+адим замонларданн инсон ызининг атрофидаги жисмлар =андай ва нималардан тузилган деган саволларга жавоб истаб келган

Нанофизика - XXI аср фани.
А.Э.Алиев, С.С.Қурбонов, А.А.Саидов

Мана тўрт йилки инсоният янги XXI асрда яшамоқда. Фан ва техниканинг ривожланиши ҳаётимизга янги асбоблар, қурилмалар, тушунчалар ва иборалар олиб кирмоқдаки, бу тушунчалар аввалига тор доирадаги мутахассислар орасида ишлатилган бўлса жуда тезда кенг ёйилиб кундалик ҳаётимизнинг бир бўлагига айланиб қолмоқда. Ўтган аср айниқса бундай янгиликларга бой бўлди. Ҳозирда электр, автомобил, самолёт, ракета, сунъий йўлдош, компьютер, атом физикаси, микроэлектроника ва шунга ўхшаш жуда кўп тушунча ва атамалар мактаб дастурларига киритилиб, улар ҳақида тасаввурга эга бўлмаган кишиларни топиш анча мураккаб масаладир.

Ўтган асрнинг охирги ўн йилликлари фанга янги тушунчалар – нанофизика, нанотехнология, наноструктурали материаллар - олиб кирдики бу тушунчалар аввалига қаттиқ жисмлар физикаси соҳасида фаолият кўрсатаётган олимлар учун қизиқиш уйғотган бўлса, янги асрда бу тушунчалар фан ва техниканинг бошқа соҳалари мутахассислари орасида ҳам жуда кенг тарқалмоқда ва тадқиқотларнинг долбзарб муаммоларидан бирига айланмоқда. Нанофизика ёки наноўлчамли материаллар физикаси деганда асосан кичик ўлчамли физик системалар тушунилади. Кичик ўлчамли физик системалар деганда нимани тушунамиз?
Маълумки қадим замонлардан инсон ўзининг атрофидаги жисмлар қандай ва нималардан тузилган деган саволларга жавоб истаб келган. қадимий юнон файласуфи Демокрит модда тузилиши ҳақида минг йиллар олдин илгари сурган «барча моддалар жуда кичик, бўлинмайдиган зарралар – атомлардан ташкил топган» деган ғоя йигирманчи аср бошида ўз исботини топди. Ҳозирги фан тасаввурида ҳар қандай модда – бу фазонинг маълум қисмида жойлашган атомлар тўпламидан иборатдир. Модданинг хоссалари эса бу атомларнинг қай тартибда жойлашганлиги билан аниқланади. Биз одатда нисбатан катта ўлчамли жисмлар билан мулоқатда бўлганимиз учун атом ўлчамлари ҳақида ўйламаймиз. Жисм ўлчамига таълуқли булган тез-тез ишлатиладиган тушунчалардан бири бу микрондир. Биз микроб, микроэлектроника, микрохирургия, микрожараён каби ибораларни кўп қўллаймиз, лекин ҳамма вақт ҳам бу ўлчамнинг реал мазмунинига эътибор бермаймиз. 1 микрон ёки 1 микрометр (қисқартириб ёзилганда 1 мкм) таърифи бўйича метрнинг миллиондан бир бўлаги бўлиб, миллиметрнинг мингдан бир қисмига тўғри келади. Таққослаш учун айтиш мумкинки инсон сочининг ўртача қалинлиги 50-100 микронга тенг бўлиб, кетма-кет қўйилган 10-20 дона соч толаси 1 ммни ташкил этади. Атом олами ўлчамлари ҳақида гап кетганда эса микроннинг мингдан бир бўлагига тенг нанометр (нм) ва микроннинг ўн мингдан бир бўлагига тенг Ангрестрем (А) билан иш кўрилади. Кўриш мумкинки 1 нм 1 метрнинг миллиарддан бир бўлагига, 1 А эса 1 метрнинг ўн миллиарддан бир бўлагига тенг. Бундай кичик ўлчамдаги нарсаларни фақат жуда катта катталаштириш қобилиятига эга электрон микроскоплар ёрдамидагина кўриш мумкин.
