Қазіргі таңда нанотехнологиялар үлкен сұранысқа ие болып отыр

Кіріспе

Қазіргі таңда нанотехнологиялар  үлкен сұранысқа ие болып отыр.

Нанотехнологиялардың  арқасында заманауи есептеуіш машиналар  мен өндірістік технологиялардың, тіпті, дәрі-дәрмектердің де өндіріліп жатқаны  баршамызға құпия емес. 

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. «Нанотехнология» деген сөзді өзіміздің қазақ тілінде түсіндіретін болсақ, «кішкентай өлшемді технология» дегенді білдіреді. Бұл жерде «нано» сөзі «миллиардтың бір бөлшегі» деген мағынаны береді. Қысқасы, кез келген заттың миллиардтан бір бөлшегі бастапқы тегінен ерекшеленді де, басқа физикалық қасиеттерге ие болады. Міне, осы заңдылық арқылы, яғни, материяның белгілі бір күйден екіншісіне өту кезіндегі өзгерістер арқылы өмірге, бұрын ешкімге белгісіз жаңа технология еніп жатыр. Қазіргі заманауи «сандық» технологиялармен үйлесімді жұмыс істейтін электронды құрылғылар – осы нанотехнологияның жемісі десек, қателесіп отырған жоқпыз. Бұған мысал ретінде байланыс саласындағы талшықты-оптикалық жүйелерді жатқызуға болады. Яғни, ешқандай сым-баусыз ақпараттарды бір нүктеден екінші нүктеге ауа ағынындағы талшықтарды өз еркіміз бойынша басқару арқылы оп-оңай жеткізе аламыз. Менделеев кестесіндегі көптеген химиялық элементтер нанотехнологияның әсерінен өзгерістерге ұшырап, басқа да бір қасиетке ие болып жатқаны осылайша анықталған болатын. Қысқасы, нанотехнология адамзат өміріндегі ең төңкерісті жаңалықтардың бірі болды десек, артық айтқандық емес. Ал оның бүгінгісінен болашағы әлдеқайда «жемісті». 

Нанотехнология  саласы енді ғана дамып келе жатқанымен, оның жемістері әскери, әуе және космонавтика салаларында баяғыдан бері қолданылып келеді. Бірақ, құпиялық жағдайға байланысты, бұл технология туралы ақпарат тек ғалымдар мен  әскер басшыларына ғана белгілі  болатын. Кейінгі кездерде алынған  нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру тб.) көптеп қолдану  мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде  көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп  жатыр.

Тақырыпты бастамас бұрын  ғылымның тарихына көз тастасақ, адамзат  қоғамында көптеген революциялық өзгерістердің  адамдардың көне идеяға жармасып, жаңа информацияны қабылдаудан бастарту қиындықтармен байланысты болғанын көрген болар едік. Солай батыс  өркениеті жүз жылдар бойы жерді  жазық деп келді. Бұл ақиқатқа жақын болмаса да, адамдардың карта  қолдануына және онымен бағытұстауына  кедергі болған жоқ. Галилейдің және басқа да ғалымдардың осы мәселе жөніндегі тұжырымдамалары оларға қымбатқа түсті. Соның ішінде Джордано Бруноны «діннен азған» деп, католик  шіркеуінің әмірімен отқа жақты. Сонымен  қоғамға бұл фактіні мойындау үшін 200 жылдай керек болды.

Солай 200 жыл бойы ең кішкентай  шама атом екендігіне ешкімнің күмәні болмады. XX ғасырда ғылым ең кішкентай  элементар бөлшектерді (электрон, протон, нейтрон) ашып, бұл барлық әлемнің  негізгі түсініктерін өзгертті. Барлық ғылымның негізінің негізі Аристотель постулаты - объект бір мезгілде «А»  немесе «А емес» болуы мүмкін емес дегенімен, ол жарықтың бірмезгілде  бөлшектер ағыны және толқын болатындығын түсіндіре алмады.

Ньютон механикасы әлемнің  барлық заңдылықтарын мінсіз түсіндіретін болғанды және салыстырмалы теорияның  тууына еш себеп жоқ еді. Бірақ  бұл теорияның ашылуы ғылымның түбірлі  өзгерісіне әкелді. Өзінің таңғаларлық  жұмысымен Энштейн Ньютон механикасынан  толығымен бас тартқан жоқ, ол тек заңның қолдану шегін көрсетті.

Бір сөзбен айтқанда «бәрі  ағады, бәрі өзгереді», енді міне, адамзат  тағы да біздің үш ұйықтасақ түсімізге  кірмеген жаңа революциялық төңкеріс пен технологиялық жаңалықтар табалдырығында тұрмыз. Болашақта өмір сүретіндер және оны жасайтындар, бүгін-ақ өзінің білімі мен өсуіне мән беріп, қолдаған шешімдеріне үлкен жауапкершілікпен қарау керек. Себебі XXI ғасырда білім  мен мамандық ерекше белсенділікке  ие. Біз оларға дайынбыз ба?

Соңғы уақытта салыстырмалы түрде жақында ғана пайда болған «нанотехнология» термині бәріне белгілі. Алайда, біздің өркениетімізге оның келешегі соншалықты күрделі екендігін біле отырып, әсіресе, жастар арасында нанотехнологияның  негізгі идеяларын кеңінен тарату керек. Жаңа ғылымның аты бәріне белгілі  технология (грек тілінен techne - өнер, шеберлік, Іоgos-ғылым) деген ұғымның алдына қосымша «нано» деген сөздің қосылғанын оңай байқауға болады. «Нано» қосымша (грек тілінен NANOY-қортық, гном) - жалпы  бір нәрсенің миллиардтан бір  бәлігін (10^-9) көрсетеді. Мысалы: нанометр- метрдің миллиардтан бір белігі. Салыстыру үшін, 1 нм шаштың қалыңдығынан 100 мың есе аз екендігін айтуға болады.

Нанотехнология - белгілі  атомдар мен молекулаларға манипуляция  жасай отырып, белгіленген атомдық  құрылымдық өнімдерді шығару әдістерінің  жиынтығы.

Нанотехнология сөзі жақында  ғана пайда болғанымен, наноөлшемді  құрылғылар мен құрылымдар жаңа емес. Негізінен олар жер қашаннан бері пайда болса сол кезден келе жатыр. Мысалы теңіз ұлуының қабыршағының беріктілігі соншалықты тіпті күштің әсерінен болған сызаттар оның ішкі жағына таралмайды.   Бұл ұлудың  қабыршағының наноқұрылымды кірпіштерден тұратындығымен түсіндіріледі және нанобелшектердің өте берік болатындығының табиғи дәлелі. Ұзақ уақыт бойы ғалымдар геккон деген кесірткенің тегіс беттерде, тік әйнектің бетінде, төбеде еркін жүретіндігін түсіндіре алмаған. Баста оның алақанында жабыстырғыштар бар деп ойлаған, бірақ кейін ондай ешнәрсенің жоқ екені белгілі болды. Бұл құбылыстың жұмбағы қоғамды таңқалдырды, себебі геккон қозғалыс кезінде молекулалық физика заңдарын қолданады ғой! Ғалымдар геккон алақанын микроскоппен зерттегенде, оның шаштың диаметрінен 10 есе кіші шаштардан тұратыны белгілі болды. Әр шаштың ұшында мыңдаған жастықшадан, ал әрбір жастықша жүздеген қылдан тұрады екен. Әрбір қылдың ұшы алақан тәрізді және диаметрі 200 нм екені белгілі болды. Геккон қозғалысында Ван дер Вальс күшімен (аз қашықтықтарда молекулалар тебіледі, ал үлкен қашықтықта тартылады) түсіндіруге болады.

Негізінен адамзат наноөлшемді  материалдарды қашан қолдана  бастағаны нақ анық емес, бірақ  біздің эрамызға дейін 4 ғасырда жасалған римдіктердің королы Ликургтің өлімін бейнелейтін алтын мен күміс  нанобөлшектерінен тұратын тостақанды айтуға болады. Осы күнге дейін  Британ мұражайында тұрған тостақанға жарық түсіргенде, жасылдан қанық  қызыл түске өзгереді екен.

Мұның барлығы наноөлшемді  материалдар технологиясының көне заманнан белгілі екенін көрсетеді.

