Природата е непрекъсната и всяко определение изисква установяването на някакви граници. Затова формулирането на дефиниции е доста неблагодарна работа. Въпреки това, това трябва да се направи, тъй като ясната дефиниция позволява да се отдели едно явление от друго, да се идентифицират значителни разлики между тях и по този начин да се постигне по-дълбоко разбиране на самите явления. Затова целта на това есе е да се опитаме да разберем значението на модерните днес термини с префикса „нано” (от гръцката дума за „джудже”) – „нанонаука”, „нанотехнология”, „нанообект”, „наноматериал”. .

Въпреки факта, че тези въпроси са многократно обсъждани с различна степен на дълбочина в специализирана и научно-популярна литература, анализът на литературата и личният опит показват, че все още няма ясно разбиране на самия проблем в широки научни кръгове, да не говорим за други. -научни и дефиниции. Ето защо ще се опитаме да дефинираме всички изброени по-горе термини, като фокусираме вниманието на читателя върху значението на основното понятие „нанообект“. Каним читателя заедно да помислим дали има нещо, което фундаментално да отличава нанообектите от техните по-големи и по-малки „събратя“, които „населяват“ света около нас. Освен това го каним да вземе участие в поредица от мисловни експерименти върху дизайна на наноструктури и техния синтез. Също така ще се опитаме да демонстрираме, че именно в наномащабния диапазон се променя природата на физическите и химичните взаимодействия и това се случва точно в същата област на мащаба, където минава границата между живата и неживата природа.

Но първо, откъде идва всичко това, защо е въведен префиксът „нано“, какво е решаващо при класифицирането на материалите като наноструктури, защо нанонауката и нанотехнологиите са разделени в отделни области, какво се отнася (и отнася ли се) в това разделяне истински научни основи?

Какво е „нано“ и откъде започна всичко?

Това е префикс, който показва, че първоначалната стойност трябва да бъде намалена милиард пъти, т.е. разделена на единица, последвана от девет нули - 1 000 000 000, например 1 нанометър е една милиардна част от метъра (1 nm = 10 –9 m). ) . За да добиете представа колко малък е 1 nm, нека проведем следния мисловен експеримент (фиг. 1). Ако намалим диаметъра на нашата планета (12 750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) със 100 милиона (10 8) пъти, получаваме около 10 –1 m. Това е приблизително размерът на футболна топка (стандартно диаметърът на футболната топка е 22 cm, но в нашата скала тази разлика е незначителна за нас 2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). Сега нека намалим диаметъра на футболната топка със същите 100 милиона (10 8) пъти и едва сега ще получим размера на наночастицата, равен на 1 nm (приблизително диаметъра на въглеродната молекула на фулерен C 60, подобна на форма към футболна топка - виж Фиг. 1) .

Трябва да се отбележи, че префиксът „нано“ се използва в научната литература от доста дълго време, но за обозначаване на обекти, които не са наномащабни. По-специално за обекти, чийто размер е милиарди пъти по-голям от 1 nm - в терминологията на динозаврите. нанотиранозаври ( нанотиран) и нанозаври ( нанозавър) се наричат динозаври джуджета, чиито размери са съответно 5 и 1,3 m, но те наистина са „джуджета“ в сравнение с други динозаври, чиито размери надвишават 10 m (до 50 m), а теглото им може да достигне 30–40 тона или. Повече ▼. Този пример подчертава, че самият префикс „нано“ няма физическо значение, а само показва мащаб.

Но сега, с помощта на този префикс, те обозначават нова ера в развитието на технологиите, понякога наричана четвъртата индустриална революция - ерата на нанотехнологиите.

Често се смята, че началото на ерата на нанотехнологиите е поставено през 1959 г. от Ричард Файнман в неговата лекция " Има много място в дъното"("Има много място там долу") Основният постулат на тази лекция беше, че от гледна точка на основните закони на физиката, авторът не вижда никакви пречки за работа на молекулярно и атомно ниво, манипулиране на индивида Фейнман каза, че с помощта на определени устройства можете да направите още по-малки устройства, които от своя страна могат да направят още по-малки устройства, и така нататък до атомно ниво, т.е. с подходяща технология отделните атоми могат бъдат манипулирани.

За да бъдем честни обаче, трябва да се отбележи, че Фейнман не е първият, който е измислил това. По-специално, идеята за създаване на манипулатори, които постепенно намаляват по размер, е изразена още през 1931 г. от писателя Борис Житков в неговия научно-фантастичен разказ „Микроръце“. Не можем да устоим да дадем кратки цитати от тази история, за да позволим на читателя сам да оцени прозрението на писателя:

„Дълго си блъсках главата и стигнах до това: ще направя малки ръце, точно копие на моите - дори и да са поне двадесет, тридесет пъти по-малки, но ще имат гъвкави пръсти, като моите , ще се свият в юмрук, ще се изправят, ще заемат същите позиции като живите ми ръце. И ги направих...
Но внезапно ме осени една мисъл: мога да направя микро ръце за моите малки ръце. Мога да направя същите ръкавици за тях, както направих за живите си ръце, използвайки същата система, да ги свържа с дръжки десет пъти по-малки от моите микро-ръце и тогава... ще имам истински микро-ръце, те вече ще да бъде двеста пъти по-малък от движението на мината. С тези ръце ще нахлуя в такива малки неща от живота, които само са виждани, но където никой още не е изхвърлил ръцете си. И се захванах за работа...
Исках да направя истински микро ръце, такива, които да използвам, за да хващам частиците материя, от които е изградена материята, онези невъобразимо малки частици, които се виждат само през ултрамикроскоп. Исках да навляза в тази област, където човешкият ум губи всякаква представа за размера - изглежда, че няма размери, всичко е толкова невъобразимо малко.

Но не става дума само за литературни предсказания. Това, което сега се нарича нанообекти, нанотехнологии, ако желаете, хората отдавна използват в живота си. Един от най-ярките примери (буквално и преносно) е многоцветното стъкло. Например, създадена през 4 век от н.е. д. Чашата на Ликург, съхранявана в Британския музей, когато е осветена отвън, е зелена, но когато е осветена отвътре, е лилаво-червена. Последните изследвания с електронен микроскоп показаха, че този необичаен ефект се дължи на наличието на наноразмерни частици злато и сребро в стъклото. Затова смело можем да кажем, че чашата на Ликург е изработена от нанокомпозитен материал.

Както се оказва сега, през Средновековието металният нанопрах често е бил добавян към стъклото, за да се направи стъклопис. Вариациите в цвета на стъклото зависят от разликите в добавените частици - естеството на използвания метал и размера на неговите частици. Наскоро беше открито, че тези очила имат и бактерицидни свойства, тоест те не само осигуряват красива игра на светлина в стаята, но и дезинфекцират околната среда.

Ако разгледаме историята на развитието на науката в исторически план, тогава можем да подчертаем, от една страна, общ вектор - проникването на природните науки „дълбоко“ в материята. Движението по този вектор се определя от развитието на средствата за наблюдение. Отначало хората изучават обикновения свят, който не изисква специални инструменти за наблюдение. С наблюдения на това ниво са положени основите на биологията (класификация на живия свят, К. Линей и др.) и е създадена теорията за еволюцията (К. Дарвин, 1859 г.). Когато се появи телескопът, хората можеха да правят астрономически наблюдения (Г. Галилей, 1609 г.). Резултатът от това е законът за всемирното притегляне и класическата механика (I. Нютон, 1642–1727). Когато се появи микроскопът на Льовенхук (1674 г.), хората проникнаха в микросвета (размерен интервал 1 mm - 0,1 mm). Отначало това беше само съзерцание на малки организми, невидими за окото. Едва в края на 19 век Л. Пастьор пръв изяснява природата и функциите на микроорганизмите. Приблизително по същото време (края на 19-ти - началото на 20-ти век) се състоя революция във физиката. Учените започнаха да проникват в атома и да изучават структурата му. Отново това се дължи на появата на нови методи и инструменти, които започнаха да използват най-малките частици материя. През 1909 г., използвайки алфа частици (хелиеви ядра с размер около 10–13 m), Ръдърфорд успява да „види“ ядрото на златен атом. Планетарният модел на атома на Бор-Ръдърфорд, създаден въз основа на тези експерименти, дава визуален образ на огромното „свободно“ пространство в атома, което е доста сравнимо с космическата пустота на Слънчевата система. Това бяха празнотите на такива заповеди, които Файнман имаше предвид в своята лекция. Използвайки същите α-частици, през 1919 г. Ръдърфорд извършва първата ядрена реакция за превръщане на азота в кислород. Така физиците навлизат в пико- и фемто-размерните интервали, а разбирането на структурата на материята на атомно и субатомно ниво води през първата половина на миналия век до създаването на квантовата механика.

