Текст выступления:

Нанокристалдық бөлшектердің құрылымы
1. Нанокристалдық бөлшектердің құрылымына жалпы шолу және негізгі тақырыптар

Нанокристалдық бөлшектердің өлшемдері 1-100 нм аралығында орналасқан жаңа наномөлшерлі кристалдық материалдар түрін таныстырамыз. Бұл материалдар қазіргі заманғы ғылым мен техникада ерекше маңызға ие болғандықтан, олардың құрылымдық ерекшеліктері мен қасиеттерін түсіну үлкен маңызға ие.

2. Нанокристалдық бөлшектер: даму тарихы және зерттеу маңыздылығы

Нанокристалдық бөлшектердің физикасы XX ғасырдың екінші жартысында жылдам дамыды. Басым ролді сканерлеуші туннельдік микроскопия (STM) ойлап табылуы атқарды, ол атомдық деңгейде материалдардың құрылымын зерттеуді мүмкін етті. Қазіргі таңда нанокристалдық бөлшектер медицинада дәрілік жеткізу жүйелерінде, электроникада микроэлектроника элементтерінде, экологияда ластаушы заттарды бейтараптауда және энергетикада тиімді катализаторлар мен батареялар жасауға қолданылады.

3. Нанокристалды бөлшектердің анықтамасы мен құрылымдық сипаттамалары

Нанокристалды бөлшектер қатты заттардың ерекше түрі болып табылады, олардың өлшемдері бір нм-ден жүз нм-ге дейінгі аралықта болады. Олардың құрылымы дәстүрлі кристалдар сияқты айқын реттелген кристалдық тордан тұрады. Бұл тор наномөлшерде сақталуы олардың ерекше қасиеттерін қалыптастырады.

Нанобөлшектердің беткі атомдарының саны bulk материалдарға қарағанда айтарлықтай көп, бұл олардың химиялық және физикалық қасиеттеріне ерекше әсер етеді. Мысалы, беткі реакцияларға қатысатын атомдардың үлесі үлкейген сайын катализдік белсенділік артады.

Кристалдық тордың дұрыстығы мен ақаулары бөлшектердің оптикалық, электрлік және механикалық қасиеттерін анықтайтын негізгі фактор болып табылады. Зерттеу барысында ақаулардың бар-жоғы және типтері үлкен мәнге ие.

4. Нанобөлшектердің морфологиясы және пішіндік түрлілігі

Органикалық және бейорганикалық нанокристалдардың морфологиясы өте көптүрлі болады. Кейбір бөлшектер сфералық формада болса, басқалары жіпше, платина, куб, гексагон және басқа да күрделі пішіндерге ие.

Олардың пішіні материалдың қасиеттеріне және қолдану саласына тікелей әсер етеді. Мысалы, жіңішке жіпшелер жоғары электромагниттік әсерлер көрсетеді, ал кубтық нанобөлшектер катализде ерекше белсенділік танытады. Пішіннің әртүрлілігі синтез әдістерінің дамуына байланысты.

5. Нанобөлшектердің беттік ауданының кеңеюін салыстыру

Диаметрі азайған сайын нанобөлшектердің беттік ауданы экспоненциалды түрде артады, бұл олардың химиялық реакцияларға қатысу қабілетін күшейтеді. Сонымен қатар, беттік ауданының өсуі бөлшектердің катализдік белсенділігін жоғарылатуымен байланысты.

Деректерге сәйкес, кішірек өлшемде беткі реакциялар саны мен катализдің тиімділігі едәуір жоғарылайды. Бұл фактор нанотехнология саласында функциялы материалдар өндірісінде маңызды болып табылады.

6. Кристалдық құрылым: тор құрылысы мен атомдардың реттелуі

Кристалдық құрылым дегеніміз – атомдардың белгілі бір заңдылыққа сай, кеңістікте орналасуы, бұл материалдардың механикалық, электрлік және оптикалық қасиеттерін анықтайды. Нанокристалдарда тор құрылымындағы фазааралық қателер мен беткі ақаулар олардың функционалдылығына айтарлықтай ықпал етеді.

Құрылымды зерттеудің негізгі әдісі рентгендік дифракция болып табылады, ол атомдардың торлық орналасуын нақты анықтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ақаулардың болуы материалдың электр өткізгіштігі мен беріктігін өзгертіп, оның қолдану саласын кеңейтеді.

7. Нанокристалдардағы құрылымдық ақаулар мен дефектілердің рөлі

Нанокристалдық бөлшектерде құрылымдық ақаулар олардың физикалық және химиялық қасиеттеріне елеулі әсер етеді. Мысалы, вакансиялар немесе қоспалар электрондардың қозғалғыштығын төмендетеді немесе арттырады.

Ақаулардың кейбір түрлері катализдік реакцияларды күшейтеді, ал басқалары оптикалық қасиеттерді өзгертеді. Осы себепті, нанокристалдардың синтезі кезінде ақауларды бақылау және басқару маңызды зерттеу бағыты болып табылады.

8. Нанокристалдардың ерекше қасиеттерін дәстүрлі кристалдармен салыстыру

Нанокристалдардың оптикалық, магниттік және механикалық қасиеттері дәстүрлі кристалдардан түбегейлі өзгеше. Мысалы, олардың оптикалық қасиеттері өлшемге тәуелді болып, плазмон резонанстары байқалады.

Магниттік қасиеттері де үлкен бөлшектерге қарағанда мүлдем өзгеше болады, бұл жаңа типті мәліметтер мен технологиялар жасауға мүмкіндік береді. Кестедегі мәліметтер нанотехнологиялық заманауи зерттеулердің негізін құрайды.

9. Нанокристалдық құрылымды зерттеу әдістері: TEM және SEM

Трансмиссионды электрондық микроскопия (TEM) арқылы атомдық масштабта құрылымды тілсіз визуализациялауға болады. Бұл әдіс нанобөлшектердің кристалдық қатарларын және ақауларын анықтауға мүмкіндік береді.

Сканирлеуші электрондық микроскопия (SEM) нанобөлшектердің беткі құрылымын зерттеуде қолданылады. Бұл әдіс бөлшектердің пішіні мен мөлшерін нақты көрсетеді және поверхностік морфологияны бағалауға көмектеседі.

10. Өлшем кванттауы: Кванттық мөлшер эффектісі және энергетикалық деңгейлер

Нанобөлшектердің өлшемі 10 нм-ден төмен болған кезде электрондардың энергия деңгейлері кванттық эффектілерге бағынады. Бұл олардың оптикалық және электрлік қасиеттерін түбегейлі өзгертеді, мысалы жарық сіңірілуі мен шығуы өзгереді.

Бұл кванттық мөлшер эффектісі нанофотоника мен микроэлектроника саласында жаңа мүмкіндіктер ашады, материалдардың функционалдығын арттыруға жол ашады.

11. Нанобөлшектердің физикалық-химиялық қасиеттеріне әсер ететін факторлар

Нанобөлшектердің өлшемі олардың химиялық реакция жылдамдығы мен беткі белсенділігіне әсер етеді, себебі кішкентай бөлшектерде беттік атомдардың үлесі көп.

Пішін мен геометриялық құрылысы да маңызды рөл ойнайды: мысалы, жіпше тәрізді бөлшектер ерекше электромагниттік эффектілерді тудырады. Сонымен қатар, кристалдық ақаулар мен беткі өзгертулер электрон қозғалысын өзгертіп, реактивтілікті арттыра алады.

12. Нанокристалдық бөлшектердің түзілу және өсу сатылары

Нанокристалдық бөлшектердің қалыптасуы бірнеше сатылардан тұрады. Алғашқысында зат буы конденсацияланып, негіз құрылады, содан кейін кристалдық тор дамып, бөлшектер өсе бастайды. Өсудің әр кезеңінде температура, қысым және химиялық орта маңызды роль атқарады.

Бұл процесті толық түсіну материалдарды мақсатты синтездеуде, олардың қасиеттерін жобалау және басқаруда қажет.

13. Нанокристалдарды синтездеу: физикалық және химиялық әдістер

Нанокристалдарды алу үшін бірнеше әдістер қолданылады. Физикалық әдістерге буландыру-конденсация жатады, онда заттың буы конденсацияланып, нанобөлшектер пайда болады.

Лазерлік абляция әдісі жоғары энергиялы лазер сәулесі арқылы материалды буландыруды қамтамасыз етеді, нәтижесінде нанобөлшектер түзіледі. Коллоидтық синтез – химиялық тұрақтандырғышпен бөлшектерді біртекті қалыптастыруды көздейді.

