағытта жетекші орын алады.
2001 жылы АҚШ-та Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) мақұлданды және оның негізгі идеясы келесідей тұжырымдалды: Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы АҚШ-тың әртүрлі федералды органдарының өзара әрекеттесу стратегиясын анықтайды, бұл АҚШ экономикасының және ұлттық қауіпсіздіктің негізіне айналуы тиіс нанотехнологиялардың басымдықты дамуын қамтамасыз етеді. АҚШ-тың Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) қабылданғанға дейін яғни 1996-1998 жылдары АҚШ-тың Технологияларға сараптама орталығының арнайы комитеті әлемнің барлық елдеріндегі нанотехнологиялардың дамуын зерттеп талдады және американдық ғылыми, техникалық және әкімшілік мамандарға арналған негізгі трендтер мен жетістіктер туралы шолу бюллетендерін шығарып тұрды.
1999 жылы Наноғылым және нанотехнология (IWGN) бойынша индустриалды топтың кездесуі өтті, оның нәтижесінде келесі 10 жылға арналған зерттеудің болжамы жасалды. Сол жылы IWGN қорытындылары мен ұсыныстары АҚШ Президентінің жанындағы Ғылым және Технология жөніндегі Ұлттық кеңестің қолдауына ие болды, содан кейін 2000 жылы Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы (NRI) қабылдау туралы ресми түрде жарияланды. Құжаттың кіріспесінде АҚШ президенті Билл Клинтон былай деп мәлімдеді: Ағымдағы қаржы жылында мемлекеттік нанотехнологиялар бастамасына 500 млн. АҚШ долларын бөліп отырмыз, бұл Конгресс кітапханасының барлық ақпаратын кішкентай құрылғыға жаза алатын, залалданған жасушалар пайда болған кезде, онкологиялық диагнозды анықтап, қоя алатын және басқа таңғаларлық нәтижелерге қол жеткізе алатын, сондай-ақ болашақта жаңа материалдарды жасауға мүмкіндік бере алатын мүмкіндігі зор құрылғы болмақ. Ұсынылған бастама кем дегенде 20 жылға есептелген және маңызды практикалық нәтижелерге қол жеткізуге уәде береді.
Жапония, АҚШ сияқты нано-технологиялық зерттеулерге үлкен көңіл бөледі. 2000 жылы Жапонияның Keidanren экономикалық ассоциациясы өнеркәсіптік-техникалық комитетінде нанотехнологиялар бойынша арнайы бөлімше ашылды. Оның негізгі ережелері: ақпараттық технологиялар, биотехнология, энергетика, экология және материалтану ғылымын нано-ғылымдағы серпілістің негізгі бағыттары ретінде анықтау; нанотехнологияларға негізделген салаларға ірі капитал салымдарының түсуін қамтамасыз ету; осы салалардағы зерттеулерді белсенді түрде дамытады және олардың нәтижелерін болашақта нанотехнологиялық революцияның флагманы болуға мүмкіндік береді; нанотехнологияны дамытудың ұлттық стратегиясын әзірлеу, осы саладағы өнеркәсіптік, мемлекеттік және ғылыми бөлімдер мен ұйымдардың тиімді ынтымақтастығын ұйымдастыру.
Батыс Еуропа елдері тиісті ұлттық бағдарламалар шеңберінде нанотехнология саласында жұмыс істей бастады. Германияда нанотехнологиялық зерттеулер негізінен Білім және ғылым, ғылым және технологиялар министрлігінің қолдауымен жүзеге асырылады. Ұлыбританяда бұл бағытта Физикалық-техникалық зерттеулер кеңесі, сондай-ақ Ұлттық физикалық зертхана жұмыс жасайды. Францияда нанотехнологияны дамыту стратегиясын Ұлттық ғылыми зерттеулер орталығы үйлестріп отырады. Азия құрылығының Қытай, Оңтүстік Корея қатарлы бірқатар мемлекеттерінде нанотехнологияларға көбірек көңіл бөлінеді.
Нанотехнологияларды зерттеу ТМД елдерінде, әсіресе Ресей, Белоруссия және Украинада, мемлекеттік ғылыми бағдарламалар аясында жүргізіле бастады. Белоруссияда мұндай жұмыс 2006-2010 жылдарға арналған Наноматериалдар және нанотехнологиялар мемлекеттік ғылыми-технологиялық институты шеңберінде жүзеге асырылады. Бұл 2003-2005 жылдары өткен аталмыш мемлекеттік бағдарламаға негізделген бұрынғы мемлекеттік бағдарламаның жалғасы болмақ.
