Тақырыбы: Фуллерендер мен нанотүтіктерді қолдану

Мақсаты: Студенттерге фуллерендер мен көміртекті нанотүтіктердің қолдану бағыттары, оларды әртүрлі салада пайдаланудың ғылыми-техникалық негіздері туралы білім беру.

Дәріс жоспары:

1. Фуллерендердің қолданылуы

2. Көміртекті нанотүтіктердің мәліметтерді сақтайтын жады ретінде қолданылуы

Фуллерендердің қолданылуы

Фуллерендер ашылған сәттен бастап ғылымның түрлі салаларында зерттеушілердің назарын өзіне аударды. Олардың қасиеттері мен физикалық сипаттамалары бұл заттарды ерекше әрі құнды материалдарға айналдырады. Фуллерендер өнеркәсіпте әртүрлі жолмен қолданылды: мысалы, Bardahl компаниясы бұл материалды өз майларына қосып, Technos C60 майын шығару барысында фуллерен негізінде үшқабатты қорғаныс қабатын қамтамасыз етті. Фуллерендердің қолданылу салаларына беттерді қаптау, ток өткізгіш құрылғылар жасау және молекулалық торлар құрастыру жатады. Сонымен қатар, медицинада суда еритін фуллерен адамның иммун тапшылығы вирусына (АИТВ) қарсы белсенділік көрсетіп, тіпті антиоксидант ретінде қолданылуы мүмкін екені анықталды.

Фуллерен – жартылай өткізгіш техникаға арналған материал. Фуллереннің молекулалық кристалдары 1,5 эВ шамасындағы тыйым салынған аймағы бар жартылай өткізгіштер болып табылады және олардың сипаттамалары басқа жартылай өткізгіштерге ұқсас. Бұл материал электроникада – диодтарда, транзисторларда, фотоэлементтерде және басқа құрылғыларда кеңінен қолданылуы мүмкін.

Күн батареяларындағы фуллерендердің қолданылуы. Фуллерендердің электрондық қасиеттерінің арқасында олардың күн батареяларында қолданылуы – ең озық бағыттардың бірі болып отыр. 1990-жылдардан бастап C60 молекулалары қатысатын супрамолекулалық және көпкомпонентті жүйелердегі жарықпен қоздырылатын процестер кең зерттелуде. Мұндай қызығушылық фуллерендердің электрондарды қабылдау қасиетімен байланысты: егер C60 жарық түскен кезде электрондарын беретін молекуламен байланысса, өсімдіктердегі фотосинтез процесіне ұқсас құрылғылар жасауға болады. Бұл тәсіл арқылы күн энергиясын түрлендіретін батареялар жасалады.

Фуллерендерден тұратын органикалық полимерлер табиғи фотосинтез процестерін модельдеуге қолданылады. Болашақта фуллерен негізіндегі бояуларды кез келген бетке жағып, оларды қоршаған ортамен үйлескен күйде электр қуатын өндіретін фотоэлектрлік материалдарға айналдыру мүмкіндігі қарастырылуда. Бұл дегеніміз – үлкен әрі эстетикаға сай келмейтін күн панельдерінің орнына, мысалы, ғимараттардың сыртын бояп, электр энергиясын алуға болады. Сонымен қатар, күрделі және қымбат жүйелердің орнына графикалық баспаға ұқсас қарапайым тәсілдермен электрондық сызбалар салу мүмкіндігі де зерттеліп жатыр.

Фуллерендер электронды батареяларда

Фуллерендердің тағы бір маңызды қолдану саласы – электрондық батареялар. Мұндай батареяларда литий катодтары негіз ретінде алынады. Сонымен қатар, фуллерендер жоғары қысыммен алынатын синтетикалық алмаз өндірісінде қоспа ретінде қолданылады. Бұл жағдайда өнімнің шығымы 30%-ға дейін артады.

Фуллерендердің отқа төзімді бояуда қолданылуы. Фуллерендер отқа төзімді бояуларға қоспа ретінде де қолданылады. Бояуға фуллерен қосылған кезде, өрт жағдайында жоғары температура әсерінен бояу ісінеді де, қорғалатын конструкцияларды белгілі бір температураға дейін қыздырғанда бірнеше есе қалыңдайтын тығыз қабат түзеді. Сонымен қатар, фуллерендер мен олардың әртүрлі туындылары жартылай өткізгіш полимерлермен бірге күн батареяларын өндіруде де қолданылады.

Фуллерендердің медицинада қолданылуы. Фуллерендердің биомедициналық қолданысы олар ашылған сәттен бастап жан-жақты зерттеліп келеді. Ғалымдар алғашында фуллерендердің суда ерімеуі және агрегаттар түзуге бейімділігімен қиындыққа тап болды. Бұл мәселе бірнеше әдістермен шешілді: фуллерендерді гидрофильді молекулалармен инкапсуляциялау, басқа еріткіштермен суспензиялау және гидрофильді молекулалармен конъюгациялау арқылы.

Фуллерен — антиоксидант ретінде. Фуллерен C60 — өте тиімді антиоксидант, бұл оның ең маңызды қасиеттерінің бірі. Құрамындағы көптеген қос байланыстардың арқасында ол бос радикалдарды бейтараптандыратын күшті антиоксидант ретінде әрекет етеді. Сонымен қатар, оның жасушаларға, ядро мен митохондрияға оңай ену қабілеті оны ерекше тиімді ішкіжасушалық антиоксидантқа айналдырады. Бұл қасиет оны нейродегенеративті ауруларға қарсы әлеуетті құрал етеді.

Фуллерен C60 шағын молекула болғандықтан, гематоэнцефалдық бөгетті (ми мен қан арасындағы қорғаныс қабаты) оңай еңсере алады. Бұл қасиеті оны наномедицинада — миға әсер ететін белсенді заттарды жасау үшін болашағы зор құрал етеді. C60 фуллерені түрлі нейрондық бұзылыстарды емдеуде тиімді әрі перспективалы зат ретінде танылып отыр.

Қазіргі зерттеулер фуллереннің бүйірлік амиотрофиялық склероз (БАС) белгілерін бәсеңдететінін, сондай-ақ оның антиоксиданттық қасиеттері Паркинсон ауруы сияқты нейродегенеративті дерттерге қарсы нейропротекторлық әсер көрсететінін айқындады. C60 супероксид пен пероксид-аниондарды (H₂O₂) бейтараптап, липидтердің тотығуын тиімді тежей алады.

Сонымен қатар, зерттеушілер фуллереннің Альцгеймер ауруында гиппокамптың пирамидальды нейрондарының дегенерациясына қарсы тұра алатынын және бета-амилоидты ақуыздардың агрегациясымен күресетінін көрсетті. Бұл қасиеттердің бірігуі оны миды емдеуге бағытталған жаңа дәрілерді әзірлеуге негіз болуы мүмкін.

Фуллереннің егеуқұйрықтардың өмір сүру ұзақтығын арттыруы. Ғылымда кездейсоқ, бірақ үлкен маңызы бар жаңалықтар жиі болады. Осындай зерттеулердің бірі Elsevier баспасынан шыққан Biomaterials журналында жарияланды. Онда C60 фуллерендері қосылған майды ауызша енгізу арқылы егеуқұйрықтардың өмір сүру ұзақтығын екі есеге арттыруға болатыны көрсетілген. Париж университетінің зерттеушілері бұл әсерді C60 антиоксиданттық қасиетімен түсіндіреді.

Соңғы 25 жылдағы фармакокинетикалық зерттеулер бұл заттың асқазан-ішек жолы арқылы сіңіп, бірнеше сағат ішінде шығатынын, сондықтан оның уыттылығы төмен екенін көрсетті. Осыған байланысты фуллерендерді кейбір дәрілерді инкапсуляциялау үшін, әсіресе онкологиялық және нейродегенеративті ауруларды емдеуде қолдану ұсынылып отыр. Алайда C60 фуллеренін зәйтүн майында (0,8 мг/мл) ерітіп, ауыз арқылы бірнеше рет беру егеуқұйрықтардың өмір сүру ұзақтығын екі есеге арттыратыны — ғылымдағы үлкен серпіліс.

Фуллерендердің наномедицинадағы қолданылуы. Фуллерендердің маңызды әрі болашағы зор қолдану салаларының бірі — наномедицина. Бұл тәсіл ағзаға пайдалы молекулаларды фуллерен қабығына орналастырып, оларды бактериялар немесе қатерлі ісік жасушаларына бағыттауға негізделген. Мақсатты нысанға жеткен соң фуллерендер еріп, ішіндегі заттарды нақты жерге босатады. Осылайша препарат жоғалмай, дәл қажет жерде өз әсерін береді.

Фуллерен — жасушаларды қорғайтын белсенді агент. Фуллерен C60-тың биология, фармакология және медицина салаларындағы қолданылуы үлкен үміт тудырып отыр. Ол бос радикалдарды тиімді бейтараптандыратын қасиетке ие, сондықтан оны жасушаларды қорғаушы агент немесе тотығу стрессін азайтушы құрал ретінде пайдалануға болады. Сонымен қатар, жарық әсерінен фуллерен C60 радикалдар түзе алады, сондықтан ол фотодинамикалық терапияда да қолдануға лайық.

2. Көміртекті нанотүтіктердің мәліметтерді сақтайтын жады ретінде қолданылуы

Көміртекті нанотүтіктерді (КНТ) қолданудың болашағы өте кең және әртүрлі. Қазіргі кезеңде КНТ-ны жасушаларды өсіру негізі ретінде, сондай-ақ тін инженериясында қаңқалық материал ретінде қолдану саласында белсенді зерттеулер жүргізілуде, сонымен қатар олар дәрілік заттарды ағза ішінде тасымалдау, катодтар мен электрондық зеңбіректер ретінде қолданылу үшін зерттелуде, әрі бұл материал техникадағы көптеген басқа салаларда, соның ішінде ақпаратты сақтау құрылғыларына енгізу бойынша да пайдаланылады.

Көміртекті нанотүтіктер - бұл графен қабыршағынан тұратын, жіксіз, қуыс цилиндр пішінінде шиыршықталған, диаметрі 1–50 нанометр, ұзындығы бірнеше микронға дейін жететін кеңістіктік құрылымдар. Олар көбінесе екі жағынан да жартышар тәрізді қақпақшалармен шектеледі. Бір қабатты (бір графен қабатынан тұратын) және көп қабатты (бірінің ішіне бірі ендірілген және ван-дер-ваальс күштерімен байланысқан бірнеше қабаттан тұратын) нанотүтіктер кездеседі.

Көпқабатты көміртекті нанотүтіктер (КНТ) алғаш рет 1991 жылы жапондық физик Сумио Иидзима тарапынан синтезделді. Олар тұрақты токтың доғалық разрядында пайдаланылатын көміртекті электродтың теріс ұшында, аргон газымен толтырылған ыдыста өсірілді . Ал бірқабатты КНТ 1993 жылы Иидзима мен Тосинари жүргізген зерттеулер барысында анықталды. Бұл кезде темір (Fe), кобальт (Co) және никель (Ni) сияқты ұсақ магнитті металл бөлшектерімен толтырылған көміртекті нанокапсулалар синтезделген болатын . Сол кезеңнің өзінде-ақ жаңа құрылымдардың ерекше механикалық, электрлік және оптикалық қасиеттері байқалған еді. Қазіргі уақытта КНТ-ның ерекше қасиеттерінің теориялық негіздерін зерттеуге және олардың практикалық қолданыс мүмкіндіктеріне арналған мыңдаған ғылыми мақалалар жарияланған.

Қазіргі таңда ақпарат көлемінің шапшаң өсуіне байланысты ақпаратты сақтау технологияларын дамыту ең белсенді бағыттардың бірі болып саналады. Бұл салада көміртекті нанотүтіктер энергозависимті жады құрылғыларын әзірлеуде негізгі материал ретінде кеңінен қарастырылып келеді. Мұндай құрылғылар арзан өндіріс мүмкіндігімен, жоғары оқу/жазу жылдамдығымен, температура мен магнит өрістеріне төзімділігімен ерекшеленеді . Сондықтан КНТ-ны энергозависимті жады саласында қолдану өте перспективалы деп есептеледі.

Осы бағытта ең үлкен жетістікке жеткен — АҚШ-тың «Nantero» компаниясы. Бұл компания көміртекті нанотүтіктер мен дәстүрлі жартылай өткізгіштердің қоспасына негізделген NRAM (nano-RAM) деп аталатын жаңа буындағы жады технологиясын әзірледі. Мұнда КНТ ақпарат сақталатын негізгі құрылымдық элемент болып табылады. Нанотүтіктердің ұсақ өлшемдерінің арқасында қазіргі жады технологияларымен салыстырғанда ақпарат тығыздығы 100 есеге дейін артады. NRAM технологиясы басқа жады түрлеріндегі кемшіліктерді жойып, дәстүрлі флеш-жадылардың шектеулерінен асып түседі, әрі болашақта жаңа жады стандартына айналуы мүмкін.

NRAM чиптерін дайындау технологиялық үдерісі бірнеше кезеңнен тұрады:

1. Нанотүтіктерді дайындау – бірқабатты КНТ белгілі бір химиялық реакциялардан өткізіліп, олардың қасиеттері өзгертіледі және деиондалған суда еру қабілеті артады.

2. КНТ ерітінділерін дайындау – алынған ерітінділер қажетті сипаттамаларға дейін жетілдіріледі.

3. Кремний пластиналарға тұндыру – көміртекті нанотүтіктер кремний негіздерге тұндырылады. Бұл үшін дәстүрлі литография әдістері (мысалы, фоторезисттер, антишағылыстырғыш жабындар) қолданылады.

4. Баспа кейінгі өңдеу арқылы артық ылғал жойылады.

Жасалған құрылғыда электронды контактілер КНТ жүйелерімен байланысады. Төменгі қабат арқылы ток жіберілгенде, жады биттерінің қызметін атқаратын КНТ топтары көтеріліп немесе түсіріліп, ван-дер-ваальс күштерімен тұрақты күйде сақталады. Көтерілген күй логикалық нөлге, ал түскен күй логикалық бірге сәйкес келеді. Бұл кезде ондаған КНТ бір уақытта әрекет ететіндіктен, ақпарат артықшылығы қамтамасыз етіледі. Ақпарат КНТ-ның әртүрлі күйіндегі электрлік кедергісінің өзгерісін тіркеу арқылы оқылады.

Қазіргі уақытта «Nantero» компаниясы NRAM жадысының жұмыс істейтін прототипін жасап шығарды. Компания 22 нм технологиялық процесс негізінде дайындалған көміртекті нанотүтіктермен жады құрылғыларын жасап, сынақтан өткізгенін хабарлады.

Сонымен қатар, Гонконг политехникалық университетінің ғалымдары - Джаен Дай мен Пуй-Фай Ли - көміртекті нанотүтіктерге негізделген плавающий затворы бар флеш-жадының аналогын ұсынды. Бұл құрылғыда дәстүрлі поликристалды кремний қабатының орнына диэлектриктермен оқшауланған КНТ массиві қолданылады. Мұндай құрылым:

• төмен жұмыс кернеуін,

• жоғары сенімділікті,

• жылдам жазу/өшірілу процесін,

• кванттық ұстап қалу және Кулон блокадасы әсерінің арқасында қателіктерге төзімділікті қамтамасыз етеді.

Жады ұяшығының сызбасы электрондардың туннелдік өтумен плавающий затворға өтетін механизмін көрсетеді. Құрылғы негізінде металл-оксид-жартылайөткізгіш (МОП) транзисторы жатыр, оның құрамында исток, сток, оттегі қабатынан тұратын оқшаулағыш және SiO₂ негізіндегі басқарушы мен плавающий затвор орналасқан. Жазу кезінде оң кернеу беріліп, арна аймағындағы электрондар туннелдеу арқылы плавающий затворға өтеді. Бұл затворда сақталған зарядтар арқылы жады күйі анықталады: төменгі табалдырық кернеуі – логикалық нөл, жоғарғы табалдырық кернеуі - логикалық бір ретінде тіркеледі.

1-сурет. Стандартты - флеш жадтың принциптік сызбасы.

Туннельдік оксид қабаты тым жұқа болған жағдайда, ақпарат заряд түрінде жоғалуы мүмкін, бұл құрылғының қызмет ету мерзімін қысқартады (шамамен 5–8 жылға дейін). Ал қабаттың қалыңдығы артқан сайын жадтың сенімділігі жоғарылайды, бірақ сонымен қатар оқу/жазу жылдамдығы айтарлықтай төмендейді.

Алайда, егер затвор диэлектриктермен оқшауланған көміртекті нанотүтіктерден (КНТ) тұрса, онда жадтың сенімділігі мен масштабталуы артады, өйткені жалғыз бір оксидтік ақау зарядтың толық жоғалуына әкелмейді .

2-сурет. Көміртекті нанотүтіктерге негізделген, плавающий затворы бар флеш-жад құрылғысының сызбасы

Осылайша, жадты сақтау үшін көміртекті нанотүтіктерді (КНТ) практикалық тұрғыдан ең тиімді қолдану жолдарын анықтауға бағытталған белсенді зерттеулер наноқұрылымдарды технологиялар саласына енгізуге бағытталған өте перспективалы эксперименттер болып табылады.

NRAM технологиясы қазіргі заманғы жады технологияларының, оның ішінде дәстүрлі флеш-жадылардың шектеулерінен ада және жақын болашақта жадының жаңа стандартына айналуы әбден мүмкін.