Светът на изгубените ценности

Исторически се случи така, че в размерната скала (фиг. 2) почти всички размерни области на изследване бяха „покрити“, с изключение на областта на наноразмерите. Светът обаче не е без далновидни хора. В началото на 20-ти век У. Оствалд публикува книгата „Светът на заобиколените количества“, която се занимава с нова област на химията по това време - колоидна химия, която се занимава специално с частици с нанометрови размери (въпреки че този термин е все още не се използва по това време). Още в тази книга той отбеляза, че раздробяването на материята в даден момент води до нови свойства, че свойствата на целия материал зависят от размера на частицата.

В началото на двадесети век те все още не можеха да „видят“ частици с такъв размер, тъй като те бяха под границите на разделителна способност на светлинен микроскоп. Ето защо неслучайно за един от началните крайъгълни камъни в появата на нанотехнологиите се смята изобретяването на електронния микроскоп от М. Нол и Е. Руска през 1931 г. Едва след това човечеството успя да „види“ обекти със субмикронни и нанометрови размери. И тогава всичко си идва на мястото - основният критерий, по който човечеството приема (или не приема) нови факти и явления, е изразен в думите на невярващия Тома: „Докато не видя, няма да повярвам“.

Следващата стъпка е направена през 1981 г. - G. Binnig и G. Rohrer създават сканиращ тунелен микроскоп, който дава възможност не само да се получават изображения на отделни атоми, но и да се манипулират с тях. Тоест технологията, за която Р. Файнман говори в своята лекция, е създадена. Тогава започва ерата на нанотехнологиите.

Нека отбележим, че тук отново имаме работа със същата история. Отново, защото като цяло за човечеството е обичайно да не обръща внимание на това, което поне малко е изпреварило времето си. Така че, използвайки примера на нанотехнологиите, се оказва, че нищо ново не е открито, те просто са започнали да разбират по-добре какво се случва наоколо, какво дори в древни времена хората вече са правили, макар и несъзнателно или по-скоро съзнателно (те са знаели какво исках да получа), но не разбирам физичните и химичните явления. Друг е въпросът, че наличието на технология все още не означава разбиране на същността на процеса. Те са знаели как да варят стомана преди много време, но разбирането за физичните и химичните основи на производството на стомана дойде много по-късно. Тук можете да си спомните, че тайната на дамаската стомана все още не е открита. Тук имаме различна хипостаза - знаем какво трябва да получим, но не знаем как. Така че връзката между науката и технологиите не винаги е проста.

Кой е първият, който изучава наноматериалите в съвременния им смисъл? През 1981 г. американският учен G. Gleiter за първи път използва определението "нанокристален". Той формулира концепцията за създаване на наноматериали и я развива в поредица от работи от 1981–1986 г., като въвежда термините „нанокристални“, „наноструктурирани“, „нанофазни“ и „нанокомпозитни“ материали. Основният акцент в тези работи беше върху критичната роля на множеството интерфейси в наноматериалите като основа за промяна на свойствата на твърдите тела.

Едно от най-важните събития в историята на нанотехнологиите и развитието на идеологията на наночастиците е и откриването в средата на 80-те - началото на 90-те години на 20 век на въглеродни наноструктури - фулерени и въглеродни нанотръби, както и откриването в 21-ви век на метод за производство на графен.

Но да се върнем на дефинициите.

Първи определения: всичко е много просто

Отначало всичко беше много просто. През 2000 г. президентът на САЩ Б. Клинтън подписа документа „ Национална нанотехнологична инициатива"("Национална инициатива за нанотехнологии"), която дава следното определение: нанотехнологиите включват създаването на технологии и изследвания на атомно, молекулярно и макромолекулно ниво в рамките на приблизителноот 1 до 100 nm, за да разбере основните принципи на явленията и свойствата на материалите на наномащабно ниво, както и създаването и използването на структури, оборудване и системи, които имат нови свойства и функции, определени от техния размер.

През 2003 г. правителството на Обединеното кралство се обърна към кралско общество и Кралската инженерна академияс молба да изразят мнението си относно необходимостта от развитие на нанотехнологиите, оценка на предимствата и проблемите, които тяхното развитие може да предизвика. Такъв доклад, озаглавен „ Нанонаука и нанотехнологии: възможности и несигурност“ се появява през юли 2004 г. и в него, доколкото ни е известно, за първи път са дадени отделни определения за нанонаука и нанотехнология:

Нанонаука е изследване на явления и обекти на атомно, молекулярно и макромолекулно ниво, чиито характеристики се различават значително от свойствата на техните макро-аналози.

Нанотехнологии е проектиране, характеризиране, производство и приложение на структури, устройства и системи, чиито свойства се определят от тяхната форма и размер на нанометрово ниво.

Така под термина "нанотехнология" се отнася до набор от технологични техники, които правят възможно създаването на нано-обекти и/или тяхното манипулиране.Остава само да се дефинират нанообектите. Но се оказва, че това не е толкова просто, така че по-голямата част от статията е посветена на това определение.

Като начало, ето официалното определение, което се използва най-широко днес:

Нанообекти (наночастици) са обекти (частици) с характерен размер от 1–100 нанометра в поне едно измерение.

Всичко изглежда добре и ясно, но не е ясно защо е дадено толкова строго определение на долната и горната граница от 1 и 100 nm? Изглежда, че това е избрано доброволно, особено подозрително е определянето на горната граница. Защо не 70 или 150 nm? В края на краищата, като се вземе предвид цялото разнообразие от нано-обекти в природата, границите на нано-сечението на мащаба на размера могат и трябва да бъдат значително замъглени. И като цяло в природата е невъзможно да се очертаят точни граници - едни обекти плавно преминават в други и това се случва в определен интервал, а не в точка.

Преди да говорим за граници, нека се опитаме да разберем какъв физически смисъл се съдържа в понятието „нанообект“, защо трябва да се разграничава с отделна дефиниция?

Както беше отбелязано по-горе, едва в края на 20-ти век започва да се появява (или по-скоро да се установява в съзнанието) разбирането, че наномащабният диапазон на структурата на материята все още има свои собствени характеристики, че на това ниво материята има други свойства, които не се проявяват в макрокосмоса. Много е трудно да се преведат някои английски термини на руски, но на английски има терминът " насипен материал”, което грубо може да се преведе като „голямо количество вещество”, „насипно вещество”, „непрекъсната среда”. И така, ето някои свойства " насипни материали» тъй като размерът на съставните му частици намалява, те могат да започнат да се променят, когато достигнат определен размер. В този случай те казват, че има преход към наносъстояние на веществото, наноматериали.

И това се случва, защото с намаляването на размера на частиците фракцията на атомите, разположени на тяхната повърхност, и техният принос към свойствата на обекта стават значителни и нарастват с по-нататъшно намаляване на размера (фиг. 3).

Но защо увеличаването на фракцията на повърхностните атоми значително влияе върху свойствата на частиците?

Така наречените повърхностни явления са известни отдавна - това са повърхностно напрежение, капилярни явления, повърхностна активност, омокряне, адсорбция, адхезия и др. Цялата съвкупност от тези явления се дължи на факта, че силите на взаимодействие между частиците, които изграждат тялото, не са компенсирани на повърхността му (фиг. 4). С други думи, атомите на повърхността (кристал или течност - няма значение) са в специални условия. Например в кристалите силите, които ги принуждават да бъдат във възлите на кристалната решетка, действат върху тях само отдолу. Следователно свойствата на тези "повърхностни" атоми се различават от свойствата на същите атоми в по-голямата част.

