Табиғат үздіксіз және кез келген анықтама кейбір шекараларды белгілеуді талап етеді. Демек, анықтамаларды тұжырымдау өте риза емес міндет. Соған қарамастан, мұны істеу керек, өйткені нақты анықтама бір құбылысты екіншісінен бөлуге, олардың арасындағы елеулі айырмашылықтарды анықтауға және осылайша құбылыстардың өздерін тереңірек түсінуге мүмкіндік береді. Сондықтан бұл эссенің мақсаты – «нано» («ергежейлі» деген грек сөзінен шыққан) – «наноғылым», «нанотехнология», «нанообъект», «наноматериал» префиксі бар бүгінгі сәнді терминдердің мағынасын түсінуге тырысу. .

Арнайы және ғылыми-көпшілік әдебиеттерде бұл мәселелер бірнеше рет әртүрлі тереңдікпен талқыланғанына қарамастан, әдебиеттерді талдау және жеке тәжірибе әлі күнге дейін кең ғылыми ортада мәселенің өзін нақты түсінудің жоқтығын көрсетеді. -ғылыми және анықтамалар. Сондықтан біз оқырман назарын «нанообъект» негізгі ұғымының мағынасына аудара отырып, жоғарыда аталған барлық терминдерге анықтама беруге тырысамыз. Біз оқырманды нанообъектілерді қоршаған әлемде «тұратын» үлкен және кіші «ағаларынан» түбегейлі ажырататын нәрсе бар ма, жоқ па деген сұрақты бірлесіп ойластыруға шақырамыз. Сонымен қатар, біз оны наноқұрылымдарды жобалау және олардың синтезі бойынша ой-тәжірибелер сериясына қатысуға шақырамыз. Біз сондай-ақ физикалық және химиялық өзара әрекеттесулердің табиғаты өзгеретін наносөлшемді диапазонда екенін көрсетуге тырысамыз және бұл тірі және жансыз табиғаттың шекарасы орналасқан өлшем масштабының дәл сол аймағында болады.

Біріншіден, мұның бәрі қайдан пайда болды, «нано» префиксі неліктен енгізілді, материалдарды наноқұрылым ретінде жіктеуде не маңызды, наноғылым мен нанотехнология неліктен жеке салаларға бөлінеді, бұл бөлуде нені білдіреді (және ол сілтеме жасайды) шын мәнінде ғылыми негіздері?

«Нано» дегеніміз не және бәрі қайдан басталды?

Бұл бастапқы мәнді миллиард есе азайту керек екенін көрсететін префикс, яғни бірден кейін тоғыз нөлге бөлу - 1 000 000 000 Мысалы, 1 нанометр метрдің миллиардтан бір бөлігін құрайды (1 нм = 10 –9 м. ). 1 нм қаншалықты кішкентай екендігі туралы түсінік алу үшін келесі ойлау тәжірибесін орындайық (1-сурет). Егер планетамыздың диаметрін (12,750 км = 12,75 × 10 6 м ≈ 10 7 м) 100 миллион (10 8) есе азайтсақ, бұл шамамен 10 – 1 м доптың өлшемін аламыз (стандартты футбол добының диаметрі 22 см, бірақ біздің шкала бойынша бұл айырмашылық біз үшін 2,2 × 10 –1 м ≈ 10 –1 м); Енді футбол добының диаметрін сол 100 миллион (10 8) есе азайтайық, енді ғана біз 1 нм-ге тең нанобөлшек өлшемін аламыз (шамамен пішіні ұқсас фуллерен С 60 көміртегі молекуласының диаметрі) футбол добына - 1-суретті қараңыз) .

Бір қызығы, «нано» префиксі ғылыми әдебиетте ұзақ уақыт бойы қолданылып келеді, бірақ наноөлшемді емес объектілерді белгілеу үшін. Атап айтқанда, өлшемі 1 нм-ден миллиард есе үлкен объектілер үшін - динозаврлар терминологиясында. Нанотираннозаврлар ( нанотирранус) және нанозаврлар ( нанозавр) ергежейлі динозаврлар деп аталады, олардың өлшемдері сәйкесінше 5 және 1,3 м, бірақ олар өлшемдері 10 м-ден асатын (50 м-ге дейін) басқа динозаврлармен салыстырғанда шынымен «ергежейлі» және олардың салмағы 30-40 тоннаға жетуі мүмкін. Көбірек. Бұл мысалда «нано» префиксінің өзі физикалық мағынаға ие емес, тек масштабты көрсетеді.

Бірақ қазір осы префикстің көмегімен олар технологияның дамуындағы жаңа дәуірді белгілейді, кейде төртінші өнеркәсіптік революция деп аталады - нанотехнологиялар дәуірі.

Нанотехнологиялар дәуірінің басын 1959 жылы Ричард Фейнман өзінің лекциясында салған деген пікір жиі кездеседі. Төменгі жағында көп орын бар«("Ол жерде көп орын бар") Бұл дәрістің негізгі постулаты физиканың іргелі заңдары тұрғысынан автордың молекулалық және атомдық деңгейде жұмыс істеуге, жеке адамды манипуляциялауға ешқандай кедергі көрмеуі болды. атомдар немесе молекулалар Фейнман белгілі бір құрылғылардың көмегімен сіз одан да кішірек құрылғылар жасай аласыз, олар өз кезегінде атомдық деңгейге дейін, яғни сәйкес технологиямен жеке атомдар жасай алады. манипуляциялану.

Әділ болу үшін, Фейнманның бұл туралы бірінші болып шыққан жоқ екенін атап өткен жөн. Атап айтқанда, көлемі бірте-бірте кішірейетін манипуляторларды жасау идеясын сонау 1931 жылы жазушы Борис Житков өзінің «Микроқолдар» ғылыми-фантастикалық әңгімесінде айтқан. Оқырманға жазушының түсінігін бағалау үшін осы әңгімеден қысқаша үзінділер келтіре алмаймыз:

«Мен миымды ұзақ уақыт бойы тырнап жүрдім, мен мынаған келдім: мен кішкентай қолдарымды жасаймын, өзімнің дәл көшірмесім - олар кем дегенде жиырма, отыз есе кішірек болса да, бірақ олардың менікіндей икемді саусақтары болады. , олар жұдырықтай түйіліп, түзеледі, менің тірі қолдарыммен бірдей позицияларға айналады. Мен оларды жасадым ...
Бірақ кенеттен маған бір ой келді: мен кішкентай қолдарыма микро қолдар жасай аламын. Мен олар үшін тірі қолдарыма жасағандай қолғап жасай аламын, сол жүйені қолдана отырып, оларды микроқолдарымнан он есе кіші тұтқалармен байланыстырамын, содан кейін... Менің нағыз микроқолым болады, олар шахталардың қозғалыстарынан екі жүз есе аз. Осы қолдармен мен өмірдің тек көрген, бірақ әлі ешкім қолдарын тастамаған кішкентай нәрселеріне енемін. Ал мен жұмысқа кірістім...
Мен материядан тұратын материяның бөлшектерін, тек ультрамикроскоп арқылы көрінетін қиялға келмейтін ұсақ бөлшектерді ұстау үшін қолдана алатын шынайы микро қолдар жасағым келді. Мен адам санасы өлшем туралы барлық түсінікті жоғалтатын аймаққа кіргім келді - өлшемдер жоқ сияқты, бәрі соншалықты кішкентай.

Бірақ бұл тек әдеби болжамдарға қатысты емес. Қазір нанообъектілер, нанотехнологиялар деп аталатындар, егер қаласаңыз, адамдар өз өмірінде бұрыннан қолданып келеді. Ең жарқын мысалдардың бірі (сөзбе-сөз және бейнелі мағынада) - түрлі-түсті әйнек. Мысалы, біздің заманымыздың 4 ғасырында жасалған. e. Британ мұражайында сақталған Ликург кубогы сыртынан жарықтандырылғанда жасыл түсті, ал ішінен жарықтандырылғанда күлгін-қызыл түсті болады. Жақында жүргізілген электронды микроскопиялық зерттеулер бұл ерекше әсер шыныда алтын мен күмістің нано өлшемді бөлшектерінің болуына байланысты екенін көрсетті. Сондықтан Ликург кубогы нанокомпозиттік материалдан жасалған деп сенімді түрде айта аламыз.

Қазір белгілі болғандай, орта ғасырларда витраж жасау үшін шыныға металдық наноұңды жиі қосылды. Шыны түсінің вариациялары қосылатын бөлшектердің айырмашылығына - қолданылатын металдың табиғатына және оның бөлшектерінің мөлшеріне байланысты. Жақында анықталғандай, бұл көзілдіріктердің бактерицидтік қасиеті де бар, яғни бөлмеде жарықтың әдемі ойнауын қамтамасыз етіп қана қоймайды, сонымен қатар қоршаған ортаны дезинфекциялайды.

Егер ғылымның даму тарихын тарихи тұрғыдан қарастыратын болсақ, онда, бір жағынан, жалпы векторды – жаратылыстану ғылымдарының материяға «терең» енуін атап өтуге болады. Бұл вектор бойынша қозғалыс бақылау құралдарының дамуымен анықталады. Алғашында адамдар бақылау үшін арнайы аспаптарды қажет етпейтін қарапайым дүниені зерттеді. Осы деңгейдегі бақылаулармен биологияның негізі қаланды (тірі дүниенің жіктелуі, К.Линней және т.б.), эволюция теориясы жасалды (Ч.Дарвин, 1859). Телескоп пайда болған кезде адамдар астрономиялық бақылаулар жасай алды (Г. Галилео, 1609). Мұның нәтижесі бүкіләлемдік тартылыс заңы және классикалық механика болды (И. Ньютон, 1642–1727). Левенгук микроскобы пайда болған кезде (1674 ж.) адамдар микроәлемге еніп кетті (өлшем аралығы 1 мм – 0,1 мм). Алғашында бұл көзге көрінбейтін кішкентай организмдер туралы ғана ойлану болды. Тек 19 ғасырдың аяғында ғана Л.Пастер микроорганизмдердің табиғаты мен қызметін бірінші болып нақтылады. Шамамен сол уақытта (19 ғасырдың соңы - 20 ғасырдың басы) физикада революция болды. Ғалымдар атомның ішіне еніп, оның құрылымын зерттей бастады. Тағы да бұл жаңа әдістер мен құралдардың пайда болуына байланысты болды, олар заттардың ең кішкентай бөлшектерін пайдалана бастады. 1909 жылы альфа бөлшектерін (өлшемдері шамамен 10-13 м гелий ядролары) пайдалана отырып, Резерфорд алтын атомының ядросын «көре» алды. Осы эксперименттер негізінде жасалған атомның Бор-Резерфорд планетарлық моделі атомдағы «бос» кеңістіктің орасан зорлығының визуалды бейнесін береді, ол Күн жүйесінің ғарыштық бостығымен айтарлықтай салыстырылады. Фейнман өз лекциясында мұндай бұйрықтардың жоқтығы болды. Сол α-бөлшектерді пайдалана отырып, 1919 жылы Резерфорд азотты оттегіге айналдыру үшін бірінші ядролық реакцияны жүргізді. Физиктер пико- және фемто-өлшемдік интервалдарға осылай кірді, ал атомдық және субатомдық деңгейде материяның құрылымын түсіну өткен ғасырдың бірінші жартысында кванттық механиканы құруға әкелді.

