Мавзу-10. Нанотехнологиянинг қўлланилиш соҳалари ва истиқболлари

Мавзу-10. Нанотехнологиянинг қўлланилиш соҳалари ва истиқболлари.
Нанотехнологиянинг энергетика ва атроф-муҳитни сақлашда ўрни. Инсоният ҳаётининг сифати уч “E” га боғлиқлиги қуйидагича қайд қилинади. Булар Энергетика, Экология ва Экономика. Кейинги йилларда фан ва техника соҳасидаги ривожланиш инсонлар ҳаётини тубдан ўзгаришига олиб келмоқда. Бу янгилик нанотехнология ва наноматериаллардир. Наноматериаллардан фойдаланиш фан ва техниканинг ҳамма йўналишларида илмий техникавий револуцияга олиб келади.

• 
  Информацион технологияларда
  
• 
  Янги материаллар ишлаб чиқаришда
  
• 
  Формацевтика соҳасида янги дорилар ишлаб чиқаришда
  
• 
  Экологик тоза ёқилғи ишлаб чиқаришда
  
• 
  Электроэнергиянинг янги манбаларини топишда
  
• 
  Ўта сезгир қурилма ва асбоблар ишлаб чиқаришда
  
• 
  Квант компьютерлари ишлаб чиқаришда
  
• 
  Биотехнология соҳаси ва бошқа соҳаларда
  

Қишлоқ хўжалиги соҳасида умуман ХХ асрда физика ва кимёнинг ривожланишида нанотехнологиянинг таъсири жуда улкан бўлди.
Наноматериаллар олишга қизиқиш асосан 2000-йилдан кейин кескин ошди. 2000-2009 йилларда илмий ишлар сони 10 мингдан ошиб кетди. Ҳар йили кескин ошиш кузатилмоқда.
Албатта нанотехнологиянинг ривожланиши инсоният ҳаётининг иқтисодиёт ва социал соҳаларининг ривожига муносиб таъсир кўрсатади. Иқтисодиёти кучли бўлган даблатлар: АҚШ, Япония ва Россияда нанотехнологиянинг ривожлантирилиш дастурлари қабул қилинган.
Фуллерен молекуласини кашф қилганлардан бири Нобел мукофоти лауреати Р.Смолли инсоният олдида турган глобал муаммолар рўйҳатини тузиб, энергетикани биринчи ўринга қўйди. Энергетика масаласининг ижобий ечим топиши бошқа глобал муаммоларни ҳал бўлишини енгиллаштиради. Энергетик муаммонинг ечими нима? – арзон, экологик тоза, юқори самарадорликка эга янги энергия манбаларини топишдир. Энергияни сақлаш ва бир жойдан иккинчи жойга узатиш ҳам муҳим муаммолардан биридир. Бу масалаларни ечишда нанотехнологиялар муҳим рол ўйнайди. Ҳозирги пайтда ер шарида 6,5-7 млрд аҳолисидан 1,6 млрд киши электроэнергиядан фойдаланишдан маҳрум.
Энергиянинг қайта тикланмайдиган тури – угловодород захираси чегараланган нефть – 40 йил, газ – 60 йил, кўмир 220 йил, ядро ёқилғиси 40 йилдан сўнг тугаши кутилмоқда.
Нанотехнологиялар муқобил энергияни оширишда ҳал қилувчи ролидан ташқари анъанавий энергияни олиш, сақлаш ва узатишда муҳим аҳамият касб этади. Масалан, ҳозирги ишлаб чиқарилаётган электро энергиянинг 10 % дан ошиғи электр токини ўтказувчи симларни исиши натижасида истеъмолчига етиб бормайди. Нанотехнология ёрдамида бу йўқотилаётган энергиянинг миқдорини кескин камайтириш мумкин. Масалан, Cу-симининг таркибига 40 % углерод натрийни киритилса унинг қаршилиги икки баробар камаяди. Демак, ажралиб чиқаётган иссиқлик миқдори ҳам шунақа камаяди.
Нанонайлар киритилган материаллардан ясалган трансформаторлар, электр двигателлар, генераторлар ва бошқа электр асбобларда иссиқлик ажралиш камайиши ҳисобига энергияни тежаш имконини беради.
Яқин ва узоқ келажакда энергияни олишда қайси технологиялардан фойдаланиш кўзда тутилмоқда. Ҳозирги кунда қайта тикланувчи (муқобил) энергетика соҳаси самарали ривожланмоқда. Бу соҳада нанотехнолгиялар ёрдамида тайёрланаётган ускуналар бозорининг ҳажми ҳар йили 10 % га ошиб бормоқда.
2007 – йилда ушбу соҳага сарфланган маблағ 96 млрд АҚШ долларини ташкил этган бўлса, 2015 – йилда 200 млрд АҚШ доллари сарфланган. Муқобил энергия манбаларининг Ф.И.К ҳар йили ўртача 2 % дан ошиб бормоқда
