Бейсенбі, 23 Қараша 2017
Ғылым-білім 7803 0 пікір 1 Шілде, 2014 сағат 12:25

ОҢАЛСЫН ИМАМБЕКОВ. НАНОФИЗИКАНЫҢ КЕЛЕШЕГІ

 

Бүгінгі күнде санамызға асып төгіле құйылып жатқан толассыз ақпараттар тасқыны арасынан «нанофизика», «нанотехнология», «наноинженерия», «наномедицина» және басқа да толып жатқан «нано...»-лар туралы жиі еститін болдық. Ол туралы радио мен теледидарлар хабарлап, ғаламтор сайттары көптеп мәліметтер береді. Үлкенді-кішілі жиындарда бұл туралы тіптен мектеп оқушыларынан бастап, ғұлама ғалым, үкімет басшылары мен елбасыларға дейін жиі айтады. Осыған қарап ақ әңгіме әдеттегі бой үйренген, жай бір қарабайыр мәселе жөнінде емес, керісінше ерекше маңызды, біз бір аса мұқтаж дүние төңерегінде екенін аңғаруға болады. Бұл не нәрсе, әңгіме не жөнінде? Осы бір кішкене мақаламызда біз де осы сұрақтарға жауап іздеп, наноқұбылыстар жөнінде нақтылы, әрі қазақи, қысқа да нұсқа мәліметтер бере отырып, оқушыларымызды мәселенің мәнісіне шым-шымдап бойлатсақ деген ниеттеміз.

Алдымен «нано» термині жөнінде. Бұл өзі грек сөзі, ол қандай да бір бүтін нәрсенің миллиардтан бір бөлігі дегенді білдіреді. Мұндай, тіптен көзге елестетуге қиын, аса мардымсыз аз санды математика тілінде 10-9 деп жазады. Мысалы 1 нанометр (нм) деп бір метр ұзындықты аса үлкен 1000000000 санына бөлгенде шығатын өлшемді айтады. Ал 1 нм-нің мардымсыздығы сонша, оның мәні жекелеген атомдар мен молекулалардың өлшемдерімен шамалас. Ал біз жоғарыда санамалаған «наноқұбылыстар» кеңістіктің дәл осындай кішкене аймағында өтетін үрдістермен байланысқан. Мысалы «нанофизика» өлшемдері шамамен 10-100 нм болатын кеңістік аймағында өтетін физикалық құбылыстардың заңдылықтарын зерттесе, «наноинженерия» сол «нанофизика» заңдарының негізінде нақтылы наноқұралдар жасап, оны пайдаланудың жолдарын іздестіреді. Ал «наномедицина» өзінің ем-домдарын адамдар ағзасының осындай аз аймағында, жекелеген клеткалар деңгейінде жүргізуді мақсат тұтады. Адамның ең асыл өмірін шешімі жоқ шарасыздыққа тірейтін кейбір дерттердің шипасы осы жерден табылар ма деген үміт те жоқ емес. Ал «нанотехнология» болса осы барлық наноғылымдардың басын біріктіріп, олардың жетістіктерін кәдеге жарататын технология.