Болашақта нанотехнология саласында зерттеулер жүргізу үшін жетекші индустриалды елдер тарапынан бюджеттік қаражат бөлу айтарлықтай артады деп болжануда. Бұл жағдайда жоспарланған зерттеулер бірнеше нақты міндеттерді шешуге бағытталған болады: мысалы, көп мақсатты жадымен жоғары сапалы сақтау құрылғыларын құру; компьютерлердің жылдамдығын миллион есеге арттыру; ауыр материалдарды жасау және олардың негізінде - жаңа көлік құралдарын құрастыру; СПИД-пен күрес саласында ауыруды анықтау және емдеу үшін генетикалық және медициналық жаңа өнімдерді шығару; қоршаған ортаны қорғауға арналған жаңа материалдар мен процестерді дамыту және т.б.
Әлемдік ғылыми қауымдастық нанотехнологияны дамыту проблемаларына үлкен көңіл бөледі. Оларды пайдалану қатты дискілерде және басқа да магниттік сақтау құралдарында магниттік жазу құрылғыларының өнеркәсіптік өндірісін айтарлықтай өзгертеді[18].
Бұл фактілер адамзат нанотехнологияның белсенді даму дәуіріне енгенін көрсетеді. Қол жеткізілген нәтижелер таңқаларлық, нанотехнологияның келешегі әлі де алда деп білеміз.
Нанотехнология тарихындағы атаулы күндер:
Жоғарыда айтып өткеніміздей нанотехнологияның ең алғашқы бастамасы ретінде осыдан 4 ғасырдай уақыт бұрын өмір сүрген грек философы Демокритті айтуға болады. Алғаш рет ол заттың ең кішкентай бөлігін грек тіліндегі атом деген сөзді қолданып сипаттаған.
1905 жылы Швейцариялық физик Альберт Эйнштейн, қант молекуласының мөлшері шамамен 1 нанометр болатындығын теориялық тұрғыдан дәлелдеді.
1931 жылы Неміс физиктері Макс Нолл мен Эрнст Руска электронды микроскоп құрастырды, соның көмегімен алғаш рет нано-нысандарды зерттеуге мүмкіндік берілді.
1959 жылы Американдық физик Ричард Фейнман заттың микробөлшектерден тұратындығын және оның болашағын бағалаған мақаласын жариялады.
1966 жылы Америка стандарттары бюросында жұмыс істеген американдық физик Рассел Янг сканерлеуші туннельдік микроскоптарын қолданып, пьезомоторды ойлап тапты және нано құралдарды 0.01 ангстремді (1 нм = 10 А °) дәлдікпен орналастырды.
1968 жылы Америкалық Бэлл компаниясының ғылыми бөлімшесінің қызметкерлері Альфред Чо мен Джон Артур беттік емдеудегі нанотехнологияның теориялық негіздерін жасады.
1971 жылы Рассел Янг сынақ микроскопының тұлғасы ретінде қызмет атқарған топографинер құралының идеясын ұсынды. Осындай құрылғылардың дамуының мұндай ұзақ мерзімдері атом құрылымдарының сақталуы және олардың күйін өзгертуге әкелетіндігімен түсіндіріледі, сондықтан тергеу нысанын бұзбайтын сапалы жаңа тәсілдер қажет.
1974 жылы Токио университетінде жұмыс істеген, жапон физигі Норио Танигучи, ғылыми орталарда тез танымал болған нанотехнология терминін (бір атомға немесе бір молекулаға бөлу арқылы материалдарды бөліп алу, жинау және өзгерту процесін) ұсынды.
1981 жылы Неміс физиктері Герд Бинниг және Генрих Рохер жеке атомдарды көрсете алатын алғашқы микроскопты ойлап тауып, оны жасады.
1982 жылы IBM Физика Цюрихтегі зерттеу орталығында Герд Бинниг пен Генрих Рохер (1986 жылғы Эрнст Рускамен бірге Нобель сыйлығының лауреаттары) өткізгіш материалдардың беттеріндегі атомдардың орналасуының үш өлшемді бейнесін құруға мүмкіндік беретін сканерлеуші туннельдік микроскопты (СTM) жасады.
