Множество единици- единици, които са цяло число пъти по-големи от основната мерна единица на някаква физическа величина. Международната система от единици (SI) препоръчва следните десетични префикси за множество единици:

Прилагане на десетични префикси към двоични единици

Основна статия: Двоични префикси

В програмната и компютърната индустрия едни и същи представки кило, мега, гига, тера и т.н., когато се прилагат към кратни на две (напр. байт), може да означава кратност не 1000, а 1024 = 2 10. Коя система се използва трябва да е ясно от контекста (например по отношение на количеството RAM се използва кратност от 1024, а по отношение на обема на дисковата памет се използва кратност от 1000 от производителите на твърди кара).

За да избегнем объркване през април 1999 година Международна електротехническа комисиявъведе нов стандарт за именуване на двоични числа (вж. Двоични префикси).

Префикси за дробни единици

Дробни единици, представляват определена част (част) от установената мерна единица с определена стойност. Международната система от единици (SI) препоръчва следните префикси за подмножества:

Произход на префиксите

Повечето префикси произлизат от Гръцкидуми. Soundboard идва от думата декаили deka(δέκα) - "десет", хекто - от хекатон(ἑκατόν) - "сто", килограм - от чилои(χίλιοι) - "хиляда", мега - от мега(μέγας), тоест „голям“, гига е gigantos(γίγας) - "гигант", а тера - от тератос(τέρας), което означава „чудовищен“. Peta (πέντε) и exa (ἕξ) съответстват на пет и шест хиляди цифри и се превеждат съответно като „пет” и „шест”. Дългосрочно микро (от микро, μικρός) и нано (от нано, νᾶνος) се превеждат като „малък“ и „джудже“. От една дума ὀκτώ ( okto) означаващо „осем“, образувано от представките йота (1000 8) и йокто (1/1000 8).

Като "хиляда" се превежда и представката milli, която се връща към лат. mille... Латинските корени имат и представките santi - от centum("Сто") и deci - от decimus("Десета"), zetta - от септември(„седем“). Zepto („седем“) идва от лат.думите септемвриили от фр. септ.

Префиксът atto е получен от дати. внимание(„осемнадесет“). Femto датира от дати.и norv. femtenили да д-р-нит. fimmtānи означава петнадесет.

Представката пико идва от двете фр. пико(„Клюн“ или „малко количество“), или от итал. пиколо, тоест "малък".

Правила за използване на префикси

Префиксите трябва да се пишат заедно с името на единицата или съответно с нейното обозначение.

Използването на две или повече приставки подред (например микромилифарад) не е разрешено.

Обозначенията на кратни и подмножители на оригиналната единица, повдигнати на степен, се образуват чрез добавяне на съответния експонент към обозначението на кратно или подмножество на оригиналната единица, а индикаторът означава повишаване на кратно или подмножество на сила (заедно с префикса). Пример: 1 km² = (10³ m) ² = 10 6 m² (не 10³ m²). Имената на такива единици се образуват чрез добавяне на префикс към името на оригиналната единица: квадратен километър (а не килограм квадратен метър).

Ако единицата е продукт или съотношение на единици, префиксът или неговото обозначение обикновено се прикрепя към името или обозначението на първата единица: kPa s / m (килопаскал-секунда на метър). Допуска се добавянето на префикс към втория множител на произведението или към знаменателя само в оправдани случаи.

Приложимост на префиксите

Поради факта, че името на единицата за маса в SI- килограм - съдържа префикса "кило", за образуване на кратни и дробни единици за маса използвайте дробна единица за маса - грам (0,001 kg).

Префиксите се използват ограничено с единици за време: множество префикси изобщо не се комбинират с тях - никой не използва "килосекундата", въпреки че това не е официално забранено, но има изключение от това правило: космологияуредът се използва " гигагод»(Милиард години); страничните приставки се прикрепят само към второ(милисекунда, микросекунда и др.). В съответствие със GOST 8.417-2002, името и обозначенията на следните SI единици не е позволено да се използват с представките: минута, час, ден (единици за време), степен, минута, второ(плоски ъглови единици), астрономическа единица, диоптъри единица за атомна маса.

С метраОт множеството представки на практика се използват само килограми: вместо мегаметри (Mm), гигаметри (Hm) и т.н. те пишат „хиляди километри“, „милиони километри“ и т.н.; вместо квадратни мегаметри (Mm²), те пишат "милиони квадратни километри".

Капацитет кондензаторитрадиционно се измерва в микрофаради и пикофаради, но не и в милифаради или нанофаради [ източник не е посочен 221 дни ] (пишат 60 000 pF, а не 60 nF; 2000 uF, а не 2 mF). Въпреки това, в радиотехниката е разрешено използването на единица нанофарад.

Не се препоръчва използването на представки, съответстващи на експоненти, които не се делят на 3 (хекто-, дека-, деци-, санти-). Само широко използвани сантиметър(което е основната единица в системата GHS) и децибел, в по-малка степен - дециметър и хектопаскал (в метеорологични доклади), и хектар... В някои страни обемът винаизмерва се в декалитри.

