Нанотехнологиялардың тарихы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

КІРІСПЕ

Табиғаттағы ең аз сутегі атомы 1/10 нм диаметрі бар; Адам шашының диаметрі шамамен 75 мың нм құрайды. Нанотехнология талаптарына жауап беретін типтік молекула 100 атомдан тұрады және диаметрі 1-ден 10 нм-ге дейін болуы мүмкін.

ХХІ ғасырдағы әлеуметтік-экономикалық прогресс толықтай нанотехнологияның жетістігімен анықталады деп есептеледі. Нанотехнология - мамандарға жеке атомдар мен молекулаларды көздер ретінде пайдалану кезінде кез келген объектілерді жинау және жасанды интеллектпен жабдықталған өзін-өзі ұйымдастырған репликаторларды объектілерді жинау және бөлшектеу үшін жабдық ретінде пайдалану мүмкіндігін білдіреді (Нанотехнологиялар-Революциялық мүмкіндіктер және қоғамдық әсерлері / M. Roco, Р. Томеллини, Нанотехнологиялар бойынша 2002 жылғы бірлескен EC-NSF бірлескен семинары) . Мамандардың көптеген болжамдарына сәйкес, 2010 жылға дейін тек молекулярлық наноинспекция тәжірибеге енбей, алғашқы қартаюға қарсы препараттар пайда болады, бірақ ақпараттық жүйелердің элемент базасында және тұтастай алғанда ақпараттық технологияларда үлкен өзгерістер орын алады. Жаңа наноматериалдар күшейтілген және бір мезгілде аз салмақпен (зертханалық сынақтан өтіп қана қоймай) пайда болады. Нанотехнология адам қызметінің барлық салаларына енеді және халықтың бір-біріне және табиғатына деген қатынасын айтарлықтай өзгертеді. Экономикалық тұрғыдан дамыған елдер нанотехнологиялар бойынша ұлттық басым бағдарламаларды қаржыландырумен ғана емес, негiзгi ғылыми зерттеулер жүргiзумен ғана емес, жақын болашақта да мұқият қарайды [Нанотехнологиялар алдағы онжылдықта. - M: Mir, 2002. -292 жыл), сонымен қатар ұлттық наноиндустрияны дамытуда үнемі ұлғайған қаражат салады. Профессор М. Роко [М. Роко Нанотехнологияның даму перспективалары: ұлттық бағдарламалар, білім беру мәселелері. Нанотехнология және нанотехнологиялар бойынша негізгі курстармен қатар студенттерді қосымша оқыту және біліктілігін арттырудың алты оқу орнының білім беру орталықтарының ұйымдастырылуына және ұзақ мерзімді қаржыландыруында АҚШ-тың тәжірибесі сипатталған, Р. Хим. Хуридж, XLVI, №5, 2002] магистранттар, аспиранттар, мектеп мұғалімдері, орта мектеп мұғалімдері және, сайып келгенде, салалық сарапшылар.

Осы нұсқаулықтың мақсаты наноматериалдарға қысқаша шолу жасау, сондай-ақ болашақ инженерлерді нанотехнологияны дамытудың жетістіктері мен перспективаларын таныстыру болып табылады. Нұсқаулықтың бірінші бөлігінде нанотехнологияны дамытудың негізгі ұғымдары, маңыздылығы мен негізгі бағыттары берілген. Екінші бөлігі нанобөлшектерге, оларды дайындау әдістері, қасиеттері мен қосымшаларына арналған. Үшінші тарауда көміртегі наноқұрылымдары, атап айтқанда, фуллерен және нанотрубы сипатталған. Құрылымдар, синтездеу әдістері, оқшаулау және тазарту әдістері ұсынылған және екі фуллереннің де, олардың туындылары мен нанотрубкаларының қасиеттері сипатталған. Төртінші тарау көміртекті нанотрубкаларға, олардың құрылымдарының сипаттамаларына, түрлері мен қасиеттеріне, синтездеу және қолдану әдістерін қарастыруға арналған. Бесінші бөлімде материалдарды зерттеу әдісі сипатталған. Масс-спектралды талдау әдісі, микроскопия және спектроскопия сияқты талдау әдістері қарастырылады. Олардың мүмкіндіктері мен іс-қимыл принциптері сипатталады. Материалды зерттеу барысында химия, физика және материалтану пәндері бойынша жалпы білім алу қажет. Нұсқаудың соңында қарастырылған мәселелерді тереңірек зерттеу үшін библиография ұсынылады.

