Нанотехнологияның негізгі жетістіктері, нономатериалдардың дамуының проблемалары және мүмкіндіктері. Физика, 11 сынып, проезентация.

Нанотехнологияның негізгі жетістіктері, нанометериалдардың дамуының проблемалары және мүмкіндіктері

Оқу мақсаты:

Нанотехнология – кеңістіктің нанометрлік аймағындағы жеке атомдарға, молекулаларға, молекулалық жүйелерге әсер ету арқылы жаңа физика-химиялық қасиеттері бар молекулалар, наноқұрылымдар, наноқұрылғылар мен материалдар алу мүмкіндіктерін зерттейтін қолданбалы ғылым. Нанометр дегеніміз бір метрдің миллиардтан бір бөлігі (1 нанометр=10-9 метр). Көзге көрінбейтін аса ұсақ бөлшектерді ретке келтіре отырып, соның ерекшеліктерін алдын ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды құрастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайластыра орналастырады.

«Нанотехнология» деген сөзді өзіміздің қазақ тілінде түсіндіретін болсақ, «кішкентай өлшемді технология» дегенді білдіреді. Бұл жерде «нано» сөзі «миллиардтың бір бөлшегі» деген мағынаны береді. Қазіргі таңда нанотехнологиялар үлкен сұранысқа ие болып отыр. Нанотехнологиялардың арқасында заманауи есептеуіш машиналар мен өндірістік технологиялардың, тіпті дәрі-дәрмектердің де өндіріліп жатыр.

Наноматериалдар жеңіл, жұқа, берік, қоршаған ортаға байланысты өздерінің қасиеттерін өзгертетін «ақылды» материалдар, өте жоғары және төмен температураға шыдамды және космоста пайдаланылады.

Нанодеңгейге жататын заттарды анықтау келесі шарттардан тұрады:

Қолданылуы:

Нано бөлшектердің ерекшеліктері:

Наноматериалдарды қолданудағы шектеулер. Наноқұрылымды конструкциялық материалдарды қолданудағы маңызды шектеу олардың дәнек шекараларының көлемдік үлесінің үлкен болуынан коррозияға( беттегі атомдардың және дәнек шекаралары бойынша атомдар диффузиясы, коррозиялық әсерлермен үйлесімділіктегі жоғары температуралар, радиация, дәнек шекаралары бойынша химиялық құрамның өзгерістерге бейімділігі құйма құрамы) бейімділігі болып табылады. Осыған байланысты олар осындай коррозия жағдайында ( беттен және дәнек шекаралары бойынша атомдардың диффузиясы, коррозиялық әсерлермен жоғары температуралардың бірігуі, дәнек шекарасы бойынша химиялық құрамның өзгерістеріне қабілетті құйма құрамы және т.б.) жұмыс істеуге жарамсыз болып табылады. Басқа маңызды шектеу наноматериалдар құрылымының орнықсыздығы, осылайша олардың қасиеттерінің орнықсыздығы болып табылады.

«Scientifus Ameriсa» журналының болжамына сүйенсек, таяу арада көлемі пошта маркасына тең медициналық құрылғы жасалады екен. Соны жарақат алған жерге қойса жеткілікті, ол қанның құрамын, қандай дәрі қажет екенін анықтап, сол дәрі-дәрмекті қанның құрамына өзі жібереді. 2025 жылы дайын атомнан кез келген затты құрастыруға қабілетті алғашқы нанороботтар жасалмақшы. Ауыл шаруашылығында да айтарлықтай өзгерістер болады: нанороботтар өсімдіктер мен жануарларды алмастырып, азық-түлік өндіретін дәрежеге қол жеткізеді. Осыған сәйкес экологиялық жағдай да жақсара түседі. Өнеркәсіптің жаңа түрлері болашақта қалдық заттар шығармай, оның есесіне нанороботтар ескі қалдықтарды жояды. Тәжірибе барысында анықталғандай, тоннельдеуші микроскоптың бұрынғыларға қарағанда біршама артықшылықтары бар екен. Соның көмегімен жекелеген атомдарды «көруді» былай қойғанда, соларға әсер ету арқылы кез келген кернеуді өзгертуге де мүмкіндік туады: қарапайым тілмен айтсақ, тоннельдеуші микроскоптың көмегімен атомды «іліп» алуға және қажетті жеріне қондыруға болады. Физиктердің атомдарды өз қалауынша орналастыруға теориялық мүмкіндіктері пайда болады, яғни соларды кірпіш секілді қалай отырып, кез-келген затты жасап шығуға мүмкіндіктері мол.

Нанотехнология жетістігінің мысалы ретінде IBM IBM фирмасы (мұндай бет жоқ)фирмасыныңIBM фирмасы (мұндай бет жоқ) лабораториясында алғаш БихиБихи (мұндай бет жоқ) мен РорерРорер (мұндай бет жоқ) жасаған сканерлейтінСканерлейтін тунелді микроскоп (мұндай бет жоқ) Сканерлейтін тунелді микроскоп (мұндай бет жоқ)тунелдіСканерлейтін тунелді микроскоп (мұндай бет жоқ) Сканерлейтін тунелді микроскоп (мұндай бет жоқ)микроскоптыСканерлейтін тунелді микроскоп (мұндай бет жоқ) (СТМ) айтуға болады. Бұл микроскоптың көмегімен алғаш алтынАлтын, сосын кремнийКремний бетінің атом деңгейіндегі суретін алған. Сканерлейтін тунелді микроскоптің жұмыс органы тоқ еткізетін металдық ине тәрізді - зондЗонд. Зонд зерттелетін үлгі бетіне ете жақын ара қашықтықта (Н"0,5 нм) қойылады, нәтижесінде зонд пен үлгі арасында беттің күйіне байланысты езгеріп отыратын тунелдікТунелдік ток (мұндай бет жоқ) токТунелдік ток (мұндай бет жоқ) пайда болады. Осылайша, тунелдік тоқтың өзгеру шамасын өлшей отырып немесе керісінше оны тұрақты етіп (зондтың төмен жоғары қозғалта отырып) беттің сканерлеп, компьютерде оның суретін алуға болады. Бұл әдіс тек атомдық құрылымдарды зертеумен шектелмей, денелердің физикалық қаситеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Тіпті қазіргі сканерлейтін тунелді микроскопты жеке атомдарды алып, оларды жаңа орынға тасуға, атомдық жинақ жасауға мүмкіндік береді.

Қазақстан ғалымдары белгілі атомдардың, мысалы кремний немесе көміртек атомдарының құрылымдарын өзгертумен де айналысып, олардың негізінде наноматериалдардың жаңа түрлерін алуда. Мысалы, Жану проблемасы институт ғалымдары көміртек атомынан нанотүтікшелер мен фуллеренді және көміртек атомының сандық құрамын өзгерту арқылы химиялық жолмен тоқ, энергия көзін алумен айналысуда. Алмаз кластерімен де цирконий диоксиді негізінде көптүтікті борпылдақ керамика плазмохимиялық әдістен алу жұмыстары ғылыми ізденіс жұмыстары өзінің жалғасын табуда. Мысалы, көміртек наноталшықтары метанды катализдік пиролиз әдісімен ыдырату арқылы алынды.

Егер қандай да бір заттың көлемінің бір, екі немесе үш координаттарына азайған кезде ауқымдағы мөлшерге дейін нанометрдің жаңа сапасы туындайды, бұл сапа осындай объектілердің композициясынан туындайды, онда бұл туындыны наноматериалдарға жатқызуға болады, ал оларды алу және одан әрі олармен жұмыс істеу технологияларын – нанотехнологияларға жатқызады.

Талдау жүргізілген соңғы жылдары отандық және шетелдік зерттеулер көрсеткендей конструкциялық материалдар әзірлеу саласындағы мынадай негізгі бағыттарындың жоғары перспективалылығы бар:

Көп назарды арнайы механикалық қасиеттері бар композициялық наноматериалдарды құруға аударады:

Физикалық әдіс. Физикалық синтездеу газфазалық, механохимиялық секілді әдістер, яғни көп жағадайда жоғарыдан төмен синездеу қолданылады. Бұл әдістер көр энергия жұмсалуын қажет етеді. Газфазалық әдіс негізінен леаитационды-ағынды генераторда жүргізіледі. Бұл әдісте темірдің тамшысын инертті ортада буландырып, бірден қайта суыту арқылы металдың нанобөлшектерін алады, ал алынған нанобөлшектерді фильтр аркылы бөліп алып, контейнерге жинайды. Бұл әдіспен алынған нанобөлшектер полидисперсті болады және оның өлшемі газдың, қысымның, салқындату жағдайына және инертті газға байланысты өзгеріп отырады. Бөлшектер 20-100нм аралығында жатады.

Қалыптастырушы бағалау

Рефлексия