Преобразувател на дължина и разстояние Конвертор на маса Конвертор на обем и храна Конвертор на площ Конвертор на площ Кулинарна рецепта Конвертор на обем и единици Конвертор на температура Преобразувател Налягане, напрежение, преобразувател на модула на Янг Конвертор на енергия и работа Конвертор на мощност Конвертор на сила Конвертор на време Конвертор на линейна скорост Преобразувател на линейни скорости Преобразувател на плоски E ъгъл на преобразуване на E Numeric Системи за преобразуване Конвертор на информационни системи за измерване Валутни курсове Размери на дамско облекло и обувки Размери на мъжко облекло и обувки Преобразувател на ъглова скорост и скорост на въртене Конвертор на ускорение Конвертор на ъглово ускорение Конвертор на плътност Конвертор на специфичен обем Конвертор на специфичен обем Конвертор на момент на инерция за преобразувател на конвертор на конверсионна сила на инерция за преобразуващ момент ) преобразувател Преобразувател на енергийна плътност и калоричност (обем) на горивото Преобразувател на диференциална температура Преобразувател на коефициенти Коефициент на топлинно разширение Преобразувател на топлинно съпротивление Преобразувател на топлинна проводимост Преобразувател на специфичен топлинен капацитет Преобразувател на топлинна експозиция и мощност на излъчване Преобразувател на плътност на топлинния поток Преобразувател на коефициент на топлопреминаване Преобразувател на обемен дебит Преобразувател на обемен дебит Преобразувател на масов дебит Преобразувател на плътност на масовия поток Преобразувател на плътност на масовия поток Преобразувател на концентрация в масов разтвор абсолютен) вискозитет Преобразувател на кинематичен вискозитет Преобразувател на повърхностно напрежение Преобразувател на паропропускливост Преобразувател на паропропускливост и скорост на пренос на пари Преобразувател на звуково ниво Преобразувател на микрофонна чувствителност Преобразувател на нивото на звуково налягане (SPL) Конвертор на нивото на звуковото налягане с избираемо референтно налягане Конвертор на светлинен интензитет Преобразувател на интензитета на светлината Преобразувател на интензитета на светлината в разделителна способност компютърен конвертор диаграма Преобразувател на честота и дължина на вълната Оптична мощност към диоптър x и фокусно разстояние Оптична мощност в диоптри и увеличение на обектива (×) Електрически преобразувател на заряда Линеен преобразувател на плътността на заряда Преобразувател на плътността на повърхностния заряд Преобразувател на плътността на насипния заряд Преобразувател на линейната плътност на тока Преобразувател на плътността на повърхностния ток Преобразувател на напрежението на електрическото поле Преобразувател на електростатичен потенциал и напрежение Преобразувател Електрически Преобразувател на електрическо съпротивление Преобразувател на електрическа проводимост Конвертор на електрическа проводимост Преобразувател на електрически капацитет Индуктивност преобразувател на американския кабелен габарит Нива в dBm (dBm или dBmW), dBV (dBV), ватове и др. единици Преобразувател на магнитна сила Преобразувател на силата на магнитното поле Преобразувател на магнитен поток Преобразувател на магнитна индукция Радиация. Конвертор на мощност на дозата на абсорбираната йонизираща радиация Радиоактивност. Радиоактивен разпад Радиационен преобразувател. Облъчване с преобразувател на дозата. Преобразувател на абсорбирана доза Префикс на десетични префикси Конвертор за трансфер на данни Типография и единици за обработка на изображения Конвертор на единици за обем на дървесината Конвертор на единици Изчисляване на моларната маса Периодична таблица на химичните елементи Д. И. Менделеев

1 мега [M] = 0,001 гига [G]

Първоначална стойност

Преобразувана стойност

без префикс iotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli micro nano pico femto atto zepto yokto

Масова концентрация в разтвор

Метрична и международна система от единици (SI)

Въведение

В тази статия ще говорим за метричната система и нейната история. Ще видим как и защо започна и как постепенно се превърна в това, което имаме днес. Ще разгледаме и системата SI, която е разработена от метричната система от мерки.

За нашите предци, които са живели в свят, пълен с опасности, способността за измерване на различни количества в естествената им среда даде възможност да се доближат до разбирането на същността на природните явления, познаването на тяхната среда и способността по някакъв начин да повлияят на това, което ги заобикаля. . Ето защо хората са се опитали да измислят и подобрят различни системи за измерване. В зората на човешкото развитие наличието на система от измервания беше не по-малко важно, отколкото сега. Беше необходимо да се извършват различни измервания при изграждане на къща, шиене на дрехи с различни размери, приготвяне на храна и, разбира се, търговията и обменът не можеха без измерване! Мнозина смятат, че създаването и приемането на международната система SI от единици е най-сериозното постижение не само на науката и технологиите, но и на развитието на човечеството като цяло.

Ранни системи за измерване

В ранните системи от мерки и бройни системи хората са използвали традиционни обекти за измерване и сравняване. Например, смята се, че десетичната система се е появила поради факта, че имаме десет пръста на ръцете и краката. Ръцете ни винаги са с нас - следователно от древни времена хората са използвали (и все още използват) пръсти за броене. И все пак, не винаги сме използвали системата с база 10 за броене, а метричната система е сравнително ново изобретение. Всеки регион има свои собствени системи от единици и въпреки че тези системи имат много общо, повечето системи все още са толкова различни, че преобразуването на мерни единици от една система в друга винаги е била проблем. Този проблем става все по-сериозен с развитието на търговията между различните народи.

Точността на първите системи от мерки и тежести пряко зависи от размера на обектите, които заобикалят хората, които са разработили тези системи. Ясно е, че измерванията са били неточни, тъй като "измервателните устройства" не са точно оразмерени. Например частите на тялото обикновено се използват като мярка за дължина; масата и обемът бяха измерени с помощта на обема и масата на семената и други малки предмети, чиито размери бяха повече или по-малко еднакви. По-долу ще разгледаме по-отблизо такива единици.

Мерки за дължина

В древен Египет дължината първоначално се измерва просто лакти, а по-късно и с кралски лакти. Дължината на лакътя се определя като сегмента от извиването на лакътя до края на разширения среден пръст на крака. По този начин кралският лакът е определен като лакът на управляващия фараон. Създаден е модел лакът, който е предоставен на широката публика, за да може всеки да направи свои собствени мерки за дължина. Това, разбира се, беше произволна единица, която се промени, когато нов управляващ човек пое трона. Древен Вавилон е използвал подобна система с малки разлики.

Лакътят беше разделен на по-малки единици: Длан, ръка, зърно(крака) и Вие(пръст), които са били представени съответно от ширината на дланта, ръката (с палеца), стъпалото и пръста на крака. В същото време те решиха да се споразумеят колко пръста са в дланта (4), в ръката (5) и в лакътя (28 в Египет и 30 във Вавилон). Беше по-удобно и по-точно от измерването на съотношения всеки път.

Мерки за маса и тегло

Теглото също се основава на параметрите на различни артикули. Като мерки за тегло са използвани семена, зърна, боб и подобни продукти. Класически пример за единица за маса, която все още се използва днес, е карат... Сега каратите измерват масата на скъпоценните камъни и перлите, а някога теглото на семената на рожковото дърво, наричано иначе рожков, се определяше като карат. Дървото се култивира в Средиземно море, а семената му се характеризират с постоянна маса, така че е удобно да се използват като мярка за тегло и маса. На различни места се използват различни семена като малки единици за тегло, а по-големите единици обикновено са кратни на по-малки единици. Археолозите често намират подобни големи тежести, обикновено направени от камък. Те се състояха от 60, 100 и други малки единици. Тъй като нямаше единен стандарт за броя на малките единици, както и за тяхното тегло, това доведе до конфликти, когато продавачи и купувачи, които живееха на различни места, се срещаха.

Мерки за обем

Първоначално обемът също се измерва с помощта на малки предмети. Например, обемът на саксия или кана се определя чрез напълването му до ръба с малки предмети с относително стандартен обем, като семена. Липсата на стандартизация обаче доведе до същите проблеми при измерването на обема, както при измерването на масата.

Развитие на различни системи от мерки

Древногръцката система от мерки се основава на древноегипетската и вавилонската, а римляните създават своята система на базата на древногръцката. След това с огън и меч и, разбира се, в резултат на търговията, тези системи се разпространяват из цяла Европа. Трябва да се отбележи, че тук говорим само за най-често срещаните системи. Но имаше много други системи от мерки и теглилки, защото обменът и търговията бяха необходими за абсолютно всички. Ако в дадена област не е имало писмен език или не е било обичайно да се записват резултатите от размяната, тогава можем само да гадаем как тези хора измерват обема и теглото.

Има много регионални варианти на системи за измерване и тегло. Това се дължи на самостоятелното им развитие и влиянието на други системи върху тях в резултат на търговия и завоевания. Различни системи са били не само в различни страни, но често в рамките на една и съща държава, където те са имали свои във всеки търговски град, защото местните владетели не са искали обединение, за да запазят властта си. С развитието на пътуванията, търговията, индустрията и науката много страни се стремят да уеднаквят системите от мерки и теглилки, поне на териториите на своите страни.

Още през 13-ти век, а вероятно и по-рано, учени и философи обсъждат създаването на единна система за измерване. Но едва след Френската революция и последвалата колонизация на различни региони на света от Франция и други европейски страни, които вече имаха свои собствени системи от мерки и теглилки, беше разработена нова система, приета в повечето страни по света. Тази нова система беше десетична метрична система... Тя се основаваше на основата 10, тоест за всяка физическа величина имаше една основна единица в нея, а всички останали единици можеха да се образуват по стандартен начин с помощта на десетични префикси. Всяка такава дробна или множествена единица може да бъде разделена на десет по-малки единици, а тези по-малки единици от своя страна могат да бъдат разделени на 10 още по-малки единици и т.н.

