Koordinatsion birikmalar hosil bo`lishda ligandlarning o`rni va ularning tuzilish izomeriyasi

Nanomateriallar, nanobirikmalarni olinishi usullari va ularning ishlatilish sohalari

So'nggi bir necha yil ichida nanotexnologiya nafaqat yuqori texnologiyalarning eng istiqbolli tarmoqlaridan biri, balki XXI asr iqtisodiyotida tizimni shakllantiruvchi omil - bilimga emas, balki bilimga asoslangan iqtisodiyot sifatida ham ko'rilmoqda. tabiiy resurslardan foydalanish yoki qayta ishlash. Bundan tashqari, nanotexnologiya barcha ishlab chiqarish faoliyatining yangi paradigmasini ishlab chiqishni rag'batlantiradi ("pastdan yuqoriga" - alohida atomlardan - mahsulotga, "yuqoridan pastga" emas, balki an'anaviy texnologiyalar kabi, bunda mahsulot ishlab chiqariladi. Kattaroq ish qismidan ortiqcha materialni kesib olish orqali olingan) , bu o'zi hayot sifatini yaxshilash va postindustrial jamiyatda ko'plab ijtimoiy muammolarni hal qilish uchun yangi yondashuvlar manbai hisoblanadi. Fan-texnika siyosati va investitsiya sohasidagi aksariyat ekspertlarning fikricha, boshlangan nanotexnologiya inqilobi inson faoliyatining barcha hayotiy sohalarini (kosmik tadqiqotlardan tortib tibbiyotgacha, milliy xavfsizlikdan tortib ekologiya va qishloq xo‘jaligigacha) qamrab oladi va uning oqibatlari shunday bo‘ladi. 20-asrning oxirgi uchdan bir qismidagi kompyuter inqilobidan ham kengroq va chuqurroq. Bularning barchasi nafaqat ilmiy-texnik sohada, balki turli darajadagi ma'murlar, potentsial investorlar, ta'lim sohasi, davlat organlari va boshqalar oldiga ham vazifalar va savollarni qo'yadi.

Nanotexnologiya kompyuter texnikasidagi inqilobiy o'zgarishlar asosida shakllandi. Elektronika yaxlit yo'nalish sifatida 1900-yillarda paydo bo'ldi va o'tgan asr davomida jadal rivojlanishda davom etdi. Uning tarixidagi favqulodda muhim voqea 1947 yilda tranzistorning ixtiro qilinishi bo'ldi. Shundan so'ng yarimo'tkazgich texnologiyasining gullab-yashnashi boshlandi, unda yaratilayotgan kremniy qurilmalarning o'lchamlari doimiy ravishda kichrayib bordi. Shu bilan birga, magnit va optik xotira qurilmalarining tezligi va hajmi doimiy ravishda oshdi.

Biroq, yarimo'tkazgichli qurilmalarning o'lchamlari 1 mikronga yaqinlashganda, moddalarning kvant mexanik xususiyatlari ularda paydo bo'la boshlaydi, ya'ni. g'ayrioddiy jismoniy hodisalar (tunnel effekti kabi). Ishonch bilan taxmin qilish mumkinki, agar kompyuter quvvatining hozirgi rivojlanish sur'ati saqlanib qolsa, butun yarimo'tkazgich texnologiyasi taxminan 5-10 yil ichida fundamental muammolarga duch keladi, chunki kompyuterlarda integratsiya tezligi va darajasi aniqlangan ba'zi "fundamental" chegaralarga etadi. Bizga ma'lum bo'lgan fizika qonunlari bilan. Shunday qilib, fan va texnologiyaning keyingi taraqqiyoti tadqiqotchilardan yangi ish tamoyillari va yangi texnologik usullarga sezilarli "yutuq" kiritishni talab qiladi.
Bunday yutuqga faqat nanotexnologiyalardan foydalanish orqali erishish mumkin, bu esa nanorobotlar kabi tubdan yangi ishlab chiqarish jarayonlari, materiallar va qurilmalarning butun majmuasini yaratish imkonini beradi.
Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, nanotexnologiyalardan foydalanish yarimo'tkazgichli hisoblash va saqlash qurilmalarining asosiy xususiyatlarini uchta kattalik darajasida yaxshilashi mumkin, ya'ni. 1000 marta.
Biroq, nanotexnologiyani faqat elektronika va kompyuter texnologiyalaridagi mahalliy inqilobiy yutuq bilan qisqartirish kerak emas. Ilm-fan va texnikaning boshqa sohalarini rivojlantirishda sezilarli yutuqlarga umid qilish imkonini beruvchi bir qator juda muhim natijalarga erishildi.
Fizika, kimyo va biologiyaning ko'plab ob'ektlarida nano darajaga o'tish alohida birikmalar va ular asosida olingan tizimlarning fizik-kimyoviy xususiyatlarida sifat o'zgarishlarining paydo bo'lishiga olib kelishi ko'rsatilgan. Biz optik qarshilik, elektr o'tkazuvchanlik, magnit xususiyatlar, kuch, issiqlikka chidamlilik koeffitsientlari haqida gapiramiz. Bundan tashqari, kuzatuvlarga ko'ra, nanotexnologiyalar yordamida olingan yangi materiallar fizik, mexanik, issiqlik va optik xususiyatlari bo'yicha mikrometr shkalasi analoglaridan sezilarli darajada ustundir.
Yangi xususiyatlarga ega bo'lgan materiallar asosida quyosh batareyalarining yangi turlari, energiya konvertorlari, ekologik toza mahsulotlar va boshqa ko'p narsalar allaqachon yaratilmoqda. Yuqori sezgir biologik sensorlar (datchiklar) va boshqa qurilmalar allaqachon yaratilgan bo'lib, ular yangi fan - nanobiotexnologiyaning paydo bo'lishi haqida gapirish imkonini beradi va ularni amaliy qo'llash uchun katta istiqbolga ega. Nanotexnologiya materiallarni mikromexanizatsiyalash va shu asosda kelajak avlodlarning iqtisodiy va ijtimoiy hayotiga inqilobiy ta'sir ko'rsatishi kerak bo'lgan yangi ishlab chiqarish jarayonlari va yangi mahsulotlarni yaratish uchun yangi imkoniyatlarni taqdim etadi.

