Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері

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[9].

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[10].

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.

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[11].

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[12].

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[13].

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[14].

Агломераттардың түзілу мәселесі. Темір кентасына марганецті қосып күйдіріп кесектелген концентрат темір - марганец. Агломератты, ал құрамындағы СаО мен МgO қосындылары SіO2 мен Al2O3 қосындысына бір-бірімен тең болған шихтадан жасалған темір, кентасты агломерат не өзі ерігіш агломерат делінеді. Сол сияқты бессемер және шаңды агломерат бар. Агломераттың 95%-тен астамы қара металлургияда, түсті металлургияның алюминий, никель, қорғасын, мыс өндірістерінде пайдаланылады.

Агломерат - мейлінше ірі де үшкір кесектерден (көлденеңі 30-2000 мм) тұратын борпылдақ, босаң жанартаулық таужыныстар. Таужыныстардың түзілу орнына орай агломераттар көмей агломераттары (жанартау көмейіне шоғырланған кесектер) және қожды агломераттар (жанартау жапсарындағы қож тәрізді кеуек кесектер) болып бөлінеді[15].

 Нанобөлшектер бір-біріне жапсарласу арқылы агломерактар түзеді. Нанобөлшектерді біз керамика, металлургия саласында пайдаланамыз, сондықтан бұл мәсеклеі міндетті түрді шешімін табуымыз керек. Бұл мәселені шешудің бір тәсілі суға ерімейтін дисперсантты заттарды пайдалану. Оны нанобөлшектер қоршаған ортаға қосуға болады.

 ІВМ корпорациясының зерттеушілері Цюрих политехникалық институтының ғалымдарымен бірлесіп нанобөлшектер көмегімен жаңа – тиімді және өте нақты – баспа технологиясын көрсетті. Бұл технология болашақ оптикалық чиптердің, сондай-ақ наносымдардың ішкі жарық ағымының ауытқуы үшін нанометрлік өлшемдегі биоқадағалар мен линзалар құруды жылдамдатады, ол перспективалық компьютерлік микронобайлар үшін негіз болып тұрар еді[16].

Тиісті хабарлама Nature Nanotechnology журналының қыркүйектегі шығарылымында  жарияланған болатын. Бұл көп  уәде беретін технология биомедицинаны, электрониканы және АТ-технологияларды  қоса алғанда қолдану және салалардың мүлдем әртүрлі салалары үшін жаңа қуатты құралды ұсынуға қабілетті - ол нанобөлшектер деп аталатын көбінесе бірегей сипаттарды пайдалану  әдістеріне мұқтаж, яғни 100 нанометрлерден кем емес өлшемдерімен бөлшектер.

Осы уақытқа дейін микрообъектілерді  даярлаудың барлық стандарттық технологиялары барлығы бәсең қағидатта негізделген  болатын, яғни мұндай объектілер іс жүзінде оларды өте ірі фрагментерден кесіп алу арқылы құрылды. Көрсетілген технологиялардан ерекшелігі басып шығару үдерісінде мақсатты беттің нобайлы бейнесіне ендігі дайын нанобөлшектер салынады. Мұндай технология әлдеқайда тиімді, бұдан басқа ол металдар, полимерлер, жартылай өткізгіштер және тотықтар сияқты әркелкі материалдардың қиысуын оңайлатады[17].

Алғаш рет әлемде зерттеушілер 60 нанометр диаметрі – шамамен адамзат  эритроцитінен 100 есе кем бөлшекті пайдаланды – және бір бөлшекке рұқсатымен растрлық бейнені басып  шығара алады, бұл перспективада  қарапайым сызықтан күрделі нобайға  дейінгі диапазонда әртүрлі наноқалыптарды құруға мүмкіндік береді. Осы рұқсатты «дюймге нүктелер санын» - анықтайтын стандарттық көрсеткішіне ауыстырған кезде, белгілі бір салаға бояғыштың  қанша бөлек дақтары басылып шығуы мүмкін - дюймге 10000 нүкте мәні алынады, офсеттік басып шығарудың қарапайым әдістер бүгінде дюймге едәуір 1500 нүктелер ауқымымен операциялайды[18].