СTM Рассел Янг ойлап тапқан топографинердің жұмыс істеу ережесіне сай әрекет етті, бірақ швейцар оны Янгқа тәуелсіз құрды, ол әлдеқайда жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізді және кальций-иридия-қалайы кристалдарындағы жеке атомдарды таниды.Зерттеудің басты мәселесі фондық шу болды. Атомдық фракциялардың дәлдігімен орналасқан микроскоптың ұшы көшедегі ең аз шу мен дірілден аулақ болды.
1985 жылы Американдық Райс университетінің үш химигі: Ричард Смалли, сондай-ақ Роберт Карл және Херолд Крото (1996 жылғы Нобель сыйлығының лауреаттары) фуллеренді анықтады. Ол сала түрінде орналасқан 60 көміртегі атомы бар молекулалар. Бұл ғалымдар алғаш рет 1 нм мөлшерінде нысананы (объектіні) өлшеді.
1986 жылы Герд Биннг атомдық-күштік зондты микроскопты сканерледі, ол кез-келген материалдың атомдарын бейнелеуге мүмкіндік берді (тек өткізумен ғана емес), сондай-ақ оларды қозғалтуға яғни басқаруға да мүмкіндік берді.
1986 жылы Массачусетс технологиялық институтында жасанды интеллект зертханасында жұмыс істеген американдық ғалым Эрик Дрекслер осы бағдарламада жұмыс істейтін әмбебап молекулярлық роботтардың тұжырымдамасын ұсынған Құрастыру машиналары атты кітабын жазды.
Бұл идея Дрекслердің негізгі қызметі арқылы шабыттанған болатын. Өзін-өзі тарататын құрылғылар идеясы жасанды интеллект проблемасында үнемі кездеседі.
Ғалым қазірдің өзінде нанотехнологияның болашақ жетістіктерін айтарлықтай дәл болжады, ал 1989 жылдан бері оның болжамдары шынымен орындалды.
1987-1988 жж Микроскоп зондысының бөлшектерін жылудың әсерінен бағыттайтын алғашқы ресейлік нанотехнологиялық қондырғы П.Н. Лускиновичтің басшылығымен Дельта ғылыми-зерттеу институтында жұмыс істей бастады.
1989 жылы
Оксана Дональд Эйлер және Калифорния ғылыми орталығының қызметкері Эрхард Шуццер IBM фирмасының атауын никель кристалындағы 35 ксенондық атоммен бірге орналастыра алды.
1991 жылы NEC компаниясында жұмыс істеген жапондық профессор Сумио Лимма диаметрі 0,8 нм болатын көміртекті нанотүтікшелер жасау үшін фуллеренді пайдаланды. Олардың өлшемдері өндірілген заттардың беріктігіне тікелей байланысты болды. Солтүстік Каролина университетінің геохимик Уоррен Робинт пен химик Стэнди Уильямс атом микроскопымен шектеліп қана қоймай, виртуалды шындық интерфейсі арқылы басқарылатын нанобасқарғышты адам өлшеміндегі робот жасады.
1991 жылы АҚШ-та ұлттық ғылым қорының алғашқы нанотехнологиялық бағдарламасы іске қосылды. Осындай іс-шаралар Жапония үкіметіне де қатысты. Бірақ Еуропада мемлекеттік деңгейде мұндай зерттеулерге елеулі қолдау 1997 жылы ғана басталды.
1997 жылы Эрик Дрекслер 2020 жылға қарай жекелеген атомдардан наноқұрылғылардың өнеркәсіптік жинағын құруға болады деп мәлімдеді. Осы уақытқа дейін оның барлық болжамдары дер кезінде орындалды.
1998 жылы Дельфтс қаласындағы голландиялық техникалық университетінің профессоры Сиз Деккер нанотүтікшеге негізделген транзисторларды молекулалар ретінде қолданды. Ол үшін ол әлемдегі осындай молекуланың электрөткізгіштігін өлшеуі керек еді.
Ұзындығы 300 нм болатын нанотүтікшелер жасау технологиялары пайда болды.
Жапонияда ғарыштық суықта және мыңдаған дәрежедегі жылу жағдайында жұмыс істеуге қабілетті наноэлектрониканы дамыту үшін Астробой бағдарламасы іске қосылды.
1999 жылы Американдық ғалымдар - физика профессоры Марк Рид (Йель университеті) және химия профессоры Джеймс Тур (Райс университеті) бірыңғай молекуланы және олардың тізбегін басқарудың ортақ принциптерін жасады.
