Die Natur ist kontinuierlich und jede Definition erfordert die Festlegung einiger Grenzen. Daher ist die Formulierung von Definitionen eine eher undankbare Aufgabe. Dennoch muss dies getan werden, da eine klare Definition es ermöglicht, ein Phänomen von einem anderen zu trennen, wesentliche Unterschiede zwischen ihnen zu erkennen und so ein tieferes Verständnis der Phänomene selbst zu erlangen. Daher besteht der Zweck dieses Aufsatzes darin, zu versuchen, die Bedeutung heutiger Modebegriffe mit dem Präfix „Nano“ (vom griechischen Wort für „Zwerg“) – „Nanowissenschaft“, „Nanotechnologie“, „Nanoobjekt“, „Nanomaterial“ – zu verstehen. .

Obwohl diese Fragen in der Fach- und Populärwissenschaftsliteratur immer wieder mit unterschiedlicher Tiefe diskutiert werden, zeigen Literaturanalysen und persönliche Erfahrungen, dass es in breiten wissenschaftlichen Kreisen noch immer kein klares Verständnis der Problematik selbst gibt, geschweige denn nicht -wissenschaftliche und Definitionen. Aus diesem Grund werden wir versuchen, alle oben aufgeführten Begriffe zu definieren und die Aufmerksamkeit des Lesers auf die Bedeutung des Grundkonzepts „Nanoobjekt“ zu lenken. Wir laden den Leser ein, gemeinsam darüber nachzudenken, ob es etwas gibt, das Nanoobjekte grundlegend von ihren größeren und kleineren „Brüdern“ unterscheidet, die die Welt um uns herum „bewohnen“. Darüber hinaus laden wir ihn ein, an einer Reihe von Gedankenexperimenten zum Design von Nanostrukturen und deren Synthese teilzunehmen. Wir werden auch versuchen zu zeigen, dass sich die Natur physikalischer und chemischer Wechselwirkungen im Nanobereich ändert, und dies geschieht genau in demselben Bereich der Größenskala, in dem die Grenze zwischen belebter und unbelebter Natur liegt.

Aber zuerst: Woher kommt das alles, warum wurde das Präfix „Nano“ eingeführt, was ist ausschlaggebend für die Klassifizierung von Materialien als Nanostrukturen, warum werden Nanowissenschaften und Nanotechnologie in separate Bereiche unterteilt, worauf bezieht sich diese Trennung (und bezieht sie sich darauf)? wirklich wissenschaftliche Grundlagen?

Was ist „Nano“ und wo hat alles angefangen?

Dies ist ein Präfix, das angibt, dass der ursprüngliche Wert um eine Milliarde reduziert werden muss, d ). Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie klein 1 nm ist, führen wir das folgende Gedankenexperiment durch (Abb. 1). Wenn wir den Durchmesser unseres Planeten (12.750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) um das 100 Millionen (10 8)-fache reduzieren, erhalten wir etwa 10 –1 m. Das entspricht ungefähr der Größe eines Fußballs (Standard). Der Durchmesser eines Fußballs beträgt 22 cm, aber auf unserer Skala ist dieser Unterschied für uns unbedeutend (2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). Verringern wir nun den Durchmesser des Fußballs um das gleiche 100 Millionen (10 8)-fache, und erst jetzt erhalten wir die Größe des Nanopartikels von 1 nm (ungefähr der Durchmesser des Kohlenstoffmoleküls von Fulleren C 60, ähnlich in der Form). zu einem Fußball - siehe Abb. 1) .

Bemerkenswert ist, dass das Präfix „Nano“ in der wissenschaftlichen Literatur schon seit geraumer Zeit verwendet wird, allerdings zur Bezeichnung von Objekten, die nicht nanoskalig sind. Insbesondere für Objekte, deren Größe milliardenfach größer als 1 nm ist – in der Dinosaurier-Terminologie. Nanotyrannosaurier ( Nanotyrranus) und Nanosaurier ( Nanosaurier) werden Zwergdinosaurier genannt, deren Abmessungen 5 bzw. 1,3 m betragen. Im Vergleich zu anderen Dinosauriern, deren Abmessungen 10 m (bis zu 50 m) überschreiten, sind sie jedoch wirklich „Zwerge“ und ihr Gewicht kann 30–40 Tonnen erreichen mehr. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass das Präfix „Nano“ selbst keine physikalische Bedeutung hat, sondern nur die Skalierung angibt.

Aber jetzt bezeichnen sie mit Hilfe dieses Präfixes eine neue Ära in der Entwicklung der Technologie, die manchmal als vierte industrielle Revolution bezeichnet wird – die Ära der Nanotechnologie.

Es wird oft angenommen, dass der Beginn der Ära der Nanotechnologie 1959 von Richard Feynman in seinem Vortrag „ Dort unten ist viel platz„(„Da unten ist viel Platz“) Das Hauptpostulat dieser Vorlesung war, dass der Autor aus der Sicht der Grundgesetze der Physik keine Hindernisse für die Arbeit auf molekularer und atomarer Ebene und die Manipulation einzelner Personen sieht Feynman sagte, dass man mit Hilfe bestimmter Geräte noch kleinere Geräte herstellen kann, die wiederum noch kleinere Geräte herstellen können, und so weiter bis auf die atomare Ebene, d. h. mit der entsprechenden Technologie können einzelne Atome manipuliert werden.

Fairerweise muss jedoch angemerkt werden, dass Feynman nicht der Erste war, der sich das ausgedacht hat. Insbesondere die Idee, Manipulatoren zu schaffen, deren Größe allmählich abnimmt, wurde bereits 1931 vom Schriftsteller Boris Zhitkov in seiner Science-Fiction-Geschichte „Microhands“ geäußert. Wir können es uns nicht verkneifen, kurze Zitate aus dieser Geschichte zu geben, damit der Leser die Einsicht des Autors selbst nachvollziehen kann:

„Ich habe mir lange den Kopf zerbrochen und bin zu folgendem Ergebnis gekommen: Ich werde kleine Hände machen, eine exakte Kopie von mir – auch wenn sie mindestens zwanzig-, dreißigmal kleiner sind, aber sie werden flexible Finger haben, wie meine.“ , sie ballen sich zur Faust, strecken sich und nehmen die gleichen Positionen ein wie meine lebenden Hände. Und ich habe sie gemacht...
Doch plötzlich kam mir ein Gedanke: Ich kann Mikrohände für meine kleinen Hände machen. Ich kann für sie dieselben Handschuhe herstellen wie für meine lebenden Hände, mit demselben System, sie mit Griffen verbinden, die zehnmal kleiner sind als meine Mikrohände, und dann ... werde ich echte Mikrohände haben, sie werden es bereits tun zweihundertmal kleiner sein als meine Bewegungen. Mit diesen Händen werde ich in so kleine Dinge des Lebens einbrechen, die man nur gesehen hat, von denen aber noch niemand über seine Hände verfügt hat. Und ich musste arbeiten...
Ich wollte echte Mikrohände herstellen, mit denen ich die Materieteilchen greifen kann, aus denen die Materie besteht, diese unvorstellbar kleinen Teilchen, die nur durch ein Ultramikroskop sichtbar sind. Ich wollte in den Bereich vordringen, in dem der menschliche Geist jegliche Vorstellung von Größe verliert – es scheint, als gäbe es keine Größen, alles ist so unvorstellbar klein.“

Aber es geht nicht nur um literarische Vorhersagen. Was man heute Nanoobjekte nennt, Nanotechnologien, wenn man so will, haben Menschen schon lange in ihrem Leben genutzt. Eines der auffälligsten Beispiele (wörtlich und im übertragenen Sinne) ist mehrfarbiges Glas. Zum Beispiel im 4. Jahrhundert n. Chr. entstanden. e. Der im British Museum aufbewahrte Lycurgus Cup ist grün, wenn er von außen beleuchtet wird, aber wenn er von innen beleuchtet wird, ist er purpurrot. Aktuelle elektronenmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass dieser ungewöhnliche Effekt auf das Vorhandensein nanoskaliger Gold- und Silberpartikel im Glas zurückzuführen ist. Daher können wir mit Sicherheit sagen, dass der Lycurgus Cup aus Nanokompositmaterial besteht.

Wie sich heute herausstellt, wurde Glas im Mittelalter häufig mit metallischem Nanostaub versetzt, um Glasmalereien herzustellen. Variationen in der Glasfarbe hängen von Unterschieden bei den hinzugefügten Partikeln ab – der Art des verwendeten Metalls und der Größe seiner Partikel. Kürzlich wurde entdeckt, dass diese Gläser auch bakterizide Eigenschaften haben, das heißt, sie sorgen nicht nur für ein schönes Lichtspiel im Raum, sondern desinfizieren auch die Umgebung.

Wenn wir die Entwicklungsgeschichte der Wissenschaft historisch betrachten, können wir einerseits einen allgemeinen Vektor hervorheben – das Eindringen der Naturwissenschaften „tief“ in die Materie. Die Bewegung entlang dieses Vektors wird durch die Entwicklung von Überwachungsmitteln bestimmt. Zunächst untersuchten die Menschen die gewöhnliche Welt, für deren Beobachtung keine besonderen Instrumente erforderlich waren. Mit Beobachtungen auf dieser Ebene wurden die Grundlagen der Biologie gelegt (Klassifikation der lebenden Welt, C. Linnaeus usw.) und die Evolutionstheorie erstellt (C. Darwin, 1859). Mit dem Erscheinen des Teleskops konnten die Menschen astronomische Beobachtungen machen (G. Galileo, 1609). Das Ergebnis davon war das Gesetz der universellen Gravitation und der klassischen Mechanik (I. Newton, 1642–1727). Als Leeuwenhoeks Mikroskop erschien (1674), drangen Menschen in die Mikrowelt vor (Größenintervall 1 mm – 0,1 mm). Zunächst war es nur die Betrachtung kleiner, für das Auge unsichtbarer Organismen. Erst Ende des 19. Jahrhunderts klärte L. Pasteur als Erster die Natur und Funktion von Mikroorganismen auf. Etwa zur gleichen Zeit (Ende des 19. – Anfang des 20. Jahrhunderts) kam es in der Physik zu einer Revolution. Wissenschaftler begannen, in das Innere des Atoms einzudringen und seine Struktur zu untersuchen. Dies war wiederum auf das Aufkommen neuer Methoden und Werkzeuge zurückzuführen, die begannen, kleinste Materieteilchen zu nutzen. Im Jahr 1909 gelang es Rutherford mithilfe von Alphateilchen (Heliumkerne mit einer Größe in der Größenordnung von 10–13 m), den Kern eines Goldatoms zu „sehen“. Das Bohr-Rutherford-Planetenmodell des Atoms, das auf der Grundlage dieser Experimente erstellt wurde, liefert ein visuelles Bild der Ungeheuerlichkeit des „freien“ Raums im Atom, der durchaus mit der kosmischen Leere des Sonnensystems vergleichbar ist. Es waren die Lücken solcher Befehle, die Feynman in seinem Vortrag im Sinn hatte. Mit denselben α-Teilchen führte Rutherford 1919 die erste Kernreaktion zur Umwandlung von Stickstoff in Sauerstoff durch. Auf diese Weise gelangten Physiker in die Piko- und Femto-Größenintervalle, und das Verständnis der Struktur der Materie auf atomarer und subatomarer Ebene führte in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts zur Entwicklung der Quantenmechanik.

