Тақырып 24

Нанотехнология және наноматериалдар

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Нанометр және наноөлшемНанобөлшектердің қасиеттері неге ерекше: өлшемдік әсер, бет ауданының көлемге қатынасыКөміртекті наноматериалдар: фуллерендер, нанотүтікшелер, графенЗерттеу әдістері: СЗМ, АКМ, электрондық микроскопАлу әдістері: «жоғарыдан төмен» және «төменнен жоғары»Медицинада, электроникада, энергетикада қолданылуы; тәуекелдер

Бір минутта мәні

Нанотехнология өлшемі 1–100 нанометр нысандармен жұмыс істейді — бұл шаш қалыңдығының мыңнан бір бөліктері. Мұндай масштабта заттың қасиеттері өзгереді: алтын қызарады, көміртек аса берік нанотүтікшелер мен графен түзеді, бөлшектер химиялық белсендірек болады, өйткені атомдардың үлкен бөлігі бетінде орналасады. Наноматериалдар қазірдің өзінде электроникада, медицинада, энергетикада және құрылыста қолданылады.

Басты формулалар

1 нм=10−91\text{ нм}=10^{-9} м
Нанометр
SV=6a\dfrac{S}{V}=\dfrac{6}{a} (куб), SV=3r\dfrac{S}{V}=\dfrac{3}{r} (шар)
Өлшем кішірейгенде беттің көлемге қатынасы өседі
N=(ab)3,SN=ab SN=\left(\dfrac{a}{b}\right)^3,\quad S_N=\dfrac ab\,S
b кубиктерге кесілген a кубигі: бөліктер саны және жалпы аудан

Ұғымдар мен терминдер

Наноөлшем
1–100 нм өлшемдер; атом ≈ 0,1 нм, ДНҚ ≈ 2 нм, вирус ≈ 100 нм
Өлшемдік эффект
Зат қасиеттерінің (түс, балқу температурасы, беріктік, өткізгіштік) бөлшек өлшеміне тәуелділігі
Фуллерен
Тұйық сфера пішініндегі көміртек атомдарынан тұратын молекула; C₆₀ футбол добына ұқсайды (1985 жылы ашылған)
Көміртекті нанотүтікше
Цилиндр түріне оралған графен парағы; тығыздығы аз бола тұра, болаттан ондаған есе берік
Графен
Алтыбұрышты торы бар бір атом қалыңдығындағы көміртек қабаты (Гейм мен Новосёлов, Нобель сыйлығы 2010)
СЗМ
Сканерлеуші зондтық микроскоп: туннельдік (СТМ) және атомдық-күштік (АКМ); жеке атомдарды көруге мүмкіндік береді
Кванттық нүктелер
Жарқырау түсі өлшеміне тәуелді жартылай өткізгіштік нанокристалдар

Тақырыпты талдау

Наноәлем дегеніміз не

«Нано» қосымшасы 10⁻⁹ дегенді білдіреді. Шаш қалыңдығы ≈ 80 000 нм, эритроцит ≈ 7000 нм, вирус ≈ 100 нм, ДНҚ молекуласының ені ≈ 2 нм.

Жеке атомдарды басқару идеясын Р. Фейнман (1959) айтты: «Төменде орын өте көп». «Нанотехнология» терминін Н. Танигути (1974) енгізді.

Нанобөлшектер неліктен ерекше

Бөлшек кішірейгенде бетіндегі атомдар үлесі күрт өседі. Қыры 1 см кубикте ол болмашы, 3 нм бөлшекте — жартысына жуық. Беттік атомдар белсендірек, сондықтан нанобөлшектер — тамаша катализаторлар.

Оптикалық қасиеттер өзгереді: алтын нанобөлшектері шыныны лағыл түске бояйды (ортағасырлық соборлардың витраждары, Ликург тостағаны), кванттық нүктелер өлшеміне қарай әртүрлі түспен жарқырайды.

Балқу температурасы төмендейді, беріктік, магниттік және электрлік қасиеттер өзгереді; кванттық эффектілер байқалады.

Көміртекті наноматериалдар

Көміртектің аллотропиялық түрөзгерістері: алмас (тетраэдрлік тор), графит (қабаттар), фуллерендер, нанотүтікшелер, графен.

Нанотүтікшелер: болаттан 50–100 есе берік, токты мыстан жақсы өткізеді, металл немесе жартылай өткізгіш бола алады.

Графен мөлдір, иілгіш, рекордтық жылу және электр өткізгіш; иілгіш экрандар, сенсорлар және аккумуляторлар үшін перспективалы.

Наноәлемді қалай зерттейді

Оптикалық микроскоп дифракция салдарынан ~200 нм-ден кіші нысандарды ажырата алмайды.

Электрондық микроскоптар (жарықтандырғыш және растрлық) толқын ұзындығы өте аз электрондарды пайдаланады.

Сканерлеуші туннельдік микроскоп (Бинниг пен Рорер, 1981) ине мен бет арасындағы туннельдік токты өлшейді; атомдық-күштік микроскоп — иненің атомдармен өзара әсер күшін. Олармен жеке атомдарды тіпті орнынан жылжытуға болады.