Одатда модданинг физик хоссалари: зичлиги, мустаҳкамлиги, электр, иссиқлик ўтказувчанлиги, эриш ва қайнаш температуралари ва бошқалар модданинг жуда кўп миқдордаги атомлари бир жойга йиғилганда намоён бўладилар, ёки бошқача қилиб айтганда, улар атомлар мажмуасига тегишли макрокатталиклардир.
Йигирманчи аср фан ва техника тараққиётига жуда катта таъсир кўрсатган тадқиқотлардан бири бу ярим ўтгазгичлар физикаси соҳасига тегишли бўлиб, бу тадқиқотлар аввалига ярим ўтгазгичли диодлар, транзисторларнинг кейинчалик микросхема, катта интеграл схемаларнинг ва микрочипларнинг яратилишига ва микроэлектроника саноатининг пайдо бўлишига олиб келди. Натижада катта-катта биноларни эгаллаган электрон ҳисоблаш машиналари ўрнига жуда ихчам, имкониятлари аввалгиларидан солиштириб бўлмайдиган даражада юқори замонавий компьютерлар, “ақлли” турмуш машиналари, саноат роботлари ва бошқалар юзага келди. Ҳозирги замон компьютерлари секундига триллионлаб операцияларни бажара олиши билан бирга жуда кичик хажмда жуда катта миқдордаги информацияни сақлаб тура олади. Модданинг ярим ўтгазгичлик хоссаларига асосланган элементларда физик жараёнлар микронлар тартибидаги соҳаларда юз бериб, замонавий микрочипларда кремний кристалининг кичик бўлагида бир - бирига уланган миллионлаб диодлар, транзисторлар, қаршиликлар, конденсаторлар жойлашгандир. Ҳозирда кристал ўлчамларини янада кичиклаштриш ва элементлар зичлигини ошириш устида қизғин иш олиб борилмоқда. Лекин микросхемалар ва комьпютер процессорларини (микрочипларни) ишлаб чиқариш бўйича дунёнинг етакчи Intel, AMD ва Motorola компанияларининг ҳисобига кўра, кейинги 10-20 йил ичида кремний микрокристаллари ўзининг охирги энг кичик ўлчамларига эришади ва уларни янада камайтириш ҳеч қандай фойда бермайди. Гап шундаки, ўтган асрнинг охирги ўн йилликларида олиб борилган тадқиқотлар шуни кўрсатдики модда заррасини ташкил этган атомлар сонининг камайиб бориши, яъни модда зарраси ўлчамининг камайиб бориши унинг физик хоссаларининг ўзгаришига олиб келар экан. Мисол учун олтин металлар синфига мансуб бўлиб одатда электр токини жуда яхши ўтказади. Олтин заррасининг (кластерининг) ўлчамлари 100 нм гача кичрайтирилганда ҳам улар металлик хоссаларини сақлаб қолади, лекин янада кичикрок ўлчамдаги (10 нм) олтин кластерларида металлик хоссалари йўқолиб бориб, ярим ўтказгичларга хос хусусиятлар намоён бўла бориши кузатилган. Бундан хам кичикрок ўлчамдаги олтин кластерлари диэлектрик хоссаларига эга бўлади, яъни улар электр токини мутлақо ўтказмайди. Бундай ўзгаришларнинг асосий сабаби шундаки, зарра ўлчамлари нанометрлар даражасида бўлганда модда хоссаларини намоён қилувчи электронлар ўзини катта ўлчамли ҳолдагидан бошқача тутади ва фарқли қонунларга бўйсунади. Бундай ўлчамларда классик физика қонунлари ўрнини квант механикаси қонунлари эгаллайди. Шунинг учун ҳам кичик ўлчам билан боғлиқ ҳодисалар “квант ўлчамли ҳодисалар” деб ҳам аталади. Микроэлектроникада қўлланиладиган ярим ўтгазгичлардаги барча жараёнлар электронларнинг кўчиши (ток оқиши) ҳисобига амалга ошади, лекин 2 нмдан кичик ўлчамларда электрон одатдаги электр ўтказгичлардагидек ҳаракат қила олмай қолади ва бундай ўлчамли диод, транзистор ва бошқалар ўз вазифасини бажара олмайди.