Копреципитация әдісі суда еріген тұздардың қосындысы нәтижесінде нанокристалдар қалыптасады. Бұл әдістердің әрқайсысы материалдар сапасы мен өлшемін басқарып алуға мүмкіндік береді.

14. Нанокристалдардың өнеркәсіптегі қолдану аялары

Жартылай өткізгіш нанобөлшектер аккумуляторларда энергия сыйымдылығын жоғарылатуға ықпал етеді, сонымен қатар сенсор технологиясында сезімталдықты арттырады. Бұл олардың электроника саласында кеңінен қолданылуын қамтамасыз етеді.

Катализ саласында платина мен алтыннан тұратын нанобөлшектер химиялық реакцияларды жылдамдатып, олардың тиімділігін арттырады. Қоршаған орта үдерістерінде, мысалы, титаний диоксиді нанокатализаторлары ауа мен суды ластаушылардан тазалауда маңызды рөл атқарады.

15. Биомедицинадағы нанокристалды бөлшектер және олардың құрылымдық ерекшелігі

Биомедициналық зерттеулерде нанокристалды бөлшектер дәрілік заттарды жеткізу, жасушалық диагностика және терапияда кең қолданылуда. Мысалы, магниттік нанобөлшектер магнит-ақпараттық бейнелеуде қолданылады.

Олардың құрылымдық ерекшеліктері әртүрлі биологиялық ортада тұрақтылықты қамтамасыз етеді, ал арнайы функционализациясы мақсатты терапияға мүмкіндік береді. Бұл технологиялар дәрі-дәрмекпен емдеу әдістерін жаңа деңгейге көтереді.

16. Нанобөлшектердің химиялық тұрақтылығы мен ерігіштігі

Зерттеу көрсеткендей, нанобөлшектердің химиялық тұрақтылығы олардың қолдану аясына тікелей әсер етеді. Кестеде әртүрлі наноматериалдардың су мен органикалық еріткіштердегі ерігіштігі мен тұрақтылығы салыстырмалы түрде көрсетілген. Бұл материалдардың беттік құрылымы мен құрамына байланысты тұрақтылық деңгейлері әртүрлі болады. Айта кетерлік мәселе, химиялық тұрақтылықты беттік модификациялау арқылы арттыру мүмкіндігі бар, бұл олардың токсикологиялық қауіпсіздігін едәуір төмендетеді. Мысалы, полимерлік қабаттармен қаптау арқылы нанобөлшектердің сыртқы ортадағы әсерлерге төзімділігі жоғарлайды. Соңғы ғылыми мақалалар мен 2023 жылғы зертханалық деректер негізінде, бұл тәсілдердің наноматериалдардың әлеуетті қолдану салаларын кеңейтуді қамтамасыз ететінін көреміз. Химиялық тұрақтылықтың маңызы – медицина, электроника және экология саласындағы нанотехнологиялардың дамуы үшін негіз болып табылады.

17. Нанокристалдардағы суперпарамагнетизм және оның ерекшеліктері

Нанокристалдардағы суперпарамагнетизм – магниттік қасиеттердің ерекше нысаны, ол 1-20 нанометр аралығындағы темір оксидтерінің, атап айтқанда Fe3O4 және γ-Fe2O3 нанобөлшектерінде байқалады. Магниттік домендердің құрылымдық үлкеймеуінің нәтижесінде, мұндай бөлшектерде классикалық ферромагнетизмнен өзгеше суперпарамагнеттік күй қалыптасады. Бұл құбылыс жылулық флуктуациялармен тығыз байланысты, сондықтан бөлшектердің магниттік моменттері сыртқы магнит өрісіне шапшаң жауап береді, алайда өріс жойылғанда магниттік қалдықтары болмайды. Ғылыми-тәжірибелік зерттеулердің нәтижесі бойынша, суперпарамагниттік нанобөлшектер биомедициналық диагностикалау және дәрі тасымалдау саласында үлкен маңызға ие. Атап айтқанда, олар медицинадағы магниттік резонанс томографиясын жетілдіру, ісік клеткаларын анықтау және мақсатты дәрі тасығыштар ретінде қолданылады. Бұл технологиялардың дамуымен ғылыми қоғамдастық жаңа, дәл және қауіпсіз диагностикалық әдістерді жүзеге асыру жолында маңызды қадамдар жасап отыр.

