Bakı Dövlət Universiteti. Mühazirəçi: dosent Lalə İslam qızı Vəliyeva

Transcript

1 Bakı Dövlət Universiteti Nanomaterialların n kimyəvi ə ifizikası ikas kafedrası Mühazirəçi: dosent Lalə İslam qızı Vəliyeva 1

2 NANOTEXNOLOGİYAYA GİRİŞ. Ş NANOTEXNOLOGİYANIN İNKİŞAF MƏRHƏLƏLƏRİ. 2

3 Nanoquruluşlar Yerdə həyatın başlanğıcından çox-çox əvvəllər mövcud idi. Belə ki,birçoxtəbii proseslər nanoquruluşların iştirakı ilə reallaşır. Kosmik fəzada, havada və suda tərkib və quruluşuna görə bir-birindənbirindən kəskin fərqlənən nanozərrəciklər vardır. Geoloji proseslər də nanoölçü miqyasında olan obyektlərin birləşməsi və parçalanması ilə başş verir. Bu nanoquruluşlar ş ətraf mühitdən və atomların xassələri ilə müəyyən edilən özbaşına qablanma prosesi nəticəsində formalaşır. Nanoobyektlərin iştirakı ilə baş verən hadisələrin tədqiqi nanotexnologiyalar haqqında nəzəri məlumatlar almaqla yanaşı, geokimyəvi, metereoloji, fiziki-kimyəvi proseslərin, və həmçinin, planetlərin yaranma mexanizmlərini başa düşməyə imkan verir. Yerdə həyatın başlanmasış ilə insanlar tərəfindən məqsədyönlü şəkildə bütün təbii proseslər öyrənilməyə başlandı. 3

4 Texnologiya nədir? Texnologiya termini yunan sözləri techne bacarıq, məharət, qabiliyyət mənasını və logos elm mənasını verən iki sözlərin birləşməsindən əmələ gəlmişdir. Bu o deməkdir ki, texnologiya - materialların məharətlə, bacarıqla emal edilməsi haqqında elm deməkdir. Materialı emal etmək üçün və ondan sənayedə məhsul almaq məqsədi ilə insan öz inkişafı ərzindəi d müxtəlif nov həndəsi ölçülərə malik materiallardan istifadə etmış və etməkdə davam edir. 4

5 Makroskopik (makro böyük) insanın adi gözlə görə bildiyi cisimlərə deyirlər. Minilliklər boyu insan öz həyatında əsasən, çoxlu sayda atomlardan ibarət makroskopik cisimlərdən istifadə etmişdir. Ağac, stul, bina - ətrafimizda nə görürüksə hamısı makrocisimlərdir. Stəkanın hazırlanması, parçanın toxunması isə makrotexnologiyalar adlanır. Optik mikroskopu kəşf etməklə, insan mikro aləm haqqında biliklərə yiyələnməyə başladı. Mikposkopik (mikro kiçik) cisimlər o cisimlərə deyilir ki, onların ölçüləri mkm intervalında olsun. Bir daha yadımıza salaq ki, mikro söz önü nəyinsə milyonda bir hissəsi deməkdir: 1mkm = 10-6 m. Bioloji hüceyrə, qan eritrositləri və s. mikroaləmin obyektləridir. Elektron mikrosxemlərinin alınması, gen modifikasiyaları - bunların hamısı mikroaləmin i texnologiyalarıdır. l Nano cisimlər o obyektlərə deyilir ki, onların ölçüləri nm intervalında olsun. Nano sözönü (nannos-karlik deməkdir) ixtiyari ölçü vahidinin milyardda bir hissəsi deməkdir: 1nm=10-9 m. Atom və molekulların ölçüsü də, nm arasındadır. Müqaisə üçün misal göstərmək olar ki, insan saçının qalınlığı bir molekuldan təqribən 60 min dəfə böyükdür. 5

6 NANODÜNYA TƏBİİ ALƏM insan saçı mkm qarışqa 5 mm qirmizi qan hüceyrələri 2-5mkm DNT 0,5-2 nm metr m m santimatr sm ,01 m millimetr mm ,0001 m mikrometr mkm , m nanometr nm , m 10 0 m 1 metr (m) 10-1 m 0,1 m 100 mm 10-2 m 0,01 m 1cm 10-3 m 1 millimetr (mm) 10-4 m 01 0,1 mm 100 mkm 10-5 m 0,01 mm 10 mkm görünən işıq 10-6 m 1 mikrometr (mkm) 10-7 m 0,01 mkm 100 nm 10-8 m 0,01 mkm 10 nm 10-9 m 1 nanometr (nm) m 0,1 nm SÜNİ ALƏM Sancaq, və ya iynə 1-2 mm Karbon nanoboruları 2 nm Mikroelektromexaniki kt iki sistemlər mkm 48 dəmir atomundan ibarət kvant hasarı 14 nm 6

7 Hal-hazırda nanotexnologiyaların inkişafı üçün bir neçə mühüm istiqamət formalaşmışdır ki, bunlardan halhazırda bizlərüçünən vacib olanı texnika və sənayedə istifadə ediləcəyi nəzərdə tutulan, qeyri-adi xassələrə malik yeni materialların, günəş batareyalarının, alternativ yanacaqların, su təmizləyici qurğuların, və həmçinin, biosensorların, bioelektrik nanomaşınların, hüceyrədaxili manipulyasiyalar etmək üçün və hüceyrə daxilinə bir sıra maddələrin, o cümlədən, hormonların, fermentlərin və dərman preparatlarının daşınması üçün biorobotların yaradılması hesab olunur. 7

8 Nanotexnologiyalar necə yaranıb? Bu suala qısa şəkildə belə cavab vermək olar: nanotexnologiyalar, əsasən, informatika sahəsində inqilabi dəyişikliklər nəticəsində meydana gəlmiş və inkişaf etmişdir. Yunan filosofları Levkip və onun tələbəsi Demokriti (b.e.ə. V əsrdə) «nanotexnologiyanın babası» b adlandırsaq, d səhv etmərik. Çünki 2400 il bundan əvvəl (b.e.ə. 400-cü ildə) Demokrit ilk dəfə olaraq maddənin ən kiçikhissəciyini təsvir etmək üçün «atom» sözündən istifadə etmişdir (yunanca tərcümədə atom bölünməyən mənasını verir). Bildiyimiz kimi, nanotexnologiyalar da, məhz atom tərtibində manupulyasiyalara əsaslanan texnologiyadır. Lakin b.e.ə. ΙV əsrdə Aristotelin təkidi ilə materiyanın quruluşunun öyrənilməsində atom hipotezindən istifadə edilməsi 2000 il arxa plana keçir ci ildə Robert Boyl Aristoteli tənqid atəşinə tutaraq, kiçik zərrəciklər fikrini yenidən gündəmə ə gətirir. Con Dalton 1803-cü ildə müasir atomistik nəzəriyyənin əsasını qoyur. Atommolekulyar nəzəriyyəsinin inkişafına ən güclü təkan verən Berselliusun elmi- tədqiqat işləri olur ( ). XVΙΙΙ-XΙX əsrlərdə fotoqrafiyanın alınma texnologiyası intensiv inkişaf etməyə başlayır ki, bunun üçün fotoqrafik materialların olması zərurəti ortaya çıxır. Bu isə Devi, Dager, Niyeps, Tobbota, Arçer, M aksvel kimi alimlərin fəaliyyəti nəticəsində reallaşdı. 8

9 1857-ci ildə M.faradey şüşələrin rənglənmə mexanizmini izah etməyə cəhd göstərir. Bu işləriş ölçü effektləri istiqamətində aparılan ilk tədqiqat qq işiş adlandırmaq olar. Faradey ilk dəfə olaraq, nanozərrəciklərin alınmasında istifadə olunan üsullardan birini keçiricilərin elektropartlayışnı həyata keçirir ci il. İsveç alimi Albert Eynşteyn öz elmi işlərində şəkər molekulu ölçüsünün 1 nanometr olduğunu qeyd etmişdir ci ildə Qustav Mi şüşələrin rənglənməsində müxtəlif təbiətli və formalı metallik zərrəciklərin rolunun nəzəriyyəsini vermişdir ci ildə Q.A.Qamov tərəfindən kəşf edilən tunnel effekti hal-hazırda müasir nanotexnoloji tədqiqatların əsasını təşkil edir ci ildə yaxın sahəli skanedici i optik mikroskopun k (YSSOM) prinsipial ii sxemi irəli sürülmüşdür ci il. Almanfizikləri Maks Knoll və Ernest Ruska tərəfindənelektron mikroskopu yaradılmış və bununla da ilk dəfə olaraq nanoobyektlərin tədqiqinə başlanılmışdır ci ildə Holland professoru Fris Sernike (1953-cü ildə Nobel mükafatı almışdır) optik kimroskolun bir növü olan faza-kontrast mikroskopunu yaradır və onunla canlı hüceyrələri tədqiq edir cu il. Ruskanın işlədiyi Siemens kompaniyası tərəfindən ayırdetmə qabiliyyəti 10 nm olan ilk elektron mikroskopunu yaradır. 9

10 1956-ci il. Uxlip tərəfindən nanoməsaməli silisium kəşf edilir. Nobel mükafatı laureatı amerikalı fizik Riçard F.Feyman 1959-cu ildə «Aşağıda çoxlu yer var» başlığı altında mühazirəsi ilə elmdə nanotexnologiyanın əsasını qoymuş olur. Bu mühazirədə ilk dəfə qeyd edilmişdir ki, insan bir-bir istədiyi atomlar üzərində manipulyasiya y etməklə, onları xüsusi qaydada qy düzə bilər, və bununla da, yeni maddələr yaratmış olar. Lakin o dövrdə Riçard F.Feymanın sözlərinə bir xülya kimi baxmışlar. Bu sahəyə marağı artırmaq üçün Feyman, sancağın ucunda kitabın bir səhifəsini yazan şəxsə 1000 dollar priz verəcəyini belə vədetmişdir. Bunu, ilk dəfə 1964-cü ildə etdilər. Ona görə də 29 dekabr 1959-cu il nanotexnologiyanın Anadanolduğu il hesab olunur cı il. Milli Standatrlr bürosunun əməmkdaşı amerikalı fizik Rassel Yanq pyezomühərrik yaradır. Hal-hazırda bu mühərrik müasir skanedici tunnel mikroskopunun əsasını təşkil edir ci il. Amerikanın elmi-tədqiqat işləri aparan Bell kompaniyasının əməkdaşları Albert Ço və Con Artur səthin nanoemalının nəzəri əsaslarını vermişlər cü ildə yapon fiziki Nario Taniquçi elmə «nanotexnika» sözünü gətirmiş və təklif etmişdir ki, 1 mikrondan kiçik ölçülü bütün mexanizmlər belə adlandırılsın. 10

11 1975-ci il. Nəzəri olaraq kvant naqillərinin və kvant nöqtələrinin varlığı müəyyən edilmişdir ci ildə amirikalı tələbə Dreksler tərəfindən molekulyar zəncirlərdən yığılmış kiçik ölçülü obyektlərin yaradılması üsulu nanotexnoogiya termini ilə deyilir. Klasterləri təsvir etməküçün1978-ci ildə Qerman jele modelini irəli sürür ci il.qeylertərəfindən kiçik metal klasterlərinin alınma üsulları reallaşır ci il. Alman fizikləriikl i Gerd Binniq və Genrix Rorer skanedici i tunel mikroskopunu yaratmış və yalnız bundan 4 il sonra onlar Nobel mükafatına layiq görülmüşlər cü ildə V.N.Lapovka və L.İ.Trusova tərəfindən nanokristallik nukel əldə edilir ki, onun möhkəmliyi polikristallik nümunə ilə müqayisədə 2dəfəçox olur ci ildə Amerika fizikləri Robert Kerl,, Xerold Krotov və Riçard Smolli tərəfindən yeni texnologiya yaradılmış və bu texnologiya əsasında 1 nanometr ölçülü cisimləri dəqiq ölçmək mümkünolmuşdur. Bundan başqa, onlar elə həmin il 60 atomdan ibarət füllereni kəşf edirlər və bu kəşfə görə 1996-cı ildə Nobel mükafatı alırlar cı il. Herd Benninq tərəfindən ixtiyari ölçülü atomlarla manipulyasiyalar etmək imkanl yaradan skanedici atom-qüvvət zond mikroskopu yaradılır. 11