Бундай чекланишлар олимлар олдига ярим ўтказгичлар ўрнини босувчи янги материаллар излаб топиш ва ҳосил қилиш вазифаларини қўйди. Олиб борилган изланишлар нанофизика фанининг, наноструктурали материаллар олиш технологияларининг (нанотехнологиянинг) пайдо бўлишига олиб келди. Бу йўналишдаги илк натижа сифатида 1986 йилда IBM компаниясининг тадқиқотчи олимлари ўз компаниялари номини 36 ксенон атомидан иборат ҳарфлар билан ёзиб, атомлар кўчишини бошқариш мумкинлигини кўрсатиб берганини айтиш мумкин.
Ҳозирда ҳосил қилинган ва муваффақиятли ишлатилаётган наноструктурали материаллар сифатида фуллеренларни, углеродли нанотрубкаларни, фотон кристалларини, ғовак кремнийни, наноипларни, ярим ўтказгичдаги квант ўлчамли структураларни ва бошқаларни мисол қилиб кўрсатиш мумкин.
Зарралар ўлчамининг кичиклашиши модданинг нафақат физик-химик хоссаларини, балки ташки геометриясини ҳам ўзгартиради. Микрокристалдан нанокристалга ўтганда кристалнинг қирралари ўтмаслашиб, у кўпрок юмалоқ шаклга эга бўлади. Наноматериаллардан бири фуллерен молекуласи 60, 70 ёки 90 та углерод атомидан ташкил топган бўлиб, у ичи бўш шар шаклидадир. Углерод нанотрубкасининг эса деворлари ўзаро боғланган қатор углерод атомларидан иборатдир. Бундай структура биринчи марта Япониянинг NEC компанияси тадқиқотчилари томонидан ҳосил қилинди. Диаметри 1,2 нм бўлган ва ажойиб хоссаларга эга бундай нанотрубкалар яқин келажакда микрокристаллардаги транзисторлар ва ўтказгичлар ўрнини эгаллаши мумкин. Нанотрубкалар олмосдан кейинги ўринда турувчи энг қаттиқ материал ҳисобланади. Бундай цилиндрик нанотрубкалардан тайёрланган материал ер юзида ҳозиргача маълум бўлган барча материаллардан мустаҳкамроқ ва енгилроқ бўлади.
Наноструктурали материалларни ҳосил қилиш алоҳида муаммо ҳисобланади. Бу мақсадларда турли усуллардан кенг фойдаланилади. Молекуляр – нур эпитаксияси усули иқтисодий жиҳатдан анча қиммат усул ҳисобланиб, ўта юқори вакуум шароитида атомлар оқимидан намуналар ҳосил қилинади. Бир мунча оддий ҳисобланган электрохимиявий усуллар билан намуналар олишда кристал таркибидаги маълум модда атомлари чиқариб олинади ва қолган «скелет» наноструктурали ғовак материал ҳисобланади. Айнан шу усул билан олинган, ажойиб оптик ва электр хоссаларга эга ғовак кремний нанофизика соҳасида ишлаётган олимлар ўртасида катта шов-шувга сабаб бўлди. Маълум бўлдики, кремний пластинкаларига электрохимиявий ишлов бериш шарт-шароитларини ўзгартириб ғовак қатламли структуралар ҳосил қилиш мумкин ва бу структуралар кўндаланг кесим юзаси нанометр ўлчамида бўлган иплардан, яъни «квант иплар»идан иборат бўлади. Наносистемаларга тегишли квант механикаси асосидаги назарий ҳисобларни тажриба натижалари билан солиштириш учун ғовак кремний энг қулай материал ҳисобланади.
Истиқболли наноструктурали материалларнинг бошқа бир тури бу наноўлчамли ғовакларга эга материаллар - ғовак матрицалардир. Опаллар, цеолитлар, фуллеренлар, ғовак шишалар ва бошқа бир қанча бирикмаларни шундай материаллар қаторига киритиш мумкин. Матрицанинг наноўлчамли ғовакларига киритилган модда ўз хоссаларини сезиларли даражада ўзгартиради.
