Наноқұрылымдық материалдар

 

Нанотехнология әлемдік ғылым мен техникада соңғы 15-20 жылдарда пайда болған пәнаралық бағыт болып есептеледі, өлшемі 0,1-100 нм болатын объектілерді қарастырады. Осы ғылыми-техникалық бағыттың ең маңызды құраушысы наноқұрылымдық материалдарды құру болып табылады.Наноқұрылымдық (нанокомпозиттер, нанофазды, наноталшықты және т.б.) материалдар деп негізгі құрылымдық элементтері (кристаллиттер, талшықтар, қабаттар, қуыстар) 100 нм аспайтын материалдарды айтады.Материалтанулық зерттеу міндеттеріне қолайлы наноқұрылымдардың бөлінетін құрылымды материалдар мен қасиеттер арасындағы түрлі байланыстарды орнату кіреді, ол өңдеу технологиясы мен наноқұрылымдық материалдарды кезекті пайдалану арасындағы мықты байланыспен іске асырылады. Наноқұрылымдық материалдар (наноматериалдар)өздерінің ерекше қасиеттерінің арқасында бүгінгі материалтану саласында жетекші орын алады. Нанотехнология және наноматериалдар бойынша ақпараттық ағындар (журналдар мен жинақтарда мақалалар, көптеген конференциялар мен семинарлар еңбектері, патенттер, жеке монографиялар) айтарлықтай өсті.

«Нанотехнология» терминін ең бірінші рет морт сынғыш материалдарды өңдеудің қиындығын талқылау кезінде 1974 ж. К.Танигучидеген жапон ғалымы пайдаланды.

Р.Фейнманның кейбір ойларын Э.Дрекслердеген ғалым дамытты (Массачусетс технологиялық институты, АҚШ). 1986 ж. оның «Машина жасау: нанотехнология арасының келуі» деген атпен кітабы шығады. Биологиялық үлгілерге сүйене отырып, автор молекулярлық робототехникалықмашиналаржайында ұсыныстарды енгізді. «Жоғарыдан - төмен» дәстүрлі техникалық тәсілге қарама-қарсы (әдеттегі мысал - майдалау) интегралдық сұлбаларды миниатюризациялауда қолданылатын «төменнен - жоғары» стратегиясына көңіл бөлінді (Р.Фейнман айтқан атомдық және молекулярлық құру).

Сонымен қатар наноматериалдардың концепциясы дамыды. Ең бірінші Г. Глейтермен (1981 ж.)оларды металдық материалдарға сәйкес тұжырымдады; және «нанокристалдық» материалдар деген терминді де енгізген Г. Глейтер, кейіннен «наноқұрылымдық», «наноқұрылымдалған», «нанофазалы», «нанокомпозитті» және т.б. терминдер қолданыла бастады. Бұл концепцияға байланысты басты мән фактор ретіндегі беттік бөлімге (дән шекараларына) берілген және ол құрылым мен электрондық құрамын модификациялау арқылы, сол сияқты олардың атом өлшемі мен химиялық байланысының түріне тәуелсіз химиялық элементтермен легірлеу арқылы қатты заттардың қасиетін өзгертетін фактор болып табылады. Қалыңдығы 0,1 – 0,5 мм және диаметрі 10 – 20 мм болатын диск тәрізді үлгіліерді алуға мүмкіндік берген, жоғары қысым жағдайында кезекті вакуумдық біріктіруменбуландыру-конденсациялау жолымен ультрадисперсті ұнтақ алу процестерін байланыстыруды қорытындылаушы наноматериалдар алудың әдісін де ұсынған Г.Глейтер болып табылады. Г.Глейтердің әдісі көптеген мемлекеттерде қолданылады, және наноматериалдардың қасиеттері туралы түрлі мағлұматтар тасқын тәрізді орын ала бастады. Ресейдеосы бағытта ең бірінші жұмыс 1983 жылы жарық көрді, яғни Г.Глейтер жұмыстарымен қатар орындалды. Қаттылығы әдеттегі поликристаллдық никельге қарағанда екі есе басым болатын, нанокристаллдық үлгілерінбіркелкі температураларда ультрадисперсті никель ұнтақтарын біріктіру үшін жоғары қысым әдісін қолдана отырып, В.Н. Лаповок пен Л.И. Трусовтыңжетекшілігіндегі ғалымдар ұжымы алды. Кішкене өлшемді объектілерді (ұнтақтарды, коллоидтарды, катализаторларды, цеолиттерді, пигменттерді, қабықшаларды, кластерлерді және т.б.) және кванттық өлшемді құбылыстарды зерттеу «наношудың» алдында басталды. Тіпті, антикалық дәуірде коллоидтық жүйелерді дайындау рецептілерінің болғандығына археологиялық қазбалар куәлік беретіні анық. Мысалы, «Қытайлық сия», Ежелгі Египетте төрт мың жыл бұрын пайда болған, ал биологиялық нанообъектілердің жасы Жерде өмір пайда болғаннан бері есептеледі.

Нанообъектілерді ғылыми зерттеу жұмыстары XIX ғ., М.Фарадей (1856-1857 жж) пжоғарыдисперсті алтынның және соның негізіндегі жұқа қабықшалардың коллоидтық ерітіндісін алып зерттеген кезде басталды. М.Фарадеймен көрсетілген бөлшек өлшеміне тәуелді түстің өзгеруі, нанообъектілердегі өлшемдік эффектілерін зертеугі ең бірінші мысал десе де болады.

Нанообъектілерге деген кең қызығушылық, жоқ дегенде үш жағдаймен байланысты:

Біріншіден, нанотехнологиялар әдеттегі қондырғылар мен материалдардың жаңа деңгейінен басым түсетін принципиалды түрлерін алуға мүмкіндік береді, және бұның техниканың, биотехнологияның, медицинаның, қоршаған ортаны қорғауда, қорғаныста және т.б. көптеген басқа бағыттарының қарқынды дамуы үшін маңызы көп.

Екіншіден, нанотехнология физика, химия, материалтану, биология, медицина, технология, Жер туралы ғылымдар, компьютерлік техника, экономика, социология және басқа салалардағы мамандарды байланыстыратын айтарлықтай кең пәнаралық бағыт болып табылады.

Үшіншіден, нанотехнологияның мәселесін шешу технологиялық білімде болғандай, фундаменталды білімде де көптеген кемшіліктерді, ғылыми-инженерлік қауымдастықтың назарын осы бағытқа солай қайта аударды.

Көптеген мемлекеттерде (АҚШ, Біріккен Еуропа, Жапония, Ресей, Қытай және т.б.) нанотехнологиялық зерттеулер мен өңдеудің қарқынды дамуын қарастыратын ұлттық бағдарламалар қабылданған. Кадрларды дайындауға да көп назар аударылуда. Перспективалық әдістерді, материалдарды және құрылғыларды жасайтын нанотехнологияның кейбір басты бағыттары:

• өздерінің ұқсас материалдарының қасиеттерін әлдеқайда озатын, белгіленген қасиеттері бар материалдар мен заттардың молекулярлық дизайны;

• өнімділігі жоғары және энерготұтынушылығы төмен нанопроцессорлар;

• жадының көлемі аса үлкен (мультитерабитті) өлшемі бойынша кішкене есте сақтайтын құрылғылар;

• жаңа дәрмектік препараттар және оларды ағзаға егу тәсілдері (аса аз доза және оларды мекендік жеткізу мәселесі);

• наносенсорларды қолдана отырып, қоршаған орта және адам ағзасы мониторингісінің жаңа әдістері.

Есептеулер бойынша, 2002 ж. нанотехнология өнімдерінің әлемдік нарықтық айналымы 300 млрд. АҚШ долларын құраған. Жаңа болжамдар бойынша, 10-15 жылдан соң нанотехнология өнімдерінің жылдық нарығы 1 трлн. США долларын құрайды:

• дәстүрлі әдістермен алынатын жаңа материалдарсаласында340 млрд. долл;

• жартылайөткізгіш өндірісінде300 млрд. долл;

• фармацевтикада180 млрд. долл;

• мұнайхимия өндірісінде каталаизатор жасау үшін 100 млрд. долл.;

• қоршаған ортаны және энергетикалық ресурстарды сақтауда 100 млрд. долл.;

• көлік саласында 70 млрд. долл.

Наноматериалдардың арасында бірнеше негізгі түрлерін айырып көрсетуге болады:

1. Наножартылай;

2. Шоғырландырылған наноматериалдар;

3. Нанополимерлер;

4. Нанобиоматериалдар, фуллерендер;

5. Тубулярлы наноқұрылымдар;

6. Катализаторлар;

7. Наноқуысты материалдар;

8. Супрамолекулярлы құрылымдар.

Мұндай бөлу шартты болып табылады, өйткені, мысалы гибридті металлополимерлі және биополимерлі нанокомпозиттер. Әрі наноматериалдар классына жаңа (мысалы, нанотүтікті материалдарға не бары 20 жыл ғана), тағы айтарлықтай ескі объектілер кіреді (мысалы, катализаторлар және наноқуысты материалдар). Шоғырланған наноматериалдарға ұнтақ технологиялары, қарқынды пластикалық деформация, аморфты күйден бақыланатын кристаллизация әдістерімен және әртүрлі қабыршақ пен жабуды бетіне түсіру тәсілдерімен алынатын компактілер, қабыршақ және металдан, қорытпа мен қосылыстардан алынатын жабулар жатады. Бұл материалдардың нанодәндері (нанокристаллиттер) оңашаланған (яғни жеке құрылымдар түрінде) немесе нашар байланысқан (мысалы, қорғаныс полимерлі қабықты нанобөлшектер) түрінде емес, шоғырланған күйінде келеді. Шоғырланған наноматериалдарда дәнаралық қабаттардың тығыздығы жоғары болады.

