Нанотехнология негіздері оқу құралы Алматы
ISBN 978-601-06-1851-0 © «Қазақ университеті баспасы»
жүктеу/скачать 3,32 Mb.
|
treatise34956
- Бұл бет үшін навигация:
- Кіріспе 4 1
- 1 НАНОҒЫЛЫМ ЖӘНЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯ 1.1Нанотехнологияның пайда болу және даму тарихы
| ISBN 978-601-06-1851-0 © «Қазақ университеті баспасы»
© Яр-Мухамедова Г.Ш., 2015 © Исмайлова Г.А., 2015 МАЗМҰНЫ
1 НАНОҒЫЛЫМ ЖӘНЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯ 1.1Нанотехнологияның пайда болу және даму тарихы Нанотехнология термині (Nanotechnology) 1947-жылы Норио Танигучи (Norio Taniguchi) тарапынан енгізілді, «өте жоғары дәлдік және ультракіші өлшеміді 1нм алуға мүмкіндік беретін өндіріс технологиясы» ретінде анықтама берді. Эрик Дрекслердің (Eric Drexler) кітабынан 1980-ші және 1990 -жылдары Нанотехнологияны жеке молекулалардан құрылғы жасап шығару деп түсінді. Нанотехнологияның келешегі ретінде төмендегілер жазылды: Мысалы, кішкентай автономды нанороботтар адам ағзасына енгізілді, және қан жүйесі бойынша жүзіп ауру органдарды табады және оларды «жөндеуді» іске асырады. Нанотехнология деп бұрын да және казір де өте жиі ғылымның облысы түсінілді. Бірақ Альберт Франкстың (Albert Franks) 1987 жылы Нанотехнологияның анықтамасы айтарлықтай шындыққа жақын келеді: "Нанотехнология – бұл 0.1-100 нм аралығындағы өлшемді және дәлдіктегі өндірістер." Бізді бірінші кезекте Нанотехнологиядағы ғылыми техникалық бағыттары қызықтырады. Ғылыми техникалық бағыттардың негізгі жеке аймақтары төмендегі (1.1cурет)сызба нұсқада көрсетілген.
Нанотехнологиясөзі салыстырмалы жаңа болғанымен, нанометрлік өлшемдегі қондырғылар және құрылымдар жаңа түсінік емес. Іс жүзінде олар Жер бетінде өмір қашан пайда болған болса, бұл түсініктер де сол кезде пайда болған. Моллюск мұхит сақ құлағы мықты бор наноталшықтарының ақуыздың (белок) көміртегімен қоспасын жабыстыра отырып, өте берік ішінен құйылатын бақаншақты өсіреді. Сыртында пайда болған жарықтар, бақаншақтарда наноқұрылымдалған кірпіштердің болуынан тарала алмайды. Бақаншақтар табиғи көрсету болып табылады, өйткені нанобөлшектерден құралған құрылымдар, біртекті көлемде материалдардан біршама мықтырақ болады. Қай уақыттан бастап адамдардың бірінші рет наноөлшемді материалдарды пайдалана бастағаны дәл белгілі емес. Біздің заманымыздың 4-ғасырымызда Римдік шынықайнатушылар құрамында металдың нанобөлшектері бар шыны жасады. Бұл дәуірдің Британ мұражайында орналасқан Ликура кесесі деп аталатын бұйымдары бар. Кесе Ликураның өлімін бейнелейді, ол натрий әгінің негізіндегі құрамында күміс және алтын нанобөлшегі бар шыныдан жасалған. Оған жарық көзін орналастырғанда кесенің түсі көктен күңгірт-қызыл түске ауысады. Ортағасыр мұрағаттың (храм) түсінің құбылуы, шыны құрамындағы металдық нанобөлшектердің қатысуымен түсіндіріледі. Өте кішкентай бөлшектердің (кластерлердің) потенциальдық маңыздылығы туралы ирландықхимик Роберт Бойль 1661 жылы «Химик-скептик» жұмысында талқылады. Мұнда Бойль Аристотельдің төрт негіздерден (жер, су, от және ауа) тұратын материяға көз қарасын сынға алады. Олардың орнына Бойль заттың кішкентай бөлшектері әр түрлі тәсілдермен байланысады деп түсінді және оларды корпускулар деп атаған. Бойль оларды түзуші бөлшектері кішкентай массалар немесе кластерлерге киын ыдырайды деп болжады. XVIII-XIX ғасырлардағы фотография, жетілген және алдыңғы қатардағы технология, күміс