2000 жылы Неміс физигі Франц Гиссибил кремнийдегі субатомдық бөлшектерді көрді. Оның әріптесі Роберт Магерле нанотомография технологиясын ұсынды - 100 нм рұқсатпен материяның ішкі құрылымының үш өлшемді бейнесін жасауға болады. Жобаны Фольсваген қаржыландырды. АҚШ үкіметі Ұлттық нанотехнологиялар бастамасын (NNI) іске қосты. АҚШ бюджетінде бұл салаға 270 миллион доллар бөлінді, коммерциялық компаниялар он есе көп инвестиция салған.
2001 жылы NNI компаниясының жоспарланған (422 млн. доллар) қаржыдан 42 млн. артық нәтиже берді[27].
2002 жылы Сиз Диккер көміртегі түтігін ДНҚ-мен жалғыз наномеханизмді қолданады. NNI-дің қаржыландыруы 697 миллион АҚШ долларын құрады (жоспарланғандан 97 миллион артық).
1.2 Нанотехнологияның бүгінгі таңдағы ғылымдағы қолданысы
Нанотехнологияларға жаңа материалдарды әзірлеуде, коммуникацияларды жақсартуда, биотехнология, микроэлектроника, энергетика және қаруды дамытуда үлкен сенім артылды. Сарапшылардың ең алдымен ғылыми жетістіктерінің бірі - компьютерлік өнімділіктің арттыру, жаңадан қалпына келтірілген маталарды қолдану арқылы адам ағзаларын қалпына келтіру, атомдар мен молекулалардан тікелей жаңа материалдар алу және өркениеттің дамуына революциялық әсер етуі мүмкін химия мен физикадағы жаңа жаңалықтардың пайда болуы.
Нанотехнологияны пайдалану болашақта адамзат үшін ең маңызды мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Олардың бірі - жаһандық энергетикалық қажеттілікті қамтамасыз ету. Болжам бойынша электр энергиясына деген сұраныс 2025 жылға қарай 50% -ға артады. Электр энергиясының негізгі көзі саналатын мұнай, газ , көмірге деген сұраныс өсіп келеді және жақын жылдары екі есеге дейін өседі. Қазба отындарының қолда бар қорын ескере отырып, бұл мәселенің жыл өткен сайын қиындай түсетінін көруге болады. Нано-деңгейде электр энергиясының жоғары сапалы жаңаруы есебінен нанотехнология энергия тиімділігін жарықтандыруды, отын элементтерін, сутекті батареяларды, күн батареяларын, энергия көздерін бөлуді және өндірісті орталықсыздандыруды және энергияны сақтауды қолдану арқылы энергия мәселелерін шешеді деп болжануда[22].
Биологияда қолданылуы
Наномасштабты әлем біз білетін, біз көзбен көре алатын макроәлемнен яғни көп қабатты үй, ұшақ, пойыз, автомобиль, туфли, қарындаш пен өшіргіщ резеңкеге дейін ірі масштабты әлемнен өзінің қасиеттерімен ерекшеленеді. Бізді қоршаған айналамыздағы мм-ден км-ге дейінгі өлшемдері бар барлық макроскопиялық заттарға үйкеліс, пластикалық, серпімділік, жабысқыштық және т.б. иілгіштік қасиеттер тән. Осының арқасында біздің үйлеріміз картоннан жасалған үйлер сияқты бұзылмай, өз іргетасында берік орналасып тұр.
Наномасштабта керісінше, нысандардың орналасу әрекеті олардың өлшемдеріне барынша тәуелді болады. Мысалы, қарапайым шаң желдің соғуына тәуелді, бірақ ауырлық күшімен аз тежеледі, сол сияқты нанобөлшектер гравитациялық тартылысты аз сезінеді. Атомдар мен молекулалардың күйі көп жағдайда көршілес нысандардың әсерлеріне тәуелді келеді. Атомдар мен молекулалардың өзара байланыс әрекеттесулері олардың гравитациялық тартылысынан әлдеқайда күшті болады. Нанобөлшектердің қозғалысы мен реакциялық белсенділігіне сол сияқты сыртқы күштердің де әсері бар, мысалы электромагниттік өріс, газдық және сұйықтық ағындар, жылу және салқындық[14].
