Атомдық - күштік микроскоп құрылғыларына сипаттама
Мазмұны
Аңдатпа 4
Пайдаланылған қысқартулар мен белгіленулер 5
Кіріспе 6
1 Нанотехнология ғылымын зерттеу 8
1.1 Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы және болашақтағы мәселелері 8
1.2 Нанотехнологияның жаңа жетістіктері. Атомдық-күштік микроскоп. Сканерлеуші зондтық микроскоп 14
1.3 Нанотехнология әр ғылым саласында 19
1.4 Аударма жасау сөздіктер технологиясы 23
1.5 Оқу үрдісі кезіндегі нанотехнологияның ролі 27
2 АТМ-дағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу ерекшелігі 30
2.1 Атомдық-күштік микроскоп құрылғыларына сипаттама 30
2.2 Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетінде жүргізілетін зертханалық жұмыстардың әдістемелік нұсқаулығы 35
2.3 Контактілі АКМ әдісі арқылы алғашқы СЗМ кескінін алу және АМ-АКМ әдісімен алғашқы СЗМ бейнесін алу тақырыбынан үзінді 37
2.4 СЗМ бейнелерін өңдеу және сандық талдау, сканерлейтін зондты микроскопиядағы артефактілер және қатты денелердің бетін амплитудалық спектроскопия әдісімен зерттеу тақырыптарынан үзінді келтіру 43
2.5 Қатты денелердің бетін күштік спектроскопия әдісімен зерттеу, зондты литография және сканерлерді туралау тақырыптарынан үзінділер келтіру 51
Қорытынды 62
Әдебиеттер тізімі 64
Қосымша 67
Аңдатпа
Бұл дипломдық жұмыста жалпы нанотехнология терминіне толық түсінік беріледі. Сонымен қатар нанотехнологияның даму тарихы, жеткен жетістіктері және әртүрлі ғылым саласымен байланысы туралы айтылады. Сканерлеуші зондтық микроскоппен және атомдық-күштік микроскоппен танысуға болады. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау барысында қазақ тіліндегі әдістемелік нұсқаулықтар жасаудың негізі көрсетіледі.
Аннотация
В данной дипломной работе дано полное определение термину нанотехнология. Размещен материал о сканирующем зондовым, и атомном-силовом микроскопе. Упоминается история развития нанотехнологий, ее достижения и связь с различными областями науки. Приводится использованная технология перевода текста, переведенный и разработанный материал к методическим указаниям по выполнению лабораторных работ.
Annotation
In this work, the term general nanotechnology is fully understood. The history of the development of nanotechnology, its achievements and communication with various fields of science. You can find a scanning probe microscope and atomic force microscope. When conducting laboratory work on atomic force microscopy, the basis for guidelines in the kazakh language is shown.
Пайдаланылған қысқартулар мен белгіленулер
СЗМ - сканерлеуші зондтық микроскоп.
СТМ - сканерлеуші туннельдік микроскоп.
АКМ - атомдық-күштік микроскоп.
АМ - амплитудалық - модуляциялық.
ЖОО - жоғарғы оқу орны.
СҚМУ - Солтүстік Қазақстан мемлекеттік университеті.
АҚШ - Америка құрама штаттары.
IBM (International Business Machines) − аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз етуді өндіру және жеткізу бойынша ең ірі АҚШ компаниясы.
ДНҚ − дезоксирибонуклеин қышқылы.
САТ − сандық-аналогтық түрлендіргіш.
Кіріспе
Нанотехнология - бұл адамның көзіне көрінбейтін майда бөлшектерді белгілі бір ретке келтіре отырып, оның ерекшеліктерін алдын-ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды қарастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайлап орналастыру. Нанометр дегеніміз бір метрді миллиардқа бөлгендегі ұсақ бөлігі (1 нанометр = 10-9 метр). Нанотехнология - осындай кішігірім өлшемдермен айналысатын ғылым. 1986 жылы сол кездегі студент Эрик Дрексел Жасампаз машина атты футуристік эссесінде алғаш рет молекулярлы технология деген сөз тіркесін қолданған болатын. Эрик Дрессел фантаст-жазушы Станислав Лемнің тұжырымдамаларына өз ойындағы қиялдарды үстей отырып, Саналы тіршілік ортасының негізгі бейне-кескінін ойлап шығарған. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар мен технологиялар әрбір ағзаның, заттың құрамына енгізіледі де, адамзат өзін қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы суперкомпьютерге айналады.
Өзектілігі: Қазақстан Республикасының білім беру реформасында мемлекеттік қазақ тілі және орыс тілдерімен қатар ағылшын тіліндегі физиканы оқыту жұмыстары жүріп жатыр. Манаш Қозыбаев атындағы Солтүстік Қазақстан мемлекеттік университетінде Ресей Федерациясында жасалып шығарылған нанотехнологиялық зертханалық жұмыстарды орындауға арналған құрылғылармен Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетін жабдықтады. Зертханалық жұмысты орындауға арналған құрылғылар ағылшын және орыс тілдеріндегі әдістемелік нұсқаулықтармен жабдықталған. Аталған кабинетте зертханалық жұмыстарды орындайтын қазақ топтары үшін қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар жасау өзекті. Дипломдық жұмыс Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетінде жүргізілетін барлық зертханалық жұмыстардың әдістемелік нұсқаулықтарының қазақ тіліндегі нұсқасын жасауға бағытталған.
Мақсаты: нанотехнологияларды дамытуда қазіргі заманғы ғылым мен техниканың шексіз мүмкіндіктерін көрсету, заманауи жетістіктермен танысу және студенттердің нанотехнологиялар проблемасына деген қызығушылығын ояту. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Міндеті:
oo нанотехнологияның даму тарихын қарастыру;
oo нанотехнология жайлы жан-жақты толық қамту;
oo ғылым мен техникада нанотехнологияларды қолдану саласын қарастыру;
oo атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Зерттеу нысаны: ЖОО-да нанотехнологияны оқыту.
Зерттеу пәні: нанотехнологияларды қолдану аясы, мүмкіндіктері және болашағы. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Жаңалығы: Манаш Қозыбаев атындағы СҚМУ-де Физика кафедрасы Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетін Ресей Федерациясынан жасалып шыққан құрылғылармен жабдықталды. Осы кабинетте қазақ тобында оқитын студенттер мен магистранттар үшін зертханалық жұмыстар жүргізуге қолайсыз. Құрылғылар шет елден келгендіктен ағылшын және орыс тілдерінде жасалған. Осыған байланысты атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау үшін қазақ тіліндегі әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу маңызды.
Теориялық және практикалық маңыздылығы: зерттелініп отырған тақырып бойынша көптеген ғалымдар жұмыс жүргізуде. Қазақстандық ғалым Мұрат Құрмашұлы әріптестерімен бірге дәрілік нанокапсула жасап шығарған болатын. Оның ерекшелігі болмашы ғана бөлігін сырқат жүрекке жақса, науқас инфарктан жылдам оңалады. Нанокапсуланың әсері өте тез. Осы тақырып бойынша жұмыс істейтін студенттер мен тыңдаушылар осы саладан көп жаңалықты біледі. Бұл жұмыс осы сала бойынша жұмыс жасаушылардың ой-өрісін кеңейтуге, ғылым мен техниканың жаңа жетістіктерімен танысуға мүмкіндік береді [1, 2, 3].
Дипломдық жұмыстың құрылымы: аннотация, қысқартулар мен белгіленулер, кіріспе, екі негізгі бөлім, қорытынды мен пайдаланылған әдебиеттер тізімінен және қосымшадан тұрады. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу тақырыбын зерттеу барысында 1 кесте, 50 сурет пайдаланылды. Түсіндірмелік жазба 67 беттен тұрады.
Зерттелініп отырған тақырыпқа байланысты Жастар және ғылым - 2019 конференциясында Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтарды қолдану тақырыбына көлемі 5 беттен тұратын мақала жарық көрді.
М. Қозыбаев оқулары - 2018 Еуразиялық әлеует және жаһандық сын-қатерлер жағдайындағы жаңа даму мүмкіндіктері атты халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференциясында Жаңартылған білім беру бағдарламасында физика пәнінің ақпараттық технологиямен байланысы тақырыбында көлемі 5 беттен тұратын мақала жарық көрді.
Қорғауға шығарылады: дипломдық жұмыстың өзектілігі, мақсаты, міндеттері және жаңалығы мен аудармашы түрлері шығарылады. Зеттелініп отырған тақырып бойынша барлық негізгі мәліметтер қоса шығарылады.
1 Нанотехнология ғылымын зерттеу
1.1 Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы және болашақтағы мәселелері
Соңғы уақытты салыстырмалы түрде жақында ғана пайда болған нанотехнология термині бәрімізге белгілі. Біздің өркениетімізге оның келешегі соншалықты күрделі екенін біле отырып, нанотехнологияның негізгі идеяларын кеңінен тарату керек. Жаңа ғылымның аты бәріне белгілі технология деген ұғымның алдына нано сөзінің қосылғанын байқауға болады. Нано - жалпы бір нәрсенің миллиардтаған бір бөлігін көрсетеді.
Нанотехнология сөзі жақында пайда болғанымен, наноөлшемді құрылғылар мен құрылымдар жаңа емес. Нанотехнология - ықшамды машиналар, материалдар, әр түрлі құрылымдар мен техникалық жүйе жасауға мүмкіндік береді. Олардың көлемдік фрагменті 1-100 нм болады [4].
Нанотехнология тарихына қысқаша сипаттама 1986 жылы студент Эрик Дрекслер өзінің Жасампаз машина аталатын футуристік эссесінде тұңғыш рет молекулярлы технология атауын қолданады. Ол фантаст - жазушы Станислав Лемнің идеяларына өз қиял - болжамдарын қосақтай отырып, Саналы тіршілік ортасының жалпы бет-бейнесін жасап шығады. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар әрбір заттың, әрбір адам ағзасының ішіне енгізіледі де, адамзат қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы компьютерге айналады. Мұндай идея Эрик Дрекслерден бұрынырақ пайда болған көрінеді. 1981 жылы ІВМ корпорациясының швейцариялық филиалындағы екі инженер, Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер мәнерлеп туннельдеуші микроскоп ойлап тауыпты. Микроскоптың құрылымы аса қарапайым шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады. Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нәтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оның көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды ажыратуға мүмкіндік туады. Бұл ғылымның пайда болуын 1959 жылы Нобель сыйлығының лауреаты, АҚШ физигі Фейнманның жеке атомдарды манипулятор көмегімен қозғалту мүмкіндіктері туралы жасаған баяндамасымен байланыстырады. Нанотехнология терминін қолданысқа алғаш рет 1974 жылы жапон физигі Норио Танигути енгізген. Макроскопиялық заңдылықтарға сүйенетін басқа инженер ғылымдардан нанотехнологияның негізгі ерекшелігі, нанонысандар үшін кванттық және молекулааралық өзара әсерлесуінің күшті болуына байланысты. Нанотехнология саласындағы зерттеулер қазірдің өзінде практикалық маңызы зор нәтижелер беруде. Нанотехнология адамзат өміріндегі ең төңкерісті жаңалықтардың бірі болды десек, артық айтқандық емес. Оның бүгінгісінен болашағы жемісті [5, 6].
Қазақстан Республикасының тәуелсіздік жылдарында орнықты экономикалық өсуі қамтамасыз етіліп, соның негізінде жеке бастамашылық пен кәсіпкерлік қанат жайып, сыртқы сауда мен инвестиция тартылымы белсенділікке ие болды. Қазақстан экономикасы жыл сайын 9-10% қарқынмен өсіп келеді. Өткен онжылдықта елдің ІЖӨ 5 есеге артты (22 млрд. АҚШ долларынан 100 млрд. долларға дейін). Бүкіләлемдік банктің саралауы бойынша Қазақстан орта деңгейлі табысы бар елдердің тобына кіреді. 2007 жылы жан басына шаққандағы ІЖӨ 7 мың АҚШ долларына теңеледі.
Бүкіләлемдік банктің бағалауы бойынша Қазақстан әлемдегі инвестиция үшін аса тартымды жиырма мемлекеттің қатарында. Қазақстан экономикасына тартылған тікелей шетелдік инвестициялар көлемі 70 миллиардтан астам АҚШ долларына жетті. Өз кезегінде қазақстандық бизнесте шет елдерге белсенді инвестиция салуда (26 млрд. АҚШ доллары). Ұлттық қор қаржысын қоса есептегенде, елдің халықаралық активтері 40 миллиард АҚШ долларынан асады. Соңғы он жылда сыртқы сауда айналымы 6 есеге артты, 2007 жылы 80 миллиард АҚШ долларын құрауы мүмкін. Қазақстанның жетекші компаниялары (ҚазМұнайГаз, Қазақмыс, Қазатомпром және басқалар) халықаралық бизнес жүргізу деңгейіне қол жеткізді және ғаламдық экономика әлемінде таныла бастады.