Жоғалған құндылықтар әлемі

Тарихи тұрғыдан алғанда, өлшемдік масштабта (2-сурет) наноөлшемдер аймағын қоспағанда, зерттеудің барлық дерлік өлшемдік аймақтары «жабылған» болды. Дегенмен, әлем көреген адамдарсыз емес. 20 ғасырдың басында В.Оствальд «Айналмалы шамалар әлемі» кітабын басып шығарды, ол сол кездегі химияның жаңа саласы – коллоидтық химия, арнайы нанометрлік бөлшектермен айналысады (бірақ бұл термин ол кезде әлі пайдаланылмаған). Қазірдің өзінде бұл кітапта ол белгілі бір уақытта заттардың ұсақталуы жаңа қасиеттерге әкелетінін, бүкіл материалдың қасиеттері бөлшектің мөлшеріне байланысты екенін атап өтті.

Жиырмасыншы ғасырдың басында олар мұндай өлшемдегі бөлшектерді әлі «көре алмады», өйткені олар жарық микроскопының рұқсат ету шегінен төмен орналасқан. Сондықтан нанотехнологияның пайда болуының бастапқы кезеңдерінің бірі 1931 жылы М.Нолл мен Э.Русканың электронды микроскопты ойлап табуы деп бекер айтылмаған. Осыдан кейін ғана адамзат субмикрондық және нанометрлік өлшемдегі объектілерді «көре» алды. Содан кейін бәрі орнына келеді - адамзаттың кез-келген жаңа фактілер мен құбылыстарды қабылдайтын (немесе қабылдамайтын) негізгі критерийі сенбейтін Томастың сөзінде көрсетілген: «Мен көрмейінше, мен сенбеймін».

Келесі қадам 1981 жылы жасалды - Г.Бинниг пен Г.Ререр сканерлеуші туннельдік микроскопты құрды, бұл жеке атомдардың кескіндерін алуға ғана емес, сонымен қатар оларды манипуляциялауға мүмкіндік берді. Яғни, Р.Фейнман өз дәрісінде айтқан технология жасалды. Міне, сол кезде нанотехнологиялар дәуірі басталды.

Айта кетейік, бұл жерде біз тағы да сол оқиғамен айналысамыз. Қайтадан, адамзаттың өз уақытынан сәл де болса озып кеткен нәрсеге назар аудармауы әдеттегідей. Сонымен, нанотехнологияның мысалын қолдана отырып, жаңа ештеңе ашылмағаны белгілі болды, олар жай ғана айналада не болып жатқанын, тіпті ежелгі уақытта адамдар санасыз болса да, дәлірек айтсақ, саналы түрде не істеп жатқанын жақсы түсіне бастады (олар нені білетін алғым келді), бірақ физика мен химия құбылыстарын түсінбейді. Тағы бір мәселе, технологияның болуы әлі процестің мәнін түсінуді білдірмейді. Олар болатты қалай дайындауды бұрыннан білген, бірақ болат қорытудың физикалық және химиялық негіздерін түсіну әлдеқайда кейінірек пайда болды. Бұл жерде Дамаск болатының құпиясы әлі ашылмағанын еске түсіре аласыз. Бұл жерде бізде басқа гипостаз бар - біз не алу керектігін білеміз, бірақ қалай екенін білмейміз. Сондықтан ғылым мен техниканың байланысы әрқашан қарапайым бола бермейді.

Наноматериалдарды қазіргі мағынасында алғаш зерттеген кім? 1981 жылы американдық ғалым Г.Глейтер алғаш рет «нанокристалдық» анықтамасын қолданды. Ол наноматериалдарды жасау тұжырымдамасын тұжырымдап, оны 1981–1986 жылдары «нанокристалды», «наноқұрылымдық», «нанофаза» және «нанокомпозиттік» материалдар терминдерін енгізе отырып, бірқатар жұмыстарда дамытты. Бұл жұмыстардың негізгі екпіні қатты денелердің қасиеттерін өзгерту үшін негіз ретінде наноматериалдардағы бірнеше интерфейстердің маңызды рөліне аударылды.

Нанотехнология тарихындағы және нанобөлшектердің идеологиясының дамуындағы маңызды оқиғалардың бірі де 80-жылдардың ортасы – 20-шы ғасырдың 90-шы жылдарының басында көміртекті наноқұрылымдардың – фуллерендер мен көміртекті нанотүтіктердің ашылуы, сонымен қатар графен алу әдісінің 21 ғасыры.

Бірақ анықтамаларға қайта оралайық.

Бірінші анықтамалар: бәрі өте қарапайым

Басында бәрі өте қарапайым болды. 2000 жылы АҚШ президенті Б.Клинтон құжатқа қол қойды. Ұлттық нанотехнологиялық бастама«("Ұлттық нанотехнологиялық бастама"), онда келесі анықтама берілген: нанотехнология атомдық, молекулалық және макромолекулярлық деңгейде технологияларды жасауды және зерттеулерді қамтиды. шамамен 1-ден 100 нм-ге дейін наноөлшем деңгейінде материалдардың құбылыстары мен қасиеттерінің іргелі принциптерін түсіну, сондай-ақ олардың өлшемдерімен анықталатын жаңа қасиеттері мен функциялары бар құрылымдарды, жабдықтарды және жүйелерді құру және пайдалану.

2003 жылы Ұлыбритания үкіметі өтініш жасады Корольдік қоғам және Корольдік инженерлік академиясынанотехнологияларды дамыту қажеттігі туралы өз пікірін білдіруді, олардың дамуы тудыруы мүмкін артықшылықтар мен проблемаларды бағалауды сұрай отырып. Мұндай есеп « Наноғылым және нанотехнологиялар: мүмкіндіктер мен белгісіздіктер« 2004 жылдың шілдесінде пайда болды және онда біз білетініміздей, алғаш рет наноғылым мен нанотехнологияның жеке анықтамалары берілді:

Наноғылым сипаттамалары олардың макроаналогтарының қасиеттерінен айтарлықтай ерекшеленетін құбылыстар мен объектілерді атомдық, молекулалық және макромолекулалық деңгейде зерттеу болып табылады.

Нанотехнология қасиеттері нанометр деңгейінде пішіні мен өлшемімен анықталатын құрылымдарды, құрылғыларды және жүйелерді жобалау, сипаттау, өндіру және қолдану болып табылады.

Осылайша, «нанотехнология» терминімен нано-нысандарды жасауға және/немесе оларды манипуляциялауға мүмкіндік беретін технологиялық әдістердің жиынтығын білдіреді.Нанообъектілерді анықтау ғана қалады. Бірақ бұл соншалықты қарапайым емес екені белгілі болды, сондықтан мақаланың көп бөлігі осы анықтамаға арналған.

Алдымен, бүгінде ең көп қолданылатын ресми анықтама:

Нанообъектілер (нанобөлшектер) кем дегенде бір өлшемдегі 1–100 нанометрге дейінгі сипаттамалық өлшемі бар объектілер (бөлшектер) болып табылады.

Барлығы жақсы және түсінікті сияқты, бірақ неге 1 және 100 нм төменгі және жоғарғы шектерге қатаң анықтама берілгені түсініксіз? Бұл ерікті түрде таңдалғанға ұқсайды, жоғарғы шекті тағайындау әсіресе күдікті. Неліктен 70 немесе 150 нм емес? Өйткені, табиғаттағы нано-объектілердің барлық алуан түрлілігін ескере отырып, өлшем шкаласының нано-бөлімінің шекаралары айтарлықтай бұлыңғыр болуы мүмкін және керек. Жалпы алғанда, табиғатта қандай да бір нақты шекараларды сызу мүмкін емес - кейбір нысандар басқаларға тегіс ағады және бұл бір нүктеде емес, белгілі бір аралықта болады.

Шекаралар туралы айтпас бұрын, «нанообъект» ұғымында қандай физикалық мағына бар екенін түсінуге тырысайық, неге оны жеке анықтамамен ерекшелеу керек?

Жоғарыда атап өтілгендей, тек 20 ғасырдың аяғында ғана материя құрылымының нанокөлемдік диапазоны әлі де өзіндік сипаттамаларға ие екендігі туралы түсінік пайда бола бастады (дәлірек айтқанда, санада қалыптаса бастады), бұл деңгейде материя бар. макроәлемде көрінбейтін басқа қасиеттер. Кейбір ағылшын терминдерін орыс тіліне аудару өте қиын, бірақ ағылшын тілінде « көлемді материал», шамамен «көп мөлшердегі зат», «сусымалы зат», «үздіксіз орта» деп аударуға болады. Міне, кейбір қасиеттер » сусымалы материалдар» оны құрайтын бөлшектердің мөлшері азайған сайын, олар белгілі бір мөлшерге жеткенде өзгере бастауы мүмкін. Бұл жағдайда заттың, наноматериалдардың наносатына көшу бар дейді.

Және бұл бөлшектердің өлшемі азайған сайын олардың бетінде орналасқан атомдардың үлесі және олардың объектінің қасиеттеріне қосқан үлесі айтарлықтай болады және өлшемі одан әрі кішірейген сайын артады (3-сурет).

Бірақ неліктен беттік атомдар үлесінің ұлғаюы бөлшектердің қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді?

Беттік құбылыстар деп аталатындар бұрыннан белгілі - бұл беттік керілу, капиллярлық құбылыстар, беттік белсенділік, сулану, адсорбция, адгезия және т.б. Бұл құбылыстардың бүкіл жиынтығы өзара әрекеттесу күштері арасындағы өзара әрекеттесу фактісімен байланысты. денені құрайтын бөлшектер оның бетінде өтелмейді (4-сурет). Басқаша айтқанда, бетіндегі атомдар (кристал немесе сұйық - бұл маңызды емес) ерекше жағдайларда. Мысалы, кристалдарда оларды кристалдық тордың түйіндерінде болуға мәжбүр ететін күштер оларға тек төменнен әсер етеді. Демек, бұл «беттік» атомдардың қасиеттері массадағы бірдей атомдардың қасиеттерінен ерекшеленеді.