нанобөлшектерінің жарық әсерінен пайда болуына негізделген. Фотопленка – ол мөлдір ацетат целюлоза негізіне жағылған күміс галогенидінің эмульсиясы (мысалы, желатиндағы күміс бромиді). Жарық күміс галогениді күмістің таза нанобөлшектеріне ыдыратады, олар өрнектің пикселдері болып табылады.XVIII ғасырдың соңында ағылшын ғалымдары Томас Уэджвуд және сэр Хэмпфри Дэви нитрадті және күміс хлоридін пайдалана отырып суретті алуға қол жеткізді, бірақ алынған суреттер ұзақ уақытты болмады. Көптеген француз және ағылшын ғалымдары осы проблемалар үстінде XIX ғасырда жұмыс істеді, сонымен бірге Дагер, Ньепс, Толбот, Арчер, Кеннет. Электромагниттік өрістің теориясын ойлап тапқан Джеймс Клерк Максвелл, 1861 жылы бірінші рет түсті фоторгафияны алды. 1883 шамасында соңынан «Кодак» корпорациясының негізін қалаған, американдық өнер тапкыш Джордж Истмэн күміс галогенидімен қапталған ұзын қағаз жолақтарынан тұратын пленканы жасады. Соңынан ол пленканы иілгіш етіп жетілдірді. Пленканың рулонға оралуы фотографияға кең қол жеткізуге мүмкіндік берді.Сондықтан наноөлшемді материалдарды пайдалануға негізделген технология іс жүзінде ол айтарлықтай жаңа емес. 1857 жылы Майкл Фарадей «Патшалық қоғамның философиялық еңбектерінде» витраждық шыныдағы металлдық қосылулардың әсер етуі туралы мақала жариялады, бірақ бірінші болып металдық қосылудың заты мен өлшеміне тәуелділігін Густав Ми 1908 жылы «Физика Анналахы» атты еңбегінде Лейпцигте түсіндірді. Гумиарабиктің (сияның) қосылуымен күйенің судағы коллоидтық ерітіндісі бұрыннан белгілі; соңғы күйенің және оның шөгуінің дисперсиялық бөлшегінің агломерациясының алдын ала келтіреді, сияның қасиеттерін уақытында тұрақтандырады. XIX ғасырда Нанотехнологиялық көзқарастың қызықты мысалдарын Д.Максвеллдің«демонында(перісінде)» қарастыруға болады; молекулаларды жылдамдығы бойынша жіктеу және солақай Лесковтың ескі «жоғары-төмен» әдісімен «наношегелерді» дайындап және оны «ағылшын» бүргемен (микроқұрылыстың өзіндік аналогы) тұжырымдады. Н.С. Лесков Солақаймен осы шегелердің басындағы жазуларды тек мелкоскопта (яғни микроскопта) 5 000 000 есеге дейін үлкейтіп көруге болатынын 1881 жылы белгіледі. Бұл наноқұрылымды зерттеуге қолданылатын заманауи жоғары мүмкіншілікті жарықтандырғыш электрондық микроскоптың типтік үлкейтуі. Ричард Фейнман (1965 жылы квантты электродинамиканы шығарғаны үшін Нобель сыйлығымен марапатталған). 1959 жылы Американды Физикалық қоғам жиналысында ол, «Төменде бос орындар әлі көп» көрегендік дәрісін оқып, наноөлшемді материалдардың потенциалдық қабілеттілігін және жаратылысын болжау тақырыбын ойлады. Ол электрондық шоқ арқылы бірнеше атомдардың енінің сызықтарын көз алдына келтіріп осы арқылы электрондық сәулелену литогрофиясын болжаған, оны бүгінгі күнде кремнийді чиптерді жасауға қолданылады. Ол жаңа аз құрылымдардың әртүрлі қасиеттерінің жаратылысының жеке атомдармен манипуляция жасаумен ұсынған болатын (бұл шын мәнінде, осы жақын арада сканерлеуші туннельдік микроскоп арқылы іске асырған). Ол олардың қуатты компьютерлерінде қолдану үшін метрлік масштабтардың электр тізбектерінің жасалуын ойша көрді. Сонымен қатар көп қазіргі зерттеушілер биологиялық жүйелердегі наноқұрылымдардың болуын сезінді. Көптеген Фейнмандық ойлаулар нақты болып шықты, дегенмен оның идеясы сол уақытта ғалымдардың үнін таппады. Мүмкін, оның оқырмандарға қалжыңдау әдетінен көп тыңдармандардың реакциясын ең көп тыңдалған «Сіз, әрине, әзілдеп тұрған боларсыз, мистер Фейнман» кітабының сөзімен суреттесе болады. Қазір нанотехнология аумағындағы зертеушілер арасында бұл дәріс, әрине, белгілі болып табылады, бірақ, бір ғалым айтқанындай, «ол оған технология жетпейінше, адамдар жете алмайтындай көреген болды». Басқа да болжамдар болды. 