Бұл жерде осы «наноқұбылыстар» туралы түсінік неден бастау алады? Ол қай кезеңнен бастап терең зерттелуде, оған не себеп болды деген сұрақтар туындайды. Осымен байланысты ғұлама ғалым, қазіргі заман физикасының озық теориясы – кванттық электродинамиканың негізін қалаушы, асқан шебер педагог, Нобельдік сыйлықтың иегері Ричард Фейнман туралы айтпай кету мүмкін емес. Себебі ол 1959 жылы Американың әйгілі Калифорния технология институтында бір ерекше дәріс оқыған болатын. Дәрістің аты да қызық еді, ол «Төмендегі орындардың бәрі бос» деп аталатын. (Бұл дәрістің мәтінімен мына жерден танысуға болады: Feynman R.P. There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics. Eng.Sci. v.23, p.22, 1960; (http://www.zyvex.com/nanothech/feynman.html)). Фейнманның бұл дәрісінде айтылған ойлардың қысқаша түйіні мынада еді: адамзат бұл кезге дейін жаратушы ием силаған жеті қат аспан мен жер бетіндегі бар заттарды ғана қанағат тұтып, қажетіне жаратып, ұқсата пайдаланып келді. Барға мәз болды, оны өңдеді, шамасы жеткенше өзгертті. Бұл жерде, әрине, қол жеткен жетістіктеріміз де жоқ емес. Бірақ; осымен қатар, ойы заманынан оқ бойы озған сұңғыла ғалым тағы бір мүмкіндікке нұсқады. Ол барды місе тұтпай, жоқтан бар жасайық деген ой еді. Бізді қоршаған ғалам, бүгінгі қолымызда бар дүние, жаратушымыздың терең ой-жоспарымен қиыннан қиыстырылып, тігісі жатықтырылып, асқан шеберлікпен, және дәлдікпен жасалғандай. Адамзат оны зерттеп, там тұмдап тану барысында ашылған кемел де терең мағаналы физика заңдары жаратушының осы қас шеберлігіне тамсандырмай қоймайтын. Ал Фейнман болса жоғарыдағы дәрісінде барды місе тұтпай, сүйіктісіне деген бар махаббатын мәрмәр тасқа айналдырып, дүние көзі бұған дейін ешқашан көріп білмеген, сағымда жүзген, ақшаңқан Тәжмақалды салған Жақаншахтай, осыған дейін ешкім білмеген, ешқашан да болмаған, жаңа, ғажайып зат жасайық, оны арман-сарайдың жеке кірпіштерін сылап-сипай отырып қалаған қас шебердей, жекелеген атомдарды бір-бірімен реттей қиюласта байланыстырып тұрғызалық деді. Ғалымның «төмендегі орындар» деп мегзеп отырғаны да осы атомдардың деңгейі болатын. Бұл бір тосын, әрі батыл ой еді. Себебі бұл кезге дейінгі қалыптасқан таным жүйесі жоғарыдан төменге, үлкеннен кішіге, бардан жоққа қарата бағытталатын. Енді табиғи танымға мүлде кереғар бағытта, төменнен жоғары қарата жүріп, жоқтан бар жасау қажет еді. Жоқтан бар дегеннің өзі жаратушының етегіне жармасып, құзырына қол сұққанмен пара пар болатын. Алғашқыда көптеген ғалымдарға Фейнманның бұл ойлары әдемі ертегідей көрінген.

Жоғарыдағы Фейнманның идеясын жүзеге асыру үшін сол жекелеген әдемі атомдарды «ұстап», реттеп орналастыратын «қол», өлшейтін «таразы», яғни жаңа типтегі, соны принциптерге негізделген арнайы құралдар қажет еді. Дәл ол кезе мұндай құралдар жоқ болатын. Бірақ адам қиялы шектеуді білген бе? Асқақ арман алға сүйреп, ақыры ондай құралдар Фейнман оқыған дәрістен тура жиырма жыл өткенде жасалды. Мұндай құралдардың алғашқылары сканирлеуші-туннельдік және атомдық-күштеуші микроскоптар болатын. Олардың жасалуы Фейнман қиялының шындыққа айналуына кең жол ашты. Бұл құралдар наноөлшемдегі нысандарды дайындап, олардың қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік берді. Бұлай түзілген наноқұрылымдарға олардың пішіні мен мөлшерлерін қалауымызша реттей отырып, жай заттардың қасиеттерінен күрт өзгешеленетін жаңа мақсатты, қажетті физикалық, химиялық, биологиялық қасиеттер беруге болатын еді. Бұл жаңа құралдардың көмегімен жүргізілген алғашқы зерттеулердің нәтижелері біз ойлаған межеден әлде қайда асып түсті. Мысалы бүгінгі ғылыми әдебиетте «кванттық нүкте», «кванттық жіп», «кванттық түтікше» деген ұғымдар жиі кездестіреміз. Соның бірі нанотүтікше туралы айтар болсақ көміртегіден жасалған осындай түтікшенің меншікті салмағы болаттың меншікті салмағынан алты есе аз, ал оның беріктігі болаттыкінен мың есе артық екен. Егер қазақи сөзбен айтар болсақ бұл деген жуандығы бар болғаны адам шашының бір талындай, жіңішке нанотүтікше массасы тоннаға жуық жүкті еркін көтереді деген сөз. Ал енді ойлап көріңіз, бұл жаңалық ертең өндіріске, өмірдің сан алуан саласына қандай өзгерістер алып келетінін. Биология саласындағы жаңалықтар да көңілге үміт ұялатады. Арнайы дайындалған кейбір нанобөлшектерді адам ағзасына енгізгенде ол ондағы рак дертіне шалдыққан клеткаларды іздеп тауып, оның ішіне еніп, көзін жояды екен. Ал бұл шипасыз дерттің емін табуға жол ашуы мүмкін. Сол сияқты кванттық нүктелердің қасиеттерін зерттеу аса ықшамды транзисторлар жасауға мүмкіндіктер жасап, компьютерлік техника мен наноэлектрониканың дамуына үлкен серпін беруі мүмкін.