Қуёш энергиясини ривожлантиришда нанотехнологиянинг ўрнига тўхталадиган бўлсак, бир кунда Қуёшдан Ер сиртига тушаётган энергия, инсоният бир йилда истеъмол қиладиган энергиядан ошиқдир. Ҳозирги кунда инсоният томонидан ишлаб чиқарилаётган энергиянинг атига 1 % и қуёш батареяларига тўғри келади. Қуёш энергиясидан кенг фойдаланиш гелиостанцияларнинг жуда қимматлиги, самарадорлиги пастлиги, Ф.И.К ≈ 12-20 % дан ошмайди. Ишлаб чиқарилаётган энергиянинг миқдори йилнинг фаслига ва қуёш нурларининг кўп озлигигиа боғлиқ.
Ҳозирги пайтда ишлаб чиқарилаётган қуёш батареяларининг 90 % қисми кремний асосида тайёрланади. Бу ҳол дунё бозорида Си пластинкаларнинг баҳоси ошишига олиб келади. Кремний асосида қуёш электростанциялари қуришда олинадиган 1 W электр энергияси учун 3 АҚШ доллари сарфлашга тўғри келади.
Қуёш энергиясидан фойдаланиш самарадорлигини ошириш учун кремний ўрнига замонавий гетероструктуралардан иборат қурилмалар ишлаб чиқариш лозим. Гетероструктуралар ҳақида ўтган мавзуларда гапирган эдим.
Қуёш энергетикасида тағин бир йўналиш қуёш батареялари элементлари яратишда жуда юпқа, кремнийсиз қатламлардан иборат наноструктуралардан фойдаланишга ўтишдир. Бу йўналишда кўпгина мамлакат олимлари изланишлар олиб бормоқда. Торонто университети олимлари нанотехнологиялар ёрдамида пластик материаллардан қуёш батареяларининг янги авлодини яратишди. Улар янги материал олиш учун махсус тайёрланган нанозаррачаларни полимер билан аралаштирдилар. Бу пластик ёруғликнинг инфрақизил нурларини ҳам қабул қилади. Натижада, пластик батареялар булутли кунларда ҳам, тунда ҳам узлуксиз ишлаш имкониятига эга бўлади. Олимларнинг фикрича яқин келажакда бу материал 30 % қуёш энергиясини ютиш икмониятига эга бўлади. Ҳозир эса 6 % дан ошмайди. Пластикни буёққа _________ исталган сиртга суртиш ёки плёнкаларга ёпиштириш мумкин.
АҚШда ва бошқа давлатларда ўзлари яратган янги технологиялар асосида қуёш пластиналарини ишлаб чиқара бошлади. Алюминий фолга қалинлигидаги металл тахтага қуёш энергиясини ютувчи “ноно-сиёҳ” нинг юпқа қатлами машиналар ёрдамида муҳрланади. Бундай нано-қуёш батареяларида кремний ишлатилмагани учун ишлаб чиқарган энергияси нархи 1 ватт 30 cентдан ошмайди. Бундай пластинкаларни уйларнинг томига ва бошқа исталган нарсага ёпиштириш мумкин.
Корнел университети (АҚШ) физиклари нанонайлар асосида янги типдаги фотодиодлар яратдилар. Тажриба шуни кўрсатдики бу фотодиодлар ҳозир ишлатилаётган фотодиодларга нисбатан анча кўп электроэнергия берар экан. Бу фотодиодларни ишлаб чиқаришда бир қатламли нанонайлардан фойдаланилган. Нанонай иккита контактга уланиб, мусбат ва манфий зарядлар манбалари орасида жойлаштирилган. Кейин нанонай ҳар хил тўлқин узунликдаги лазер нурлари билан ёритилган. Текширишлар шуни кўрсатадики, нанонай цилиндр шаклида бўлганда ундан лазер нури таъсирида кўп миқдорда фотоэлектронлар уриб чиқарилади ва унинг нанонай бўйлаб ҳаракати яна янги электронларни сиқиб чиқаради. Натижада, фототокдан ташқари эркин электронлар оқими юзага келади. Демак, нанонайни самарали қуёш элементи деб қарашимиз мумкин. Ҳозиги пайтда амеркалик олимлар қуёш энергияси нархини камайтириш мақсадида наносимлар асосида фотоэлектрик элементларни ишлаб чиқаришни йўлга қўймоқда. Бу қуриламалар одатдаги қуёш батареяларидан икки баробар кўп электр энергияси беришга қодир. Ҳозирги кунда нанотехнологиялар ёрдамида қуёш энергиясини тўғридан-тўғри электр энергиясига айлантирувчи, Ф.И.К етарли даражада катта бўлган фотоэлектрик элементларнинг лаборатория наъмуналари яратилган. Бундай фотодиодлар нархи аморф кремний асосида тайёрланган элементларга нисбатан икки баробар арзон.
Шундай қилиб, наноматериалларни қуёш энергетикасида қўллаш кўпгина муаммоларни ечиш имконини беради.
Океан тўлқинларининг кўтарилиши ва қайтиши ҳодисасидан электр энергиясини олишда унумли фойдаланилмоқда. Францияда шу ҳодиса ёрдамида 240 МВт бўлган электростанция электр энергиясини бермоқда.