Нанотехнологиялар

Ойынның әртүрлі кездерінде, мысалы, атыс кезінде, ойыншылардың 
орындары әртүрлі болуы мүмкін. Жеке ойыншылардың орналасуы 
мен функциялары командалық ойынның стилін анықтайды.
Дәл осылай жеке атомдардың орналасуы мен функциялары 
молекуланың тәртібін анықтайды және заттың физикалық сипатта- 
маларын анықтайды, мысалы, олардың басқа заттармен химиялық 
реакцияларға түсу қабілеттілігін анықтайды. 1.3-суретте кейбір 
заттардың құрылымдық формулалары көрсетілген.
О
нз—С—он
Сірке қышқылы
1.3-сурет. Құрылымдық формулар молекулалардағы атомдардың 
орналасуын көрсетеді
Ғалымдар 
молекула құрылысын 
олардың 
өздерін 
қалай 
ұстайтындарын анықтау үшін зерттейді. Молекулалардың құрылысы 
нанобөлшектердің қасиетіне сол сияқты қатты әсер етеді.
Төменде өте көп орын бар
1959 
жылдың 29 желтоқсанында профессор Ричард Фейнман 
(физика ғылымы бойынша 1965 жылы Нобель сыйлығының лауреа­
ты) Калифорния технологиялық институтында (АҚШ) Американдық 
физиктер қауымының түстену отырысында, Тһеге’8 Р1еПу о£ К о о т
а! !һе Б о й о т («Төменде өте көп орын бар») атты тақырыпта дәріс 
оқыды. Бұл дәрісте ол ғылымның жаңа зерттеу аумақтары туралы ай- 
тып берді. Фейнман жеке атомдарды басқару мен олардың негізінде 
аса ұсақ (субатомды) деңгейде жаңа заттар жасау туралы ой ұсынды.
Ол аудиторияны қарапайым және батыл ғылыми идеясымен 
таңғалдырды. Фейнман кейбір ғалымдардың барлық ұлы жаңалықтар 
ашылып қойды, сондықтан енді ғылыммен айналысу қызықты 
емес деген ойларына да тоқталып кетеді. Алайда, физик олармен 
келіспейтінін айтып, өзінің дәлелдерін келтіреді. Ғалым Бгііаппіса 
Британ энциклопедиясындағы бүкіл материалдарды түйреуіштің ба- 
сына ғана орналастыруға болады деді.

Фейнман әрбір әріпті 6-7 бит мәлімет деп қабылдауды, ал 
мәліметті тек қана беткі қабатта емес, сонымен бірге көлемде сақтауды 
ұсынды. Егер әрбір битті жазуға 100 атом қолданылатын болса, онда 
бүкіл әлем кітаптарындағы барлық мәліметтерді қабырғасы 0,1 мм- 
ден аз ғана үлкен кубқа сыйдыруға болады. Сондықтан субатомды 
әлемде шынымен-ақ көп орын бар деген қорытынды жасады.
Физик бұл биологтарға ежелден белгілі екендігін айтты. Био- 
логтар бірнеше онжылдықтардың ішінде (ДНҚ) дезоксирибонуклеин 
қышқылының молекуласы сияқты нысандарды зерттеген. Олар ДНҚ- 
ның ағза жасушасының ядросында орналасатындығын және осы 
ағзаның құрылысының кодынан тұратындығын (масса, адам немесе 
қарлығаш болса да) білді. Және басқа да қалған ағзалар!
Фейнман биологтар баяғыдан бері физиктерден қазіргі кезде 
мүмкін 100 есе кіші нысандарды көруге қабілетті, жаңа микроскопты 
ойлап шығаруларын күтетіндіктерін хабарлаған. Олар өз қарамағына 
аса күшті аспаптарды алған сәтттен бастап, жеке ақуыздар арасындағы 
реакцияларды толық көре алады. Фейнман қазіргі кезде наноәлем деп 
аталатын, молекулалық әлемнің шексіз мүмкіндіктерін бейнеледі. 
Ғалым әріптестерінің елестету қабілеттерін оятты, сонымен қатар 
молекулалық әлемнің зерттеулерінде ғылыми жарыстың бастауын 
берді.
Фейнман ұсынған ойды абсолютті жаңа деп айтуға болмай- 
ды. Алхимиктердің өздері де элементтердің химиялық қасиеттерін 
өзгертуге тырысқан. Олар сиқырлы «мәңгілік жастық эликсирі» мен 
қорғасынды алтынға айналдыратын «философиялық тас» жасауға 
ұмтылған. Іс жүзінде, олар атомдарды ғана емес, сонымен бірге 
олардың жеке компоненттерін де өзгертуге тырысқан.
1981 жылы Цюрихтегі (Швейцария) ІВМ компаниясының 
ғылыми-зерттеу зертханасында жұмыс істейтін Герд Биннинг (Оеаггі 
Віппід) мен Хайнрих Рорер (Неіпгісһ Коһгег) сканирлеуші туннельді 
микроскоп жасап шығарады және соның нәтижесінде алғаш рет 
ғалымдарға жеке атомдарды көруге және оларды басқаруға мүмкіндік 
туады. Олар электр өрісі мен наноөлшемді ұштары бар арнайы зонд 
қолдану арқылы жекелеген атомдардың орнын ауыстыруға болаты- 
нын анықтаған. Сканирлеуші туннельді микроскоп ашылғаннан кейін 
көп ұзамай, нанотехнология эрасының ең маңызды аспаптарының бірі
- атомдық күштік микроскоп жасалып шығарылды. Мұндай аспаптың 
пайда болуы 1986 жылы физика бойынша «Туннельді микроскопты 
жасап шығарғаны үшін» Нобель сыйлығына лайықты деп табыл- 
ды. 1989 жылы Калифорния штатының Сан-Хосе қаласындағы ІВМ