Umumiy xarakteristikalar

Nanomateryallarning tuzilishi va shunga mos ravishda xossalari ularni ishlab chiqarish bosqichida shakllanadi. Nanomateryallarning barqaror va optimal ishlashini ta'minlash uchun asos sifatida texnologiyaning ahamiyati juda aniq; bu ularning iqtisodiyoti nuqtai nazaridan ham muhim.
Nanomateryallar texnologiyasi, ikkinchisining xilma-xilligiga muvofiq, bir tomondan, metallurgiya, fizik, kimyoviy va biologik usullar, ikkinchi tomondan, an'anaviy va printsipial jihatdan yangi usullarning kombinatsiyasi bilan tavsiflanadi. Shunday qilib, agar konsolidatsiyalangan nanomateriallarni olish usullarining aksariyati an'anaviy bo'lsa, u holda skanerlash tunnel mikroskopidan foydalangan holda, masalan, "kvant qalamlari" ni ishlab chiqarish, atomlarning o'zini o'zi yig'ish orqali kvant nuqtalarini shakllantirish yoki ulardan foydalanish kabi operatsiyalar. polimer materiallarda g'ovak konstruksiyalarni yaratish uchun ion-track texnologiyasi tubdan farqli texnologik usullarga asoslangan.
Molekulyar biotexnologiyaning usullari ham juda xilma-xildir. Bularning barchasi mualliflar tomonidan ko'plab texnologik tafsilotlar («nou-xau») faqat umumiy ma'noda tasvirlanganligi va ko'pincha xabar reklama xarakteriga ega ekanligini hisobga olgan holda nanomaterial texnologiya asoslarini taqdim etishni murakkablashtiradi. Bundan tashqari, faqat asosiy va eng xarakterli texnologik usullar tahlil qilinadi.
Nanomateryallarni ishlab chiqarish uchun kukunlarni olish usullari juda xilma-xildir; ularni shartli ravishda kimyoviy va fizikaga bo'lish mumkin, ularning asosiylari, eng xarakterli o'ta nozik kukunlari ko'rsatilgan holda 1-jadvalda keltirilgan.
Qoldiq g'ovaklikni yo'qotish uchun presslangan namunalarni issiqlik bilan ishlov berish kerak - sinterlash. Biroq, nanomateriallarni ishlab chiqarishda qo'llanilganda, kukunli ob'ektlarni sinterlashning odatiy usullari asl nanostrukturani saqlab qolishga imkon bermaydi. Donning o'sishi (qayta kristallanish) va sinterlash (qisqarish) paytida siqilish jarayonlari diffuziya bilan boshqariladi, parallel ravishda, bir-birining ustiga chiqadi va yuqori siqilish tezligini qayta kristallanishning oldini olish bilan birlashtirish oson emas.
Shunday qilib, yuqori statik va dinamik bosim va o'rtacha haroratni qo'llashni o'z ichiga olgan yuqori energiyali konsolidatsiya usullaridan foydalanish donning o'sishini ma'lum darajada kechiktirish imkonini beradi.
Nanostrukturali g'ovakli yarim tayyor mahsulotlarni olish uchun ultra nozik kukunlarni bosish va sinterlashning an'anaviy usullaridan foydalanish mumkin, ular keyinchalik to'liq konsolidatsiya uchun bosim bilan ishlov berish operatsiyalariga duchor bo'ladi. Shunday qilib, kondensatsiya usuli bilan olingan mis kukunlari, zarrachalarining o'lchami ~ 35 nm bo'lgan oksidi (Cu 2 O 3) plyonkasi 3,5 nm qalinlikda, 400 MPa bosimda presslash va vodorodda 230 ºS gacha izotermik bo'lmagan sinterlashdan keyin. (isitish tezligi 0,5 ºS / min) don o'lchami 50 nm bo'lgan 90% nisbiy zichlikka ega bo'ldi. Keyinchalik gidrostatik ekstruziya yuqori mustahkamlik va plastisiyaga ega bo'lgan g'ovak bo'lmagan makronamunalarni ishlab chiqarishga olib keldi (siqishni oqish quvvati 605 MPa, nisbiy cho'zilish 18%).
An'anaviy sinterlash paytida donning o'sishini maxsus izotermik bo'lmagan isitish rejimlari yordamida kechiktirish mumkin. Bunday holda, siqilish va donning o'sishi mexanizmlari o'rtasidagi raqobat tufayli siqilish jarayonlarini optimallashtirish, qayta kristallanish hodisalarini katta darajada bartaraf etish mumkin. Sinterlangan namunadan oqim o'tkazish yo'li bilan amalga oshiriladigan elektrodeşarj sinterlash va chang ob'ektlarini issiq bosim bilan ishlov berish (masalan, zarb yoki ekstruziya) ham qayta kristallanishni inhibe qilishga yordam beradi va nanomateriallarni olish uchun ishlatilishi mumkin. Mikroto'lqinli isitish ostida keramik nanomateriallarni sinterlash, bu namunaning kesimida bir xil harorat taqsimotiga olib keladi, shuningdek, nanostrukturaning saqlanishiga yordam beradi. Shu bilan birga, konsolidatsiyaning sanab o'tilgan variantlaridagi kristallitlarning o'lchami odatda nanostrukturaning don hajmining yuqori chegarasi darajasida, ya'ni. odatda 50-100 nm dan past emas.
Kuchli plastik deformatsiya
Massiv metall namunalarining nanostrukturasini shakllantirish qattiq deformatsiya usuli bilan amalga oshirilishi mumkin. Kvazi-gidrostatik yuqori bosimda burilish, teng kanalli burchakli presslash va boshqa usullarni qo'llash natijasida erishilgan katta deformatsiyalar tufayli parchalangan va noto'g'ri yo'naltirilgan struktura hosil bo'ladi.