Както знаем, повечето от ранните системи за измерване не са били базирани на база 10. Удобството на системата с база 10 се крие във факта, че числовата система, с която сме свикнали, има същата база, което прави възможно бързо и удобно преобразувайте от по-малки единици в големи и обратно. Много учени смятат, че изборът на десет като основа на бройната система е произволен и се свързва само с факта, че имаме десет пръста и ако имахме различен брой пръсти, тогава вероятно бихме използвали различна бройна система.

Метрична система

В зората на развитието на метричната система прототипи, създадени от човека, бяха използвани като мерки за дължина и тегло, както в предишните системи. Метричната система се е развила от система, базирана на материални стандарти и в зависимост от тяхната точност, до система, базирана на природни явления и фундаментални физически константи. Например, единицата за време, втората, първоначално е определена като част от тропическата 1900 година. Недостатъкът на това определение беше невъзможността за експериментална проверка на тази константа през следващите години. Следователно, вторият беше предефиниран като определен брой периоди на излъчване, съответстващи на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на радиоактивен атом цезий-133 в покой при 0 K. метър беше предефиниран като разстоянието, което светлината изминава в вакуум във времеви интервал, равен на 1/299 792 458 секунди.

Международната система от единици (SI) е създадена на базата на метричната система. Трябва да се отбележи, че традиционно метричната система включва единици за маса, дължина и време, но в системата SI броят на основните единици е разширен до седем. Ще ги обсъдим по-долу.

Международна система от единици (SI)

Международната система от единици (SI) има седем основни единици за измерване на основни величини (маса, време, дължина, интензитет на светлината, количество материя, електрически ток, термодинамична температура). то килограм(kg) за измерване на масата, второ(s) за измерване на времето, метър(m) за измерване на разстояние, кандела(cd) за измерване на интензитета на светлината, къртица(съкращение mol) за измерване на количеството на вещество, ампер(A) за измерване на силата на електрическия ток и келвин(K) за измерване на температурата.

В момента само килограмът все още има стандарт, създаден от човека, докато останалите единици се основават на универсални физически константи или природни феномени. Това е удобно, защото физическите константи или природните явления, на които се основават единиците, са лесни за проверка по всяко време; освен това няма опасност от загуба или повреда на стандартите. Освен това не е необходимо да се създават копия на стандарти, за да се гарантира наличността им в различни части на света. Това елиминира грешките, свързани с точността на правене на копия на физически обекти, и по този начин осигурява по-голяма точност.

Десетични префикси

За да образува кратни и подмножители, които се различават от основните единици на системата SI с определен брой пъти, което е степен на десет, той използва префикси, прикрепени към името на основната единица. По-долу е даден списък на всички използвани в момента префикси и десетичните фактори, които представляват:

Например, 5 гигаметра се равняват на 5 000 000 000 метра, докато 3 микрокандела се равняват на 0,000003 кандела. Интересно е да се отбележи, че въпреки наличието на префикса в единицата килограм, тя е основната единица SI. Следователно, горните префикси се използват с грама, сякаш е основната единица.

Към момента на писането на тази статия са останали само три държави, които не са приели системата SI: Съединените щати, Либерия и Мианмар. Традиционните единици все още се използват широко в Канада и Обединеното кралство, въпреки че SI е официалната система от единици в тези страни. Достатъчно е да отидете в магазина и да видите етикетите с цените на килограм стоки (защото се оказва по-евтино!), Или се опитайте да закупите строителни материали, измерени в метри и килограми. Няма да работи! Да не говорим за опаковките на стоките, където всичко е подписано в грамове, килограми и литри, но не изцяло, а преобразувано от паундове, унции, пинти и кварти. Съхранението на мляко в хладилниците също се изчислява на половин галон или галон, а не на литров кашон.

Смятате ли, че е трудно да преведете мерна единица от един език на друг? Колегите са готови да ви помогнат. Публикувайте въпрос към TCTermsи ще получите отговор в рамките на няколко минути.

Изчисления за преобразуване на единици в преобразувателя " Преобразувател на десетичен префикс»Извършват се с помощта на функциите unitconversion.org.

Съкратени обозначения на електрическите величини

При сглобяване на електронни схеми, волю-неволю, е необходимо да се преизчислят стойностите на съпротивленията на резисторите, капацитетите на кондензаторите, индуктивността на намотките.

Така например става необходимо да се преобразуват микрофаради в пикофаради, килоома в ома, милихенри в микрохенри.

Как да не се объркате в изчисленията?

Ако е направена грешка и е избран елемент с неправилна оценка, тогава сглобеното устройство няма да работи правилно или ще има различни характеристики.

Подобна ситуация на практика не е необичайна, тъй като понякога на случаите на радиоелементи те показват стойността на капацитета в нанофаради (nF), а на схематичната диаграма капацитетите на кондензаторите обикновено са посочени в микрофаради (μF) и пикофаради (pF). Това подвежда много начинаещи радиолюбители и в резултат на това забавя сглобяването на електронното устройство.

За да предотвратите тази ситуация, трябва да научите прости изчисления.

За да не се объркате в микрофаради, нанофаради, пикофаради, трябва да се запознаете с таблицата с размери. Сигурен съм, че ще ви трябва повече от веднъж.

Тази таблица включва десетични кратни и дробни (дробни) префикси. Международната система от единици, която носи съкратеното име SI, включва шест кратни (дека, хекто, кило, мега, гига, тера) и осем кратни (деци, санти, мили, микро, нано, пико, фемто, ато). Много от тези приставки отдавна се използват в електрониката.

Как да използвате таблицата?

Както можете да видите от таблицата, разликата между много префикси е точно 1000. Така например, това правило важи между кратни, започвайки с префикса килограм.

• Мега - 1 000 000

  Гига - 1 000 000 000

  Тера - 1 000 000 000 000

Така че, ако до обозначението на резистора е написано 1 MΩ (1 мегаом), тогава съпротивлението му ще бъде - 1 000 000 (1 милион) ома. Ако има резистор с номинално съпротивление 1 kOhm (1 килограмом), тогава в ома ще бъде 1000 (1 хиляди) ома.

При дробни или по друг начин дробни стойности ситуацията е подобна, само че няма увеличение на числовата стойност, а нейното намаляване.

За да не се объркате в микрофаради, нанофаради, пикофаради, трябва да запомните едно просто правило. Трябва да разберете, че мили, микро, нано и пико са различни. точно 1000... Тоест, ако ви кажат 47 микрофарада, това означава, че в нанофара ще е 1000 пъти повече - 47 000 нанофарада. В пикофарада ще бъде 1000 пъти повече - 47 000 000 пикофарада. Както можете да видите, разликата между 1 микрофарад и 1 пикофарад е 1 000 000 пъти.

Също така на практика понякога се изисква да се знае стойността в микрофаради, а стойността на капацитета се посочва в нанофаради. Така че, ако капацитетът на кондензатора е 1 nanofarad, тогава в микрофаради той ще бъде 0,001 μF. Ако капацитетът е 0,01 микрофарада, тогава в пикофарада той ще бъде 10 000 pF, а в нанофарада съответно 10 nF.

Представките, обозначаващи размерността на количеството, се използват за съкратено обозначение. Съгласете се по-лесно за писане 1mAот 0,001 ампера или напр. 400 μHот 0,0004 Хенри.

Таблицата, показана по-рано, също има съкращение за префикса. За да не пиша мега, напишете само буквата М... Префиксът обикновено е последван от съкращение за електрическа величина. Например думата амперне пишете, а посочете само буквата А... Направете го и при съкращаване на записа на мерната единица за капацитет Фарад... В този случай се пише само писмото Ф.

Наред със съкратената нотация на руски език, която често се използва в старата радиоелектронна литература, има и международна съкратена нотация за представки. Посочено е и в таблицата.

Доктор на техническите науки, академик на Руската академия на естествените науки, A.I. ХЕСИН

Терминът "нанотехнология"през 1974 г. японците предлагат Норио Танигучи да опише процеса на конструиране на нови обекти и материали чрез манипулиране на отделни атоми. Нанометърът е една милиардна част от метъра. Размер на атома- няколко десети от нанометъра Всички предишни научни и технологични революции се свеждаха до факта, че човекът все по-умело копира механизми и материали, създадени от природата. Пробивът в нанотехнологиите е съвсем друг въпрос. За първи път човек ще създаде нова материя, която е била непозната и недостъпна за Природата.Всъщност науката е подходила към моделирането на принципите на конструиране на живата материя, която се основава на самоорганизация и саморегулация. Вече овладеният метод за създаване на структури с помощта на квантови точки е самоорганизация. Революция в цивилизацията - създаването на бионични устройства.

Може би няма окончателно определение за понятието нанотехнология, ноПо аналогия със съществуващите микротехнологии следва, че нанотехнологиите са технологии, които оперират с количества от порядъка на нанометър. Това е незначителна стойност, стотици пъти по-малка от дължината на вълната на видимата светлина и сравнима с размера на атомите. Следователно преходът от „микро“ към „нано“ вече не е количествен, а качествен преход – скок от манипулирането на материята към манипулирането на отделните атоми.

Международната система от единици (SI) е произходът на имената на префиксите.

Първите приставки са въведени през 1793-1795 г. при легализиране на метричната система във Франция. Беше обичайно множеството единици да приемат името на префиксите от гръцкия език, а за дробните - от латински. През тези години бяха приети следните префикси: килограм... (от гръцки chilioi - хиляда), хекто ... (от гръцки хекатон - сто), палуба ... (от гръцки deka - десет), deci... (от лат.decem - десет), центи ... (от латински centum - сто), Мили ... (от лат. mille - хиляда). През следващите години броят на кратните и подкратните се увеличава; имената на представките за тяхното обозначаване понякога са заимствани от други езици. Появиха се следните префикси: мега... (от гръцки.megas - голям), гига ... (от гръцки gigas, gigantos - гигант), тера... (от гръцки teras, teratos - огромен, чудовище), микро... (от гръцки mikros - малък, малък), нано... (от гръцки nanos - джудже), пико... (от италиански piccolo - малък, малък), фемто ... (от датски femten - петнадесет), atto ... (от датски atten - осемнадесет). Последните два префикса пета... и изр... - са приети през 1975 г.: "пета" ... (от гръцки peta - пет, което съответства на пет категории от 10 3 всяка), напр ... (от гръцки. hex - шест, което съответства на шест цифри от 10 3). Zepto- (zepto- ) Е дробна метрична префикса, обозначаваща 10 −21. йокто- (йокто- ) Е дробна метрична префикса, обозначаваща 10 −24. За по-голяма яснота даваме таблица:

Когато става въпрос за развитие на нанотехнологиите, имаме предвид три области:

• производство на електронни схеми (включително обемни) с активни елементи, сравними по размер с размера на молекулите и атомите;
• разработка и производство на нано-машини, т.е. механизми и роботи с размер на молекула;
• директно манипулиране на атоми и молекули и сглобяване на всичко, което съществува от тях.

В същото време сега активно се развиват нанотехнологичните методи, които позволяват да се създават активни елементи (транзистори, диоди) с размер на молекула и да се образуват многослойни триизмерни вериги от тях. Може би микроелектрониката ще бъде първата индустрия, в която "атомното сглобяване" ще се извършва в индустриален мащаб.

Въпреки че сега разполагаме със средствата за манипулиране на отделни атоми, те трудно могат да бъдат използвани "директно" за сглобяване на нещо практически необходимо: дори и само заради броя на атомите, които ще трябва да бъдат "сглобени".

Въпреки това, възможностите на съществуващите технологии вече са достатъчни за изграждане на някои прости механизми от няколко молекули, които, ръководени от управляващи сигнали отвън (акустични, електромагнитни и др.), могат да манипулират други молекули и да създават подобни устройства или по-сложни механизми.

Те от своя страна ще могат да правят още по-сложни устройства и т.н. в крайна сметка този експоненциален процес ще доведе до създаването на молекулярни роботи – механизми, сравними по размер с голяма молекула и със собствени вградени компютри.

Природата е непрекъсната и всяко определение изисква установяването на някакви граници. Следователно формулирането на дефинициите е доста неблагодарна задача. Независимо от това, това трябва да се направи, тъй като ясното определение позволява да се отделят едно явление от друго, да се разкрият значителни разлики между тях и по този начин да се разберат по-добре самите явления. Затова целта на това есе е да се опитаме да разберем значението на модните днес термини с представката „нано“ (от гръцката дума „джудже“) – „нанонаука“, „нанотехнология“, „нанообект“, „наноматериал“.

Въпреки факта, че тези въпроси са многократно обсъждани с различна степен на дълбочина в специалната и научнопопулярната литература, анализът на литературата и личния опит показват, че все още няма ясно разбиране на самия проблем в широките научни кръгове, да не говорим за ненаучни и дефиниции. Ето защо ще се опитаме да дадем определения на всички горепосочени термини, като насочим вниманието на читателя към значението на основното понятие за „нанообект”. Каним читателя да поразсъждаваме съвместно дали има нещо, което принципно отличава нанообектите от техните по-големи и по-малки „братя“, които „населяват“ света около нас. Нещо повече, ние го каним да участва в поредица от мисловни експерименти за проектиране на наноструктури и техния синтез. Ще се опитаме също така да покажем, че именно в наномащаба се случва промяна в естеството на физичните и химичните взаимодействия и това се случва точно в същия участък от скалата на размерите, където минава границата между живата и неживата природа.

Но първо, откъде идва всичко това, защо е въведен префиксът „нано“, който е решаващ, когато материалите се отнасят към наноструктури, защо нанонауката и нанотехнологиите се открояват в отделни области, какво се отнася в това разпределение (и отнася ли се) към наистина научни основи?

Какво е "нано" и откъде започна всичко

Това е префикс, който показва, че първоначалната стойност трябва да бъде намалена с милиард пъти, тоест разделена на едно с девет нули - 1 000 000 000. Например 1 нанометър е милиардна част от метъра (1 nm = 10 -9 m) ... За да си представим колко малък е 1 nm, нека проведем следния мисловен експеримент (фиг. 1). Ако намалим диаметъра на нашата планета (12 750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) с коефициент 100 милиона (10 8), ще получим около 10 –1 m. Това е размер, приблизително равен на диаметъра на футболна топка (стандартно диаметърът на футболната топка е 22 см, но в нашия мащаб тази разлика е незначителна (за нас 2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). Сега нека намалим диаметъра на футболна топка със същите 100 милиона (10 8) пъти и едва сега получаваме размер на наночастиците, равен на 1 nm (приблизително диаметъра на въглеродна молекула фулерен C 60, подобна по форма на футболна топка - виж фиг. 1) ...

