Дәрістің мақсаты: Білім алушыларға нанохимия ғылымының қалыптасуы, даму кезеңдері және түрлі салалардағы қолданылу бағыттары туралы кешенді түсінік беру.

Дәрістің жоспары:

1. Наноғылым мен нанохимия ұғымдарын түсіндіру.

2. Нанохимияның даму тарихын қарастыру.

3. Наноматериалдардың қолдану салалары туралы мәлімет беру.

4. Нанотехнологияның болашақтағы мүмкіндіктерін талқылау.

1. Наноғылым мен нанохимия ұғымдарын түсіндіру.

Соңғы жылдары газет тақырыптары мен журнал мақалаларында «нано» префиксінен басталатын сөздерді жиі кездестіреміз. Радио мен теледидар арқылы нанотехнологияның даму перспективалары мен алынған алғашқы нәтижелер туралы күнделікті дерлік хабардар болып отырамыз. «Нано» сөзі нені білдіреді? Ол латынның nanus – «ергежейлі» сөзінен шыққан және сөзбе-сөз ұсақ бөлшектердің өлшемін білдіреді. «Нано» префиксінде ғалымдар дәлірек мағынаны, атап айтқанда миллиардтан бір бөлікті қойды. Мысалы, бір нанометр метрдің миллиардтан бір бөлігі немесе 0,000 000 001 м (10^–9 м).

Сурет 1. Кубтың бөлінуі бетінің ұлғаюына әкеледі

Неліктен наноөлшем ғалымдардың назарын аударды? Ойлау экспериментін жасайық. Қыры 1 м болатын алтынның кубын елестетіп көріңізші.Оның салмағы 19,3 тонна және атомдар саны өте көп. Осы текшені сегіз тең бөлікке бөлейік.

Олардың әрқайсысының жиегі түпнұсқаның жартысына тең болатын текше. Жалпы беті екі есе өсті. Бірақ бұл жағдайда металдың өзінің қасиеттері өзгермейді (1-сурет). Біз бұл процесті әрі қарай жалғастырамыз. Куб жиегінің ұзындығы үлкен молекулалардың өлшеміне жақындаған кезде заттың қасиеттері мүлдем басқаша болады. Біз нано деңгейге жеттік, яғни. текше алтын нанобөлшектері алынды. Олардың үлкен жалпы беті бар, бұл көптеген ерекше қасиеттерге әкеледі және оларды қарапайым алтынға ұқсатпайды. Мысалы, алтынның нанобөлшектері суда біркелкі таралып, коллоидты ерітінді – золь түзеді. Бөлшектердің мөлшеріне байланысты алтын золь қызғылт сары, күлгін, қызыл немесе тіпті жасыл түсті болуы мүмкін (Cурет 2).

.

Сурет. 2-сурет. Алтын зольдерінің түсінің (а) бөлшектердің мөлшеріне тәуелділігі (b)

2. Нанохимияның даму тарихын қарастыру.

Химиялық қосылыстардан тотықсыздану арқылы алтын зольдерін алу тарихы сонау ертеден бастау алады. Олар ертедегілер атап өткен және алтыннан алынған «өмір эликсирі» болуы мүмкін. 16 ғасырда өмір сүрген атақты дәрігер Парацельс «ерігіш алтынның» дайындалуын және оның медицинада қолданылуын айтады. Коллоидтық алтын туралы ғылыми зерттеулер тек 19 ғасырда басталды. Бір қызығы, сол кезде дайындалған кейбір ерітінділер әлі күнге дейін сақталған. 1857 жылы ағылшын физигі М.Фарадей ерітіндінің ашық түсі суспензиядағы алтынның ұсақ бөлшектеріне байланысты екенін дәлелдеді. Қазіргі уақытта хлораврин қышқылынан коллоидты алтынды натрий боргидридімен толуолға тотықсыздандыру арқылы оған беттік белсенді зат қосып, золдың тұрақтылығын арттырады.

Нанобөлшектерді жеке атомдардан алудың мұндай тәсілі, яғни өлшемі бойынша төменнен жоғарыға қарай, көбінесе жоғарылау деп аталады (ағылш. - bottom-up, төменнен жоғары). Ол нанобөлшектерді синтездеудің химиялық әдістеріне тән. Алтын құймасының бөлінуін сипаттаған ой экспериментінде біз қарама-қарсы тәсілді қолдандық – жоғарыдан төменге қарай, (top-down), әдетте, физикалық әдістермен бөлшектерді бөлшектеуге негізделген (3-сурет).

Сурет. 3. Нанобөлшектерді алудың екі тәсілі:

жоғарыда - төмендеу (физикалық), төменде - жоғарылау (химиялық).

(Г.Б. Сергеевтің «Нанохимия» кітабынан)

Алтын нанобөлшектермен тек химиялық зертханада ғана емес, мұражайда да кездесе аламыз. Балқытылған шыныға аз мөлшерде алтын қосылыстарын енгізу олардың нанобөлшектердің пайда болуымен ыдырауына әкеледі. Дәл солар шыныға «алтын рубин» деп аталатын ашық қызыл түсті береді.

Құрамында нанообъектілер бар материалдармен адамзат көптеген ғасырлар бұрын танысқан. Сирияда (оның астанасы Дамаскіде және басқа қалаларда) орта ғасырларда олар күшті, өткір және дыбысты жүздер мен қылыштарды жасауды үйренді. Дамаск болатының көп жылдар бойы жасалу сырын шеберлер бір-біріне терең құпияда жеткізген. Қасиеттері бойынша Дамаск болатынан кем түспейтін қару болат басқа елдерде - Үндістанда, Жапонияда дайындалған. Мұндай болаттардың сапалық және сандық талдауы ғалымдарға бұл материалдардың бірегей қасиеттерін түсіндіруге мүмкіндік бермеді. Қарапайым болаттағы сияқты, оларда темірмен бірге салмағы бойынша шамамен 1,5% көміртегі бар. Дамаск болатының құрамында металл қоспалары да табылды, мысалы, кейбір кендерде темірмен бірге жүретін марганец және темірдің рудадан алу процесінде көмірмен әрекеттесуі кезінде түзілетін цементит, темір карбиді Fe₃C. Дегенмен, Дамаскпен бірдей сандық құрамдағы болатты дайындаған ғалымдар түпнұсқаға тән қасиеттерге қол жеткізе алмады.

Материалды талдағанда ең алдымен оның құрылымына мән беру керек! Дамаск болатының бір бөлігін тұз қышқылында ерітіп, неміс ғалымдары ондағы көміртек қарапайым жалпақ графит үлпектерін емес, көміртекті нанотүтіктерді түзетінін анықтады. Бұл графиттің бір немесе бірнеше қабаттарын цилиндрге айналдыру арқылы алынған бөлшектердің атауы. Дамаскіде болат цементитпен толтырылған нанотүтіктердің ішінде қуыстар бар. Бұл заттың ең жіңішке жіптері жеке нанотүтіктерді бір-бірімен байланыстырып, материалға ерекше беріктік, тұтқырлық және серпімділік береді. Енді олар көміртекті нанотүтіктерді көп мөлшерде өндіруді үйренді, бірақ ортағасырлық «технологтардың» оларды қалай алғаны әлі күнге дейін жұмбақ. Ғалымдар жанып жатқан ағаштан болатқа түскен көмірден нанотүтікшелердің пайда болуына кейбір қоспалар және өнімді қайталап қыздыру және салқындату арқылы ерекше температура режимі ықпал етті деп болжайды. Дәл осы жылдар бойы қолөнершілер иемденген құпия болды.

Көріп отырғанымыздай, нанозат пен наноматериалдың қасиеттері бірдей сапалық және сандық құрамы бар, бірақ құрамында нанобөлшектері жоқ объектілердің қасиеттерінен айтарлықтай ерекшеленеді.

Орта ғасырларда біз бүгін наноматериалдар деп атайтын заттарды жасауға эмпирикалық жолмен жақындады, яғни. көп жылдық тәжірибе арқылы, олардың көпшілігі сәтсіз аяқталды. Қолөнершілер өздері жасаған әрекеттердің мағынасы туралы ойланбады, бұл заттар мен материалдардың құрылымы туралы қарапайым түсінікке де ие болмады. Қазіргі уақытта наноматериалдарды жасау ғылыми қызметтің объектісіне айналды. Ғылыми тілде нанометрлік өлшемді бөлшектерді зерттеу саласына қатысты «nanoscience» (ағылшынша nanoscience) термині қазірдің өзінде бекітілді. Орыс тілінің фонетикасы тұрғысынан бұл атау өте сәтті болмағандықтан, сіз басқа, жалпы қабылданған - «наноөлшемді ғылым» (ағылшынша – nanoscale science) қолдануға болады.