12 1986-ci ildə atom-qüvvət mikroskopuyaradılmışdı. Bundan başqa, 1986-cı ildə Erik K.Dreksler özünün məşhur «Yaradıcı Maşınlar» kitabında nanotexnologiyanın qeyri-adi imkanları haqqında söhbət açmış və «molekulyar lkl maşınlar» yaradılması fikrini irəli sürmüşdür. Onun təsəvvür etdiyi «molekulyar maşınların» ölçüləri bioloji hüceyrənin ölçülərindənhəddindən çox kiçik idi ci il. Nöqtəvi kontaktlar üzərində kvant keçiriciliyini müşahidə edən T.A.Fulton və Q.C.Dolan tərəfindən ilk birelektronlu tranzistor yaradılmışdır cu ildə İBM kompaniyasının əməkdaşı Donald Eyqler ksenon atomları ilə öz firmasınınadınıyaza bilmişdir cı il. Xaricdə ilk Nanotexnologiya jurnalı işıq üzü görür ci ildə yapon professoru Sumio Lidjima diametri 0,8 nm ölçülü nanoborular yaratmaq üçün füllerendən istifadə etmişdir cı ildə Riçard Smolli (Smalley, Richard) ( ), Robert Körl (Kerl, Robert) (1933) və Harold Kroto (Kroto, Gerald) (1939) füllerenlərin kəşfinə görə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər ci ildə 1.2 Qb sm 2 yaddaş qurğusu yaradılır ci ildə holland fizikiiki Seez Dkk Dekker nanoboru əsaslıl nanotranzistor t yaratmışdır cu il. Amerikalı alimlər fizika professoru Mark Rid və kimya professoru Ceyms Tur tək molekul və onların zəncirvari toplusu üzərində manipulyasiya etmək mexanizmlərini irəli sürmüşlər. 12

13 2000-ci ildə elektronikadakı nailiyyətlərinə, yarımkeçirici heteroquruluşların, sürətli opto- və mikroelektron komponentlərinin yaradılmasına və mikroçiplərin çp ideologiya və texnologiyasının verilməsinə görə daha 3 alim - J.İ.Alferov, Herbert Kremer və Cek Kilbi fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər ci ildə Siz Dekker karbon nanoborusunu DNT ilə birləşdirmiş və nanomexanizm yaratmışdır cü il. Professor Fen Lyu atom-qüvvət mikroskopu ilə elektronların orbitlərinin nümunələrini yaratmışdır. Sən demə, qədim insanlar da nanotexnologiya ilə məşğul olurmuş 1994-cü ildə Ardeche qayalarında (La Grotte Chauvet) kəşf olunmuş bu rəngin il bundan əvvəl insanlar tərəfindən çəkildiyi sübut olunmuşdur. Bu rəngin nanomaterial tərkibli olduğu ğ heç bir şübhə doğurmur 13

14 Orta əsrlərdə yalnız Suriyada, xüsusilə də onun paytaxtı Dəməşkdə çox möhkəm, dayanıqlı və iti hərbi alətlər - qılınc-qalxan düzəldilirdi və onun düzəldilmə texnologiyası ustalar tərəfindən sirr olaraq saxlanılaraq, nəsildən-nəslə ötürülürdü. O dövrdə digər ölkələrdə düzəldilən hərbi alətlərlə müqayisədə Hindistanda, Yaponiyada düzəldilən qılınc-qalxan q möhkəmlik baxımından yaxşı ş hesab olunsa da, Suriya ustalarının düzəltdiyi alətlərdən azacıq daolsageriqalırdı. Bizim dövrə qədər gəlib çatan bu alətlərin keyfiyyət və kəmiyyət analizi göstərdi ki, Hindistan və Yaponiyada bu alətləri düzəltmək üçün istifadə edilən poladın tərkibində dəmirdən daşqa1,5% karbon, Dəməşk ustalarının istifadə etdiyi poladda isə karbonla yanaşı bir sıra metal qarışıqları da istirak edir. 19-cu əsrdə yaşayıb-yaratmışyaratmış alimlər nə qədər çalışsalar da, Dəməşq ustalarının əldə etdiyi poladın xassələrinə hətta bir az yaxın poladdaəldə edə bilməmişlər. Bunun izahı yalnız nanotexnologiyalar meydana gəldikdən sonra verildi. Belə ki, materialı analiz edən zaman onun tərkibi ilə yanaşı, onun quruluşuna da nəzər salmaq lazımdır. Dəməşk poladınının kiçikhissəsini xlorid turşusunda əridən alman alimləri, onun tərkibindəki karbonun adi qrafit layı şəklində yox, məhz karbon nanoboruları quruluşunda olduğunu və nanoborunun daxilinin sementitlə doldurulduğunu müəyyən etdilər. Məhz sementitin nazik lifləri ayrı-ayrı nanoboruları bir-birinə birləşdirərək, ş materiala xüsusi möhkəmlik və elastiklik verir. Lakinbunu o dövrdə Dəməşk ustaları necə edirdilər? sualı alimləri yəqin ki, uzun illərdüşündürəcək. 14

15 VIII əsrdə Çinlilər qara pudra deyilən barıtı kəşf etmişdilər. ş 1000-ci illərdən başlayaraq ondan hərbi döyüşlərdə istifadə etməyə başlamışlar Hələ o zamanlar Çinlilər belə qənaətə gəlmişdilər ki, pudranın hissəciklərnin ölçüləri kiçik olduqca alışmanin sürəti böyük olur 15

16 Lycurgus Cup (Romada əfsanəvi çar Lycurgus un şərəfinə bl belə adlandırılmışdır) d l d qabları eramızın 400-cü illərində şüşədən düzəldilmişdir. Bu qablar əks olunan işıqda yaşıl rəngdə olur, lakin ondan keçən işıqda isə qırmızı rəng alır. 16

17 Ümumiyyətlə, eramızın 400-cü illərində şüşə istehsalı texnologiyası yaxşı inkişaf edibmiş; sonralar bu texnologiya unudulmuş, XVI əsrlərdə yenidən kəşf edilmişdir. O zaman bu rəngli şüşələrlə əzəmətli xristian kilsələri, məscidlərvə saraylar bəzədilirdi. 17

18 Nanotexnologiyaların inkişafına təkan verən ideyalar James Clerk Maxwell XIX əsrin dahi fiziki Maksvell 1867-ci ildə ilk dəfə olaraq tək bir molekulu tutub saxlaya bilən və onu bir yerdən digər yerə aparmaq iqtidarında olan qurğu yaratmaq ideyasını irəli sürür. Alimlər onun bu qurğusunu Maksvell domeni adlandırmışlar d l 18

19 Richard Adolf Zsigmondy Nano hissəciklərin müşahidə olunması, onların ölçüləri haqqında ilk təcrübələr XX əsrin əvvəllərinə təsədüf edir. Alman kimyaçısı yç və 1925-ci ildə Nobel mükafatı almış Richard Adolf Zsigmondy ilk dəfə olaraq ölçüləri 10 nm və daha az qızıl və digər hissəciklərin kimyəvi xassələrini ətraflı öyrənmişdir. O ilk dəfə olaraq bu hissəcikləri ultramikroskopda qaranlıq sahə metodu ilə müşahidə edərkən onların ölçülərinin işığın dalğa uzunluğundan az, 1/ mm tərtibində olduğunu söyləmişdi. O hətta hissəciklərin ölçülərinə görə təsnifatını da yaratmışdı. Onun bu işlərini birbaşa nano texnologiya elminin əsaslarına aid etməkolar. 19

20 Teodor Svedberq (Svedberq Teodor) ( ): 1926-cı ildə dispers sistemlər oblastında elmi işlərinə və ultrasentrifuqalanma üsulunu yaratmasına görə kimya üzrə Nobel mükafatına layiq görülmüşdür. Aşağıda şəkilləri təsvir olunmuş hər üç alim Con Bardin (Bardeen, John) ( ); 1991) Uilyam Şokli (Shockley, William Bradford) ( ); Uolter Bratteyn (Brattain, Walter Houser)tranzistor effektinin kəşfinə və ilk yarımkeçirici tranzistorun yaradılmasına görə 1956-cı ildə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər. Bu da, öz növbəsində yeni istiqamətin mikroelektronikanın inkişafına təkan verdi. 20

21 Amerka alimləri İrving Lengmuir (1932-ci ildə kimya sahəsində Nobel mükafatı lauratı) və Katharine Blodgett (Kembric Universitetində PhD almış ilk fizik qadın) ilk dəfə olaraq bir molekulun ölçüsü tərtibində təbəqənin alınması konsepsiyasını işləmişdilər. Bu material ilk nano material hesab oluna bilər. 21

22 Yuxarıda qeyd qy edildiyi kimi, Gerd Binninqə (Binning, Gerd) (1947) və Henrix Rorerə (Roher, Heinrich) (1933) 1981-cı ildə skanedici (darayıcı) tunnel mikroskopunun yaradılmasına görə fizika ürə üzrə Nobel mükafatı verilmişdir. Bu mikroskopun kəşfi ilə bir çox elm sahələrində sürətli inkişaf hiss olunmağa başladı. Belə ki, tunnel mikroskopu vasitəsilə metalların, virusların, zülallarıntədqiqində yeni nailiyyətlər əldə edildi. 22

23 Nə üçün məhz nano ölçü alimləri bu qədər cəlb edir? Fikrimizdə sadə bir təcrübəni canlandıraq: tutaq ki, bizə tərəfləri 1 m olan qızıl kub verilib. Onun kütləsi 19.3 tondur və o, çoxlu sayda atomlardan ibarətdir. Bu kubu 8 eyni hissəyə bölək (bax aşağıdakı şəklə). Alınan bu kubların tərəfinin ölçüləri əvvəlkindən2dəfə kiçik, onların ümumi sahəsi isə 2dəfəçox olacaq. Bu bölgünü molekul ölçüləri tərtibinə qədər davam etdirsək, ilkin maddənin xassələrinin dəyişdiyini görərik. Bu o deməkdir ki, biz artıq nanosəviyyəyə çatmışıq, yəni kubik qızıl nanozərrəcikləri əldə etmişik. Onlar həddindən böyük ümumi səthə malik olmaları l ilə səciyyələndikləri üçün, qeyri-adi xassələrə də malik olurlar və bizim öyrəndiyimiz bir çox fiziki qanunlar yalnız makroskopik ölçülərdə özünü doğruldur, nanozərrəciklərdə isə bu qanunlar öz mahiyyətlərini itirir. 23

24 Məsələn, 1) naqillərdə paralel və ardıcıl birləşmədən ş asılı olaraq qgərginliyin g toplanması qanunu nanosistemlərdə özünü doğrultmur; 2) dağ süxurlarının nanoməsamələrində su º-də belə donmur; 3) qızıl nanozərrəciklərinin ərimə temperaturu həcmli cisimlərinki ilə müqayisədə çox kiçikdir. Belə ki, 5 nm ölçülü qızıl nanozərrəciyinin ərimə temperaturu adi qızılın ərimə temperaturundan 250 S aşağı olur. Nanozərrəciyin ölçüsünü artırmaqla ərimə temperaturunun artdığı şəkildən aydın hiss olunur. 24