Наноматериалдарды қалай алады

«Жоғарыдан төменге»: ірі материалды ұсақтау — ұнтақтау, литография (элементтері бірнеше нанометр процессорларды осылай шығарады), химиялық улау.

«Төменнен жоғарыға»: атомдар мен молекулалардан құрастыру — газдан химиялық тұндыру, өздігінен жиналу, коллоидтық синтез. Нанотүтікшелер мен кванттық нүктелерді осылай өсіреді.

Қолданылуы және қатерлері

Электроника: өлшемі бірнеше нанометр транзисторлар, флеш-жад, QLED-экрандар. Медицина: дәріні мақсатты жеткізу, диагностика, нанокүміс қосылған бактерияға қарсы жабындар.

Энергетика: тиімді күн батареялары, аккумуляторлар, катализаторлар. Материалдар: өздігінен тазаратын шынылар (лотос эффектісі), берік жеңіл композиттер, TiO₂ және ZnO нанобөлшектері бар күннен қорғайтын кремдер.

Қатерлер: нанобөлшектер тері мен өкпе арқылы жасушаларға ене алады, олардың денсаулық пен экологияға әсері толық зерттелмеген; қауіпсіздік стандарттары қажет. Қазақстанда нанотехнологиялар Назарбаев Университетінде және ҚазҰУ-да дамытылуда.

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 1Қыры 1 см кубикті қыры 10 нм кубиктерге кесті. Жалпы бет ауданы неше есе өсті?
  1. Қырлар қатынасы a/b=10−2/10−8=106a/b=10^{-2}/10^{-8}=10^6.
  2. Аудан a/b=106a/b=10^6 есе өседі (кубиктер саны 101810^{18}).
Жауабы 10⁶ есе
Есеп 2Радиусы 5 нм шариктің S/V қатынасы радиусы 5 мм шариктікінен неше есе үлкен?
  1. S/V=3/rS/V=3/r, қатынасы =5⋅10−35⋅10−9=106=\dfrac{5\cdot10^{-3}}{5\cdot10^{-9}}=10^6.
Жауабы 10⁶ есе
Есеп 3C₆₀ молекуласының диаметрі шамамен 0,7 нм. Шаш қалыңдығындай (70 мкм) кесіндіге мұндай молекулалардың қаншасы қатарға сыяды?
  1. N=7⋅10−57⋅10−10=105N=\dfrac{7\cdot10^{-5}}{7\cdot10^{-10}}=10^5.
Жауабы ≈ 100 000

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • Наноөлшем — микрометрлер емес, 1–100 нм.
  • Бөлшек кішірейгенде ауданның көлемге қатынасы өседі.
  • Оптикалық микроскоп атомдарды көрмейді — СЗМ немесе электрондық микроскоп қажет.
  • Графен — атомдардың бір қабаты, графит — көп қабат.
  • «Төменнен жоғарыға» — атомдардан құрастыру, «жоғарыдан төменге» — ұсақтау.

Есте сақта

1 нм = 10⁻⁹ м. S/V ~ 1/өлшем. Көміртек: алмас, графит, графен, нанотүтікшелер, фуллерен C₆₀. СТМ/АКМ атомдарды көреді.

Өзіңді тексер

1. Нанометрде қанша метр?
  1. 10⁻⁶
  2. 10⁻⁹
  3. 10⁻¹²
  4. 10⁻³
Жауабын көрсету

10⁻⁹ Нано = 10⁻⁹.

2. Нанобөлшектер неліктен химиялық белсендірек?
  1. Олар ауыр
  2. Беттік атомдар үлесі үлкен
  3. Олар зарядталған
  4. Оларда электрон жоқ
Жауабын көрсету

Беттік атомдар үлесі үлкен S/V өседі.

3. Графен дегеніміз не?
  1. 60 атомнан тұратын сфера
  2. Бір атом қалыңдығындағы көміртек қабаты
  3. Алмас қабықша
  4. Полимер
Жауабын көрсету

Бір атом қалыңдығындағы көміртек қабаты Екі өлшемді материал.

4. Қай аспап жеке атомдарды көруге мүмкіндік береді?
  1. Лупа
  2. Оптикалық микроскоп
  3. Сканерлеуші туннельдік микроскоп
  4. Телескоп
Жауабын көрсету

Сканерлеуші туннельдік микроскоп Атомдарға дейінгі ажырату қабілеті.

5. Процессорлар өндірісіндегі литография — бұл тәсіл:
  1. Төменнен жоғарыға
  2. Жоғарыдан төменге
  3. Өздігінен жиналу
  4. Катализ
Жауабын көрсету

Жоғарыдан төменге Ірісінен ұсағын жасайды.

Байланысты тақырыптар

12. Әртүрлі ортадағы электр тогы6. Молекулалы-кинетикалық теория негіздері9. Сұйық және қатты денелер

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика