Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері

Мазмұны

 

Кіріспе

 

І. Нанотехнологияның  даму тарихы және оның жетістіктері

 

1.1.Зондылы сканерлеуші  микроскоп (ЗСМ)

 

1.2.Нанобөлшектер

 

1.3. Жаңа жетістіктері

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ. Даму мен  болашақтағы мәселелері

 

2.1. Нанотехнология  және химия

 

2.2. Медицина және биология

 

2.3. Ғарышты игеру.  Ақпараттық және әскери технологиялар.

 

2.4. Нанотехнологияның  Қазақстанда дамуы

 

2.5. Шет елдерде  нанотехнологияның дамуы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІІ. Қорытынды

 

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Кіріспе

         1974 жылы «Нанотехнология» терминін ең алғаш жапондық ғалым Нарио Танигучи ұсынған болатын. Жеке атомдардың манипуляциясы көмегімен жаңа объектілер және материалдар жасауға болатынын жариялады. Нанометр – бір метрдің бір миллиард бөлшегі (10^-9).

Тіршілікпен қоғам  пайда болғаннан бастап, адамзат  өзінің өмірін жақсартуға, жеделдетуге тырысты. Алғашқы қауымдық құрылыс кезінде олар түрлі еңбек құралдарды пайдалана білді, уақыт өте келе адамзатқа пайдасы келетін жан-жануарларды қолға үйретті.

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?

Жылдар өтті, заман өзгеріп отырды, үздіксіз дамып отырды, заманға қарай адамдардың қажеттіліктері де өзгеріп отырды Қазіргі таңда біздің көпшілігіміз күнделікті өмірімізді ғылыми жетістіктерсіз, техникасыз медицинасыз елестете алмаймыз. Ал ендігі дамудың жоғарғы, шырқау шегі ол «нанотехнология», өте-өте кіші көлемдегі және адамдар командасын орындауға қабілетті жүйе.

Қазіргі техникалық прогресс бұрынғыдан тиімді, әрі жылдам, көлем жағынан шағын машиналар жасауға бағытталған. Мұндай машиналардың соңғы шегін көлемі молекулалардай деп санасақ болады. Машиналар ковалентті байланыспен байланысқан атомдардан құралған, ол өте мықты, тез, әрі шағын, мұндай машиналарды жасаумен және басқарумен молекулалық нанотехнология айналысуда.

Мен нанотехнология аймағында  жарық көрген мақалалар мен теориялық  материалдарды қарап шығып, зерттедім  яғни әдебиеттік шолу жасадым. Бұл тақырып  мені өзінің адамзат өмірін мүлде  жаңа бір сатыға көтере алатын мүмкіндіктерімен қызықтырды. Менің теориялық ізденістерімнің мақсаты нанотехнология аймағындағы физикалық процестердің ерекшеліктерін зерттеу, сонымен қатар олардың адамзатқа ықпалын және таяу болашақта қолданысқа енетініне көзімді жеткізу болып табылады.

 

 

 

 

 

І. Нанотехнологияның  даму тарихы және оның жетістіктері

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.

Нанотехнология – ықшамды машиналар, материалдар, әр түрлі құрылғылар мен техникалық жүйе жасауға мүмкіншілік береді, олардың көлемдік фрагменті 1-100 км болады. «Нанос» сөзі грек тілінен аударғанда «жан» деген мағына береді. Бөлшектердің көлемі 100-10 км дейін кішірейтілгенде, оның материалдық (механикалық, катализдік т.с.с.) қасиеттері өзгереді.

Қазіргі таңда  наноғылым термині ғылымда атомдар  мен молекулалар деңгейінде қолданыста. Наноғылым нанотехнологияның алғашқы бастамасы, негізгі деп қарастыруымызға болады, бірақ нанотехнологияның өнімін алып оның жемісін көруге біраз уақыт керек тәрізді. Наноғылымның да мақсаты дайын өнім алу болып табылады. Дәстүрлі технологиялардан нанотехнологияның айырмашылығы мен ерекшегі дәлдігі, шығынды яғни ықшамдығы мен тәжірибесі мен қателіктерінде.