Наножартылайөткізгіштер, нанополимерлер және нанобиоматериалдар гибридті (аралас) материалдар түзе отыра, оңашаланған және ішінара шоғырланған күйде де болуы мүмкін.

Фуллерендер және тубулярлынаноқұрылымдар көптеген зерттеулердің пәні болып табылады, 1985 ж. бастап, фуллерендер деп аталған, көміртегінің жаңа аллотропиялық түрі – кластерлер С₆₀ және С₇₀ анықталғанда, (нобелдік иегерлерінің Н.Крото, Р.Керлу және Р.Смолли жұмыстарында), және әсіресе 1991 ж. бастап жапондық ғалым С.Ишима графитті электрдоғалы буландыру әдісінің өнімдерінде көміртегі нанотүтіктерді тапқан. Нанотүтік және фуллерендер тәрізді объектілер бұрын да қарастырылғанын айтып кетейік.

Наноқуысты материалдарының қуыстарының өлшемдері 100 нм кем болады.

Катализаторлар – сондай-ақ бұрын зерттеліп жүрген және кең қолданылатын нанообъектілердің бірі.

Супрамолекулярлық құрылымдар - ковалентсіз синтездеу нәтижесінде алынатын, молекулалар мен олардың ұқсастарының арасында әлсіз (ван-дер-ваальстік, сутектік және т.б.) химиялық қосылыстарды түзе жүретін наноқұрылымдар. Әдебиетте бұл материалдар үшін басқа да атаулар кездеседі; микроқысты (қуыс өлшемі 2 нм кіші), мезоқуысты (қуыс өлшемі 2 - 5 нм кіші) және макроқуысты (қуыстары 5 нм үлкен) – Ұлтаралық одақтың теоретикалық және қолданбалы химияның (1972 ж.) ескі номенклатурасына сәйкес. Айтылған наноматериалдардың түрлері өңдеу технологиясы жағынан қалай ерекшеленсе, функционалдық белгілері жағынан да солай ерекшеленеді, оларды құрылым мен қасиетті анықтайтын тек қана бөлшектердің, дәндердің, түтіктердің, қуыстардың сипаттамалық кішкене өлшемібайланыстырады. Құрылымдық элементтердің ең кіші өлшемі (0,1 - 1,0)∙10^–9 м құрайды, яғни жеке атомдар мен молекулалардыңөлшемдеріне жауап береді, шартты түрде орнатылған ең үлкен өлшем – 100 нм. Кейде жоғарғы шегі (элементтердің максималдық өлшемі) нанокристалдық күйдің қандай да бір сипаттамалық физикалық параметрмен – тасушының бос жүру ұзындығымен, дислокацияның сырғуы үшін Франк-Рид ілмегі диаметрімен, домендік қабырға немесе домен өлшемімен және де-Бройль электронының толқын ұзындығымен байланысты болуы керек деген ой айтылады.

Дегенмен электрлік, магниттік, деформациялық және басқа қасиеттерді анықтайтын, сипаттамалық физикалық параметрлердің өзгеру диапазоны, әртүрлі қатты денелер үшін өте кең және қандай да бір ортақ жоғарғы шекті орнату мүмкіндігі жоқ.

Кейбір терминологиялық еркшеліктер «Нано» қосымшасымен «нанотехнология», «наноэлектроника», «нанохимия» деген атаулар кең қолданыс тапты. Американдық әдебиетте «нанотехнология» түсінігін құрылымдық элементтерінің өлшемі 1 - 100 нм болатындай материалдарды, қондырғыларды және жүйелерді мақсатты жасау мен қолдану шеберлігі ретінде анықталуы айтылған. Кішкене өлшемді объектілер туралы ғылым (nanoscience) – деп нанометрлік масштабтағы жайт және заттың қасиеті туралы ғылымдар жиынтығы.

Нанобөлшектер (наноұнтақтар) – ол кішкене өлшемді қатты заттар, олардың геометриялық өлшемі ондық үлестен 100 нм дейін өзгереді. «Нанобөлшектер» және «наноұнтақтар» түсініктері көбінде жабылады, бірақ мүмкін болған біріншінің оңашаланған сипаттамасын және міндетті түрде соңғылардың жиынтық түрлерін ойға алу керек (ұнтақ – аса үлкен емес, жеке қатты бөлшектердің жанасуының жиынтығы (0,001- ден 10³ мкм дейін). Нанобөлшектер өлшемдерінің кішірейе бастағанда құрамы 10-нан бірнеше мың атомдарға дейін (әртүрлі мәліметтер бойынша, шамамен 2000 - 10 000). Кластерлер үшін, кристалдық бөлшектерге қарағанда, трансляциондық симметрияның жоғалуы тән. Қазіргі күні нанобөлшектергежартылайөткізгіштік кванттық нүктелерді де, полимерлі дендримерлерді де жатқызады.