компаниясының Альмаден ғылыми-зерттеу зертханасында Дон Эйглер 
ф о п Еі§1ег) «ІВМ» сөзін 35 ксенон атомдарынан құрастырып, сурет- 
ке түсіріп алған. 1.4-суретте бұл сөзді атомдардан қалай құрастыруға 
болатыны көрсетілген. Нанотехнология аспаптары аса толығырақ
4-тарауда сипатталады.
1.4-сурет. «ІВМ» сөзін құрастыру үшін жеке атомдардың орналасу 
сызбанұсқасы
СӘТТІЛІК Ж Ә НЕ ИНТУИЦИЯ
1985 жылдың қыркүйек айында кіші Роберт. Ф. Керл, сэр 
Гарольд У. Крото және Ричард 
Э. Смолли атты үш химикпен 
көміртегінің жаңа түрі С60 ашылған болатын. Олар нәтижелері 
бүкіл 
әлемді 
таңғалдырған эксперименттерді 
бірлесіп жасау 
мақсатында Райс университетінде жиналған болатын. Ғалымдарға 
екі студент көмектесті: Джеймс Хиз У а т е з Неаіһ), қазір ол Кали­
форния технологиялық институтының химия профессоры және Шон 
О ’Брайан (8еап О ’Вгіеп), қазір ол Далластағы (АҚШ) Техаз Іпзігитепіз 
компаниясының ғылыми қызметкері. Нобель сыйлығы ең көп дегенде 
үш ғалымға берілетіндіктен Хиз және О ’Брайн тек әлемдік әйгілілікке 
ғана ие болды, ал 1996 жылы «Фуллерендерді ашқандары үшін» Н о­

бель сыйлығын Керл, Крото және Смолли алды. Бұл сыйлықты 1996 
жылдың 10-шы желтоқсанында оның негізін қалаушысының 100 
жылдық мерей тойына арнап берді.
Көміртегінің жаңа түріне фуллерен (&11егепе) деген атау берілді. 
Фуллереннің құрылымы тері бөліктерінен тігілген қарапайым фут­
бол добының каркасына өте ұқсас (1.5-сурет). Фуллерен көміртегінің 
60 атомынан құралған. Оның құрылымы көміртегінің графит, ал- 
мас сияқты басқа түрлерінің құрылымынан принципиалды түрде 
ерекшеленеді. 
Ең бірінші геодездік күмбездің жобасын сызған 
және тұрғызған - түзу стерженьдерден құралған іші бос кеңістіктік 
қалайыдан жасалған сфералық конструкцияны архитектор әрі 
өнертапқыш Ричард Бакминстер Фуллердің (КісһаМ Б исктіпзіег 
Ғи11ег) құрметіне фуллерен деп атаған.
1.5-сурет. Фуллерен тері қалдықтарынан тігілген қарапайым 
футбол добына ұқсайды
Смоллидің атомдардың молекулалары мен кластерлерін зерттеу 
үшін жасап шығарған аспабының көмегімен, Смолли және Кротоның 
жасаған эксперименттерінің нәтижесінде фуллереннің ашылуы 
жүзеге асты. Кротоны Смоллидің ұсынған лазерлік буландыру әдісі 
қызықтырған болатын. Оның көмегімен ол өзінің жұлдыз аралық 
кеңістіктегі көміртегінің әрекеті туралы теориясын тексермекші 
болды. Крото көміртегіне бай жұлдыздар, қызыл алыптар, радиоте­
лескоп көмегімен көруге болатын күрделі көміртекті қосылыстарды 
шығаруға қабілетті болады деп есептеді.
Зерттеушілер 
өздері 
тапқан 
көміртегінің 
жаңа 
түрінің 
құрылымын жеке элементтердің энергиясы мен сәуле шығаруының

