13.Жаңа материалдар және оларды жасау әдістері. Жаңа материалдарды компьютерлік модельдеу.
Нанотехнология соңғы 15-20 жылда әлемдік ғылым мен техникада қалыптасқан өлшемі 1-100 нм болатын объектілерді зерттеуге бағытталған ғылым.Бұл ғылыми-техниканың бағыты наноқұрылымды материалдарды өңдеу болып табылады. Наноқұрылымды материалдар (нанокристаллды, нанокомпозитті, нанофазалы, наноталшықты және т.б) негізгі құрылымды элементтері (кристаллиттер,талшықтар, қабықшалар, кеуектер) кемінде бір бағытта өлшемі 100 нм-ден аспайтын құрылымдар.Жаңа материалдар (наноматериалдар) – наномасштабтық факторлардың байқалғанына байланысты, материалдар мен жүйелерде бұрыннан белгісіз механикалық, электрофизикалық, оптикалық және басқа да қасиеттерінің пайда болуын қамтамасыз ететін, наноөлшемдік элементтерінің кооперациясы нәтижесінде физикалық және химиялық әсерлесуінің ерекше болатын, нанометрлік сипаттауыш өлшемді жасанды не табиғи, реттелген не реттелмеген базалық элементтердің жүйесі болып табылатын заттар не заттардың композициясы. Наноматериалдарға: нанотүтікшелер, кванттық нүктелер, фуллерендер, дендримерлер, нанобөлшектер және тағы басқалары жатады. Өзінің бірегей қасиеттерінің арқасында наноматериалдар қазіргі материалтануда алдыңғы орынды алады.Наноматериалдар жасауда екі түбегейлі, екі түрлі жол бар. Бұл әдістерді шартты түрде «жоғарыдан-төмен» және «төменнен-жоғары» технологиялары деп атайды. Наноматериалдарды жасау:
1)«Жоғарыдан-төмен»
2) «Төменнен-жоғары»
«Жоғарыдан-төмен» жолы физикалық денелердің өлшемін нанометрлік параметрлердегі объектілер алынғанша механикалық не басқа жолмен кішірейтуге негізделген. Қарапайым мысал ретінде құрылымы фотолитографиялық өңдеу арқылы жасалатын кейбір жартылай өткізгішті құралдарды айтуға болады. Фотолитография кезінде жартылай өткізгішті лазер сәулесімен өңдеп, схеманың алдын-ала жоспарланған конфигурациясын алуға болады. Айырушы қабілеті (яғни, жасалатын схеманың ең кіші элементінің өлшемі) лазер сәулесінің толқын ұзындығымен анықталады. Қазіргі кезде, осындай сәулелердің ең қысқа толқындылары 100 нм-лік дәлдікке дейінгі микроөңдеу жүргізуге жарамды, бірақта бұл технология күрделі және өте қымбат құралдарды қажет ететіндіктен, үлкен масштабты өндіріске қолдануға келмейтінін айта кету керек. Замануи компьютерлер осы тәсілмен жасалады.
Бірізді
миниатюризация
Өңделетін физикалық Талап етілетін бұйым
дене
1 – сурет(а). Жасалу жолы: жартылай өткізгішті техникадағы литография «Төменнен-жоғары» жолының мысалы ретінде сканирлеуші электронды микроскоп (СЭМ) не басқа осындай құралдың көмегімен кристалдық бетке атомдарды даралап орналастыруды айтуға болады. Бұл әдіспен тек жеке атомдарды емес, олардың бүтін қабаттарын да түсіруге болады. Әрине, қазіргі кезде бұл әдістің өнімділігі мен дәйектілігі өте төмен болғанымен, әдістің болашағы зор.
Жеке атом Талап етілетін бұйым
1 – сурет(ә). Жасалу жолы: Сканирлеуші туннельдік микроскоп көмегімен (СТМ) элементтердің өздігінен жиналуы және өңдеу. Көптеген нанобөлшектер мен микрокапсулалар өз-өздіімен генерацияланады, яғни ол ғалымдар мен инженерлердің тікелей қатысуынсыз және өз-өзін қалыптастыру негізінде пайда болады. Атомдар мен молекулалар химиялық каталитикалық реакциялардың әсерінен өз бетінше наноқұрылымға айналады. Заманауи ғалымдар мен инженерлер болашақта барлық компьютерлер мен басқа да электрондық аспаптар осы тәсілмен жиналса екен деп армандайды. Олай болса, мықты нанокомпьютерлердің өзі саусақтың ұшындай жерге сыйып кете алады және тіпті, адам терісінің астына еніп кете алады.Компьютерлік модельдеу – қазіргі заманғы ғылыми танымның басқарушы принципі. Сондықтан, ғылыми-практикалық зерттеулерде оның атқаратын міндеті аса жоғары.Компьютерлік модельдеудің мән-мағынасы: маманның нақты объектіні практикада толық зерттеу мүмкін емес жағдайда, оны есептеу алгоритмдерінің көмегімен компьютер арқылы іске асыратын, сол нақты объектіні математикалық модельмен алмастыру болып табылады. Математикалық моделін құруда объектілердің маңызды қасиеттерін оның бағынатын заңдарын, объектіні құрайтын элементтерге қатысты ұғымдарда математикалық формулалар арқылы бейнелейтін эквиваленті таңдалады. Есептеу алгоритмдері қарастырып отырған технологиялық объект моделінің пайдаланатын негізгі сипаты нақты объектінің қасиеттерімен сәйкес келуі тиіс. Модельдің түрі және оның құрылуы субъектінің біліміне, тәжірибесіне, іскерлігіне, жеке қызығушылығына байланысты.Компьютерлік модельдеуді есептеудің көптеген әдістері бар. Көп қолданылатындары:
Компьютерлік молекулалық динамика (МД)
Компьютерлік молекулалық механика (ММ)
Компьютерлік молекулалық динамика (МД) физикалық және биологиялық жүйелерді модельдеу үшін эффективті қолданылатын ең қуатты есептеу әдістерінің бірі болып табылады. МД әдістері жеке атомдар мен полимерлі тізбектердің классикалық траекторияларын есептеуге, конденсирленген жүйелерде бөлшектер әсерлесуінің динамикасын молекулалық деңгейде зерттеуге мүмкіндік береді. МД жоғары кеңістіктік-уақыттық рұқсат етуге ие және атомды-молекулалы масштабтағы және бірнеше наносекунд ретіндегі уақытта жүретін процестер туралы мәлімет алуға мүмкіндік береді. Бұл әдістер физикалық жүйелерді кванттық эффекттер электрстатикалық әсерлесуге қарағанда елеулі болмайтын масштабтарда зерттеу үшін ерекше эффективті болып табылады. Компьютерлік молекулалық механика (ММ) қосылыстың толық энергиясы үшін толқын функциясын не толық электрондық тығыздықты есептемей жай алгебралық формулаларды пайдаланады. Молекулалық механика – химия мен физикада әр түрлі мақсатта молекулалық модельдерді жасау үшін кең қолданылатын әдіс. ММ-ның әйгілі болуының басты себебі – есептеу тұрғысынан жай қолдануды мүмкін ететін жылдамдық. MM-ның үнемділігі биомакромолекулалар сияқты салыстырмалы үлкен молекулалардың зерттеулерін жай негізде жүргізуге мүмкіндік береді. ММ-ны салыстырмалы түрде түсіну оңай. ММ-ның басқа кемшілігі электрондық эффекттер басым болатын кез-келген молекулалық жүйені зерттеу үшін қолданыла алмайды. Бұл жерде молекулалардың электрондарына сай квант-механикалық әдістер қолданылуы қажет.Компьютерлік модельдеудің алынған нәтижелері қажетті сенімділік пен дәлдікке ие болу керек, сонымен қатар, сандық есептеулер мен теориялық бағаларға сай болу керек. Компьютерлік модельдеу ChemBio 3D, Comsol Multiphysics және тағы да басқа компьютерлік бағдарламалар арқылы жүзеге асады.