1. НАНОМАТЕРИЯАЛДАР ЖӘНЕ НАНОТЕХОЛОГИЯ ӘЛЕМІ

1. 1 Негізгі ұғымдар

Нанотехнологиялар - 100 нм-нен кем өлшемдері бар компоненттерді қоса алғанда, реттелетін тәртіпте объектілерді құру мен өзгертуге мүмкіндік беретін әдістер мен әдістердің жиынтығы, олар түбегейлі жаңа қасиеттерге ие және олардың толыққанды жұмыс істейтін кең ауқымды жүйелерге интеграциялануына мүмкіндік береді.

Наноматериалдар - құрылымдық элементтері бар, кем дегенде бір өлшемде геометриялық өлшемдері 100 нм-нен аспайтын және сапалы жаңа қасиеттерге, функционалдық және пайдалану сипаттамаларына ие материалдар.

Наносистема - бұл нысанның кванттық-өлшемді, синергетикалық-кооперативті, «гигант» әсерлері мен басқа да құбылыстар мен процестер түрінде пайда болатын жаңа қасиеттерге ие болуын қамтамасыз ететін нанометриялық сипаттамалық өлшемдері бар реттелген немесе өздігінен реттелген, өзара байланысты элементтер түріндегі материалдық объект.

Нанотехникалық қондырғы - дәстүрлі технологиялар негізінде жасалған ұқсас мақсаттағы жүйелер мен құрылғылардан түбегейлі ерекшеленетін наноматериалдар мен нанотехнологияларға негізделген толықтай немесе ішінара функционалды толық жүйелер мен аппараттар.

Нанодиагностика - наноматериалдар мен наносистемалардың құрылымдық, морфологиялық және топологиялық, механикалық, электрофизикалық, оптикалық, биологиялық сипаттамаларын зерттеуге, заттардың нанокуфтарын талдауға, нано-дәлдікпен метрикалық параметрлерді өлшеуге арналған арнайы зерттеу әдістерінің жиынтығы.

Нанотехнология - наноқұрылымға көшу кезінде жүйенің жаңа қасиеттері мен функционалдық мүмкіндіктерін пайдалана отырып құрастырылған және бұрын қол жетімсіз салмағы, өлшемі және энергетикалық көрсеткіштері бар, машиналар, механизмдер, құрылғылар, құрылғылар, материалдар экономикалық көрсеткіштері мен функционалдығы. Ірі (макроскопиялық) мәндерден кішкене дейін үлгі өлшемін бірте-бірте азайту арқылы қасиеттер өзгереді. Егер бір өлшемдегі үлгі өлшемдері нанометр ауқымында болса, екіншісінде үлкен болса, онда нәтиже беретін құрылым кванттық құдық деп аталады.

1-Сурет. Дөңгелек наноқұрылымдардың тізбегі. А-том, Б-яма, В-сым, Д-тармақ.

Егер үлгі екі өлшемде кішкентай болса және үшіншіден үлкен мөлшерде болса, онда мұндай зат кванттық сым деп аталады. Барлық мөлшердегі өлшемдер нанометр ауқымының төменгі бөлігінде орналасқан бұл мөлшерді азайту процесінің шектеулі жағдайы кванттық нүкте деп аталады (1-сурет) .

Наноматериалдар сыныбы 100 нм-нен кем морфологиялық элементтері бар материалдарды қамтиды. Геометриялық түрде бұл элементтер нөлдік өлшемді атомдық кластерлерге және бөлшектерге, бір және екі өлшемді қабаттарға, жабындар мен ламинарлы құрылымдарға, үш өлшемді көлемді нанокристалдық және нанофазалық материалдарға бөлінеді. 2-Суретте нанокристалды-кванттық нүктенің өлшемін көрсетеді [Уилл МакКартидің сұхбатынан, «Matter as Software» кітабының авторы. 2004 NanoNewsNet. ru] .

2-Сур. Нанокристалдың мөлшері кванттық нүкте болып табылады.

«Нанотехнология» термині жапондық ғалымдармен 1974 жылы алғаш рет ұсынылған. Нәзік материалдарды емдеу саласындағы маман, жапондық ғалым Танигучи, 2000 жылға дейін дәлдік нонометрлік диапазонға дейін жететінін болжап, мамандарды өңдеуге ең жоғары деңгейде өтуге назар аударды. Бұл жаңа технологияларды да, тиісті метрологиялық қолдауды да талап етеді. Нано префиксі - әдетте бір миллиардтаған (10 -9) нәрсе. Нанотехнологиялар әртүрлі құрылымдармен айналысады, олардың сипаттамалары миллиардтаған метрді құрайды. Нанотехнологиялар сөзі салыстырмалы түрде жаңа болса да, нанометр өлшемдерінің құрылғылары мен құрылымдары жаңа емес. Өмірдің өзінде болғанда олар жер бетінде бар. Мысалы, қабықша балдырлар ішкі жағынан құйылған өте қатты қабықты өсіріп, күшті борды нанобөлшектерді ақуыздар мен көмірсулар қоспасымен сіңдіреді. Оның үстіне, адам наноқұрылыс материалдарының артықшылықтарын пайдалана бастаған кезде белгілі емес. Б. э. д. IV ғасырда рим шыны ыдыстары метал нанобөлшектері бар әйнек жасады деген дәлел бар. Орта ғасырлардағы храмдардағы әдемі витражнан жасалған түстердің үлкен әртүрлілігі сондай-ақ шыныдағы металл нанобөлшектердің болуымен түсіндіріледі.