Welt der verlorenen Werte

Historisch gesehen war es so, dass auf der Dimensionsskala (Abb. 2) fast alle dimensionalen Forschungsbereiche „abgedeckt“ wurden, mit Ausnahme des Bereichs der Nanogrößen. Allerdings ist die Welt nicht ohne visionäre Menschen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts veröffentlichte W. Ostwald das Buch „The World of Bypassed Quantities“, das sich mit einem damals neuen Gebiet der Chemie befasste – der Kolloidchemie, die sich speziell mit nanometergroßen Partikeln befasste (obwohl dieser Begriff es war). damals noch nicht genutzt). Bereits in diesem Buch stellte er fest, dass die Zerkleinerung von Materie irgendwann zu neuen Eigenschaften führt, dass die Eigenschaften des gesamten Materials von der Größe des Teilchens abhängen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnten sie Partikel dieser Größe noch nicht „sehen“, da sie unterhalb der Auflösungsgrenzen eines Lichtmikroskops lagen. Daher ist es kein Zufall, dass die Erfindung des Elektronenmikroskops durch M. Knoll und E. Ruska im Jahr 1931 als einer der ersten Meilensteine in der Entstehung der Nanotechnologie gilt. Erst danach war die Menschheit in der Lage, Objekte im Submikron- und Nanometerbereich zu „sehen“. Und dann passt alles zusammen – das Hauptkriterium, nach dem die Menschheit neue Tatsachen und Phänomene akzeptiert (oder nicht akzeptiert), wird in den Worten von Thomas, dem Ungläubigen, ausgedrückt: „Bis ich sehe, werde ich nicht glauben.“

Der nächste Schritt erfolgte 1981 – G. Binnig und G. Rohrer entwickelten ein Rastertunnelmikroskop, das es ermöglichte, einzelne Atome nicht nur abzubilden, sondern auch zu manipulieren. Das heißt, die Technologie, über die R. Feynman in seinem Vortrag sprach, wurde geschaffen. Damals begann das Zeitalter der Nanotechnologie.

Beachten wir, dass wir es auch hier wieder mit der gleichen Geschichte zu tun haben. Auch hier gilt, dass es allgemein üblich ist, dass die Menschheit nicht darauf achtet, was ihrer Zeit zumindest ein wenig voraus ist. Am Beispiel der Nanotechnologie zeigt sich also, dass nichts Neues entdeckt wurde, man begann einfach besser zu verstehen, was um ihn herum geschah, was die Menschen schon in der Antike taten, wenn auch unbewusst, oder besser gesagt, bewusst (sie wussten, was sie wussten). wollte), aber ich verstehe physikalische und chemische Phänomene nicht. Eine andere Frage ist, dass das Vorhandensein von Technologie noch nicht bedeutet, das Wesen des Prozesses zu verstehen. Sie wussten schon vor langer Zeit, wie man Stahl kocht, aber das Verständnis für die physikalischen und chemischen Grundlagen der Stahlherstellung kam erst viel später. Hier können Sie sich daran erinnern, dass das Geheimnis des Damaststahls noch nicht gelüftet ist. Hier haben wir eine andere Hypostase – wir wissen, was wir bekommen müssen, aber wir wissen nicht wie. Daher ist die Beziehung zwischen Wissenschaft und Technologie nicht immer einfach.

Wer hat als erster Nanomaterialien im modernen Sinne untersucht? 1981 verwendete der amerikanische Wissenschaftler G. Gleiter erstmals die Definition von „nanokristallin“. Er formulierte das Konzept der Herstellung von Nanomaterialien und entwickelte es in einer Reihe von Werken von 1981–1986 weiter, indem er die Begriffe „nanokristalline“, „nanostrukturierte“, „Nanophasen“- und „Nanokomposit“-Materialien einführte. Der Schwerpunkt dieser Arbeiten lag auf der entscheidenden Rolle mehrerer Grenzflächen in Nanomaterialien als Grundlage für die Veränderung der Eigenschaften von Festkörpern.

Eines der wichtigsten Ereignisse in der Geschichte der Nanotechnologie und der Entwicklung der Nanopartikel-Ideologie war auch die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanostrukturen – Fullerenen und Kohlenstoff-Nanoröhren – Mitte der 80er – Anfang der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts sowie die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanostrukturen das 21. Jahrhundert einer Methode zur Herstellung von Graphen.

Aber kommen wir zurück zu den Definitionen.

Erste Definitionen: Alles ist sehr einfach

Anfangs war alles ganz einfach. Im Jahr 2000 unterzeichnete US-Präsident B. Clinton das Dokument „ Nationale Nanotechnologie-Initiative„(„Nationale Nanotechnologie-Initiative“), die folgende Definition enthält: Nanotechnologie umfasst die Schaffung von Technologien und Forschung auf atomarer, molekularer und makromolekularer Ebene etwa von 1 bis 100 nm, um die Grundprinzipien von Phänomenen und Eigenschaften von Materialien auf nanoskaliger Ebene zu verstehen, sowie die Schaffung und Nutzung von Strukturen, Geräten und Systemen, die durch ihre Größe bestimmte neue Eigenschaften und Funktionen aufweisen.

Im Jahr 2003 legte die britische Regierung Berufung ein königliche Gesellschaft und Royal Academy of Engineering mit der Bitte, ihre Meinung zur Notwendigkeit der Entwicklung der Nanotechnologie zu äußern und die Vorteile und Probleme zu bewerten, die ihre Entwicklung mit sich bringen kann. Ein solcher Bericht mit dem Titel „ Nanowissenschaften und Nanotechnologien: Chancen und Unsicherheiten" erschien im Juli 2004 und darin wurden unseres Wissens erstmals getrennte Definitionen von Nanowissenschaften und Nanotechnologie gegeben:

Nanowissenschaften ist die Untersuchung von Phänomenen und Objekten auf atomarer, molekularer und makromolekularer Ebene, deren Eigenschaften sich erheblich von den Eigenschaften ihrer Makroanaloga unterscheiden.

Nanotechnologie ist der Entwurf, die Charakterisierung, die Herstellung und die Anwendung von Strukturen, Geräten und Systemen, deren Eigenschaften durch ihre Form und Größe im Nanometerbereich bestimmt werden.

Unter dem Begriff „Nanotechnologie“ bezieht sich auf eine Reihe technologischer Techniken, die es ermöglichen, Nanoobjekte zu erstellen und/oder zu manipulieren. Es bleibt nur noch, Nanoobjekte zu definieren. Es stellt sich jedoch heraus, dass dies nicht so einfach ist, weshalb der größte Teil des Artikels dieser Definition gewidmet ist.

Hier zunächst die heute am häufigsten verwendete formale Definition:

Nanoobjekte (Nanopartikel) sind Objekte (Partikel) mit einer charakteristischen Größe von 1–100 Nanometern in mindestens einer Dimension.

Alles scheint in Ordnung und klar zu sein, aber es ist nicht klar, warum eine so strenge Definition der unteren und oberen Grenzen von 1 und 100 nm gegeben wurde? Es scheint, dass dies freiwillig gewählt wurde, die Festlegung der Obergrenze ist besonders verdächtig. Warum nicht 70 oder 150 nm? Denn wenn man die Vielfalt der Nanoobjekte in der Natur berücksichtigt, können und sollten die Grenzen des Nanobereichs der Größenskala deutlich verschwimmen. Und im Allgemeinen ist es in der Natur unmöglich, genaue Grenzen zu ziehen – einige Objekte gehen fließend in andere über, und dies geschieht in einem bestimmten Intervall und nicht an einem Punkt.

Bevor wir über Grenzen sprechen, versuchen wir zu verstehen, welche physikalische Bedeutung im Konzept „Nanoobjekt“ enthalten ist. Warum muss es durch eine separate Definition unterschieden werden?

Wie oben erwähnt, begann sich erst am Ende des 20. Jahrhunderts die Erkenntnis abzuzeichnen (oder besser gesagt, sich in den Köpfen zu etablieren), dass der nanoskalige Bereich der Struktur der Materie immer noch ihre eigenen Eigenschaften hat, die die Materie auf dieser Ebene besitzt andere Eigenschaften, die sich im Makrokosmos nicht manifestieren. Es ist sehr schwierig, einige englische Begriffe ins Russische zu übersetzen, aber im Englischen gibt es den Begriff „ Schüttgut“, was grob mit „große Stoffmenge“, „Massenstoff“, „kontinuierliches Medium“ übersetzt werden kann. Hier sind einige Eigenschaften. Schüttgut„Wenn die Größe der Partikel, aus denen es besteht, abnimmt, können sie beginnen, sich zu verändern, wenn sie eine bestimmte Größe erreichen. In diesem Fall spricht man von einem Übergang in den Nanozustand des Stoffes, der Nanomaterialien.

Und das liegt daran, dass mit abnehmender Partikelgröße der Anteil der auf ihrer Oberfläche befindlichen Atome und ihr Beitrag zu den Eigenschaften des Objekts signifikant werden und mit weiterer Abnahme der Größe zunehmen (Abb. 3).

Aber warum beeinflusst eine Erhöhung des Anteils an Oberflächenatomen die Eigenschaften von Partikeln erheblich?