Жаңа әдістің тиімділігі мен әмбебаптығын көрсету ретінде  зерттеушілер XVII ғасырда Роберт Флуддпен (Robert Fludd) әзірленген алтынның алхимиялық нышанын – Күннің өте әйгілі бейнесін басып шығарды. Бұл бейненің әбден  тиісті жағдайы диаметрі әрбірі 60 нм жуық 20000 жекелеген алтын нанобөлшектерден тұрады. Баспаның жаңа технологиясы бір бөлшегіне дейінгі дәл әрбір бейне нүктесіне бояғыш жағуды қамтамасыз етті, бұл баспа ісінің барлық тарихында ең кішкентай монохромдық иллюстрациясын құруға мүмкіндік берді[19].

Фуллерендер аккумуляторлық батареяларды шығаруға қолданылуда. Оның өз «ағайындарынан» айырмашылығы — сыйымдылығы бес есе көп, салмағы өте аз, жоғары экологиялық сапасы мен санитарлық қауіпсіздігінде. Батареяның бұл түрін жеке компьютерлер мен дыбыс аппараттарының қоректену көзіне пайдаланады. Бірақ, оны жүзеге асыру оңай шаруа емес. Өйткені, америкалық «Carbon Nanotechnologies» тәулігіне 0,5-1 кг ғана нанотүтікше жасап шығара алады. Бұл ретте Жапония да белгілі бір мөлшерде табысқа жетті. Мұнда жылына 400 кг фуллерен шығаратын тәжірибе зауыты салынуда. Сонымен бірге, осы елде жылына 120 тонна нанотүтікше шығаратын зауытта іске қосылуда.

1991 жылы профессор Сумио Иидзима ұзын көміртекті цилиндр-нанотүтікшені байқаған. Нанотүтікше диаметрі бірнеше нанометр, ал ұзындығы оншақты микрон болаты милиондаған көміртегі атомынан тұратын молекула. Адамның шашының қалыңдығынан 100 мың есе аз нанотүтікшелер сирек кездесетін ете берік материал болып шықты. Олар болаттан 50-100 есе берік, әрі тығыздығы алты есе аз. Нанотүтікшелерден косманавтар, 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 нанотүтікшенің ішіне басқа дененің атомдарын енгізіп, олардың қасиеттерін (тіпті изоляторды өткізгішке) өзгертуге болатындығын тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Микроприборларда оларды сым ретінде қолданса, таңқалатыны, бойымен тоқ жүргенде жылу бөлінбейді. Нанотүтікшелер газды (әсіресе сутегі) сақтауға қауіпсіз материал. Автомобилдерге жанғыш элемент ретінде сутегіні пайдаланса, ол бензинге қарағанда экологиялық таза элемент, алайда сутегі мелшері үлкен баллонды қажет етеді. Ал машиналарға ауыр баллондарды салу олардың жылдамдығын азайтатын еді. Мүмкін болашақта автомобилдерге сутегімен толған қолданатын шығар[20].

Нанотехнология жетістігінің мысалы ретінде IBM фирмасының лабораториясында алғаш Били мен Рорер жасаған сканерлейтін тунелді микроскопты (СТМ) айтуға болады. Бұл микроскоптың көмегімен алғаш алтын, сосын кремний бетінің атом деңгейіндегі суретін алған. Сканерлейтін тунелді микроскоптің 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 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.

1.3. Жаңа жетістіктері

Қазіргі таңда нанометериалдар  сақтандырғыш пленкалар, спорттық құралдар, транзисторлар, жарық өткізгіш диодтар, жылу элементтерінде, азық-түлік өндірісі мен медицинада, дәрі-дәрмек жасауда, бояғыш заттар мен киім, опа-далап өндіруде қолданалады. 2002 жылы David Cup кубогінде алғаш нанотехнология жолымен жасалған допты пайдаланды. 2007 жылы Новосибирск қаласында таронболиттік дәрі өндіріле бастады. Оныңбағасы бұрынғыдан әлденеше есе арзан болады.