Тъй като броят на повърхностните атоми в нанообектите нараства рязко (фиг. 3), техният принос към свойствата на нанообекта става решаващ и се увеличава с по-нататъшно намаляване на размера на обекта. Именно това е една от причините за проявата на нови свойства на нанониво.

Друга причина за обсъжданата промяна в свойствата е, че на това размерно ниво започва да се проявява действието на законите на квантовата механика, т.е. нивото на наноразмерите е нивото на прехода, а именно прехода от господството на класическата механика към царуването на квантовата механика. А както е известно, най-непредсказуемите неща са именно преходните състояния.

До средата на 20-ти век хората се научиха да работят както с маса от атоми, така и с един атом.

Впоследствие стана ясно, че „малък куп атоми“ е нещо друго, което не е съвсем подобно нито на маса атоми, нито на отделен атом.

Вероятно за първи път учени и технолози се сблъскаха лице в лице с този проблем във физиката на полупроводниците. В стремежа си към миниатюризация те достигнаха размери на частиците (няколко десетки нанометра или по-малко), при които техните оптични и електронни свойства започнаха да се различават рязко от тези на частиците с „обикновени“ размери. Тогава най-накрая стана ясно, че „наномащабът“ е специална област, различна от областта на съществуване на макрочастици или непрекъснати среди.

Следователно в горните дефиниции на нанонауката и нанотехнологията най-важният момент е, че „истинският нано“ започва с появата на нови свойства на веществата, свързани с прехода към тези мащаби и различни от свойствата на насипните материали. Тоест, най-важното и важно качество на наночастиците, основната им разлика от микро- и макрочастиците, е появата на принципно нови свойства в тях, които не се проявяват при други размери. Вече дадохме литературни примери, използваме тази техника отново, за да покажем ясно и подчертаем разликите между макро-, микро- и нанообектите.

Да се върнем към литературните примери. Героят на историята на Лесков, Левша, често се споменава като "ранен" нанотехнолог. Това обаче е грешно. Основното постижение на Лефти е, че той изкова малки пирони [ „Работих по-малки от тези подкови: изковах гвоздеите, с които са изковани подковите, вече не може да ги вземе там малък мерник"]. Но тези пирони, макар и много малки, си останаха пирони и не загубиха основната си функция - да държат подковата. Така че примерът с Lefty е пример за миниатюризация (микроминиатюризация, ако искате), т.е. намаляване на размера на обект без промяна на неговите функционални и други свойства.

Но вече споменатият разказ на Б. Житков описва именно промяната в имотите:

„Трябваше да изтегля тънка жица - тоест дебелината, която щеше да бъде като коса за живите ми ръце. Работех и гледах през микроскопа, докато микро ръцете протягаха мед. По-тънко, по-тънко – оставаха още пет разтягания – и тогава жицата се скъса. Дори не се скъса - разпадна се като от глина. Разпадна се на фин пясък. Това е червена мед, известна със своята пластичност.

Имайте предвид, че в Уикипедияв статия за нанотехнологиите увеличаването на твърдостта на медта е дадено като един от примерите за промени в свойствата с намаляване на размера. (Чудя се откъде Б. Житков научи за това през 1931 г.?)

Нанообекти: квантови равнини, нишки и точки. Въглеродни наноструктури

В края на 20-ти век най-накрая стана очевидно съществуването на определена област от размери на частиците на материята - областта на наноразмерите. Физиците, изяснявайки дефиницията на нанообекти, твърдят, че горната граница на наносечението на мащаба очевидно съвпада с размера на проявлението на така наречените нискоразмерни ефекти или ефекта на намаляване на размерността.

Нека се опитаме да преведем обратно последното твърдение от езика на физиците на общочовешкия език.

Ние живеем в триизмерен свят. Всички реални обекти около нас имат определени измерения и в трите измерения или, както казват физиците, те имат измерение 3.

Нека проведем следния мисловен експеримент. Нека изберем триизмерно, сила на звука,проба от някакъв материал, за предпочитане хомогенен кристал. Нека това е куб с дължина на ръба 1 см. Този образец има определени физични свойства, които не зависят от неговия размер. Близо до външната повърхност на нашата проба свойствата може да се различават от тези в масата. Относителната част от повърхностните атоми обаче е малка и следователно приносът на повърхностните промени в свойствата може да бъде пренебрегнат (това изискване означава на езика на физиците, че пробата сила на звука). Сега нека разделим куба наполовина - две от неговите характерни размери ще останат същите, а едно, нека да е височината д, ще намалее 2 пъти. Какво ще се случи със свойствата на пробата? Те няма да се променят. Нека повторим този експеримент отново и измерим свойството, което ни интересува. Ще получим същия резултат. Повтаряйки експеримента много пъти, накрая ще достигнем определен критичен размер д*, под който имотът, който измерваме, ще започне да зависи от размера д. Защо? При d ≤ d* делът на приноса на повърхностните атоми към свойствата става значителен и ще продължи да нараства с по-нататъшно намаляване д.

Физиците казват, че когато d ≤ d* в нашата извадка има квантов ефект на размера в едно измерение.За тях нашата извадка вече не е триизмерна (което за всеки обикновен човек звучи абсурдно, защото нашата двъпреки че е малко, не е равно на нула!), то измерението е намалено до две.А нарича се самата проба квантова равнина,или квантов кладенец,по аналогия с термина "потенциална яма", често използван във физиката.

Ако в някоя проба d ≤ d* в две измерения, се нарича едномерен квантов обект,или квантова нишка,или квантова жица. U нулево-измерни обекти,или квантови точки, d ≤ d* и в трите измерения.

Естествено, критичният размер д* не е постоянна стойност за различни материали и дори за един материал може да варира значително в зависимост от това кои от свойствата сме измерили в нашия експеримент, или, с други думи, коя от характеристиките на критичните размери на физичните явления определя това свойство (свободен път на електрони, фонони, дължина на вълната на де Бройл, дължина на дифузия, дълбочина на проникване на външно електромагнитно поле или акустични вълни и др.).

Оказва се обаче, че при цялото разнообразие от явления, случващи се в органичните и неорганичните материали в живата и неживата природа, стойността д* лежи приблизително в диапазона 1–100 nm. По този начин „нанообект“ („наноструктура“, „наночастица“) е просто друг вариант на термина „квантово-измерна структура“. Това е обект, който d ≤ d* в поне едно измерение. Това са частици с намалена размерност, частици с увеличен дял на повърхностни атоми. Това означава, че е най-логично да ги класифицираме според степента на намаляване на размерността: 2D - квантови равнини, 1D - квантови нишки, 0D - квантови точки.

Целият спектър от намалени размери може лесно да се обясни и, най-важното, да се наблюдава експериментално на примера на въглеродни наночастици.

Откриването на въглеродни наноструктури беше много важен крайъгълен камък в развитието на концепцията за наночастиците.

Въглеродът е едва единадесетият най-разпространен елемент в природата, но благодарение на уникалната способност на неговите атоми да се комбинират помежду си и да образуват дълги молекули, които включват други елементи като заместители, възниква огромно разнообразие от органични съединения и дори самият живот. Но дори когато се комбинира само със себе си, въглеродът е способен да генерира голям набор от различни структури с много разнообразни свойства - така наречените алотропни модификации. Диамантът например е еталон на прозрачност и твърдост, диелектрик и топлоизолатор. Въпреки това, графитът е идеален „абсорбатор” на светлина, ултрамек материал (в определена посока), един от най-добрите проводници на топлина и електричество (в равнина, перпендикулярна на горната посока). Но и двата материала се състоят само от въглеродни атоми!

Но всичко това е на макро ниво. А преходът към нанониво разкрива нови уникални свойства на въглерода. Оказа се, че „любовта“ на въглеродните атоми един към друг е толкова голяма, че те могат без участието на други елементи да образуват цял набор от наноструктури, които се различават една от друга, включително по размер. Те включват фулерени, графен, нанотръби, нанокони и др. (фиг. 5).