Нанотехнология жетістіктерінің адам мен қоғам өміріне тигізетін игі әсері кереметтей ілгері дамуға алып келетіндей. Оның маңыздылығы тіпті адамзат тарихындағы дөңгелектің ойлап табылуы, адам баласын жойқын қырғыннан аман сақтап қалған антибиотиктің жасалуы, техникаға үлкен серпіліс берген микросхемалардың дүниеге келуінен де асып түседі деп күтілуде. Бұл жөнінде АҚШ президентінің ғылым мен техника жөніндегі кеңесшісі доктор Нил Лейннің, IBM фирмасының зерттеу бөлімінің жетекшісі Джон Армстронгтың, Нобельдік сыйлықтың иегерлері Хорст Шмормер мен Жорес Алферовтың пікірлері өте құнды.

Енді нанотехнологияның бұдан арғы дамуындағы келешегі зор бірнеше бағытта атап өтелік.

Материалдар өндірісі. Нанотехнологияның бұдан арғы дамуы заттар мен әртүрлі құрылымдарды дайындауды принципті түрде өзгертуі тиіс. Құрылымның наноөлшемдегі элементтерін синтездеп одан ерекше қасиеттер мен функцияларға ие, елерліктей үлкен құрылымдар жинау мүмкіндігі материалтану мен өндірістің көптеген салаларында революциялық өзгерістерге алып келеді деп күтілуде. Осындай наноқұрылымды пайдалану өте сапалы, жеңіл, әрі берік материалдар алып, олардың пайдалану құнын өте арзандатуға мүмкіндік береді. Материалтанудағы нанотехнологияның негізгі қолдану аймақтары мыналар: одан әрі өңдеуді қажет етпейтін өте дәл өлшемдегі наноқұрылымды керамика және металлдан жасалған детальдар дайындау; сапасы өте жоғары түрлі-түсті баспаға нанобөлшектерді пайдалану; техника мен химияда пайдалынатын әртүрді кесетін құралдардың жаңа типтерін алу үшін олардың беттерді көміртегілеу немесе крабидтік жамылғылармен тұмшалау үрдістерін зерттеу; функциялық сипаты мен күрделілік деңгейі өте жоғары жаңа типтегі чиптерді (кристаллда жиналған электронды сызбалар) нанотехнологияның негізінде дайындау.

Наноэлектроника және есептеу техникасы. Нанотехнологияны электроника мен компьютерлік техникада кеңінен пайдалану мынадай маңызды ілгерілеулерге алып келетін болады: жоғарғы өнімді әрі энергия үнемдегіш наноқұрылымды микропроцессорлар өндірісіне; тасымалдаудың аса жоғары жиілігін игеру және оптикалық аймақтың жиілігін тиімді пайдалану арқылы қорғаныс жүйесіндегі, білім берудегі, бизнестегі үлкен жетістіктерге; жадының көлемі мультитерабит болатын аса кішкене өлшемді есте сақтау құралдарын жасау арқылы компьютерлердің тиімділігін мыңдаған есе арттыруға; датчиктері наноқұрылымға негізделген интегралдық жүйелерді жасау арқылы көлемі аса үлкен мәліметтерді өңдеуге; нанотехнологияға негізделген есептеу техникасын жетілдіру арқылы ұшқышсыз самғайтын әскери және азаматтық авиацияны дамытуға т.с.с.

Медицина және денсаулық сақтау ісі. Нанотехнологияны биологияда қолданудың да зор келешегі бар. Мысалы генетикалық кодты тез әрі тиімді саралаудың нәтижесінде ауруды дәл анықтап емдеу мүмкіндігі пайда болады. Сонымен қатар нанобиологияның жетістіктері тірі организм ішіне сырттан басқарылатын наноқұралдарды енгізу арқылы тиімді әрі арзан медициналық көмек көрсетуге, дәріні организмге енгізудің және тасымалдаудың (дәріні организмдегі белгілі бір діттеген жерге ғана жеткізу) жаңа әдістерін қалыптастыруға, тез тозбайтын, әрі организм өзінен шеттетпейтін жасанды тканьдар мен ағзалар жасауға, организмде аурудың пайда болайын деп келе жатқанын алдын ала сездіретін сенсорлар арқылы дәрігерлерге ауруды емдеуге емес, аурудың алдын алуға кең ауқымды мүмкіндіктер жасайды деп ойлаймыз.

Аэронавтика және космосты зерттеу. Космосты игеруді негізгі қиыншылықтардың бірі жүктерді орбитаға шығарудың, әсіресе алыс сапарларға (Күн жүйесінен тысқары) ұшудың аса қымбаттығы. Бұл қиыншылықтар ғарыш аппарыттары мен құралдарының салмағы мен көлемін мейлінше кішірейтуді талап етеді. Бұл проблема тек нанотехнологияның негізінде шешілуі мүмкін. Нанотехнологияның авиация мен космос техникасында қолданылуының мүмкіндігі өте кең. Оның ішіндегі ең келешекті бағыттары мынадай: жоғары сапалы және сыртқы радиацияның әсеріне төзімді, энергия үнемдегіш есептеу техникасын жасау; космос аппараттары үшін өте кішкентай әрі ықшамды наноқұрылғылар жасау; ыстыққа әрі тозуға төзімді наноқұрылымды жамылғылар дайындау.

Қоршаған орта және энергетика. Нанотехнологияны пайдаланудың келешекте энергияны өндіруде, сақтауда және тиімді пайдалануда ерекше ықпалы болуы мүмкін. Наноқұрылғылар қоршаған ортаның күйін бақылауда, ластану көздерін табуда, экологиялық таза өндірісті қалыптастыруда ерекше роль атқарады деп күтілуде. Нанотехнология тіптен бүгінгі күннің өндірісінде де табыспен қолданыла бастады. Мысалы, химия өндірісінде катализатор ретінде өлшемдері шамамен 1 нм болатын кристалл заттарды пайдалану өндірістің бұл саласына жылына 30 млрд. АҚШ долларынан аса қаржыны үнемдеуге мүмкіндік беріп отыр. Ал «Мобил Ойл» фирмасы өлшемі 10-100 нм болатын наноборпылдақ МСМ-4 материалын ойлап тауып, оны мұнайдан ластаушы агенттерді бөлуге пайдалануда. Кейбір химиялық компаниялар автомобиль құрылымдары үшін нанобөлшектермен беріктелген полимер материалдар жасады. Мұндай берік әрі аса жеңіл материалдарды автомобиль құрлысында пайдалану жылына 1,5 млрд литр бензинді үнемдеп, ауаны 5 млрд кг сутегінің қостотығымен ластаудан сақтайды.

