Нанотехнология және наноматериалдар

Оқулықтық тірек

• Закирова Н.А., Аширов Р.Р. «Физика» (ЖМБ), 11-сынып, Арман-ПВ, 2020, 265–271-б.

Материалдарда жоқ: туннельдік және атомдық-күштік микроскоптардың жұмыс принципі, фуллерендер, нанотехнологияның қауіптері мен этикалық мәселелері.

Негізгі ұғымдар

• Нанотехнологиялар (НТ) — заттың құрылымын атомдық-молекулалық деңгейде басқару арқылы жаңа қасиеті бар материалдар мен құрылғылар алу әдістерінің жиынтығы.
• НТ міндеттері: берілген құрылымы мен қасиеттері бар наноматериалдарды алу; оларды мақсатты қолдану; алу және пайдалану кезінде қасиеттерін зерттеу.
• Наноматериалдар — өлшемдерінің ең болмағанда біреуі 1–100 нм аралығында жататын материалдар.
• Наноөлшем әсері: беттік ауданның салыстырмалы үлесі өсуіне байланысты механикалық, жылулық, электрлік, оптикалық, химиялық қасиеттер өзгереді (қаттылық, түс, электр- және жылуөткізгіштік).
• НТ негізгі салалары: наноматериалдар, наноқұралдар мен наносенсорлар, наноэлектроника, микроэлектромеханикалық жүйелер, нанобиотехнология және наномедицина.

Теория

Наноматериалдардың түрлері.

Түрі	Мысалдар	Ерекшелігі
Бір өлшемді (1D)	көміртекті нанотүтікшелер, наноталшықтар, наноөзектер, наноөткізгіштер	диаметрі бірнеше нм, ұзындығы бірнеше мкм цилиндрлер
Екі өлшемді (2D)	жұқа пленкалар, қабаттар, графен	қалыңдығы бірнеше нм немесе бір атом

Графен — бір атом қалыңдығындағы көміртек қабаты, атомдар алтыбұрыштардан тұратын гексагональ тор құрайды. 2004 ж. А. Гейм мен К. Новоселов «қабаттарын аршу» әдісімен алды; 2010 ж. Нобель сыйлығы берілді. Қасиеттері:

• электрөткізгіштігі мыстан жоғары;
• болаттан шамамен 100 есе берік (үзілу беріктігі 42 Н/м);
• 1 м² парағының массасы 0,77 мг, бірақ ол 4 кг жүкті ұстай алады;
• мөлдір — көрінетін жарықтың тек ≈2 %-ын жұтады;
• гелий мен сутегін де өткізбейді.

Алу тәсілдері. Екі бағыт: ірі материалды наноөлшемге дейін ұсақтау («жоғарыдан төмен») немесе атомдар мен молекулалардан өсіру («төменнен жоғары»). Әдістер табиғаты бойынша:

1. механикалық — үйкеліс, қысым, нығыздау, тербеліс арқылы ұнтақтау;
2. физикалық — булану мен конденсация, күрт салқындату не қыздыру, балқытпаны тозаңдату;
3. химиялық — электролиз, тотықсыздандыру, термиялық ыдырау;
4. биологиялық — ақуыз ішіндегі биохимиялық процестер.

Қолданылуы.

• Электроника: транзистор өлшемін 90 нм-ден 14 нм-ге дейін кішірейту — кремнийдің 1 см-інде миллиард транзистор; графен негізіндегі сенсорлық экрандар, икемді электроника; графен транзисторлары кремнийден шапшаң деп болжанады (гигагерцтен терагерцке).
• Энергетика: инфрақызыл сәулені жұтатын металл наноантенналы күн элементтерінің ПӘК-і ≈80 % (кәдімгі күн батареяларында ≈20 %); графенді аккумулятор — 16 с-та зарядталып, автокөлікке 1000 км жүруге мүмкіндік береді; суперконденсаторлар (ионисторлар).
• Медицина: денсаулықты бақылайтын микрочиптер, нанобөлшектермен дәріні зақымдалған мүшеге жеткізу, графен негізіндегі берік импланттар.
• Құрылыс: графен және әктас ұнтағы негізіндегі қорғаныш бояулар.

Мысалдар

1. Материал наноматериал ма: қалыңдығы 50 нм пленка, ауданы 1 см². Иә — бір өлшемі 1–100 нм аралығында (2D наноматериал).
2. 1 нм неше метр? 14 нм транзистор 90 нм-ден неше есе кіші? $1$ нм $=10^{-9}$ м; $90/14\approx6{,}4$ есе.
3. Ауданы 1 м² графен парағының массасы 0,77 мг. Ол ұстай алатын жүк өз массасынан неше есе көп? $\dfrac{4\ \text{кг}}{0{,}77\cdot10^{-6}\ \text{кг}}\approx5\cdot10^6$ есе.
4. Наноантенналы күн элементі кәдімгіден неше есе тиімді? $80\%/20\%=4$ есе.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Наноматериалдың барлық өлшемі 100 нм-ден кіші болуы керек деу: ең болмағанда біреуі жеткілікті.
• Графенді үш өлшемді кристалл деу: бір атом қалыңдығындағы 2D қабат.
• Наноөлшемде заттың қасиеттері өзгермейді деу: беттік әсерлер есебінен айтарлықтай өзгереді.
• Графенді ашқан ғалымдар мен жылдарды шатастыру: алынуы 2004 ж., Нобель сыйлығы 2010 ж. (Гейм, Новоселов).
• Ұсақтау тәсілдерін (механикалық) химиялық тәсілдермен (электролиз) шатастыру.

Өзіңді тексер

1. Наноматериалдың өлшем шегі? — Ең болмағанда бір өлшемі 1–100 нм.
2. Графен қандай элементтен тұрады? — Көміртектен.
3. Нанотүтікше қай түрге жатады? — Бір өлшемді (1D) наноматериал.
4. Наноматериал алудың химиялық тәсілдеріне мысал? — Электролиз, тотықсыздандыру, термиялық ыдырау.
5. Графен көрінетін жарықтың қанша бөлігін жұтады? — Шамамен 2 %.