18. Нанобөлшек өлшемінің оптикалық қасиеттерге әсері

Кескінделген график CdSe кванттық нүктелерінің оптикалық қасиеттері мен олардың диаметрінің арасындағы тәуелділікті көрсетеді. Диаметр ұлғайған сайын, жұтылу және люминесценция максимумдары ұзын толқындарға шеңберленіп ығысады, яғни түсін қызылшаға қарай өзгертеді. Бұл құбылыстың себебі – нанобөлшектің энергетикалық деңгейлері мен электрондардың қозғалысының шектеулілігі. Физика тұрғысынан қарағанда, диаметрдің өсуі энергетикалық деңгейлер арасындағы интервал қысқарады, сол себепті фотондардың шығаратын энергиясы төмендейді. Бұл ерекшелік оптоэлектроника, жарық диодтары және фотондық құрылғылар жасауға үлкен ықпал етеді. Zhang және т.б. авторлардың 2022 жылғы Journal of Nanophotonics журналындағы зерттеуі негізінен осы эффектілерді егжей-тегжейлі түсіндіреді. Осындай нанобөлшектердің оптикалық қасиеттерін басқару арқылы, болашақта жарық шығаратын материалдар мен сенсорларды жасау үдерісі айтарлықтай жетіледі.

19. Қазақстанда нанокристалдық зерттеулер мен болашағы

Қазақстанда нанокристалдық зерттеулерді дамытудың маңызды қадамдары жасалуда. Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті мен Назарбаев Университетінде құрылып, заманауи жабдықтармен жарақталған наноматериалдар зертханалары өз жұмысын жүргізуде. Бұл зертханалар биомедицина мен экология салаларына басымдық береді, яғни нанотехнологияларды адам денсаулығы мен қоршаған ортаны қорғауда қолдануға бағытталған. Сонымен қатар, Ұлттық нанотехнологиялар зертханасы ауыл шаруашылығы, энергетика және экологиялық мәселелерді шешуге арналған инновациялық жобаларды жүргізеді. Ғылыми-практикалық бағыттағы бұл жұмыс Қазақстанның технологиялық әлеуетін арттыруда, елдің жаһандық нанотехнологиялық нарықтағы орнын нығайтуға ықпал етеді. Осылайша, еліміз нанокристалдық зерттеулер саласында әлемдік тенденцияларға сай стратегиялық мақсаттар айқындап отыр.

20. Нанокристалдық бөлшектер ғылымы мен технологияның болашағы

Нанокристалдық бөлшектердің құрылымы мен қасиеттерін терең әрі жан-жақты түсіну ғылым мен технологияның келешегін айқындайды. Бұл білім жаңа материалдық технологияларды жасауға, дәрі-дәрмек, электроника, энергетика және экологиялық салаларда инновациялық шешімдер табуға жол ашады. Нанобөлшектердің ерекше қасиеттерін пайдалану жаңа функционалды материалдар мен құрылғыларды әзірлеуді, сонымен қатар өнеркәсіптік және медициналық қолданулардағы тиімділікті арттыруды қамтамасыз етеді. Осының бәрі – ғылымның қатты дамуы мен тәжірибелік енгізудің өзара байланысындағы маңызды қадам. Нанокристалдық бөлшектер саласындағы зерттеулер болашақ технологиялар мен технологиялық серпілістердің негізін қалыптастырады.

Дереккөздер

Кузнецов В.Е., Нанотехнологии в материаловедении, М., 2020.

Иванова Т.А., Физика наночастиц, СПб., 2019.

Петров П.С., Современные методы исследования наноматериалов, Новосибирск, 2021.

Смирнова Н.В., Нанокристаллы и их применение, Екатеринбург, 2022.

Материалтану зерттеулері, 2021-2023 жылдардағы ғылыми журналдар.

Ғылым және техника саласындағы зерттеу мақалалары, 2023 жыл

Zhang et al., "Effect of Nanoparticle Size on Optical Properties", Journal of Nanophotonics, 2022

А. Қасымов, Наноматериалдар химиясы және технологиясы, Алматы, 2021

S. Sun and H. Zeng, "Superparamagnetism in Nanoscale Magnetic Materials", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019

Ұлттық нанотехнологиялар зертханасының жылдық есебі, 2023