Нанобөлшектердің атомдардың өлшемімен салыстыруға болатындай өлшемі бар, шамамен 0,1 нм-ді құрайды. Нысанның кем дегенде бір өлшемі 1-ден 100 нм аралығында болса, ол наномасштабты деп саналады. Көптеген биологиялық нысандардың бір өлшемі болсын осы диапазонда жатады. 5.1-суретте аспапсыз көзбен көруге мүмкін емес, кейбір органикалық нысандардың салыстырмалы өлшемдері көрсетілген.
Көптеген бір жасушалы ағзалар өте ұсақ компоненттерден тұрады: ядро, митохондрия, Гольджи аппараты және т.б. Жасушаның бұл компоненттері әртүрлі күрделі қызметтер атқарады, мысалы, энергия береді немесе көрінісін қамтамасыз етеді.
Сурет 1. Тіпті наномасштабты деңгейде нысандар әртүрлі өлшемде болады
Сұйық және қатты заттардың бөліну шекарасы
Заттардың әртүрлі күйлерінің арасындағы, мысалы сұйық және қатты затардың бөлінуінің беткі қабаты, олардың ерігіштігі үшін маңызды рөл атқарады. Ғалымдар биологиялық нанотехнологиялардың көмегімен суда ерімейтін заттарды суда еритін заттарға түрлендіруді үйренді, олар тірі ағзалар ерітінділерін қосқанда, әртүрлі сұйық ерітінділермен қоса түрлендіреді. Бұндай түрлендірулердің жаңа тәсілдерінің ашылуы (құрғақ күйден дымқыл күйге) биология мен медицинаға нанотехнологияны табысты енгізудің негізгі факторы болып табылады.
Негізгі тәсілдердің бірі - құрғақ патшалығынан бір затты алып, мысалы, алтынды және оны дымқыл патшалығына қосып, мысалы арнайы антиденелер көмегімен ауру жасушаға енгізу. Осылай ауруларды, мысалы, қатерлі ісікті емдеу үшін түрлі улы емес бөлшектер немесе гибридті субстанцияларды пайдалануға болады. Нанотехнологиялардың жеке жасушаларға, мүшелерге, ағзаларға және экожүйелерге әсер ету потенциалы өте зор.
Сонымен қатар, тірі ағзаларды наноқұрылымдарды жасау үшін де қолданады. Табиғат күрделі химиялық, физикалық және биологиялық қызметтерді атқаратын әртүрлі көмірсутектермен толып кеткен. Егер ғалымдар наноқұрылымдарды синтездеуде осы биологиялық жүйелерді пайдалануды үйренсе, онда бұл біздің химия, биология және материалтану туралы көзқарасымызды толығымен өзгертер еді.
Табиғат биомеханикасы
Табиғатта алуан түрлі тірі ағзалар түрі бар - кішкентай жәндіктерден бастап үлкен көк киттерге дейін. Осы био құрылымдардың барлығының негізінде протеиндер (ақуыздар) жатыр. Протеин (ақуыз) бірнеше бағытқа бөлінген көміртегінің орталық атомын білдіреді: аминқышқыл топтары, карбоксиль топтары және әртүрлі ұзындықтағы бүйір тізбектері.
Протеиндер (ақуыздар) - пептидтік байланыспен байланысқан аминқышқылдарынан құралған жоғары молекулалы органикалық қосылыстар.
Сонымен, бірнеше пептидтік байланыспен байланысқан аминқышқылдар протеин (ақуыз) тізбегін құрайды. Бұл байланыстардың қасиеті ғалымдарға ішкі жасушалық тетіктерді белгілі бір биологиялық мақсатта басқаруға мүмкіндік береді.
Сурет 2. Аминқышқылдары арасындағы пептидті байланыс
Протеин (ақуыз) тізбегінде қосымша көміртегін сутегі тасиды және әртүрлі 20 бүйір тізбектердің ішіндегі біреуі К әрпімен белгіленеді. Сіздер әртүрлі жаңа наноқұрылымдар мен наноматериалдардың әлеуетіне протеиндердің (ақуыздардың) байланысының әсер етуінің көптеген әртүрлі тәсілдерін көре аласыздар.
Жасушалардағы протеиндердің (ақуыздардың) жұмыс істеу ұстанымын түсіну үшін олардың қалай құрылғандықтарын білу мүмкіндігіне қол жеткізу керек. Мысалы,биологиялық молекулалардың құпиясын олардың базалық құрылымын білмей жатып ашуға болмайды.
