5. Негізгі және қосымша әдебиеттер тізімі, соның ішінде электрондық тасуыштардағы әдебиеттер

Негізгі әдебиеттер (кітапханалық қорда бар немесе соңғы 5 жылда шығарылған 2-3 оқулықтан артық емес)

1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию: перевод с японкого. – М.БИНОМ Лаборатория знаний, 2008, 134 с.

2. Витязь П.А., Свидунович Н.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов Уч.пособие для вузов. Б.:Вышэйшая школа, 2009.- 301 с.

3. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии: учеб. пособие / под общ. ред. Патрикеева Л.Н. - М.: Бином. Лаб. знаний, 2008. - 431 с.

4. Новиков Л.С., Воронина Е.Н. Перспективы применения наноматериалов в космической технике. Учебное пособие. – М.: Университетская книга,

2008. – 188 с.

Қосымша әдебиеттер

Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение. 2007.- 496 c.

1. Хартманн У. Очарование нанотехнологии. Пер. С нем. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 173 с.

2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурированные материалы. М.: Академия, 2005.- 192 c.

3. Сборник под ред. Мальцева П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника, (Мир материалов и технологий. Мировые достижения за 2005 год). М.: Техносфера, 2006.-152 с.

4. Балоян Б.М. , Колмаков А.Г. , Алымов М.И., Кротов А.М. . Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения. Учебное пособие. Международный университет природы, общества и человека «Дубна» Филиал «Угреша». М.: 2007. – 125 с.

5. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Наноэлектроника. – М.БИНОМ Лаборатория знаний, 2009, 223с.

6. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы ХХІ века / Пер. с англ. под .ред. Л.А. Чернозатонского. М.: Техносфера, 2003. –336 с.

7. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2005. – 144 с.

8. Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. С-П.: Наука, 2001 – 51 с.

9. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. – М.: Мир, 2002 – 291с.

6. Интернет-ресурстардың тізімі

1. “Квантовые точки, квантовые ямы, учебные материалы по нанотехнологиям", Учебный сайт МГУ: http://nano.msu.ru/education/guests

2. http://nanodigest.ru/

3. http://portalnano.ru/

4. http://thesaurus.rusnano.com/

5. http://popnano.ru/

Дәрістер

Дәріс №1.

Тақырыбы: Кіріспе. Нанотехнологияның даму тарихы

Тіршілікпен қоғам пайда болғаннан бастап, адамзат өзінің өмірін жақсартуға, жеделдетуге тырысты. Алғашқы қауымдық құрылыс кезінде олар түрлі еңбек құралдарды пайдалана білді, уақыт өте келе адамзатқа пайдасы келетін жан-жануарларды қолға үйретті. Жылдар өтті, заман өзгеріп отырды, үздіксіз дамып отырды, заманға қарай адамдардың қажеттіліктері де өзгеріп отырды Қазіргі таңда біздің көпшілігіміз күнделікті өмірімізді ғылыми жетістіктерсіз, техникасыз медицинасыз елестете алмаймыз. Электрониканың дамуы қазіргі адамзаттың өмірін өзгертіп жіберді. Электрониканың дамуы осы адамның жаңа материалды, яғни кремнийді игеруінен басталды. Адам жаңа материалдарды алу және өңдеу барысында жаңа технологияларды ойлап тапты. «Технология» сөзі грек тілінен шыққан, «techne»-сөзі өнер, шеберлік, және «logos»-ғылым деген мағынаны білдіреді. Материалдарды және өнімдерді өңдеу барысында адам әр түрлі геометриялық өлшемдерді меңгереді. Оптикалық микроскопты жасау барысында адам өзіне микроәлем обьектілерін ашты. Микроскопиялық обьектілер деп 1-100мкм диапозонында жатқан өлшемді айтады. «Микро» сөзі миллионнан бір бөлшек деген мағынаны береді. 1 мкм = 10^-6 немесе 0,0001см. Биологиялық тор, қанның эритроциті және т.б. заттар микроәлемнің технологиясы. Электрондық микросхема, гендік модификация бұл микроәлем технологиясының мысалдары болып табылады. 1 ден 100нм аралығындағы өлшемді нанометрлік обьект деп атайды. Нано сөзі (грек тілінен nannos – ергежейлі, қортық) миллиардтан бір дегенді білдіреді.

Нанотехнология қазіргі кездегі микроэлектроника, оптикалық, биологиялық және басқа технологиялардың жалғасы болып келеді.

1974 жылы «Нанотехнология» терминін ең алғаш жапондық ғалым Нарио Танигучи ұсынған болатын. Жеке атомдардың манипуляциясы көмегімен жаңа объектілер және материалдар жасауға болатынын жариялады. Нанометр – бір метрдің бір миллиард бөлшегі (10^-9).

1931 жылы Неміс физиктері Макс Кнолл және Эрнест Руско электронды микроскоп жасады, микроскоп арқылы алғаш нанообъектілерді бақылауға мүмкіндік алды.

1959 жылы Американдық физик Ричард Фейнман[2] америкалық физиктер қоғамының жылдың мәжілісінде алғаш нанотехнология жайында Дәріс оқыған болатын, Дәріс «Полно игрушек на полу комнату» яғни бөлме еденіндегі тола ойыншықтар деп аталған. Ол басты назарды физикалық электроникаға, информатика мен машина өндірісдегі проблемаға қаратты. Бұл жұмысты көптеген ғалымдар нанотехнологияның негізі деп санады, бірақ бұл дәрістің кей бөлімдері физика заңдарына қарама-қайшы келді.

1968 жылы американдық Bell компаниясының ғылыми қызметкері Альфред Чо және Джон Артур нанотехнологияның негізін теориялық тұрғыда жасап шықты.

1974 жылы жапондық физик Нре Танигучи[1] Токиода өткен халықаралық өнім өндірушілер конференциясында ғылымға «нанотехнология» терминін енгізді. Танигучи бұл ұғымды дәлдікпен өңдеуде қолдануды ұсынды, бір микроннан кіші емес механизмдерді атауды ұсынды, механикалық өнімдерден басқа ультрадыбысты айтуға болатынын айтты.

1982 жылы неміс физиктері Герд Биннит пен Генрих Рорер[3] нанометрлерді зерттейтін жаңа арнайы микроскоп жасап шығарды. Ол микроскопқа ЗСМ (зондылы сканерлеуші микроскоп) деген атау берді. Бұл елеулі жаңалық нанотехнологияның дамуында үлкен роль арқарды, себебі бұл микроскоп жәрдемінде алғаш жеке атомдарды зерттеуге мүмкіншілік алдық.

1985 жылы американдық физиктер Роберт Керл және Херальд Крото мен Ричард Смэйли [4] заттарды, диаметрлер мен бір нанометрді дәл өлшей алатын нехнологияны, техниканы жасап шықты.

1986 жылы «нанотехнология» термині көпшілікке мәлім болды. Оның мүмкіндіктері баршаны таңқалдырды. Американдық футуролог Эрик Дрекслер[6], молекулалық нанотехнологияның пионері өз кітабын жарыққа шығарды, онда ол болашақты болжады. Нанотехнологияның келешекте қарқынды дамитынын атап айтып, нанометрлі молекуланы синтездеу арқылы үлкен молекуланы жасауға болатынын, бірақ нанотехнологияның алдында тұрған мәселелермен техникалық кедергілерді тоқтап өткен болатын.

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. 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.

Дәріс №2.

Тақырыбы: Нанотехнологияның басым бағыттары

^{Жапонияда нанотехнологияның дамуының негізгі себебі осы салада АҚШ-ң әрекетттерінің белсенділігі болып табылады. Бұрында АҚШ ақпараттық технологиялар мен биология саласында әлемдік көшбасшы болып, ал Жапония басқа көптеген салаларда, әсіресе микро- немесе нанотехнология саласында көшбасшы деп есептелетін. Бірақ 1996-1998 жылдары АҚШ нанотехнология саласындағы барлық зерттеулерде әлемдік көшбасшы болуды өзіне мақсат етіп қойды, соның дәлелі ретінде 2000 жылдың қаңтарында арнайы қабылданған Ұлттық Нанотехнологиялық Бастама жасап шығарылды. Бұл бағдарламаға бірнеше миллиондаған сомада ақша бөлінді. 2001 жылдың өзінде АҚШ нанотехнологияның дамуына шашамен 500 миллион доллар құруды көздеген болатын.}

Нанообъектілерге деген кең қызығушылық үш жағдайға байанысты болып отыр.

Біріншіден, нанотехнология әдістері арқасында техниканың көптеген салаларында, биотехнологияда, медицинада, қоршаған ортаны қорғауда қарқынды дамуына маңызды әсер ететін жаңа құрылғылар, қасиеттері жағыннан өздерінің қолданыстағы деңгейінен асып түсетін жаңа материалдар жасауға мүмкіндік береді.

Екіншіден, нанотехнология ғылымның көптеген бағыттарын байланыстыратын пәнаралық қасиетке ие болып отыр.

Үшіншіден, нанотехнология іргелі ғылымдардың көптеген олқылықтарын байқатып, ол проблемаларды шешу ғалымдар мен инженерлердің қайтадан назарын аударды.

Көптеген елдерде (АҚШ, Еуропа елдері, Жапония, Ресей) нанотехнология саласында қарқынды дамуды қарастыратын ұлттық бағдарламалар қабылданды. Ғылыми мамандар даярлауға басты назар бөлінуде.

Ары қарай жаңа әдістер, материалдар мен құрылғыларды жасап шығаратын нанотехнологияның басым бағыттарының біразын атап өтейік:

• қазіргі ұқсастарынан асып түсетін матреиалдар мен заттардың молекулалық дизайны;

• энергия тұтынуы өте төмен және өнімділігі жоғары нанопроцессорлар;

• өлшемі өте кішкентай, бірақ жадысының көлемі өте жоғары есте сақтау құралдары;

• жаңа дәрілік препараттар және оларды организмге енгізу әдістері (дозаларының аз болуы және оларды организмге жеткізу жолдары) және т.б.

