Қазіргі таңда нанотехнологиялар үлкен сұранысқа ие болып отыр

Біз нанотехнологияның дамуы  қоғамның жаңа түріне әкелетініне күмәніміз жоқ. Алайда нанотехнологиялық болашағымыздың қандай болатыны, ол қазір өмір сүріп жатқан сіз бен біздерге байланысты!

Қолдану аясы.

Генетика,медицина, клондау, микроағзалардағы бактерияларға әсер ету және машина жасау, электроника, т.б. өндірістерге арналған жаңа материалдар алу, техника мен өндірістің барлық түрлерін жаңа сапа деңгейіне көтеру мәселелерін нанотехнологияны дамыту арқылы ғана шешуге болады. Қазақстанда наноқұрылымдарды зерттеу ҚР білім және ғылым министрлігінің іргелі ғылыми-зерттеулер бағдарламасы бойынша 2003 жылданжүргізіле бастады. Нанотехнологиялық зерттеулерде белгілі жетістіктерге жеткен ғылым ұжымдарды топтастырып, олардың жұмыстарын үйлестіру мақсатында Алматы қаласы маңындағы Алатау кентіндегі Ақпараттық технологиялар бағы аймағына кіретін физика-техника институты жанынан ұлттықнанотехнология лабораториясы ұйымдастырылған. Мұндағы ғылыми-зерттеулер нақты жобалардан тұратын бағдарламалар бойынша жүргізіледі.

Нанотехнологияның пайдалану болашағы. Бұған ғылыми фантастикаға ден қойған бірқатар жаңашылдардың да сенімсіздік танытары күмәнсіз. Мәселен, Scientifus Amerika журналының болжамына сүйенсек, таяу арада көлемі почта маркасына тең медициналық құрылғы жасалады екен. Соны жарақат алған жерге қойса жеткілікті, ол қанның құрамын, қандай дәрі қажет екенін анықтап, сол дәрі-дәрмекті қанның құрамына өзі жібереді. 2025 жылы дайын атомнан кез-келген затты құрастыруға қабілетті алғашқы нанороботтар жасалмақшы. Ауыл шаруашылығында да айтарлықтай өзгерістер болады: нанороботтар өсімдіктер мен жануарларды алмастырып, азық-түлік өндіретін дәрежеге қол жеткізеді. Осыған сәйкес экологиялық жағдай да жақсара түседі. Өнеркәсіптің жаңа түрлері болашақта қалдық заттар шығармай, оның есесіне нанороботтар ескі қалдықтарды жояды. Тәжірибе барысында анықталғандай, тоннельдеуші микроскоптың бұрынғыларға қарағанда біршама артықшылықтары бар екен. Соның көмегімен жекелеген атомдарды "көруді" былай қойғанда, соларға әсер ету арқылы кез-келген кернеуді өзгертуге де мүмкіндік туады: қарапайым тілмен айтсақ, тоннельдеуші микроскоптың көмегімен атомды "іліп" алуға және қажетті жеріне қондыруға болады. Физиктердің атомдарды өз қалауынша орналастыруға теориялық мүмкіндіктері пайда болады, яғни соларды кірпіш секілді қалай отырып, кез-келген затты жасап шығуға болады екен.

Қазір ғалымдар тұсауы жаңа кесілген 'нанотехнологияның үш негізгі міндеттерін айқындап алды:

Біріншіден, осының көмегіне сүйене отырып, атомдарды өз қалауымызша тікелей орналастыру жүзеге асырылады, яғни ерекше қасиеттерге ие болған материалдар жасалады.

Екіншіден, көлемдері жекелеген молекулаларға немесе атомдарға тең белсенді элементтері бар электрондық схемалардың өндірісін ұйымдастыру көзделіп отыр.

Үшіншіден, ғалымдар көлемі молекулаға тең механизмдер мен роботтар, яғни наномашина жасауды көздеуде.

Бұл әрине, енді ғана қолға алына бастаған, тәжірибе жүзінде сынақтан өткен алғашқы қадамдар ғана. Бірақ ғылымы мен білімі дамыған бірқатар елдерде соның алғашқы үлгілері қолданысқа енгізіле бастады. Мәселен, Массачусетс технологиялық институтында қазір көлемі бақыр ақшадайөрмекші-роботтың алғашқы үлгісі жасалынды, ол бір минутта 10000-ға дейін әртүрлі қозғалыстарға келтіріледі. Бірақ көлемі үлкен болғандықтан, оны нағыз наноробот деуге ертерек секілді. Ресей ғалымдары да америкалық әріптестерінен қалысар емес. Олар нанотехнологияны медицина саласына жұмыс істету жолында ғылыми-зерттеу жұмыстарын жүргізуде.