Ғалымдардың айтуынша ДНҚ-дағы протеиндер (ақуыздар) өмір жоспарынан құралады. Олар шынымен тірі ағзаның даму және функционирлеу бағдарламасын сақтайды.
Барлық жануарлар (трубкозубтан және броненостан бегемотпен адамға дейін) ұрпақтан ұрпаққа берілетін жануардың құрылуының жазылған негіздері бар ДНҚ-дан тұрады.
1951 жылы биологтар Джеймс Уотсон және Фрэнсис Крик Кембридж Университетінде (Ұлыбритания) рентгендік кристаллография әдістерінің көмегімен ДНҚ құрылысын зерттеді.
Крик протеин (ақуыз) молекуласының құрылымын рентгендік кристаллография деп аталатын үдерістің көмегімен зерттеді. Сымдардан құралған нуклеотидтердің модельдерімен жұмыс жасай отырып, Уотсон және Крик ДНҚ құрылымын түсінді. 1962 жылы Уотсон, Крик және Морис Уилкинс бірігіп медицинафизиология саласындағы ДНҚ құрылымы бойынша еңбегі үшін Нобель сыйлығын иеленді.
Алынған мәліметтер негізінде олар ДНҚ-ның физикалық үлгісін жасады. Кейін олардың ұсынған қос спиральді құрылысының бар екені дәлелденді, ал олардың жұмысына 1962 жылы физиология және медицина саласында Нуклеин қышқылдарының молекулалық құрылысына қатысты ашылулар жасағаны үшін және тірі жүйелерде ақпараттардың тасымалдау нысанын, олардың маңыздылығын ашқаны үшін Нобель сыйлығы берілді.
ДНҚ-ның құрылысы ашылғаннан кейін ғалымдар тұқым қуалаушық пен тұқым қуалау ауруларының тетіктерін жақсы түсіне бастады. ДНҚ ағза денесінің ақуыздары, сол сияқты әртүрлі энзимдері туралы ақпаратты сақтайтын фрагменттерден тұрады.
ДНҚ - әр молекуласы сутектік байланыспен байланысқан және қос спиральмен оралған екі ұзын жіпшеден тұрады. Жіпшелер фосфат, қант және төрт азотты негіздердің бірінен тұратын аралық топтардан құралады. Жіпшелер бір-бірімен азотты негіздер жұбының арасындағы сутектік байланыстар көмегімен байланысқан. Сонымен, бес атомы бар көміртегі мен қант (дезоксирибоза), фосфат және азотты негіздер нуклеотид түзеді. Төрт азотты негіздер: гуанин (Г), цитозин (Ц), аденин (А) және тимин (Т) генетикалық код түзеді. Анығында олар энзимдер мен басқа ақуыздарды қалай жасау жөніндегі ақпарат жазылған жасуша жадының рөлін атқарады.
ДНҚ-ның екі тізбегі де байланысқан жұп түзетін пуриндік немесе пирамидиндік негіздердің көмегімен ұсталынып тұрады. Сонымен қоса, аденин (пуриндік негіз) тек қана тиминмен (пирамидиндік байланыс), ал гуанин (пуриндік негіз) - цитозинмен (пирамидиндік негіз) байланыса алады.
ДНҚ-ның екі тізбегіндегі байланысқан жұп түзетін әртүрлі жағдайдағы төрт нуклеотид (А, Т, Ц және Г) ағзаның құрылысы мен атқаратын қызметінің толық жоспарын құрайды. Олар бұл ақпаратты өте үлкен дәлдікпен көшіре алады.
Сурет 3. ДНҚ молекуласы төрт азотты негіздердің тізбегінен құралған екі спираль ретінде бұралған байланысқан жіпшелерден тұрады
Адам ағзасындағы әр жасуша ДНҚ-ның жеке 46 молекулаларынан тұрады және олардың әрқайсысында 160 млн. жұп нуклеотид бар. Және барлық бұл ақпараттардың жиыны еш қатесіз көшіріледі және сақталады. Бұл - компьютерге қарағанда аса сенімді ақпаратты сақтау жүйесі[13]!
ДНҚ коды
Адам ДНҚ-сы бүкіл ағзаның құрылысының жоспарынан немесе кодынан тұрады. Кодталған нұсқауды орындау үшін ақпарат көшіріледі де, басқа молекулаларға беріледі. Егер ДНҚ-ның бір жіпшесі АГЦГЦААГ азоттық қосылыстардың тізбегінен құралатын болса, онда екінші жіпшеде оған сәйкес тізбек ТЦГЦГТТЦ түрінде болады. ДНҚ-ға ешқандай зиян келмеген кезде азоттық негіздердің бұндай сәйкестік ұстанымы әрдайым сақталады.
ДНҚ-ның зақымдануы әртүрлі факторлардың әсерінен болуы мүмкін, мысалы радиациялық сәулеленуден. Сондықтан жүкті әйелдерге рентгенографиядан өтуге тыйым салынған. Себебі, рентгендік сәулелену нәрестенің ДНҚ молекулаларындағы ақуыз құрылысын зақымдауы мүмкін.
Әрине, ДНҚ-ның көшіру кезіндегі қателік шамасының үлкен маңызы бар. Егер ДНҚ-ның белгілі бір аумағы ГГЦААТЦ азоттың негіздер тізбегімен ГГЦААТЦ тізбегіне көшірілетін болса, онда мұндай қателіктен туындайтын әлеуетті қауіп сол берілген аймақтағы ДНҚ-ның кодталғандығынан тәуелді болады. Нанотехнологияның дамуының болашақтағы бағыттарының бірі генетикалық кодта осындай қателерді жөндеу мүмкіншілігі болып табылады. Егер де ғалымдар жекеше атомдарды жоюды немесе алмастыруды үйренгенде, онда олар көптеген гендік ауруларды емдей алар еді, мысалы, серпті - жасушалы анемия.
Ғалымдарға ұқсас биологиялық пазлдарды жинап үйрену үшін ұзақ әрі тапжылмай еңбек етуге тура келеді.
ДНҚ-дағы нуклеотидтер тізбегі кейбір үдерістердің қосылуы мен өшірілуіне, ақуыздар және басқа биологиялық құрылымдардың жасалуына жауап береді. Алайда, әлі күнге дейін маңызы белгісіз көптеген тізбектер бар. Жаңа нанотехнологиялар мен наноқұралдар тереңірек қарауға мүмкіндік береді (атомдық деңгейге дейін) және нанодеңгейде не болып жатқандығын және оны адамзат пайдасы үшін қалай қолдануға болатындығын қарастыруға ыңғайлы.
Биологиялық құрылымдар мен үдерістерді бақылау
Биологиялық құрылымдар мен үдерістерді бақылаудағы жетістік зерттелінетін үлгілерді шеберлікпен дайындауға тәуелді болады. Зертханалық қондырғы неғұрлым жақсы және үлгі таза болса, оның құрылымын, химиялық құрамы мен қасиетін дәл анықтау ықтималдығы соғұрлым көп. Көбінесе студенттер осындай қондырғыларды және өздерінің аса тәжірибелі жол сілтеушілері пайдаланатын әдістердің де көмегімен жақсы нәтижелерге жете алмай жатады. Тәжірибе және ұсақ-түйектерге қатысты мұқияттылық маңызды рөл атқарады.
Ғалымдарға жақсы нәтижелер алу үшін олардың барлық тәжірибесі керек. Сонымен қатар, олар ол туралы аса көп ақпарат алуға мүмкіндік беретін, зерттелінетін нысанның сол спецификациялық қасиеттерін пайдалануға тырысады. Мысалы, егер үлгі флуоресцирлеуге қабілетті болса, онда оны бақылау үшін флуоресценцияны талдау қажет, ал егер үлгі жақсы өткізгіш болса, оның электрлік қасиетін өлшеу керек[8].
Бірқабатты көміртекті нанотүтікшелерді бақылау
Райс университетінің (АҚШ) биология мен қоршаған ортаны қорғаудағы нанотехнологияны зерттеу Орталығының профессоры Брюс Вайсман мен Ребекка Дрезек басшылығындағы зерттеушілер тобы биологиялық нанобөлшектерді алудың, тазалаудың және сараптаудың жаңа әдістерін іздеуде.
Өз жұмыстарында олар кейбір биологиялық үдерістерді бақылау үдерістерін қысқартатын бірқабатты көміртекті нанотүтікшелерді пайдаланды. Алынатын нанотүтікшелердің әртүрлі өлшемде, пішінде және бағытта болуына байланысты жұмыс үлкен техникалық қиындықтармен күрделенеді. Ғалымдарға олардың мақсаттарына жарайтын нанотүтікшелерді ғана тексеріп және сүзіп алу керек. Олар тұңғыш рет биологиялық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz