Nanotexnologiyaning rivojlanish istiqbollari

Nanotexnologiyaning rivojlanish istiqbollari
Ilm fan taraqqiyotida nanotexnolgiya va nanomaterialshunoslik fan sifatida eng yosh yo’nalishlardan biri hisoblanadi. Uning rivojlanish tarixi haqida aniq bir fikr bildirish qiyin. Biroq, hozirgi kunda nanotexnologiyalarning bobosi deb grek faylasufi Demokrit hisoblanadi. U 2400 yil oldin moddaning eng mayda zarrachasini ta’riflash uchun birinchi bo’lib “atom” so’zidan foydalangan. Keyinchalik, 1861 yili irlandiyalik Robert Boyl yer shari suv, o’t, yer va havodan iborat bo’lib, ular ham mayda zarrachalardan tashkil topganligini ta’kidlagan. Xozirgi kunda Demokrit va Boyl goyalari fanda qo’llanilib kelinmoqda. SHuningdek bir necha faylasuf va olimlar ham moddalarning mayda zarrachalardan tashkil topganligi haqida o’z goyalarini ilgari surishgan. 1883 yili amerikalik ixtirochi George Eastmen tomonidan fotoplyonkaning yaratilishi nanotexnologiyada keskin burilishga olib keldi. Uning ixtirosi nanotuzilmali materiallar olish imkoniyatini oshirdi. Shveytsariyalik fizik Albert Eynshteyn nanometr birligini ishlatib, 1905 yilda nashr qilingan ishida qand (shakar) molekulasining o’lchami taxminan 1 nanometrga teng ekanligini nazariy jihatdan ko’rsatib bergan. 1931 yilda nemis fiziklari Maks Knoll va Ernst Ruskalar birinchi marta nanooboektlarni o’rganish mumkin bo’lgan elektron mikroskop yaratdilar. 1932 yilda esa golandiyalik professor Frits Sernik optik mikroskopni yaratdi. U bu mikroskop yordamida jonli kletkalarni o’rganishga harakat qilgan. Xozirda bu mikroskop meditsinada keng qullanilib kelinadi. Shuningdek, 1939 yili Siemens kompaniyasi birinchi marta aniqlash imkoniyati 10 nanometr bo’lgan elektron mikroskopni ishlab chiqarishni boshladi. 1959 yilda amerikalik fizik Richard Feynman Amerika fiziklari hamjamiyatining yillik yigilishida miniatyuralash kelajagini baholay olgan ishlarini e’lon qildi. Nanotexnologiyalarning asosiy holatlari, uning “U yerda – pastda joylar ko’p” (“There`s Plenty of room at the Bottom”) deb nomlangan (Kaliforniya Texnologiya institutida) o’qilgan ma’ruzasida keltirilgan edi.
«Nano» degan qo’shimcha «nanos» degan grek so’zidan (uning tarjimasi – «mitti», «qarilik», hattoki «kichkina chol») olingan bo’lib, biror birlikning milliarddan bir qismi degan ma’noni anglatadi: masalan, 1 nanometr, 1 nanosekund va h.k.
Fizik-kimyoda nanozarrachalar deganda o’lchamlari 1 nanometrdan (1nm) 100 nanometrgacha bo’lgan ob’ektlar tushuniladi. (1nm=10-9m=10-6mm=10-3mkm). Albatta, nanoob’ektlarga xos xususiyatlar o’lchamlarning 0,1 nm dan bir necha o’n nanometrgacha bo’lgan sohasida ayniqsa yorqin namoyon bo’ladi. Bu sohada nanoob’ektlarning hamma xossalari (kimyoviy, fizik- mexanik, termo, elektr, magnit, optik, katalitik va boshqa xossalar) makroob’ektlarnikidan keskin farq qilishi mumkin.
Boshqacha aytganda, kimyo, fizika va boshqa tabiiy fanlar shu davrgacha atom va molekulalarning xossalarini ancha chuqur o’rgandi, ulardan hosil bo’lgan makroob’ektlarni ham har taraflama o’rganib, ulardan hayotda o’z ehtiyojlari uchun keng foydalanishni yo’lga qo’ydi. Lekin XX asrning oxirigacha fanda o’lchamlari 1nm 100 nm bo’lgan ob’ektlar (zarralar)ning xossalari o’rganilmay qolgan, shuning uchun bu sohaga tegishli ob’ektlarni yangi dunyo deb atash mumkin, ularning xossalarini tekshirish fanda 15 20 yil avval boshlandi. Bu fanga nanotexnologiya deb nom berildi va u keng tarqaldi.