Қазақстан - бұл әлемдік сарапшылар үздіктердің бірі деп таныған қаржы және банк жүйесі қалыптасқан ел. Елімізде Қазкоммерцбанк, ТұранӘлем банкі, Халық банкі сияқты жоғары халықаралық рейтингке ие ірі банктер жұмыс істейді. Республикада бизнесті дамыту үшін барынша жайлы жағдай жасалған. Қазақстан - жаһандық энергетикалық қауіпсіздікті қамтамасыз етуге зор үлес қосып отырған мемлекет. Қазақстан әлемде мұнай қоры бойынша - 7-ші орынды, газ қоры бойынша - 6-шы орынды, уран қоры бойынша - 2-ші орында иеленеді. 2017 жылы Қазақстан әлемдегі ірі мұнай және газ өндірушілер мен экспортқа шығарушыларының ондығына кірмек. Қазақстанда тау-кен саласы, түсті және қара металлургия, машина жасау, құрылыс индустриясы, шағын және орта бизнес және басқа да көптеген салалар серпінді дамуда. Қазақстан дүниежүзілік сауда ұйымына кіруге әзірлік үстінде және іс жүзінде заңнамалық базаны ДСҰ-ның талаптарына сәйкестендірді. Қазақстан Республикасының алғашқы Президенті Нұрсұлтан Әбішұлы Назарбаев елімізді әлемнің 50 бәсекеге қабілетті елдер қатарынан табылуы үшін алдымызға нақты міндеттер қойды. Бұл міндетті орындау үшін қазақстандық ғалымдардың ғылыми зерттеулерін алға жылжыту, өзіміздің бәсекеге қабілетті инновациялық технологияларымызды құру қажеттігі ашып көрсетілді. Бұл жерде ғылымда көптеген жаңа бағыттар ашу емес, керісінше, бар бағыттарды нәтижеге жететіндей қылып азайту, яғни экономикамызға жақын арада мақсатты нәтиже беретін бетбұрыс алу керек [7].
Нанотехнологиялар - бұл қазақстандық ғылымда бар бағыттарды белгілі - бір және еліміз үшін маңызды деңгейге дейін қысқарту. Әңгіме қазір жүргізіліп жатқан зерттеулерді әкімшілік қысқарту, Ғарыш саласын дамыту бағдарламасында қарастырылған немесе биотехнология, фитохимия, метеллургия және т.б. салалардың басты зерттеулерін жабу немесе қысқарту жөнінде емес, қазіргі кезде әрекеттегі қазақстандық ғалымдардың нанодеңгейдегі материя құрылымын басқарумен байланысты бағыттардан нақты пайдаға асатын тауарлық формалар алуға бағыттау жөнінде болып отыр. Нанотехнологияның даму тарихына көз жүгіртсек. XIX ғасырда Левенгуктың микроскобынан кейін адамдардың жаратылыстану ғылымын салаларға бөлу процесі аяқталды - физика, астрономия, химия және биологияға. ХХ ғасырда 1931 жылы электрондық микроскоп ойлап табылған соң, ғылымды материяға терең ену деңгейіне қарай интенсивті бөлшектеу басталды, физика молекулярлық, атомдық, ядерлық, кванттық болып бөлінді.
Химия мен биология да дәл осындай өзгеріске ұшырады, атомдық химия, молекулярлық және микробиология, генетика және т.б. пайда болды. Сонымен бірге жаңа салалар интеграциясы да қатар дамыды, мәселен химия мен биологияның, биологияның химия мен физикамен, жаңа өз алды пәндер дамыды, мысалы бионика, кванттық химия және т.б.
ХХ ғасыр ортасында бұған технологияның жетілуіне бағытталған ірі бизнес қосылды. Bell фирмасы зертханасында жаңа ақпараттық эра көзі болып табылатын алғашқы транзистор құрастырылды. IBM фирмасының зертханасында зондтар көмегімен жеке атомдарды орынын ауыстыра отырып, жаңа қасиеттері бар керемет материалдарды құрастыруға мүмкіндік берген магниттік зондтық микроскоптар сериясы жасалды [8].
Бұл екі жаңалық ғылым мен технологияға нано деген тіркес беріп, наноғылым мен нанотехнологияларды дүниеге әкелді. 2005 жылы IBM зертханасы қызметкерлері жекелеген атомдарды көруге және жекелеген электрондарды басқаруға мүмкіндік беретін жаңа микроскоп түрін жасап шығарды. Әлем басқарылатын материя жөнінде айта бастады, ал желілік компьютерлік технологиялардың дамуы 10-9 және одан да төмен дәрежесінде жаңа нанотехнология деген атау алған технологиялардың көмегімен материяның атомдарының үлкен санын жеке басқарудың нақты екендігін дәлелдейді. Материалдар мен жүйелерге жаңа қасиеттер бере отырып, нанотехнологиялар барлық әрекет ететін техникалар мен өнеркәсіптің облыстарында прогресстің қозғаушы күшін қамтамасыз етеді.
Нанотехнологиялар материялардың атомдық құрылымдық деңгейінде басқарады, бұл бүгінде барлық сферадағы өндірістің күнделікті әдістеріндегі көптеген инновациялық шешімдердің негізі болып табылады. Әңгіме генетика туралы болсын, бактериялар немесе микроорганизмдер, көлік жасау немесе тамақ өнеркәсібі болсын, барлық жерде де инновациялық шешімдер көбіне нанотехнологиялармен байланысты. Нанотехнологияның бұндай рөлі ғылым мен технологияның сферасында бәсекеге қабілетті технологиялық даму мен өзінің интеллектуалды меншігін дамыту үшін қажет сыни технологияларды қалыптастырады.
Қазақстан ғалымдарының нанотехнология аумағындағы барлық еңбектерін жинап, оларды өздік құндылыққа аударып және оның дамуына әсер ету - Елбасының нақты қойып отырған міндеттері. Салалық ҒЗИ мен зертханалардағы жұмыс үстіндегі ғалымдар үлкен ізденістер жолында еңбек етуде. Ендігі жерде еліміздің материяның наноқұрылымдық деңгейінде жұмыстанып жатырған ғалымдардың барлық күштерін біріктірудің тиімді механизмін жасау қажет. Асқан дәлдікпен реттелетін көлем мен құрамды наномасштабты құрылым элементтерін талдау, соңынан бұндай элементтерді керемет қасиеттер мен функцияларға ие ірі құрылымдарға жинақтау өнеркәсіптің көптеген салаларында өзгерістер төңкерісін тудырады [9].
Нанотехнологияның дамуы қоғам өміріне микроэлектроника мен интегралды кестелерден де көбірек қуатты өзгерістер әкеледі, өйткені нанотехнологиялар электроникаға қарағанда өнеркәсіптің көп салаларын қамтиды. XXI ғасырда өндіріс пен әлеуметтік өмірде түбегейлі өзгерістерге әкелетін ғылым мен техниканың төңкерісі болуы тиіс. Қазақстанда нанотехнологиялар мен аралас пәндер облысында зерттеулер жүргізетін және жетістіктері бар ғылыми ұжымдар бар. Бұл жартылай өткізгіштер мен металл жүйесі наноқұрылымдары мен нанокластерді талдау облысындағы зерттеулер, нанокөлемді катализаторлар, сенсорлық наноқұрылымдық материалдар мен көміртекті наноқұрылымдар облысындағы құралдар. 2003 жылдан бастап наноқұрылымдық зерттеулер Қазақстан Республикасы білім және ғылым министрлігінің фундаменталды зерттеулері бағдарламалары бойынша жүргізіле бастады [10].
2006 жылдан бастап наноматериалдар мен нанотехнологиялар бойынша қосалқы зерттеулер индустрия және сауда министрлігінің 2006 - 2008 жылдардағы түрлі мақсаттардағы перспективалық жаңа материалдарды жасау бағдарламасы шеңберінде қаржыландырылып келді. Қазақстан экономикасы диверсификациясы үшін қабылданған артықшылықты бағыттар бойынша нанотехнологиялардың үлкен маңызы бар. Металлургия кластерінің дамуы үшін нанотехнологияның маңызы басымырақ. Қазіргі кезде ұнтақты және композициялық материалдар рөлі ұдайы өсіп келеді және бұл сферада қазақстандық ғалымдар қондырғыш материалдардың қызмет мерзімін ұзартатын жаңа нано және композициялық жабындар, машиналар мен механизмдердің жоғары төзімді және отқа шыдамды тетіктері үшін наноқұрылымды легирленген ұнтақты құрыш пен құймалар, түсті және сирек кездесетін металлдардың аса таза ұнтақтарын, күн энергетикасы мен электрондық техника үшін жартылай өткізгіштер материалдарын алу технологияларын жасақтауда елеулі жетістіктерге жетті. Иондар мен химиялық қосындылар нано көлемге 10-9 м тең. Бұл рудаларды өңдеген кезде иондық және жұқа қабатты флотацияны, әртүрлі сепарацияларды (фото және радиометрикалық, электромагниттік т.б.) қолдануға мүмкіндік береді.
Нанотехнологиялық зертханалар нанотехнологиялардың қоршаған ортаға әсерін алдын-ала анықтай алатындай құрал жабдықтар мен білікті мамандармен жабдықталуы керек. Семейдегі ядролық полигондағы ядролық және термоядролық технологияларды зерттеулер жүргізген кездегі қайғылы жағдайларлы естен шығармауымыз керек. Нанотехнологияның информациялық саламен бірлескен еңбегі үлкен жетістікке әкелуі анық. Қазіргі кездегі нанотехнологиялар нарығына салым 2,5 млрд евро ғана бөлінсе, Еуропалық одақтың басты атқарушы органы 2010 жылы салым көлемі 100 млрд евроны, ал 2015 жылы 1 трлн евроға өседі деп болжамдайды. Электрондық құрылғылардың көлемі асқан жылдамдықпен кішірейіп келе жатырғанын ескерсек, жетекші әлемдік державалар және корпорациялар информациялық салалар алдыңғы орындардың біріндегі нанотехнологиялық бағдарламаларға инвестицияларын өсіруге ұмтылыстарын айқын байқауға болады. Егер шет елдерді мысалға келтірсек, жапония икемді күн батареялары мен FOLED-дисплейлерді дайындауда жетекші орында келеді. FOLED - икемді органикалық дисплей. Қазір бұған ұқсас құрылғылардың прототиптері келесі толқында ұялы байланыс пен видеокамераларда, цифрлық фотоаппараттарда жаппай кеңінен қолданыла бастайды. Sharp компаниясы 1 ден 3 микрометр аралығындағы, яғни бірден үш мың миллиметрге дейінгі қалыңдықтағы пленка түріндегі күн батареясын жасап шығарды. Бұл қазіргі кездегі аналогтардан 100 есе кіші. Күн батареялары қабатымен ұялы телефондар, көліктер,тіпті арнаулы киімдерді жабу жоспарлануда. Бұл батареялардың FOLED-дисплеймен интеграциясы да күтілуде. Екі визит кәртішкесі ауданындай икемді өте жұқа күн батареясы салмағы тек қана 1 г және қуаты 2,6 Вт. Құрастырушылар мәліметінше, бұл велосипед жарық шамын электроқуаттауға әбден жетеді [11].
Информациялық технологиялар мен нанотехнологиялар арасындағы осындай тығыз байланыс тек қана информациялық технологиялар саласы әлемдік нарығы мен болашақтағы перспективалар тұрғысынан ғана емес, ең алдымен, жоғарыда тоқталғанымыздай, осы жерде информациялық технологиялар саласы мен нанотехнологиялардың байланысы сферасында салмақты үлесі бар қазақстандық ғалымдар бәсекеге қабілетті орын ала алатыны тұрғысынан өте маңызды.
Қазіргі таңда Қазақстанда әрекет ететін Ұлттық нанотехнологиялық зертхана өз қызметі барысында нанотехнологиялармен айналысатын ел ішіндегі ғалымдар ұжымына арқа сүйейді: Физико-техникалық институт, Қазақ ұлттық университеті, металлургия және байыту институты, химиялық ғылымдар институты, органикалық катализ және электрохимия институты, Қарағанды мемлекеттік университеті, Евразиялық ұлттық университет. Бүгінгі күні Қазақстан әлемнің жетекші нанотехнология орталықтарымен келісімде. Олар Корнель университеті; Олбани, World Technology Evaluation Сenter, Inc. Университеті жанындағы Олбани НаноТех Ренселеров политехнологиялық институты; АҚШ тың әскери теңіз флоты зертханасы; Дрезден, Техникалық университеті; Жапония, Материалтану Ұлттық университеті; Гренобль, Микро және нанотехнологиялар инновациялық орталығы; Лондон, Университет колледжі; Иоффе атындағы физика- техникалық институт, РҒА СО жартылай өткізгіштер физикасы институты, Қатаң заттар физикасы институты, Капица атындағы физикалық мәселер институты, Қазан физика техникалық институты, Ресей; Жартылай өткізгіштер және қатаң заттар физикасы институты, Қосалқы физика институты, Белоруссия; Жартылай өткізгіштер физикасы институты, Электрондық физика институты, Қосалқы физика институты, Украина. Бұның бәрі жастардың алдында шексіз мүмкіндіктер ашады [12].