Die sogenannten Oberflächenphänomene sind seit langem bekannt – das sind Oberflächenspannung, Kapillarphänomene, Oberflächenaktivität, Benetzung, Adsorption, Adhäsion etc. Die Gesamtheit dieser Phänomene ist darauf zurückzuführen, dass die Wechselwirkungskräfte zwischen den Partikel, aus denen der Körper besteht, werden auf seiner Oberfläche nicht kompensiert (Abb. 4). Mit anderen Worten: Atome auf der Oberfläche (kristallin oder flüssig – egal) befinden sich in besonderen Bedingungen. Bei Kristallen beispielsweise wirken die Kräfte, die sie dazu zwingen, sich an den Knoten des Kristallgitters zu befinden, nur von unten auf sie. Daher unterscheiden sich die Eigenschaften dieser „Oberflächen“-Atome von den Eigenschaften derselben Atome in der Masse.

Da die Anzahl der Oberflächenatome in Nanoobjekten stark zunimmt (Abb. 3), wird ihr Beitrag zu den Eigenschaften des Nanoobjekts entscheidend und nimmt mit einer weiteren Verringerung der Objektgröße zu. Genau dies ist einer der Gründe für die Manifestation neuer Eigenschaften auf Nanoebene.

Ein weiterer Grund für die diskutierte Änderung der Eigenschaften besteht darin, dass sich auf dieser dimensionalen Ebene die Wirkung der Gesetze der Quantenmechanik zu manifestieren beginnt, d. h. die Ebene der Nanogrößen ist die Ebene des Übergangs, nämlich der Übergang, von der Herrschaft der klassischen Mechanik zur Herrschaft der Quantenmechanik. Und das Unvorhersehbarste sind bekanntlich gerade die Übergangszustände.

Mitte des 20. Jahrhunderts lernten die Menschen, sowohl mit einer Masse von Atomen als auch mit einem einzelnen Atom zu arbeiten.

Später wurde klar, dass ein „kleiner Haufen Atome“ etwas anderes ist, das weder einer Masse von Atomen noch einem einzelnen Atom ganz ähnlich ist.

In der Halbleiterphysik dürften Wissenschaftler und Technologen zum ersten Mal mit diesem Problem konfrontiert worden sein. Bei ihrem Streben nach Miniaturisierung erreichten sie Partikelgrößen (mehrere zehn Nanometer oder weniger), bei denen sich ihre optischen und elektronischen Eigenschaften stark von denen von Partikeln „normaler“ Größe unterschieden. Damals wurde endlich klar, dass es sich bei der „Nanoskala“ um einen besonderen Bereich handelt, der sich vom Existenzbereich von Makropartikeln oder kontinuierlichen Medien unterscheidet.

Daher ist in den obigen Definitionen von Nanowissenschaften und Nanotechnologie der wichtigste Punkt, dass „echtes Nano“ mit der Entstehung neuer Eigenschaften von Substanzen beginnt, die mit dem Übergang zu diesen Maßstäben verbunden sind und sich von den Eigenschaften von Massenmaterialien unterscheiden. Das heißt, die bedeutendste und wichtigste Eigenschaft von Nanopartikeln, ihr Hauptunterschied zu Mikro- und Makropartikeln, ist das Auftreten grundlegend neuer Eigenschaften in ihnen, die bei anderen Größen nicht auftreten. Wir haben bereits literarische Beispiele gegeben, wir verwenden diese Technik erneut, um die Unterschiede zwischen Makro-, Mikro- und Nanoobjekten deutlich zu machen und hervorzuheben.

Kehren wir zu literarischen Beispielen zurück. Der Held von Leskovs Geschichte, Levsha, wird oft als „früher“ Nanotechnologe erwähnt. Dies ist jedoch falsch. Leftys größte Errungenschaft besteht darin, dass er kleine Nägel schmiedete [ „Ich habe kleiner als diese Hufeisen gearbeitet: Ich habe die Nägel geschmiedet, mit denen die Hufeisen gefüllt sind, kein kleines Zielfernrohr kann sie mehr dorthin bringen"]. Aber diese Nägel blieben, obwohl sie sehr klein waren, Nägel und verloren nicht ihre Hauptfunktion – das Halten des Hufeisens. Das Beispiel mit Lefty ist also ein Beispiel für Miniaturisierung (Mikrominiaturisierung, wenn Sie so wollen), also die Reduzierung der Größe eines Objekts, ohne seine funktionalen und anderen Eigenschaften zu verändern.

Aber die bereits erwähnte Geschichte von B. Zhitkov beschreibt genau die Änderung der Eigenschaften:

„Ich musste einen dünnen Draht herausziehen – also so dick, dass er für meine lebenden Hände wie Haare wäre. Ich arbeitete und schaute durch das Mikroskop, während Mikrohände Kupfer hinhielten. Immer dünner – es waren noch fünf Strecken übrig – und dann riss der Draht. Es riss nicht einmal – es zerbröckelte, als wäre es aus Ton. Es zerfiel zu feinem Sand. Das ist rotes Kupfer, berühmt für seine Duktilität.“

Beachten Sie, dass in Wikipedia In einem Artikel über Nanotechnologie wird eine Zunahme der Kupferhärte als eines der Beispiele für Eigenschaftsänderungen mit abnehmender Größe genannt. (Ich frage mich, wo B. Zhitkov 1931 davon erfahren hat?)

Nanoobjekte: Quantenebenen, Fäden und Punkte. Kohlenstoffnanostrukturen

Ende des 20. Jahrhunderts wurde schließlich die Existenz eines bestimmten Bereichs der Teilchengrößen der Materie – des Bereichs der Nanogrößen – offensichtlich. Physiker, die die Definition von Nanoobjekten präzisieren, behaupten, dass die Obergrenze des Nanobereichs der Größenskala offenbar mit der Größe der Manifestation der sogenannten niedrigdimensionalen Effekte oder dem Effekt der Dimensionsreduktion zusammenfällt.

Versuchen wir, die letzte Aussage aus der Sprache der Physiker in die allgemeine menschliche Sprache rückzuübersetzen.

Wir leben in einer dreidimensionalen Welt. Alle realen Objekte um uns herum haben in allen drei Dimensionen bestimmte Größen oder, wie Physiker sagen, Dimension 3.

Führen wir das folgende Gedankenexperiment durch. Wählen wir dreidimensional, Volumen, eine Probe eines Materials, vorzugsweise eines homogenen Kristalls. Es sei ein Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm. Diese Probe hat bestimmte physikalische Eigenschaften, die nicht von ihrer Größe abhängen. In der Nähe der äußeren Oberfläche unserer Probe können die Eigenschaften von denen in der Masse abweichen. Der relative Anteil der Oberflächenatome ist jedoch gering, und daher kann der Beitrag von Oberflächenänderungen der Eigenschaften vernachlässigt werden (diese Anforderung bedeutet in der Sprache der Physiker, dass die Probe Volumen). Teilen wir nun den Würfel in zwei Hälften – zwei seiner charakteristischen Abmessungen bleiben gleich und eine, sei es die Höhe D, wird um das Zweifache verringert. Was passiert mit den Eigenschaften der Probe? Sie werden sich nicht ändern. Wiederholen wir dieses Experiment noch einmal und messen wir die Eigenschaft, die uns interessiert. Wir werden das gleiche Ergebnis erhalten. Wenn wir das Experiment viele Male wiederholen, werden wir schließlich eine bestimmte kritische Größe erreichen D*, unterhalb dessen beginnt die von uns gemessene Eigenschaft von der Größe abzuhängen D. Warum? Bei d ≤ d* Der Anteil des Beitrags der Oberflächenatome zu den Eigenschaften wird erheblich und wird bei weiterer Abnahme weiter zunehmen D.

Physiker sagen das wann d ≤ d* in unserem Beispiel gibt es Quantengrößeneffekt in einer Dimension. Für sie ist unsere Probe nicht mehr dreidimensional (was für jeden gewöhnlichen Menschen absurd klingt, weil unsere D obwohl es klein ist, ist es nicht gleich Null!), es Dimension auf zwei reduziert. A die Probe selbst wird aufgerufen Quantenebene, oder Quantentopf, in Analogie zum in der Physik häufig verwendeten Begriff „Potenzialtopf“.

Wenn in einer Probe d ≤ d* in zwei Dimensionen heißt es eindimensionales Quantenobjekt, oder Quantenfaden, oder Quantendraht. U nulldimensionale Objekte, oder Quantenpunkte, d ≤ d* in allen drei Dimensionen.

Natürlich die kritische Größe D* ist kein konstanter Wert für verschiedene Materialien und selbst für ein Material kann es erheblich variieren, je nachdem, welche der Eigenschaften wir in unserem Experiment gemessen haben, oder mit anderen Worten, welche der kritischen Dimensionseigenschaften physikalischer Phänomene diese Eigenschaft bestimmt (freie Weglänge). Elektronen, Phononen, De-Broglie-Wellenlänge, Diffusionslänge, Eindringtiefe eines externen elektromagnetischen Feldes oder akustischer Wellen usw.).

Es stellt sich jedoch heraus, dass bei all der Vielfalt der Phänomene, die in organischen und anorganischen Materialien in der belebten und unbelebten Natur auftreten, der Wert D* liegt etwa im Bereich 1–100 nm. Somit ist ein „Nanoobjekt“ („Nanostruktur“, „Nanopartikel“) einfach eine andere Variante des Begriffs „quantendimensionale Struktur“. Dies ist ein Objekt, das d ≤ d* in mindestens einer Dimension. Dabei handelt es sich um Teilchen reduzierter Dimensionalität, Teilchen mit einem erhöhten Anteil an Oberflächenatomen. Dies bedeutet, dass es am logischsten ist, sie nach dem Grad der Dimensionsreduktion zu klassifizieren: 2D – Quantenebenen, 1D – Quantenfäden, 0D – Quantenpunkte.

Das gesamte Spektrum reduzierter Dimensionen lässt sich am Beispiel von Kohlenstoffnanopartikeln leicht erklären und vor allem experimentell beobachten.

Die Entdeckung von Kohlenstoffnanostrukturen war ein sehr wichtiger Meilenstein in der Entwicklung des Nanopartikelkonzepts.

Kohlenstoff ist nur das elfthäufigste Element in der Natur, aber dank der einzigartigen Fähigkeit seiner Atome, sich miteinander zu verbinden und lange Moleküle zu bilden, die andere Elemente als Substituenten enthalten, entstand eine große Vielfalt organischer Verbindungen und sogar das Leben selbst. Aber auch wenn Kohlenstoff nur mit sich selbst verbunden ist, ist er in der Lage, eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen – die sogenannten allotropen Modifikationen. Diamant beispielsweise ist ein Maßstab für Transparenz und Härte, ein Dielektrikum und ein Wärmeisolator. Graphit ist jedoch ein idealer „Absorber“ für Licht, ein ultraweiches Material (in einer bestimmten Richtung) und einer der besten Leiter für Wärme und Elektrizität (in einer Ebene senkrecht zur oben genannten Richtung). Aber beide Materialien bestehen nur aus Kohlenstoffatomen!