Таяудағы жылдары адамның індері бойымен өз бетінше қозғалып жүретін және биологиялық заттардың орналасқан әрі шоғырланған жерін анықтауға мүмкіндік беретін молекулалық құрылымдар жасауымыз мүмкін, - дейді Ресей ғылым академиясының академигі, профессор Юрий Евдокимов. Егер осыған қол жетсе, онда биохимиялық зертханалар мен медицина-клиникалық диагностикада аса ауқымды мүмкіндіктер ашылып, адам ағзасындағы дертті дәл анықтауға және толық емдеуге мүмкіндік туады.

Осындай молекулярлы машина өткен жылы Мичиган университетінде сынақтан өткізіліпті. Нанороботтар үш бөліктен тұрған екен: тасымалдағыш-молекулалар, қатерлі ісік жасушаларын барлап білетін-молекулалар (ДНҚ фрагменттері бар) және люминофер-молекулалар. Осындай құрылымды ағзаға енгізген кезде олар ісік жайлаған жерге орналасып, люминесценцияның көмегімен соны нақты көрсеткен. Дәл осындай амалмен ауру жайлаған жерге дәрі жіберуге болатыны да күмәнсіз.

Қалай дегенмен де ғалымдар адам өмірі үшін күресті одан әрі жалғастыруда. Олардың сөзіне сенсек, таяудағы жылдары қолдан жасалған ДНҚ-молекуланың негізінде адам ағзасын микробтардан тазартуға немесе енді тамыр жая бастаған қатерлі ісік жасушасын жоюға жол ашылатыны сөзсіз.

Нанотүтікшелер.

Соның бір айғағы фуллерендер аккумуляторлық батареяларды шығаруға қолданылуда. Оның өз «ағайындарынан» айырмашылығы — сыйымдылығы бес есе көп, салмағы өте аз, жоғары экологиялық сапасы мен санитарлық қауіпсіздігінде. Батареяның бұл түрін жеке компьютерлер мен дыбыс аппараттарының қоректену көзіне пайдаланады. Бірақ, оны жүзеге асыру оңай шаруа емес. Өйткені, америкалық «Carbon Nanotechnologies» тәулігіне0,5-1 кг ғана нанотүтікше жасап шығара алады. Бұл ретте Жапония да белгілі бір мөлшерде табысқа жетті. Мұнда жылына 400 кг фуллереншығаратын тәжірибе зауыты салынуда. Сонымен бірге, осы елде жылына 120 тонна нанотүтікше шығаратын зауыт та іске қосылуда.

1991 жылы профессор Сумио Иидзима ұзын көміртекті цилиндр-нанотүтікшені баиқаған. Нанотүтікше диаметрі бірнеше нанометр, ал ұзындығы оншақты микрон болаты милиондаған көміртегі атомынан тұратын молекула. Адамның шашының қалыңдығынан 100 мың есе аз нанотүтікшелер сирек кездесетін ете берік материал болып шықты. Олар болаттан 50-100 есе берік, әрі тығыздығы алты есе аз. Нанотүтікшелерден косманавтар, өрт сөндірушілерге арналған ыңғайлы киімдер тігу үшін, ете берік және жеңіл композиттік материал, микроскопқа зонд жасауға болады. Олар өзінің салмағынан бірнеше тонна артық жүкке шыдайды. Ғалымдар соңғы кезде нанотүтікшенің ішіне басқа дененің атомдарын енгізіп, олардың қасиеттерін (тіпті изоляторды өткізгішке) өзгертуге болатындығын тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Микроприборларда оларды сым ретінде қолданса, таңқалатыны, бойымен тоқ жүргенде жылу бөлінбейді. Нанотүтікшелер газды (әсіресе сутегі) сақтауға қауіпсіз материал. Автомобилдерге жанғыш элемент ретінде сутегіні пайдаланса, ол бензинге қарағанда экологиялық таза элемент, алайда сутегі мелшері үлкен баллонды қажет етеді. Ал машиналарға ауыр баллондарды салу олардың жылдамдығын азайтатын еді. Мүмкін болашақта автомобилдерге сутегімен толған қолданатын шығар. Нанотехнология жетістігінің мысалы ретінде IBM фирмасының лабораториясында алғаш Бихи мен Рорер жасаған сканерлейтін тунелді микроскопты (СТМ) айтуға болады. Бұл микроскоптың көмегімен алғаш алтын, сосын кремний бетінің атом деңгейіндегі суретін алған. Сканерлейтін тунелді микроскоптің жұмыс органы тоқ еткізетін металдық ине тәрізді - зонд. Зонд зерттелетін үлгі бетіне ете жақын ара қашықтықта(Н"0,5 нм) қойылады, нәтижесінде зонд пен үлгі арасында беттің күйіне байланысты езгеріп отыратын тунелдік тоқ пайда болады. Осылайша, тунелдік тоқтың өзгеру шамасын өлшей отырып немесе керісінше оны тұрақты етіп (зондтың төмен жоғары қозғалта отырып) беттің сканерлеп, компьютерде оның суретін алуға болады. Бұл әдіс тек атомдық құрылымдарды зертеумен шектелмей, денелердің физикалық қаситеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Тіпті қазіргі сканерлейтін тунелді микроскопты жеке атомдарды алып, оларды жаңа орынға тасуға, атомдық жинақ жасауға мүмкіндік береді.