Нанотехнологияның жемісті жетістіктеріне қарамастан, олардың нәтижелерін жаппай тираждау технологиялары бүгінгі күнге дейін әлі құрылмай келеді. Нанотехнологияның потенциалды мүмкіндіктері мен қазіргі кездегі бизнесте қолданылатын тауарлық формалары арасында үлкен алшақтық орын алған. Нанотехнологияның көптеген керемет өнімдері жаппай өндіріс тауарларына айналмай отыр, сондықтан бұны жүзеге асыратын технологияларды іздестіру әлемнің барлық жетекші корпорациялары мен зертханаларындағы стратегиялық міндеттердің бірі болып табылады. Әрбір жас қазақстандық адамдармен талап етілген ғылым мен технологияның жаңа саласында ұлы жаңалықтар аша алады. Композиттік наноматериалдар бүгінде тек қана Mercedes секілді қымбат тұратын көліктерде ғана қолданылады, бірақ оның жақын арада көптеген көліктерге қолданыла бастайтыны сөзсіз, өйткені алғашқы компьютерлердің өздері де ең алғашында тек қана элита, яғни үлкен көлемдегі есептеулермен айналысатын ғалымдар үшін арналып шығарылғаны, ал қазір аяқ астынан планетадағы көпшіліктің ажырамас күнделікті қажет тауарына айналып отырғандығы белгілі. Нанотехнологияның қазіргі кездегі қымбат тұратын тауарлық формаларымен де ерте ме кеш пе дәл осылай болатындығы сөзсіз. Қазақстандық ғалымдар адамға қажет осы салада өздерінің интеллектуалдық үлестерін қосуына үлкен мүмкіндік алып отыр [13, 14].
Өндірістер мен индустрияның дамуында нанотехнологияның орны мен рөлі орасан зор. Қазіргі таңда нанотехнологияны қолға алып жатқан бірден-бір мемлекет ол - АҚШ. АҚШ нанотехнологиялық жоспарлар мен жобаларға 2004 жылдың өзінде 464 миллион доллар, ал 2005 жылы бір миллиард доллар қаржы бөлінген болатын, 2006 жылы 1,1 миллиард доллар бөлініп оны 2 миллиард дейін көтерген еді. Сол кездері көптеген лабораториялар мен HP, NEC және IBM сынды компаниялар, университеттер ізденіс жұмыстарын жүргізді.
2025 жылы нанотехнология негізінде жасалған жұмыстардың өнімін алу жоспарланып отыр. Нанотехнология ауыл шаруашылығында революция жасауы мүмкін, мысал ретінде жай шөптен сүт алуымыз мүмкін. Нанотехнологиядан экологияға зиянды қалдықтар бөлінбейді, экологиялық тұрғыдан өте пайдалы. Информациялық технологияда да дағдарыс жасайды. Нанороботтар өзге планетада адамдарға қолайлы жағдай жасай алады, адамзат арманын жүзеге асырады. Аналитикалық сараптаманың редакторы Джон Волфе Дүние жүзі жаңадан құрылады. Нанотехнология ғаламшарымызды таң қалдырады деп жазады [15].
Қазір ең маңызды, ең толғандыратын тақырып нанороботтарды наномедицинада қолдану болып тұр. Наноробот қан, лимфа және жүйке жүйесі арқылы ағзаға зиян келтірмей микроорганизмдер мен вирустарды және рак клеткаларын жояды. Олар керекті дәрі-дәрмекті қажетті орынға жеткізеді, өзге ағзаларға кедергі болмайды. Нанотехнология мәңгілік өмір сыйлайды, өйткені наномедицина жансыз жасушаларға қайта жандандырып, жасарту қабілетіне ие. Ол құралды жарақаттанған жерге қою жеткілікті, ол қан анализін өзі жасап, керекті медикаменттерді қанға сіңіреді. Нанороботтар арқылы біз өзге планетадағы тіршілікті жүзеге асыра аламыз. Көптеген молекулалы-роботтарды жердің айналасына орналастырмыз, олар жақын жердегі планеталар, айды, астероидтарды ретке келтіреді, адамзат тіршілік ете алатындай жағдай жасайды. Нанотехнология керемет әскери келешек. Әскери нанотехнология негізі алты сфера бойынша зерттеулер жүргізеді:
oo көрінбейтін технология (көрінбейтін ұшақ, тікұшақтар);
oo энергетикалық ресурстар;
oo өздігіне құрылатын жүйелер (мысалы бұзылған, істен шыққан танктер мен ұшақтарды автоматты түрде жөндеу);
oo байланыс;
oo химиялық және биологиялық ластануды анықтау;
oo залалсыздандыру. Соңында қоршаған орта адамзат үшін тиімді болады.
Нанотехнология - кішігірім өлшемдермен айналысатын ғылым [16].
1.2 Нанотехнологияның жаңа жетістіктері. Атомдық-күштік микроскоп. Сканерлеуші зондтық микроскоп
Қазіргі таңда наноматериалдар пленкалар, спорттық құралдар, транзисторлар, жарық өткізгіш диодтар, жылу элементтерінде, азық-түлік өндірісі мен медицинада, дәрі-дәрмек жасауда, бояғыш заттар мен киім, опа-далап өндіруде қолданады. 2002 жылы David Cup кубогінде алғаш нанотехнология жолымен жасалған допты пайдаланды. Оның бағасы бұрынғыдан әлденеше есе арзан болады.
Өндірушілер ноноқұрылымдарға тапсырыстар қабылдауда. Мәселен АҚШ әскери бөлімі Friction Free Technologies компаниясына келешекте әскери формасына тапсырыс берді. Компания нанотехнология әдісімен шұлық шығару керек, оның кереметтілігі ол өзінен тері шығарып, аяқты жылы ұстап, шұлық құрғақ қалпында сақталуы керек [17].
Жаңа Intel процессоры. 2007 жылдың 19-маусымынан бастап Intel компаниясы қарапайым нолядерлі процессорлар шығаруда, оның құрылымдық құрамындағы элементтер 45 км көлемді алады. Келешекте компания құрылымдық жағынан элементтерді 5 км жеткізуді жоспарлап отыр. Intel ең басты бәсекелесі АМD, 2008 жылдың екінші жартысында 45 км тех процессті процессор шығаруға қол жеткізді.
2005 жылдың 9-ақпанында Бостон университетінің лабораториясында антенн-асцилятор алынды, оның көлемі 1 мкм, ол 5 миллиард атомнан құралған, тазалығы 1,49 гигагерц. Ол үлкен көлемді ақпараттар алуға мүмкіндік береді.
Наноаккумулятор. 2005 жылдың басында Altair Nanotechnologies жаңа инновациялық материал әзірлегенін мәлімдеді. Аккумулятор ерекше электродтармен 10-15 минут зарядта болды. Ал 2006 жылдан бастап компания мұндай аккумуляторларды Индианадағы зауыттарында өндіруді қолға алып отыр [18].
ДНҚ-машиналары нанороботтарға жол ашады. ДНҚ молекуласының негізінде периодты құрылым он жыл алдын пайда болған. Ғалымдар енді ДНҚ-механикалық машина жасамақ. Наноробот жасаудағы алғашқы қадамды Нэда Симэна жасап үлгерді. Оның басшылығында нанороботтың қолы ДНҚ молекуласының негізінде жасалды.
Нанороботтағы алғашқы микросхема. Американдық ғалымдар IBM қызметкерлері дүние жүзінде бірінші рет жартылай функционалды интегралды микросхема жасады. Ол алдағы микросхемалардан 100 мың есе тазалықта жұмыс атқарады.
Заманауи жаңалықтарға байланысты Манаш Қозыбаев атындағы СҚМУ қабырғасында оқитын студенттерге сапалы, заманауи білім алулары үшін, университеттің №5 оқу ғимаратында орналасқан 3-қабаттағы физика кафедрасының 303-ші кабинетін атомдық-күштік микроскопқа арналған зертханалық жұмыстарды орындауға қолайлы қондырғылармен жабдықтады.
Сканерлейтін зондтық микроскоп - зерттелініп отырған үлгінің бет жағының бейнесiн және оның жергiлiктi сипаттамаларын алу үшiн қолданылатын микроскоптар класы. Үлгідегі бейненің құрылу процессі беттік зонд арқылы сканерлеуге негізделеді.
Сканерлейтін зондты микроскоп түрін 1981 жылы Герд Карл Бинниг пен Генрих Рорер ойлап тапқан. Сканерлеуші зондты микроскоптың көмегімен (атомдық анықтықпен) қатты заттың беттік қабатын басқа режимде (мысалы, электростатикалық немсе магниттік кеңістіктің бөлінуін т.б.) өлшеу мүмкін. Түрлі жартылай өткізгіштер жасалған металдық және биологиялық материалдарды зерттеуде, осы СЗМ-нің қолданылуы ерекше прогрессивтік бластома көрсетті. Кейінгі кезде, СЗМ техникасын пайдалана отырып, аса қажетті мақсатты орындауға жұмылдыруда, анығы материалдың беттік қабатын өте жоғары анықтықпен өңдеу және атомдармен молекулаларды тура бағытта манипуляциялауда өте тамаша перспективалық үлкен бағыт анықталмақ және технологиялық зерттеулерде затты өңдеуде (жоғары дәлдікпен өңдеу) жаңа бағыттың мүмкіндігі көрсетілген [19, 20].
Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.
Сканерлеуші зондтық микроскопта бетті сканерлеу процесінің электронды сәулелердің теледидардың электронды сәулелі түтігінің ішіндегі экранда қозғалу процесімен ұқсастығы бар. Зонд сызық (жол) бойымен, біріншіден, тура, кейін кері жолмен қозғалады, одна кейін келесі жолға өтеді. Зондтың қозғалысы, сандық-ұқсас түрлендіргіштермен қалыптасатын, ара тәріздес кернеудің әсерімен сканер арқылы жүзеге асырылады. Беттің бет бедері жайындағы ақпараттың тіркелуі көп жағдайдағыдай тура өтуде жүргізіледі.
Сканерлеуші зондтық микроскоптар 1972 жылы сканерлеуші тунелді оптикалық жарық кеңістік микроскопы идеясы пайда болды, 1981 жылы сканерлеуші тунелді микроскоп ойлап табылды, 1986 жылы атом қуатты микроскоп ойлап табылды, 1992 жылы жетілдірілген микроскоп конструкциясы қайта жасалып шықты, прибордың өлшеу мүмкіндігі 20 нм. дейін төмендеді. Сканерлейтін зондты микроскоптың жалпы сызбасы 1.1 суретке сәйкес көрсетілген [21].
Сурет 1.1 - Сканерлейтін зондты микроскоптың жалпы сызбасы
Сканерлеуші зондты микроскоптың жұмыс істеу принципі келесіге негізделген. Позиционарды жүйенің көмегімен өлшенілетін зонды зерттелуші үлгінің жоғарғы бетіне келтіріледі. Үлгі мен зондтың арақашықтығы жүзшақты нм-ден жақындағанда соңғысы талдаудан өтетін беттің құрылымымен әрекеттесе бастайды. Үлгі беті бойымен зондтың орын ауыстыруы беттің сканерленуін зонд инелерімен қамтамассыз ететін сканерлеуші құрылғы көмегімен жүзеге асады. Зондтың орналасу датчигі, зондтың үлгімен салыстырғандағы позициясын үзіліссіз бақылайды және қайтымды байланыс жүйесі арқылы ондағы мәндерді сканер қозғалысын басқаратын компьютерлік жүйеге жібереді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.
СЗМ-ның бірінші протатипі сканерлеуші туннельдік микроскоп болды. СТМ-да зонд ретінде серпімді консолиге орнатылған өткір өткізгішіне қолданылады. Үлгі немесе иненің арасына тығысу кернеуі орналастырса, онда өткір иненің үлгіге 1 нм қашықтығында жақындауы кезінде, олардың арасында шамасы ине - үлгі қашықтығынан, бағыты - кернеу полярлығынан тәуелді туннельдік ток пайда болады. Ине үшкірін зерттелетін беттен алыстатқанда туннельдік тоқ - азаяды, жақындатқанда - артады. Беттің қандай да көп нүктелерінде туннельдік ток жөнінде мәліметтерді қолдана отырып, бет топографиясының бейнесін құруға болады. Туннельдік тоқты немесе бет пен ине аралығындағы қашықтықты, өлшенетін параметрге тәуелді, сканерлеуші туннельдік микроскоптың екі жұмыс істеу тәртібі мүмкін, олар: жоғары тұрақты және тұрақты тоқ тәртібі. Жоғары сезгіштікке ие сканерлеуші туннельдік микроскоптар адамзатқа жартылай өткізгіштер мен өткізгіштердің атомдарын көруге мүмкіндік берді.