Прави впечатление, че префиксът "нано" се използва в научната литература от дълго време, но за обозначаване далеч от нано-обекти. По-специално, за обекти, чийто размер е милиарди пъти по-голям от 1 nm - в терминологията на динозаврите. нанотиранозаври ( nanotyrranus) и нанозаври ( нанозавър) се наричат ​​динозаври джуджета, чиито размери са съответно 5 и 1,3 м. Но те наистина са "джуджета" в сравнение с други динозаври, чийто размер надвишава 10 m (до 50 m), а теглото може да достигне 30-40 тона или повече. Този пример подчертава, че самият префикс "нано" не носи физическо значение, а само показва мащаба.

Но сега с помощта на този префикс те отбелязват нова ера в развитието на технологиите, понякога наричана четвърта индустриална революция – ерата на нанотехнологиите.

Много често се смята, че началото на нанотехнологичната ера е положено през 1959 г. от Ричард Файнман в лекция " Има много място в дъното“(„Там долу – много място.“) Основният постулат на тази лекция беше, че от гледна точка на основните закони на физиката, авторът не вижда пречки за работа на молекулярно и атомно ниво, манипулиране отделни атоми или молекули.. Файнман каза, че с помощта на определени устройства могат да бъдат направени дори по-малки устройства, които от своя страна са способни да правят още по-малки устройства и така нататък до атомно ниво, тоест със съответните технологии, отделните атоми могат да бъдат манипулирани.

Честно казано обаче трябва да се отбележи, че Файнман не беше първият, който измисли това. По-специално, идеята за създаване на манипулатори, постепенно намаляващи по размер, е изразена още през 1931 г. от писателя Борис Житков във фантастичния му разказ "Микроруки". Не можем да се въздържим от цитиране на малки цитати от тази история, за да дадем на читателя истинска оценка на прозрението на писателя:

„Дълго си бърках мозъците и ето какво стигнах: ще направя малки ръце, точно копие на моите - нека са поне двадесет, тридесет пъти по-малки, но ще имат гъвкави пръсти, като моите, ще се стиснат в юмрук, ще се разгънат, ще застанат в същите позиции като живите ми ръце. И ги направих...
Но внезапно ме хрумна една мисъл: мога да направя микро ръце на малките си ръце. Мога да направя същите ръкавици за тях, както направих за живите си ръце, да използвам същата система, за да ги свържа с дръжките, десет пъти по-малки от моите микро ръце, и след това ... ще имам истински микро ръце, вече две сто пъти по-малко от моето движение. С тези ръце ще пробия в такава дребност на живота, която само е видяна, но където никой никога не се е разпореждал със собствените си ръце. И аз трябва да работя...
Исках да направя истински микро-ръце, така че да мога да грабна частици материя, от които се създава материята, онези невъобразимо малки частици, които се виждат само през ултрамикроскоп. Исках да вляза в областта, където човешкият ум губи всякаква представа за размера - изглежда, че няма размери, всичко е толкова невъобразимо малко."

Но това не са само литературни прогнози. Това, което сега се нарича нанообекти, нанотехнология, ако щете, хората отдавна са използвали в живота си. Един от най-ярките примери (в буквален и преносен смисъл) е многоцветното стъкло. Например, създаден през 4 век сл. Хр. NS Бокалът на Ликург, съхраняван в Британския музей, е зелен, когато е осветен отвън, но лилаво-червен, когато е осветен отвътре. Последните проучвания с помощта на електронна микроскопия показват, че този необичаен ефект се дължи на наличието на наноразмерни частици злато и сребро в стъклото. Затова спокойно можем да кажем, че чашата Ликург е изработена от нанокомпозитен материал.

Както се оказва сега, през Средновековието металният нанопрах често се добавял към стъклото за производството на витражи. Вариациите в цвета на стъклото зависят от разликите в добавените частици - естеството на използвания метал и размера на неговите частици. Наскоро беше установено, че тези очила имат и бактерицидни свойства, тоест те не само дават красива игра на светлина в стаята, но и дезинфекцират околната среда.