Дәріс №3.

Тақырыбы: Нанотехнологиядағы өлшемдік эффектілер

Кванттық механика – бұл заттың ең ұсақ бөлшектерінің қасиеттерін зерттейтін фундаментальді ғылым. Оның заңдары электрондардың, атомдар мен молекулалардың әрекеттерін сипаттайды және де қарапайым көзқарас тұрғысынан түсініксіз болып көрінеді. Күнделікті өмірде немесе техникада қолданатын қарапайым заттар әлемінде орынды қағидалар атомдар әлемінде жиі орынсыз болып жатады.

Осыған дейінгі уақытта электрондық құрылғыларды жасаушы инженерлер өз есептеулерінде тек классикалық физика заңдарын қолданды.

Және де бұл орынды болды, өйткені телевизордың кинескобындағы электрондар классикалық материалдық нүктелер – биллиард шарлары немесе доптар секілді қозғалады. Компьютердің күрделі микропроцессорындағы электрондардың қозғалысы да классикалық денелердің қозғалысына ұқсас.

Алайда қазіргі уақытта жағдай өзгеріп отыр. Жартылайөткізгішті электрониканың қазіргі заманғы даму логикасы бойынша интегралдық схемалар күрделене түсуде және көптеген элементтерді байлаыстыруда. Осыған дейін интералдық схеманы жасап шығарушылар транзисторлар, диодтар мен басқа да элементтердің өлшемін кішірейту арқылы олардың орналасу тығыздығын арттырып отырған. Болашақта бұл өлшемдер бірнеше микронға дейін кішірейтіледі деп күтілуде. Бұл жүзеге асқан кезде классикалық физика тілімен сипатттаудың мәні жойылады және де ғалымдарға кванттық механикаға жүгінуге тура келеді.

Бұл сәтті күтпей – ақ физиктер әрекеттері кванттық механикаға негізделген құрылғыларды жасауда біршама тәжірбие жинап үлгерді. Олар атомдарды бір – екі қабаттың дәлдігіне дейін орналыстыра отырып жасанды кристаллдар, молекулалар және де қасиеттері алдын ала белгіленіп қойған атомдарды да құрай алады. Мұндай жартылайөткізгішті құрылымдардың өлшемдері бірнеше нанометр немесе ондаған ангстрем болады (бір нанометр 10^-9 м – ге тең және ол адам шашының қалыңдығынан он мың есе кіші). Көрсетілген өлшемдер әлі де болса шынайы атомдардың өлшемдерінен үлкен болса да, мұндай құрылымдардағы электрондар өздерін кванттық объектілер сияқты ұстайды. Микроқұрылымдарды негізгі үш типке ажыратуға болады: кванттық шұңқырлар, жіптер және нүктелер. Кванттық нүктелерді кейде жасанды атомдар деп те атайды. Бұл құрылымдарды зерттеу электрондық инженерияның жаңа қырларын ашып қана қоймай, фундаментальдық сипаттағы ашылулармен қатар жүреді.

Кванттық шұңқыр (КШ) – quantum wells (QW)

Егер үлгінің өлшемдері бір өлшемде нанометрлік диапазонда жатып, қалған екі өлшемінде үлкен болып қала берсе онда алынған құрылым кванттық шұңқыр деп аталады, мұндай объектілердің метрикалық өлшемділігі – 2D.

Кванттық сым (КП) – quantum wires (QWr)

Егер үлгі екі өлшемінде кіш болып, ал үшінші өлшемінде үлкен болса онда мұндай объект кванттық проволока деп аталады, оның метрикалық өлшемділігі 1D.

Кванттық нүкте (КН) – quantum dots (QD)

Үлгінің барлық үш өлшемі нанометрлік диапазонның төменгі жағында жатса онда ол кванттық нүкте деп алады, кванттық нүкте 0D - өлшемді объект.

Бұл үш типті наноқұрылымдардың атындағы «кванттық» сөзі ультракіші масштабтар аумағында табиғаты квантты – механикалық қасиеттердің өзгерісі туатындықтан қолданылады. 4 суретте тікбұрышты геометрия үшін жоғарыда айтылған өлшемдердің кішірею процессі көрсетілген. Ал 5 суретте дәл осы процесс қисық сызықты гоеметрия үшін келтірілген. Басқа сөзбен айтатын болсақ, бір, екі немесе барлық үш өлшемдері кіші болатын жағдайда үлгінің қасиеттеріне өлшесділіктің тигізетін әсері пайда болады. мұндай өзгерістердің электрондық қасиеттерге тигізетін әсерлері аса қызық болып табылады.

Көлем Шұңқыр Сым Нүкте	Көлем Шұңқыр Сым Нүкте
4 сурет. Тікбұрышты наноқұрылымдардың бірізділігі	5 сурет. Шеңберлі наноқұрылымдардың бірізділігі

Дәріс №4.

Тақырыбы: Көміртегінің наноәлемдегі ерекше орны.

Көмiртегі негiзiндегі құрылымдар. Көмiртек элементтердiң Д.И.Менделеевтiң периодтық жүйесінiң IV тобының (С, Si, Ge, Sn, Pb) металл емес химиялық элементi болып табылады. Сондықтан көміртектің 4 валенттi электроны бар. Ол кеңінен таралған және тірі табиғаттың негізін құрайды бірақ оның Жер қыртысындағы құрамы бар болғаны 0,19%. Д.И.Менделеев былай деп жазған болатын: «элементтердің ешқайсысының қүрделену қабілеті көміртектегі сияқты деңгейде дамымаған».

Бір химиялық элементтің атомдарының әралуан кеңістіктік конфигурациялар жасай отырып, бір – бірімен әртүрлі тәсілдермен бірігу қабілеті аллотропия деп аталады.

Көміртек осындай қасиетке ие. Шынында да көміртекте төрт аллотропиялық модификация бар, олар – алмаз (1а-сурет), графит (1б-сурет), карбин және фуллерен. Соңғы жылдары көміртектің жаңа модификациясы табылды: фуллерендер, көміртектік нанотүтікшелер, графен. Олардың ерекше қасиеттері нанотехнология саласында жаңа мүмкіндіктердің ашылуына мүмкіндік беріп отыр.

1-сурет. Алмаз (а) бен графиттің (б) кристалдық құрылымы.

Алмазда көміртек атомдарының барлық валентті төрт электроны өте берік ковалентті С - С байланысын түзеді. Оларды бөлу өте қиын. Сондықтан онда өткізгіштік электрондар жоқ және ол диэлектриктерге жатады. Осы себепті алмаз өте берік және аса жоғары температурада балқиды (3550°С).

Көміртектің тағы бір аллотропиялық формасы графит болып табылады. Оның қасиеттері бойынша алмаздан айырмашылығы өте көп. Графит – графендік деп аталатын жеңіл қабаталынатын жазықтықтардан тұратын жұмсақ кара зат. Графендік жазықтық шегінде көміртек атомдары күшті ковалентті байланыстар арқылы біріктірілген. Бұл байланыстар негізі дұрыс алтыбұрыш болып табылатын екіөлшемді гексагональдік тор түзеді (2-сурет). Алайда, алмазға қарағандағы айырмашылығы мұнда байланыстардың түзілуіне 3 электрон ғана қатысады. Атомдарының төртінші электрондары еркін болады. Бұл графендік жазықтықтардың жақсы электрөткізгіштігін қамтамасыз етеді (электрлік кедергі - 0,0014 Ом-см). Графендік жазықтықтар арасында Ван-дер-Ваальс күштері есебінен әлсіз тартылыстар бар болады. Осы күштердің табиғаты атомның электрондық қабықшасы мен көрші атомның кулон өрісі меншікті электрондармен экрандалған оң зарядталған ядросы арасындағы өзара әсерлесумен түсіндіріледі. Жазықтықтар арасындағы әдсіз өзара әсерлесу олардың бір – біріне қарағанда жеңіл сырғанауына және графиттен бөлініп

шығуына әкеліп соқтырады. Графит есте жоқ ескі замандардан бері белгілі болғанымен изоляцияланған графендік жазықтықтарды алу мен зерттеу 2004 жылдан бастап қана қолға алына бастады. Профессор А. Гейм ғылым докторы К.С. Новоселовтың тобымен (Черноголовка, Россия) бірлесе отырып, көміртектің бір атомының қалыңдығындай материал алуға қол жеткізді. Графен деп аталатын бұл материал көміртектің бір атомның қалыңдығындай екіөлшемді жазық молекуласы түрінде болады.

2-сурет. Графеннің моделі.

Графеннің қасиеттері мүлде қызық болып шықты. Графеннің электрондары үлкен қозғалысқа ие екендігі анықталды. Олардың қозғалғыштығы қазіргі заманғы микроэлектроникадағы аса кең таралған кристалдық кремнийдегі электрондар мен тесіктердің қозғалғыштығынан жүздеген есе артық.

Көміртектің үшінші аллотропиялық формасы карбин болып табылады. Ол ХХ ғасырдың 60-жылдары ашылды. Карбин көміртек атомдары екіжақты байланыстармен (=С=С=) немесе кезектесіп келетін біржақты және үшжақты байланыстармен біріктірілген сызықтық құрылым болып табылады. Сонымен, карбиннің құрылымы бірөлшемді. Бұл байланыстар көміртектік талшықтарды жасай алады. Олардың беріктігі және өткізгіштік қасиеттері жоғары болады.

Көміртектік наноқұрылымдарды алу. 1991 жылы С. Ииджимо көміртек нанотүтікшелерін ашты. Осыдан бастап оларды өсірудің көптеген

әдістері жасалды. Бұл әдістерді мынадай екі негізгі бағыт бойынша топтастыруға болады: жоғарытемпературалық және ортатемпературалық әдістер.

Жоғарытемпературалық әдіс графитті кандай да бір тәсілмен, міселен лазермен немесе доғалық разрядпен булауға негізделеді. Ортатемпературалық әдістер – химиялық тасымалдау әдістері.

Жоғарытемпературалық әдістер кезінде графит үдету температурасынан (3200°С) жоғары температурада буланады.

Жоғарытемпературалық әдістер екі негізгі топқа бөлінеді: графиттік электродтар арасындағы доғалық разряд және импульстік лазер арқылы булану.

3а-суретте доғалық разрядта көміртекті нанотүтікшелерін өсіру схемасы келтірілген. Доғалық разряд кезінде графиттік электродтардың бірінің (анодтың) құрамында катализаторлардың бөлшектері, атап айтқанда Fe, Ni, Со немесе Жер бетінде сирек кездесетін элементтер болады. Доғалық разряд реакторы диаметрі 30 см және ұзындығы 1 м цилиндрден тұрады. Реактордан алдын ала ауа сорылып алынады, сонан кейін көлем қысымы 600 мбар болатын жұмыстық инертті газбен толтырылады. Доғалық разряд 60 А токпен тұтандырылады.

Көміртек нанотүтікшелерін катализаторы бар графиттік электродты лазер сәулесімен инертті газ ағынында буландыру арқылы алуға болады (3б – сурет). Мұнда көміртек нанотүтікшелері сумен салқындайтын мыс электродқа жабысады. Химиялық тасымалдау реакциясы әдісі дегеніміз көміртек нанотүтікшелері көмірсутектің (мысалы, катализатордың қатысумен ацетиленнің) пиролизі барысындағы жабысуы болып табылады. Бұл жағдайда түтікшелерді өсіру температурасы 700-900°С болады.

3-сурет. Көміртек нанотүтікшелерін өсірудің жоғарытемпературалық әдістері: а) доғалық разрядта; б) лазерлік булануда.

Өсу температурасы және катализатордың заты түтікшенің қасиетіне әсер етеді. Нанотүтікшелер барлық өсу үдерісі кезінде ашық болады және көміртек атомдары ашық бөлікке бірігеді деп есептеледі.

4-сурет. Көміртек нанотүтікшелерінің өсу механизмінің схемасы

(ақ шарлар – құрылым көміртегінің атомы, кара шарлар – С2 димерлері және С3 тримерлері).

С2 димерлерінің (көміртектің екі атомы) тізбектей қосылуы нанотүтікшелердің үздіксіз өсуіне әкеліп соқтырады. Кейбір жағдайда алтыбұрыштарды қосу және бесбұрыштар алмау үшін С3 тримерлері (көміртектің үш атомы) қажет болады. Бесбұрыштарды енгізу қисықтыққа әкеліп соқтырады, ол нанотүтікшені жауып қалуы және өсуді тоқтатуы мүмкін. Жетібұрыштың пайда болуы түтікшенің өлшемінің өзгеруіне және оның кеңістікте бағдарлануына алып келеді. Сонымен бесбұрыш – жетібұрыш жұбын енгізу түтікшелер құрылымен жан – жақты етуі мүмкін. Бұл эксперимент барысында өте жиі байқалады. Соңғы жылдардағы ғылыми нәтижелер көміртек нанотүтікшелерінің катализатордың (темір тобындағы металл) тамшысынан өсетіндігін көрсетіп отыр. Фуллерендер осы сияқты әдістермен өсіріледі.

Карбиндерді графендік жазықтықтарды қабаттау әдісімен алады. Ол үшін таза графитті немесе кремний карбидін пайдаланады. Бұл химиялық қосылыс көміртек пен кремнийдің алмасып келетін қабаттарынан тұрады. Кремний қабаты ерітеді, ал көміртектік моноатомдық қабат бөлініп шығады. Мұнда ол деформацияланатындықтан және бұзылатындықтан, оны қалай сақтау негізгі проблема болып табылады. Қабатты кремний кремний сілтісінен тұратын подложкаға орналастыру арқылы бұл проблеманың шешімі табылды. Алайда, бұл жағдайда подложканың қасиеттері және әсіресе оның дефектілері алынған «қоспаның» қасиеттеріне әсер етеді.

Дәріс №5.

Тақырыбы: Фуллерен – көміртегінің жаңа аллотропты формасы.

Нанотехнологиядағы ең атақты жаңалық – бакминстерфуллерен молекулалары. Бакминстерфуллерен (немесе фуллерен) (1-сурет) С₆₀ 2-суретте көрсетілгендей – 1985 жылы Крото және авторлары баяндаған көміртегінің тағы бір аллотропты модификациясы. Бұл зерттеушілер графиттің лазерлік булануы кезінде С_n (n>20, жұп сандар) кластерін байқады. С₆₀ және С₇₀ өте кең таралған болатын. 1996 жылы осы жаңалық үшін Керл, Крото және Смоллиге химиядан Нобель сыйлығын берді. Кешірек көп санды көміртекті атомдары бар фуллерендер ашыла бастады. Фуллерен ашылғаннан бастап 10-15 жыл ішінде қызықты және бірегей наноқұрылымдар қарқынды зерттелді және нанотехноллогияда таңқаларлық қолданысқа ие болды. 1990 жылы Кретчмер және қызметкерлері фуллеренді өндірудің тиімдірек және қымбат емес әдісін жасады. Арзан фуллеренді өндіруге әрі қарай зерттеулер жүргізілуде. Арзан фуллеренге қол жеткізу фуллеренді практика жүзінде қолдануға және оның нанотехнологияда ролін айқындауға жол ашады.

1-сурет. Фуллер Биосферасы.

2-сурет. Көміртегінің аллотропты формалары: а- алмаз; б – графит;

в – карбин; г – фуллерен.

Дәріс №6.

Тақырыбы: Көміртекті нанотүтіктер

Көміртекті нанотүтіктерді 1991 жылы Ииджима ашты (1-сурет). Ол көмірсутекті нанотүтікті фуллеренді синтездеу кезінде инертті атмосфералы реактордағы графиттің электродоғалық блануы кезінде катодта тұнған затты электронды микроскоп көмегімен оқып-зерттеу кезінде байқады. Ииджима алған нанотүтік түтік пішінде іші қуыс оралған гексагональды графиттің дұрыс торы болып табылады.

Нанотүтік диаметрінің диапазоны 1-ден бірнеше нанометр шегінде орналасқан, ол 1-ден бірнеше микрометрге тең ұзындығынан көп кіші. Осыдан кейін берілген қасиеттері мен функциональды мүмкіндіктері бар көміртекті нанотүтіктерді синтездеу және тазартудың көптеген әдістері жасалды. Бір қабырғалы көміртекті нанотүтіктердің басқарылатын өндірісі бұл наноғылым мен нанотехнологияның әр түрлі салаларында қолданылатын нанотүтіктің жоғары бағаланатын пішіндерінің өндірісі. Көміртекті нанотүтікті жасау үшін лазерлі абляция арқылы алынатын будың химиялық тұнуын жиі қолданады. 2-суретте сканерлеуші электронды микроскоп (СЭМ) көмегімен жасалған нанотүтіктің жинақталуының бейнесі келтірілген. Олар екі әр түрлі температурада плазмалық химиялық парофазалық тұну арқылы алынған.

1-сурет.Нанотүтік.

2-сурет. Сканерлеуші электрондық микроскоп көмегімен жасалған

нанотүтіктің жинақталуының бейнесі

Көміртекті нанотүтіктер мен фуллерендер ерекше фотохимиялық, электрондық, жылулық және механикалық қасиеттерді айқындайтыны көрсетілген. Сондай-ақ, бір қабырғалы көміртекті нанотүтіктер (ОСУНТ) өздерін металл, жартылай немесе жартылай өткізгішті бір өлшемді объектілер сияқты ұстайды (3-сурет). Олардың нанотүтіктің ұзындығы бойынша жылуөткізгіштігі графиттің қатпарлы жазықтығындағы жылуөткізгіштіктен аспайды. Жақында тәжірибе жүзінде ОСУНТ-тан жасалған үзілмейтін беріктілігі өте жоғары (болаттың беріктілігінен 100 есе көп) жгут табылды. ОСУНТ басқа ортада диперленген кезде өздеріне тән механикалық сипаттамаларын сақтай отырып, өздері болатын ортадағы тасымалдағыштардың құрылымды-механикалық қасиеттерін күшейте алады. ОСУНТ мыс сияқты электрлік өткізгіштікке, алмаз сияқты жылу өткізгіштікке ие.

3-сурет. Бір қабатты нанотүтіктің схемасы: а – ашық; б – бір жағы жабық.

Қазіргі кезде фуллерендермен көміртекті нанотүтіктерге үлкен қызығушылық танытуда және қолданудың мүмкіндіктерін қарастыруда. Көміртекті нанотүтіктердің ерекшеліктерін, әсіресе, оның физико-химиялық қасиеттерін, олардың тұрақтылығын, кернеу мен деформация әсері кезіндегі іс-қимылын, басқа молекулалармен және наноқұрылымдармен өзара әсерлесуін және ғылым мен техниканың жаңа салаларында қолдану мүмкіндіктерін түсіну мақсатында ғылыми-зерттеу жұмыстары жалғасуда.

Дәріс №7.

Тақырыбы: Графен

Графендік жазықтық шегінде көміртек атомдары күшті ковалентті байланыстар арқылы біріктірілген. Бұл байланыстар негізі дұрыс алтыбұрыш болып табылатын екіөлшемді гексагональдік тор түзеді (1-сурет). Алайда,

алмазға қарағандағы айырмашылығы мұнда байланыстардың түзілуіне 3 электрон ғана қатысады. Атомдарының төртінші электрондары еркін болады. Бұл графендік жазықтықтардың жақсы электрөткізгіштігін қамтамасыз етеді (электрлік кедергі - 0,0014 Ом-см). Графендік жазықтықтар арасында Ван-дер-Ваальс күштері есебінен әлсіз тартылыстар бар болады. Осы күштердің табиғаты атомның электрондық қабықшасы мен көрші атомның кулон өрісі меншікті электрондармен экрандалған оң зарядталған ядросы арасындағы өзара әсерлесумен түсіндіріледі. Жазықтықтар арасындағы әлсіз өзара әсерлесу олардың бір – біріне қарағанда жеңіл сырғанауына және графиттен бөлініп шығуына әкеліп соқтырады. Графит есте жоқ ескі замандардан бері белгілі болғанымен изоляцияланған графендік жазықтықтарды алу мен зерттеу 2004 жылдан бастап қана қолға алына бастады. Профессор А. Гейм ғылым докторы К.С. Новоселовтың тобымен (Черноголовка, Россия) бірлесе отырып, көміртектің бір атомының қалыңдығындай материал алуға қол жеткізді. Графен деп аталатын бұл материал көміртектің бір атомның қалыңдығындай екіөлшемді жазық молекуласы түрінде болады.

1-сурет. Графеннің моделі.

2-сурет. Графен электрондарының қозғалысы.

Графеннің қасиеттері мүлде қызық болып шықты. Графеннің электрондары үлкен қозғалысқа (2-сурет) ие екендігі анықталды. Олардың қозғалғыштығы қазіргі заманғы микроэлектроникадағы аса кең таралған кристалдық кремнийдегі электрондар мен тесіктердің қозғалғыштығынан жүздеген есе артық.

Дәріс №8.

Тақырыбы: Наноматериалдарды қолдану.

Нанотехнология адамзат алдында ғылым мен техниканың қазіргі күйін түбегейлі өзгерту мүмкіндігін береді және жаңа ғылыми-техникалық төңкеріске алғышарттар жасайды.

Адам қызметінің барлық саласына, атап айтқанда, ғылым мен техниканың, экономиканың, өнеркәсіптің, ауылшаруашлықтың, әскери техниканың, әлеуметтік саланың, мәдениеттің дамуына, қоршаған ортаның экологиялық жағдайының, қоғамның зияткерленуінің және т.б. дамуына нанотехнологияның және оның әсер ету болашағы фантастика болып есептеледі.

Нанотехнологияның арқасында адам өмірі мен әл-ауқат деңгейі үнемі көтеріледі.

Нанотехнология биотехнологияның және медицинаның, электроника мен ақпараттық технологияның, энергетиканың, көліктің, қару-жарақтың және т.б. дамуына үлкен мүмкіндіктер бермек.

Нанотехнологиядағы кейбір ғылыми жетістіктерді айтып өтейік:

– компьютерлердің өнімділігін өсіру, жылдам әсер етуді (бірнеше терагерцке дейін (10¹² Hz) және жадыны (cm² –ге бірнеше Tbit дейін (10¹² bit)) өсіру, көлемнің күрт азаюы;

– кванттық компьютерлерді жасау;

– қайта жасалған тінді пайдалана отырып, адам органдарын қалпына келтіру. Жасанды органдарды жасау, органдарды ауыстыру және «ағзаны жөндеу»;

– генетикалық ақпаратты талдауға мүмкіндік беретін ДНК-чиптерді жасау және емдеу;

– үлкен жасушаларды (мысалы, зиянды ісікті) жоюға, оларды өлтіруге мүмкіндік беретін ағзадағы дәрі-дәрмекті «дәл» жеткізу;

– әр түрлі сатыларда адам ағзасындағы ауруларды анықтайтын арнайы диагностикалық аппаратураны жасау;

– молекулярлы нанороботтар атомдардан және молекулалардан тікелей кез келген затты (азық-түлік, киім және т.б.) жасайды, қазіргі зауыттардың орнына нанофабрикалар пайда болады;

– жеңіл және аса берік материалдар жасалады;

– көлік құралдары аса тиімді және қауіпсіздеу болады;

– сутегі энергетикасына өту, күн энергиясын тиімдірек пайдалану (ПӘК ~ 90 %);

– қазба байлық отынын (мұнай мен көмірді) тұтыну деңгейін, демек, атмосфераға зиянды тастандылар деңгейін азайту;

– зиянкестерге төзімді өсімдікті өсіру арқылы ауылшаруашылық өнімділігі біршама көтеріледі, аз өнім беретін жерді тыңайту;

– су мен ауаны өнеркәсіптік тастандылардан тазартуға арналған жоғары сапалы сүзгілерді жасау;

– «саналы» машиналар, микронаноэлектромеханикалық жүйелер жасалады;

– ғаламтормен байланысты құрылғылар, жаһандық байланыс жүйесі пайда болады;

– қару-жарақ техникасы және жаумен күрес жүргізу тәсілдері күрт өзгереді;

– ғарышты игеруде жаңа ойды орындайтын ғарыштық наноаппараттар пайда болады.

Келтірілген тізбеде нанотехнологияның адам қызметінің түрлі саласындағы жеке аспектілер ғана қамтылған. Нанотехнологияны пайдаланудың тағы көптеген болашағы бар (кей жағдайларда фантастикалық) мәселелер бар.

Мысал үшін 1-кестеде ауылшаруашылықта нанотехнологияны пайдалану мүмкіндіктері көрсетілген.

1-кесте. Ауылшаруашылықта нанотехнологияны қолдану мүмкіндіктері («Хитати Сокэн» институтының мағлұматтары бойынша)

Ауылшаруашылық мәселелері	Нанотехнологияның практикалық қолданылуы	Әлеуметтік, экономикалық және техникалық салдары
Азық-түліктің жетіспеуі	Генетикалық модификацияның әдістері: арам шөптерге және зиянкестерге төзімді өсімдік сұрыптарын жасау өнімділікті өсіру алынатын өнімдердің азық-түлік құндылығын (құнарлылығын) арттыру өсімдіктердің генетикалық ақпаратын талдау, гендік модификация ДНК-чиптерін қолдану және т.б.	Азық-түліктің жетіспеу мәселелерін шешу Тұрақты және жеткілікті ауылшаруашылық өндірісін жасау ДНК-чиптердің техникасын және ДНК-талдамасының кең қолданылуы

Соңғы онжылдықта нанотехнологиялар мен наноматериалдар биология мен медицинада кең қолданылып келеді. Нанотехнологияны медициналық практикада пайдалану үш негізгі бағытта жүзеге асуда: 1) әлеуметтік маңызы бар аурулардың диагностикасы (молекулярлы визуализация, генетикалық маркерлерді анықтау), 2) дәрі-дәрмек молекулаларын (ақуыз бен генетикалық материалды қамтығанда) бүлінген тіндерге жеткізу және 3) медициналық мақсаттағы берілген қасиеттері бар жаңа наноматериалдарды жасау. Аурулардың генетикалық маркерлерін диагностика жасау – медициналық зерттеулерде нанотехнологияны пайдаланудың ең кең таралған бағыттардың бірі.

Дәріс №9.

Тақырыбы: Ғарыш техникасындағы нанотехнологиялар және наноматериалдар.

Адамдар әрқашан жылдамдыққы, сапаллыққа және жаңа техникаға талпынады.

XXI-ғасырда авиация үздіксіз дамып және кеңейіп келеді. Ол жолаушлар мен жүктерді жылдам, сенімді әрі қаупсіз тасмалдауды қамтамасыз етеді. Ол негізгі жақтан алғанда төмендегі 3 факторға байланысты, олар: қозғалтқыш, аэродинамикалық прогресс және жаңадан жасалған құрлым заттарына байланысты. Нанотехнология осы заттарды дайндауға пайданылады, мәселенге жолаушлар ұшағының қозғалтқышы келешекте жоғары темпратураға төтеп беретін парпордан жасалып ол (1000-1600°С қа шыдас береді), ал қосалқы болшектері термополимерден не полимерден жасалады. Олар 200-400°С қа шыдас береді, сондықтан да оны пайдалы функционалдық заттар саналады. Жәнеде одан да шыдамды материалдар ғарышта қолданылады олар (шамамен-3000°С қа шыдас береді), олар қаттылығы жәнеде басқа қасиеттерімен, яғни тәбиғи әрі жеңіл болғандықтан дыбыстық және ғарыштық техникада қолданылады.

Олар композиционалдық материялдар(екі немесе одан да көп қоспалардан жасалады ), сондықтан да олар көптеген элементердің қасиеттерін жинақтаған. Қазіргі қиындық осы композиционалдық материялдарды жасаудың қиндығы және қымбаттылығы.

Алайда бір қиындық әдетте композиционалдық материялдар озінің жеке қасиеттерін сақтап қалады, ал ғылым және технологияда олардық коп қасиетті болуы қажет етіледі. Олардың әрбір кұрамдары өз алдарына бір құрлысты құрайды, ал олардың атомдары бір бірмен байланысқа түсіп, жаңадан бір құрлыс түзеді, жәнеде жаңа қасиеттерге ие болады.

Әдеттегі композиционалдық материялдар өзінің бөлек құрамын сактайды, брақ атомдары қосымша бір-бірімен байланысады.

Әдетте композиционалдық материялдар озінің жеке қасиеттерін сақтап қалады, алайда олардың әрбір кұрамдары өз алдарына бір құрлысты құрайды, ал олардың атомдары бір бірмен байланысқа түсіп, жаңадан бір құрлыс түзеді, жәнеде жаңа қасиеттерге ие болады.
нанотехнологияның қолданылу орындары	Нанотехнологияның күнделілті қолданылуы	Нанотехнологияның қоғамда қолданылуы
әуе және ғарыштық техникада	өте жеңіл және қатты заттарды шығару	Жаңа, ыңғайлы, сапалы әуе қатынастарын шығару
Зымран техникасы	нанокомпозиттер	Зымран қозғалтқыштарының жаңа түрлері

1-кесте. Наноматериалдарды авиация мен ғарыш техникасында қолдану болашағы.

Ғарышты игеру. Ақпараттық және әскери технологиялар. Нанороботтар арқылы біз өзге планетадағы тіршілікті жүзеге асыра аламыз.

Көптеген молекулалы-роботтарды жердің айналасына орналастырмыз, олар жақын жердегі планеталар, айды, астероидтарды ретке келтіреді, адамзат тіршілік ете алатындай жағдай жасайды. Көміртегі нанотрубасынан ғаламдық лифт жасау жоспарланып отыр (NASA және LiftPortInc компаниясы). Бұл жоба бойынша 2018 жылдың 12-сәуірінде лифтті шығару керек.

Дәріс №10.

Тақырыбы: Наноэлектроника.

Наноэлектроника - интегралды электрондық нобайдың және құрылымның туындауының физикалық және технологиялық негізінің зерттемесімен оның негізінде элементтің 100 нм шамасында өлшемдерімен айналысушы қазіргі электрониканың аймағы.

Интегралды нобайлардың пайда болуына наноэлектрониканың негізгі мақсаты, өте кіші өлшемдермен жаңа электрондық құрылымын зерттеуі және оның бірлестіктің әдісі. Наноэлектроникада ғылыми зерттеу және технологиялық зерттемелер медицина, химия, физика, материалтану және электроника салаларына сүйенеді. «Үлкен» әлемнің құрылымы үшін ерекше және өте кіші өлшемдегі құрылымдарының зерттеу аймақтарын біріктіру.

Құрылғы және электронды аспаптардың өлшемдері мен массасының азаюы немесе негізгі салыстырмалы барлық электрониканың дамуы миниатюризация болып табылады. Адамның заманауи өмірінде тұрақты қолданысқа электротехникалық компонеттен өтпелі технологиялық реттімен – электрондық лампаларға, лампалардан транзисторларға, транзистордан интегралдық схемалары заманауи ұялы телефондарды, қалталы компьютерлерді, дара медициналық аппараттар және көптеген өзге электроникалық құрылғылар.

1965 жылы Intel компаниясының негізін салушы Гордун Мур қызықты жаңалық ашты. Элементтің өлшемдерінің тұрақты азаю процесі белгілі бір заңдылыққа бағынатынын байқап, кейін Мур заңы болып аталды.

Сәйкесінше бұл заңмен электрондық компоненттердің құрастырылымдарының тығыздықтары интегралдық схемада бір жарым-екі жылда шамамен екі еселенеуі есептеуіш заттардың және олардың өнімділігінің сәйкесінше өсуіне әкеледі. Бұл заңның сурет сипаты Intel компаниясы шығаратын процессор қолданысының 1-сурет.

Осы уақытта элементтің құрастырылымының тығыздығының аумақтауы интегралды нобайдың құрам ғана арқасында оның физикалық өлшемінің кемуіні. Айқын, бұл заңдылық ұзақ өмір сүруі мәңгілік әрекет ету білмейді және электрондық бұйымның өлшемінің толассыз кемуі және кашанда калайда біту керек. Сұрақ туындағанда: "Қандай минималды өлшемде қазіргі микросұлбасы болу мүмкін? Сұраққа жауап бар. Қазір техника толығымен теориялық мүмкіндіктердің сақтауы және 1 бит (логикалық түрде «0» немесе «1») бір электронның көмегімен жазықтықта бір атом берілуі. Интегралды схемасының элементінің өлшемі бірнеше атомды қабаттан тұрады. Жауап осы сұраққа уже өмір сүреді. Бірақ классикалық физика заңында сондай элементтің (бірнеше нанометр шамасында) өлшемде әсер етуі азайып, осы элементтерді кванттық механикамен сипаттайды.

Мур заңының тұжырымдасынан кейін 40 жыл өтті. Кейбір тербелістердің екі еселенуіне қарамастан, Мур заңы жұмыс істеп жатыр. Мур заңы атом аралық шектеу және жарық жылдамдығының әсерінен әрекет етуін қойды.

Нанотехнология саласы енді ғана дамып келе жатқанымен, оның жемістері әскери, әуе және космонавтика салаларында баяғыдан бері қолданылып келеді. Бірақ, құпиялық жағдайға байланысты, бұл технология туралы ақпарат тек ғалымдар мен әскер басшыларына ғана белгілі болатын. Кейінгі кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру тб.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты, алдыңғы қатарлы дамыған мемлекеттерде көптеген зерттеу жұмыстары жүргізілумен қатар, сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар өндіріліп жатыр.

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. Оның бағасы бұрынғыдан әлденеше есе арзан болады.

1-сурет. Мур заңы.

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 техникалық 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.

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

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

Дәріс №11.

Тақырыбы: Нанотехнологияны енгізудің экономикалық және әлеуметтік әсері.

Қоршаған ортаға тигізетін энергетиканың экологиялық мәселелерін шешудің жаңа жолы ол- нанотехнология (экология туралы толық мәліметтерді мына сайттардан алуға болады: www.tabisland.ne.jp/future/.

Ең маңызды экологиялық мәселелердің бірі біздің ғаламшарымыздағы атмосфераның орташа температурасының ұзақ өсуін айтуға болады. 1960-2000 жылдары бұл шама шамамен 0,5⁰ С өсті, бұл өсу өткен жүз жылдықтың 80-ші жылдарында ерекше орын алды. Ғалымдар мұндай жоғарлаудың негізгі себебін (тас, көмір,мұнай) өнеркәсіптік қондырғылардың, автокөліктердің және т.б. көбеюімен түсіндіріледі. Жанатын өнімдерден (көміртектің екі тотығы, метан және т.с.с) және атмосфера температурасының (парникте өскен эффект) өсуінің негізгі факторларының өзара әрекеттесуі күндегі шағылысу әсерінен пайда болады.

Сондықтан экологияның басты мәселесі қазып алынатын отынның (мұнай, көмір) тұтыну деңгейінің төмендетілуі, атмосфераға тасталған көміртегі тотығының және жанудың т.б өнімдерінің көлемін кішірейту болып табылады. Сондықтан энергия көздерін және энергияны сақтау оны берудің тиімді әдістерін іздестіру (мысалы, күн батерияларын, жаңа үлгідегі зиянсыз жанармай жасау) ғылыми-техниканың маңызды мәселесіне айналды. Соңғы уақытта, күн энергиясын қолдануда пайдалы әсер коэффициентін жоғарлату үшін көміртекті нанотүтікшелерді қолданғаны туралы анықталды. Батерия және отындық элементтерге қатысты зерттеулер жүргізген кезде көміртегі нанотүтікшелер сутегінің үлкен көлемін адсорбциялауы мүмкін екендігі анықталды. Экологиялық қауіпсіз көлік құралдарын және өнеркәсіппен байланысты жаңа энергия құрал көздерін шығаруға, нанотехнологияның дамуына ең ірі жапондық автомобилдік концеріндері («Тойота», «Хонда» және т.б.) көніл аударды. Бұдан басқа экологиялық мәселенің бірі, күндегі ультракүлгін шағылысуында ғаламшардың беткі қабатын қорғауда және 20 км биіктікте орналасқан атмосфераның озон қабатын сақтау болып табылады. Соңғы жылдары озон қабатының бұзылуы өндірісте және күнделікті тұрмыста көптеген химиялық реагенттердің қолданылуында. Озон қабатының бұзылу процесінде маңызды рөлді «табиғи емес», әр түрлі мақсатта өндірілетін (аэрозоли, хладагенттер, ауа кондиционер қондырғылар және т.б) химиялық жасанды өнім фреон болып табылады.

Озон қабатының 1% төмендеуі тері обасының 3-5% және аққан ауруының 1% өсуіне алып келеді. Ал озон қабатының 10% төмендегенде тері аурының саны-20%-ға , ал аққан аурының саны-1,6-1,7 миллионға жетеді екен, бұл апатты жағдай деп айтуға болады. Ғалымдар 10 жыл уақыт аралығында озон қабатының бұзылуы атмосфераға тасталған фреондық қоспалармен байланысты екенін анықтап отыр. Осы мәселенің оңтайлы шешімі фреон қоспаларын қолдануды мүлдем рұқсат етпеу болып табылады, қазіргі кезде әртүрлі қолданыстағы фроенның орнын бастатын зат ойлап табуды іздестіруде. Нанотехнология осы мәселенің шешімін табуда тиімді әдіс беруі мүмкін.

Экологияның тағы да өте маңызды мәселесі (фреон сияқты) табиғатта іс жүзінде қолданылмайтын, бірақ өнеркәсіптік өндіріс нәтижесінде пайда болатын диоксиндерді қолдану болып табылды. Құрамында хлор қалдықтары бар және пластиктерді (поливинилхлорида,уретан және т.б.) қалдықжағқыш қондырығыда жаққанда диоксин пайда болады. Диоксин атмосфераға, топыраққа және су бассейндерінне тез еніп, химиялық ластану ортасының белсенді көзіне

айналады. Диоксин тірі организмнің майлы клеткаларында жинақталып, соның нәтижесінде көптеген тағамдық өнімдереге тез сіңеді. Бұдан басқа диоксин өте берік қосылыс және ағзаға нашар қайта өңделеді ( қазір диоксинді ананың сүтіненде кезіктіруге болады).

Барлық айтылған жайттар диоксинді экологиялық затқа қатысты өте қауіптілердің бірі деп есептейді. Диоксиндермен күресу құралы қалдықты өртеуге арналған жоғары температуралық пештер болып табылады, бірақ бұл әдіс ( оның қымбатшылығына байланысты) мәселені шешуге мүмкіндік бермейді. Нанотехнология қауіпті құрамында хлорбар пластиктер немесе қосылыс заттардың орнын басуға мүмкіндік береді, қоршаған отрадағы ластайтын заттардың деңгейін өлшейтін жоғарысезімтал биодатчик құру керек.

Бұдан басқа, қоқыс және қалдықтарды өңдеуде техниканың мүмкіншіліктерімен жоғарытемпературада өртейтін басқада технологияларды ойластыру қажет. Мүмкін, ХХІ ғасырда адам баласы өзіне «экологиялық қауіпсіз» қоғам жасауына нанотехнология шешімін табуға жол ашады. Көп елдерде (соның ішінде Жапонияда) аса маңызды экологиялық мәселе қышқыл жаңбыр (жаңбыр жауған кезде сумен араласып күкірт және тұз қышқылы жауады) болып табылады. Атмосфераға үлкен көлемде өнеркәсіп өндірісінің қалдықтары және автокөліктердің газ тотықтарының себебінен осындай жаңбыр пайда болады. Осындай қалдықтардың әсерінен жаңбырдан әртүрлі күкірт және азот окситтері (Sox,Nox), олар су буларымен реакцияға түседі, соның нәтижесінде жаңбыр орнына әлсіз қышқыл ертіндісі түседі.

90-жылдардың соңынан бері Жапонияда қышқыл жаңбыр өзекті мәселелердің біріне айналды. Статистика бойынша, Жапонияның орталық облыстарында тыныс алу жолдарымен ауыратындардың саны сол уақытта тез өсті, айта кететін жайт 1974 жылы Тохоху облысында қышқыл жаңбырдың әсерінен шамамен 30000 адам көз көруінің төмендеуі және тері ауруларына шағым түсірген.

Қышқыл жаңбырмен күресудің оңтайлы құралы мұнай мен көмір жандыруда жаңа қауіпсіз энергия көзіне өту болды. Нанотехнология табиғи энергияны қолдануда мысалы (күн энергиясын) орнатылған төмен пайдалы әсер коэффициентті қондырғылардың ашылуы кең етек алды, сонымен бірге көптеген энергиялардың құралдарын жетілдіруге және жасауға (мысалы, батерия, жанармай элементтерінің дамуына) арналған.

Дәріс №12.

Тақырыбы: Нанотехнологияның әлемдік масштабта дамуы.

Шет елдерде нанотехнологияның дамуы. Дүниежүзiнiң ғалымдары ХХI ғасырда нанотехнологияға жаппай бетбұрыс жасады. Ең үздiк техникалық жетiстiктерге қазiргi жағдайда тек қана наноғылымының мүмкiндiктерi арқылы қол жеткiзуге болады. Наноғылымының озық технологияларын игерiп, оны өндiрiсте қолдануда АҚШ, Қытай, Жапония, Германия, Франция мемлекеттерiнiң ғылыми-өнеркәсiптiк кешендерi алдыңғы лекке шықты.

Озық технологияны солай өз ырғағымен, табиғи қарыштатып дамытқан жетекшi елдер қазiрдiң өзiнде осы саладағы қарқынды даму бағдарламаларын жүзеге асыруда. Американдықтар тiптi нанотехнологияны дамытудың Ұлттық бастамасын қабылдап үлгердi. Бiздiң елiмiзге жағрафиялық жағынан жақын орналасқан Қытай 2000 жылдан бастап нанотехнологияның дамуына аса көп мөлшерде қаржы жұмсайды. Қытайда қазiр осы бағытқа негiзделiнген қырық мыңға жуық кәсiпорындар құрылған. Ресей мемлекетi осындай бағдарламаның жүзеге асырылуына 13 миллиард АҚШ долларын жұмсауды белгiледi.

Ресейдің оңтүстік өңірінде өзінің «силиконды жазықтығы» пайда болады. Таганрог қаласында мемлекеттегі ең ірі нанотехнологиялық орталық ашылды, орталық соңғы үлгідегі техникалармен жабдықталған. Ондағы ғалымдар ұзағымен екі жыл ішінде сенсациялық жаңалықтар ашатындарына нық сенімді.

Нанотехнология - ХХІ ғасырдағы ғылыми-техникалық дағдарыстың жетістігі десек, қателеспейміз. Өкінішке орай, адамдарға бүгінгі нанотехнологиялар 50 жыл бұрынғы ядролық технология тәрізді таныс емес дүние болып тұр. Себебі, бүгінгі өндіріс пен ғылымның дамуына жаңа бағыт берген нанотехнология жайлы айтылатын ақпарат жоқтың қасы. Дамыған елдердің осы саладағы жетістіктері таң қалдырарлық. Көршілес жатқан Ресей бұл саланы дамытуға 180 млрд. доллар көлемінде қаражат бөліп отыр. Нанотехнология саласына көңіл бөлген елімізде ұлттық зертхана құрылып, жаңа зерттеулерді жүргізуге арналған жаңа  құрылғылар мен технологиялық жүйелер көптеп сатып алынуда. Сонымен, нанотехнология дегеніміз - молекулалардың жиынтығынан құрылған ерекше бір физикалық қасиеті бар материал. Немесе бір сөзбен айтқанда, заттың бөлшегінен тұтас бір жаңа дүние ойлап шығару дегенді білдіреді. Мәселен, қазір Жапония елінде осы нанотехнологияның арқасында 18 келілік бронды сауыттың орнына жеңіл, әрі киюге ыңғайлы көміртекті бронды жейде жасалынып отыр. Шетелдегідей көп болмағанымен, мұндай жаңалықтан

қазақ ғалымдары да құр алақан болып отырған жоқ. Мұрат Құрмашұлы әріптестерімен бірге дәрілік нанокапсула жасап шығарған болатын. Оның ерекшелігі болмашы ғана бөлігін сырқат жүрекке жақса, науқас инфарктан жылдам оңалады. Бұған қоса, нанокапсуланың әсері өте тез.

Жаһандану дәуiрiнде наноғылым мен оның технологиясы осылай кең өрiстеп, өндiрiстi барлық қырынан жаңартып, тиiмдi әдiстерге барынша жол ашты. Бұл жерде тек жаңалық ашып қана қоймай, оның өндiрiске енгiзiлуiн қадағалау, жұмсалынған қаржының мол қайтарым беруiне қол жеткiзу маңызды. Шағын және орта бизнес саласының кәсiпкерлерiне елiмiздегi нанотехнология өскiндерiнiң берерi аз емес. Қазiр Қазақстанда алты компания нанотехнологияның жобасымен жұмыс жасауда. Ал, жаңалыққа құштар ғалымдарымыз болса өздерiнiң iзденiстерi мол табыс әкелген сайын қанаттанып, наноғылымының тұңғиығына қарай ұмтыла түседi.

Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы. Алматыдағы Әл-Фараби атындағы ұлттық университет жанынан, нанотехнологияларды дамытатын жаңа зертхана ашылды. Онда отандық мамандар ғылыми-зерттеулер жүргізіп, жиырма бірінші ғасырдың серпімді жобаларын әзірлейтін болады. Бүгінгі таңда, нанотехнологиялар адамзаттың ең биік жетістігі. Осы технология арқылы шаштан 100 есе жіңішке нысанаға ұңіліп, галактика сияқты шексіз нәрсені оп-оңай зерттеуге болады. Жаңа құралдардың баста ерекшеліктері, компьютерге тиімді команда беру арқылы, оларды қашықта басқаруға да болады.

Ұлттық нанотехнологиялар зертханасының меңгерушісі: «Бұл құралдарда СТМ деген магнитті ине қолданылады. Бұл құрал арқылы заттың миллиондаған атомға қалай ыдырап жатқанын байқауға болады».

Бүгінгі күні нанотехнологиялар, түрлі салаларла кеңінен қолданылады. Олардың көмегімен, спортқа қажетті құралдар, транзис­торлар, азық-түлік өнімдерін қаптайтын пленка, косметика және киім жасалады. Адамзаттың болашағы, осы нанотехнологияларды дамуы­мен нығыз байланысатын болғандықтан, Қазақстанда наноиндус­трияны дамытатын арнайы бағдарлама әзірленіп, мемлекет басшысы қысқа мерзімде осы саланың ғылыми-техникалық негізін қалап, наноматериалдар мен нанотехнологияларды дайындауға кірісу турасында міндет қойған болатын.

Ұлттық нанотехнологиялар зертханасының директоры: «Біз ХҮІ ғасырдың технологиясын дамытамыз, өзіміздің мемлекетімізде соның төңірегінде оқу жоспарын өзгертеміз. Студенттерді, философия докторларын

дайындағанда пайдаланамыз. Сондықтан нанолабораторияның келешекте өзінінің орнын табады, өзінің жолын және деңгейін табады деп ойлаймыз», - дейді. Қазір еліміздің ірі жоғары оқу орындарында 9 инжирингтік зертханалар жұмыс істейді. Бірақ ұлттық зертханадай ғылыми орталық әзірше жалғыз. Сондықтан алдағы уақытта осындай тағы 4 зертхана ашу жоспарда бар. Онда негізінен мұнай-газ саласына қажетті ақпараттық және биотехнологиялар әзірленетін болады.

Қазақстанда наноғылымы мен нанотехнологияны дамыту үшiн 2007-2009 жылдарға арналып бағдарлама қабылданғанды. Елiмiздiң «Жер, металлургия және байыту жөнiндегi ғылыми орталығы» АҚ таратқан мәлiметтерге қарағанда жоғарыда айтылған бағдарламаны орындау үшiн қаржыландырудың барлық көздерi арқылы 230 миллион теңге бөлiнiптi[10]. Мұның өзi аса маңызды ғылыми-өндiрiстiк саланың дамуында олқылықтардың орын алғандығын дәлелдейдi. Наноғылымы мен оның технологиясын дамытудағы алғашқы кезеңде артта қалғанымыз қалай болар екен?..Әрине, алып елдермен бұл салада бәсекеге түсу бiзге оңай емес. Бiрақ, ғылым мен өндiрiстегi аса маңызды саланы дамытудағы алғашқы кезеңде оның негiзгi бағыттарын белгiлеп, қалыспағанымыз жөн болар едi-ау...

Жоғарыда аталынған бағдарлама нақтылы жобалардан тұрады. Мұндай наножобалардың бағасы мен оны орындаушылары белгiленген. Жобада Ұлбадағы металлургия зауыты шығаратын бериллийдiң негiзiнде конденсатор алу белгiлендi. Бұл жобаны зауыт қаржыландырады. Бiрақ, оны тәжiрибелiк үлгiге жеткiзуге мемлекеттiң қатысуы қажет. Кремний өндiру саласымен тiкелей байланысты бiрнеше жоба бар. Кремний шикiзаты күн батареяларын орнатудағы негiзгi материал болып табылады. Елiмiздiң жер қойнауында осындай 85 миллион тонна шикiзат бар[10]. Қазақстан ғалымдары түрлi компаниялармен бiрлесе отырып, кремний өндiру арқылы келешекте фермерлiк шаруашылықтарға арналған күн батареяларын шығаруды жоспарлады. Бiрақ, бұл бағдарлама ауылды дамыту бағдарламасымен тығыз байланысады. Дамыған Еуропада жылу көздерiн алмастыратын салаға қаржылай қолдау жасалады. Күннiң, желдiң, судың қуат көздерiн пайдалану жылына 300 тәулiк бойына күн шығатын, күштi жел соғатын, оңтүстiк-шығыс аймақта тау өзендерi сарқырап ағатын Қазақстанның экономикалық-әлеуметтiк дамуы үшiн өте пайдалы. Алыстағы жайылымдар мен егiншiлерге түгелдей электр желiсiн апару тым қымбатқа түседi. Нанотехнологияның тәжiрибесi күн сәулесi батареялары көрсеткiшi 36-40 пайызға жеткiзiлгенде ғана бәсекелестiкке қабiлеттi болатындығын көрсеттi. Бұл бағытта ТМД елдерiнде ортақ мақсатқа жұмылған iс-қимыл қажет.

Қазақстанда келешектiң ғылымы аталынған нанотехнологияның араласатын салалары кеңейе түстi. Қазiргi уақытта биологтар клеткаларды жандандырумен шұғылданады. Медицина нанодеңгейде дәрi дайындайды.

Қазақстандық ғалымдар наноғылымының қоғам үшiн пайдалы әрi тиiмдi қызмет көрсетуiне айрықша көңiл аударады. Мәселен, жылдың әр мезгiлiнде елiмiздiң тұрғындарына тұмаудың үлкен қолайсыздықтар тудыратыны белгiлi. Бұл сырқат азаматтардың бұрынғы ауруларын қоздырып, жұмысына, оқуына, қалыпты демалысына үлкен зиянын тигiзедi. Осындай әлеуметтiк зардаптың алдын алуды көздеген ғалымдарымыз қазiр нанотехнологияның негiзiнде тұмауды емдейтiн дәрi жасауға кiрiстi. Ғылым мен өндiрiс бiрлесе жұмыс жасағанда жоғары тиiмдiлiкке қол жеткiзiледi. Электролиздеу жолымен кәсiпорындарда мыстың майда ұнтақтары шығарылатынын әркiм-ақ бiледi. Егер, мыстың майда ұнтақтарын кәдiмгi мотор майына қосса қайтедi? Осындай әдiс арқылы мотордың iшiндегi шағын «жараларды емдеуге» болады екен. Майға араласқан мыс ұнтақтары мотордың iшiндегi жарықшақтарды бiтеп, тегiстейдi екен. Наноғылымының жаңалығы осындай тиiмдi болады. Мұндай наножобаға келешекте автокөлiк өндiрiсiмен айналысатын кәсiпкерлер ынта-ықылас танытатыны анық. Өйткенi, осы әдiс арқылы қымбат механизмдi ұзақ уақыт пайдалануға мүмкiндiк туады. Қарағандылық ғалымдар электр қуатын екi есе үнемдейтiн наноматериал жасауда.

Наноғылымы мен нанотехнология туралы әңгiмелегенде оны дамыта отырып, келешекте оның үлкен әрi тиiмдi өндiрiске ұласатынын көрмеуге болмайды. Қазiргi таңда жедел дамып келе жатқан мұнай-газ және аграрлық кешен саласына наноғылымын қолдану осындай ойларға жетелейдi. Мұнай саласы қазiр нанотехнологияның арқасында жұмыс өнiмдiлiгiн бiр жарым есеге арттыратын катализаторлар алды. Ол сондай-ақ мұнай өнiмдерiнiң сапасын жақсартты. Аграрлық саланың мол мүмкiндiктерiн тиiмдi пайдалану қолға алынды. Жергiлiктi ғылыми-зерттеу институттарымен бiрлесе отырып, биологиялық бағыттағы жұмыстар жүргiзiлуде.

Жоғарыдағы нанотехнологиялық жұмыстарды «Жер, металлургия және байыту жөнiндегi ғылыми орталығы» АҚ орталық ұйым ретiнде бағыттап, үйлестiредi. Бұған қоса, аталған мекеме белгiленген жобаларды ең болмағанда тәжiрибелiк үлгi дәрежесiне жеткiзу үшiн оны қаржыландырады. Алдағы уақытта бұл мекеме нанотехнологияны дамытуға мүдделi ұйымдармен жұмыс жасай отырып, олардың iс-қызметiн үйлестiрiп, есебiн тыңдауды белгiледi.

Ғылыми ортада қазақстандық нанотехнологиялық идеялардың өмiршеңдiгi мен оның шетелдiк компаниялар мен кәсiпкерлер тарапынан зор сұранысқа ие болып, озық идеяларымыздың кәдеге асып жататыны жиi сөз болады.

Қазақстанға да, Ресейге де медицина, электроника саласына басымдық бермей-ақ, энергетика мен нанотехнология жетістіктері арқылы қоршаған ортаны қорғау, экологиялық мониторинг жасау саласына көңіл аударғаны аб­зал. Әр елге ғылыми потенциалдан нағыз пайда келетін салаларды таңдай біліп, осы салаларда ғылыми жетістіктерді ендіруге дем беру қажет. Өйткені нанотехнология жетістіктерін пайдаланатын салалардың аумағы өте үлкен: ғарыштан бастап, денсаулық сақтауға дейін.

Қазақстан Кеңес заманынан бері күн энергиясын зерттеудің орталығы болып келеді. ҚазҰУ-дың профессоры Тоқтар Исатайұлының басшылығымен ғарышта да, тауда да қолдануға болатын күн батареялары жасалынған болатын. Қазіргі кезде күн батареяларына қойылатын талаптар жоғары. Оны нанотехнологияның көмегімен бәсекеге қабілетті, үнемді, тиімді етуге болады. Ескі құрал-жабдықпен жасалынған батареяларымыз Батыстыкімен бәсекеге түсе алмайтыны анық. Сондықтан адам потенциалын жоғарылатып, материалдық базаны нығайту бағытында қаржы бөлініп, оған экономикалық қажеттілік бо­луы керек. Мәселен, керемет күн батареясы жасалынуы мүмкін, бірақ оны ешкім сатып алмаса, бүкіл еңбектің еш кеткені.

Күн энергиясы - болашақтың энергиясы. Ол экологиялық таза, өте тиімді. Сондықтан қолда бар технологияны жетілдіру керек. Күн батареяларын шығаратын цехтарды ашып, өндірілетін өнімнің сапасын жылдан-жылға жақсарта түссе, құба-құп. Бүгінде күн батареяларын нанотехнологияның көмегімен пышақтың қырындай қылып шығарады. Олармен автокөлік терезелерін, үй шатырларын жабуға болады. Бұл батареялар күннен келетін энергияны электр қуатына айналдырады. Нано­технологияның бірден-бір артықшылығы - наноқұрылғылар наноөлшемдегі энергияны қажет етеді. Осы жерде күн энергиясы - нағыз керектің өзі. Өйткені ол атом энергиясы сияқты өте күшті емес, наноқұрылғылар үшін қажетті энергияның қайнар көзі. Егер күн энергиясын алуды дұрыс дамыта білсе, Қазақстанның электр қуатына деген барлық қажеттілігін өтеуге болады. Әзірге бұл энергия мұнай мен газдан алынатын энергияға қарағанда қымбатырақ болып тұр. Бірақ болашақта көмірсутекті отынның құны артып, адамдар энергияның арзанырақ балама көздерін іздей бастағанда, олардың орнына күн энергиясы келеді.

Қазірдің өзінде оған қызығушылық танытатындар көп. Саяжайға демалуға барғанда газ балонын тасып жүргісі келмейтіндерге күн батареялары таптырмас құрал. Күнге газет қалыңдығындай планшетті жайып тастап, қажетті энергияны алуға болады. Мұндай құралдар Батыста қазірдің өзінде шығарылады. Олар Қазақстанда да өндірілуі мүмкін. Ол үшін өте күрделі технологияның қажеті жоқ. Қазақстанда бұл батареяларды жасай алатын адамдар бар. Енді тек осындай өндірісті дамытатын саясат керек. Ол бүгінгі экономикаға түбегейлі өзгеріс әкелмесе де, болашақтың экономикасы үшін қор болады. Жеке сектор ғалымдарға «өндіріске сіздердің инновациялық жаңалықтарыңыз керек» демейінше, бұл сала алға баспайды.

Қазiргi уақытта Физика-техникалық институт халықаралық патентке ие болды. Бiрақ кез келген елдегi патентке қолдау жасау үшiн 50 мың АҚШ долларын төлеуге тура келедi. Соған қарамастан барлық елдердегi ғылым мен

техниканың соңғы жаңалықтарын жiтi қадағалап, ақпарат алмасып, қоян-қолтық жұмыс жасауға тура келедi.

Дәріс №13.

Тақырыбы: Нанотехнология саласында мамандар даярлау.

Шетелдегі білім беру жүйесінде көптеген ғылым салаларында мамандар даярлау өзгерістерге толы болып жатыр, оның себебі көптеген бағыттар бойынша ғылыми кадарларды даярлау барысында пәнаралық байланыстар туындайды және нанотехнология бойынша арнайы курстар, электрондық оқу қуралдары пайда бола бастайды. Білім беру жүйесінің осы саласында АҚШ, Жапония, Германия, Франция және Дания елдері басым түсіп отыр.