Нанотехнологияның елімізде дамудың алдыңғы шарттары. 2007-2008 жылдары отандық жоғары оқу орындарында инженерлік бағыттағы 15 ғылыми зертхана құрылып, жұмыс істей бастады. Бұл салаға республикалық бюджеттен азды-көпті қаражат та бөлінген. Алдағы 10-15 жылда нанотехнологиялық материалдарды қолдану тәсілімен шығарылатын бұйымдардың көлемі триллион доллар болады деп күтілуде. Бүкіл әлем аса бір құштарлықпен айналысып отырған нанотехнологияны дамытуды қолға алмағанды айтпағанда, оның не екенін, пайдасы қандай болатындығын біз әлі күнге дейін жетік білмейміз. Ресей мемлекеті нанотехнологияны дамытуға бір миллиард АҚШ долларын бөліп, зертханалар ашуда. Біз олардан қалыспауымыз қажет.

Сол жылдан бастап еліміздің 10 алдыңғы қатарлы жоғары оқу орындарында қазіргі талапқа сай жабдықтармен жабдықталған инженерлік зертханаларашылған болатын. Солардың қатарында Әл-Фараби атындағы қазақ мемлекеттік университеті мен М.Х.Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университетіндегі «Наноинженерлік зерттеу әдістері» зертханасы. Әл-Фараби атындағы қазақ мемлекеттік университетінде аты дүние жүзіне мәшһүр профессор Г.А. Мун, Тараз мемлекеттік университетінде профессор И.И. Бекбасаров басшылық жасайды. 2012 жылы Қ. Жұбанов атындағы Ақтөбе мемлекеттік университетінде "Нанотехнологиялар" ғылыми зертханасы ашылды. Тараз мемлекеттік университетінде бүгінгі күні электронды микроскоптар мен рентгендік микроталдаулар жасалып, құрылыстық, композициялық материалдарды, азық-түлік өнімдерін физикалық-химиялық зерттеу әдістері жалғасын табуда.

Оқу орнына мемлекет тарапынан  бөлінген қаражатқа жапондық JSM7500F микроскопы алынды. Бір айта кетерлігі, мұндай микроскоп Қазақстанда екеу ғана, оның екіншісі Республикалық ядролық физика ғылыми зерттеу институтында. Бір жағынан мақтаныш болғанымен, бұл ретте аталған микроскоп бүгінгі таңда алдыңғы қатарлы деп те айтуға болмайды. Өйткені, жапондарда бұл жабдық ескірген болып есептеледі. Қазіргі уақытта дүние жүзінде 1600 ғылыми-техникалық компаниялар мен фирмалар, зертханалар мен орталықтар нанотехнологиялық зерттеулермен айналысуда. Оның28 пайызы АҚШ-та, 24 пайызы Жапонияда, 10 пайызы Ұлыбританияда, 9 пайызы Алманияда, және 5 пайызы Австрияда екен. Франция, Италия, Қытай елдері 3 пайыздан, басқа мемлекеттер, соның ішінде Ресей барлығы 14 пайызды құрайды. Ал, Қазақстан сол он төрт пайыздың ішінде де жоқ. Осыдан-ақ елімізде бұл саланың дамуының мән-жағдайын білуге болады.

Нанотехнологияның энергетикада қолдануы.

