Кіші өлшемді жүйелер физикасы – нанотехнологияның іргелі негізі.

Кез-келген дененің көлемі үш өлшемді кеңістікте анықталады. Шала өткізгіштердегі электронның толқын ұзындығы шамамен 100 нм-ге тең. Сондықтан осындай масштабтарда электронның толқындық табиғаты (қасиеті) байқалады, ал бұл жағдайда электронның заряд тасымалдаушылар қозғалысын кванттық механика заңдылықтары арқылы анықтауымыз керек. Заттар ішіндегі кеңістік масштабы 1:100 нм болғандықтан, электр зарядын тасымалдаушылардың қозғалысы шектеулі болады. Көрсетілген аралықта (диапазонда) 1:100 нм бір немесе бірнеше нысандар өлшемдерін анықтау үшін кванттық-механикалық процесстер мен құбылыстар қарастырылады және олардың макроқұрылымдары мен жүйелерден ерекше айырмашылығы бар, олар өлшемдері өте кіші наноқұрылымдар класын құрайды. Соңғы 10-15 жылдар ішінде наноқұрылымдардағы физикалық құбылыстарды зерттейтін кіші өлшемдер жүйесі физикасы деп аталатын жаңа бағыт пайда болды. Кіші өлшемді жүйелер физикасы кванттық жіптер (нить) және кванттық нүктелер қасиеттерін зерттейді.

Егер заттағы электронның қозғалысы тек бір бағытпен шектелсе, мұндай нысан кванттық шұңқыр деп аталады, ал электр зарядын тасымалдаушы бөлшектер екі өлшемді деп есептеледі. Заряд қозғалысы екі бағытпен шектелсе, онда бірөлшемді кванттық жіп пайда болады, ал заряд қозғалысы үш бағытта шектелсе, өлшемсіз (ұзындық бойынша) кванттық нүкте құралады. Наноқұрылым нысандарына тиісті барлық табиғи және жасанды жүйелер осы аталған кванттық шұңқыр, жіп немесе нүктеге байланысты болады. Сондықтан кіші өлшемді жүйелер физикасы нанотехнология деп аталатын процесстер мен құбылыстардың іргелі негізін құрайды. Ресейде нанотехнология бағытында мамандар дайындауға ерекше көңіл бөлінгенін атап өтуіміз керек. Бұл бағыттағы ғылыми кеңесті кіші өлшемді жүйелер физикасына зор үлес қосқан Нобель сыйлығының иегері академик Ж.И. Алферов басқарады.

Сонымен, «нанотехнология» атом, молекула өлшемдерінде болатын материалдарды жасау және пайдалану, нанометрлік масштабтағы құрылымдар мен жүйелерді зерттейді. Нанотехнология осындай нысандармен жұмыс істеу қабілетін, олардан (атомдардан) күрделі молекулалық заттарды жасау жолдарын қарастырады. Атом-молекулалық элементтерді пайдалану арқылы жасанды түрде өте майда жаңа құрылымдарды жасау көзделеді. Бұл құрылымдар жаңа физикалық, химиялық және биологиялық қасиетттерге ие болып, жаңа құбылыстарды зерттеуге мүмкіншілік туады. Осыған байланысты бірқатар елдерде наноғылым, нанотехнология түсініктері (терминдері) пайда болды (наноғылым өте кіші масштабтардағы наноматериалға байланысты құбылыстар мен қасиеттерді терең түрде зерттейді, нанотехнология жаңа құрылымдарды жасаумен, ал наноинженерлік оларды тиімді пайдалану жолдарымен айналысады).

Соңғы жылдардағы зерттеулер ғылым мен техниканың әр түрлі салаларында наноқұрылымдарды пайдаланудың өте зор мәні бар екендігін көрсетті (физика, химия, материалтану, биология және т.б.). Мысалы, көміртекті нанотұтіктер болатқа қарағанда 9-10 есе төзімді (қаттылығы) екендігі, нанобөлшектердің рак клеткаларына кіріп оларды жоятындығы, кейбір наноқұрылымдардың электрондық есептеу машиналарының жұмыс істеу жылдамдығын миллион есе арттыратындығы және т.б. құбылыстар анықталды. Табиғи нысандар мен тірі организмдердің құрылысы және қызметі туралы біздің біліміміздің молекулалық деңгейде тереңдеуі нәтижесінде наноөлшемді құрылымдағы жасанды материалдарды жасау және пайдалану бағытында жалпы заңдылықтарды анықтауымыз қажет болды.

Шын мәнінде табиғаттағы барлық материалдар мен жүйелер нанонысандардан тұрады. Табиғат заттардың, құбылыстар мен процесстердің негізгі сипаттамаларын молекулалық деңгейде, наноөлшемдерде «бағдарламалап» қойған болып шығады. «Нанотехнологиялық әдіс нысандар қасиетін молекулалық деңгейде белгілі-бір бағыттауға, негізгі параметрлерді анықтау және реттеуге мүмкіншілік береді.

Нанометрлік масштабта заттардың қасиеттерінің ерекшелігін және онымен байланысты жаңа физикалық құбылыстар нанонысандар өлшемдерінің жай материалдар атомдары мен молекулаларымен шамалас екендігінен келіп шығады. Осы тұрғыдан наноқұрылымдарды заттардың ерекше фазалық күйі деп те қарастыруға болады. Нанометрлік аралықтағы құрылым элементтерінен пайда болған заттар мен материалдардың қасиеттері көлемдік фазада анықталмайды. Олардың сипаттамаларының өзгеруі құрылым элементтері өлшемінің кішіреюіне ғана емес, кванттық-механикалық эффекттердің әсеріне, тасымалдау процесінің толқындық табиғатына және шекаралық беттік процесстерге де тәуелді болады. Наноқұрылымдардың өлшемдері мен пішінін басқару арқылы, кәдімгі материалдар сипаттамаларына мүлде ұқсамайтын, жаңа функционалдық сипаттамалар енгізуге болады. Бұл наноқұрылымдарға қазіргі кезде белгілі көміртекті нанотүтікшелерді, белоктарды, ДНК және үй температурасында жұмыс істейтін «бірэлектрондық» транзисторды жатқызуға болады. Егер ғалымдар наноқұрылымдардың және осындай нысандардың қасиеттерін анықтайтын заңдылықтар мен принциптерін толық игерсе ғылым мен техникада өте үлкен жаңалықтар пайда болар еді.

Нанотехнология материалдар мен жүйелерге жаңа қасиеттер мен сапа беруі нәтижесінде тіршіліктің барлық саласында (компьютерлік техника, емдеу техникалық жетісітіктер және т.б.) өте үлкен жетістіктерге жетуге мүмкіншілік тудырады.

Нег. 3[62-86], 7[422-431], 8 [393-400]. 2[316-346], 8[304-316]

Қос. 48 [350-361].

Бақылау сұрақтары:

1. Жарық қасиеттерінің корпускулярлы-толқындық екіжақтылығы неден құралады?

2. Анықталмағандық қатыстарын пайдаланып, белгілі фотон импульсі бойынша оның локализация аймағын анықтауға бола ма?

3. Толқындық функцияның статистикалық мәні неде?

4. Кіші өлшемді жүйелер туралы түсінік.

5. Кванттық шұңқыр.

6. Кванттық жіп.

7. Кванттық нүкте.

8. Нанотехнологияның қолдану салалары.

11-дәріс