1. 2. Нанотехнологиялардың тарихы

Ғылым дамуында ғалымдар кішкене бөлшектердің әлеуетті маңыздылығын талқылады. Мысалы, 1661 жылы Р. Бойл «олардың құрамдас бөлшектеріне тез ыдырап кету қиын» деп атайды «кішкентай массалар немесе кластерлер». 1857 жылы М. Фарадейдің мақсаты Корольдік қоғамның философиялық шығармаларындағы мақаланы жариялады, онда ол витражға металл енудің оның түсіне қалай әсер ететінін түсіндіруге тырысты. Алайда, бұл сұраққа жауапты 1908 жылы жарияланған «Физикадағы жылнамалар» баспасында Ғ. М. келтіре алады. Шағын өлшемдегі объектілердің негізгі мәні 1959 жылы Феиманның баяндамасы болған кезде дәріс тыңдаушылар назарына ұсынылған кезде назар аударды миниатюралық проблемалардың «Төменде кеңістікке толы» [Р. Файнман. Төменгі жағында көп бөлме бар. Жаңа физика саласына кіруге шақыру. Х. Д. Гилбертте (Минатюризация, Рейнхольд, N-Y, 1961) . Ақпаратты қысу, шағын компьютерлер жасау, молекулярлық сәулетті игеру саласындағы жұмыстың өзектілігі ерекше атап өтілді.

Feyman идеясының бір бөлігі Дрехлердің «Жаратылыс машиналары: нанотехнология дәуірінің келуі» атты кітабын шығарды [K. Эрик Дрехлер, Қозғалтқыштар. Нанотехнологияның келе жатқан дәуірі, б. 299, Анчор Кітаптары Екі күндік, Нью-Йорк, 1986 жыл. ) . Биологиялық модельдер негізінде автор молекулалық робототехниканың идеясын енгізді. Интегралдық схемаларды миниатюралауға қатысты дәстүрлі «жоғарыдан төмен» технологиялық тәсілмен салыстырғанда, Feyman-ге айтылған атомдық және молекулярлық жинаққа қатысты «түбінен жоғары» стратегияға назар аударылды. Дегенмен, нанотехнологияларды қалыптастырудың тиісті әдістерінің пайда болуымен ғана болды, ол тек 1980 жылдары шағын металл кластерлерді өндіру әдісі енгізілген болатын.

1996 жылы Ұлттық ғылым қорының басшылығымен мемлекеттік органдардың тобы нанотехнологияның қазіргі әлем жағдайын зерттеуді ұйымдастырды. Топтың қызметі осы саланы дамытуға қатысты толық ұсыныстарды берді, ал ұзақ мерзімді мемлекеттік бағдарлама «Ұлттық нанотехнологиялық пән» деп аталды. Осы салада жүргізілген зерттеулер екі қорытынды жасауға мүмкіндік берді. Біріншіден, наноқұрылымдық материалдар жаңа қасиеттер мен ерекше сипаттамаларды ала алады. Бұл мінез-құлықтың негізі - бұл заттың әрбір қасиеті тән немесе сыни ұзындыққа байланысты. Негізгі физикалық және химиялық қасиеттері қатты бөлшектердің өлшемдері тән ұзақтықпен салыстырылатын кезде өзгереді, олардың көпшілігі нанометр ауқымында жатыр. Екінші байқау осы саладағы білімнің көптеген салаларының қатысқандығына қатысты. Нанотехнология бойынша жұмыс химия, физика, экология кафедраларында және электротехника, механика, химиялық технология секілді инженерлік пәндер кафедраларында табуға болады. Бұл саланың пәнаралық сипаты