Заргарликда қадимдан ишлатиб келинган, камалак рангидек товланувчи ярим қимматбаҳо тош – табиий опал наноструктурали бирикмалар (композитлар) учун қулай матрица ролини ўйнаши мумкинлиги аниқланди. Табиий опал кристалининг турли рангларда товланишининг асосий сабаби унинг тузилиши бўлиб, у диаметри 200-500 нмли кварц шиша шарлардан ташкил топгандир. Ҳозирги кунга келиб диаметри 200-300 нм ўлчамдаги кварц шиша шарларидан ташкил топган анча мукаммал (шарлари мунтазам тартибда жойлашган) синтетик опал кристаллари олинган. Бу кристалларда катта шарлар ўз навбатида кичик ўлчамдаги шарлардан (30-40 нм), кичик шарлар эса ундан хам кичикроқ – диаметри 7 нмга тенг шарлардан тузилган бўлиши мумкин. Шарлар орасида бўшлиқлар ғоваклар системасини ҳосил қилади. Бу ғовакларни бошқа бир модда билан тўлдириш орқали ажойиб электрон, оптик ва иссиқлик хоссаларига эга композит бирикмалар олиш мумкин.
Лекин нанотехнологияни амалий мақсадларда қўлланилиши ҳали фақат бошланғич босқичда турибди, холос. Шунга қарамасдан, саноатнинг кўплаб тармоқлари нанотехнологиянинг асосий ютуқларидан кенг фойдаланмокда ва бундай технологияларга талаб ортиб бормокда.
Нанотехнологияни ривожлантириш ҳақида гап кетганда асосан қуйидаги уч йўналиш кўзда тутилади:

• 
  ўлчамлари молекулалар ва атомлар ўлчамлари тартибида бўлган актив элементлардан иборат электрон схемалар тайёрлаш;
  
• 
  молекулалар ўлчамидаги механизмлар ва роботлар, яъни наномашиналар яратиш;
  
• 
  бевосита, алоҳида олинган атом ёки молекулалар билан иш олиб бориш ва улардан барча мавжуд нарсаларни йиғиш.
  

АКШ Миллий аэрокосмик агентлигининг (NASA) молекуляр физика сохасидаги мутухассис олимлари Ал Глобус ва Леон Кревит раҳбарлигида наномеханизмларни моделлаштириш ва уларнинг прототипларини яратиш бўйича, уларнинг француз ҳамкасблари томонидан эса якка айланувчи молекула ва ДНК молекуласи бўлагидан наномотор яратиш устида изланишлар олиб борилмокда. Компьютерда моделлаштиришнинг охирги натижаларига кўра, бу мотор бир секундда юз миллиард марта айлана олиши мумкин ва бундай тезликда айланувчи наномоторда молекуляр структура бузилмасдан сақланади. Келажакда бундай қурилмалар наномашиналарни энергия билан таъминлайди деб қаралмокда.
Медицина соҳасида одам ичида «яшовчи» ва ҳосил бўладиган жароҳатларни тузатувчи, юзага келиши мумкин бўлган касалликларнинг олдини олувчи врач-роботлар яратилиши кутилмоқда. Scientific American журналининг ёзишига кўра яқин келажакда почта маркасидек медицина қурилмалари яратиладики, уни жароҳатланган жойга қўйилса бас, у мустақил равишда қон таркибини анализ қилиб, керакли дори-дармонни жароҳатга киритади. Нанотехнологиялар қишлоқ хўжалигида революция қилиши мумкин. Келажакда молекуляр роботлар ўсимликлар ва жониворларсиз тўғридан-тўғри озиқ-овқат маҳсулотлари ҳосил қилишлари мумкин. Яқин келажакда эса хоссалари олдиндан белгиланган, юқори сифатли ва мўл махсулот берадиган ўсимлик навлари ва чорва моллари зотлари етиштиришда нанотехнологиялар катта кўмак бериши кутилмоқда. Баъзи нанозарраларнинг инсон саломатлиги учун хавф туғдирувчи моддаларни ўзида ушлаб қолиш қобилияти уларни атроф мухитни тозалашда, экологик ҳолатни яхшилашда ишлатишга имкон беради. Хулоса қилиб айтганда нанотехнологиялар ҳаётнинг барча жабҳаларига кириб бориб яқин келажакда физика, химия, биология, медицина, қишлоқ хўжалиги, техника соҳаларида тубдан ўзгаришларга сабаб бўлади деб айтиш мумкин.