Inson faoliyatining turli sohalari va sohalari nanomateriallarning iste'molchilari hisoblanadi.

Sanoat uzoq vaqtdan beri nanopartikullarga asoslangan silliqlash pastalari va aşınmaya qarshi vositalardan samarali foydalanmoqda. Ikkinchisi (masalan, bronza asosida) mashinalar va turli mexanizmlarning ishqalanish zonalariga kiritiladi, bu ularning ishlash muddatini sezilarli darajada oshiradi va ko'plab texnik-iqtisodiy ko'rsatkichlarni yaxshilaydi (masalan, chiqindi gazlardagi CO miqdori 3 ga kamayadi. 6 marta). Ishlash jarayonida ishqalanish juftlari yuzasida aşınmaya qarshi qatlam hosil bo'ladi, u aşınma mahsulotlari va moylash materialiga kiritilgan nanozarrachalarning o'zaro ta'sirida hosil bo'ladi. RiMET tipidagi preparatlar Rossiyada sanoat miqyosida Yuqori dispersli metall kukunlari (Yekaterinburg) ilmiy-ishlab chiqarish korxonasi tomonidan ishlab chiqariladi.
Polimer matritsalariga zarrachalar va tolalar qo'shilishi polimerlarning fizik-mexanik xossalarini, shuningdek, ularning yong'inga chidamliligini oshirishning mashhur usuli hisoblanadi. Avtomobil sanoatida ko'plab metall materiallarni nanozarrachalar bilan mustahkamlangan polimerlar bilan almashtirish avtomobil og'irligi, benzin iste'moli va zararli chiqindilarni kamaytirishga olib keladi.
G'ovakli nanostrukturalar gaz aralashmalarini diffuziya bilan ajratish uchun ishlatiladi (masalan, izotoplar va molekulyar og'irligi bilan farq qiluvchi boshqa murakkab gazlar). An'anaviy zeolitlardagi g'ovak o'lchami ("derazalar" 0,4-1,5 nm oralig'ida o'zgarib turadi va zeolitni hosil qiluvchi tsiklik tuzilmalardagi kislorod atomlari soniga bog'liq. Shuni yodda tutish kerakki, ko'plab g'ovakli nanostrukturalar yuzasining o'zi. katalitik xossaga ega.Har xil ajratish jarayonlarida yuqori selektivlik katalitik hodisalar bilan kuchayadi, bu, masalan, ksilenlar kabi organik birikmalarni izomerlashda ishlatiladi.
Uglerod nanotubalarining katalitik, sorbsion va filtrlash xususiyatlarini o'rganishga ham katta e'tibor beriladi. Misol uchun, ularning yuqori sorbsion xususiyatlari chiqindi gazlarni yo'q qilish qiyin bo'lgan kanserogen dioksinlardan tozalash bilan bog'liq holda qayd etilgan. Fullerenlar va uglerod nanotubalarini vodorodni so'rib olish uchun ishlatish istiqbollari ham jozibali. Bundan tashqari, o'lchamli xususiyatlar (katta uzunlikdan diametrga nisbati va kichik o'lchamlar), keng diapazonda o'zgaruvchan o'tkazuvchanlik imkoniyati va kimyoviy barqarorlik tufayli uglerod nanotubalari yangi avlod elektron qurilmalari uchun tubdan yangi material sifatida ko'rib chiqiladi, shu jumladan. ultraminiatyuralar [ , ].