Нанотехнология секцияларының бірінде алынған нәтижелерді жалған түсіну және пайдалану, басқа бөлімде. Ақуыз, ДНҚ және т. б. сияқты биологиялық объектілер нанотехнологиядағы функционалдық элементтер ретінде қолданыла алады, кейбір тірі организмдер 3, 8 миллиардтан астам мөлшердегі бірнеше нанометрлік құрылымдар құрылымын жасайды. Демек, табиғатта наномеханиктерді құру үшін табиғи мысалдарды қолдануға болмайды. Табиғатты нанометриялық деңгейде имитациялау үшін бірнеше әдістер пайдаланылды. Бір тәсіл табиғатта кездесетін мысалдарды пайдаланып бірегей қасиеттері бар материалдарды жасау болып табылады. Мысалға, кішкентай геккон кесірткі жүзінде кез-келген бетке шыға алады. Оның линиясын зерттеу нәтижелері 200 нм мөлшеріндегі кератин шаштары бар екенін көрсетті. Жабық күштер жануардың дымқыл беттерге, ал ван-дер-вааль күштеріне - құрғақ жерлерге шығады. Әрбір шаш бетіне 10-7 күші бар байланыстырады. Аяқтардағы шаштардың жоғары тығыздығына байланысты байланыстыру күші айтарлықтай артады. Кератиннің шаштарынан тұратын 10х10 см беті салмағы 100 кг-нан асады. Манчестердің бір тобы зерттеушілер осындай наноқабыршылар жиынын жасауға тырысты. Олардың жасаған беті тек 30 кг, яғни табиғидан гөрі нашар болды.

2000 жылы Америка Құрама Штаттары «Ұлттық нанотехнологиялар бастамасы» деп аталатын ұзақ мерзімді басымдықты бағдарламаны қабылдады және осы ғасырдың бірінші жартысында АҚШ-тың басшылығын қамтамасыз етуге қабілетті тиімді құрал ретінде қарастырылды. Бүгінгі таңда осы бағдарламаны бюджеттік қаржыландыру 2000 жылмен салыстырғанда 2, 5 есеге артып, 2003 жылы 710, 9 млн. АҚШ долларын құрады, ал төрт жыл ішінде 2005 жылдан бастап тағы 3, 7 млрд. Білім және ғылым министрлігі ұйымдастырған «XXI ғасырдың перспективалық технологиялары» (Мәскеу қаласы) көрмесінің аясында 2004 жылдың 20 мамырында Еуропалық Одақ, Жапония, Қытай, Бразилия және бірқатар басқа елдермен ұқсас бағдарламалар қабылданды. Ресей Федерациясы] . Ресейде нанотехнология бойынша жұмыс 50 жыл бұрын басталды. Жалпы айтқанда, Ресейде бұл материалдар ультрафиалық материалдар (UDM) немесе ультрадыбыстық жүйелер (UDS) деп аталады.

«Наноқұрылымдық материалдар» және «наноматериалдар» терминдерімен қатар бұл терминология тең. ХХ ғасырдың 50-ші жылдары Ресейде (КСРО) әзірленген УД материалдарының қасиеттерін алудың ғылыми-техникалық бағыттары. Атом өнеркәсібі кәсіпорындарында 100 нм бөлшектердің өлшемі бар УД ұнтақтары алынды. Бұл ұнтақтар уран изотоптарын бөлудің диффузиялық әдісі үшін жоғары кеуекті мембраналар өндірісінде табысты қолданылады. 1960 жылдары КСРО Ғылым академиясының Химиялық физика институтында УД ұнтақтарын дайындау үшін левитация әдісі жасалды. 70-жылдары электр өткізгіштер мен плазма-химиялық синтездеуді қолданып, CA ұнтақтарының ауқымы едәуір кеңейтілді. Мәскеу болат және қорытпалар институты темір және басқа металдар нанотрансляторларын синтездеудің химиялық әдістерін және оларға негізделген композицияларды әзірледі. 1980 жылдары Германияда жоғары шоғырландырылған нанокристалдық материалдар алынды. 1980 жылы 100 атомнан кем кластерлер бойынша зерттеулер жүргізілді.

1. 3. Дамудың негізгі бағыттары

Нанотехнологияның белгілері - нанотехнологиядағы ең маңызды нәрсе емес. Нанообъектілер мен нанопроцесстердің кванттық табиғаты және атомдық молекулярлық деңгейде мақсатты түрде заттар жинаудың бірегей мүмкіндігі. Nanoworld заттың физикалық-химиялық түрлендірулерінің сипаты, олардың қасиеттері мен пайдалану мүмкіндіктері туралы әдеттегі идеялардың көпшілігіне қарсы. Бүгінгі күні нанотехнологиялар саласында жоғары технологиялық өндірістердің басымдықты дамуына негізделген өндіріс тиімділігін арттыру маңызды міндет. 1-кесте ғылыми-техникалық жобалардың ең өзекті тақырыптарын ұсынады.

1-Кесте.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.