Нанотехнологияның осылай қарыштай дамуы әрбір мемлекетке өзінің экономикалық саясатында бұл өзгерістерді жіті ескеруді талап етеді. Мұны бүгінгі күні экономикасы дамыған елдердің мысалынан байқауға болады. Мысалы Жапониядағы нанотехнологиялық зерттеулер бағдарламасы мемлекеттік басым бағыттағы зерттеулер болып есептелінеді. Бұл бағдарлама тек мемлекет тарапынан ғана емес, сонымен қатар 60 тан аса жекелеген фирмалар тарапынан да қаржыландырады. Ал АҚШ тағы нанотехнологиялық зерттеулерді қаржыландыру әр жыл сайын екі есеге артып отыр. Бұл бағыттағы зерттеулер Америкада ең жоғарғы басымдыққа (top priority) ие. АҚШ президентінің жанынан нанотехнологиялық жұмыстарды үйлестіріп отыратын арнайы комитет құрылған. Бұл бағдарламаның тағы бір мақсаты бүгінгі күнгі компьютер процессорларымен салыстырғанда миллион есе шапшаң істейтін нанотехнологиялық есептеу қондырғысын жасау. Ал Еуроодақта 40-тан аса зертханалар нанотехнологиялық зерттеулер мен зерттеу нәтижелерін жүзеге асыруды мемлекеттік және халықаралық бағдарламаларының негізінде жүзеге асырады. Ресейдің нанотехнологиялық зерттеулері бірнеше бағдарламалар негізінде жүзеге асуда. Олардың ішіндегі ең қомақтылары академик Ж.И.Алферов жетекшілік жасайтын «Наноқұрылым физикасы» бағдарламасы мен академик К.А.Валиев жетекшілік жасайтын «Келешекті технологиялар мен микро- және наноэлектроника құрылғылары» атты бағдарлама. Ресей үкіметі жақында нанотехнологиялық зерттеулерді қаржыландыруды бірнеше есе арттыру жөнінде шешім қабылдады.

Біздің Қазақстанда да нанотехнологиялық зерттеулерге қарқын беру ісі қолға алынуда. Соның бір көрінісі Үкіметтің қаулысымен Қазақ Ұлттық университетінің жанынан ашық түрдегі Ұлттық нанотехнологиялық зертхананың ашылуы. Бұл зертхана өзінің зерттеу жұмыстарын нанофизика, нанохимия, нанобиология және жалпытеориялық бағытта жүргізеді деп жоспарлануда. Бүгінгі күнде осы ғылыми орталық арнайы зерттеу құралдарының ең соңғы үлгілерімен жабдықталып, зерттеу істерінің басым бағыттары анықталуда. Алдағы кезеңде зерттеу жұмыстарын қаржыландыру да басымдыққа ие болады деп ойлаймыз.

Бірақ бұл жерде ескермесе болмайтын тағы бір мәселе бар. Жалпы мемлекеттің қуаты тек жер астындағы мұнаймен, уранымен, басқа байлығымен, иа болмаса көшеге симай сеңдей соғылысқан, дөңкиген, бұрылуға ыңғайсыз, терезелері басқа дүниеден қара қабыршықпен тұмшаланған, жолда жүру ережелерін сақтауды өздеріне міндет санамайтын 777-інші нөмірлі қымбат мәшинелерімен ғана емес, бәрінен бұрын ақылды, білімді, санасы туысқани идеологиядан жоғары, Отаным – Қазақ Елі дейтін жас жеткіншектерімен, жас ғалымдарымен де анықталатыны белгілі. Мұндай ғылыми ортаның қажеттілігі уақыт талабы. Осы тұрғыдан алғанда, әкім – ғылым докторы, ағалары мен қалыптасып келе жатқан жас ғылыми ортаның ара жігін ашып, қоғамның ғылымға деген оң көзқарасын қалыптастыру ғылымды қаржыландырудан да маңыздырақ болмаса кем емес. Тек осы міндет орындалғанда ғана Қазақстан нанотехнологиясының керуені ұлы көштен қалмай, ғылыми бәсекеде өз сүрлеуін табатын болады.

Оңласын Имамбеков,

Ұлттық Университеттің теориялық физика

профессоры міндетін атқарушы

Abai.kz

0 пікір

Үздік материалдар

Рухани жаңғыру

Қанат Әбілқайыр. Қарыз бен Парыз

Abai.kz 10407
Қауіп еткеннен айтамын

Қазақстанда жүрген қытайлар кімге сүйенеді? 

Н.Қошаманұлы 18631