Nanostrukturali ob'ektlar g'ayrioddiy optik xususiyatlar bilan ajralib turadi, ular dekorativ maqsadlarda ishlatiladi. Najotkor Masihning Moskva sobori gumbazlarining yuzasi titanium nitridi bilan qoplangan titan plitalaridan iborat. Stokiyometriyadan og'ishlarga va uglerod va kislorod aralashmalarining mavjudligiga qarab, TiN x plyonkalarining rangi kulrangdan ko'k rangga o'zgarishi mumkin, bu idishlarni qoplashda ishlatiladi.
Axborotni yozib olish qurilmalari (boshlar, ommaviy axborot vositalari, disklar va boshqalar) magnit nanomateriallarni qo'llashning muhim sohasi hisoblanadi. Ijro qilishning qulayligi, saqlash barqarorligi, yuqori yozib olish zichligi, arzonligi - bu tizimlarga qo'yiladigan talablarning bir qismi. Ko'p qatlamli magnit/magnit bo'lmagan plyonkalarda namoyon bo'ladigan ulkan magnitorezistiv effekt ma'lumotni samarali yozib olish uchun juda foydali ekanligini isbotladi. Ushbu effekt magnit diskli drayverlarning o'qish boshlarida juda zaif magnit maydonlarni ro'yxatdan o'tkazishda qo'llaniladi, bu esa ma'lumotlarni yozish zichligini sezilarli darajada oshirish va o'qish tezligini oshirish imkonini berdi. Ushbu effekt kashf qilinganidan keyin 10 yil ichida 1998 yilda IBM eski texnologiyalarni amalda almashtirib, ushbu hodisaga asoslangan boshli kompyuter qattiq disklarini ishlab chiqarishni 34 milliard dollarga (qiymat jihatidan) oshirdi. Axborotni saqlash zichligi har yili ikki barobar ortib bormoqda.
Hayotning davomiyligi va sifatini oshirish vazifasi umuman biomateriallar va xususan nanobiomateriallar sohasida jadal rivojlanishni rag'batlantiradi. Tibbiyot, biologiya va qishloq xo'jaligida nanomateriallarning asosiy qo'llanilishi juda xilma-xildir:
Jarrohlik va stomatologik asboblar;
Diagnostika, nanomotorlar va nanosensorlar;
Farmakologiya, dori vositalari va ularni berish usullari;
Sun'iy organlar va to'qimalar;
Rag'batlantiruvchi qo'shimchalar, o'g'itlar va boshqalar;
Biologik va radiologik qurollardan himoya qilish.
Dunyo yangi sanoat inqilobi yoqasida turibdi, bu birinchi navbatda nanotexnologiyalar rivojlanishi bilan bog'liq. Etakchi ekspertlarning fikriga ko'ra, uning jamiyatga ta'siri ko'lami bo'yicha, uni XX asrda tranzistor, antibiotiklar va axborot texnologiyalari ixtirosi natijasida yuzaga kelgan inqilob bilan solishtirish mumkin. Bugungi kunda nanotexnologik mahsulotlarning jahon bozori hajmi milliardlab dollar bilan o‘lchanadi (hozircha bu bozor asosan materiallarning xususiyatlarini yaxshilaydigan yangi materiallar va kukunlardan iborat) va 2015-yilga borib, G‘arb ekspertlarining fikricha, u 1 dollardan oshadi. trillion. Yaqin kelajakda rivojlangan mamlakatlarning iqtisodiy, harbiy, ijtimoiy va siyosiy mavqei milliy nanosanoatning rivojlanish darajasi bilan belgilanadi.

3.