Нанообъектілердегі беттік атомдардың саны күрт өсетіндіктен (3-сурет), олардың нанообъектінің қасиеттеріне қосқан үлесі шешуші болады және объект көлемінің одан әрі азаюымен өседі. Бұл нанодеңгейдегі жаңа қасиеттердің көріну себептерінің бірі.

Талқыланатын қасиеттердің өзгеруінің тағы бір себебі, бұл өлшемдік деңгейде кванттық механика заңдарының әрекеті көріне бастайды, яғни наноөлшемдер деңгейі классикалық механиканың билігі кезіндегі ауысу деңгейі, яғни көшу. кванттық механиканың билігі. Белгілі болғандай, ең күтпеген нәрселер - бұл өтпелі күйлер.

20 ғасырдың ортасына қарай адамдар атомдар массасымен де, бір атоммен де жұмыс істеуді үйренді.

Кейіннен «аз ғана атомдар шоғыры» атомдар массасына немесе жеке атомға мүлдем ұқсамайтын басқа нәрсе екені белгілі болды.

Ғалымдар мен технологтар жартылай өткізгіштер физикасында бұл мәселемен алғаш рет бетпе-бет келген шығар. Миниатюризацияға ұмтылу барысында олар бөлшектердің өлшемдеріне (бірнеше ондаған нанометр немесе одан аз) жетті, бұл кезде олардың оптикалық және электрондық қасиеттері «қалыпты» өлшемдегі бөлшектерден күрт ерекшелене бастады. Дәл сол кезде «наноөлшем» масштабы макробөлшектердің немесе үздіксіз орталардың өмір сүру аймағынан ерекшеленетін ерекше аймақ екені белгілі болды.

Сондықтан жоғарыда келтірілген наноғылым мен нанотехнология анықтамаларында ең маңыздысы «нақты нано» осы масштабтарға көшумен байланысты және сусымалы материалдардың қасиеттерінен өзгеше заттардың жаңа қасиеттерінің пайда болуымен басталады. Яғни, нанобөлшектердің ең маңызды және маңызды сапасы, олардың микро- және макробөлшектерден негізгі айырмашылығы - оларда басқа өлшемдерде көрінбейтін принципті жаңа қасиеттердің пайда болуы. Біз жоғарыда әдеби мысалдар келтірдік, макро-, микро- және нано-объектілер арасындағы айырмашылықтарды анық көрсету және атап көрсету үшін бұл әдісті қайтадан қолданамыз.

Әдеби мысалдарға қайта оралайық. Лесковтың әңгімесінің кейіпкері Левша «ерте» нанотехнолог ретінде жиі айтылады. Алайда, бұл қате. Лефтидің басты жетістігі – ұсақ шегелерді соғуы [ «Мен осы ат тағаларынан кішірек жұмыс істедім: мен тақа толтырылатын шегелерді соқтым, енді оларды ешбір кішкентай көлемді апара алмайды.«]. Бірақ бұл тырнақтар өте кішкентай болса да, тырнақ болып қала берді және өздерінің негізгі функциясын - тағаны ұстауды жоғалтпады. Сонымен, Lefty көмегімен мысал миниатюризацияның мысалы болып табылады (егер қаласаңыз, микроминиатюризация), яғни оның функционалдық және басқа қасиеттерін өзгертпестен нысанның өлшемін азайту.

Бірақ жоғарыда айтылған Б.Житковтың әңгімесі қасиеттердің өзгеруін дәл сипаттайды:

«Маған жұқа сым тарту керек болды, яғни қалыңдығы менің тірі қолыма шаш сияқты болатын. Мен жұмыс істеп, микроскоп арқылы қарадым, өйткені микро қолдар мысды созды. Жіңішке, жіңішке - тағы бес созылу қалды - содан кейін сым үзілді. Ол тіпті жыртылмады - ол балшықтан жасалғандай ұсақталды. Ол ұсақ құмға айналды. Бұл икемділігімен әйгілі қызыл мыс».

ішінде екенін ескеріңіз Wikipediaнанотехнология туралы мақалада мыстың қаттылығының жоғарылауы мөлшерінің азаюымен қасиеттердің өзгеруінің мысалдарының бірі ретінде келтірілген. (Қызық, Б. Житков бұл туралы 1931 жылы қайдан білді?)

Нанообъектілер: кванттық жазықтықтар, жіптер және нүктелер. Көміртекті наноқұрылымдар

20 ғасырдың аяғында заттың бөлшектер өлшемдерінің белгілі бір аймағының - наноөлшемдер аймағының болуы ақыры анық болды. Физиктер нано-нысандардың анықтамасын нақтылай отырып, өлшем шкаласының нано-бөлімінің жоғарғы шегі төменгі өлшемді әсерлер немесе өлшемді азайту әсері деп аталатын көріністің өлшемімен сәйкес келеді деп мәлімдейді.

Соңғы тұжырымды физиктер тілінен жалпы адамзат тіліне кері аударуға тырысайық.

Біз үш өлшемді әлемде өмір сүреміз. Біздің айналамыздағы барлық нақты объектілердің барлық үш өлшемінде белгілі бір өлшемдері бар немесе физиктер айтқандай, олардың 3 өлшемі бар.

Келесі ойлау экспериментін жүргізейік. Үш өлшемді таңдайық, көлемі,кейбір материалдың үлгісі, жақсырақ біртекті кристалл. Шетінің ұзындығы 1 см болатын текше болсын, бұл үлгінің өлшеміне байланысты емес белгілі бір физикалық қасиеттері бар. Біздің үлгінің сыртқы бетіне жақын жерде сипаттар массалық сипаттардан өзгеше болуы мүмкін. Дегенмен, беттік атомдардың салыстырмалы үлесі аз, сондықтан қасиеттердегі беттік өзгерістердің үлесін елемеуге болады (бұл талап физиктер тілінде үлгінің көлемі). Енді текшені екіге бөлейік - оның екі тән өлшемі өзгеріссіз қалады, ал біреуі биіктігі болсын г, 2 есе азаяды. Үлгінің қасиеттерімен не болады? Олар өзгермейді. Осы тәжірибені тағы қайталап, бізді қызықтыратын мүлікті өлшейік. Біз бірдей нәтиже аламыз. Тәжірибені бірнеше рет қайталай отырып, біз белгілі бір сыни мөлшерге жетеміз г*, төменде біз өлшейтін қасиет өлшемге байланысты бола бастайды г. Неліктен? Сағат d ≤ d* қасиеттерге беттік атомдардың үлес салмағы айтарлықтай болады және одан әрі төмендеген сайын өсе береді г.

Физиктер мұны қашан айтады d ≤ d* біздің үлгіде бар бір өлшемдегі кванттық өлшем әсері.Олар үшін біздің үлгі бұдан былай үш өлшемді емес (бұл кез келген қарапайым адам үшін абсурд болып көрінеді, өйткені біздің гкішкентай болса да нөлге тең емес!), ол өлшемі екіге дейін қысқарды.А үлгінің өзі деп аталады кванттық жазықтық,немесе кванттық ұңғыма,физикада жиі қолданылатын «потенциалды ұңғыма» терминімен ұқсастығы бойынша.

Кейбір үлгіде болса d ≤ d* екі өлшемде деп аталады бір өлшемді кванттық объект,немесе кванттық жіп,немесе кванттық сым.У нөлдік объектілер,немесе кванттық нүктелер, d ≤ d* барлық үш өлшемде.

Әрине, сыни өлшем г* әр түрлі материалдар үшін тұрақты шама емес және тіпті бір материал үшін біз тәжірибемізде өлшеген қасиеттердің қайсысына байланысты айтарлықтай өзгеруі мүмкін, немесе басқаша айтқанда, физикалық құбылыстардың критикалық өлшемдік сипаттамаларының қайсысы осы қасиетті анықтайды (еркін жол электрондар фонондары , де Бройль толқын ұзындығы, диффузия ұзындығы, сыртқы электромагниттік өрістің немесе акустикалық толқындардың ену тереңдігі және т.б.).

Алайда тірі және жансыз табиғатта органикалық және бейорганикалық материалдарда болатын құбылыстардың алуан түрлілігімен құнды г* шамамен 1-100 нм диапазонында жатыр. Осылайша, «нанообъект» («наноқұрылым», «нанобөлшек») «кванттық өлшемді құрылым» терминінің тағы бір нұсқасы болып табылады. Бұл объект d ≤ d* кем дегенде бір өлшемде. Бұл кішірейтілген өлшемді бөлшектер, беттік атомдар үлесі жоғары бөлшектер. Бұл олардың өлшемдіктің азаю дәрежесіне қарай жіктелуі ең қисынды екенін білдіреді: 2D – кванттық жазықтықтар, 1D – кванттық жіптер, 0D – кванттық нүктелер.

Кішірейтілген өлшемдердің бүкіл спектрін оңай түсіндіруге және, ең бастысы, көміртегі нанобөлшектерінің мысалын қолдана отырып, эксперименталды түрде байқауға болады.

Көміртекті наноқұрылымдардың ашылуы нанобөлшек концепциясының дамуындағы өте маңызды кезең болды.

Көміртек - табиғаттағы ең көп таралған он бірінші элемент, бірақ оның атомдарының бір-бірімен қосылып, алмастырғыш ретінде басқа элементтерді қамтитын ұзын молекулалар түзетін ерекше қабілетінің арқасында органикалық қосылыстардың орасан зор алуандығы, тіпті Тіршіліктің өзі пайда болды. Бірақ көміртек тек өзімен қосылса да, өте әртүрлі қасиеттері бар әртүрлі құрылымдардың үлкен жиынтығын - аллотроптық модификациялар деп аталатындарды жасауға қабілетті. Алмас, мысалы, мөлдірлік пен қаттылық стандарты, диэлектрик және жылу изоляторы. Дегенмен, графит жарықтың тамаша «жұтқышы», ультра жұмсақ материал (белгілі бір бағытта), жылу мен электр тогын ең жақсы өткізгіштердің бірі (жоғарыда көрсетілген бағытқа перпендикуляр жазықтықта). Бірақ бұл екі материал да тек көміртек атомдарынан тұрады!

Бірақ мұның бәрі макродеңгейде. Ал нано деңгейге көшу көміртектің жаңа бірегей қасиеттерін ашады. Көміртек атомдарының бір-біріне деген «махаббаты» соншалық, олар басқа элементтердің қатысуынсыз бір-бірінен, соның ішінде өлшемі бойынша ерекшеленетін наноқұрылымдардың тұтас жиынтығын құра алады. Оларға фуллерендер, графен, нанотүтіктер, нанокондар және т.б. жатады (5-сурет).

Көміртекті наноқұрылымдарды «шын» нанобөлшектер деп атауға болатынын атап өтейік, өйткені оларда, суретте анық көрініп тұрғандай. 5, олардың барлық құрамдас атомдары бетінде жатыр.

Бірақ графиттің өзіне қайта оралайық. Сонымен, графит - әрқайсысы алтыбұрыштардың тығыз қаптамасы болып табылатын параллель атомдық қабаттардан тұратын үш өлшемді кристалдық құрылымы бар элементтік көміртектің ең кең таралған және термодинамикалық тұрақты модификациясы (6-сурет). Кез келген осындай алтыбұрыштың төбесінде көміртек атомы орналасқан, ал алтыбұрыштардың қабырғалары графикалық түрде көміртегі атомдары арасындағы күшті коваленттік байланыстарды көрсетеді, олардың ұзындығы 0,142 нм. Бірақ қабаттар арасындағы қашықтық айтарлықтай үлкен (0,334 нм), сондықтан қабаттар арасындағы байланыс айтарлықтай әлсіз (бұл жағдайда олар ван-дер-Ваальс әрекеті туралы айтады).

Бұл кристалдық құрылым графиттің физикалық қасиеттерінің ерекшеліктерін түсіндіреді. Біріншіден, төмен қаттылық және ұсақ үлпектерге оңай бөліну мүмкіндігі. Мысалы, олар қарындашпен жазады, олардың графит үлпектері қабығынан айырылып, қағазда қалады. Екіншіден, графиттің физикалық қасиеттерінің және, ең алдымен, оның электр өткізгіштігі мен жылу өткізгіштігінің жоғарыда айтылған анизотропиясы.

Графиттің үш өлшемді құрылымының кез келген қабатын 2D өлшемі бар алып жазық құрылым ретінде қарастыруға болады. Тек көміртек атомдарынан құрылған бұл екі өлшемді құрылым «графен» деп аталады. Мұндай құрылымды алу, кем дегенде, ойлау экспериментінде «салыстырмалы түрде» оңай. Графитті қарындашты алып, жазуды бастайық. Қорғасын биіктігі гтөмендейді. Егер сізде жеткілікті шыдамдылық болса, онда бір сәтте құндылық гтең болады г*, және кванттық жазықтықты аламыз (2D).

Ұзақ уақыт бойы жалпақ екі өлшемді құрылымдардың бос күйдегі (субстратсыз) жалпы және атап айтқанда графеннің тұрақтылығы мәселесі, сонымен қатар графеннің электронды қасиеттері тек теориялық зерттеулердің тақырыбы болды. Жақында, 2004 жылы А.Гейм мен К.Новоселов бастаған физиктер тобы осы салада төңкеріс жасаған графеннің алғашқы үлгілерін алды, өйткені мұндай екі өлшемді құрылымдар, атап айтқанда, таңғажайып электронды көрсетуге қабілетті болып шықты. қасиеттері, бұрын байқалған нәрселерден сапалық айырмашылығы. Сондықтан бүгінде жүздеген тәжірибелік топтар графеннің электрондық қасиеттерін зерттеуде.

Егер көміртегі атомдарының алтыбұрышты желісі тігіссіз жабылатындай етіп, қалыңдығы бір атомды графен қабатын цилиндрге айналдырсақ, онда біз «саламыз» бір қабырғалы көміртекті нанотүтік.Эксперименттік түрде диаметрі 0,43-тен 5 нм-ге дейінгі бір қабырғалы нанотүтіктерді алуға болады. Нанотүтіктер геометриясының сипаттамалық ерекшеліктері бетінің меншікті ауданының рекордтық мәндері (бір қабырғалы түтіктер үшін орта есеппен ~1600 м 2/г) және ұзындықтың диаметрге қатынасы (100 000 және одан жоғары). Осылайша, нанотүтіктер 1D нанообъектілер – кванттық жіптер.

Тәжірибелерде көп қабырғалы көміртекті нанотүтіктер де байқалды (7-сурет). Олар бір-біріне салынған коаксиалды цилиндрлерден тұрады, олардың қабырғалары графиттегі жазықаралық қашықтыққа (0,334 нм) жақын қашықтықта (шамамен 3,5 Å) орналасқан. Қабырғалардың саны 2-ден 50-ге дейін өзгеруі мүмкін.

Егер біз графиттің бір бөлігін инертті газ атмосферасына (гелий немесе аргон) орналастырсақ, содан кейін оны қуатты импульстік лазер сәулесімен немесе шоғырланған күн сәулесімен жарықтандырсақ, біз графит нысанасының материалын буландыра аламыз (бұл үшін мақсатты бет температура кем дегенде 2700 ° C болуы керек) . Мұндай жағдайларда плазманың салқындатылуына және көміртегі шоғырларының пайда болуына әкелетін суық газ ағыны арқылы тартылатын жеке көміртегі атомдарынан тұратын плазма нысана бетінің үстінде пайда болады. Сонымен, белгілі бір кластерлік жағдайларда көміртек атомдары 0D өлшемімен (яғни, кванттық нүкте) C 60 қаңқалық сфералық молекуласын қалыптастыру үшін жабылады, суретте көрсетілген. 1.

Көміртегі плазмасындағы С 60 молекуласының мұндай өздігінен түзілуі 1985 жылдың қыркүйегінде он күн бойы жүргізілген Г.Крото, Р.Керл және Р.Смолейдің бірлескен тәжірибесінде табылды. Ізденімпаз оқырманды Е.А. кітабына сілтеме жасаймыз. Катц «Фуллерендер, көміртекті нанотүтіктер және нанокластерлер: формалар мен идеялар шежіресі», бұл жаңалықтың қызықты тарихын және оның алдындағы оқиғаларды егжей-тегжейлі сипаттайды (қайта өрлеу дәуіріне және тіпті ежелгі дәуірге дейінгі ғылым тарихына қысқаша экскурсиялармен), ретінде сондай-ақ бір қарағанда оғаш нәрсенің мотивациясын түсіндіру (және тек бірінші көзқараста) жаңа молекуланың атаулары - бакминстерфуллерен -сәулетші Р.Бакминстер Фуллердің құрметіне (сонымен қатар кітапты қараңыз [Пиотровский, Киселев, 2006]).

Кейінірек көміртегі молекулаларының тұтас отбасы бар екендігі анықталды - фуллерендер -тек алтыбұрышты және бесбұрышты беттерден тұратын дөңес көп қырлы түрінде (8-сурет).

Бұл таза көміртектен жасалған нанометрлік құрылымдардың жаңа әлемінің сиқырлы «алтын кілті» болып табылатын фуллерендердің ашылуы болды және осы саладағы жұмыстың өршуіне себеп болды. Бүгінгі күнге дейін құрылымы мен қасиеттерінің фантастикалық (сөздің тура мағынасында!) алуан түрлі көміртегі кластерлерінің үлкен саны ашылды.

Бірақ наноматериалдарға оралайық.

Наноматериалдарқұрылымдық бірліктері нанообъектілер (нанобөлшектер) болып табылатын материалдар. Бейнелеп айтқанда, наноматериалдардың құрылысы кірпіш-наобъектілерден тұрады. Сондықтан наноматериалдарды наноматериал үлгісінің өлшемдеріне (матрицаның сыртқы өлшемдері) және оны құрайтын нанообъектілердің өлшемдеріне сәйкес жіктеу ең өнімді болып табылады. Бұл түрдегі ең егжей-тегжейлі жіктеу жұмыста берілген. Бұл жұмыста ұсынылған наноқұрылымдардың 36 класы наноматериалдардың барлық алуан түрін сипаттайды, олардың кейбіреулері (мысалы, жоғарыда аталған фуллерендер немесе көміртекті нано бұршақтары) сәтті синтезделді, ал кейбіреулері әлі де тәжірибелік енгізуді күтуде.

Неліктен бұл қарапайым емес?

Сонымен, бізді қызықтыратын «наноғылым», «нанотехнология» және «наноматериалдар» ұғымдарына «нанонысан» дегеннің не екенін түсінгенде ғана қатаң түрде анықтама бере аламыз.

«Нанообъект» өз кезегінде екі анықтамаға ие. Бірінші, қарапайым (технологиялық): бұл өлшемдері тән объектілер (бөлшектер). шамаменКем дегенде бір өлшемде 1–100 нанометр. Екінші анықтама, неғұрлым ғылыми, физикалық: өлшемі кішірейтілген нысан (ол d ≤ d* кем дегенде бір өлшемде).

Біздің білуімізше, басқа анықтамалар жоқ.

Дегенмен, ғылыми анықтаманың да елеулі кемшілігі бар екенін байқамай қалуға болмайды. Атап айтқанда: онда технологиялықдан айырмашылығы наноөлшемдердің жоғарғы шегі ғана анықталады. Төменгі шек болуы керек пе? Біздің ойымызша, әрине, керек. Төменгі шектің болуының бірінші себебі нанообъектінің ғылыми анықтамасының физикалық мәнінен тікелей туындайды, өйткені жоғарыда қарастырылған өлшемді азайту әсерлерінің көпшілігі кванттық шектеу әсерлері немесе резонанстық сипаттағы құбылыстар болып табылады. Басқаша айтқанда, олар әсердің сипаттамалық ұзындықтары мен объектінің өлшемдері сәйкес келген кезде байқалады, яғни. г ≤ г*, ол қазірдің өзінде талқыланды, бірақ сонымен бірге өлшемі болса ғана гбелгілі бір төменгі шектен асады г** (г** ≤ г ≤ г*). Құндылығы көрініп тұр d*әр түрлі құбылыстар үшін әртүрлі болуы мүмкін, бірақ атомдардың өлшемінен асуы керек.

Мұны көміртегі қосылыстарының мысалы арқылы көрсетейік. Полициклді ароматты көмірсутектер (PAHs) нафталин, бензпирен, хрисен және т.б. графеннің формальды аналогтары болып табылады. Сонымен қатар, ең үлкен белгілі PAH жалпы формуласы C222H44 және 10 диагональды бензол сақинасынан тұрады. Дегенмен, оларда графеннің таңғажайып қасиеттері жоқ және оны нанобөлшек деп санауға болмайды. Бұл наноалмастарға да қатысты: ~ 4–5 нм-ге дейін бұл наноалмастар, бірақ бұл шекараларға жақын, тіпті олардан асып кетсе, жоғарырақ алмаздар (құрылымның негізі ретінде конденсацияланған алмаз жасушалары бар адамантанның аналогтары) қолайлы.

Сонымен: егер шекте барлық үш өлшемдегі заттың өлшемі атом өлшеміне тең болса, онда, мысалы, мұндай 0 өлшемді объектілерден тұратын кристалл наноматериал емес, қарапайым атомдық кристал болады. Бұл анық. Нанообъектідегі атомдар саны әлі де біреуден асуы керек екені анық. Егер нанообъектіде барлық үш мән болса гАзырақ d**,ол бір болудан қалады. Мұндай объект жеке атомдарды сипаттайтын тілмен сипатталуы керек.