Энергетикадағы едәуір дамыған  наножобалары:

1. Энергияның сақталуы;
2. Энергияның түрленуі;
3. Өндірісте энергияның жақсаруы;
4. Энергоүнемдеу.
5. Энергияның қайта жаңару көзі қолдану.

Энергияны үнемдеу және өндіріске  айтарлықтай үлес қосу үшін және энергия  көзінің қайта жаңарту үшін нанотехнология біркелкі мүмкіндіктермен қамтамасыз етіп отыр.

Нанотехнология жер шарының  ресурстарын үнемдеу үшін үлкен  әсерін тигізеді:

• Қайта жаңарту көздерін қолдану(күн батареялары, термоэлектрлік құралдар, отын элементтері).
• Энергияны сақтау(батареяны және суперконденсаторларды қайта зарядтау, сүтегі бактары).
• Материалдарды қолдануды үнемдеу(мысалы, конструкторлық материалдарды одан да жеңіл етіп және төзімді етіп жасау).
• Альтернативті(көп таралған) материалдарды қолдану(мысалы, катализ кезінде наноқұрылымды оксидтерді жиі кездесетін жер элементтеріне ауыстыру).

Энергетикадағы нанотехнологияның  дамыған түрі келесідей жобаларда  кездеседі:

• Сақтау;
• Қайта түрлену;
• Өндірісте жақсару(процестің ұзақтығын және материалдарды қолдануды азайту);
• Электрүнемдеу(термоизоляция есебінен жаңа әдістерді өндеу);
• Энергияның қайта жаңару көзін қолдану.

2015 жылғы нанотехнологияны қолдану аясының коммерциялық келешегі

2007 жылы энергетикада  нанотехнологияның әлемдік нарықтағы  өнімі 200 млн доллар АҚШ құрады. 2015 жылға дейінгі болжам бойынша  нанотехнология негізіндегі материалдар  мен процестер негізінде олар 4,92 млрд.доллар АҚШ-ты құрауы тиіс. Бұл уақытта нанотехнологияның энергетика саласында үлесі 36,3% құрайды.

1-сурет. Нанотехнологияның  энергетика аясындағы болжаулы  табыс мөлшері. Консервативті  бағалау, млн.долл.АҚШ

2-сурет. 2015 жылғы энергетика саласындағы нанотехнологияның әлемдік нарықтағы. Әр сектор бойынша табыс мөлшерін болжау.

Энергияның түрленуі мен  энергияның жинақталуы күннен сәулеленуі  арқылы келеді. 2015 жылы өнімнің 36,3% мөлшері  осы нанотехнология жетістіктерінен  алынады деп болжанып отыр.

Отын элементтерінің өндіріс  технологиясын дамытуда наноқұрылымды  материалдар, нанобөлшек негізіндегі  катализаторлар үлкен рөл атқарады. Отын элементтерінде көбіне көміртек матрицасындағы 1-5 нм болатын металл нанобөлшектерден құралған катализаторлары  қолданыс табады. Әлдеқайда перспективті элементтер олар- наномарганец, наноаланат, марганца және нанотитан. Электрэнергиясының радиоактивті сәулеленуі тікелей түрлену нанотехнологияда үлкен жетістікке жетті.

Қорытынды

 Қазақ жерінде нанотехнологияларды  дамыту мақсатымен мемлекет тарапынан  қолдау көрсетіліп жатыр. Мемлекет басшысы  Нұрсұлтан Әбішұлы Назарбаевтың жетекші он жоғары оқу орындарында  инженерлік зертханалар құру тапсырмасына байланысты мемлекет тарапынан қаржы  бөлініп, сатып алынған электронды микроскоптар, спектрометрлер тб. құралдар нанотехнология элементтерін жүзеге асыруға  мүмкіндік берумен қатар, оның әрі  қарай дамуына үлес қосып жатыр. Ал көлемді зерттеу жүргізу қиын іс болғандықтан, көптеген зерттеулерді шет мемлекеттерде жүргізуге  мәжбүр болып отырмыз. Себебі, нанотехнологияның  қазіргі жағдайы химия, физика, информатика, механика сынды ғылымды жетік  меңгерген, біліктілігі мол  мамандардың бірлесе отырып жұмыс істеуін қажет етеді. Бұған қоса, мамандар заманауи техникамен жұмыс істей білуі қажет. Ал ол үшін, әрине, мол тәжірибе қажет. Ал «Болашақ» бағдарламасының ғылыми тағылымдамадан өту бастамасы мамандарымыздың біліктілігін арттыруға мүмкіндік беретіні сөзсіз.