Aber das alles geschieht auf der Makroebene. Und der Übergang zur Nanoebene eröffnet neue einzigartige Eigenschaften von Kohlenstoff. Es stellte sich heraus, dass die „Liebe“ der Kohlenstoffatome zueinander so groß ist, dass sie ohne Beteiligung anderer Elemente eine ganze Reihe von Nanostrukturen bilden können, die sich auch in der Größe unterscheiden. Dazu gehören Fullerene, Graphen, Nanoröhren, Nanocons usw. (Abb. 5).

Beachten wir, dass Kohlenstoffnanostrukturen als „echte“ Nanopartikel bezeichnet werden können, da in ihnen, wie in Abb. 5 liegen alle Atome, aus denen sie bestehen, auf der Oberfläche.

Aber kehren wir zum Graphit selbst zurück. Graphit ist also die häufigste und thermodynamisch stabilste Modifikation von elementarem Kohlenstoff mit einer dreidimensionalen Kristallstruktur, die aus parallelen Atomschichten besteht, von denen jede eine dichte Packung von Sechsecken darstellt (Abb. 6). An den Spitzen eines solchen Sechsecks befindet sich ein Kohlenstoffatom, und die Seiten der Sechsecke spiegeln grafisch starke kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen wider, deren Länge 0,142 nm beträgt. Der Abstand zwischen den Schichten ist jedoch ziemlich groß (0,334 nm) und daher ist die Verbindung zwischen den Schichten ziemlich schwach (in diesem Fall spricht man von Van-der-Waals-Wechselwirkung).

Diese Kristallstruktur erklärt die Besonderheiten der physikalischen Eigenschaften von Graphit. Erstens geringe Härte und die Fähigkeit, sich leicht in winzige Flocken zu trennen. So schreiben sie beispielsweise mit Bleistiftminen, deren Graphitflocken beim Abblättern auf dem Papier zurückbleiben. Zweitens die bereits erwähnte ausgeprägte Anisotropie der physikalischen Eigenschaften von Graphit und vor allem seiner elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Jede der Schichten der dreidimensionalen Graphitstruktur kann als riesige planare Struktur mit einer 2D-Dimension betrachtet werden. Diese zweidimensionale Struktur, die nur aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist, wird „Graphen“ genannt. Zumindest in einem Gedankenexperiment ist es „relativ“ einfach, eine solche Struktur zu erhalten. Nehmen wir eine Graphitbleistiftmine und beginnen wir mit dem Schreiben. Bleihöhe D wird abnehmen. Wenn man genug Geduld hat, dann irgendwann der Wert D wird gleich sein D*, und wir erhalten eine Quantenebene (2D).

Das Problem der Stabilität flacher zweidimensionaler Strukturen im freien Zustand (ohne Substrat) im Allgemeinen und Graphen im Besonderen sowie die elektronischen Eigenschaften von Graphen waren lange Zeit nur Gegenstand theoretischer Untersuchungen. In jüngerer Zeit, im Jahr 2004, erhielt eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von A. Geim und K. Novoselov die ersten Proben von Graphen, was dieses Gebiet revolutionierte, da sich insbesondere solche zweidimensionalen Strukturen als in der Lage erwiesen, erstaunliche elektronische Eigenschaften zu zeigen Eigenschaften, die sich qualitativ von allem unterscheiden, was zuvor beobachtet wurde. Daher untersuchen heute Hunderte von Experimentalgruppen die elektronischen Eigenschaften von Graphen.

Wenn wir eine monoatomar dicke Graphenschicht zu einem Zylinder aufrollen, sodass das hexagonale Netzwerk aus Kohlenstoffatomen nahtlos geschlossen ist, dann „konstruieren“ wir einwandige Kohlenstoffnanoröhre. Experimentell ist es möglich, einwandige Nanoröhren mit einem Durchmesser von 0,43 bis 5 nm zu erhalten. Charakteristische Merkmale der Geometrie von Nanoröhren sind Rekordwerte der spezifischen Oberfläche (durchschnittlich ~1600 m 2 /g für einwandige Röhren) und des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser (100.000 und höher). Nanoröhren sind also 1D-Nanoobjekte – Quantenfäden.

In den Experimenten wurden auch mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren beobachtet (Abb. 7). Sie bestehen aus ineinander gesteckten koaxialen Zylindern, deren Wände einen Abstand (ca. 3,5 Å) haben, der dem interplanaren Abstand in Graphit (0,334 nm) nahekommt. Die Anzahl der Wände kann zwischen 2 und 50 variieren.

Wenn wir ein Stück Graphit in eine Atmosphäre aus einem Inertgas (Helium oder Argon) legen und es dann mit einem Strahl eines starken gepulsten Lasers oder konzentriertem Sonnenlicht beleuchten, können wir das Material unseres Graphitziels verdampfen (beachten Sie, dass hierfür die Die Zieloberflächentemperatur muss mindestens 2700 °C betragen. Unter solchen Bedingungen entsteht über der Targetoberfläche ein Plasma, bestehend aus einzelnen Kohlenstoffatomen, die vom Kaltgasstrom mitgerissen werden, was zur Abkühlung des Plasmas und zur Bildung von Kohlenstoffclustern führt. Es stellt sich also heraus, dass Kohlenstoffatome unter bestimmten Clusterbedingungen geschlossen sind, um ein kugelförmiges Gerüstmolekül C 60 mit der Dimension 0D (d. h. einen Quantenpunkt) zu bilden, wie bereits in Abb. gezeigt. 1.

Eine solche spontane Bildung des C 60-Moleküls im Kohlenstoffplasma wurde in einem gemeinsamen Experiment von G. Croto, R. Curl und R. Smoley entdeckt, das über einen Zeitraum von zehn Tagen im September 1985 durchgeführt wurde. Wir verweisen den neugierigen Leser auf das Buch von E. A. Katz „Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanocluster: Eine Genealogie von Formen und Ideen“ beschreibt ausführlich die faszinierende Geschichte dieser Entdeckung und die ihr vorausgehenden Ereignisse (mit kurzen Exkursen in die Geschichte der Wissenschaft bis zur Renaissance und sogar zur Antike) als sowie die Erklärung der Motivation für die auf den ersten Blick (und nur auf den ersten Blick) seltsamen Namen des neuen Moleküls - Buckminsterfulleren - zu Ehren des Architekten R. Buckminster Fuller (siehe auch das Buch [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Später wurde entdeckt, dass es eine ganze Familie von Kohlenstoffmolekülen gibt – Fullerene - in Form konvexer Polyeder, die nur aus sechseckigen und fünfeckigen Flächen bestehen (Abb. 8).

Es war die Entdeckung der Fullerene, die eine Art magischer „goldener Schlüssel“ zur neuen Welt der Nanometerstrukturen aus reinem Kohlenstoff darstellte und eine Explosion der Arbeit auf diesem Gebiet auslöste. Bisher wurde eine große Anzahl unterschiedlicher Kohlenstoffcluster mit einer (im wahrsten Sinne des Wortes!) fantastischen Vielfalt an Struktur und Eigenschaften entdeckt.

Doch zurück zu den Nanomaterialien.

Nanomaterialien sind Materialien, deren Struktureinheiten Nanoobjekte (Nanopartikel) sind. Im übertragenen Sinne besteht der Bau von Nanomaterialien aus Ziegeln – Nanoobjekten. Daher ist es am produktivsten, Nanomaterialien nach den Abmessungen sowohl der Nanomaterialprobe selbst (den Außenabmessungen der Matrix) als auch nach den Abmessungen der Nanoobjekte, aus denen sie besteht, zu klassifizieren. Die detaillierteste Klassifizierung dieser Art findet sich im Werk. Die in dieser Arbeit vorgestellten 36 Klassen von Nanostrukturen beschreiben die gesamte Vielfalt von Nanomaterialien, von denen einige (wie die oben genannten Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoerbsen) bereits erfolgreich synthetisiert wurden, andere noch auf ihre experimentelle Umsetzung warten.

Warum ist es nicht so einfach?

Daher können wir die Konzepte „Nanowissenschaft“, „Nanotechnologie“ und „Nanomaterialien“, die uns interessieren, nur dann genau definieren, wenn wir verstehen, was ein „Nanoobjekt“ ist.

„Nanoobjekt“ wiederum hat zwei Definitionen. Die erste, einfachere (technologische) Möglichkeit: Dabei handelt es sich um Objekte (Partikel) mit einer charakteristischen Größe etwa 1–100 Nanometer in mindestens einer Dimension. Die zweite Definition, eher wissenschaftlich, physisch: ein Objekt mit einer reduzierten Dimension (das hat d ≤ d* in mindestens einer Dimension).

Andere Definitionen gibt es unseres Wissens nach nicht.

Allerdings kann man nicht umhin zu bemerken, dass die wissenschaftliche Definition auch einen gravierenden Nachteil hat. Nämlich: Anders als bei der Technologie wird darin nur die Obergrenze der Nanogrößen festgelegt. Sollte es eine Untergrenze geben? Unserer Meinung nach sollte es das natürlich tun. Der erste Grund für die Existenz einer Untergrenze ergibt sich direkt aus dem physikalischen Wesen der wissenschaftlichen Definition eines Nanoobjekts, da die meisten der oben diskutierten Dimensionsreduktionseffekte Effekte der Quantenbegrenzung oder Phänomene resonanter Natur sind. Mit anderen Worten: Sie werden beobachtet, wenn die charakteristischen Längen des Effekts und die Abmessungen des Objekts übereinstimmen, also nicht nur für D ≤ D*, was bereits besprochen wurde, aber gleichzeitig nur, wenn die Größe D eine bestimmte Untergrenze überschreitet D** (D** ≤ D ≤ D*). Es ist offensichtlich, dass der Wert D* kann je nach Phänomen variieren, muss aber die Größe von Atomen überschreiten.