Нанотехнология ғылымының жылдам әрі сәтті дамуы үшін, жаңа оқу курстары мен бағдарламаларын жасап шығару қажет. Бұл өз кезегінде осы сала бойынша ғалымдардың жаңа буынын дайындауға мүмкіндік береді. Нанотехнология ғылымы жан-жақты даярланған, тек қана физика саласында ғана емес, сондай-ақ химия, техникалық ғылымдар, биология, материалтану ғылымдары саласында да жетік білімі бар маманды қажет етеді. Сол мақсатта Ресейде осы салада арнайы курстарды тек бір ғана маман емес, бірнеше жан-жақты маманданған ғалымдар дәрістер оқиды. Көптеген университеттерде «Нанотехнология», «Нанотехнология және наноматериалдар» деген атпен жаңа мамандықтар ашылған. Бізде Қазақстанда бұл салада жаңалық ашып жатқан мамандар өте көп деп айтуға келмейді. Бірақ ғылымның бұл саласында Қазақстанда да жаңа бағдарламалар, жобалар жасалып жатқандықтан жарқын болашақта бізде де арнайы маманданған осы саланың мамандары пайда болады деп болжауға болады. Сол себептен Еуропаның алдыңғы қатарлы университеттеріндегі білім беру бағдарламаларын үлгі ретінде ала отырып, бізде де ғылымның осы жаңа саласында жоғары білімді мамандар даярлауды қолға алу аса қажет.

Дәріс №14.

Тақырыбы: Нанотехнологияның пәнаралық байланыстары.

Соңғы жылдары нанотехнология білімнің жаңа саласы ретінде физиканың, химияның, биологияның, техникалық ғылымдардың алдыңғы шебінде тұрған ең маңызды және қызықты білім саласы болып табылады. Дүниежүзінде нанотехнология саласы ХХІ ғасыр технологиялары үшін маңызды болып саналады.

Маңызды технологиялар мен материалдар үнемі шеңбері тар функциялар мен әлеуметтік функцияларды ғана орындаумен бірге өркениет тарихында үлкен рөлді атқарады. Көп сарапшылардың пікірі бойынша, ХХІ ғасыр наноғылым мен нанотехнологиялар келбетін анықтайтын ғасыр болып есептеледі. Нанотехнологиялардың өмір сүруге әсер етуі жалпы сипатқа ие болуы, экономиканы өзгертіп, тұрмыс-тіршіліктің, жұмыстың, әлеуметтік қатынастардың барлық жақтарына қатысты болуы мүмкін. Нанотехнологиялардың көмегімен біз уақытты үнемдеп, төмен бағамен үлкен игілікке ие болып, үнемі өмір сапасы мен деңгейін көтере алады. Наноиндустрия атомдар мен молекуларды басқаруға байланысты үдерістерді технологиялық, машина жасау, өндірістік және ғылыми қамтымға негізделеді. Нанотехнологиялардың дамуы – әдеттегі шикізаттан гөрі атомдардан және молекулалардан тікелей кез келген мақсаттағы объектілерді алуға мүмкіндік беретін молекулярлы құрылымдардың басқарылатын синтезіне барар жол. Нанотехнологиялық үдерістердің кванттық сипаты оларды жоғары деңгейдегі ғылымды қажет етеді және ғылым мен технологиядағы жаңа бағыттардың дамуына жағдай жасайды.

Дүниежүзінің барлық дамыған елдерінде байқалатын нанотехнологиялық «серпіліс» осы саладағы басылымдардың күрт өсумен сипатталады. Нанотехнология мәселелері бойынша журналдар басып шығарылады, көп кітаптар жазылды, Ғаламторда көптеген сайттар жасалды.

Нанотехнология саласындағы зерттеулердің дамуы біртіндеп пәнаралық сипатқа ие болып келеді және маңызды ашылымдар жасалатын көптеген ғылым және технология саласын қамтиды. "Наноғылым мен нанотехнологиялар саласындағы зерттеулер – жекелеген эксперименттердің топтастыру ғана емес, сондай-ақ, білімнің пәнаралық саласы – дейді Алан Портер, Джорджия Технологиялық институты жанындағы Өнеркәсіптік, инженерлік жүйелер мен мемлекеттік саясат мектебінің профессоры және мақала авторы (Schools of Industrial and Systems Engineering and Public Policy at the Georgia Institute of Technology). – Біз наноғылымның кез келген категориясындағы зерттеулер көптеген басқа саладағы жұмыстарға қызығушылық танытатындығын анықтадық".

Дамудың қысқа мерзімінің болуына қарамастан, физика, химия, биология және басқа да іргелі ғылымдардың жетістіктеріне сүйенген нанотехнологияның болашағы зор болмақ және ол адам қызметінің көптеген салаларында адам сенгісіз мүмкіндіктерге ие болып отыр. Болжам бойынша,

нанотехнология адам өмірін күрт өзгертіп, табиғатта болып жатқан үдерістерге әсер етеді. АҚШ сарапшыларының мағлұматтары бойынша 10-15 жылдан кейінгі нанотехнологияның дамуы айналымы 1 триллион долларды және миллиондаған жұмыс орындарын құрайтын экономиканың жаңа саласын құруға жағдай жасайды, ал 2030 жылы дүниежүзіндегі өнімнің жартысы нанотехнологияны қолдана отырып жасалмақ. Нанотехнология қолданылатын саланың көп бөлігі ғалымдардың өзіне белгісіз болып отыр.

Нанотехнология, наноғылым пәнаралық сала болып есептеледі және бір-бірін толықтыратын ғылым мен технологиялар негізінде пәнаралық зерттеуді өткізуді қажет етеді, осының нәтижесінде жаңа өнімдер мен әдістер пайда болады.

Аз ғана уақыт ішіндегі дамуға қарамастан, нанотехнология тетіктердің, құрамдас бөліктердің және тораптардың наноөлшемдері бар аспаптарды, машиналарды және кіріктірілген жүйелерді практикалық құрастыру мен жасау міндеттеріне жақындай түсті. Инженерлік практикаға арналған осындай жаңа өрісті игеру үшін макроөнім өндірісі кезіндегі дәстүрлі негіздемелер мен амал-тәсілдерге қарағанда іргелі негіздер мен амал-тәсілдер қажет. Олар кванттық физика, биохимия, молекулярлы биология және т.б. заңдарға негізделуі керек.

Қазірге дейін осы бағытта алғашқы қадамдар ғана жасалды. Алайда, болашағы зор мүмкіндіктер қоғам дамуының маңызды міндеттерінің кең спектрін шешу үшін табиғаттың наноқұрылымдарға енгізген шексіз әлеуетін жылдам пайдалануға ғалым мен инженерлерді ынталандырады.

Нанотехнологияның дамуында (әр инновациядағыдай) оны түрлі салада (медицинада, әскери техникада және т.б.) қолданудың әлеуетті қауіп бар екендігі айдан анық.

Этикалық мәселелер де туындайды, олар адамдарды әлеуетті пайда болған қауіптен қорғау үшін тиісті шешімдерді талқылау, талдау және қабылдауды қажет етеді.

Осыған қарамастан, қазіргі кезде нанотехнология алға қарай бағыт алып отыр. оның қоғамдық өмірге ықпалы жалпы сипатқа ие және өмір сүрудің, тұрмыс-тіршіліктің, әлеуметтік қатынастардың барлық жақтарына қатысты болып отыр.

Нанотехнологиялардың пәнаралық мәнін түсіну зерттеу нәтижесіне ықпал ететін дұрыс ортаны жасау үшін маңызды болуы мүмкін.

Дәріс №15.

Тақырыбы: Айналамыздағы нанотехнологиялар: шындық және болашақ.

Өндірістер мен индустрияның дамуында нанотехнологияның орны мен ролі орасан зор. Қазіргі таңда нанотехнологияны қолға алып жатқан бірден-бір мемлекет ол – АҚШ. АҚШ нанотехнологиялық жоспарлар мен жобаларға 2004 жылдың өзінде 464 миллион доллар, ал 2005 жылы 1 миллиард доллар қаржы бөлінген болатын, 2006 жылы 1,1 миллиард доллар бөлініп оны 2 миллиард дейін көтерген еді. Сол кездері көптеген лабораториялар мен HP, NEC және IBM сынды компаниялар, университеттер ізденіс жұмыстарын жүргізді.

2025 жылы нанотехнология негізінде жасалған жұиыстардың өнімін алу жоспарланып отыр. Нанотехнология ауыл шаруашылығында революция жасауы мүмкін, мысал ретінде жай шөптен сүт алуымыз мүмкін. Сонымен қатар нанотехнологиядан экологияға зиянды қалдықтар бөлінбейді, экологиялық тұрғыдан өте пайдалы. Информациялық технологияда да дағдарыс жасайды. Нанороботтар өзге планетада адамдарға қолайлы жағдай жасай алады, адамзат арманын жүзеге асырады. Аналитикалық сараптаманың редакторы Джон Волфе «Дүние жүзі жаңадан құрылады. Нанотехнология ғаламшарымызды таң қалдырады» деп жазады.

Медицина және биология. Қазір ең маңызды, ең толғандыратын тақырып нанороботтарды наномедицинада қолдану болып тұр. Наноробот қан, лимфа және жүйке жүйесі арқылы ағзаға зиян келтірмей микроорганизмдер мен вирустарды және рак клеткаларын жояды. Сонымен қатар олар керекті дәрі-дәрмекті қажетті орынға жеткізеді, өзге ағзаларға кедергі болмайды. Нанотехнология мәңгілік өмір сыйлайды, өйткені наномедицина жансыз жасушаларға қайта жандандырып, жасарту қабілетін ие. Scientific Americsn журналының мәлімдеуінше жуық арада почна маркасының көлемінде медициналық құрылғылар жасалынады. Ол құралды жарақаттанған жерге қою жеткілікті, ол қан анализін өзі жасап, керекті медикаменттерді қанға сіңіреді. Бұл ғажап емес пе?!

Нанотехнология керемет әскери келешек. Әскери нанотехнология негізі алты сфера бойынша зерттеулер жүргізеді: көрінбейтін технология (көрінбейтін ұшақ, тікұшақтар); энергетикалық ресурстар; өздігіне құрылатын жүйелер (мысалы бұзылған, істен шыққан танктер мен ұшақтарды автоматты

түрде жөндеу); байланыс; сонымен қатар химиялық және биологиялық ластануды анықтап, залалсыздандыру. Соңында қоршаған орта адамзат үшін қолайлы, тиімді болады.