Конструктивті шектеу күшіне байланысты, СТМ-де өткізбейтін материалдардың бейнесін алу мүмкін емес. Туннельдік микроскопты сапалы жұмысы үшін қатаң шарттарды орындау қажет, оның ішінде үлгіні арнайы дайындау мен вакуумда жұмыс істеу [22].
Атомдық-күштік микроскоп өзінің алдынғысына қарағанда шектеулерді айналып өтті. АКМ көмегімен атмосфералық шарттарда өткізгіш және де өткізгіш емес материалдар бетінің атомды ажырату беттік бейнесін алуға мүмкіндік берді. Атомдық-күштік микроскоптың қосымша артықшылығына беттің топографиялық өлшемдерімен қатар оларды электрлік, магниттік, серпімді және т.б. қасиеттері бойынша визуалдауға мүмкіндік береді. Атомдық-күштік микроскоптың жалпы схемасы 1.2 суретке сәйкес көрсетілген.
Сурет 1.2 - Атомдық-күштік микроскоптың жалпы схемасы
Атомдық-күштік микроскоп жұмысы негізінде зонд пен беттің өзара әсерлесудің әр түрлі күштік түрлерін қолдану жатыр. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Қысқа әсерлі күштер 1-10 А ретті қашықтықтықта ине ұшы мен беттің атомдарының электрондық қабыршағын жапқанда пайда болады және қашықтық үлкейген сайын тез төмендейді. Беттің атомдарымен қысқа әсерлесуге ине ұшының (шегінде бір) бірнеше атомдары ғана қатысады. Бұл күштер түрі көмегімен бет бейнесін алуда АКМ контакт тәртібінде жұмыс істейді. Ұзақ әсерлі күштердің пайда болуы Вандер-Ваальстік, электростатикалық немесе магниттік өзара әсерлесуге негізделген. Мұндай күштер қашықтықтан өте аз тәуелділікпен сипатталады және үлгі бірліктен бірнеше мың ангстремге дейін ине тесігінің шамасында көрінеді. Ұзақ әсерлесудің оның салыстырмалы төмендеу күшіне өзара әсері қашықтық үлкейген сайын зондтың ине ұшын тудыратын мәнді атомдар санын кірістіреді. Ұзақ әсерлі күштерді бетті зерттеуде қолдану контаксыз тәртіпте өтеді. Контактты және контактсыздық арасындағы аралық орын сканерлеу процесіндегі иненің бетпен периодтты қысқа мерзімді контакт тәртібін, басқаша соқтығысып тұру (tapping mode) деп аталатын режимін алады. Бұл тәртіпте консоль резонансты өздік жиілігінде жоғары 50-100 нм ретті амплитудада тербеледі. Консолидің тепе-теңдік күйден төмен максимал ауытқуында осындай амплитудаларда ине бетпен жақындасқанда оның тербелісінің амплитудасын, фазасын және жиілігін өзгертеді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Соқтығысу тәртібі контакті тәртіпке қарағанда көлбеу жазықтықта жоғары ажыратумен сипатталады.
АКМ топографиялық бейнені алуға, (1.3 суретте көрсетілген) беттердің бүдірін өлшеуге, атомды ажыратуы бар әр түрлі органикалық және биологиялық объектілерді зерттеуге қолданылатын қуатты метрологикалық құрал [23, 24].
Сурет 1.3 - Атомдық-күштік микроскоп
Атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу реті. Бұрын көрсетілгендей сканерлеуші туннелді микроскоптар тек электр тогын өткізетін материалдардың электрөткізуші бетін зерттеу үшін ғана қолданылатын болған. Бұл кемшілікті кейінгі зерттеулер нәтижелері түзетті,зерттеулер нәтижесінде бір мезгілде екі зерттеу орталығында (ИБМ фирма лабораториясы мен АҚШ-ғы Стэнфорд Университеті) жаңа изолятордың беттік қабатын өлшеуге мүмкіндік беретін электронды микроскоптар жасалынды. Атомдық-күштік микроскоп деген атау алған бұл өлшеуіш құралда атомдар арасындағы атомаралық күш өлшенеді. Микроскопта зонд жазық пружина соңына бекітілген және оның орналасуы зонд пен беттік атомдар арасында пайда болатын атомаралық күштердің өлшемімен анықталады. Сол себептен бұл құрылғыда негізгі физикалық өлшеуіш ретінде атомдар арасындағы әсерлесу жүреді, олардың шамасы анықтау нүктесінде белгілі бір аймақтың кедір-бұдырлығымен анықталады. Бұл күштер қасиеті бойынша кері итеруші күштер болып табылады, ал олардың шамасы бізге бұрыннан белгілі өлшем бірлік бойынша өрнектеледі, яғни ньютонмен (негізінде, абсолютті мәнде бұл күштердің өлшем бірлігі нано-ньютонмен өрнектеледі). Жалпы атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу принципі бастапқы принцип бойынша қала береді, яғни жоғарғы қабаты зондпен сканерленеді,кейін алынған мәліметтер кескін түрінде беріледі. Көрсетілген құрылғыдағы зонд бетінің арақашықтығын қандай дәлдікпен тіркеуге болады? Кронштейн пластинасының жағдайын эксперименттік өлшеу туралы сөз болып отыр, біз өлшеу жүргізу үшін оптикалық лазерді қолдануымызға болады. Беттің кедір-бұдыр қабатындағы атомдар мен зонд ұшының арасында пайда болған атомаралық күштің шамасы пластина кронштейннің иілу дәрежесімен сәйкес келеді,яғни өте жоғары дәлдікпен өлшеуге болатын лазер сәулесінің пластинадағы бейнесін қарапайым оптикалық детектор (фотодиод) көмегімен тіркеу арқылы өлшеу жүргізу. Беттің бейнесін өте жоғары дәлдікпен алуға атомдық-күштік микроскоп мүмкіндік береді. Микроскоптың анықтау дәлдігі сканерлеуші туннелді микроскоптардың анықтау дәлдігінен әлде қайда жоғары болып келеді. Бұл атомдық-күштік микроскоптарда зонд өткірлігіне зерттеліп отырған бетті зерттеуде жақын орналасуына шек қойылмайтындығында, яғни атомдық-күштік микроскоптарды ток пайда болмайтын диэлектрлі материалдарды зерттеу үшін қолданады [25].
Ток өткізбейтін атомаралық құрылымын зерттеу үшін атомдық-күштік микроскопты ойлап табу өте маңызды болды. Бұдан басқа кронштейн материалдарының қасиетін жақсарту - атомдық-күштік микроскоптардың анықтау дәлдігін жоғарылатуы мүмкін. Кронштейнде пайда болатын әлсіз иілгіш қысым өте жоғары дәлдікпен көрсетіледі (1 нм), бұл атом құрылымының атомаралық деңгейіне сәйкес келеді. Атомдық-күштік микроскоп көмегімен алынатын өткізгіш материалдар туралы хабарлама сканерлеуші зондты микроскоп арқылы өлшенген нәтиженің толықтырмасы ретінде қарастырылады, бұл алынған нәтижелерді анализдеп салыстыруға қосымша мүмкіндік береді [26].
1.3 Нанотехнология әр ғылым саласында
Жалпы нанотехнологияның экономикаға, медицина саласына берерi мол. Оны болашақтың ғылымы деп санайды. Нанотехнологияны ең бiрiншi АҚШ ғалымдары ашқан екен. Лазерлiк қуаттағы атом көмiрқышқылдары бiр-бiрiмен қосылып, ерекше қабiлетi бар өзiндiк нанотүтiктер мен кiшкентай шарларды түзедi. Оны ғылыми тiлде фуллерен немесе капсул деуге болады. Олар табиғаттың агрессивтi факторларына өте төзiмдi келедi. Дүниежүзi бойынша нанотехнология саласындағы зерттеулерге жылына 4 миллиард АҚШ доллары жұмсалады. 2015 жылы осы әдiс арқылы шығарылған тауарлар мен көрсетiлетiн қызмет көлемi 1 триллион долларға жеттi. Әлемнiң 30 елінде нанотехнология жөнiнде ұлттық бағдарлама қабылданған. Соңғы жылдары 1600-ден астам нанотехнологиялық компаниялар мен ұлттық орталықтар құрылған. Нанотехнология саласы енді ғана дамып келе жатқанымен, оның жемістері әскери, әуе және космонавтика салаларында баяғыдан бері қолданылып келеді. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру т.б.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр [27].
2003 жылдан бастап қазақ ғалымдары жоғарыда айтылған ғылым саласында жаңалық ашуға қолдарындағы бар күшті салып келеді. Елімізде нанотехнологиялық зерттеулерді жүргізетін зертханалар бой көтеріп, арнайы ғылыми ұжымдар құрылған болатын. Еліміз нанотехнология саласында ғылыми терең зерттеулер жүргізуге арналған қымбат құрылғыларға қол жеткізе алмай жүр. Осының салдарынан біздің ғалымдарға зерттеулерді көрші мемлекеттердің ғылыми-технологиялық зертханаларында жүргізуге тура келеді. Елімізде ғылым мен техниканы қатар дамыту − елімізде зияткерлік әлеуметті сақтау мен дамытуға, оған қоса, республикамыздың қаржылай-экономикалық жағдайдың дамуына үлкен ықпал етеді.
Нанотехнология − ХХІ ғасырдағы ғылыми-техникалық дағдарыстың жетістігі десек, қателеспейміз. Адамдарға бүгінгі нанотехнологиялар 50 жыл бұрынғы ядролық технология тәрізді таныс емес дүние болып тұр. Бүгінгі өндіріс пен ғылымның дамуына жаңа бағыт берген нанотехнология жайлы айтылатын ақпарат жоқтың қасы. Көршілес жатқан Ресей бұл саланы дамытуға 180 миллиард доллар көлемінде қаражат бөліп отыр. Нанотехнология саласына көңіл бөлген елімізде ұлттық зертхана құрылып, жаңа зерттеулерді жүргізуге арналған жаңа құрылғылар мен технологиялық жүйелер көптеп сатып алынуда. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру т.б.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр.
Жапония елінде осы нанотехнологияның арқасында 18 келілік бронды сауыттың орнына жеңіл, әрі киюге ыңғайлы көміртекті бронды жейде жасалынып шығарылды. Жeр бeтiндe бaр, Мeндeлeeвтiң кeстeсiнeeнгeн химиялық элeмeнттeрдiң бaрлығы aтомдaр мeн молeкулaлaрдaн тұрaды. Бұлaрдың мeйлiншe шaғын болaтындығы сондaй, қaрaпaйым микроскоптaрмeн көру мүмкiн eмeс. Сондықтaн дa күнi кeшeгe дeйiн осы сaлaны зeрттeйтiн лaборaториялaрдa aрнaйы жaсaлғaн eң үлкeйткiш микроскоптaр пaйдaлaнылды. Aл қaзiр олaрдың орнын элeктронды микроскоптaр aлмaстырғaн [28].