3. Наноматериалдардың қолдану салалары туралы мәлімет беру.

Наноғылым химия, физика, материалтану және компьютерлік технологияның қиылысында дамып келеді. Оның көптеген қолданбалары бар. Электроникада наноматериалдарды пайдалану сақтау құрылғыларының сыйымдылығын мың есеге арттырады, демек олардың көлемін азайтады деп күтілуде. Организмге алтынның нанобөлшектерін енгізу рентгендік сәулеленумен бірге рак клеткаларының өсуін тежейтіні дәлелденген. Бір қызығы, алтын нанобөлшектерінің өзі емдік әсерге ие емес. Олардың рөлі рентген сәулелерін сіңіруге және оны ісікке бағыттауға дейін төмендейді.

Дәрігерлер де онкологиялық ауруларды диагностикалауға арналған биосенсорлардың клиникалық сынақтарының аяқталуын күтуде. Нанобөлшектер қазірдің өзінде дәрілерді дене тіндеріне жеткізу және аз еритін препараттарды сіңіру тиімділігін арттыру үшін қолданылады. Қаптама пленкаларына күміс нанобөлшектерін қолдану өнімдердің жарамдылық мерзімін ұзартуы мүмкін. Нанобөлшектер күн батареялары мен отын элементтерінің жаңа түрлерінде - отынның жану энергиясын электр энергиясына түрлендіретін құрылғыларда қолданылады. Болашақта оларды пайдалану жылу электр станцияларында және көлік құралдарының іштен жанатын қозғалтқыштарында көмірсутекті отындарды жағудан бас тартуға мүмкіндік береді - және шын мәнінде олар біздің планетамыздағы экологиялық жағдайдың нашарлауына ең үлкен үлес қосады.

Сонымен, нанобөлшектер экологиялық таза материалдар мен энергия өндіру жолдарын жасау міндетін атқарады.

Наноғылымның міндеттері нанообъектілердің – заттар мен материалдардың механикалық, электрлік, магниттік, оптикалық және химиялық қасиеттерін зерттеуге дейін қысқарады. Нанохимия наноғылымның құрамдас бөліктерінің бірі ретінде синтез әдістерін жасаумен және нанообъектілердің химиялық қасиеттерін зерттеумен айналысады. Ол материалтанумен тығыз байланысты, өйткені нанообъектілер көптеген материалдардың бөлігі болып табылады. Нанохимияның медициналық қолданулары өте маңызды, соның ішінде табиғи ақуыздарға қатысты заттардың синтезі немесе есірткіні тасымалдауға қызмет ететін нанокапсулалар.

Наноғылымдағы жетістіктер нанотехнологияларды – нанообъектілерді өндіру мен пайдаланудың технологиялық процестерін дамыту үшін негіз болып табылады. Нанотехнологиялардың мектептегі химия курсында қарастырылатын химия өнеркәсібінің мысалдарымен ортақтығы шамалы. Бұл таңқаларлық емес - ақыр соңында, нанотехнологтар 1–100 нм өлшемдегі объектілерді өңдеуі керек, яғни. жеке үлкен молекулалардың өлшеміне ие.

Нанотехнологияның қатаң анықтамасы бар: бұл құрылымдарды, құрылғыларды және жүйелерді зерттеу, жобалау, өндіру және пайдалану кезінде қолданылатын әдістер мен әдістердің жиынтығы, оның ішінде нысанын, өлшемін, интеграциясы мен өзара әрекеттесуін мақсатты бақылау және өзгерту. жаңа химиялық, физикалық, биологиялық қасиеттері бар объектілерді алу үшін құрамдас наноөлшемді элементтер (1–100 нм). Бұл анықтамадағы кілт нанотехнологияның негізгі міндеті жаңа қасиеттері бар объектілерді алу екенін атап көрсететін соңғы бөлім болып табылады.

4. Нанотехнологияның болашақтағы мүмкіндіктері.

Нанотехнология – ғылым мен техниканың қарқынды дамып келе жатқан саласы, оның болашағы үлкен өзгерістер әкелуі мүмкін. Наноматериалдар мен наноқұрылымдарды қолдану әртүрлі салаларда төңкеріс жасауға мүмкіндік береді.

Сол салалардың бірі – медицина саласы. Нанотехнология ауруларды ерте кезеңде анықтауға мүмкіндік беретін инновациялық әдістерді дамытып жатыр. Наносенсорлар: Ағзадағы биомолекулаларды жоғары дәлдікпен анықтайтын құрылғылар. Қан немесе басқа сұйықтықтардағы ісік маркерлерін, вирустар мен бактерияларды ерте кезеңде табуға көмектеседі. “Ақылды” диагностикалық чиптер: Бірнеше биомаркерді бір уақытта талдап, бір тамшы қаннан аурудың болу ықтималдығын анықтай алады. Одан бөлек нанобөлшектер көмегімен дәрілік заттарды жеткізу қарқынды дамуда. Дәстүрлі дәрілік заттар көбінесе бүкіл ағзаға әсер етеді, бұл жанама әсерлердің пайда болуына әкеледі. Нанотехнология арқылы дәрілерді тек қажетті жерге бағыттап, олардың тиімділігін арттыруға болады.

· Липосомалар мен нанокапсулалар: Дәрілік заттарды белгілі бір мүшеге немесе жасушаға жеткізіп, басқа органдарға зиянын тигізбей, жанама әсерлерді азайтады.

· “Ақылды” дәрілер: Нанобөлшектер ауру жасушаларымен байланысқа түскенде ғана белсендіріледі, бұл рак, Альцгеймер және Паркинсон ауруларын емдеуде өте маңызды.

· Ісіктерге қарсы нанобөлшектер: Алтын немесе күміс нанобөлшектері рак жасушаларын таңдап жойып, сау жасушаларға зиян келтірмейді.

2. Гендік терапия және биоинженерия. Нанотехнологияның көмегімен гендік терапияны қауіпсіз әрі тиімді етуге болады. Вирустық емес нанотасымалдаушылар: ДНҚ немесе РНҚ молекулаларын нақты жасушаларға жеткізіп, гендік терапия жүргізуге көмектеседі. Нанороботтар: ДНҚ редакциялау жүйелерін (CRISPR-Cas9) мақсатты жасушаларға бағыттауға мүмкіндік береді.

3. Импланттар мен биоматериалдар. Нанотехнология жасанды мүшелер мен имплантаттардың қызмет ету мерзімін ұзартуға және оларды ағзаға жақсы бейімделетін етуге көмектеседі. Антибактериалды импланттар: Күміс немесе мыс нанобөлшектері арқылы бактериялардың импланттарға жабысып, инфекция тудыруының алдын алады. Өздігінен қалпына келетін тіндер: Наноматериалдар жасушалардың қалпына келуін ынталандырып, ағзадағы тіндерді регенерациялауға көмектеседі.

4. Онкологиядағы қолданылуы. Нанотехнология қатерлі ісікпен күресуде жаңа әдістерді ұсынады. Фототермиялық терапия: Алтын нанобөлшектері рак жасушаларына жиналып, инфрақызыл сәулелену арқылы оларды жойып жібереді. Магниттік нанобөлшектер: Рак жасушаларына бағытталып, магнит өрісінің әсерінен қыздырылады, бұл олардың жойылуына әкеледі.

Наноғылым мен нанохимия қазіргі заманғы ғылымның ең перспективалы бағыттарының бірі ретінде танылып отыр. Бұл салалардағы зерттеулер атомдық және молекулалық деңгейде жаңа материалдар мен технологияларды жасауға мүмкіндік береді. Нанохимияның дамуы, ең алдымен, медицина, биотехнология, электроника және экология салаларына айтарлықтай өзгерістер әкелуде.

Нанохимияның даму кезеңдері ертеден басталып, қазіргі таңда жаңа серпілістерге жетуде. Алғашқыда эмпирикалық жолмен, мысалы, Дамаск болаты мен алтынның коллоидты ерітінділері түрінде пайда болған наноматериалдар бүгінде ғылыми негізге ие болып, мақсатты түрде жасалуда. Бұл өз кезегінде олардың қолданылу аясын кеңейтіп, адамзат өмірінің сапасын жақсартуға мүмкіндік береді.

Нанохимияның болашағы зор: нанозерттеулердің тереңдеуі жаңа материалдардың пайда болуына, ауруларды ерте анықтауға, тиімді дәрілік препараттарды жасауға және экологиялық мәселелерді шешуге жол ашады. Сондықтан нанохимияның дамуы ғылыми-технологиялық прогрестің негізгі қозғаушы күші ретінде қарастырылып, алдағы онжылдықтарда оның маңызы одан әрі арта түсетіні сөзсіз.