Юқорида тилга олинган наноструктурали материаллар ва наноўлчамли моддаларда кузатилаётган янги физик ҳодисалар республикамизда академик П.К. Ҳабибуллаев яратган илмий мактаб олимлари томонидан кенг кўламда тадқиқ қилинмоқда. Жумладан, Ўзбекистон Республикаси Фанлар академиясининг Иссиқлик физикаси бўлимида магнит хоссасига эга материаллар киритилган ярим ўтказгичларда квант-ўлчамли эффектлар; ғовак опаллар ва боросиликат шишаларга киритилган суперион ўтказгичларда ион ўтказувчанлик ҳодисалари; ғоваклари ҳар хил ишқорий металлар билан тўлдирилган фотон кристаллари ва фуллеренларда ёруғлик таъсирида электр ўтказувчанлик ва люминесценция ҳодисалари; сирт актив моддалар иштирокида наноўлчамли заррачаларнинг ҳосил бўлиш ҳодисаларини ўрганиш устида кенг қамровли илмий тадқиқотлар олиб борилмоқда. Бўлимда ғовак кремний асосида газ ва намликни қайд қилувчи асбоблар яратилди, литийли аккумуляторлар ва ёкилғи элементлари учун наноструктурали қаттиқ электролитлар синтез қилинди. Электр токи таъсирида рангини ўзгартирадиган ва шаффоф бўладиган (электрохром) дисплейлар ва дераза ойналари учун наноструктурали юпқа плёнкалар олишнинг янги технологияси ишлаб чиқилмоқда.
Олиб борилаётган ишларга берилган юксак баҳо сифатида ЎР ФА Иссиклик физикаси бўлимида ташкил этилган «Структуравий тасвирлар илмий-технологик маркази» учун зарур бўлган юқори технологияларга асосланган, замонавий асбоб-ускуналар сотиб олиш учун Американинг Фуқаровий тадқиқотлар ва ривожланиш фонди (Civilian Research and Development Foundation) томонидан ажратилган грантни кўрсатиш мумкин. Грант миқдори 315 минг АқШ долларини ташкил этиб, бу маблағга ҳозирда Марказий Осиёда ягона ўтувчи электрон микроскоп сотиб олинди. Германиянинг ЦЕЙС (ZEISS) фирмасида ишлаб чиқарилган бу микроскоп 50-1000000 марта катталаштириш қувватига эга бўлиб, ўлчами 2 ангестремгача бўлган зарралар тасвирини олиш, катта аниқликда текширилаётган моддани ташкил этган атомлар таркибини ва миқдорини аниқлаш имконини беради.
Марказнинг вазифаси Республикада физика, биология, кимё ва техника фанларининг илғор, истиқболли йўналишларидаги тадқиқотларни ривожлантириш, янги наноструктурали материалларга асосланган технологияларни ишлаб чиқиш ва уларни замонавий усул ва асбоб-ускуналар билан тадқиқ этишдан, бошқа илмий тадқиқот институтлари ва саноат корхоналари лабораторияларига изланишлар олиб боришда кўмак беришдан иборатдир. Марказда мужассамлашган замонавий асбоб-ускуналар ва ходимларнинг интеллектуал салоҳияти Марказнинг яқин келажакда нафақат Ўзбекистоннинг, балки жаҳоннинг нуфузли илмий марказлари сафидан жой олишига асос беради.
Бугунги кунда жаҳоннинг илғор давлатларида нанотехнология сохасидаги тадқиқотларга катта эътибор берилмоқда. Жумладан 2—3 йил охирида АКШ конгреси томонидан нанотехнологиялар соҳасидаги тадқиқотларни ривожлантириш бўйича тўрт йилга мўлжалланган дастур қабул қилинди ва 3,7 миллиард доллар маблағ ажратилди. Европа Иттифоқи ва Япония ҳам бу борада орқада қолаётгани йўқ. Ҳисобларга кўра 2025 йилга бориб нанотехнология 2 миллиард ишчи жалб қилинган, ривожланган саноат соҳасига айланади ва унда айланаётган маблағлар миқдори 15 триллион АқШ долларини ташкил этади. қисқача қилиб айтганда технологиялар пойгаси бошланди ва бунда ғолиб чиққанлар келажакда дунё технологиясига етакчилик қиладилар.