Нaнотeхнологияның бiрдeн-бiр aртықшылығы - нaноқұрылғылaр нaноөлшeмдeгi энeргияны қaжeт eтeдi. Осы жeрдe күн энeргиясы - нaғыз кeрeктiң өзi. Өйткeнi ол aтом энeргиясы сияқты өтe күштi eмeс, нaноқұрылғылaр үшiн қaжeттi энeргияның қaйнaр көзi. Eгeр күн энeргиясын aлуды дұрыс дaмытa бiлсe, Қaзaқстaнның элeктр қуaтынa дeгeн бaрлық қaжeттiлiгiн өтeугe болaды. Бүгiнгi күннiң өзiндe тeк қaнa элeктронды микроскоптaр aрқылы көругe болaтын aтомдaр мeн молeкулaлaрды eндi мың eсe кiшiрeйткeндe aлынaтын өнiм қaндaй болaтынын ойшa көзгe eлeстeтe бeруге болады. Бiрaқ бiр тaңғaлaрлығы мың eсe кiшiрeйгeн жaңa aтомдaр мeн молeкулaлaр өздeрiнiң шыққaн тeгiнeн мүлдe ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Аңдатпа 4
Пайдаланылған қысқартулар мен белгіленулер 5
Кіріспе 6
1 Нанотехнология ғылымын зерттеу 8
1.1 Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы және болашақтағы мәселелері 8
1.2 Нанотехнологияның жаңа жетістіктері. Атомдық-күштік микроскоп. Сканерлеуші зондтық микроскоп 14
1.3 Нанотехнология әр ғылым саласында 19
1.4 Аударма жасау сөздіктер технологиясы 23
1.5 Оқу үрдісі кезіндегі нанотехнологияның ролі 27
2 АТМ-дағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу ерекшелігі 30
2.1 Атомдық-күштік микроскоп құрылғыларына сипаттама 30
2.2 Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетінде жүргізілетін зертханалық жұмыстардың әдістемелік нұсқаулығы 35
2.3 Контактілі АКМ әдісі арқылы алғашқы СЗМ кескінін алу және АМ-АКМ әдісімен алғашқы СЗМ бейнесін алу тақырыбынан үзінді 37
2.4 СЗМ бейнелерін өңдеу және сандық талдау, сканерлейтін зондты микроскопиядағы артефактілер және қатты денелердің бетін амплитудалық спектроскопия әдісімен зерттеу тақырыптарынан үзінді келтіру 43
2.5 Қатты денелердің бетін күштік спектроскопия әдісімен зерттеу, зондты литография және сканерлерді туралау тақырыптарынан үзінділер келтіру 51
Қорытынды 62
Әдебиеттер тізімі 64
Қосымша 67
Аңдатпа
Бұл дипломдық жұмыста жалпы нанотехнология терминіне толық түсінік беріледі. Сонымен қатар нанотехнологияның даму тарихы, жеткен жетістіктері және әртүрлі ғылым саласымен байланысы туралы айтылады. Сканерлеуші зондтық микроскоппен және атомдық-күштік микроскоппен танысуға болады. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау барысында қазақ тіліндегі әдістемелік нұсқаулықтар жасаудың негізі көрсетіледі.
Аннотация
В данной дипломной работе дано полное определение термину нанотехнология. Размещен материал о сканирующем зондовым, и атомном-силовом микроскопе. Упоминается история развития нанотехнологий, ее достижения и связь с различными областями науки. Приводится использованная технология перевода текста, переведенный и разработанный материал к методическим указаниям по выполнению лабораторных работ.
Annotation
In this work, the term general nanotechnology is fully understood. The history of the development of nanotechnology, its achievements and communication with various fields of science. You can find a scanning probe microscope and atomic force microscope. When conducting laboratory work on atomic force microscopy, the basis for guidelines in the kazakh language is shown.
Пайдаланылған қысқартулар мен белгіленулер
СЗМ - сканерлеуші зондтық микроскоп.
СТМ - сканерлеуші туннельдік микроскоп.
АКМ - атомдық-күштік микроскоп.
АМ - амплитудалық - модуляциялық.
ЖОО - жоғарғы оқу орны.
СҚМУ - Солтүстік Қазақстан мемлекеттік университеті.
АҚШ - Америка құрама штаттары.
IBM (International Business Machines) − аппараттық және бағдарламалық қамтамасыз етуді өндіру және жеткізу бойынша ең ірі АҚШ компаниясы.
ДНҚ − дезоксирибонуклеин қышқылы.
САТ − сандық-аналогтық түрлендіргіш.
Кіріспе
Нанотехнология - бұл адамның көзіне көрінбейтін майда бөлшектерді белгілі бір ретке келтіре отырып, оның ерекшеліктерін алдын-ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды қарастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайлап орналастыру. Нанометр дегеніміз бір метрді миллиардқа бөлгендегі ұсақ бөлігі (1 нанометр = 10-9 метр). Нанотехнология - осындай кішігірім өлшемдермен айналысатын ғылым. 1986 жылы сол кездегі студент Эрик Дрексел Жасампаз машина атты футуристік эссесінде алғаш рет молекулярлы технология деген сөз тіркесін қолданған болатын. Эрик Дрессел фантаст-жазушы Станислав Лемнің тұжырымдамаларына өз ойындағы қиялдарды үстей отырып, Саналы тіршілік ортасының негізгі бейне-кескінін ойлап шығарған. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар мен технологиялар әрбір ағзаның, заттың құрамына енгізіледі де, адамзат өзін қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы суперкомпьютерге айналады.
Өзектілігі: Қазақстан Республикасының білім беру реформасында мемлекеттік қазақ тілі және орыс тілдерімен қатар ағылшын тіліндегі физиканы оқыту жұмыстары жүріп жатыр. Манаш Қозыбаев атындағы Солтүстік Қазақстан мемлекеттік университетінде Ресей Федерациясында жасалып шығарылған нанотехнологиялық зертханалық жұмыстарды орындауға арналған құрылғылармен Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетін жабдықтады. Зертханалық жұмысты орындауға арналған құрылғылар ағылшын және орыс тілдеріндегі әдістемелік нұсқаулықтармен жабдықталған. Аталған кабинетте зертханалық жұмыстарды орындайтын қазақ топтары үшін қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар жасау өзекті. Дипломдық жұмыс Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетінде жүргізілетін барлық зертханалық жұмыстардың әдістемелік нұсқаулықтарының қазақ тіліндегі нұсқасын жасауға бағытталған.
Мақсаты: нанотехнологияларды дамытуда қазіргі заманғы ғылым мен техниканың шексіз мүмкіндіктерін көрсету, заманауи жетістіктермен танысу және студенттердің нанотехнологиялар проблемасына деген қызығушылығын ояту. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Міндеті:
oo нанотехнологияның даму тарихын қарастыру;
oo нанотехнология жайлы жан-жақты толық қамту;
oo ғылым мен техникада нанотехнологияларды қолдану саласын қарастыру;
oo атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша қазақ тілінде әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Зерттеу нысаны: ЖОО-да нанотехнологияны оқыту.
Зерттеу пәні: нанотехнологияларды қолдану аясы, мүмкіндіктері және болашағы. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу.
Жаңалығы: Манаш Қозыбаев атындағы СҚМУ-де Физика кафедрасы Атомдық-күштік микроскопия және нанотехнологиялар зертханасы кабинетін Ресей Федерациясынан жасалып шыққан құрылғылармен жабдықталды. Осы кабинетте қазақ тобында оқитын студенттер мен магистранттар үшін зертханалық жұмыстар жүргізуге қолайсыз. Құрылғылар шет елден келгендіктен ағылшын және орыс тілдерінде жасалған. Осыған байланысты атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау үшін қазақ тіліндегі әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу маңызды.
Теориялық және практикалық маңыздылығы: зерттелініп отырған тақырып бойынша көптеген ғалымдар жұмыс жүргізуде. Қазақстандық ғалым Мұрат Құрмашұлы әріптестерімен бірге дәрілік нанокапсула жасап шығарған болатын. Оның ерекшелігі болмашы ғана бөлігін сырқат жүрекке жақса, науқас инфарктан жылдам оңалады. Нанокапсуланың әсері өте тез. Осы тақырып бойынша жұмыс істейтін студенттер мен тыңдаушылар осы саладан көп жаңалықты біледі. Бұл жұмыс осы сала бойынша жұмыс жасаушылардың ой-өрісін кеңейтуге, ғылым мен техниканың жаңа жетістіктерімен танысуға мүмкіндік береді [1, 2, 3].
Дипломдық жұмыстың құрылымы: аннотация, қысқартулар мен белгіленулер, кіріспе, екі негізгі бөлім, қорытынды мен пайдаланылған әдебиеттер тізімінен және қосымшадан тұрады. Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтар әзірлеу тақырыбын зерттеу барысында 1 кесте, 50 сурет пайдаланылды. Түсіндірмелік жазба 67 беттен тұрады.
Зерттелініп отырған тақырыпқа байланысты Жастар және ғылым - 2019 конференциясында Атомдық-күштік микроскоптағы зертханалық жұмыстарды орындау бойынша әдістемелік нұсқаулықтарды қолдану тақырыбына көлемі 5 беттен тұратын мақала жарық көрді.
М. Қозыбаев оқулары - 2018 Еуразиялық әлеует және жаһандық сын-қатерлер жағдайындағы жаңа даму мүмкіндіктері атты халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференциясында Жаңартылған білім беру бағдарламасында физика пәнінің ақпараттық технологиямен байланысы тақырыбында көлемі 5 беттен тұратын мақала жарық көрді.
Қорғауға шығарылады: дипломдық жұмыстың өзектілігі, мақсаты, міндеттері және жаңалығы мен аудармашы түрлері шығарылады. Зеттелініп отырған тақырып бойынша барлық негізгі мәліметтер қоса шығарылады.
1 Нанотехнология ғылымын зерттеу
1.1 Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы және болашақтағы мәселелері
Соңғы уақытты салыстырмалы түрде жақында ғана пайда болған нанотехнология термині бәрімізге белгілі. Біздің өркениетімізге оның келешегі соншалықты күрделі екенін біле отырып, нанотехнологияның негізгі идеяларын кеңінен тарату керек. Жаңа ғылымның аты бәріне белгілі технология деген ұғымның алдына нано сөзінің қосылғанын байқауға болады. Нано - жалпы бір нәрсенің миллиардтаған бір бөлігін көрсетеді.
Нанотехнология сөзі жақында пайда болғанымен, наноөлшемді құрылғылар мен құрылымдар жаңа емес. Нанотехнология - ықшамды машиналар, материалдар, әр түрлі құрылымдар мен техникалық жүйе жасауға мүмкіндік береді. Олардың көлемдік фрагменті 1-100 нм болады [4].
Нанотехнология тарихына қысқаша сипаттама 1986 жылы студент Эрик Дрекслер өзінің Жасампаз машина аталатын футуристік эссесінде тұңғыш рет молекулярлы технология атауын қолданады. Ол фантаст - жазушы Станислав Лемнің идеяларына өз қиял - болжамдарын қосақтай отырып, Саналы тіршілік ортасының жалпы бет-бейнесін жасап шығады. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар әрбір заттың, әрбір адам ағзасының ішіне енгізіледі де, адамзат қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы компьютерге айналады. Мұндай идея Эрик Дрекслерден бұрынырақ пайда болған көрінеді. 1981 жылы ІВМ корпорациясының швейцариялық филиалындағы екі инженер, Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер мәнерлеп туннельдеуші микроскоп ойлап тауыпты. Микроскоптың құрылымы аса қарапайым шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады. Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нәтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оның көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды ажыратуға мүмкіндік туады. Бұл ғылымның пайда болуын 1959 жылы Нобель сыйлығының лауреаты, АҚШ физигі Фейнманның жеке атомдарды манипулятор көмегімен қозғалту мүмкіндіктері туралы жасаған баяндамасымен байланыстырады. Нанотехнология терминін қолданысқа алғаш рет 1974 жылы жапон физигі Норио Танигути енгізген. Макроскопиялық заңдылықтарға сүйенетін басқа инженер ғылымдардан нанотехнологияның негізгі ерекшелігі, нанонысандар үшін кванттық және молекулааралық өзара әсерлесуінің күшті болуына байланысты. Нанотехнология саласындағы зерттеулер қазірдің өзінде практикалық маңызы зор нәтижелер беруде. Нанотехнология адамзат өміріндегі ең төңкерісті жаңалықтардың бірі болды десек, артық айтқандық емес. Оның бүгінгісінен болашағы жемісті [5, 6].
Қазақстан Республикасының тәуелсіздік жылдарында орнықты экономикалық өсуі қамтамасыз етіліп, соның негізінде жеке бастамашылық пен кәсіпкерлік қанат жайып, сыртқы сауда мен инвестиция тартылымы белсенділікке ие болды. Қазақстан экономикасы жыл сайын 9-10% қарқынмен өсіп келеді. Өткен онжылдықта елдің ІЖӨ 5 есеге артты (22 млрд. АҚШ долларынан 100 млрд. долларға дейін). Бүкіләлемдік банктің саралауы бойынша Қазақстан орта деңгейлі табысы бар елдердің тобына кіреді. 2007 жылы жан басына шаққандағы ІЖӨ 7 мың АҚШ долларына теңеледі.
Бүкіләлемдік банктің бағалауы бойынша Қазақстан әлемдегі инвестиция үшін аса тартымды жиырма мемлекеттің қатарында. Қазақстан экономикасына тартылған тікелей шетелдік инвестициялар көлемі 70 миллиардтан астам АҚШ долларына жетті. Өз кезегінде қазақстандық бизнесте шет елдерге белсенді инвестиция салуда (26 млрд. АҚШ доллары). Ұлттық қор қаржысын қоса есептегенде, елдің халықаралық активтері 40 миллиард АҚШ долларынан асады. Соңғы он жылда сыртқы сауда айналымы 6 есеге артты, 2007 жылы 80 миллиард АҚШ долларын құрауы мүмкін. Қазақстанның жетекші компаниялары (ҚазМұнайГаз, Қазақмыс, Қазатомпром және басқалар) халықаралық бизнес жүргізу деңгейіне қол жеткізді және ғаламдық экономика әлемінде таныла бастады.