Lassen Sie uns dies am Beispiel von Kohlenstoffverbindungen veranschaulichen. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) wie Naphthalin, Benzopyren, Chrysen usw. sind formal Analoga von Graphen. Darüber hinaus hat das größte bekannte PAK die allgemeine Formel C222H44 und enthält 10 diagonale Benzolringe. Sie verfügen jedoch nicht über die erstaunlichen Eigenschaften von Graphen und können nicht als Nanopartikel betrachtet werden. Gleiches gilt für Nanodiamanten: Bis zu ~ 4–5 nm handelt es sich um Nanodiamanten, aber in der Nähe dieser Grenzen und sogar darüber hinaus sind höhere Diamantoide (Analoga von Adamantan, deren Struktur aus kondensierten Diamantzellen besteht) geeignet.

Also: Wenn im Grenzfall die Größe eines Objekts in allen drei Dimensionen gleich der Größe eines Atoms ist, dann ist beispielsweise ein Kristall, der aus solchen 0-dimensionalen Objekten besteht, kein Nanomaterial, sondern ein gewöhnlicher Atomkristall. Es ist offensichtlich. Es ist auch offensichtlich, dass die Anzahl der Atome in einem Nanoobjekt immer noch größer als eins sein muss. Wenn ein Nanoobjekt alle drei Werte hat D weniger als D**, er hört auf, einer zu sein. Ein solches Objekt muss in der Sprache der Beschreibung einzelner Atome beschrieben werden.

Was wäre, wenn nicht alle drei Größen, sondern beispielsweise nur eine? Bleibt ein solches Objekt ein Nanoobjekt? Ja natürlich. Ein solches Objekt ist beispielsweise das bereits erwähnte Graphen. Die Tatsache, dass die charakteristische Größe von Graphen in einer Dimension dem Durchmesser eines Kohlenstoffatoms entspricht, nimmt ihm nicht die Eigenschaften eines Nanomaterials. Und diese Eigenschaften sind absolut einzigartig. Es wurden die Leitfähigkeit, der Shubnikov-de-Haas-Effekt und der Quanten-Hall-Effekt in Graphenfilmen mit atomarer Dicke gemessen. Experimente haben bestätigt, dass Graphen ein Halbleiter mit einer Bandlücke von Null ist, während an den Kontaktpunkten von Valenzband und Leitungsband das Energiespektrum von Elektronen und Löchern linear als Funktion des Wellenvektors ist. Teilchen mit einer effektiven Masse von Null, insbesondere Photonen, Neutrinos und relativistische Teilchen, haben ein solches Spektrum. Der Unterschied zwischen Photonen und masselosen Trägern in Graphen besteht darin, dass letztere Fermionen sind und geladen sind. Derzeit gibt es unter den bekannten Elementarteilchen keine Analoga für diese masselosen geladenen Dirac-Fermionen. Heute ist Graphen von großem Interesse, sowohl für die Überprüfung vieler theoretischer Annahmen aus den Bereichen Quantenelektrodynamik und Relativitätstheorie als auch für die Entwicklung neuer nanoelektronischer Geräte, insbesondere ballistischer und Einzelelektronentransistoren.

Für unsere Diskussion ist es sehr wichtig, dass der Dimensionsbereich, in dem die sogenannten mesoskopischen Phänomene realisiert werden, dem Konzept eines Nanoobjekts am nächsten kommt. Dies ist der minimaldimensionale Bereich, für den es sinnvoll ist, nicht über die Eigenschaften einzelner Atome oder Moleküle, sondern über die Eigenschaften des Materials als Ganzes zu sprechen (z. B. bei der Bestimmung der Temperatur, Dichte oder Leitfähigkeit des Materials). Mesoskopische Abmessungen liegen genau im Bereich von 1–100 nm. (Das Präfix „meso-“ kommt vom griechischen Wort für „durchschnittlich“, mittel – zwischen atomarer und makroskopischer Dimension.)

Jeder weiß, dass sich die Psychologie mit dem Verhalten von Einzelpersonen und die Soziologie mit dem Verhalten großer Gruppen von Menschen befasst. Beziehungen in einer Gruppe von 3-4 Personen können also analog als Meso-Phänomene charakterisiert werden. Ebenso ist, wie oben erwähnt, ein kleiner Atomhaufen etwas, das weder wie ein „Haufen“ von Atomen noch wie ein einzelnes Atom ist.

Hier ist ein weiteres wichtiges Merkmal der Eigenschaften von Nanoobjekten zu beachten. Obwohl Kohlenstoffnanoröhren und Fullerene im Gegensatz zu Graphen formal ein- bzw. nulldimensionale Objekte sind, ist dies im Wesentlichen nicht ganz richtig. Oder besser gesagt, nicht gleichzeitig so. Tatsache ist, dass eine Nanoröhre dieselbe einatomige zweidimensionale Graphenschicht ist, die zu einem Zylinder gerollt ist. Ein Fulleren ist eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht mit einatomiger Dicke, die über der Oberfläche einer Kugel geschlossen ist. Das heißt, die Eigenschaften von Nanoobjekten hängen nicht nur maßgeblich von ihrer Größe ab, sondern auch von topologischen Eigenschaften – vereinfacht gesagt, von ihrer Form.

Die korrekte wissenschaftliche Definition eines Nanoobjekts sollte also wie folgt lauten:

ist ein Objekt mit mindestens einer der Dimensionen ≤ d*, und mindestens eine der Dimensionen überschreitet d**. Mit anderen Worten: Ein Objekt ist groß genug, um die Makroeigenschaften eines Stoffes zu besitzen, zeichnet sich aber gleichzeitig durch eine reduzierte Dimension aus, d. h. es ist in mindestens einer der Dimensionen klein genug, um die Werte dieser zu erreichen Die Eigenschaften unterscheiden sich stark von den entsprechenden Eigenschaften von Makroobjekten aus derselben Substanz und hängen maßgeblich von der Größe und Form des Objekts ab. In diesem Fall sind die genauen Werte der Abmessungen d*und d** kann nicht nur von Stoff zu Stoff variieren, sondern auch für unterschiedliche Eigenschaften desselben Stoffes.

Dass diese Überlegungen keineswegs scholastischer Natur sind (wie „Mit wie vielen Sandkörnern beginnt ein Haufen?“), sondern eine tiefe Bedeutung für das Verständnis der Einheit der Wissenschaft und der Kontinuität der uns umgebenden Welt haben, wird deutlich, wenn Wir richten unser Augenmerk auf Nanoobjekte organischen Ursprungs.

Nanoobjekte organischer Natur – supramolekulare Strukturen

Oben haben wir nur anorganische, relativ homogene Materialien betrachtet, und schon dort war alles nicht so einfach. Aber auf der Erde gibt es eine kolossale Menge an Materie, die nicht nur schwierig ist, sondern auch nicht als homogen bezeichnet werden kann. Wir sprechen über biologische Strukturen und lebende Materie im Allgemeinen.

Als Gründe für das besondere Interesse am Nanobereich nennt die National Nanotechnology Initiative Folgendes:

Da die systemische Organisation von Materie im Nanomaßstab ein Schlüsselmerkmal biologischer Systeme ist, werden Nanowissenschaften und -technologie es ermöglichen, künstliche Komponenten und Baugruppen in Zellen einzubauen und so neue strukturell organisierte Materialien zu schaffen, die auf der Nachahmung von Selbstorganisationsmethoden in der Natur basieren.

Versuchen wir nun zu verstehen, welche Bedeutung das Konzept der „Nanogröße“ in seiner Anwendung auf die Biologie hat, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich die Eigenschaften beim Übergang in diesen Größenbereich grundlegend oder dramatisch ändern müssen. Aber erinnern wir uns zunächst daran, dass die Nanoregion auf zwei Arten angegangen werden kann: „von oben nach unten“ (Fragmentierung) oder „von unten nach oben“ (Synthese). Die „Bottom-up“-Bewegung für die Biologie ist also nichts anderes als die Bildung biologisch aktiver Komplexe aus einzelnen Molekülen.

Betrachten wir kurz die chemischen Bindungen, die die Struktur und Form des Moleküls bestimmen. Die erste und stärkste ist eine kovalente Bindung, die durch eine strenge Richtung (nur von einem Atom zum anderen) und eine bestimmte Länge gekennzeichnet ist, die von der Art der Bindung abhängt (Einfach-, Doppel-, Dreifachbindung usw.). Es sind die kovalenten Bindungen zwischen Atomen, die die „Primärstruktur“ eines jeden Moleküls bestimmen, also welche Atome in welcher Reihenfolge miteinander verbunden sind.

Es gibt aber auch andere Arten von Bindungen, die die sogenannte Sekundärstruktur des Moleküls, seine Form, bestimmen. Dabei handelt es sich in erster Linie um eine Wasserstoffbrücke – eine Bindung zwischen einem polaren Atom und einem Wasserstoffatom. Sie kommt einer kovalenten Bindung am nächsten, da sie auch durch eine bestimmte Länge und Richtung gekennzeichnet ist. Allerdings ist diese Bindung schwach, ihre Energie ist um eine Größenordnung niedriger als die Energie einer kovalenten Bindung. Die übrigen Arten von Wechselwirkungen sind ungerichtet und zeichnen sich nicht durch die Länge der gebildeten Bindungen aus, sondern durch die Geschwindigkeit, mit der die Bindungsenergie mit zunehmendem Abstand zwischen den wechselwirkenden Atomen abnimmt (Fernwechselwirkung). Bei der Ionenbindung handelt es sich um eine Wechselwirkung mit großer Reichweite; bei Van-der-Waals-Wechselwirkungen handelt es sich um eine Wechselwirkung mit kurzer Reichweite. Wenn sich also der Abstand zwischen zwei Teilchen um vergrößert R mal, dann sinkt im Fall einer Ionenbindung die Anziehung auf 1/ R 2 vom Anfangswert, im Fall der bereits erwähnten Van-der-Waals-Wechselwirkung - bis 1/ R 3 oder mehr (bis zu 1/ R 12). Alle diese Wechselwirkungen können allgemein als intermolekulare Wechselwirkungen definiert werden.

Betrachten wir nun ein solches Konzept als „biologisch aktives Molekül“. Es sollte anerkannt werden, dass das Molekül einer Substanz an sich nur für Chemiker und Physiker von Interesse ist. Sie interessieren sich für seine Struktur („Primärstruktur“), seine Form („Sekundärstruktur“), makroskopische Indikatoren wie beispielsweise Aggregatzustand, Löslichkeit, Schmelz- und Siedepunkte usw. sowie mikroskopische (elektronische Effekte usw.). gegenseitige Beeinflussung von Atomen in einem bestimmten Molekül, spektrale Eigenschaften als Manifestation dieser Wechselwirkungen). Mit anderen Worten: Es geht um die Untersuchung der prinzipiellen Eigenschaften eines einzelnen Moleküls. Erinnern wir uns daran, dass ein Molekül per Definition das kleinste Teilchen einer Substanz ist, das dessen chemische Eigenschaften trägt.