Үш өлшемнің барлығы емес, мысалы, біреуі ғана болса ше? Мұндай нысан нанообъект болып қала ма? Әрине, иә. Мұндай нысан, мысалы, бұрын айтылған графен. Бір өлшемдегі графеннің сипаттамалық өлшемі көміртегі атомының диаметріне тең болуы оны наноматериалдың қасиеттерінен айырмайды. Және бұл қасиеттер мүлдем бірегей. Өткізгіштік, Шубников-де Хаас эффектісі және атомдық қалыңдықтағы графен қабықшаларындағы кванттық Холл эффектісі өлшенді. Тәжірибелер графеннің нөлдік жолақ аралығы бар жартылай өткізгіш екенін растады, ал валенттік аймақ пен өткізгіштік зонаның жанасу нүктелерінде электрондар мен тесіктердің энергетикалық спектрі толқын векторының функциясы ретінде сызықты болады. Нөлдік тиімді массасы бар бөлшектер, атап айтқанда, фотондар, нейтринолар және релятивистік бөлшектер спектрдің осындай түріне ие. Фотондардың графендегі массасыз тасымалдаушылардан айырмашылығы - соңғылары фермиондар және олар зарядталған. Қазіргі уақытта белгілі элементар бөлшектердің ішінде бұл массасы жоқ зарядталған Дирак фермиондарының аналогтары жоқ. Бүгінгі таңда графен кванттық электродинамика және салыстырмалылық теориясы салаларындағы көптеген теориялық болжамдарды сынау үшін де, жаңа наноэлектрондық құрылғыларды, атап айтқанда баллистикалық және бір электронды транзисторларды жасау үшін де үлкен қызығушылық тудырады.

Біздің талқылауымыз үшін нанообъекті ұғымына ең жақын мезоскопиялық құбылыстар жүзеге асырылатын өлшемді аймақ болуы өте маңызды. Бұл жеке атомдардың немесе молекулалардың қасиеттері туралы емес, жалпы материалдың қасиеттері туралы айту орынды болатын минималды өлшемді аймақ (мысалы, материалдың температурасын, тығыздығын немесе өткізгіштігін анықтау кезінде). Мезоскопиялық өлшемдер дәл 1-100 нм аралығында болады. («Мезо-» префиксі гректің «орташа» деген сөзінен шыққан, аралық - атомдық және макроскопиялық өлшемдер арасындағы.)

Психология жеке адамдардың мінез-құлқын, ал әлеуметтану адамдардың үлкен топтарының мінез-құлқын қарастыратынын бәрі біледі. Сонымен, 3-4 адамнан тұратын топтағы қарым-қатынастарды мезоқұбылыстар ретінде аналогиямен сипаттауға болады. Сол сияқты, жоғарыда айтылғандай, атомдардың шағын шоғыры атомдардың «үйіндісі» сияқты емес, жеке атом сияқты емес нәрсе.

Бұл жерде нанообъектілердің қасиеттерінің тағы бір маңызды ерекшелігін атап өткен жөн. Графеннен айырмашылығы, көміртекті нанотүтіктер мен фуллерендер формальды түрде сәйкесінше 1 және 0 өлшемді нысандар болып табылатынына қарамастан, бұл шын мәнінде мүлдем дұрыс емес. Дәлірек айтқанда, бір уақытта олай емес. Нанотүтікше - бұл цилиндрге оралған бірдей 2D графен монотомдық қабаты. Фуллерен - шардың бетінде тұйықталған монотомдық қалыңдықтағы екі өлшемді көміртекті қабат. Яғни, нанообъектілердің қасиеттері айтарлықтай олардың көлеміне ғана емес, сонымен қатар топологиялық сипаттамаларға да байланысты - жай сөзбен айтқанда, олардың пішініне.

Сонымен, нанообъектінің дұрыс ғылыми анықтамасы келесідей болуы керек:

өлшемдерінің кем дегенде біреуі ≤ d болатын объект болып табылады*, және өлшемдердің кем дегенде біреуі d**-дан асады. Басқаша айтқанда, объект заттың макроқасиеттеріне ие болу үшін жеткілікті үлкен, бірақ сонымен бірге кішірейтілген өлшеммен сипатталады, яғни өлшемдердің ең болмағанда біреуінде олардың мәндері жеткілікті түрде аз болады. қасиеттері бір заттан макрообъектілердің сәйкес қасиеттерінен айтарлықтай ерекшеленеді, объектінің өлшемі мен пішініне айтарлықтай тәуелді. Бұл жағдайда өлшемдердің нақты мәндері d*және d** заттан затқа ғана емес, бір заттың әртүрлі қасиеттері үшін де өзгеруі мүмкін.

Бұл пайымдаулардың ешбір схоластикалық емес («үйінді неше құм түйірінен басталады?» сияқты) емес, ғылымның біртұтастығы мен бізді қоршаған дүниенің сабақтастығын түсіну үшін терең мағына бар екені анық болады. біз назарымызды органикалық шыққан нанообъектілерге аударамыз.

Органикалық табиғаттың нанообъектілері – супрамолекулалық құрылымдар

Жоғарыда біз тек бейорганикалық, салыстырмалы түрде біртекті материалдарды қарастырдық, және қазірдің өзінде бәрі оңай емес еді. Бірақ Жерде тек қиын ғана емес, бірақ біртекті деп атауға болмайтын орасан зор материя бар. Біз биологиялық құрылымдар мен жалпы тірі материя туралы айтып отырмыз.

Ұлттық нанотехнологиялық бастама наноөлшемді аймаққа ерекше қызығушылықтың себептерінің бірі ретінде төмендегілерді атайды:

Заттың наноөлшемде жүйелі ұйымдастырылуы биологиялық жүйелердің негізгі ерекшелігі болғандықтан, наноғылым мен технология жасанды компоненттер мен жинақтарды жасушаларға енгізуге мүмкіндік береді, осылайша табиғаттағы өздігінен құрастыру әдістеріне еліктеу негізінде жаңа құрылымдық ұйымдастырылған материалдарды жасайды.

Енді осы өлшем диапазонына көшкен кезде қасиеттер түбегейлі немесе күрт өзгеруі керек екенін есте сақтай отырып, «наноөлшем» ұғымының биологияға қолданылуында қандай мағына бар екенін түсінуге тырысайық. Бірақ алдымен наноаймаққа екі жолмен жақындауға болатынын еске түсірейік: «жоғарыдан төменге» (фрагментация) немесе «төменнен жоғарыға» (синтез). Сонымен, биологияға арналған «төменнен жоғарыға» қозғалыс жеке молекулалардан биологиялық белсенді кешендерді қалыптастырудан басқа ештеңе емес.

Молекуланың құрылымы мен пішінін анықтайтын химиялық байланыстарды қысқаша қарастырайық. Бірінші және ең күшті - коваленттік байланыс, ол қатаң бағытпен (тек бір атомнан екіншісіне) және байланыс түріне байланысты белгілі бір ұзындықпен сипатталады (бір, қос, үштік және т.б.). Бұл атомдар арасындағы коваленттік байланыстар кез келген молекуланың «бастапқы құрылымын» анықтайды, яғни қандай атомдар бір-бірімен және қандай ретпен байланысады.

Бірақ молекуланың екінші реттік құрылымын, оның пішінін анықтайтын байланыстардың басқа түрлері бар. Бұл ең алдымен сутегі байланысы - полярлық атом мен сутегі атомы арасындағы байланыс. Ол коваленттік байланысқа ең жақын, өйткені ол белгілі бір ұзындық пен бағытпен де сипатталады. Бірақ бұл байланыс әлсіз, оның энергиясы коваленттік байланыстың энергиясынан төмен дәрежеде. Өзара әрекеттесулердің қалған түрлері бағытты емес және түзілетін байланыстардың ұзындығымен емес, әрекеттесетін атомдар арасындағы қашықтық артқан сайын байланыс энергиясының азаю жылдамдығымен сипатталады (ұзақ диапазондағы әрекеттесу). Иондық байланыс - бұл ван-дер-Ваальстың өзара әрекеттесулері қысқа диапазонды; Сонымен, егер екі бөлшек арасындағы қашықтық ұлғайса rесе, онда иондық байланыс жағдайында тартылыс 1/-ге дейін төмендейді. r 2 бастапқы мәннен, жоғарыда аталған ван дер Ваальс әрекеттесу жағдайында - 1/ r 3 немесе одан да көп (1/ r 12). Бұл әрекеттесулердің барлығын жалпы молекулааралық әрекеттесулер ретінде анықтауға болады.

Енді мұндай ұғымды «биологиялық белсенді молекула» ретінде қарастырайық. Заттың молекуласы тек химиктер мен физиктерді ғана қызықтыратынын мойындау керек. Оларды оның құрылымы («бастапқы құрылым»), оның пішіні («екінші құрылым»), макроскопиялық көрсеткіштер, мысалы, агрегация күйі, ерігіштік, балқу және қайнау температуралары және т.б. және микроскопиялық (электрондық әсерлер және берілген молекуладағы атомдардың өзара әсері, осы әрекеттесулердің көрінісі ретіндегі спектрлік қасиеттер). Басқаша айтқанда, біз бір молекуланың негізінде көрсетілген қасиеттерді зерттеу туралы айтып отырмыз. Еске салайық, анықтамасы бойынша молекула - оның химиялық қасиеттерін алып жүретін заттың ең кішкентай бөлшегі.

Биология тұрғысынан «оқшауланған» молекула (бұл жағдайда оның бір молекула немесе бірнеше бірдей молекула екендігі маңызды емес) ешқандай биологиялық қасиеттерді көрсетуге қабілетті емес. Бұл тезис өте парадоксальды болып көрінеді, бірақ оны негіздеуге тырысайық.

Мұны биохимиялық катализаторлар болып табылатын ферменттер – ақуыз молекулалары мысалында қарастырайық. Мысалы, оттегінің ұлпаларға берілуін қамтамасыз ететін гемоглобин ферменті гемоглобиннің белок бөлімшелерімен ковалентті емес байланысқан темір атомы бар төрт ақуыз молекуласынан (субъединицалар) және протездік деп аталатын бір топтан – гемнен тұрады.

Белок суббірліктері мен гемнің өзара әрекеттесуіне негізгі, дәлірек айтқанда анықтаушы үлес, гемоглобин деп аталатын супрамолекулалық кешеннің түзілуіне және тұрақтылығына әкелетін әрекеттесу кейде гидрофобты әрекеттесу деп аталатын, бірақ молекулааралық әсерлесу күштерін білдіретін күштермен жасалады. өзара әрекеттесу. Бұл күштер түзетін байланыстар коваленттіктерге қарағанда әлдеқайда әлсіз. Бірақ комплементарлы әрекеттесуде екі бет бір-біріне өте жақын болғанда, бұл әлсіз байланыстардың саны көп болады, сондықтан молекулалардың жалпы әсерлесу энергиясы айтарлықтай жоғары және алынған комплекс айтарлықтай тұрақты болады. Бірақ бұл байланыстар төрт суббірлік арасында пайда болғанша, протездік топ (асыл тас) қосылғанша (қайтадан ковалентті емес байланыстардың арқасында), гемоглобиннің жекелеген бөліктері ешбір жағдайда оттегін байланыстыра алмайды, оны кез келген жерге тасымалдай алмайды. Сондықтан оларда мұндай биологиялық белсенділік жоқ. (Бірдей тұжырымды жалпы барлық ферменттерге де таратуға болады.)

Сонымен қатар, катализ процесінің өзі реакция кезінде кем дегенде екі компоненттен тұратын кешеннің түзілуін білдіреді - катализатордың өзі және субстрат(лар) деп аталатын, катализатордың әсерінен қандай да бір химиялық өзгеріске ұшырайтын молекула (молекулалар). . Басқаша айтқанда, кем дегенде екі молекуладан тұратын кешен түзілуі керек, яғни супрамолекулалық (супрамолекулалық) кешен.

Комплементарлы өзара әрекеттесу идеясын алғаш рет Э.Фишер дәрілік заттардың ағзадағы нысанасымен әрекеттесуін түсіндіру үшін ұсынды және өзара әрекеттесу «құлыптау кілті» деп аталды. Дәрілік заттар (және басқа да биологиялық заттар) барлық жағдайда ферменттер болмаса да, олар сәйкес биологиялық мақсатпен әрекеттескеннен кейін ғана кез келген биологиялық әсерді тудыруға қабілетті. Ал мұндай әрекеттесу, тағы да, супрамолекулалық кешеннің түзілуінен басқа ештеңе емес.

Демек, «қарапайым» молекулалардың принципті жаңа қасиеттердің көрінісі (қарастырылып отырған жағдайда, биологиялық белсенділік) молекулааралық әрекеттесу күштерінің әсерінен басқа молекулалармен супрамолекулалық (супрамолекулалық) кешендердің түзілуімен байланысты. Ағзадағы ферменттер мен жүйелердің көпшілігі дәл осылай құрылымдалған (рецепторлар, мембраналар және т.б.), соның ішінде кейде биологиялық «машиналар» деп аталатын күрделі құрылымдар (рибосомалар, АТФаза және т.б.). Және бұл дәл деңгейде орын алады нанометр өлшемдері -бірден бірнеше ондаған нанометрге дейін.

Одан әрі күрделілік пен өлшемнің ұлғаюымен (100 нм-ден астам), яғни басқа өлшемді деңгейге (микродеңгейге) өткенде, қоршаған ортамен тәуелсіз өмір сүруге және өзара әрекеттесуге (атап айтқанда, энергия алмасу) ғана емес, әлдеқайда күрделі жүйелер пайда болады. олардың қоршаған ортасы, сонымен қатар өзін-өзі көбейту. Яғни, бүкіл жүйенің қасиеттері қайтадан өзгереді - ол соншалықты күрделі болады, ол қазірдің өзінде өзін-өзі өндіруге қабілетті және біз тірі құрылымдар деп аталатын нәрсе пайда болады.

Көптеген ойшылдар бірнеше рет Өмірді анықтауға тырысты. Философиялық пікірталастарға бармай-ақ, біз, біздің ойымызша, тіршілік - бұл өздігінен көбейетін құрылымдардың болуы, ал тірі құрылымдар бір жасушадан басталатынын атап өтеміз. Тіршілік микро- және макроскопиялық құбылыс, бірақ тірі жүйелердің жұмыс істеуін қамтамасыз ететін негізгі процестер нанокөлемдік деңгейде жүреді.

Тірі жасушаның белгілі құрылымдық иерархиясы бар интеграцияланған өзін-өзі реттейтін құрылғы ретінде жұмыс істеуі наносөлшемді деңгейде миниатюризациялау арқылы қамтамасыз етіледі. Наноөлшем деңгейінде миниатюризация биохимияның іргелі атрибуты екені анық, сондықтан тіршілік эволюциясы наноқұрылымды объектілердің әртүрлі формаларының пайда болуы мен интеграциясынан тұрады. Бұл құрылымдық иерархияның жоғары және төмен (!) өлшемімен шектелген наноөлшемді бөлімі, жасушалардың пайда болуы мен өмір сүру мүмкіндігі үшін өте маңызды. Яғни, бұл молекулалық деңгейден Тірі деңгейге өтуді білдіретін наноөлшемдік деңгей.

Дегенмен, наноөлшем деңгейінде миниатюризация биохимияның іргелі атрибуты болып табылатындығына байланысты, кез келген биохимиялық манипуляцияларды нанотехнологиялық деп санау әлі де мүмкін емес – нанотехнология әлі де молекулалар мен бөлшектерді банальды пайдалануды емес, жобалауды қамтиды.

Қорытынды

Мақаланың басында біз әртүрлі жаратылыстану ғылымдарының объектілерін олар зерттейтін объектілердің сипаттамалық өлшемдері принципі бойынша қандай да бір түрде жіктеуге тырыстық. Осыған қайта оралайық және осы классификацияны қолдана отырып, атом ішіндегі өзара әрекеттесулерді зерттейтін атомдық физика субангстромдық (фемто- және пико-) өлшемдер екенін көреміз.

«Қарапайым» бейорганикалық және органикалық химия - бұл ангстром өлшемдері, жеке молекулалардың деңгейі немесе бейорганикалық заттардың кристалдарындағы байланыстар. Бірақ биохимия - бұл наноөлшем деңгейі, ковалентті емес молекулааралық күштермен тұрақтандырылған супрамолекулалық құрылымдардың өмір сүру және қызмет ету деңгейі.

Бірақ биохимиялық құрылымдар әлі де салыстырмалы түрде қарапайым және олар салыстырмалы түрде тәуелсіз жұмыс істей алады ( in vitro, қаласаңыз). Әрі қарай асқыну, супрамолекулалық құрылымдар арқылы күрделі ансамбльдердің қалыптасуы - бұл өздігінен көбейетін құрылымдарға көшу, Тіріге көшу. Ал мұнда жасушалар деңгейінде бұл микро өлшемдер, ал организмдер деңгейінде бұл макро өлшемдер. Бұл қазірдің өзінде биология мен физиология.

Нанодеңгей - молекулалардан тұратын барлық тірі заттардың тіршілік етуінің негізін құрайтын молекулалық деңгейден Тірі деңгейіне, өзін-өзі көбейтетін құрылымдардың өмір сүру деңгейіне және супрамолекулалық болып табылатын нанобөлшектерге дейінгі өтпелі аймақ. молекулааралық әрекеттесу күштерімен тұрақтандырылған құрылымдар жеке молекулалардан күрделі функционалдық жүйелерге өтпелі форманы білдіреді. Мұны, атап айтқанда, Табиғаттың сабақтастығын көрсететін диаграммада көрсетуге болады (9-сурет). Сұлбада наноөлшемді дүние атом-молекулалық әлем мен Тірілер әлемінің арасында орналасқан, бірдей атомдар мен молекулалардан тұратын, бірақ күрделі өзін-өзі өндіретін құрылымдарға ұйымдастырылған және бір әлемнен екінші әлемге ауысу анықталмаған. тек (және көп емес) құрылымдардың өлшемі бойынша, бірақ олардың күрделілігі бойынша . Табиғат бұрыннан тірі жүйелерде супрамолекулалық құрылымдарды ойлап тапты және қолданады. Табиғат оңай және табиғи түрде не істейтінін біз әрқашан түсіне алмаймыз. Бірақ сіз одан жақсылық күте алмайсыз, сіз одан үйренуіңіз керек.

Әдебиет:
1) Вул А.Я., Соколов В.И.Ресейдегі нанокөміртекті зерттеулер: фуллерендерден нанотүтіктерге және наноалмаздарға дейін / Ресейлік нанотехнологиялар, 2007. Т. 3 (3–4).
2) Катс Е.А.Фуллерендер, көміртекті нанотүтіктер және нанокластерлер: формалар мен идеялардың генеалогиясы. - М.: ЛКИ, 2008 ж.
3) Оствальд В.Айналып өткен шамалар әлемі. - М.: «Мир» серіктестігінің баспасы, 1923 ж.
4) Пиотровский Л.Б., Киселев О.И.Биологиядағы фуллерендер. - Росток, Санкт-Петербург, 2006 ж.
5) Ткачук В.А.Нанотехнологиялар және медицина // Ресейлік нанотехнологиялар, 2009. Т. 4 (7–8).
6) Хобза П., Захрадник Р.Молекулааралық комплекстер. - М.: Мир, 1989 ж.
7) Манн С.Өмір наноөлшемді құбылыс ретінде. Ангев. Химия. Int. Ред. 2008, 47, 5306–5320.
8) Покропивный В.В., Скороход В.В.Наноқұрылымдардың жаңа өлшемдік классификациялары // Physica E, 2008, т. 40, б. 2521–2525.

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

Оның үстіне көру үшін ғана емес, қолмен ұстау үшін де. «Бірақ ол оларға: «Егер мен Оның қолында тырнақтардың іздерін көрмесем және саусағымды тырнақтардың ізіне қоймасам және қолымды оның бүйіріне қоймасам, мен сенбеймін» (Жоханның Інжілі, 20-тарау) , 24-аят].

Мысалы, ол біздің дәуірімізге дейінгі 430 жылы атомдар туралы айтқан. e. Демокрит Содан кейін Дальтон 1805 жылы: 1) элементтер атомдардан тұрады, 2) бір элементтің атомдары басқа элемент атомдарымен бірдей және әртүрлі, 3) атомдар химиялық реакцияда жойылмайды деп дәлелдеді. Бірақ тек 19 ғасырдың аяғынан бастап атомның құрылымы туралы теориялар дами бастады, бұл физикада революция туғызды.

«Нанотехнология» ұғымын 1974 жылы жапондық Норио Танигучи қолданысқа енгізген. Ұзақ уақыт бойы бұл термин аралас салаларда жұмыс істейтін мамандар арасында кеңінен қолданылмады, өйткені Танигучи «нано» ұғымын тек бетті өңдеудің дәлдігін білдіру үшін пайдаланды, мысалы, беттің кедір-бұдырлығын бақылауға мүмкіндік беретін технологияларда микрометрден төмен деңгейде материалдардың және т.б.

«Фуллерендер», «көміртекті нанотүтіктер» және «графен» ұғымдары мақаланың екінші бөлігінде егжей-тегжейлі талқыланады.

Бұл мәлімдеменің тәжірибелік иллюстрациясы - көміртекті нанотүтіктерді «химиялық кесу» және «ашу» арқылы графен парақтарын алудың технологиялық әдістерінің жақында жарияланған дамуы.

Мұнда «микроскопиялық» сөзі бұл қасиеттер бұрын осылай аталғандықтан ғана қолданылады, дегенмен бұл жағдайда біз молекулалар мен атомдар көрсететін қасиеттер, яғни пико-өлшемдік диапазон туралы айтып отырмыз.

Бұл, атап айтқанда, өмір нанометрлік өлшемдердің құбылысы деген көзқарастың пайда болуына әкелді [ Манн, 2008], бұл біздің ойымызша мүлде дұрыс емес.

Ұзындық пен қашықтықты түрлендіргіш Масса түрлендіргіші Сусымалы өнімдер мен тамақ өнімдерінің көлемдік өлшемдерін түрлендіргіш Аудандық түрлендіргіш аспаздық рецепттердегі көлем мен өлшем бірліктерін түрлендіргіш Температура түрлендіргіші Қысымды, механикалық кернеуді, Янг модулін түрлендіргіші Энергия мен жұмысты түрлендіргіш Қуатты түрлендіргіш Күш түрлендіргіші Уақыт түрлендіргіші Сызықтық жылдамдық түрлендіргіші Жалпақ бұрыш түрлендіргіші Жылулық тиімділік және отын тиімділігі түрлендіргіші Әртүрлі санау жүйелеріндегі сандарды түрлендіргіш Ақпарат санының өлшем бірліктерінің түрлендіргіші Валюта бағамдары Әйелдер киімі мен аяқ киімінің өлшемдері Ерлер киімі мен аяқ киімінің өлшемдері Бұрыштық жылдамдық пен айналу жылдамдығының түрлендіргіші Жылдамдық түрлендіргіші Бұрыштық үдеу түрлендіргіші Тығыздық түрлендіргіші Меншікті көлем түрлендіргіші Инерция моменті түрлендіргіші Күш түрлендіргіші моменті түрлендіргіш Жану түрлендіргішінің меншікті жылуы (масса бойынша) Жану түрлендіргішінің энергия тығыздығы және меншікті жылуы (көлем бойынша) Температура айырмашылығы түрлендіргіші Жылулық кеңею түрлендіргішінің коэффициенті Жылу кедергісі түрлендіргіші Жылу өткізгіштік түрлендіргіші Меншікті жылу сыйымдылығы түрлендіргіші Энергия экспозициясы және жылу сәулеленуі қуат түрлендіргіші Жылу ағынының тығыздығы түрлендіргіші Жылу ағынының тығыздығы түрлендіргіші Жылу беру коэффициентінің түрлендіргіші Көлемдік шығын түрлендіргіші Масса ағынының түрлендіргіші Молярлық шығын түрлендіргіші Масса ағынының тығыздығының түрлендіргіші Молярлық концентрация түрлендіргіші Ерітінді түрлендіргішіндегі массаның концентрациясы Динамикалық (абсолютті) тұтқырлық түрлендіргіші Кинематикалық тұтқырлық түрлендіргіші Беттік керілу түрлендіргіші Бу өткізгіштігінің түрлендіргіші Бу өткізгіштігі мен бу беру жылдамдығы түрлендіргіші Дыбыс деңгейінің түрлендіргіші Микрофонның сезімталдық түрлендіргіші Дыбыс қысымының деңгейі (SPL) түрлендіргіші Таңдауға болатын сілтеме қысымы бар дыбыс қысымының деңгейі түрлендіргіші Жарықтандыру түрлендіргіші Жарық қарқындылығы түрлендіргіші Graphics Жиілік және толқын ұзындығы түрлендіргіші Диоптр қуаты мен фокус ұзындығының диоптрийі Қуат пен линзаның үлкейтуі (×) Электр зарядының түрлендіргіші Сызықтық заряд тығыздығының түрлендіргіші Беттік зарядтың тығыздығының түрлендіргіші Көлемдік зарядтың тығыздығының түрлендіргіші Электр тогының түрлендіргіші Токтың сызықтық түрлендіргіші Беттік ток тығыздығының түрлендіргіші Электр өрісінің кернеулік потенциалының түрлендіргіші және Electro кернеу түрлендіргіші Электр кедергісі түрлендіргіші Электр кедергісінің түрлендіргіші Электр өткізгіштігінің түрлендіргіші Электр өткізгіштігінің түрлендіргіші Электр сыйымдылығы Индуктивтілік түрлендіргіші Американдық сым өлшегіш түрлендіргіші ДБм (дБм немесе дБм), дБВ (дБВ), ватт және т.б. бірлік Магнит қозғаушы күш түрлендіргіші Магнит өрісінің күші түрлендіргіші Магнит ағынының түрлендіргіші Магниттік индукция түрлендіргіші Радиация. Иондаушы сәуле жұтатын доза жылдамдығының түрлендіргіші Радиоактивтілік. Радиоактивті ыдырау түрлендіргіші Радиация. Экспозициялық доза түрлендіргіші Радиация. Абсорбцияланған доза түрлендіргіш Ондық префикс түрлендіргіш Деректерді тасымалдау Типография және кескінді өңдеу бірлігі түрлендіргіш Ағаш көлем бірлігін түрлендіргіш Мольдік массаны есептеу Д.И.Менделеев химиялық элементтердің периодтық жүйесі

1 микро [μ] = 1000 нано [n]

Бастапқы мән

Түрлендірілген мән

префикссіз йотта зетта экса пета тера гига мега кило гекто дека деци санти милли микро нано пико фемто атто зепто йокто

Толқын ұзындығы мен жиілігі

Метрикалық жүйе және халықаралық бірлік жүйесі (SI)

Кіріспе

Бұл мақалада метрикалық жүйе және оның тарихы туралы айтатын боламыз. Біз оның қалай және неліктен басталғанын және бірте-бірте бүгінгі күнге дейін қалай дамығанын көреміз. Сондай-ақ өлшемдердің метрикалық жүйесінен жасалған SI жүйесін қарастырамыз.

Қауіп-қатерге толы әлемде өмір сүрген біздің ата-бабаларымыз үшін табиғи ортадағы әртүрлі шамаларды өлшей білу табиғат құбылыстарының мәнін түсінуге, оларды қоршаған ортаны білуге және оларды қоршап тұрған нәрсеге қандай да бір түрде әсер ету қабілетіне жақындауға мүмкіндік берді. . Сондықтан адамдар әртүрлі өлшеу жүйелерін ойлап табуға және жетілдіруге тырысты. Адамзат дамуының басында өлшеу жүйесінің болуы қазіргіден кем емес еді. Тұрғын үй салуда, әртүрлі өлшемдегі киім тігуде, тамақ дайындауда және, әрине, сауда мен айырбастау кезінде әртүрлі өлшемдерді жүргізу қажет болды! Көптеген адамдар СИ бірліктерінің халықаралық жүйесін құру және қабылдау ғылым мен техниканың ғана емес, жалпы адамзат дамуының ең маңызды жетістігі деп санайды.

Ерте өлшеу жүйелері

Ертедегі өлшеу және санау жүйелерінде адамдар өлшеу және салыстыру үшін дәстүрлі объектілерді пайдаланды. Мысалы, ондық жүйе он саусағымыз бар болғандықтан пайда болды деген пікір бар. Біздің қолымыз әрқашан бізбен бірге - сондықтан адамдар ежелден бері санау үшін саусақтарды қолданды (және әлі де пайдаланады). Дегенмен, біз әрқашан санау үшін 10 базалық жүйесін пайдаланбадық, ал метрикалық жүйе салыстырмалы түрде жаңа өнертабыс. Әрбір аймақ өзінің бірлік жүйелерін әзірледі және бұл жүйелердің ортақ тұстары көп болғанымен, көптеген жүйелер әлі де әртүрлі болғандықтан, өлшем бірліктерін бір жүйеден екіншісіне түрлендіру әрқашан қиындық туғызды. Әртүрлі халықтар арасындағы сауда-саттық дамыған сайын бұл мәселе күрделене түсті.

Салмақ пен өлшемдердің алғашқы жүйелерінің дәлдігі осы жүйелерді жасаған адамдарды қоршап тұрған объектілердің көлеміне тікелей байланысты болды. Өлшеулердің дәл болмағаны анық, өйткені «өлшеу құрылғыларында» нақты өлшемдер болмаған. Мысалы, дене бөліктері әдетте ұзындық өлшемі ретінде пайдаланылды; массасы мен көлемі тұқымдардың және өлшемдері азды-көпті бірдей болатын басқа да ұсақ заттардың көлемі мен массасы арқылы өлшенді. Төменде біз мұндай бірліктерді егжей-тегжейлі қарастырамыз.

Ұзындық өлшемдері

Ежелгі Египетте ұзындық алғаш рет қарапайым түрде өлшенген шынтақ, кейінірек корольдік шынтақтармен. Шынтақтың ұзындығы шынтақтың иілісінен ұзартылған ортаңғы саусақтың соңына дейінгі қашықтық ретінде анықталды. Осылайша, патша шынтақ патшалық перғауынның шынтағы ретінде анықталды. Әркім өз ұзындық өлшемін жасай алуы үшін шынтақ үлгісі жасалып, көпшілікке қолжетімді болды. Бұл, әрине, таққа жаңа адам отырғанда өзгеретін ерікті бірлік болды. Ежелгі Вавилон ұқсас жүйені қолданған, бірақ аздаған айырмашылықтары бар.

Шынтақ кішірек бөліктерге бөлінді: алақан, қол, zerets(фут), және сен(саусақ), олар тиісінше алақанның, қолдың (бас бармақпен), аяқтың және саусақтың ені арқылы берілген. Сонымен бірге олар алақанда (4), қолда (5) және шынтақта (Мысырда 28 және Вавилонда 30) қанша саусақ бар екенін келісу туралы шешім қабылдады. Бұл әр уақытта арақатынастарды өлшеуге қарағанда ыңғайлы және дәлірек болды.