Нека отбележим, че въглеродните наноструктури могат да бъдат наречени „истински“ наночастици, тъй като в тях, както може ясно да се види на фиг. 5, всичките им съставни атоми лежат на повърхността.

Но да се върнем на самия графит. И така, графитът е най-често срещаната и термодинамично стабилна модификация на елементарен въглерод с триизмерна кристална структура, състояща се от успоредни атомни слоеве, всеки от които е плътна опаковка от шестоъгълници (фиг. 6). Във върховете на всеки такъв шестоъгълник има въглероден атом, а страните на шестоъгълниците графично отразяват силни ковалентни връзки между въглеродни атоми, чиято дължина е 0,142 nm. Но разстоянието между слоевете е доста голямо (0,334 nm) и следователно връзката между слоевете е доста слаба (в този случай те говорят за взаимодействие на Ван дер Ваалс).

Тази кристална структура обяснява особеностите на физичните свойства на графита. Първо, ниска твърдост и способност за лесно разделяне на малки люспи. Така например те пишат с моливи, чиито графитни люспи, отлепени, остават върху хартията. На второ място, вече споменатата изразена анизотропия на физичните свойства на графита и преди всичко неговата електропроводимост и топлопроводимост.

Всеки от слоевете на триизмерната структура на графита може да се разглежда като гигантска равнинна структура с 2D измерение. Тази двуизмерна структура, изградена само от въглеродни атоми, се нарича "графен". Получаването на такава структура е „сравнително“ лесно, поне в мисловен експеримент. Да вземем графитен молив и да започнем да пишем. Височина на оловото дще намалее. Ако имате достатъчно търпение, тогава в един момент стойността дще бъде равно на д*, и получаваме квантова равнина (2D).

Дълго време проблемът за стабилността на плоските двумерни структури в свободно състояние (без субстрат) като цяло и графенът в частност, както и електронните свойства на графена бяха обект само на теоретични изследвания. Съвсем наскоро, през 2004 г., група физици, ръководени от А. Гейм и К. Новоселов, получиха първите проби от графен, което направи революция в тази област, тъй като такива двуизмерни структури се оказаха по-специално способни да проявяват невероятни електронни свойства, качествено различни от всичко наблюдавано преди това. Ето защо днес стотици експериментални групи изучават електронните свойства на графена.

Ако навием слой графен, моноатомен по дебелина, в цилиндър, така че шестоъгълната мрежа от въглеродни атоми да е затворена без шевове, тогава ще „конструираме“ едностенна въглеродна нанотръба.Експериментално е възможно да се получат едностенни нанотръби с диаметър от 0,43 до 5 nm. Характерни характеристики на геометрията на нанотръбите са рекордни стойности на специфичната повърхност (средно ~ 1600 m 2 /g за едностенни тръби) и съотношението дължина към диаметър (100 000 и повече). Така нанотръбите са 1D нанообекти – квантови нишки.

Многостенни въглеродни нанотръби също бяха наблюдавани в експериментите (фиг. 7). Те се състоят от коаксиални цилиндри, вмъкнати един в друг, чиито стени са на разстояние (около 3,5 Å), близко до междуравнинното разстояние в графита (0,334 nm). Броят на стените може да варира от 2 до 50.

Ако поставим парче графит в атмосфера на инертен газ (хелий или аргон) и след това го осветим с лъч от мощен импулсен лазер или концентрирана слънчева светлина, можем да изпарим материала на нашата графитна мишена (имайте предвид, че за това повърхността на мишената температурата трябва да бъде поне 2700 °C). При такива условия над целевата повърхност се образува плазма, състояща се от отделни въглеродни атоми, които се увличат от потока студен газ, което води до охлаждане на плазмата и образуване на въглеродни клъстери. И така, оказва се, че при определени условия на групиране, въглеродните атоми са затворени, за да образуват рамкова сферична молекула C 60 с размер 0D (т.е. квантова точка), вече показана на фиг. 1.

Такова спонтанно образуване на молекулата C 60 във въглеродна плазма беше открито в съвместен експеримент от G. Croto, R. Curl и R. Smoley, проведен в продължение на десет дни през септември 1985 г. Ще насочим любознателния читател към книгата на E.A. Кац „Фулерени, въглеродни нанотръби и нанокластери: Генеалогия на форми и идеи“, описващ подробно завладяващата история на това откритие и събитията, които го предхождат (с кратки екскурзии в историята на науката до Ренесанса и дори Античността), като както и обяснение на мотивацията за странните на пръв поглед (и само на пръв поглед) имена на новата молекула - бакминстерфулерен -в чест на архитекта Р. Бъкминстър Фулър (виж и книгата [Пиотровски, Киселев, 2006]).

Впоследствие беше открито, че има цяло семейство въглеродни молекули - фулерени -под формата на изпъкнали полиедри, състоящи се само от шестоъгълни и петоъгълни лица (фиг. 8).

Откриването на фулерените беше един вид магически „златен ключ“ към новия свят на нанометрови структури, направени от чист въглерод, и предизвика експлозия на работа в тази област. Към днешна дата са открити голям брой различни въглеродни клъстери с фантастично (в буквалния смисъл на думата!) разнообразие от структура и свойства.

Но да се върнем към наноматериалите.

Наноматериалиса материали, чиито структурни единици са нанообекти (наночастици). Образно казано, сградата на наноматериалите е изградена от тухли-нанообекти. Следователно най-продуктивно е наноматериалите да се класифицират според размерите както на самата проба от наноматериал (външните размери на матрицата), така и според размерите на съставните му нанообекти. Най-подробната класификация от този вид е дадена в работата. 36-те класа наноструктури, представени в тази работа, описват цялото разнообразие от наноматериали, някои от които (като гореспоменатите фулерени или въглеродни нанопеи) вече са успешно синтезирани, а някои все още очакват своето експериментално прилагане.

Защо не е толкова просто?

Така че можем да дефинираме строго понятията „нанонаука“, „нанотехнология“ и „наноматериали“, които ни интересуват, само ако разберем какво е „нанообект“.

„Нанообект“ от своя страна има две дефиниции. Първият, по-прост (технологичен): това са обекти (частици) с характерен размер приблизително 1–100 нанометра в поне едно измерение. Второто определение, по-научно, физическо: обект с намалени размери (който има d ≤ d* в поне едно измерение).

Доколкото знаем, няма други определения.

Не може обаче да не се отбележи фактът, че научното определение има и сериозен недостатък. А именно: в него, за разлика от технологичния, се определя само горната граница на наноразмерите. Трябва ли да има долна граница? Според нас, разбира се, че трябва. Първата причина за съществуването на долна граница пряко следва от физическата същност на научната дефиниция на нанообект, тъй като повечето от ефектите на намаляване на размерността, разгледани по-горе, са ефекти на квантово ограничение или явления от резонансен характер. С други думи, те се наблюдават, когато характерните дължини на ефекта и размерите на обекта съвпадат, т.е. не само за д ≤ д*, което вече беше обсъдено, но в същото време само ако размерът днадхвърля определена долна граница д** (д** ≤ д ≤ д*). Очевидно е, че стойността д*може да варира за различните явления, но трябва да надвишава размера на атомите.

Нека илюстрираме това с примера на въглеродните съединения. Полицикличните ароматни въглеводороди (ПАВ) като нафталин, бензпирен, хризен и др. формално са аналози на графена. Освен това най-големият известен PAH има обща формула C222H44 и съдържа 10 диагонални бензенови пръстена. Те обаче нямат удивителните свойства, които има графенът и не могат да се считат за наночастици. Същото важи и за нанодиамантите: до ~ 4–5 nm това са нанодиаманти, но близо до тези граници и дори отвъд тях са подходящи висши диамандоиди (аналози на адамантана, които имат кондензирани диамантени клетки като основа на структурата).