 

Нанотехнологияның даму тарихы

1905 жылы Швед  ғалымы Альберт Эйнштейн өзінің  ғылыми мақаласын жарыққа шығарды,  жарияланған мақалада қанттың  молекуласы шамамен 1 нанометрге тең екенін дәлелдеген еді.

1931 жылы Неміс  физиктері Макс Кнолл және Эрнест Руско электронды микроскоп жасады, микроскоп арқылы алғаш нанообъектілерді бақылауға мүмкіндік алды.

1959 жылы Американдық  физик Ричард Сейнман америкалық физиктер қоғамының жылдың мәжілісінде алғаш нанотехнология жайында лекция оқыған болатын, лекция «Полко игрушек на полу комнату» яғни бөлме еденіндегі тола ойыншықтар деп аталған. Ол басты назарды физикалық электроникаға, информатика мен машина өндірісдегі проблемаға қаратты. Бұл жұмысты көптеген ғалымдар нанотехнологияның негізі деп санады, бірақ бұл лекцияның кей бөлемдері физика заңдарына қарама-қайшы келді.

1968 жылы американдық Bell компаниясының ғылыми қызметкері Альфред Чо және Джон Артур нанотехнологияның негізін теориялық тұрғыда жасап шықты.

1974 жылы жапондық  физик Нре Танигучи Токиода  өткен халықаралық өнім өндірушілер  конференциясында ғылымға «нанотехнология»  терминін енгізді. Танигучи бұл  ұғымды дәлдікпен өңдеуде қолдануды  ұсынды, бір микроннан кіші емес  механизмдерді атауды ұсынды, механикалық өнімдерден басқа ультрадыбысты айтуға болатынын айтты.

1982 жылы неміс  физиктері Герд Биннит пен  Генрих Рорер нанометрлерді зерттейтін  жаңа арнайы микроскоп жасап  шығарды. Ол микроскопқа ЗСМ  (зондылы сканерлеуші микроскоп) деген атау берді. Бұл елеулі жаңалық нанотезнологияның дамуында үлкен роль арқарды, себебі бұл микроскоп жәрдемінде алғаш жеке атомдарды зерттеуге мүмкіншілік алдық.

1985 жылы американдық  физиктер Роберт Керл және  Херальд Крото мен Ричард Смэйли  заттарды, диаметрлер мен бір нанометрді дәл өлшей алатын нехнологияны, техниканы жасап шықты.

1986 жылы «нанотехнология»  термині көпшілікке мәлім болды.  Оның мүмкіндіктері баршаны таңқалдырды.  Американдық футуролог Эрк Дрекслер, молекулалық нанотехнологияның  пионері өз кітабын жарыққа шығарды, онда ол болашақты болжады. Нанотехнологияның келешекте қарқынды дамитынын атап айтып, нанометрлі молекуланы синтездеу арқылы үлкен молекуланы жасауға болатынын, бірақ нанотехнологияның алдында тұрған мәселелермен техникалық кедергілерді тоқтап өткен болатын.

1989 жылы IBM компаниясының қызметкері Джнольд Эйглер өз фирмасының атын нанон атымдарынан жасатпақ болды.

1998 жылы голландиялық  физик Сеез Деккер нанотехнология  әдісімен транзистор жасады.

1999 жылы американдық  физиктер Джеймс Тур және Марк Рид жеке молекулаларда молекулалық тізбек сияқты қасиет көрсететін анықтады.

2000 жылы АҚШ-та  нанотехнология мемлекеттік қолдау  тапты. АҚШ федералдық бюджеттен  500 миллион доллар бөлінді.