Inglizcha ma’noga ega bo’lgan «nanotexnologiya» so’zini birinchi bo’lib yapon olimi professor Norio Taniguchi 1974 yilda taklif etgan edi. U bu terminni o’sha yili Tokioda bo’lib o’tgan xalqaro konferentsiyada (International Conference on Precision engineering) «Nanotexnologiyaning asosiy printsiplari haqida» degan ma’ruzasida ishlatdi. Shunga qaramasdan nanotexnologiya tushunchasiga ta’rif berish protsessi hali ham to’xtamagan, ba’zan bu masala qizg’in munozaralarga sabab bo’lmoqda. U yoki bu ob’ektni nanoob’ektlar qatoriga kiritishning aniq kriteriylari bo’lmasa ham, lekin ma’lum fizik jarayonlar, masalan ob’ektlar o’lchamining ularning xossalariga keskin ta’sir ko’rsatishi bu muammoni yechishi mumkin. Bunday xodisa fizikada «o’lcham effekti» (rus adabiyotida «razmernыy effekt») deb ataladi.
Ammo berilgan ob’ekt ba’zibir xossalariga nisbatan o’zini mikroob’ektdek tutishi mumkin. Xullas, nanodunyoning aniq chegaralarini chizib berish ancha qiyin ish. Adabiyotda nanotexnologiyaga o’nlab ta’riflar berilgan. Masalan, «nanotexnologiya tushunchasiga qanday ta’rif berasiz? degan savolga 100 ta ekspert – olimlar quyidagicha javob berganlar:
Bu-submikron elementlar bilan ish ko’radigan texnologiya.
Bu- fizikaning printsipial yangi qonunlarini ishlatadigan texnologiya.
Qanday omillar (sabablar) nanotexnologiyalarni rivojlantirishga turtki bo’lyapti? Ularning ba’zilari quyidagilardir:
- traditsion materiallarning tarkibini o’zgartirmasdan turib ularning xossalarini radikal ravishda o’zgartirish mumkin
- printsipial yangi materiallarni yaratish mumkin
- kvant effektlarini qo’llash mumkin
- maxsulotlarning (buyumlarning) o’lchamlarini kamaytirib, kattaligini atom (yoki molekula) darajasiga olib tushish va ularda yangi funktsiyalarni bajarish qobiliyatini paydo qilish
- tabiatda bor nanostrukturalardan (asosan biologik nanostrukturalardan) effektiv foydalanish imkoni kuchaydi
- traditsion texnologiyalar chegarasida umuman yechib bo’lmaydigan masalalarni qo’yish va yechish
- material va energiyani sarflashni kamaytirish va atrof muhitni zaharlashni deyarli yo’q qilish.
Albatta, inson nanotexnologiyalar asridan ancha avval ham nanodunyoga tegishli ob’ekt va protsesslardan (ularning ma’nosini tushunmasdan) keng foydalangan. Masalan, o’zaro biokimyoviy reaktsiyaga kirishish butun biosferaning, shu jumladan inson xayotining asosidir; vino, pivo, sir va nonga o’xshash maxsulotlarni tayyorlashda bijg’ish protsessi nanoo’lchamli biokatalizatorlar – fermentlar ishtirokida yuz beradi; fotoplenkada fototasvirni hosil qilish uchun kumush nanozarrachalarda yuz beradigan fotokimyoviy reaktsiyadan foydalaniladi, va h.k.
Lekin o’sha paytlarda bu nanoprotsesslarning fizik – kimyoviy asoslari ma’lum bo’lmagan, shuning uchun ulardan keng miqyosda maqsadli ravishda foydalanishning va rivojlantirishning imkoni bo’lmagan. O’ziga xos kvantaviy qonunlar asosida yashaydigan nanodunyoning ochilishi 15 – 20 yil avval ro’y bergan bo’lsa-da, bunday dunyoning mumkinligini XX asrning o’rtalarida bashorat qilgan olimlar bo’lgan. Ularning birinchisi Nobelь mukofoti laureati, taniqli fizik –olim Richard Feynman o’zining 1959 yilda o’qigan mashhur lektsiyasida shunday degan ekan: «Pastda joy juda ham ko’p: fizikaning yangi sohasiga qadam tashlashga taklif». Keyinchalik shu lektsiyaning o’qilgan yilini ko’pchilik tomonidan ilmiy maqolalarda nanotexnologiyaning tug’ilgan yili deb qabul qilish taklif etildi.
1986 yilda Massachuset texnologiya institutining ilmiy xodimi E. Dreksler o’zining «Yaratuvchi mashinalar: nanotexnologiya asrining kirib kelishi» deb atalgan mashhur kitobini chop etdi. U o’z kitobida R.Feynmanning ba’zi bir g’oyalarini rivojlantirdi.
90 – yilning o’rtalariga kelib nanotexnologiyaning har xil yo’nalishlari kengayib, o’zaro qo’shilishlar kuzatila boshladi, natijada dunyo fan va texnikada yuz berayotgan yangi revolyutsiya bo’sag’asiga kelib qolgani ma’lum bo’ldi, bu revolyutsiya insoniyatning ishlab chiqarish printsiplarini o’zgartirib yuborishi mumkinligi ko’rinib qoldi.