И така: ако в ограничението размерът на обект във всичките три измерения е равен на размера на атом, тогава например кристал, съставен от такива 0-измерни обекти, няма да бъде наноматериал, а обикновен атомен кристал. Очевидно е. Също така е очевидно, че броят на атомите в един нанообект все още трябва да надвишава един. Ако един нанообект има и трите стойности дпо-малко от д**,той престава да бъде такъв. Такъв обект трябва да бъде описан на езика на описание на отделни атоми.

Ами ако не и трите размера, а само един, например? Такъв обект остава ли нанообект? Разбира се, да. Такъв обект е например вече споменатият графен. Фактът, че характерният размер на графена в едно измерение е равен на диаметъра на въглероден атом, не го лишава от свойствата на наноматериал. И тези имоти са абсолютно уникални. Измерени са проводимостта, ефектът на Шубников-де Хаас и квантовият ефект на Хол в графенови филми с атомна дебелина. Експериментите потвърдиха, че графенът е полупроводник с нулева забранена зона, докато в точките на контакт на валентната лента и зоната на проводимост енергийният спектър на електроните и дупките е линеен като функция на вълновия вектор. Частици с нулева ефективна маса, по-специално фотони, неутрино и релативистични частици, имат този вид спектър. Разликата между фотоните и безмасовите носители в графена е, че последните са фермиони и са заредени. Понастоящем няма аналози на тези безмасови заредени фермиони на Дирак сред известните елементарни частици. Днес графенът представлява голям интерес както за тестване на много теоретични предположения от областта на квантовата електродинамика и теорията на относителността, така и за създаване на нови наноелектронни устройства, по-специално балистични и едноелектронни транзистори.

За нашата дискусия е много важно, че най-близо до концепцията за нанообект е размерната област, в която се реализират така наречените мезоскопични явления. Това е минималната размерна област, за която е разумно да се говори не за свойствата на отделните атоми или молекули, а за свойствата на материала като цяло (например при определяне на температурата, плътността или проводимостта на материала). Мезоскопските размери попадат точно в диапазона 1–100 nm. (Префиксът „мезо-“ идва от гръцката дума за „среден“, междинен - между атомни и макроскопични измерения.)

Всеки знае, че психологията се занимава с поведението на индивидите, а социологията се занимава с поведението на големи групи хора. Така че отношенията в група от 3-4 души могат да се характеризират по аналогия като мезофеномени. По същия начин, както бе споменато по-горе, малък куп атоми е нещо, което не е нито като „купчина“ от атоми, нито като отделен атом.

Тук трябва да отбележим още една важна особеност на свойствата на нанообектите. Въпреки факта, че за разлика от графена, въглеродните нанотръби и фулерените формално са съответно 1- и 0-измерни обекти, по същество това не е напълно вярно. Или по-скоро не така в същото време. Факт е, че нанотръбата е същият 2D моноатомен слой от графен, навит в цилиндър. Фулеренът е 2D въглероден слой с моноатомна дебелина, затворен върху повърхността на сфера. Тоест, свойствата на нанообектите значително зависят не само от техния размер, но и от топологичните характеристики - просто казано, от тяхната форма.

И така, правилното научно определение на нанообект трябва да бъде както следва:

е обект с поне едно от измеренията ≤ d*и поне едно от измеренията надвишава d**. С други думи, един обект е достатъчно голям, за да има макросвойствата на дадено вещество, но в същото време се характеризира с намалено измерение, т.е. в поне едно от измеренията той е достатъчно малък, така че стойностите на тези свойствата се различават значително от съответните свойства на макрообектите от едно и също вещество, което значително зависи от размера и формата на обекта. В този случай точните стойности на размерите d*и d** може да варира не само от вещество на вещество, но и за различни свойства на едно и също вещество.

Фактът, че тези съображения в никакъв случай не са схоластични (като „с колко песъчинки започва една купчина?“), а имат дълбоко значение за разбирането на единството на науката и непрекъснатостта на света около нас, става очевидно, ако насочваме вниманието си към нанообекти от органичен произход.

Нанообекти от органична природа - надмолекулни структури

По-горе разгледахме само неорганични, относително хомогенни материали и вече там всичко не беше толкова просто. Но на Земята има колосално количество материя, която не само е трудно, но не може да се нарече хомогенна. Говорим за биологични структури и живата материя като цяло.

Националната нанотехнологична инициатива цитира следното като една от причините за особен интерес към областта на наноразмерите:

Тъй като системната организация на материята в наномащаба е ключова характеристика на биологичните системи, нанонауката и технологията ще направят възможно включването на изкуствени компоненти и възли в клетките, като по този начин създават нови структурно организирани материали, базирани на имитация на методи за самосглобяване в природата.

Нека сега се опитаме да разберем какво значение има понятието „наноразмер“ в приложението му към биологията, като имаме предвид, че при преминаване към този размерен диапазон свойствата трябва фундаментално или драстично да се променят. Но първо, нека си припомним, че към нанорегиона може да се подходи по два начина: „отгоре надолу“ (фрагментация) или „отдолу нагоре“ (синтез). И така, движението „отдолу нагоре“ за биологията не е нищо повече от образуването на биологично активни комплекси от отделни молекули.

Нека разгледаме накратко химичните връзки, които определят структурата и формата на молекулата. Първата и най-силна е ковалентната връзка, характеризираща се със строга посока (само от един атом към друг) и определена дължина, която зависи от вида на връзката (единична, двойна, тройна и др.). Това са ковалентните връзки между атомите, които определят „първичната структура“ на всяка молекула, тоест кои атоми са свързани един с друг и в какъв ред.

Но има и други видове връзки, които определят това, което се нарича вторична структура на молекулата, нейната форма. Това е предимно водородна връзка - връзка между полярен атом и водороден атом. Тя е най-близка до ковалентната връзка, тъй като също се характеризира с определена дължина и посока. Тази връзка обаче е слаба, нейната енергия е с порядък по-ниска от енергията на ковалентна връзка. Останалите видове взаимодействия са ненасочени и се характеризират не с дължината на образуваните връзки, а със скоростта, с която енергията на връзката намалява с увеличаване на разстоянието между взаимодействащите атоми (взаимодействие на дълги разстояния). Йонното свързване е взаимодействие на далечни разстояния; взаимодействията на Ван дер Ваалс са къси. Така че, ако разстоянието между две частици се увеличи с rпъти, тогава в случай на йонна връзка привличането ще намалее до 1/ r 2 от началната стойност, в случая на вече споменатото ван дер ваалсово взаимодействие - на 1/ r 3 или повече (до 1/ r 12). Всички тези взаимодействия най-общо могат да бъдат определени като междумолекулни взаимодействия.

Нека сега разгледаме такова понятие като „биологично активна молекула“. Трябва да се признае, че самата молекула на веществото представлява интерес само за химици и физици. Те се интересуват от неговата структура („първична структура“), нейната форма („вторична структура“), такива макроскопични показатели като, например, състояние на агрегиране, разтворимост, точки на топене и кипене и т.н., и микроскопични (електронни ефекти и взаимно влияние на атомите в дадена молекула, спектрални свойства като проява на тези взаимодействия). С други думи, ние говорим за изучаване на свойствата, проявени по принцип от една молекула. Нека припомним, че по дефиниция молекулата е най-малката частица от вещество, която носи неговите химични свойства.

От гледна точка на биологията "изолирана" молекула (в този случай няма значение дали е една молекула или няколко идентични молекули) не е в състояние да проявява никакви биологични свойства. Тази теза звучи доста парадоксално, но нека се опитаме да я обосновем.

Нека разгледаме това на примера на ензими - протеинови молекули, които са биохимични катализатори. Например, ензимът хемоглобин, който осигурява преноса на кислород към тъканите, се състои от четири протеинови молекули (субединици) и една така наречена простетична група - хем, съдържащ железен атом, нековалентно свързан с протеиновите субединици на хемоглобина.