Aus biologischer Sicht ist ein „isoliertes“ Molekül (hier spielt es keine Rolle, ob es sich um ein Molekül oder mehrere identische Moleküle handelt) nicht in der Lage, biologische Eigenschaften zu zeigen. Diese These klingt ziemlich paradox, aber versuchen wir sie zu untermauern.

Betrachten wir dies am Beispiel von Enzymen – Proteinmolekülen, die biochemische Katalysatoren sind. Beispielsweise besteht das Enzym Hämoglobin, das für die Übertragung von Sauerstoff auf Gewebe sorgt, aus vier Proteinmolekülen (Untereinheiten) und einer sogenannten prosthetischen Gruppe – Häm, die ein Eisenatom enthält, das nichtkovalent an die Proteinuntereinheiten des Hämoglobins gebunden ist.

Der Haupt- bzw. entscheidende Beitrag zur Wechselwirkung von Proteinuntereinheiten und Häm, der Wechselwirkung, die zur Bildung und Stabilität des supramolekularen Komplexes, der Hämoglobin genannt wird, führt, wird durch Kräfte geleistet, die manchmal als hydrophobe Wechselwirkungen bezeichnet werden, aber die Kräfte von darstellen intermolekulare Wechselwirkung. Die durch diese Kräfte gebildeten Bindungen sind viel schwächer als kovalente. Aber bei der komplementären Wechselwirkung, wenn zwei Oberflächen einander sehr nahe kommen, ist die Anzahl dieser schwachen Bindungen groß, und daher ist die gesamte Wechselwirkungsenergie der Moleküle ziemlich hoch und der resultierende Komplex ist ziemlich stabil. Aber bis diese Bindungen zwischen den vier Untereinheiten gebildet sind, bis eine prosthetische Gruppe (Gem) hinzugefügt wird (wiederum aufgrund nichtkovalenter Bindungen), können einzelne Teile des Hämoglobins unter keinen Umständen Sauerstoff binden, geschweige denn ihn irgendwohin transportieren. Und deshalb verfügen sie nicht über diese biologische Aktivität. (Die gleiche Argumentation lässt sich auf alle Enzyme im Allgemeinen übertragen.)

Darüber hinaus impliziert der Katalyseprozess selbst die Bildung eines Komplexes aus mindestens zwei Komponenten während der Reaktion – dem Katalysator selbst und einem Molekül (Molekülen), Substrat(en) genannt, die unter dem Einfluss des Katalysators einer chemischen Umwandlung unterliegen . Mit anderen Worten: Es muss ein Komplex aus mindestens zwei Molekülen gebildet werden, also ein supramolekularer (supramolekularer) Komplex.

Die Idee der komplementären Wechselwirkung wurde erstmals von E. Fischer vorgeschlagen, um die Wechselwirkung von Arzneimitteln mit ihrem Ziel im Körper zu erklären, und wurde als „Key-to-Lock“-Wechselwirkung bezeichnet. Obwohl Medikamente (und andere biologische Substanzen) nicht in allen Fällen Enzyme sind, können sie auch nur dann eine biologische Wirkung entfalten, wenn sie mit dem entsprechenden biologischen Ziel interagieren. Und eine solche Wechselwirkung ist wiederum nichts anderes als die Bildung eines supramolekularen Komplexes.

Folglich ist die Manifestation grundlegend neuer Eigenschaften durch „gewöhnliche“ Moleküle (im betrachteten Fall biologische Aktivität) mit der Bildung supramolekularer (supramolekularer) Komplexe mit anderen Molekülen aufgrund der Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung verbunden. Genau so sind die meisten Enzyme und Systeme im Körper aufgebaut (Rezeptoren, Membranen usw.), einschließlich solch komplexer Strukturen, die manchmal als biologische „Maschinen“ bezeichnet werden (Ribosomen, ATPase usw.). Und das geschieht genau auf der Ebene Nanometergrößen - von einem bis zu mehreren zehn Nanometern.

Mit weiterer Komplexität und Vergrößerung (mehr als 100 nm), also beim Übergang in eine andere Dimensionsebene (Mikroebene), entstehen viel komplexere Systeme, die nicht nur zur eigenständigen Existenz und Interaktion (insbesondere Energieaustausch) mit der Umwelt fähig sind ihrer Umwelt, sondern auch zur Selbstreproduktion. Das heißt, die Eigenschaften des gesamten Systems ändern sich erneut – es wird so komplex, dass es bereits zur Selbstreproduktion fähig ist und es entstehen sogenannte lebende Strukturen.

Viele Denker haben wiederholt versucht, das Leben zu definieren. Ohne auf philosophische Diskussionen einzugehen, stellen wir fest, dass Leben unserer Meinung nach die Existenz sich selbst reproduzierender Strukturen ist und lebende Strukturen mit einer einzelnen Zelle beginnen. Leben ist ein mikro- und makroskopisches Phänomen, aber die Hauptprozesse, die das Funktionieren lebender Systeme gewährleisten, finden auf nanoskaliger Ebene statt.

Die Funktion einer lebenden Zelle als integriertes selbstregulierendes Gerät mit ausgeprägter struktureller Hierarchie wird durch Miniaturisierung auf nanoskaliger Ebene sichergestellt. Es ist offensichtlich, dass die Miniaturisierung im Nanomaßstab ein grundlegendes Merkmal der Biochemie ist und dass die Evolution des Lebens daher aus der Entstehung und Integration verschiedener Formen nanostrukturierter Objekte besteht. Es ist der nanoskalige Abschnitt der Strukturhierarchie, der sowohl nach oben als auch nach unten (!) in seiner Größe begrenzt ist, der für das Aussehen und die Existenzfähigkeit von Zellen entscheidend ist. Das heißt, es ist die nanoskalige Ebene, die den Übergang von der molekularen Ebene zur lebenden Ebene darstellt.

Aufgrund der Tatsache, dass die Miniaturisierung im Nanomaßstab ein grundlegendes Merkmal der Biochemie ist, ist es jedoch immer noch unmöglich, biochemische Manipulationen als nanotechnologisch zu betrachten – bei der Nanotechnologie geht es immer noch um das Design und nicht um die banale Verwendung von Molekülen und Partikeln.

Abschluss

Zu Beginn des Artikels haben wir bereits versucht, die Objekte verschiedener Naturwissenschaften nach dem Prinzip der charakteristischen Größe der untersuchten Objekte irgendwie zu klassifizieren. Kehren wir noch einmal darauf zurück und unter Anwendung dieser Klassifizierung stellen wir fest, dass die Atomphysik, die Wechselwirkungen innerhalb eines Atoms untersucht, Subangström-Größen (Femto- und Piko-Größen) hat.

„Gewöhnliche“ anorganische und organische Chemie sind Angström-Größen, die Höhe einzelner Moleküle oder Bindungen innerhalb von Kristallen anorganischer Substanzen. Aber Biochemie ist die Ebene der Nanogröße, die Ebene der Existenz und Funktion supramolekularer Strukturen, die durch nichtkovalente intermolekulare Kräfte stabilisiert werden.

Aber die biochemischen Strukturen sind noch relativ einfach und sie können relativ unabhängig funktionieren ( in vitro, wenn du möchtest). Eine weitere Komplikation ist die Bildung komplexer Ensembles durch supramolekulare Strukturen – dies ist ein Übergang zu sich selbst reproduzierenden Strukturen, ein Übergang zum Lebendigen. Und hier, auf der Ebene der Zellen, sind das Mikrodimensionen und auf der Ebene der Organismen sind das Makrodimensionen. Das ist schon Biologie und Physiologie.

Die Nanoebene ist ein Übergangsbereich von der molekularen Ebene, die die Grundlage für die Existenz aller aus Molekülen bestehenden Lebewesen bildet, zur Ebene des Lebendigen, der Ebene der Existenz selbstreproduzierender Strukturen und Nanopartikel, die supramolekular sind Strukturen, die durch die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung stabilisiert werden, stellen eine Übergangsform von einzelnen Molekülen zu komplexen Funktionssystemen dar. Dies lässt sich in einem Diagramm widerspiegeln, das insbesondere die Kontinuität der Natur betont (Abb. 9). Im Schema liegt die nanoskalige Welt zwischen der atomar-molekularen Welt und der Welt der Lebenden, bestehend aus denselben Atomen und Molekülen, aber in komplexen, sich selbst reproduzierenden Strukturen organisiert, und der Übergang von einer Welt in eine andere ist nicht bestimmt nur (und nicht so sehr) durch die Größe der Strukturen, sondern durch ihre Komplexität. Die Natur hat supramolekulare Strukturen schon lange erfunden und nutzt sie in lebenden Systemen. Wir können nicht immer verstehen, geschweige denn wiederholen, was die Natur einfach und natürlich tut. Aber man kann von ihr keine Gefälligkeiten erwarten, man muss von ihr lernen.

Literatur:
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Nano – 10–9, Pico – 10–12, Femto – 10–15.

Darüber hinaus nicht nur zum Sehen, sondern auch zum Anfassen. „Aber er sagte zu ihnen: „Wenn ich nicht die Male der Nägel an seinen Händen sehe und meinen Finger nicht in die Male der Nägel lege und meine Hand nicht in seine Seite lege, werde ich nicht glauben“ [Johannesevangelium, Kapitel 20, Vers 24].

Beispielsweise sprach er bereits 430 v. Chr. über Atome. e. Demokrit Dalton argumentierte dann im Jahr 1805, dass: 1) Elemente aus Atomen bestehen, 2) die Atome eines Elements identisch und unterschiedlich von den Atomen eines anderen Elements sind und 3) Atome bei einer chemischen Reaktion nicht zerstört werden können. Doch erst ab Ende des 19. Jahrhunderts begannen sich Theorien über den Aufbau des Atoms zu entwickeln, die eine Revolution in der Physik auslösten.