Қазақстан - бұл әлемдік сарапшылар үздіктердің бірі деп таныған қаржы және банк жүйесі қалыптасқан ел. Елімізде Қазкоммерцбанк, ТұранӘлем банкі, Халық банкі сияқты жоғары халықаралық рейтингке ие ірі банктер жұмыс істейді. Республикада бизнесті дамыту үшін барынша жайлы жағдай жасалған. Қазақстан - жаһандық энергетикалық қауіпсіздікті қамтамасыз етуге зор үлес қосып отырған мемлекет. Қазақстан әлемде мұнай қоры бойынша - 7-ші орынды, газ қоры бойынша - 6-шы орынды, уран қоры бойынша - 2-ші орында иеленеді. 2017 жылы Қазақстан әлемдегі ірі мұнай және газ өндірушілер мен экспортқа шығарушыларының ондығына кірмек. Қазақстанда тау-кен саласы, түсті және қара металлургия, машина жасау, құрылыс индустриясы, шағын және орта бизнес және басқа да көптеген салалар серпінді дамуда. Қазақстан дүниежүзілік сауда ұйымына кіруге әзірлік үстінде және іс жүзінде заңнамалық базаны ДСҰ-ның талаптарына сәйкестендірді. Қазақстан Республикасының алғашқы Президенті Нұрсұлтан Әбішұлы Назарбаев елімізді әлемнің 50 бәсекеге қабілетті елдер қатарынан табылуы үшін алдымызға нақты міндеттер қойды. Бұл міндетті орындау үшін қазақстандық ғалымдардың ғылыми зерттеулерін алға жылжыту, өзіміздің бәсекеге қабілетті инновациялық технологияларымызды құру қажеттігі ашып көрсетілді. Бұл жерде ғылымда көптеген жаңа бағыттар ашу емес, керісінше, бар бағыттарды нәтижеге жететіндей қылып азайту, яғни экономикамызға жақын арада мақсатты нәтиже беретін бетбұрыс алу керек [7].
Нанотехнологиялар - бұл қазақстандық ғылымда бар бағыттарды белгілі - бір және еліміз үшін маңызды деңгейге дейін қысқарту. Әңгіме қазір жүргізіліп жатқан зерттеулерді әкімшілік қысқарту, Ғарыш саласын дамыту бағдарламасында қарастырылған немесе биотехнология, фитохимия, метеллургия және т.б. салалардың басты зерттеулерін жабу немесе қысқарту жөнінде емес, қазіргі кезде әрекеттегі қазақстандық ғалымдардың нанодеңгейдегі материя құрылымын басқарумен байланысты бағыттардан нақты пайдаға асатын тауарлық формалар алуға бағыттау жөнінде болып отыр. Нанотехнологияның даму тарихына көз жүгіртсек. XIX ғасырда Левенгуктың микроскобынан кейін адамдардың жаратылыстану ғылымын салаларға бөлу процесі аяқталды - физика, астрономия, химия және биологияға. ХХ ғасырда 1931 жылы электрондық микроскоп ойлап табылған соң, ғылымды материяға терең ену деңгейіне қарай интенсивті бөлшектеу басталды, физика молекулярлық, атомдық, ядерлық, кванттық болып бөлінді.
Химия мен биология да дәл осындай өзгеріске ұшырады, атомдық химия, молекулярлық және микробиология, генетика және т.б. пайда болды. Сонымен бірге жаңа салалар интеграциясы да қатар дамыды, мәселен химия мен биологияның, биологияның химия мен физикамен, жаңа өз алды пәндер дамыды, мысалы бионика, кванттық химия және т.б.
ХХ ғасыр ортасында бұған технологияның жетілуіне бағытталған ірі бизнес қосылды. Bell фирмасы зертханасында жаңа ақпараттық эра көзі болып табылатын алғашқы транзистор құрастырылды. IBM фирмасының зертханасында зондтар көмегімен жеке атомдарды орынын ауыстыра отырып, жаңа қасиеттері бар керемет материалдарды құрастыруға мүмкіндік берген магниттік зондтық микроскоптар сериясы жасалды [8].
Бұл екі жаңалық ғылым мен технологияға нано деген тіркес беріп, наноғылым мен нанотехнологияларды дүниеге әкелді. 2005 жылы IBM зертханасы қызметкерлері жекелеген атомдарды көруге және жекелеген электрондарды басқаруға мүмкіндік беретін жаңа микроскоп түрін жасап шығарды. Әлем басқарылатын материя жөнінде айта бастады, ал желілік компьютерлік технологиялардың дамуы 10-9 және одан да төмен дәрежесінде жаңа нанотехнология деген атау алған технологиялардың көмегімен материяның атомдарының үлкен санын жеке басқарудың нақты екендігін дәлелдейді. Материалдар мен жүйелерге жаңа қасиеттер бере отырып, нанотехнологиялар барлық әрекет ететін техникалар мен өнеркәсіптің облыстарында прогресстің қозғаушы күшін қамтамасыз етеді.
Нанотехнологиялар материялардың атомдық құрылымдық деңгейінде басқарады, бұл бүгінде барлық сферадағы өндірістің күнделікті әдістеріндегі көптеген инновациялық шешімдердің негізі болып табылады. Әңгіме генетика туралы болсын, бактериялар немесе микроорганизмдер, көлік жасау немесе тамақ өнеркәсібі болсын, барлық жерде де инновациялық шешімдер көбіне нанотехнологиялармен байланысты. Нанотехнологияның бұндай рөлі ғылым мен технологияның сферасында бәсекеге қабілетті технологиялық даму мен өзінің интеллектуалды меншігін дамыту үшін қажет сыни технологияларды қалыптастырады.
Қазақстан ғалымдарының нанотехнология аумағындағы барлық еңбектерін жинап, оларды өздік құндылыққа аударып және оның дамуына әсер ету - Елбасының нақты қойып отырған міндеттері. Салалық ҒЗИ мен зертханалардағы жұмыс үстіндегі ғалымдар үлкен ізденістер жолында еңбек етуде. Ендігі жерде еліміздің материяның наноқұрылымдық деңгейінде жұмыстанып жатырған ғалымдардың барлық күштерін біріктірудің тиімді механизмін жасау қажет. Асқан дәлдікпен реттелетін көлем мен құрамды наномасштабты құрылым элементтерін талдау, соңынан бұндай элементтерді керемет қасиеттер мен функцияларға ие ірі құрылымдарға жинақтау өнеркәсіптің көптеген салаларында өзгерістер төңкерісін тудырады [9].
Нанотехнологияның дамуы қоғам өміріне микроэлектроника мен интегралды кестелерден де көбірек қуатты өзгерістер әкеледі, өйткені нанотехнологиялар электроникаға қарағанда өнеркәсіптің көп салаларын қамтиды. XXI ғасырда өндіріс пен әлеуметтік өмірде түбегейлі өзгерістерге әкелетін ғылым мен техниканың төңкерісі болуы тиіс. Қазақстанда нанотехнологиялар мен аралас пәндер облысында зерттеулер жүргізетін және жетістіктері бар ғылыми ұжымдар бар. Бұл жартылай өткізгіштер мен металл жүйесі наноқұрылымдары мен нанокластерді талдау облысындағы зерттеулер, нанокөлемді катализаторлар, сенсорлық наноқұрылымдық материалдар мен көміртекті наноқұрылымдар облысындағы құралдар. 2003 жылдан бастап наноқұрылымдық зерттеулер Қазақстан Республикасы білім және ғылым министрлігінің фундаменталды зерттеулері бағдарламалары бойынша жүргізіле бастады [10].
2006 жылдан бастап наноматериалдар мен нанотехнологиялар бойынша қосалқы зерттеулер индустрия және сауда министрлігінің 2006 - 2008 жылдардағы түрлі мақсаттардағы перспективалық жаңа материалдарды жасау бағдарламасы шеңберінде қаржыландырылып келді. Қазақстан экономикасы диверсификациясы үшін қабылданған артықшылықты бағыттар бойынша нанотехнологиялардың үлкен маңызы бар. Металлургия кластерінің дамуы үшін нанотехнологияның маңызы басымырақ. Қазіргі кезде ұнтақты және композициялық материалдар рөлі ұдайы өсіп келеді және бұл сферада қазақстандық ғалымдар қондырғыш материалдардың қызмет мерзімін ұзартатын жаңа нано және композициялық жабындар, машиналар мен механизмдердің жоғары төзімді және отқа шыдамды тетіктері үшін наноқұрылымды легирленген ұнтақты құрыш пен құймалар, түсті және сирек кездесетін металлдардың аса таза ұнтақтарын, күн энергетикасы мен электрондық техника үшін жартылай өткізгіштер материалдарын алу технологияларын жасақтауда елеулі жетістіктерге жетті. Иондар мен химиялық қосындылар нано көлемге 10-9 м тең. Бұл рудаларды өңдеген кезде иондық және жұқа қабатты флотацияны, әртүрлі сепарацияларды (фото және радиометрикалық, электромагниттік т.б.) қолдануға мүмкіндік береді.
Нанотехнологиялық зертханалар нанотехнологиялардың қоршаған ортаға әсерін алдын-ала анықтай алатындай құрал жабдықтар мен білікті мамандармен жабдықталуы керек. Семейдегі ядролық полигондағы ядролық және термоядролық технологияларды зерттеулер жүргізген кездегі қайғылы жағдайларлы естен шығармауымыз керек. Нанотехнологияның информациялық саламен бірлескен еңбегі үлкен жетістікке әкелуі анық. Қазіргі кездегі нанотехнологиялар нарығына салым 2,5 млрд евро ғана бөлінсе, Еуропалық одақтың басты атқарушы органы 2010 жылы салым көлемі 100 млрд евроны, ал 2015 жылы 1 трлн евроға өседі деп болжамдайды. Электрондық құрылғылардың көлемі асқан жылдамдықпен кішірейіп келе жатырғанын ескерсек, жетекші әлемдік державалар және корпорациялар информациялық салалар алдыңғы орындардың біріндегі нанотехнологиялық бағдарламаларға инвестицияларын өсіруге ұмтылыстарын айқын байқауға болады. Егер шет елдерді мысалға келтірсек, жапония икемді күн батареялары мен FOLED-дисплейлерді дайындауда жетекші орында келеді. FOLED - икемді органикалық дисплей. Қазір бұған ұқсас құрылғылардың прототиптері келесі толқында ұялы байланыс пен видеокамераларда, цифрлық фотоаппараттарда жаппай кеңінен қолданыла бастайды. Sharp компаниясы 1 ден 3 микрометр аралығындағы, яғни бірден үш мың миллиметрге дейінгі қалыңдықтағы пленка түріндегі күн батареясын жасап шығарды. Бұл қазіргі кездегі аналогтардан 100 есе кіші. Күн батареялары қабатымен ұялы телефондар, көліктер,тіпті арнаулы киімдерді жабу жоспарлануда. Бұл батареялардың FOLED-дисплеймен интеграциясы да күтілуде. Екі визит кәртішкесі ауданындай икемді өте жұқа күн батареясы салмағы тек қана 1 г және қуаты 2,6 Вт. Құрастырушылар мәліметінше, бұл велосипед жарық шамын электроқуаттауға әбден жетеді [11].
Информациялық технологиялар мен нанотехнологиялар арасындағы осындай тығыз байланыс тек қана информациялық технологиялар саласы әлемдік нарығы мен болашақтағы перспективалар тұрғысынан ғана емес, ең алдымен, жоғарыда тоқталғанымыздай, осы жерде информациялық технологиялар саласы мен нанотехнологиялардың байланысы сферасында салмақты үлесі бар қазақстандық ғалымдар бәсекеге қабілетті орын ала алатыны тұрғысынан өте маңызды.
Қазіргі таңда Қазақстанда әрекет ететін Ұлттық нанотехнологиялық зертхана өз қызметі барысында нанотехнологиялармен айналысатын ел ішіндегі ғалымдар ұжымына арқа сүйейді: Физико-техникалық институт, Қазақ ұлттық университеті, металлургия және байыту институты, химиялық ғылымдар институты, органикалық катализ және электрохимия институты, Қарағанды мемлекеттік университеті, Евразиялық ұлттық университет. Бүгінгі күні Қазақстан әлемнің жетекші нанотехнология орталықтарымен келісімде. Олар Корнель университеті; Олбани, World Technology Evaluation Сenter, Inc. Университеті жанындағы Олбани НаноТех Ренселеров политехнологиялық институты; АҚШ тың әскери теңіз флоты зертханасы; Дрезден, Техникалық университеті; Жапония, Материалтану Ұлттық университеті; Гренобль, Микро және нанотехнологиялар инновациялық орталығы; Лондон, Университет колледжі; Иоффе атындағы физика- техникалық институт, РҒА СО жартылай өткізгіштер физикасы институты, Қатаң заттар физикасы институты, Капица атындағы физикалық мәселер институты, Қазан физика техникалық институты, Ресей; Жартылай өткізгіштер және қатаң заттар физикасы институты, Қосалқы физика институты, Белоруссия; Жартылай өткізгіштер физикасы институты, Электрондық физика институты, Қосалқы физика институты, Украина. Бұның бәрі жастардың алдында шексіз мүмкіндіктер ашады [12].