Основният или по-скоро определящият принос за взаимодействието на протеиновите субединици и хема, взаимодействието, водещо до образуването и стабилността на надмолекулния комплекс, който се нарича хемоглобин, се прави от сили, понякога наричани хидрофобни взаимодействия, но представляващи сили на междумолекулни взаимодействие. Връзките, образувани от тези сили, са много по-слаби от ковалентните. Но при комплементарно взаимодействие, когато две повърхности се доближат много една до друга, броят на тези слаби връзки е голям и следователно общата енергия на взаимодействие на молекулите е доста висока и полученият комплекс е доста стабилен. Но докато тези връзки не се образуват между четирите субединици, докато не се добави простетична група (gem) (отново поради нековалентни връзки), при никакви обстоятелства отделни части на хемоглобина не могат да свържат кислорода, още по-малко да го транспортират навсякъде. И следователно те нямат тази биологична активност. (Същото разсъждение може да се разшири до всички ензими като цяло.)

Освен това самият процес на катализа предполага образуването по време на реакцията на комплекс от най-малко два компонента - самия катализатор и молекула (молекули), наречени субстрат(и), претърпяващи някаква химическа трансформация под въздействието на катализатора. . С други думи, трябва да се образува комплекс от най-малко две молекули, т.е. надмолекулен (супрамолекулен) комплекс.

Идеята за допълващо взаимодействие е предложена за първи път от E. Fischer, за да обясни взаимодействието на лекарствата с тяхната цел в тялото и се нарича взаимодействие „ключ за заключване“. Въпреки че лекарствата (и другите биологични вещества) не във всички случаи са ензими, те също са способни да предизвикат някакъв биологичен ефект само след взаимодействие със съответната биологична цел. И подобно взаимодействие отново не е нищо повече от образуването на надмолекулен комплекс.

Следователно проявата на принципно нови свойства от „обикновени“ молекули (в разглеждания случай биологична активност) е свързана с образуването на надмолекулни (супрамолекулни) комплекси с други молекули поради силите на междумолекулно взаимодействие. Точно така са структурирани повечето ензими и системи в тялото (рецептори, мембрани и др.), включително такива сложни структури, които понякога се наричат биологични „машини“ (рибозоми, АТФ-аза и др.). И това се случва именно на ниво нанометрови размери -от един до няколко десетки нанометра.

С по-нататъшно усложняване и увеличаване на размера (повече от 100 nm), т.е. при преминаване към друго ниво на измерение (микрониво), възникват много по-сложни системи, способни не само на независимо съществуване и взаимодействие (по-специално обмен на енергия) с околната среда тяхната среда, но и до самовъзпроизвеждане. Тоест свойствата на цялата система отново се променят - тя става толкова сложна, че вече е способна да се самовъзпроизвежда и възниква това, което наричаме живи структури.

Много мислители многократно са се опитвали да дадат определение на Живота. Без да навлизаме във философски дискусии, отбелязваме, че според нас животът е съществуването на самовъзпроизвеждащи се структури, а живите структури започват с една клетка. Животът е микро- и макроскопично явление, но основните процеси, които осигуряват функционирането на живите системи, се случват на наномащабно ниво.

Функционирането на живата клетка като интегрирано саморегулиращо се устройство с ясно изразена структурна йерархия се осигурява чрез миниатюризация на наномащабно ниво. Очевидно е, че миниатюризацията на наномащабно ниво е основен атрибут на биохимията и следователно еволюцията на живота се състои от появата и интегрирането на различни форми на наноструктурирани обекти. Това е наномащабната част от структурната йерархия, ограничена по размер както отгоре, така и отдолу (!), която е от решаващо значение за появата и способността за съществуване на клетките. Тоест наномащабното ниво е това, което представлява прехода от молекулярното ниво към жизненото ниво.

Въпреки това, поради факта, че миниатюризацията на наномащабно ниво е основен атрибут на биохимията, все още е невъзможно да се разглеждат биохимичните манипулации като нанотехнологични - нанотехнологиите все още включват дизайна, а не баналното използване на молекули и частици.

Заключение

В началото на статията вече се опитахме по някакъв начин да класифицираме обектите на различни природни науки според принципа на характерните размери на обектите, които изучават. Нека се върнем към това отново и, прилагайки тази класификация, откриваме, че атомната физика, която изучава взаимодействията в рамките на един атом, има субангстрьомни (фемто- и пико-) размери.

„Обикновената“ неорганична и органична химия са размерите в ангстрьом, нивото на отделните молекули или връзки в кристалите на неорганичните вещества. Но биохимията е нивото на наноразмер, нивото на съществуване и функциониране на супрамолекулни структури, стабилизирани от нековалентни междумолекулни сили.

Но биохимичните структури все още са относително прости и могат да функционират относително независимо ( инвитро, ако желаете). По-нататъшното усложнение, образуването на сложни ансамбли от надмолекулни структури - това е преход към самовъзпроизвеждащи се структури, преход към Живите. И тук на ниво клетки това са микроразмери, а на ниво организми това са макроразмери. Това вече е биология и физиология.

Нанонивото е преходен регион от молекулярното ниво, което формира основата на съществуването на всички живи същества, състоящи се от молекули, до нивото на Живите, нивото на съществуване на самовъзпроизвеждащи се структури и наночастици, които са надмолекулни Структурите, стабилизирани от силите на междумолекулно взаимодействие, представляват преходна форма от отделни молекули към сложни функционални системи. Това може да бъде отразено в диаграма, която подчертава по-специално непрекъснатостта на природата (фиг. 9). В схемата наномащабният свят е разположен между атомно-молекулярния свят и света на Живите, състоящ се от същите атоми и молекули, но организирани в сложни самовъзпроизвеждащи се структури, а преходът от един свят към друг се определя не само (и не толкова) от размера на структурите, а от тяхната сложност. Природата отдавна е изобретила и използва надмолекулни структури в живите системи. Ние далеч не винаги сме в състояние да разберем, още по-малко да повторим, това, което природата прави лесно и естествено. Но не можете да очаквате услуги от нея, трябва да се учите от нея.

Литература:
1) Вул А.Я., Соколов В.И.Нановъглеродни изследвания в Русия: от фулерени до нанотръби и нанодиаманти / Руски нанотехнологии, 2007. Том 3 (3–4).
2) Кац Е.А.Фулерени, въглеродни нанотръби и нанокластери: генеалогия на форми и идеи. - М .: LKI, 2008.
3) Оствалд В.Светът на заобиколените количества. - М.: Издателство на дружеството "Мир", 1923 г.
4) Piotrovsky L.B., Киселев O.I.Фулерени в биологията. - Росток, Санкт Петербург, 2006 г.
5) Ткачук В.А.Нанотехнологии и медицина // Руски нанотехнологии, 2009. Т. 4 (7–8).
6) Хобза П., Заградник Р.Междумолекулни комплекси. - М.: Мир, 1989.
7) Ман С.Животът като наномащабен феномен. Анджю. Chem. Вътр. Изд. 2008, 47, 5306–5320.
8) Покропивни В.В., Скороход В.В.Нови класификации на размерността на наноструктурите // Physica E, 2008, v. 40, стр. 2521–2525.

Нано - 10–9, пико - 10–12, фемто - 10–15.

Освен това не само да видите, но и да пипнете. „Но той им каза: ако не видя на ръцете Му белезите от гвоздеите и не сложа пръста си в белезите от гвоздеите и не сложа ръката си в ребрата Му, няма да повярвам“ (Евангелие от Йоан, 20 глава). , стих 24].

Например, той говори за атомите през 430 г. пр.н.е. д. Демокрит Тогава Далтън твърди през 1805 г., че: 1) елементите са направени от атоми, 2) атомите на един елемент са идентични и различни от атомите на друг елемент и 3) атомите не могат да бъдат унищожени в химическа реакция. Но едва от края на 19 век започнаха да се развиват теории за структурата на атома, което предизвика революция във физиката.

Понятието „нанотехнология“ е въведено в употреба през 1974 г. от японеца Норио Танигучи. Дълго време терминът не беше широко използван сред специалистите, работещи в свързани области, тъй като Танигучи използва понятието „нано“ само за обозначаване на прецизността на повърхностната обработка, например в технологии, които позволяват да се контролира грапавостта на повърхността на материали на ниво по-малко от микрометър и др.

Понятията „фулерени“, „въглеродни нанотръби“ и „графен“ ще бъдат разгледани подробно във втората част на статията.

Експериментална илюстрация на това твърдение е наскоро публикуваната разработка на технологични методи за производство на графенови листове чрез „химическо рязане“ и „разгъване“ на въглеродни нанотръби.

Думата „микроскопичен“ се използва тук само защото тези свойства са били наричани по този начин по-рано, въпреки че в този случай говорим за свойствата, проявени от молекулите и атомите, т.е. пико-размерният диапазон.

Което по-специално доведе до появата на гледната точка, че животът е феномен с нанометрови размери [ Ман, 2008], което според нас не е съвсем вярно.

Конвертор на дължина и разстояние Конвертор на маса Конвертор на мерки за обем на насипни продукти и хранителни продукти Конвертор на площ Конвертор на обем и мерни единици в кулинарни рецепти Конвертор на температура Конвертор на налягане, механично напрежение, модул на Юнг Конвертор на енергия и работа Конвертор на мощност Конвертор на сила Преобразувател на време Линеен скоростен преобразувател Преобразувател на плосък ъгъл Термична ефективност и горивна ефективност Преобразувател на числа в различни бройни системи Преобразувател на единици за измерване на количество информация Валутни курсове Размери на дамско облекло и обувки Размери на мъжко облекло и обувки Преобразувател на ъглова скорост и честота на въртене Преобразувател на ускорение Преобразувател на ъглово ускорение Преобразувател на плътност Преобразувател на специфичен обем Преобразувател на инерционен момент Преобразувател на момент на сила Преобразувател на въртящ момент Преобразувател на специфична топлина на изгаряне (по маса) Преобразувател на енергийна плътност и специфична топлина на изгаряне (по обем) Преобразувател на температурна разлика Преобразувател на коефициент на топлинно разширение Преобразувател на термично съпротивление Конвертор на топлопроводимост Конвертор на специфичен топлинен капацитет Конвертор на излагане на енергия и мощност на топлинно излъчване Конвертор на плътност на топлинен поток Конвертор на коефициент на топлопреминаване Конвертор на обемен дебит Конвертор на масов дебит Конвертор на моларен дебит Конвертор на масов дебит Конвертор на моларна концентрация Конвертор на масова концентрация в разтвор Конвертор Динамичен (абсолютен) конвертор на вискозитет Конвертор на кинематичен вискозитет Конвертор на повърхностно напрежение Конвертор на паропропускливост Конвертор на паропропускливост и скорост на пренос на пари Конвертор на звуково ниво Конвертор на чувствителност на микрофона Конвертор на ниво на звуково налягане (SPL) Конвертор на ниво на звуково налягане с избираемо референтно налягане Конвертор на яркост Конвертор на светлинен интензитет Конвертор на осветеност Конвертор на разделителна способност на компютърна графика Преобразувател на честота и дължина на вълната Диоптрична мощност и фокусно разстояние Диоптрична мощност и увеличение на лещата (×) Преобразувател на електрически заряд Преобразувател на линеен заряд Преобразувател на повърхностна плътност на заряд Преобразувател на плътност на обемен заряд Преобразувател на електрически ток Конвертор на линеен ток Преобразувател на плътност на повърхностен ток Преобразувател на напрегнатост на електрическо поле Електростатичен потенциал и преобразувател на напрежение Преобразувател на електрическо съпротивление Преобразувател на електрическо съпротивление Преобразувател на електрическа проводимост Преобразувател на електрическа проводимост Електрически капацитет Преобразувател на индуктивност Американски преобразувател на проводника Нива в dBm (dBm или dBm), dBV (dBV), ватове и др. единици Преобразувател на магнитодвижеща сила Преобразувател на силата на магнитното поле Преобразувател на магнитен поток Преобразувател на магнитна индукция Излъчване. Конвертор на мощността на погълнатата доза на йонизиращо лъчение Радиоактивност. Преобразувател на радиоактивен разпад Радиация. Конвертор на експозиционна доза Радиация. Конвертор на абсорбирана доза Конвертор на десетичен префикс Пренос на данни Типография и конвертор на единици за обработка на изображения Конвертор на единици за обем на дървен материал Изчисляване на моларна маса Периодичната таблица на химическите елементи на Д. И. Менделеев

1 микро [μ] = 1000 нано [n]

Първоначална стойност

Преобразувана стойност

без префикс yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli micro nano pico femto atto zepto yocto

Дължина на вълната и честота

Метрична система и международна система единици (SI)

Въведение

В тази статия ще говорим за метричната система и нейната история. Ще видим как и защо е започнало и как постепенно се е развило до това, което имаме днес. Ще разгледаме и системата SI, която е разработена от метричната система от мерки.

За нашите предци, които са живели в свят, пълен с опасности, способността да измерват различни количества в естествената им среда е позволила да се доближат до разбирането на същността на природните явления, познаването на тяхната среда и способността по някакъв начин да повлияят на това, което ги заобикаля . Ето защо хората се опитаха да измислят и подобрят различни системи за измерване. В зората на човешкото развитие наличието на измервателна система беше не по-малко важно, отколкото е сега. Беше необходимо да се извършват различни измервания при изграждането на жилища, шиенето на дрехи с различни размери, приготвянето на храна и, разбира се, търговията и обменът не можеха без измерване! Мнозина смятат, че създаването и приемането на Международната система от единици SI е най-сериозното постижение не само на науката и технологиите, но и на човешкото развитие като цяло.

Ранни измервателни системи

В ранните измервателни и бройни системи хората са използвали традиционни предмети за измерване и сравняване. Например, смята се, че десетичната система се е появила поради факта, че имаме десет пръста на ръцете и краката. Ръцете ни са винаги с нас - затова от древни времена хората са използвали (и все още използват) пръсти за броене. Все пак не винаги сме използвали системата с основа 10 за броене, а метричната система е сравнително ново изобретение. Всеки регион разработи свои собствени системи от единици и въпреки че тези системи имат много общи неща, повечето системи все още са толкова различни, че преобразуването на мерни единици от една система в друга винаги е било проблем. Този проблем става все по-сериозен с развитието на търговията между различните народи.

Точността на първите системи за мерки и теглилки пряко зависи от размера на предметите, които заобикалят хората, които са разработили тези системи. Ясно е, че измерванията са били неточни, тъй като „уредите за измерване” не са с точни размери. Например, частите на тялото обикновено се използват като мярка за дължина; масата и обемът бяха измерени с помощта на обема и масата на семена и други малки предмети, чиито размери бяха повече или по-малко еднакви. По-долу ще разгледаме по-подробно такива единици.

Мерки за дължина

В древен Египет дължината за първи път се измерва просто лакти, а по-късно и с кралски лакти. Дължината на лакътя се определя като разстоянието от сгъвката на лакътя до края на изпънатия среден пръст. Така кралският лакът се определя като лакът на управляващия фараон. Беше създаден модел на лакът, който беше предоставен на широката публика, така че всеки да може да направи свои собствени мерки за дължина. Това, разбира се, беше произволна единица, която се променяше, когато нов управляващ човек зае трона. Древният Вавилон е използвал подобна система, но с малки разлики.

Лакътът беше разделен на по-малки единици: длан, ръка, зерец(фута) и Вие(пръст), които бяха представени съответно от ширината на дланта, ръката (с палеца), крака и пръста. В същото време те решиха да се споразумеят колко пръста има в дланта (4), в ръката (5) и в лакътя (28 в Египет и 30 във Вавилон). Беше по-удобно и по-точно от измерването на съотношения всеки път.