Өндірушілер осы бастан-ақ наноқұрылымдарға тапсырыстар қабылдауда. Мәселен АҚШ әскери бөлімі Friction Free Technologies компаниясына келешекте әскери формасына тапсырыс берді. Компания нанотехнология әдісімен шұлық шығару керек, оның кереметтілігі ол өзінен тері шығарып, сонымен бірге аяқты  жылы ұстап, шұлық құрғақ қалпында сақталу  керек.

Жаңа Intel процессоры. 2007 жылдың 19-маусымынан бастап Intel компаниясы қарапайым  нолядерлі процессорлар шығаруда, оның құрылымдық құрамындағы элементтер 45 км.көлемді алады. Келешекте компания құрылымдық жағынан элементтерді 5 км жеткізуді жоспарлап отыр. Intel еі басты бәсекелесі АМD, 2008 жылдың екінші жартысында 45 км тех.процессті процессор шығаруға қол жеткізді.

2005 жылдың 9-ақпанында Бостон  университетінің лабораториясында  антенн-асцилятор алынды, оның көлемі 1 мкм, ол 5 млиллиард атомнан құралған, тазалығы 1,49 гигагерц. Ол үлкен көлемді  ақпараттар алуға мүмкіндік береді.

Наноаккумулятор. 2005 жылдың басында  Altair Nanotechnologies  (АҚШ) жаңа инновациялық материал әзірлегенін  мәлімдеді. Аккумулятор ерекше электродтармен 10-15 минут арядта болады. Ал 2006 жылдан бастап компания мұндай аккумуляторларды Индианадағы зауыттарында өндіруді қолға алып отыр.

ДНҚ-машиналары нанороботтарға жол ашады. ДНҚ молекуласының  негізінде периодты құрылым он жыл  алдын пайда болған. Ғалымдар ендіні ДНҚ- механикалық машиналар жасамақ. Наноробот жасаудағы алғашқы  қадамды Нэда Симэна жасап үлгерді. Оның басшылығында нанороботтың қолы ДНҚ молекуласының негізінде  жасалды.

Нанороботтағы алғашқы микросхема. Американдық ғалымдар IBM қызметкерлері  дүние жүзінде бірінші рет  жартылай функционалды интегралды микросхема жасады. Ол алдағы микросхемалардан 100 мың есе тазалықта жұмыс атқарады[21].

Бір молекулалы транзистор. Транзистор көлемі 45 км. Жаңа транзистор QuIET бір нанометр ұзындықта ғана. Мұндай жетістікке әлі қол жете қоймаған еді.

2008 жылдан бастар көзге  көрінбейтін дисплейлер пайда  болды. «Көрінбейтін» электроника  жасау бұрыннан келе жатқан  арман болатын, ал бүгінгі күні  ол орындалды.

Адамзат қоғамынын ұзақ даму тарихында шаруашылықтың ұдайы алға басып, жетілдірілуіне ғылым мен техниканың өркендеуі себепші болып келеді. XX ғасырдың екінші жартысында ғылыми-техникалық үрдіс аса жедел қарқынмен дамып, дүниежүзінің көптеген елдері мен шаруашылық салаларын қамтыды. Ғалымдар ғылыми тeхникалық революция (FTP) деп атаған бұл құбылыс қысқа уақыт аралығында қоғамның өндіргіш күштерін сапалық жағынан түбегешті өзгерткен "секіріс" ретінде бағаланды. Ол адамзат тарихында ғылым мен техника пайда болғаннан бері өндіргіш күштерді ұдайы жетілдіруге себепші болған ғылыми-техникалық прогрестен айырмашылық жасайды. Сонымен ғылыми-техникалық революция дегеніміз - белгілі бір уақыт аралығында дамудың жаңа сатысына көтерілуге себепші болған сапалық өзгерістердің жедел қарқынмен жүруі. Дүниежүзі аймақтары мен елдерінде FTP дамуы түрліше деңгейде өтуде. Жоғары дамыған елдерде XX ғасырдың 80 - 90-жылдарынан бастап, ҒТР-дың дәстүрлі үлгісінен басқа қазіргі заманғы тармағы дүниеге келді.