толқын 
ұзындықтарын 
өлшеуге 
қабілетті, 
масспектрометрдің 
көмегімен көрсетуге тырысты. Бір күні кешке Смолли қағаз, қайшы 
және скотчтың көмегімен барлық 60 төбені біріктірді және симметри- 
ялы тұйықталған пішінді алды. Алынған С60 молекуласын бакиболл 
(ЬискуЬаІІ) деп те атайтын болды. Графит көміртегінің ең кең таралған 
түрі және ол екі өлшемді жазықтықтарда орналасқан көміртегінің 
атомдарынан тұрады. Ал фуллереннің молекуласында күшті байла- 
ныспен байланысқан көміртегінің атомдары үш өлшемді жазықтықта 
орналасады да, тұйық сфералық каркасты құрайды.
Қазіргі уақытқа дейін ғалымдар көміртегі тек графит және ал- 
мас түрінде ғана кездеседі деп есептеген болатын. Олар фуллереннің 
бар екендігіне сенбей, бұл жаңалықты қате деп санады. Ш ындығында 
да, неге бұл жаңа қосылысты бұрын ешкім білген жоқ? Көптеген 
ғалымдар фуллеренді қарқынды зерттей бастады, көп ұзамай мұндай 
молекуланың бар екендігі және оның ашылуының ғылым үшін 
маңызы өте зор екендігі белгілі болды. Жоғарыда айтып кеткендей, 
бұл жаңалықты ашқандары үшін Смолли, Керл және Крото 1996 
жылы химия саласы бойынша Нобель сыйлығын алды. Фуллеренді 
ашқаны және наномасштабты деңгейдегі зерттеулерді дамытқаны 
үшін Бининг және Рорермен бірге Смоллиді нанотехнологиялардың 
әкесі деп жиі атаған. Фейнманды көбінесе нанотехнологиялардың 
атасы деп атайды.
ГРАФИТ
Фуллерен ашылғанға дейін ең толық зерттелген көміртегінің 
қосылысы графит болды. Графит көміртегінің ойын карталарының 
колодасына ұқсас жазық қабаттардан тұрады. Әрбір жазықтықтағы 
атомдардың байланыстары өте тығыз, бірақ жеке жазықтықтар бір- 
бірімен әлсіз байланысқан және сол себепті майысып, сынулары 
мүмкін.
Көптеген адамдар жұмсақ графитті стерженьдері бар қарапайым 
қарындаштарды пайдаланды. Қағазбен жанасқанда графит қабаттары 
қабыршақталынып, қағаз бетінде қалатындықтан мұндай қарындаштар 
жаза алады.
Графиттің бір қабатындағы жеке атомдар ковалентті байланы- 
спен байланысқан. Бұл байланыстар графит молекулаларын біріктіріп 
ұстап тұрады және қабаттардың жазық пішінін ұстап тұруын 
қамтамасыз етеді. Графитте көміртегінің әрбір атомы үш көршілес

атоммен күшті ковалентті байланыспен байланысқан. Ван-дер-Ваальс 
күштері көршілес жазықтықтарды байланыстырып, оларды біріктіріп 
ұстап тұрады. 1.6-суретте көміртегі атомдарының орналасуларының 
жазық (көмірде және графитте), торлық (алмаста) және сфералық 
(фуллеренде) негізгі түрлері көрсетілген.
Үйкелетін бөліктері бар кейбір механизмдерде графит жағынды 
есебінде жиі қолданылады. Графиттің жеке атомдарының арасындағы 
күшті байланыстар оның балқу температурасының жоғары болуын 
түсіндіреді. Графит суда және органикалық ертінділерде ерімейді, 
бірақ электрлік тоқты өткізуге қабілетті, сол себепті ашық түсті 
киімдердің қалтасына қарындаш салып жүрмеңіздер. Әйтпесе, сізге 
таңғалдырарлық жаңалық ашуға тура келеді!
1.6-сурет. Көмір мен графитте көміртегінің атомдары кеңістікте. 
ал алмаста - көлемдік кристалл торда, ал фуллеренде - сфералық кар-

жүктеу/скачать 4,68 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: