Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері

Мазмұны

 

Кіріспе                                                                                                                     4

 

1. Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері

1. 1. Зондылы сканерлеуші микроскоп (ЗСМ)                                                    6

1. 2. Нанобөлшектер                                                                                              9

1. 3. Жаңа жетістіктері                                                                                          12

2. Даму мен болашақтағы мәселелері

2. 1. Нанотехнология әр ғылым саласында                                                         16

2. 2. Нанотехнологияның Қазақстан мен шет елдерде дамуы                          18

 

 

Қорытынды                                                                                                            25

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі                                                                        27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        

 

 

 

 

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[1].

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[2].

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.

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[3].

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.

Зерттеу тақырыбының мақсаты: нанотехнология аймағындағы физикалық процестердің ерекшеліктерін зерттеу, сонымен қатар олардың адамзатқа ықпалын және таяу болашақта қолданысқа енетініне көзді жеткізу болып табылады.

Зерттеу нысаны -нанотехнология.

Зерттеу тақырыбының міндеттері:

- нанотехнология даму тарихын қарастыру;

- нанотехнология жайлы жан-жақты толық қамту;

Құрылымы: кіріспеден, екі бөлімнен, қорытындыдан, пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері

 

 

1.1. Зондылы сканерлеуші микроскоп (ЗСМ)

 

 

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[4].

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[5].

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[6].

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[7].

Нанотехнологияның даму тарихы

Әуестену, еліктеу, қиялға берілу секілді адами қалыптардың бірте-бірте  ел сенгісіз жаңалықтарға бастайтыны әлмисақтан белгілі. Аңыз-ертегілердегі аспанға ұшатын ағаш ат пен кілем, желаяқ етіктер, аста-төк дастархан, қияндағыны көз алдыңа алып келетін қол айна секілділер шындыққа айналып, дәл қазір "көне дүниелер" санала бастады. Нанотехнология да өмірге осындай қиял мен әуестік нәтижесінде келген еді. 1986жылы студент Эрик Дрекслер өзінің "Жасампаз машина" аталатын футуристік эссесінде тұңгыш рет молекулярлы технология атауын қолданады. Ол фантаст-жазушы Станислав Лемнің идеяларына өз қиял-болжамдарын қосақтай отырып, "Саналы тіршілік ортасының" жалпы бет-бейнесін жасап шығады. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар әрбір заттың, әрбір адам ағзасының ішіне енгізіледі де, адамзат қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы компьютерге айналады. Мұндай идея Эссе Дрекслерден бұрынырақ пайда болған көрінеді. 1981 жылы ІВМ корпорациясының швейцариялық филиалындағы екі инженер, Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер мәнерлеп туннельдеуші микроскоп ойлап тауыпты.

Микроскоптың құрылымы аса  қарапайым: шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады. Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нәтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оның көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Осылайша материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды "ажыратуға" мүмкіндік туады.

Бұл ғылымның пайда болуын 1959 жылы Нобель сыйлығының лауреаты, АҚШ физигі Фейнманның жеке атомдарды манипулятор көмегімен қозғалту мүмкіндіктері туралы жасаған баяндамасымен байланыстырады. Нанотехнология терминін қолданысқа алғаш рет 1974 жылы жапон физигі Норио Танигути енгізген. Макроскопиялық заңдылықтарға сүйенетін басқа инженер ғылымдардан нанотехнологияның негізгі ерекшелігі, нанонысандар үшін кванттық және молекулааралық өзара әсерлесуінің күшті болуына байланысты. Нанотехнология саласындағы зерттеулер қазірдің өзінде практикалық маңызы зор нәтижелер беруде[8].

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.