1957 жылы IBM-де жұмыс істеген Ральф Ландоерде наномасштабтық электроника туралы идеялар болды. Ол осындай құрылғыларда маңызды рөл атқаратын кванттық-механикалық эффектілерді түсінді. Дегенмен Фейнман өзінің дәріс-болжамын 1959 жылы көрсетті, 50 және 60-жылы ұсақ металлдық бөлшектерге эксперимент жасалды. Бұл кезде ол нанотехнология деп аталмады, тіптен ұқсамады да. Ухлир1956 жылы борлы кремнийді алғашқы рет бақылағаны туралы хабарлады, бірақ оған деген қызығушылық 1990 жылы осы материалда фотолюминесценцияны бөлме температурасында алғаннан кейін ғана пайда болды. Сол уақыттың басқа да жұмыстары калий мен натрийдің кейінгі неғұрлым суық подложкадағы тұнбамен булануы арқылы жасалған сілтілік металдардың нанобөлшектерінің жасалуымен байланысты болды. 60-жылдарда сұйықтықта ұсақтатылған ферромагнетиктің нанобөлшегінен тұратын ферромагниттік сұйықтықтар алынды. Бөлшектер шарлы диірменде беттік активті зат қосылған сұйықтықпен жасалды. 60 жылы дамыған белсенді бағыт бұл – сол кезде коллоид деп аталған электронның наноөлшемінің металлдық бөлшектерде өтуінің электронды парамагнитті резонансы болды. Бөлшектер металдардың оң ионы мен теріс молекулалық иондармен қатты дененің сәулеленуі және жылулық таралуымен жасалды. Негізінде заттардың жылулық таралуы нанобөлшектер алудың бір әдісі болып табылады. +Металлдық нанобөлшектердің құрылымының ерекшеліктері ғажайып сандардың пайда болуы сияқты 70-жылдары натрийлі шоқтағы масс-спектроскопияда алынды. Херман әріптестерімен 1978 жылы натрий кластерінің ионизациялық потенциалын өлшеді және оның кластерге арналған тоңба (желе) моделінің пайда болуына әкелетін кластер өлшемінен тәуелділігін бақылады. 70 жылдардың басында Bell Laboratories и IВМнің зерттеушілері жартылай өткізгіштердің бір атомдық қабаттарын көрсететін жұқа қабықшалардың айналуынан тұратын алғашқы екі өлшемді кванттық шұңқырларды жасады. Бұл жұмыс нөл-өлшемді кванттық күштерді алудың өндірістік әдістерінің дамуына бастау әкелді.Дегенмен, тек наножүйелерді формалау әдістерінің пайда болуымен 80-жылдары осы бағыт айтарлықтай артып, көптеген маңызды нәтижелерге жол ашты. 1981 жылы майда металдық кластерлерді алу әдісі іске асырылды, металдың булануы кезіндегі ыстық плазманы құру үшін жоғарыэнергетикалық бір нүктеге бағытталған лазер сәулесі қолданылды. Гелий ағыны буды суытып, әртүрлі мөлшердегі кластерлер түрінде металл атомдарын конденсациялады. 1985 жылы бұл әдіс С60 фуллеренін алуда қолданылды.1982 жылы екі ресейлік, Екимов және Омущенко, кванттық локализацияның бақыланғандығын хабарлады. Осы он жылдықта Г.К. Бинниг және Х. Рорер 1986 жылы сканерлі туннелдік микроскоп жасағандары үшін Нобель сыйлығына ие болды.Сканерлі туннельдік микроскоп (СТМ) пен атомды-күшті микроскоптың ойлап табылуы, нанообъектілердегі атомдарды қадағалауға, зерттеуге және бақылауға жаңа маңызды жол ашты. 1987 жылы Нидерландыдан Б.Дж. ван Вис және Н. ван Хутен нүктелі байланыстардың вольтамперлік сипаттамаларының сатыларын бақылады. Сәйкес ұқсас сатыларды Д.Варам да, М.Пеппер де Кембриджде бақылаған. Бұл кванттық өткізгіштіктің ең біріншісі. Осы уақытта да Bell Laboratories мекемесінен Т.А. Фултон және Г.Дж. Долан бірінші бірэлектронды транзистор жасап, кулондық блокаданы бақылаған. Бұл кезең 10 нанометрлік құрылым алуға мүмкіндік беретін электрондық-сәулелі литография тәріздес, әдістердің қарқынды дамуы деп белгіленген. Сондай-ақ, сол онжылдықта кезекті магнитті және магнитті емес кабаттармен жасалған көпқабатты материалдар алынды, олар аса зор магниттік кедергі касиеттерімен ерекшеленеді. Мұндай қабаттары нанометрлік калыңдығындай материалдар магнит негізіндегі жаңа есте сақтағыш құрылғыларды жасауда елеулі орын алады. Әйтсе де, теоретиктерде фотондық кристаллдардың тұжырымдамасы 80-ші жылдардың соңында туғанымен, жете рұқсат етілмеген аймақты бірінші үшөлшемді периодтық фотондық кристалл 1991 жылы Яблоновичпендайындалды. 90-шы жылдары Ижима көміртекті нанотүтікті алды, С60 фуллерендерінде асаөткізгіштік және ферромагнетизм касиеттері ашылды, молекулярлық ауыстырғыштарды жасау және жеке атомдардың электрөткізгіштігін өлшеу әрекеттері басталды, көміртекті нанотүтік негізінде жасалған өрісті транзистор жасалып көрсетілді. Металдың бетінде молекулалардың өздігінен құралуы әдістерінің зерттеулері қарқындады.Молекулалардың реттелген құрылымдарының металл бетінде түзілуі арқылы металдық подложкасы мен молекулалар арасындағы өздігінен түзілетін байланысты – өздігінен құралуы деп атайды. 1996 жылы Ғылымның Ұлттық Қорының жетекшілігінде АҚШ үкіметтік мекеме тобы наноғылым мен нанотехнологияның осы әлемдік жағдайын, бағыттары мен дамуының болашағын зерттеуін ұйымдастырды. Топтың қызметкерлік нәтижесі ретінде осы ғылым саласының жетілдіруі бойынша толық зерттелген ұсыныстар болып табылады. Осы ұсыныстарды назарға ала отыра, АҚШ үкіметі осындай жұмыстарды аямай қаржыландыра бастады және «Ұлттық нанотехнологиялық бастамасы» атымен ұзақ уақыттық мемлекеттік бағдарлама. 1.2 сурет АҚШ үкіметінің нанотехнологияны қаржыландыруының өскендігін және Ұлттық Нанотехнологиялық Бастамасы жоспары бойынша жоспарлану дамуын көрсетеді. Бұл зерттеу екі қорытынды жасауға мүмкіндік берді.
Бірінші болып, наноқұрылымдау кезінде материалдар жаңа қасиеттер және ерекше мінездемелер қосады. Бұл жағдайдың негізінде, сипаттамалық, немесе сындық ұзындығымен заттың әрбір қасиеті байланысты екендігі жатыр. Мысалы, заттың электрокедергісі тербелген атомдар немесе коспалардағы өткізгіш электрондардың шашырауы себебінен болады. Бұл еркін қашықтықтың ұзындығымен сипатталады, яғни түзу сызықты траекториядан ауытқыған екі ара-қашықтықтан өтетін электрон мен орташа қашықтықпен сипатталады. Көпшілігі нанометрлік диапазонда жататын, қатты заттардың өлшемдері сипаттамалық ұзындықтармен тең болғанда негізгі физикалық және химиялық қасиеттер өзгереді. Осындай маңызды мысалдардың біреуін электрон толқынының кванттық ұзындығы өлшемімен менгеретін жартылай өткізгіш болшектері немесе өткізгіш аймақтағы тесіктері көрсетеді. Нанотехнологияның аса дамыған түрі – кванттық нүктелер негізі, ол қазіргі кездегі компакт-диск (CD) оқуда қолданылатын кванттық нүктелердің негізіндегі лазерлердің түбірінде жатыр. Екінші АҚШ үкіметтік комиссиясының қарауы көптеген әртүрлі білім салаларының осы бағытпен айналысатындығын айтады. Нанотехнология бойынша жұмыстарды тек университеттік физика, химия, биология, экология бөлімдерінде ғана емес, сол сияқты электроника, механика, химиялық технология бөлімшелерінде, яғни инженерлік пәндерде де табуға болады. Бұл