Нанотехнологияның жемісті жетістіктеріне қарамастан, олардың нәтижелерін жаппай тираждау технологиялары бүгінгі күнге дейін әлі құрылмай келеді. Нанотехнологияның потенциалды мүмкіндіктері мен қазіргі кездегі бизнесте қолданылатын тауарлық формалары арасында үлкен алшақтық орын алған. Нанотехнологияның көптеген керемет өнімдері жаппай өндіріс тауарларына айналмай отыр, сондықтан бұны жүзеге асыратын технологияларды іздестіру әлемнің барлық жетекші корпорациялары мен зертханаларындағы стратегиялық міндеттердің бірі болып табылады. Әрбір жас қазақстандық адамдармен талап етілген ғылым мен технологияның жаңа саласында ұлы жаңалықтар аша алады. Композиттік наноматериалдар бүгінде тек қана Mercedes секілді қымбат тұратын көліктерде ғана қолданылады, бірақ оның жақын арада көптеген көліктерге қолданыла бастайтыны сөзсіз, өйткені алғашқы компьютерлердің өздері де ең алғашында тек қана элита, яғни үлкен көлемдегі есептеулермен айналысатын ғалымдар үшін арналып шығарылғаны, ал қазір аяқ астынан планетадағы көпшіліктің ажырамас күнделікті қажет тауарына айналып отырғандығы белгілі. Нанотехнологияның қазіргі кездегі қымбат тұратын тауарлық формаларымен де ерте ме кеш пе дәл осылай болатындығы сөзсіз. Қазақстандық ғалымдар адамға қажет осы салада өздерінің интеллектуалдық үлестерін қосуына үлкен мүмкіндік алып отыр [13, 14].
Өндірістер мен индустрияның дамуында нанотехнологияның орны мен рөлі орасан зор. Қазіргі таңда нанотехнологияны қолға алып жатқан бірден-бір мемлекет ол - АҚШ. АҚШ нанотехнологиялық жоспарлар мен жобаларға 2004 жылдың өзінде 464 миллион доллар, ал 2005 жылы бір миллиард доллар қаржы бөлінген болатын, 2006 жылы 1,1 миллиард доллар бөлініп оны 2 миллиард дейін көтерген еді. Сол кездері көптеген лабораториялар мен HP, NEC және IBM сынды компаниялар, университеттер ізденіс жұмыстарын жүргізді.
2025 жылы нанотехнология негізінде жасалған жұмыстардың өнімін алу жоспарланып отыр. Нанотехнология ауыл шаруашылығында революция жасауы мүмкін, мысал ретінде жай шөптен сүт алуымыз мүмкін. Нанотехнологиядан экологияға зиянды қалдықтар бөлінбейді, экологиялық тұрғыдан өте пайдалы. Информациялық технологияда да дағдарыс жасайды. Нанороботтар өзге планетада адамдарға қолайлы жағдай жасай алады, адамзат арманын жүзеге асырады. Аналитикалық сараптаманың редакторы Джон Волфе Дүние жүзі жаңадан құрылады. Нанотехнология ғаламшарымызды таң қалдырады деп жазады [15].
Қазір ең маңызды, ең толғандыратын тақырып нанороботтарды наномедицинада қолдану болып тұр. Наноробот қан, лимфа және жүйке жүйесі арқылы ағзаға зиян келтірмей микроорганизмдер мен вирустарды және рак клеткаларын жояды. Олар керекті дәрі-дәрмекті қажетті орынға жеткізеді, өзге ағзаларға кедергі болмайды. Нанотехнология мәңгілік өмір сыйлайды, өйткені наномедицина жансыз жасушаларға қайта жандандырып, жасарту қабілетіне ие. Ол құралды жарақаттанған жерге қою жеткілікті, ол қан анализін өзі жасап, керекті медикаменттерді қанға сіңіреді. Нанороботтар арқылы біз өзге планетадағы тіршілікті жүзеге асыра аламыз. Көптеген молекулалы-роботтарды жердің айналасына орналастырмыз, олар жақын жердегі планеталар, айды, астероидтарды ретке келтіреді, адамзат тіршілік ете алатындай жағдай жасайды. Нанотехнология керемет әскери келешек. Әскери нанотехнология негізі алты сфера бойынша зерттеулер жүргізеді:
oo көрінбейтін технология (көрінбейтін ұшақ, тікұшақтар);
oo энергетикалық ресурстар;
oo өздігіне құрылатын жүйелер (мысалы бұзылған, істен шыққан танктер мен ұшақтарды автоматты түрде жөндеу);
oo байланыс;
oo химиялық және биологиялық ластануды анықтау;
oo залалсыздандыру. Соңында қоршаған орта адамзат үшін тиімді болады.
Нанотехнология - кішігірім өлшемдермен айналысатын ғылым [16].
1.2 Нанотехнологияның жаңа жетістіктері. Атомдық-күштік микроскоп. Сканерлеуші зондтық микроскоп
Қазіргі таңда наноматериалдар пленкалар, спорттық құралдар, транзисторлар, жарық өткізгіш диодтар, жылу элементтерінде, азық-түлік өндірісі мен медицинада, дәрі-дәрмек жасауда, бояғыш заттар мен киім, опа-далап өндіруде қолданады. 2002 жылы David Cup кубогінде алғаш нанотехнология жолымен жасалған допты пайдаланды. Оның бағасы бұрынғыдан әлденеше есе арзан болады.
Өндірушілер ноноқұрылымдарға тапсырыстар қабылдауда. Мәселен АҚШ әскери бөлімі Friction Free Technologies компаниясына келешекте әскери формасына тапсырыс берді. Компания нанотехнология әдісімен шұлық шығару керек, оның кереметтілігі ол өзінен тері шығарып, аяқты жылы ұстап, шұлық құрғақ қалпында сақталуы керек [17].
Жаңа Intel процессоры. 2007 жылдың 19-маусымынан бастап Intel компаниясы қарапайым нолядерлі процессорлар шығаруда, оның құрылымдық құрамындағы элементтер 45 км көлемді алады. Келешекте компания құрылымдық жағынан элементтерді 5 км жеткізуді жоспарлап отыр. Intel ең басты бәсекелесі АМD, 2008 жылдың екінші жартысында 45 км тех процессті процессор шығаруға қол жеткізді.
2005 жылдың 9-ақпанында Бостон университетінің лабораториясында антенн-асцилятор алынды, оның көлемі 1 мкм, ол 5 миллиард атомнан құралған, тазалығы 1,49 гигагерц. Ол үлкен көлемді ақпараттар алуға мүмкіндік береді.
Наноаккумулятор. 2005 жылдың басында Altair Nanotechnologies жаңа инновациялық материал әзірлегенін мәлімдеді. Аккумулятор ерекше электродтармен 10-15 минут зарядта болды. Ал 2006 жылдан бастап компания мұндай аккумуляторларды Индианадағы зауыттарында өндіруді қолға алып отыр [18].
ДНҚ-машиналары нанороботтарға жол ашады. ДНҚ молекуласының негізінде периодты құрылым он жыл алдын пайда болған. Ғалымдар енді ДНҚ-механикалық машина жасамақ. Наноробот жасаудағы алғашқы қадамды Нэда Симэна жасап үлгерді. Оның басшылығында нанороботтың қолы ДНҚ молекуласының негізінде жасалды.
Нанороботтағы алғашқы микросхема. Американдық ғалымдар IBM қызметкерлері дүние жүзінде бірінші рет жартылай функционалды интегралды микросхема жасады. Ол алдағы микросхемалардан 100 мың есе тазалықта жұмыс атқарады.
Заманауи жаңалықтарға байланысты Манаш Қозыбаев атындағы СҚМУ қабырғасында оқитын студенттерге сапалы, заманауи білім алулары үшін, университеттің №5 оқу ғимаратында орналасқан 3-қабаттағы физика кафедрасының 303-ші кабинетін атомдық-күштік микроскопқа арналған зертханалық жұмыстарды орындауға қолайлы қондырғылармен жабдықтады.
Сканерлейтін зондтық микроскоп - зерттелініп отырған үлгінің бет жағының бейнесiн және оның жергiлiктi сипаттамаларын алу үшiн қолданылатын микроскоптар класы. Үлгідегі бейненің құрылу процессі беттік зонд арқылы сканерлеуге негізделеді.
Сканерлейтін зондты микроскоп түрін 1981 жылы Герд Карл Бинниг пен Генрих Рорер ойлап тапқан. Сканерлеуші зондты микроскоптың көмегімен (атомдық анықтықпен) қатты заттың беттік қабатын басқа режимде (мысалы, электростатикалық немсе магниттік кеңістіктің бөлінуін т.б.) өлшеу мүмкін. Түрлі жартылай өткізгіштер жасалған металдық және биологиялық материалдарды зерттеуде, осы СЗМ-нің қолданылуы ерекше прогрессивтік бластома көрсетті. Кейінгі кезде, СЗМ техникасын пайдалана отырып, аса қажетті мақсатты орындауға жұмылдыруда, анығы материалдың беттік қабатын өте жоғары анықтықпен өңдеу және атомдармен молекулаларды тура бағытта манипуляциялауда өте тамаша перспективалық үлкен бағыт анықталмақ және технологиялық зерттеулерде затты өңдеуде (жоғары дәлдікпен өңдеу) жаңа бағыттың мүмкіндігі көрсетілген [19, 20].
Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.
Сканерлеуші зондтық микроскопта бетті сканерлеу процесінің электронды сәулелердің теледидардың электронды сәулелі түтігінің ішіндегі экранда қозғалу процесімен ұқсастығы бар. Зонд сызық (жол) бойымен, біріншіден, тура, кейін кері жолмен қозғалады, одна кейін келесі жолға өтеді. Зондтың қозғалысы, сандық-ұқсас түрлендіргіштермен қалыптасатын, ара тәріздес кернеудің әсерімен сканер арқылы жүзеге асырылады. Беттің бет бедері жайындағы ақпараттың тіркелуі көп жағдайдағыдай тура өтуде жүргізіледі.
Сканерлеуші зондтық микроскоптар 1972 жылы сканерлеуші тунелді оптикалық жарық кеңістік микроскопы идеясы пайда болды, 1981 жылы сканерлеуші тунелді микроскоп ойлап табылды, 1986 жылы атом қуатты микроскоп ойлап табылды, 1992 жылы жетілдірілген микроскоп конструкциясы қайта жасалып шықты, прибордың өлшеу мүмкіндігі 20 нм. дейін төмендеді. Сканерлейтін зондты микроскоптың жалпы сызбасы 1.1 суретке сәйкес көрсетілген [21].
Сурет 1.1 - Сканерлейтін зондты микроскоптың жалпы сызбасы
Сканерлеуші зондты микроскоптың жұмыс істеу принципі келесіге негізделген. Позиционарды жүйенің көмегімен өлшенілетін зонды зерттелуші үлгінің жоғарғы бетіне келтіріледі. Үлгі мен зондтың арақашықтығы жүзшақты нм-ден жақындағанда соңғысы талдаудан өтетін беттің құрылымымен әрекеттесе бастайды. Үлгі беті бойымен зондтың орын ауыстыруы беттің сканерленуін зонд инелерімен қамтамассыз ететін сканерлеуші құрылғы көмегімен жүзеге асады. Зондтың орналасу датчигі, зондтың үлгімен салыстырғандағы позициясын үзіліссіз бақылайды және қайтымды байланыс жүйесі арқылы ондағы мәндерді сканер қозғалысын басқаратын компьютерлік жүйеге жібереді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.