1947 жылы транзистор пайда  бола бастағаннан жартылай өткізгішті  материалдар технологиясында кремний  құрылғыларының өлшемдері біртіндеп  кішірейе бастады. Бір жағынан,  оптикалық және магниттік есте  сақтау құрылғыларының жылдамдығы  артып, көлемі кішірейе бастады.  Қазіргі уақытта қатты оптикалық  және магниттік дискілердің тығыздығы  1 гигбайт\кв дюймге жетті. Асырмай  айтқанда, жартылай өткізгіш технологиясында  жарты ғасыр бойы үздіксіз  революция болып келе жатыр.

Алайда, жартылай өткізгіш құрылғылардың  өлшемдері 1 микронға (1мкм = 10⁶) жақындағанда, оларда кванттық механикалық қасиеттер, таңқаларлық физикалық құбылыстар (тунельдік эффект тәрізді) байқалады екен. 5-10 жылдан кейін кремний технологиясы осы темппен дамитын болса, физика заңымен анықталмайтын мәселелермен кездеседі деп батыл   айтуға   болады.   Осылайша,   ғылым   мен техниканың әрі қарай дамуы зертеушілерден жаңа жұмыс принципі мен технологияны талап етеді.

Мүндай революциялық алға шығу, жаңа өндіріс барысымен, материал және олардың негізіндегі құрылғылармен  қамтамасыз ететін нанотехнологияны қолданумен іске асады. Есептеулер, нанотехнологияны қолдану жартылай өткізгіш технологиясы құрылғыларының негізгі қасиеттерін 1000 есе артыратындығын көрсетеді. Бұл  информатика технологиясындағы  нағыз революция болады және XXI ғасырдағы  қоғамның әлеуметтік, экономикалық дамуына  үлкен әсер етеді.

Алайда, нанотехнологияны белгілі  оқшауланған аймақта дамиды деп  ойламау керек. Қазірдін өзінде нанотехнологияда ғылым мен техниканың басқа бағыттырында да маңызды нәтижелер алынған. Нанотехнологияның негізгі қолдану аясы: медицина, материалтану, информациялық технология, экология, энергетика, әскери техника, ауылшаруашылығы, космология, авиация, қоршаған ортаны қорғау, робот жасау техникасы, микроскопия, телекоммуникация, құрылыс, машина жасау, сұлулық индустриясы және тб.

Наномерлік өлшемге келгенде денелердің қасиеттері - электрөткізгіштік, оптикалық сыну коэффиценті, магнитттік қасиеттері, беріктілік, термотұрақтылық елеулі өзгереді. Жаңа қасиетті материалдар негізінде күн батареяларының жаңа түрлері, энергия түрлендіргіштер, экологиялық қауіпсіз өнімдер, жоғары сезгіштік биологиялық датчиктердің шығуы нанотехнологияның қолдану аясының кеңдігін көрсетеді.

Қазіргі кезде материалтануға нанотехнологияны енгізудің негізгі  проблемасы жаңа материалдарды алу  ғана емес, оларды өңдеу әдістері. Мысалы материалдың кристалдық түйірлерінің өлшемін 10 есе кішірейтетін болсақ, оның беріктілік қасиеті 3 есе жоғарлайды, ал ары қарай кішірейтсек шамадан  тыс пластикалық қасиетке ие материалмен соқтығысамыз. Нанотехнология жеңіл, жұқа, берік, қоршаған ортаға байланысты өздерінің қасиеттерін өзгертетін «ақылды» материалдар, өте жоғары және төмен температураға шыдамды космоста пайдаланатын материалдар шығаруға мүмкіндік береді. Күмістің иондарына қарағанда олардың нанобелшектері рак, спид вирустарымен 1000 есе белсенді күреседі екен.

Сонымен қатар нанотехнология көмегі мен атомдар мен молекулалардан экологиялықтаза өнімдерді өсіру арқылы экологиялық және энергетикалық кризис проблемасын шешуге болады.

Нанотехнологияның микроэлектроникада қолдануы 1см³-ке 10¹² транзистор енгізетін процессордың планарлы түрінен 30 технологиясына көштіреді. Оның көмегімен болашақта компьютер компоненттерінің елшемдерін әрі қарай азайту жоспарланып отыр.

1985 жылы Роберт Керл, Ричард  Смолли аяқ астынан кеміртегінің  жаңа байланысын - фуллеренді ашты. Кеміртегінің осы уақытқа дейін екі алотроптық түрі - алмаз және графит белгілі болса, фуллерен оның үшінші түрі деп айтуға болады. Фуллереннің қаңқасы футбол добына ұқсас, іші қуыс болып келеді. Оның осындай құрылысы оған басқа заттардың молкулалары мен атомдарын енгізіп, оларды қауіпсіз көшіруге болады.

1991  жылы профессор  Сумио Иидзима ұзын көміртекті  цилиндр-нанотрубканы баиқаған. Нанотрубка-диаметрі бірнеше нанометр, ал ұзындығы оншақты микрон болаты милиондаған кеміртегі атомынан тұратын молекула. Адамның шашының қалыңдығынан 100 мың есе аз нанотрубкалар сирек кездесетін ете берік материал болып шықты. Олар болаттан 50-100 есе берік, әрі тығыздығы алты есе аз. Нанотрубкалардан косманавттар, өрт сөндірушілерге арналған ыңғайлы киімдер тігу үшін, ете берік және жеңіл композиттік материал, микроскопқа зонд жасауға болады. Олар өзінің салмағынан бірнеше тонна артық жүкке шыдайды. Ғалымдар соңғы кезде нанотрубканың ішіне басқа дененің атомдарын енгізіп, олардың қасиеттерін (тіпті изоляторды өткізгішке) езгертуге болатындығын тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Микроприборларда оларды сым ретінде қолданса, таңқалатыны, бойымен тоқ жүргенде жылу белінбейді. Нанотрубкалар газды (әсіресе сутегі) сақтауға қауіпсіз материал. Автомобилдерге жанғыш элемент ретінде сутегіні пайдаланса, ол бензинге қарағанда экологиялықтаза элемент, алайда сутегі мелшері үлкен балонды қажет етеді. Ал машиналарға ауыр балондарды салу олардың жылдамдығын азайтатын еді. Мүмкін болашақта автомобилдерге сутегімен толған нанотрубкалар қолданатын шығар.

Нанотехнология жетістігінің мысалы ретінде ИБМ фирмасының лабораториясында алғаш Бихи мен Рорер жасаған сканирлейтін тунелді микроскопты (СТМ) айтуға болады. Бұл микроскоптың кемегімен алғаш алтын, сосын кремний бетінің атом деңгейіндегі суретін алған. СТМ-нің жұмыс органы тоқ еткізетін металдық ине тәрізді - зонд. Зонд зерттелетін үлгі бетіне ете жақын ара қашықтықта(Н"0,5 нм) қойылады, нәтижесінде зонд пен үлгі арасында беттің күйіне байланысты езгеріп отыратын тунелдік тоқ пайда болады. Осылайша, тунелдік тоқтың өзгеру шамасын өлшей отырып немесе керісінше оны тұрақты етіп (зондтың төмен жоғары қозғалта отырып) беттің сканирлеп, компьютерде оның суретін алуға болады. Бұл әдіс тек атомдық құрылымдарды зертеумен шектелмей, денелердің физикалық қаситеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Тіпті қазіргі СТМ жеке атомдарды алып, оларды жаңа орынға тасуға, атомдық жинақ жасауға мүмкіндік береді.

Нанотехнологияға кең қызығушылық үш маңызды жағдаймен байланысты:

■  Нанотехнология әдістері биотехнология, қоршаған ортаны қорғау, медицина және тб аймақтардың дамуына  маңызды жаңа құрылғылар мен материалдармен қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

■   Нанотехнология - физика, химия, материалтану, биология, медицина, технология, жер туралы ғылым, компьютер  технология, экология, социология пәндерін біріктіретін бағыт.

■   Нанотехнология проблемасының  шешімі ғылыми инженерлік бірлестігінің  осы бағытқа назар аударуына  әсер етіп, технологиялық және фундаменталдық білімдегі бос орындарды толтыруға мүмкіндік береді.