2001 жылы Марк  Ратнер нанотехнология тек 2001 жылы ғана адамзат өмірінің бір бөлігіне айналды деп санады. Сол жылдары маңызды екі оқиға болып өтті: ғылыми «Science» журналы нанотехнологияны – «жыл жетістігі» деп бағалады. Жетекші бизнес журналдардың бірі Forbes – «жаңа көп мақсатты ойлар» атты мақалалар жариялады. Сонымен қатар нанотехнологияға «жаңа өндірістік революция» деген анықтама берді. Германий мен цирконидің қос оксидінен жұқа наноқұрылымды материалдан жасалған пленка алынды, ол технология Томск қаласындағы Ресей мемлекеттік университетінде жасалды, химиялық жоғары, термиялық тұрақты қасиеттерге ие, ол пленканың қалыңдығы 60-90 км және 20-50 км құрайды. Алынған материалды түрлі затты қаптауға арналған.

Ізденіс жұмыстары Каразин атындағы Ұлттық университетінде де жүргізілуде. Онда металл және құйме пленкаларын (1,5-100 км) вакумдағы конденция, электрлі микроскоп (ЗСМ), электронография арқылы зерттелуде. Онда Н.Т.Гладких; А.П.Крышталь; С.И.Богатыренко сынды топ мүшелері ізденіс жүргізуде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.Зондылы сканерлеуші  микроскоп (ЗСМ)

Атомдарды көруге, бар екенін білу үшім қымбат электронды микроскоп бар. Мың рет естігеннен бір рет көрген абзал демекші, атомдарды қолмен ұстап көру үшін яғни жанама пікірде зондылы сканерлеуші микроскоп бар. Зонд – бұл микроскопиялық, өте сезімтал атомдарды сканерлейтін зат. Сонымен қатар зонд атомдарды физикалық қозғалысқа келтіреді.

Алғаш зондылы  сканерлеуші микроскопты 1982 жылы Г.Бинниган мен Г.Рорер IBM компаниясының қызметкерлері жасап шыққан болатын. Бірақ ол микроскоп өте сезімтал болмады. 1986 жылы «тункельді сканерлеуші микроскоп» (ТСМ) жасағаны үшін Бикинг пен Рорер Нобель сыйлығының иегері атанды. Кейінрек «Күшті атомды микроскоп» (КАМ) айналамызды, қоршаған ортаны тереңрек зерттеуге мүмкіндік берді. Зондылы микроскоп қазіргі таңда рельектерді, құрылымдық құрамын, атомдар мен молекулаларды араластыруға мүмкіндік береді. Соңғы онжылдықта заңдылы микроскоп арқылы химия, физика және биология ғылымдарының қолданыс аяғы кеңейді. IBM компаниясы неон атомдарын никелдің монокристалымен қаптап компанияның атын яғни үш әрпін жасады, әріпті жасау үшін неонның 35 атомы жұмсалды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Нанобөлшектер

Қазіргі ғылым  егер заттың өте бір кіші бөлшегін алсақ мүлде басқа қасиет көрсететін дәлелдеді. 1-100 дейінгі бөлшектерді  негізінен «нанобөлшектер» деп  атайды. Кейбір нанобөлшектер өте жақсы катализдік және адсорбциялы қасиет көрсететді. Өзге материалдар керемет оптикалық қасиет көрсетеді, мысалы органикалық заттардан күннен қуат алатын батарейкалар жасалған. Ол батарейалар бірнеше есе арзан, механикалық тиімді. Жасанды нанобөлшектермен табиғи объектілерді ба – ақуыздарға нуклейн қышқылдарына тағы басқаларға қосады. Ұқыпты тазаланған нанобөлшектер өздігінен құрылым жасайды. Мұндай құрылым нанобөлшектерді реттеп және өзге мүлде басқа жаңа қасиет көрсетеді.

Нанотехнологияның алдында тұрған ең үлкен кедергі ол нанобөлшектерді қалай бір-бірінен бөліп, тәртіппен молекулалық топтарға біріктіру болып тұр. Бұл мәселемен химияның бір бөлімі – супрамолекулалық химия айналысады. Ол жеке молекулаларды емес, молекулалардың әрекеттесуін, анықталған әдіспен жаңа зат беретінді зерттейді.