Мерки за маса и тегло

Мерките за тегло също се основават на параметрите на различни обекти. Семена, зърна, боб и подобни предмети са били използвани като мерки за тегло. Класически пример за единица за маса, която все още се използва днес, е карат. В днешно време теглото на скъпоценните камъни и перлите се измерва в карати, а някога теглото на семената на рожков, наричани иначе рожкови, се е определяло като карат. Дървото се отглежда в Средиземноморието, а семената му се отличават с постоянната си маса, така че те са удобни за използване като мярка за тегло и маса. Различните места използват различни семена като малки единици за тегло, а по-големите единици обикновено са кратни на по-малки единици. Археолозите често намират подобни големи тежести, обикновено направени от камък. Те се състоят от 60, 100 и друг брой малки единици. Тъй като нямаше единен стандарт за броя на малките единици, както и за тяхното тегло, това доведе до конфликти, когато продавачи и купувачи, които живееха на различни места, се срещнаха.

Мерки за обем

Първоначално обемът се измерва и с помощта на малки предмети. Например, обемът на саксия или кана се определя, като се напълни до върха с малки предмети спрямо стандартния обем - като семена. Липсата на стандартизация обаче доведе до същите проблеми при измерване на обем, както при измерване на маса.

Еволюция на различни системи от мерки

Древногръцката система от мерки се основава на древноегипетската и вавилонската, а римляните създават своя система на базата на древногръцката. След това, с огън и меч и, разбира се, в резултат на търговията, тези системи се разпространяват в цяла Европа. Трябва да се отбележи, че тук говорим само за най-често срещаните системи. Но имаше много други системи от мерки и теглилки, защото обменът и търговията бяха необходими за абсолютно всички. Ако в района не е имало писменост или не е било обичайно да се записват резултатите от обмена, тогава можем само да гадаем как тези хора са измервали обема и теглото.

Има много регионални вариации в системите от мерки и теглилки. Това се дължи на самостоятелното им развитие и влиянието на други системи върху тях в резултат на търговия и завоевания. Имаше различни системи не само в различните страни, но често и в рамките на една и съща страна, където всеки търговски град имаше своя собствена, тъй като местните владетели не искаха обединение, за да запазят властта си. С развитието на пътуването, търговията, промишлеността и науката много страни се стремят да уеднаквят системи от мерки и теглилки, поне в собствените си страни.

Още през 13 век, а вероятно и по-рано, учени и философи обсъждат създаването на единна система за измерване. Въпреки това, едва след Френската революция и последвалата колонизация на различни региони на света от Франция и други европейски страни, които вече имаха свои собствени системи за мерки и теглилки, беше разработена нова система, възприета в повечето страни от свят. Тази нова система беше десетична метрична система. Тя се основаваше на основата 10, тоест за всяка физическа величина имаше една основна единица, а всички останали единици можеха да бъдат формирани по стандартен начин с помощта на десетични префикси. Всяка такава дробна или множествена единица може да бъде разделена на десет по-малки единици, а тези по-малки единици от своя страна могат да бъдат разделени на 10 още по-малки единици и т.н.

Както знаем, повечето ранни системи за измерване не са базирани на база 10. Удобството на системата с основа 10 е, че познатата ни бройна система има същата основа, което ни позволява бързо и удобно, използвайки прости и познати правила, преобразувайте от по-малки единици в големи и обратно. Много учени смятат, че изборът на десет за основа на бройната система е произволен и е свързан само с факта, че имаме десет пръста и ако имахме различен брой пръсти, вероятно щяхме да използваме друга бройна система.

Метрична система

В ранните дни на метричната система създадените от човека прототипи са били използвани като мерки за дължина и тегло, както в предишните системи. Метричната система е еволюирала от система, базирана на материални стандарти и зависимост от тяхната точност, до система, базирана на природни явления и фундаментални физически константи. Например единицата за време секунда първоначално е определена като част от тропическата 1900 година. Недостатъкът на това определение беше невъзможността за експериментална проверка на тази константа през следващите години. Следователно вторият е предефиниран като определен брой периоди на излъчване, съответстващи на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на радиоактивния атом на цезий-133, който е в покой при 0 К. Единицата за разстояние, метър , е свързано с дължината на вълната на линията на радиационния спектър на изотопа криптон-86, но по-късно метърът е предефиниран като разстоянието, което светлината изминава във вакуум за период от време, равен на 1/299 792 458 от секундата.

Международната система от единици (SI) е създадена въз основа на метричната система. Трябва да се отбележи, че традиционно метричната система включва единици за маса, дължина и време, но в системата SI броят на базовите единици е разширен до седем. Ще ги обсъдим по-долу.

Международна система единици (SI)

Международната система от единици (SI) има седем основни единици за измерване на основни величини (маса, време, дължина, интензитет на светлината, количество материя, електрически ток, термодинамична температура). Това килограм(kg) за измерване на маса, второв) за измерване на времето, метър(m) за измерване на разстояние, кандела(cd) за измерване на интензитета на светлината, къртица(съкращение мол) за измерване на количеството вещество, ампер(A) за измерване на електрически ток и келвин(K) за измерване на температурата.

Понастоящем само килограмът все още има стандарт, създаден от човека, докато останалите единици се основават на универсални физически константи или природни явления. Това е удобно, защото физическите константи или природните явления, на които се основават мерните единици, могат лесно да бъдат проверени по всяко време; Освен това няма опасност от загуба или повреда на стандартите. Също така не е необходимо да се създават копия на стандарти, за да се гарантира тяхната наличност в различни части на света. Това елиминира грешките, свързани с точността на правене на копия на физически обекти, и по този начин осигурява по-голяма точност.

Десетични префикси

За образуване на кратни и подкратни, които се различават от основните единици на системата SI с определен брой пъти, което е степен на десет, се използват префикси, прикрепени към името на основната единица. Следва списък на всички използвани в момента префикси и десетичните множители, които представляват:

Конзола	Символ	Числена стойност; Запетайките тук разделят групи от цифри, а десетичният разделител е точка.	Експоненциална нотация
йота	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
зета	З	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
exa	д	1 000 000 000 000 000 000	10 18
пета	П	1 000 000 000 000 000	10 15
тера	T	1 000 000 000 000	10 12
гига	Ж	1 000 000 000	10 9
мега	М	1 000 000	10 6
килограм	Да се	1 000	10 3
хекто	Ж	100	10 2
звукова дъска	да	10	10 1
без префикс		1	10 0
деци	д	0,1	10 -1
centi	с	0,01	10 -2
Мили	м	0,001	10 -3
микро	мк	0,000001	10 -6
нано	н	0,000000001	10 -9
пико	П	0,000000000001	10 -12
фемто	f	0,000000000000001	10 -15
atto	А	0,000000000000000001	10 -18
зепто	ч	0,000000000000000000001	10 -21
йокто	И	0,000000000000000000000001	10 -24

Например 5 гигаметра са равни на 5 000 000 000 метра, докато 3 микрокандела са равни на 0,000003 кандели. Интересно е да се отбележи, че въпреки наличието на префикс в единицата килограм, тя е основната единица на SI. Следователно горните префикси се прилагат с грама, сякаш е основна единица.

Към момента на писане на тази статия има само три държави, които не са приели системата SI: Съединените щати, Либерия и Мианмар. В Канада и Обединеното кралство традиционните единици все още се използват широко, въпреки че системата SI е официалната система от единици в тези страни. Достатъчно е да влезете в магазин и да видите ценови етикети на килограм стоки (оказва се по-евтино!) Или да се опитате да купите строителни материали, измерени в метри и килограми. Няма да работи! Да не говорим за опаковките на стоките, където всичко е обозначено в грамове, килограми и литри, но не в цели числа, а превърнато от лири, унции, пинти и кварти. Мястото за мляко в хладилниците също се изчислява на половин галон или галон, а не на литър кашон мляко.

Трудно ли ви е да превеждате мерни единици от един език на друг? Колегите са готови да ви помогнат. Публикувайте въпрос в TCTermsи след няколко минути ще получите отговор.

Изчисления за преобразуване на единици в конвертора " Конвертор на десетични префикси" се изпълняват с помощта на функции unitconversion.org.

1 нано [n] = 1000 пико [p]

Първоначална стойност

Преобразувана стойност

без префикс yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli micro nano pico femto atto zepto yocto

Метрична система и международна система единици (SI)

Въведение