Das Konzept der „Nanotechnologie“ wurde 1974 vom Japaner Norio Taniguchi eingeführt. Der Begriff war unter Fachleuten in verwandten Bereichen lange Zeit nicht weit verbreitet, da Taniguchi den Begriff „Nano“ nur zur Bezeichnung der Präzision der Oberflächenbearbeitung verwendete, beispielsweise bei Technologien, die es ermöglichen, die Oberflächenrauheit zu kontrollieren von Materialien auf einer Ebene von weniger als einem Mikrometer usw.

Die Konzepte „Fullerene“, „Kohlenstoffnanoröhren“ und „Graphen“ werden im zweiten Teil des Artikels ausführlich besprochen.

Eine experimentelle Veranschaulichung dieser Aussage ist die kürzlich veröffentlichte Entwicklung technologischer Methoden zur Herstellung von Graphenschichten durch „chemisches Schneiden“ und „Entfalten“ von Kohlenstoffnanoröhren.

Das Wort „mikroskopisch“ wird hier nur verwendet, weil diese Eigenschaften früher so genannt wurden, obwohl es sich in diesem Fall um die Eigenschaften handelt, die Moleküle und Atome aufweisen, also um den Pico-Größenbereich.

Was insbesondere zur Entstehung der Ansicht führte, dass Leben ein Phänomen von Nanometerdimensionen ist [ Mann, 2008], was unserer Meinung nach nicht ganz stimmt.

Längen- und Distanzkonverter Massenkonverter Konverter für Volumenmaße von Massenprodukten und Lebensmitteln Flächenkonverter Konverter für Volumen und Maßeinheiten in kulinarischen Rezepten Temperaturkonverter Konverter für Druck, mechanische Spannung, Young-Modul Konverter für Energie und Arbeit Konverter für Leistung Konverter für Kraft Konverter für Zeit, lineare Geschwindigkeit, Konverter für flache Winkel, thermischer Wirkungsgrad und Kraftstoffeffizienz, Konverter für Zahlen in verschiedenen Zahlensystemen, Konverter für Maßeinheiten für Informationsmengen, Währungskurse, Damenbekleidungs- und Schuhgrößen, Herrenbekleidungs- und Schuhgrößen, Winkelgeschwindigkeits- und Rotationsgeschwindigkeitsrechner, Beschleunigungsrechner Konverter für Winkelbeschleunigung, Konverter für Dichte, Konverter für spezifisches Volumen, Konverter für Trägheit, Konverter für Kraftmoment, Konverter für Drehmoment, Konverter für spezifische Verbrennungswärme (nach Masse), Konverter für Energiedichte und spezifische Verbrennungswärme (nach Volumen), Konverter für Temperaturdifferenz, Konverter für Wärmeausdehnungskoeffizient, Konverter für thermischen Widerstand Konverter für Wärmeleitfähigkeit Konverter für spezifische Wärmekapazität Konverter für Energieexposition und Wärmestrahlungsleistung Konverter für Wärmestromdichte Konverter für Wärmeübertragungskoeffizient Konverter für Volumendurchfluss Konverter für Massendurchfluss Konverter für Molarfluss Konverter für Massenflussdichte Konverter für Molkonzentration Konverter für Massenkonzentration in Lösung Dynamisch (absolut) Viskositätskonverter Konverter für kinematische Viskosität Konverter für Oberflächenspannung Konverter für Dampfdurchlässigkeit Konverter für Dampfdurchlässigkeit und Dampfübertragungsrate Konverter für Schallpegel Konverter für Mikrofonempfindlichkeit Konverter für Schalldruckpegel (SPL) Konverter für Schalldruckpegel mit wählbarem Referenzdruck Luminanzkonverter Lichtintensitätskonverter Beleuchtungsstärkekonverter Computergrafik-Auflösungskonverter Frequenz- und Wellenlängenkonverter Dioptrienstärke und Brennweite Dioptrienstärke und Linsenvergrößerung (×) Elektrischer Ladungswandler Linearer Ladungsdichtewandler Oberflächenladungsdichtewandler Volumenladungsdichtewandler Elektrischer Stromwandler Linearer Stromdichtewandler Oberflächenstromdichtewandler Elektrischer Feldstärkewandler Elektrostatisches Potential und Spannungswandler Elektrischer Widerstandswandler Elektrischer Widerstandswandler Elektrischer Leitfähigkeitswandler Elektrischer Leitfähigkeitswandler Elektrische Kapazität Induktivitätswandler Amerikanischer Drahtstärkewandler Pegel in dBm (dBm oder dBm), dBV (dBV), Watt usw. Einheiten: Magnetomotorischer Kraftwandler, magnetischer Feldstärkewandler, magnetischer Flusswandler, magnetischer Induktionswandler, Strahlung. Umrechner für die absorbierte Dosisleistung ionisierender Strahlung Radioaktivität. Konverter für radioaktiven Zerfall Strahlung. Belichtungsdosiskonverter Strahlung. Absorbierte Dosis-Konverter Dezimalpräfix-Konverter Datenübertragung Typografie- und Bildverarbeitungseinheiten-Konverter Holzvolumen-Einheiten-Konverter Berechnung der Molmasse D. I. Mendeleevs Periodensystem der chemischen Elemente

1 Mikro [μ] = 1000 Nano [n]

Ursprünglicher Wert

Umgerechneter Wert

ohne Präfix Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca Deci Santi Milli Micro Nano Pico Femto Atto Zepto Yocto

Wellenlänge und Frequenz

Metrisches System und Internationales Einheitensystem (SI)

Einführung

In diesem Artikel werden wir über das metrische System und seine Geschichte sprechen. Wir werden sehen, wie und warum es begann und wie es sich nach und nach zu dem entwickelte, was wir heute haben. Wir werden uns auch mit dem SI-System befassen, das aus dem metrischen Maßsystem entwickelt wurde.

Für unsere Vorfahren, die in einer Welt voller Gefahren lebten, ermöglichte die Fähigkeit, verschiedene Größen in ihrem natürlichen Lebensraum zu messen, dem Verständnis des Wesens natürlicher Phänomene, der Kenntnis ihrer Umwelt und der Fähigkeit, irgendwie Einfluss auf ihre Umgebung zu nehmen, näher zu kommen . Deshalb hat man versucht, verschiedene Messsysteme zu erfinden und zu verbessern. Zu Beginn der menschlichen Entwicklung war ein Messsystem nicht weniger wichtig als heute. Beim Wohnungsbau, beim Nähen von Kleidung unterschiedlicher Größe, beim Zubereiten von Speisen mussten verschiedene Messungen durchgeführt werden, und natürlich kamen Handel und Austausch nicht ohne Messungen aus! Viele glauben, dass die Schaffung und Einführung des Internationalen Systems der SI-Einheiten die größte Errungenschaft nicht nur von Wissenschaft und Technologie, sondern auch der menschlichen Entwicklung im Allgemeinen darstellt.

Frühe Messsysteme

In frühen Mess- und Zahlensystemen verwendeten die Menschen traditionelle Gegenstände zum Messen und Vergleichen. Es wird beispielsweise angenommen, dass das Dezimalsystem aufgrund der Tatsache entstand, dass wir zehn Finger und Zehen haben. Unsere Hände sind immer bei uns – deshalb nutzten (und nutzen) die Menschen seit der Antike die Finger zum Zählen. Dennoch haben wir nicht immer das Basis-10-System zum Zählen verwendet, und das metrische System ist eine relativ neue Erfindung. Jede Region entwickelte ihre eigenen Einheitensysteme, und obwohl diese Systeme viel gemeinsam haben, sind die meisten Systeme immer noch so unterschiedlich, dass die Umrechnung von Maßeinheiten von einem System in ein anderes schon immer ein Problem darstellte. Dieses Problem wurde mit der Entwicklung des Handels zwischen verschiedenen Völkern immer gravierender.

Die Genauigkeit der ersten Gewichts- und Maßsysteme hing direkt von der Größe der Objekte ab, die die Menschen umgaben, die diese Systeme entwickelten. Es ist klar, dass die Messungen ungenau waren, da die „Messgeräte“ keine genauen Abmessungen hatten. Beispielsweise wurden Körperteile häufig als Maß für die Länge verwendet; Masse und Volumen wurden anhand des Volumens und der Masse von Samen und anderen kleinen Objekten gemessen, deren Abmessungen mehr oder weniger gleich waren. Im Folgenden werden wir uns solche Einheiten genauer ansehen.

Längenmaße

Im alten Ägypten wurde die Länge zunächst einfach gemessen Ellenbogen und später mit königlichen Ellenbogen. Die Länge des Ellenbogens wurde als Abstand von der Ellenbogenbeuge bis zum Ende des ausgestreckten Mittelfingers bestimmt. Daher wurde die königliche Elle als die Elle des regierenden Pharaos definiert. Es wurde eine Modell-Elle erstellt und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, damit jeder seine eigenen Längenmaße anfertigen konnte. Dies war natürlich eine willkürliche Einheit, die sich änderte, als eine neue regierende Person den Thron bestieg. Das alte Babylon nutzte ein ähnliches System, jedoch mit geringfügigen Unterschieden.

Der Ellenbogen wurde in kleinere Einheiten unterteilt: Palme, Hand, Nullen(ft) und Du(Finger), die durch die Breite der Handfläche, der Hand (mit Daumen), des Fußes bzw. des Fingers dargestellt wurden. Gleichzeitig beschlossen sie, sich darauf zu einigen, wie viele Finger es in der Handfläche (4), in der Hand (5) und im Ellenbogen (28 in Ägypten und 30 in Babylon) gab. Es war bequemer und genauer, als jedes Mal Verhältnisse zu messen.

Maße für Masse und Gewicht

Gewichtsmessungen basierten auch auf den Parametern verschiedener Objekte. Als Gewichtsmaße dienten Samen, Körner, Bohnen und ähnliches. Ein klassisches Beispiel für eine Masseneinheit, die auch heute noch verwendet wird, ist Karat. Heutzutage wird das Gewicht von Edelsteinen und Perlen in Karat gemessen, und einst wurde das Gewicht von Johannisbrotkernen, auch Johannisbrot genannt, in Karat angegeben. Der Baum wird im Mittelmeerraum kultiviert und seine Samen zeichnen sich durch eine konstante Masse aus, sodass sie bequem als Maß für Gewicht und Masse verwendet werden konnten. An verschiedenen Orten wurden unterschiedliche Samen als kleine Gewichtseinheiten verwendet, und größere Einheiten waren meist Vielfache kleinerer Einheiten. Archäologen finden oft ähnlich große Gewichte, meist aus Stein. Sie bestanden aus 60, 100 und weiteren kleinen Einheiten. Da es keinen einheitlichen Standard für die Anzahl der Kleineinheiten sowie für deren Gewicht gab, kam es zu Konflikten, wenn sich Verkäufer und Käufer, die an unterschiedlichen Orten lebten, trafen.