СЗМ-ның бірінші протатипі сканерлеуші туннельдік микроскоп болды. СТМ-да зонд ретінде серпімді консолиге орнатылған өткір өткізгішіне қолданылады. Үлгі немесе иненің арасына тығысу кернеуі орналастырса, онда өткір иненің үлгіге 1 нм қашықтығында жақындауы кезінде, олардың арасында шамасы ине - үлгі қашықтығынан, бағыты - кернеу полярлығынан тәуелді туннельдік ток пайда болады. Ине үшкірін зерттелетін беттен алыстатқанда туннельдік тоқ - азаяды, жақындатқанда - артады. Беттің қандай да көп нүктелерінде туннельдік ток жөнінде мәліметтерді қолдана отырып, бет топографиясының бейнесін құруға болады. Туннельдік тоқты немесе бет пен ине аралығындағы қашықтықты, өлшенетін параметрге тәуелді, сканерлеуші туннельдік микроскоптың екі жұмыс істеу тәртібі мүмкін, олар: жоғары тұрақты және тұрақты тоқ тәртібі. Жоғары сезгіштікке ие сканерлеуші туннельдік микроскоптар адамзатқа жартылай өткізгіштер мен өткізгіштердің атомдарын көруге мүмкіндік берді.
Конструктивті шектеу күшіне байланысты, СТМ-де өткізбейтін материалдардың бейнесін алу мүмкін емес. Туннельдік микроскопты сапалы жұмысы үшін қатаң шарттарды орындау қажет, оның ішінде үлгіні арнайы дайындау мен вакуумда жұмыс істеу [22].
Атомдық-күштік микроскоп өзінің алдынғысына қарағанда шектеулерді айналып өтті. АКМ көмегімен атмосфералық шарттарда өткізгіш және де өткізгіш емес материалдар бетінің атомды ажырату беттік бейнесін алуға мүмкіндік берді. Атомдық-күштік микроскоптың қосымша артықшылығына беттің топографиялық өлшемдерімен қатар оларды электрлік, магниттік, серпімді және т.б. қасиеттері бойынша визуалдауға мүмкіндік береді. Атомдық-күштік микроскоптың жалпы схемасы 1.2 суретке сәйкес көрсетілген.
Сурет 1.2 - Атомдық-күштік микроскоптың жалпы схемасы
Атомдық-күштік микроскоп жұмысы негізінде зонд пен беттің өзара әсерлесудің әр түрлі күштік түрлерін қолдану жатыр. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Қысқа әсерлі күштер 1-10 А ретті қашықтықтықта ине ұшы мен беттің атомдарының электрондық қабыршағын жапқанда пайда болады және қашықтық үлкейген сайын тез төмендейді. Беттің атомдарымен қысқа әсерлесуге ине ұшының (шегінде бір) бірнеше атомдары ғана қатысады. Бұл күштер түрі көмегімен бет бейнесін алуда АКМ контакт тәртібінде жұмыс істейді. Ұзақ әсерлі күштердің пайда болуы Вандер-Ваальстік, электростатикалық немесе магниттік өзара әсерлесуге негізделген. Мұндай күштер қашықтықтан өте аз тәуелділікпен сипатталады және үлгі бірліктен бірнеше мың ангстремге дейін ине тесігінің шамасында көрінеді. Ұзақ әсерлесудің оның салыстырмалы төмендеу күшіне өзара әсері қашықтық үлкейген сайын зондтың ине ұшын тудыратын мәнді атомдар санын кірістіреді. Ұзақ әсерлі күштерді бетті зерттеуде қолдану контаксыз тәртіпте өтеді. Контактты және контактсыздық арасындағы аралық орын сканерлеу процесіндегі иненің бетпен периодтты қысқа мерзімді контакт тәртібін, басқаша соқтығысып тұру (tapping mode) деп аталатын режимін алады. Бұл тәртіпте консоль резонансты өздік жиілігінде жоғары 50-100 нм ретті амплитудада тербеледі. Консолидің тепе-теңдік күйден төмен максимал ауытқуында осындай амплитудаларда ине бетпен жақындасқанда оның тербелісінің амплитудасын, фазасын және жиілігін өзгертеді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Соқтығысу тәртібі контакті тәртіпке қарағанда көлбеу жазықтықта жоғары ажыратумен сипатталады.
АКМ топографиялық бейнені алуға, (1.3 суретте көрсетілген) беттердің бүдірін өлшеуге, атомды ажыратуы бар әр түрлі органикалық және биологиялық объектілерді зерттеуге қолданылатын қуатты метрологикалық құрал [23, 24].
Сурет 1.3 - Атомдық-күштік микроскоп
Атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу реті. Бұрын көрсетілгендей сканерлеуші туннелді микроскоптар тек электр тогын өткізетін материалдардың электрөткізуші бетін зерттеу үшін ғана қолданылатын болған. Бұл кемшілікті кейінгі зерттеулер нәтижелері түзетті,зерттеулер нәтижесінде бір мезгілде екі зерттеу орталығында (ИБМ фирма лабораториясы мен АҚШ-ғы Стэнфорд Университеті) жаңа изолятордың беттік қабатын өлшеуге мүмкіндік беретін электронды микроскоптар жасалынды. Атомдық-күштік микроскоп деген атау алған бұл өлшеуіш құралда атомдар арасындағы атомаралық күш өлшенеді. Микроскопта зонд жазық пружина соңына бекітілген және оның орналасуы зонд пен беттік атомдар арасында пайда болатын атомаралық күштердің өлшемімен анықталады. Сол себептен бұл құрылғыда негізгі физикалық өлшеуіш ретінде атомдар арасындағы әсерлесу жүреді, олардың шамасы анықтау нүктесінде белгілі бір аймақтың кедір-бұдырлығымен анықталады. Бұл күштер қасиеті бойынша кері итеруші күштер болып табылады, ал олардың шамасы бізге бұрыннан белгілі өлшем бірлік бойынша өрнектеледі, яғни ньютонмен (негізінде, абсолютті мәнде бұл күштердің өлшем бірлігі нано-ньютонмен өрнектеледі). Жалпы атомдық-күштік микроскоптың жұмыс істеу принципі бастапқы принцип бойынша қала береді, яғни жоғарғы қабаты зондпен сканерленеді,кейін алынған мәліметтер кескін түрінде беріледі. Көрсетілген құрылғыдағы зонд бетінің арақашықтығын қандай дәлдікпен тіркеуге болады? Кронштейн пластинасының жағдайын эксперименттік өлшеу туралы сөз болып отыр, біз өлшеу жүргізу үшін оптикалық лазерді қолдануымызға болады. Беттің кедір-бұдыр қабатындағы атомдар мен зонд ұшының арасында пайда болған атомаралық күштің шамасы пластина кронштейннің иілу дәрежесімен сәйкес келеді,яғни өте жоғары дәлдікпен өлшеуге болатын лазер сәулесінің пластинадағы бейнесін қарапайым оптикалық детектор (фотодиод) көмегімен тіркеу арқылы өлшеу жүргізу. Беттің бейнесін өте жоғары дәлдікпен алуға атомдық-күштік микроскоп мүмкіндік береді. Микроскоптың анықтау дәлдігі сканерлеуші туннелді микроскоптардың анықтау дәлдігінен әлде қайда жоғары болып келеді. Бұл атомдық-күштік микроскоптарда зонд өткірлігіне зерттеліп отырған бетті зерттеуде жақын орналасуына шек қойылмайтындығында, яғни атомдық-күштік микроскоптарды ток пайда болмайтын диэлектрлі материалдарды зерттеу үшін қолданады [25].
Ток өткізбейтін атомаралық құрылымын зерттеу үшін атомдық-күштік микроскопты ойлап табу өте маңызды болды. Бұдан басқа кронштейн материалдарының қасиетін жақсарту - атомдық-күштік микроскоптардың анықтау дәлдігін жоғарылатуы мүмкін. Кронштейнде пайда болатын әлсіз иілгіш қысым өте жоғары дәлдікпен көрсетіледі (1 нм), бұл атом құрылымының атомаралық деңгейіне сәйкес келеді. Атомдық-күштік микроскоп көмегімен алынатын өткізгіш материалдар туралы хабарлама сканерлеуші зондты микроскоп арқылы өлшенген нәтиженің толықтырмасы ретінде қарастырылады, бұл алынған нәтижелерді анализдеп салыстыруға қосымша мүмкіндік береді [26].
1.3 Нанотехнология әр ғылым саласында
Жалпы нанотехнологияның экономикаға, медицина саласына берерi мол. Оны болашақтың ғылымы деп санайды. Нанотехнологияны ең бiрiншi АҚШ ғалымдары ашқан екен. Лазерлiк қуаттағы атом көмiрқышқылдары бiр-бiрiмен қосылып, ерекше қабiлетi бар өзiндiк нанотүтiктер мен кiшкентай шарларды түзедi. Оны ғылыми тiлде фуллерен немесе капсул деуге болады. Олар табиғаттың агрессивтi факторларына өте төзiмдi келедi. Дүниежүзi бойынша нанотехнология саласындағы зерттеулерге жылына 4 миллиард АҚШ доллары жұмсалады. 2015 жылы осы әдiс арқылы шығарылған тауарлар мен көрсетiлетiн қызмет көлемi 1 триллион долларға жеттi. Әлемнiң 30 елінде нанотехнология жөнiнде ұлттық бағдарлама қабылданған. Соңғы жылдары 1600-ден астам нанотехнологиялық компаниялар мен ұлттық орталықтар құрылған. Нанотехнология саласы енді ғана дамып келе жатқанымен, оның жемістері әскери, әуе және космонавтика салаларында баяғыдан бері қолданылып келеді. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру т.б.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр [27].
2003 жылдан бастап қазақ ғалымдары жоғарыда айтылған ғылым саласында жаңалық ашуға қолдарындағы бар күшті салып келеді. Елімізде нанотехнологиялық зерттеулерді жүргізетін зертханалар бой көтеріп, арнайы ғылыми ұжымдар құрылған болатын. Еліміз нанотехнология саласында ғылыми терең зерттеулер жүргізуге арналған қымбат құрылғыларға қол жеткізе алмай жүр. Осының салдарынан біздің ғалымдарға зерттеулерді көрші мемлекеттердің ғылыми-технологиялық зертханаларында жүргізуге тура келеді. Елімізде ғылым мен техниканы қатар дамыту − елімізде зияткерлік әлеуметті сақтау мен дамытуға, оған қоса, республикамыздың қаржылай-экономикалық жағдайдың дамуына үлкен ықпал етеді.
Нанотехнология − ХХІ ғасырдағы ғылыми-техникалық дағдарыстың жетістігі десек, қателеспейміз. Адамдарға бүгінгі нанотехнологиялар 50 жыл бұрынғы ядролық технология тәрізді таныс емес дүние болып тұр. Бүгінгі өндіріс пен ғылымның дамуына жаңа бағыт берген нанотехнология жайлы айтылатын ақпарат жоқтың қасы. Көршілес жатқан Ресей бұл саланы дамытуға 180 миллиард доллар көлемінде қаражат бөліп отыр. Нанотехнология саласына көңіл бөлген елімізде ұлттық зертхана құрылып, жаңа зерттеулерді жүргізуге арналған жаңа құрылғылар мен технологиялық жүйелер көптеп сатып алынуда. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру т.б.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр.
Жапония елінде осы нанотехнологияның арқасында 18 келілік бронды сауыттың орнына жеңіл, әрі киюге ыңғайлы көміртекті бронды жейде жасалынып шығарылды. Жeр бeтiндe бaр, Мeндeлeeвтiң кeстeсiнeeнгeн химиялық элeмeнттeрдiң бaрлығы aтомдaр мeн молeкулaлaрдaн тұрaды. Бұлaрдың мeйлiншe шaғын болaтындығы сондaй, қaрaпaйым микроскоптaрмeн көру мүмкiн eмeс. Сондықтaн дa күнi кeшeгe дeйiн осы сaлaны зeрттeйтiн лaборaториялaрдa aрнaйы жaсaлғaн eң үлкeйткiш микроскоптaр пaйдaлaнылды. Aл қaзiр олaрдың орнын элeктронды микроскоптaр aлмaстырғaн [28].
Нaнотeхнологияның бiрдeн-бiр aртықшылығы - нaноқұрылғылaр нaноөлшeмдeгi энeргияны қaжeт eтeдi. Осы жeрдe күн энeргиясы - нaғыз кeрeктiң өзi. Өйткeнi ол aтом энeргиясы сияқты өтe күштi eмeс, нaноқұрылғылaр үшiн қaжeттi энeргияның қaйнaр көзi. Eгeр күн энeргиясын aлуды дұрыс дaмытa бiлсe, Қaзaқстaнның элeктр қуaтынa дeгeн бaрлық қaжeттiлiгiн өтeугe болaды. Бүгiнгi күннiң өзiндe тeк қaнa элeктронды микроскоптaр aрқылы көругe болaтын aтомдaр мeн молeкулaлaрды eндi мың eсe кiшiрeйткeндe aлынaтын өнiм қaндaй болaтынын ойшa көзгe eлeстeтe бeруге болады. Бiрaқ бiр тaңғaлaрлығы мың eсe кiшiрeйгeн жaңa aтомдaр мeн молeкулaлaр өздeрiнiң шыққaн тeгiнeн мүлдe ... 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