зерттеу саланың пәнаралық табиғатын түсінуді және басқа бөлімде алынған нәтижелерді наноғылым бөлімдерінде зерттеушілермен қолдану біршама қиындатады. Фейнманбайқағандай, өмірдің өзінің басталғанынан бастап, биологиялық жүйелер функционирлеуші наноқондырғылар жасайды, және соларды құруға біз биологиядан көп жаңа ойлар аламыз. Бірақ, наноқондырғыларды жасаумен айналысатын, бірақ, ақуыз бен амин қышқылының айырмашылығын көрмейтін материалтанушы немесе қатты дене-физигі қалай ғана биологиялық жүйелерде ойлар іздей алады? Кеңмасштабты қымбат емес наноқұрылымдық материалдарды алу жолдарын табу- қазіргі таңда наноғылымның алдында тұрған ең қиын негізгі мәселелердің бірі, себебі оның шешімі алынған нәтижелердің технологиялық қолданылуына қажетті. Мысалы, бір қабатты көміртекті нанотүтіктер газ концентрациясын реттейтін қондырғыдан бастап жылдам компьютерлердегі триггерлерге дейін созылып жатқан зор өлшемді потенциалды қолдануларға ие. Дегенмен бұл ойларды технологиялық түрде іске асыру үшін көп мөлшерде көміртекті нанотүтікті алуға болатын әдістемелер ойлап табу керек. Наноэлектромеханикалық қондырғылар саласында істейтін Михаель Рукетағы бірнеше мәселелер тұжырымдады.Үлкен бір мәселе макро- және наноқондырғылардың ара-қатынасынажатады. Мысалы, қатты өзектің өзіндік тербеліс жиілігі өзек өлшемі ұлғайған кезде жоғарылайды. Наноөлшемдер үшін жиілік 10 ГГц жете алады, ал тербеліс амплитудасы пикометр (10-12) мен фемтометр (10-15) диапазонында жата алады. Сенсор өте кішкене жылжуларды байқауы керек және сондай биік жиіліктерде жұмыс істеу керек. Сканирлеуші туннелді микроскопта қолданылатын жүйелер тәріздес оптикалық ауытқытқыш жүйелер шағылдырғыш өлшемінің шағылдырғыш сәулесінің толқын ұзындығына жақындаған кезіндегі шыққан мәселесінен, дифракциялық шектің себебінен жұмыс істемейді. Басқа маңызды кедергі болып үстіңгі беттің наноқұрылымға әсеріболып табылады. Ұзындығы 100 нм және қалыңдығы 10 нм болатын кремнийлі өзектің бет жағында 10 %-дай атомдар орналасқан. Мұндай мөлшердегі бет жағындағы атомдар өзектің механикалық қасиетіне елеулі әсер етеді (мықтылығы, иілгіштік және т.б.), дегенмен бүгінгі күні әлі толық анық түсінікті емес. Сонымен, нанотехнология соңғы жылдары тек қана болашағы зор жоғары технологиялы салалардың бірі болып қана қарастырылып жатқан жоқ, сонымен қатар, 21 ғасырдың экономикасының жүйеқұрушы фактор болып, табиғи қорларын пайдалануда немесе қайта өңдеуде емес, білімде негізделген экономикасында. Бұдан басқа, нанотехнология барлық өндірістік шығармашылықтың жаңа парадигмасыныңдамуын ынталандырады («астыдан-жоғарыға» – жеке атомдардан бұйымға дейін, «жоғарыдан-астыға» емес, аса көлемді дайын заттан артық материалды кесіп алып тастау жолымен бұйым алатын дәстүрлі технология тәріздес), ол өзі өмірдің сапасын арттырудағы және постиндустриалды ортадағы көптеген әлеуметтік мәселелерді шешудегі жаңа тәсілдердің көзі болып табылады. Ғылыми-техникалық саясат саласында және құралдарды қаржыландыруда көптеген сарапшылардың ойы бойынша, басталған нанотехнологиялық революция адам баласының шығармашылығының барлық өмірлік маңызын қамтып алады (ғарышты игеруден – медицинаға дейін, ұлттық қауіпсіздіктен – экологияға және ауыл шаруашылығына дейін), ал оның зардаптары 20 ғасырдың соңғы үштен біріндегі компьютер революциясынан көлемді және тереңірек болады. жүктеу/скачать 3,32 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|