Масса және салмақ өлшемдері

Салмақ өлшемдері де әртүрлі объектілердің параметрлеріне негізделген. Салмақ өлшеуіші ретінде тұқымдар, дәндер, бұршақ және ұқсас заттар пайдаланылды. Бүгінгі күнге дейін қолданылатын масса бірлігінің классикалық мысалы болып табылады карат. Қазіргі кезде асыл тастар мен інжу-маржанның салмағы каратпен өлшенсе, бір кездері қараған тұқымының салмағы, басқаша айтқанда, қараған деп аталды. Ағаш Жерорта теңізінде өсіріледі, оның тұқымдары тұрақты массасымен ерекшеленеді, сондықтан оларды салмақ пен масса өлшемі ретінде қолдануға ыңғайлы болды. Әртүрлі жерлерде кішігірім салмақ бірліктері ретінде әртүрлі тұқымдар пайдаланылды, ал үлкен бірліктер әдетте кіші бірліктердің еселігі болды. Археологтар әдетте тастан жасалған ұқсас үлкен салмақтарды жиі табады. Олар 60, 100 және басқа да шағын бірліктерден тұрды. Шағын бірліктердің санына, сондай-ақ олардың салмағына қатысты бірыңғай стандарт болмағандықтан, бұл әртүрлі жерлерде тұратын сатушылар мен сатып алушылар кездескен кезде қақтығыстарға әкелді.

Көлемдік өлшемдер

Бастапқыда көлемді де кішігірім нысандар арқылы өлшейтін. Мысалы, кәстрөлдің немесе құмыраның көлемі оның жоғарғы жағына дейін стандартты көлемге қатысты ұсақ заттармен - тұқым сияқты толтыру арқылы анықталды. Дегенмен, стандарттаудың болмауы көлемді өлшеу кезінде массаны өлшеу кезіндегідей проблемаларға әкелді.

Әр түрлі шаралар жүйесінің эволюциясы

Ежелгі Грекияның өлшем жүйесі ежелгі египеттік және вавилондық өлшемдерге негізделген, ал римдіктер өз жүйесін ежелгі грек өлшемінің негізінде жасаған. Содан кейін, от пен қылыш арқылы және, әрине, сауда арқылы бұл жүйелер бүкіл Еуропаға тарады. Айта кету керек, бұл жерде біз ең көп таралған жүйелер туралы ғана айтамыз. Бірақ салмақ пен өлшемнің басқа да көптеген жүйелері болды, өйткені айырбас пен сауда кез келген адамға қажет болды. Егер бұл аймақта жазбаша тіл болмаса немесе алмасу нәтижелерін жазу әдеті болмаса, онда бұл адамдардың көлем мен салмақты қалай өлшегенін болжауға болады.

Өлшемдер мен салмақ жүйелерінде көптеген аймақтық вариациялар бар. Бұл олардың өз бетінше дамуымен және сауда мен жаулап алу нәтижесінде басқа жүйелердің оларға әсер етуімен байланысты. Әр түрлі елдерде ғана емес, көбінесе бір елдің ішінде әр түрлі жүйелер болды, онда әрбір сауда қалаларының өздікі болды, өйткені жергілікті билеушілер өз билігін сақтап қалу үшін бірігуді қаламады. Саяхат, сауда, өнеркәсіп және ғылым дамыған сайын көптеген елдер салмақтар мен өлшемдер жүйесін, кем дегенде, өз елдерінде біріктіруге ұмтылды.

Қазірдің өзінде 13 ғасырда, мүмкін одан да ертерек ғалымдар мен философтар біртұтас өлшем жүйесін құруды талқылады. Дегенмен, француз революциясынан кейін және одан кейін әлемнің әртүрлі аймақтарын Франция мен басқа да еуропалық елдердің отарлауынан кейін ғана өздерінің өлшемдері мен өлшемдері бар жаңа жүйе әзірленді, ол әлемнің көптеген елдерінде қабылданды. әлем. Бұл жаңа жүйе болды ондық метрикалық жүйе. Ол 10 негізіне негізделді, яғни кез келген физикалық шама үшін бір негізгі бірлік болды, ал қалған барлық бірліктерді ондық префикстер арқылы стандартты түрде құруға болады. Әрбір осындай бөлшек немесе бірнеше бірліктерді он кіші бірлікке бөлуге болады, ал бұл кішірек бірліктерді өз кезегінде одан да кішірек 10 бірлікке бөлуге болады және т.б.

Біз білетіндей, ерте өлшеу жүйелерінің көпшілігі 10 базаға негізделмеген. 10 базасы бар жүйенің ыңғайлылығы - бізге таныс санау жүйесінің базасы бірдей, бұл бізге қарапайым және таныс ережелерді пайдалана отырып, тез және ыңғайлы етуге мүмкіндік береді. , кіші бірліктерден үлкенге және керісінше түрлендіру. Көптеген ғалымдар санау жүйесінің негізі ретінде онды таңдау ерікті деп санайды және тек он саусақтың болуымен байланысты және егер бізде саусақтардың саны басқа болса, онда біз басқа санау жүйесін қолданатын болар едік.

Метрикалық жүйе

Метрикалық жүйенің алғашқы күндерінде жасанды прототиптер алдыңғы жүйелердегідей ұзындық пен салмақ өлшемі ретінде пайдаланылды. Метрикалық жүйе материалдық стандарттарға және олардың дәлдігіне тәуелділікке негізделген жүйеден табиғи құбылыстар мен негізгі физикалық тұрақтыларға негізделген жүйеге айналды. Мысалы, секундтың уақыт бірлігі бастапқыда 1900 тропикалық жылдың бөлігі ретінде анықталған. Бұл анықтаманың кемшілігі келесі жылдарда осы тұрақтыны эксперименттік тексерудің мүмкін еместігі болды. Сондықтан, екіншісі 0 К-де тыныштықта болатын цезий-133 радиоактивті атомының негізгі күйінің екі гипержұқа деңгейлері арасындағы өтуге сәйкес келетін сәулелену кезеңдерінің белгілі бір саны ретінде қайта анықталды. Қашықтық бірлігі, метр , криптон-86 изотопының сәулелену спектрінің сызығының толқын ұзындығына қатысты болды, бірақ кейінірек метр жарықтың 1/299,792,458 секундқа тең уақыт кезеңінде вакуумда өтетін қашықтық ретінде қайта анықталды.

Метрикалық жүйе негізінде халықаралық бірлік жүйесі (СИ) құрылды. Айта кету керек, дәстүрлі түрде метрикалық жүйе масса, ұзындық және уақыт бірліктерін қамтиды, бірақ SI жүйесінде базалық бірліктердің саны жетіге дейін кеңейтілді. Біз оларды төменде талқылаймыз.

Халықаралық бірліктер жүйесі (SI)

Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) негізгі шамаларды (масса, уақыт, ұзындық, жарық күші, зат мөлшері, электр тогы, термодинамикалық температура) өлшеуге арналған жеті негізгі бірлік бар. Бұл килограмм(кг) массаны өлшеу үшін, екіншів) уақытты өлшеу үшін метр(м) қашықтықты өлшеу үшін, кандела(cd) жарық қарқындылығын өлшеу үшін, моль(аббревиатура mole) заттың мөлшерін өлшеу үшін, ампер(A) электр тогын өлшеу үшін және келвин(K) температураны өлшеу үшін.

Қазіргі уақытта тек килограмның әлі де жасанды эталоны бар, ал қалған бірліктер әмбебап физикалық тұрақтыларға немесе табиғи құбылыстарға негізделген. Бұл ыңғайлы, себебі өлшем бірліктері негізделген физикалық тұрақтылар немесе табиғи құбылыстар кез келген уақытта оңай тексерілуі мүмкін; Сонымен қатар, стандарттарды жоғалту немесе зақымдау қаупі жоқ. Әлемнің әртүрлі бөліктерінде олардың қолжетімділігін қамтамасыз ету үшін стандарттардың көшірмелерін жасаудың қажеті жоқ. Бұл физикалық нысандардың көшірмелерін жасау дәлдігіне байланысты қателерді жояды және осылайша үлкен дәлдікті қамтамасыз етеді.

Ондық префикстер

SI жүйесінің негізгі бірліктерінен белгілі бір бүтін рет санымен ерекшеленетін еселік және ішкі еселіктерді қалыптастыру үшін, ол онның дәрежесіне тең, ол негізгі бірлік атына жалғанған префикстерді пайдаланады. Төменде барлық қолданыстағы префикстердің және олар көрсететін ондық көбейткіштердің тізімі берілген:

Консоль	Таңба	Сандық мән; Мұндағы үтір сандар топтарын бөледі, ал ондық бөлгіш нүкте болып табылады.	Көрсеткіштік белгілеу
йотта	Ы	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	З	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
мысалы	Е	1 000 000 000 000 000 000	10 18
пета	П	1 000 000 000 000 000	10 15
тера	Т	1 000 000 000 000	10 12
гига	Г	1 000 000 000	10 9
мега	М	1 000 000	10 6
келі	Кімге	1 000	10 3
гекто	Г	100	10 2
дыбыс тақтасы	Иә	10	10 1
префикссіз		1	10 0
деци	г	0,1	10 -1
цент	бірге	0,01	10 -2
Милли	м	0,001	10 -3
микро	мк	0,000001	10 -6
нано	n	0,000000001	10 -9
пико	П	0,000000000001	10 -12
фемто	f	0,000000000000001	10 -15
атто	А	0,000000000000000001	10 -18
zepto	h	0,000000000000000000001	10 -21
йокто	Және	0,000000000000000000000001	10 -24

Мысалы, 5 гигаметр 5 000 000 000 метрге тең болса, 3 микрокандела 0,000003 канделға тең. Бір қызығы, килограм бірлігінде префикстің болуына қарамастан, ол SI негізгі бірлігі болып табылады. Сондықтан жоғарыдағы префикстер граммен негізгі бірлік сияқты қолданылады.

Осы мақаланы жазу кезінде SI жүйесін қабылдамаған тек үш ел бар: АҚШ, Либерия және Мьянма. Канада мен Ұлыбританияда SI жүйесі бұл елдерде ресми бірлік жүйесі болса да, дәстүрлі бірліктер әлі де кеңінен қолданылады. Дүкенге кіріп, бір фунт тауардың баға белгілерін көру жеткілікті (бұл арзанырақ!) немесе метрмен және килограмммен өлшенетін құрылыс материалдарын сатып алуға тырысыңыз. Жұмыс істемейді! Тауарлардың қаптамасын айтпағанда, барлығы грамм, килограмм және литрмен таңбаланған, бірақ бүтін сандармен емес, фунттан, унциядан, пинттен және квартадан айырбасталады. Тоңазытқыштардағы сүт орны да бір литр сүт қорапшасына емес, жарты галлонға немесе галлонға есептеледі.

Сізге өлшем бірліктерін бір тілден екінші тілге аудару қиынға соғады ма? Әріптестер сізге көмектесуге дайын. TCTerms-те сұрақ қойыңызжәне бірнеше минут ішінде сіз жауап аласыз.

Түрлендіргіштегі бірліктерді түрлендіруге арналған есептеулер» Ондық префикс түрлендіргіші" unitconversion.org функциялары арқылы орындалады.

1 нано [n] = 1000 пико [p]

Бастапқы мән

Түрлендірілген мән

Метрикалық жүйе және халықаралық бірлік жүйесі (SI)

Кіріспе