Volumenmaße

Ursprünglich wurde das Volumen auch an kleinen Objekten gemessen. Beispielsweise wurde das Volumen eines Topfes oder Krugs bestimmt, indem man ihn bis zum Rand mit kleinen Gegenständen im Verhältnis zum Standardvolumen füllte – wie zum Beispiel Samen. Allerdings führte die mangelnde Standardisierung bei der Volumenmessung zu den gleichen Problemen wie bei der Massenmessung.

Entwicklung verschiedener Maßsysteme

Das altgriechische Maßsystem basierte auf dem altägyptischen und babylonischen Maßsystem, und die Römer schufen ihr System auf der Grundlage des altgriechischen. Dann verbreiteten sich diese Systeme durch Feuer und Schwert und natürlich durch den Handel in ganz Europa. Es ist zu beachten, dass es sich hier nur um die gängigsten Systeme handelt. Aber es gab noch viele andere Maß- und Gewichtssysteme, denn Tausch und Handel waren für absolut jeden notwendig. Wenn es in der Gegend keine Schriftsprache gab oder es nicht üblich war, die Ergebnisse des Austauschs aufzuzeichnen, können wir nur vermuten, wie diese Menschen Volumen und Gewicht maßen.

Es gibt viele regionale Unterschiede in den Maß- und Gewichtssystemen. Dies ist auf ihre eigenständige Entwicklung und den Einfluss anderer Systeme auf sie infolge von Handel und Eroberung zurückzuführen. Es gab unterschiedliche Systeme nicht nur in verschiedenen Ländern, sondern oft auch innerhalb desselben Landes, wo jede Handelsstadt ihr eigenes hatte, weil die lokalen Herrscher keine Vereinigung wollten, um ihre Macht zu behalten. Mit der Entwicklung von Reisen, Handel, Industrie und Wissenschaft versuchten viele Länder, die Gewichts- und Maßsysteme zumindest innerhalb ihrer eigenen Länder zu vereinheitlichen.

Bereits im 13. Jahrhundert und möglicherweise schon früher diskutierten Wissenschaftler und Philosophen über die Schaffung eines einheitlichen Messsystems. Doch erst nach der Französischen Revolution und der anschließenden Kolonisierung verschiedener Regionen der Welt durch Frankreich und andere europäische Länder, die bereits über eigene Gewichts- und Maßsysteme verfügten, wurde ein neues System entwickelt, das in den meisten Ländern der Welt übernommen wurde Welt. Dieses neue System war dezimales metrisches System. Es basierte auf der Basis 10, das heißt, für jede physikalische Größe gab es eine Grundeinheit, und alle anderen Einheiten konnten auf übliche Weise mithilfe von Dezimalpräfixen gebildet werden. Jede dieser Teil- oder Vielfacheinheiten könnte in zehn kleinere Einheiten unterteilt werden, und diese kleineren Einheiten könnten wiederum in zehn noch kleinere Einheiten unterteilt werden und so weiter.

Wie wir wissen, basierten die meisten frühen Messsysteme nicht auf der Basis 10. Der Vorteil des Basis-10-Systems besteht darin, dass das uns bekannte Zahlensystem dieselbe Basis hat, was es uns ermöglicht, schnell und bequem unter Verwendung einfacher und vertrauter Regeln Konvertieren Sie von kleineren Einheiten zu großen und umgekehrt. Viele Wissenschaftler glauben, dass die Wahl der Zehn als Basis des Zahlensystems willkürlich ist und nur mit der Tatsache zusammenhängt, dass wir zehn Finger haben und wenn wir eine andere Anzahl von Fingern hätten, dann würden wir wahrscheinlich ein anderes Zahlensystem verwenden.

Metrisches System

In den Anfängen des metrischen Systems wurden wie in früheren Systemen künstliche Prototypen als Längen- und Gewichtsmaße verwendet. Das metrische System hat sich von einem System, das auf Materialstandards und der Abhängigkeit von deren Genauigkeit basiert, zu einem System entwickelt, das auf Naturphänomenen und grundlegenden physikalischen Konstanten basiert. Beispielsweise wurde die Zeiteinheit Sekunde ursprünglich als Bruchteil des tropischen Jahres 1900 definiert. Der Nachteil dieser Definition war die Unmöglichkeit einer experimentellen Überprüfung dieser Konstante in den Folgejahren. Daher wurde die Sekunde neu definiert als eine bestimmte Anzahl von Strahlungsperioden, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des radioaktiven Atoms von Cäsium-133 entsprechen, das bei 0 K ruht. Die Entfernungseinheit ist das Meter , hing mit der Wellenlänge der Linie des Strahlungsspektrums des Isotops Krypton-86 zusammen, wurde jedoch später neu definiert. Das Messgerät wurde als die Entfernung neu definiert, die Licht in einem Vakuum in einem Zeitraum von 1/299.792.458 einer Sekunde zurücklegt.

Das Internationale Einheitensystem (SI) wurde auf Basis des metrischen Systems erstellt. Es ist zu beachten, dass das metrische System traditionell Einheiten für Masse, Länge und Zeit umfasst, im SI-System wurde die Anzahl der Basiseinheiten jedoch auf sieben erweitert. Wir werden sie weiter unten besprechen.

Internationales Einheitensystem (SI)

Das Internationale Einheitensystem (SI) verfügt über sieben Grundeinheiten zur Messung grundlegender Größen (Masse, Zeit, Länge, Lichtstärke, Materiemenge, elektrischer Strom, thermodynamische Temperatur). Das Kilogramm(kg) zur Messung der Masse, zweite(c) um die Zeit zu messen, Meter(m) zur Entfernungsmessung, Candela(cd) zur Messung der Lichtstärke, Mol(Abkürzung Mol) zur Messung der Menge einer Substanz, Ampere(A) zur Messung des elektrischen Stroms und Kelvin(K) zur Messung der Temperatur.

Derzeit gibt es nur noch das Kilogramm als von Menschenhand geschaffene Einheit, während die übrigen Einheiten auf universellen physikalischen Konstanten oder Naturphänomenen basieren. Dies ist praktisch, da die physikalischen Konstanten oder Naturphänomene, auf denen die Maßeinheiten basieren, jederzeit leicht überprüft werden können; Darüber hinaus besteht keine Gefahr des Verlusts oder der Beschädigung von Standards. Es besteht auch keine Notwendigkeit, Kopien von Standards zu erstellen, um deren Verfügbarkeit in verschiedenen Teilen der Welt sicherzustellen. Dadurch werden Fehler im Zusammenhang mit der Genauigkeit der Erstellung von Kopien physischer Objekte beseitigt und somit eine höhere Genauigkeit erreicht.

Dezimalpräfixe

Um Vielfache und Teiler zu bilden, die sich um eine bestimmte ganze Zahl, also eine Zehnerpotenz, von den Basiseinheiten des SI-Systems unterscheiden, werden Präfixe verwendet, die an den Namen der Basiseinheit angehängt werden. Im Folgenden finden Sie eine Liste aller derzeit verwendeten Präfixe und der Dezimalfaktoren, die sie darstellen:

Konsole	Symbol	Numerischer Wert; Kommas trennen hier Zifferngruppen und das Dezimaltrennzeichen ist ein Punkt.	Exponentielle Notation
Yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
exa	E	1 000 000 000 000 000 000	10 18
peta	P	1 000 000 000 000 000	10 15
tera	T	1 000 000 000 000	10 12
giga	G	1 000 000 000	10 9
Mega	M	1 000 000	10 6
Kilo	Zu	1 000	10 3
Hekto	G	100	10 2
Resonanzboden	Ja	10	10 1
ohne Präfix		1	10 0
dezi	D	0,1	10 -1
Centi	Mit	0,01	10 -2
Milli	M	0,001	10 -3
Mikro	mk	0,000001	10 -6
Nano	N	0,000000001	10 -9
Piko	P	0,000000000001	10 -12
Femto	F	0,000000000000001	10 -15
atto	A	0,000000000000000001	10 -18
Zepto	H	0,000000000000000000001	10 -21
Yokto	Und	0,000000000000000000000001	10 -24

Beispielsweise entsprechen 5 Gigameter 5.000.000.000 Metern, während 3 Mikrocandela 0,000003 Candela entsprechen. Es ist interessant festzustellen, dass die Einheit Kilogramm trotz des Präfixes die Basiseinheit des SI ist. Daher werden die oben genannten Präfixe mit dem Gramm angewendet, als wäre es eine Basiseinheit.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels gibt es nur drei Länder, die das SI-System nicht übernommen haben: die Vereinigten Staaten, Liberia und Myanmar. In Kanada und im Vereinigten Königreich werden traditionelle Einheiten immer noch häufig verwendet, obwohl das SI-System in diesen Ländern das offizielle Einheitensystem ist. Es reicht aus, in ein Geschäft zu gehen und die Preisschilder pro Pfund der Ware zu sehen (es kommt günstiger heraus!), oder zu versuchen, Baumaterialien in Metern und Kilogramm zu kaufen. Wird nicht funktionieren! Ganz zu schweigen von der Warenverpackung, wo alles in Gramm, Kilogramm und Litern beschriftet ist, allerdings nicht in ganzen Zahlen, sondern umgerechnet in Pfund, Unzen, Pints und Quarts. Der Platz für Milch in Kühlschränken wird ebenfalls pro halbe Gallone oder Gallone berechnet, nicht pro Liter Milchkarton.

Fällt es Ihnen schwer, Maßeinheiten von einer Sprache in eine andere zu übersetzen? Kollegen sind bereit, Ihnen zu helfen. Stellen Sie eine Frage in TCTerms und innerhalb weniger Minuten erhalten Sie eine Antwort.

Berechnungen zur Umrechnung von Einheiten im Umrechner " Dezimalpräfixkonverter" werden mithilfe von Unitconversion.org-Funktionen ausgeführt.

1 Nano [n] = 1000 Pico [p]

Ursprünglicher Wert

Umgerechneter Wert

ohne Präfix Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca Deci Santi Milli Micro Nano Pico Femto Atto Zepto Yocto

Metrisches System und Internationales Einheitensystem (SI)

Einführung