Zamonaviy sanoatda birorta mahsulotni ishlab chiqarish uchun unga qandaydir hom ashyo ishlatiladi, masalan gugurt cho’pi, mebelь va shunga o’xshashlarga daraxt kesiladi. Bu daraxt foydali maxsulotga aylanguncha uning anchagina qismi chiqindiga aylanib ketadi. Lekin tabiat o’zining biosistemalarini yaratishda insonga qaraganda ancha tejamkorlik bilan ishlaydi – u murakkab sistemalarni oddiy molekulalardan yaratishda (masalan oqsil sintezida) chiqindisiz yig’ish va o’z – o’zini yig’ish texnologiyasidan foydalanadi, «ishlab chiqarish» oqimlarini yoki zanjirlarini bir – biriga shunday ulaydi-ki, natijada bir protsessda hosil bo’lgan «chiqindi» keyingi protsess uchun homashyo bo’lib xizmat qiladi, natijada chiqindi degan narsaning o’zi qolmaydi.
Oxirgi o’n yil ichida ana shunday «chiqindisiz» ishlash yo’liga o’tish va sanoat nanotexnologiyalarini yaratish imkoni tug’ildi – bu zamonaviy sanoatga butunlay boshqacha yondashish mumkinligini ko’rsatdi: maxsulotni yaratishda hom ashyoga «tepadan – pastga» ishlov berishdan ko’ra (boshqacha aytganda katta zagatovkalarni qirqib, yo’nib, chiqindi chiqarib kichik detallarni yoki tayyor maxsulotni yaratish) o’rniga, «pastdan yuqoriga» yurgan mahqul–detallarni tabiatning elementar «g’ishtlaridan» (atom va molekulalardan) yig’ish va o’z – o’zini yig’ish printsipidan foydalanib tayyorlasa bo’ladi, bunda chiqindi degan narsa bo’lmaydi.
Albatta, aytilgan fikrlar yorqin lozunga yoki obrazga o’xshaydi, lekin ular katta masshtabdagi ishlab chiqarishga bo’lgan bir yondashuvdir, fizika qonunlari ularni inkor qilmaydi. Kelajakda ham ma’lum materiallar, maxsulotlar yoki ularning bir qismi ulardan kattaroq xom ashyodan tayyorlansa («tepadan – pastga» uslubi qisman saqlansa kerak), qolganlari nanotexnologiyalar asosida tayyorlansa kerak, boshqacha aytganda bu ikki printsip bir – birini hali ancha yil to’ldirib turadiganga o’xshaydi.
XX asrning ikkinchi yarmida elektronika va elektron xisoblash texnikasining rivojlanishi yarim o’tkazgichli diod, triodlar, mikrosxemalar va butun protsessorli sistemalarning miniatyurizatsiya qilinishi bilan parallel ravishda yuz berdi. Ana o’sha paytda insoniyat qo’lida xizmat qilayotgan narsalarning o’lchamini imkon boricha kamaytirish, iloj bo’lsa uni atom – molekulaning o’lchamiga yaqinlashtirish g’oyalariga asos paydo bo’ldi.
Tabiiyki, nanosistemalarni yaratishda «qurilish materiali» sifatida atom va molekulalar xizmat qiladi, lekin qurish texnologiyasi qanday bo’ladi? Albatta, eng effektiv texnologiya – bu elementlarning o’z – o’zini yig’ish («samosborka») va o’z – o’zini uyushtirish («samoorganizatsiya») protsessidir.
Hozirgi zamonda yaratilgan mikrosxemalardagi elementlarning soni yer sharidagi odamlar soniga yakinlashib qoldi (~6∙109 ta odam), lekin bu elementlar 1 sm2 yuzasiga joylashtiriladi. Shu kunlarda elementlarning o’lchami R~ 100 nm gacha olib borildi, ammo atom o’lchamlarigacha (~ 0,1 nm gacha) yetib borish katta mexnatni va anchagina vaktni talab qiladi.
Elektronika elementlarini mikrominiatyurazitsiya qilish yo’lida erishilgan yutuqlar odamni hayron qoldiradi: yarim asr davomida Mur qonuni bajarilib kelyapti–har 1,5 2 yil ichida «chip» da joylashtiriladigan elementlarning (shu jumladan, tranzistorlarning) soni 2 marta ko’payadi, ularning o’lchami R esa kamayadi 1.2-rasm. Yarimo’tkazgichli mikroelektronikaning rivojlanish dinamikasi.
Nanotexnologiyaning oxirgi 10 yil ichida shiddatli rivojlanishini shu soxaga tegishli programmalarni moliyalashtirishning ortishi, maqola va patentlar, konferentsiyalar va maxsus jurnallar sonining keskin ko’payishida ham ko’rsa bo’ladi.
|