Ако разгледаме историята на развитието на науката в исторически план, тогава можем да откроим, от една страна, общ вектор - проникването на природните науки "дълбоко" в материята. Движението по този вектор се определя от развитието на средствата за наблюдение. Отначало хората изучаваха обикновения свят, който не изискваше специални инструменти за наблюдение. Наблюденията на това ниво поставят основите на биологията (класификация на живия свят, К. Линей и др.), създава се теорията за еволюцията (К. Дарвин, 1859). Когато се появи телескопът, хората успяха да провеждат астрономически наблюдения (Г. Галилей, 1609 г.). Това доведе до закона за всемирното привличане и класическата механика (И. Нютон, 1642–1727). Когато се появи микроскопът Левенгук (1674 г.), хората навлизат в микрокосмоса (интервал на размерите 1 мм - 0,1 мм). Първоначално това беше само съзерцание на малки, невидими организми. Едва в края на 19 век Л. Пастьор пръв изяснява същността и функциите на микроорганизмите. Приблизително по същото време (края на 19 - началото на 20 век) се извършва революция във физиката. Учените започнаха да проникват вътре в атома, да изучават неговата структура. Отново това се дължи на появата на нови методи и инструменти, които започнаха да използват най-малките частици материя. През 1909 г., използвайки алфа частици (хелиеви ядра с размер около 10 -13 m), Ръдърфорд успява да "види" ядрото на златния атом. Планетарният модел на атома на Бор-Ръдърфорд, създаден на базата на тези експерименти, дава нагледно изображение на необятността на „свободното“ пространство в атома, съвсем сравнимо с космическата празнота на Слънчевата система. Именно празнотата на подобни заповеди е имал предвид Файнман в лекцията си. С помощта на същите α-частици през 1919 г. Ръдърфорд провежда първата ядрена реакция за превръщане на азота в кислород. Така физиците навлизат в пико- и фемто-измерни интервали и разбирането на структурата на материята на атомно и субатомно ниво доведе през първата половина на миналия век до създаването на квантовата механика.

Свят на изгубени ценности

Исторически се случи така, че в мащабната скала (фиг. 2) почти всички области на изследване на измеренията бяха „покрити“, с изключение на областта на наномащаба. Светът обаче не е без визионерски хора. Още в началото на 20-ти век У. Оствалд публикува книгата "Светът на заобиколените количества", която се занимава с нова област на химията по това време - колоидна химия, която се занимава именно с нанометрови частици (въпреки че този термин не е бил все още се използва тогава). Още в тази книга той отбеляза, че фрагментирането на материята в даден момент води до нови свойства, че свойствата на целия материал зависят от размера на частицата.

В началото на двадесети век те все още не са знаели как да "видят" частици с такъв размер, тъй като те лежат под границите на разделителна способност на светлинния микроскоп. Ето защо не е случайно, че за един от началните етапи в появата на нанотехнологиите се счита изобретяването на М. Нол и Е. Руска през 1931 г. на електронен микроскоп. Едва след това човечеството успя да "вижда" обекти с субмикронни и нанометрови размери. И тогава всичко си идва на мястото – основният критерий, по който човечеството приема (или не приема) всякакви нови факти и явления, се изразява в думите на невярващия Тома: „Докато не видя, няма да повярвам”.

Следващата стъпка е направена през 1981 г. – Г. Биниг и Г. Рорер създават сканиращ тунелен микроскоп, който дава възможност не само да се получат изображения на отделни атоми, но и да се манипулират с тях. Тоест технологията е създадена, за която Р. Файнман говори в лекцията си. Тогава започва ерата на нанотехнологиите.

Имайте предвид, че тук отново имаме работа със същата история. Отново, защото по принцип е обичайно човечеството да не обръща внимание на факта, че поне малко, но изпреварва времето си. И така, използвайки примера на нанотехнологиите, се оказва, че нищо ново не е открито, просто те започнаха да разбират по-добре какво се случва наоколо, какво дори в древни времена хората вече са правили, макар и несъзнателно, или по-скоро съзнателно (те знаеха какво искат да получат), но не разбираха физиката и химията. Друг е въпросът, че наличието на технология далеч не означава разбиране на същността на процеса. Те знаеха как да готвят стомана от дълго време, но разбирането за физичните и химичните основи на производството на стомана дойде много по-късно. Тук можете да си спомните, че тайната на дамаската стомана все още не е открита. Ето една друга ипостас – знаем какво трябва да получим, но не знаем как. Така че връзката между науката и технологиите не винаги е проста.

Кой е първият, който се занимава с наноматериалите в съвременното им разбиране? През 1981 г. американският учен Г. Глатер за първи път използва определението „нанокристален“. Той формулира концепцията за създаване на наноматериали и я развива в поредица от работи през 1981-1986 г., въвежда термините „нанокристални“, „наноструктурирани“, „нанофазни“ и „нанокомпозитни“ материали. Основният акцент в тези работи беше поставен върху решаващата роля на многобройните интерфейси в наноматериалите като основа за промяна на свойствата на твърдите тела.

Едно от най-важните събития в историята на нанотехнологиите и развитието на идеологията на наночастиците е и откриването в средата на 80-те - началото на 90-те години на XX век на въглеродни наноструктури - фулерени и въглеродни нанотръби, както и откриването вече през XXI век на метод за производство на графен.

Но да се върнем към определенията.

Първи дефиниции: всичко е много просто

В началото беше много просто. През 2000 г. президентът на САЩ Б. Клинтън подписва документа „ Национална нанотехнологична инициатива„(„Национална нанотехнологична инициатива“), която дава следното определение: нанотехнологията се отнася до създаването на технологии и изследвания на атомно, молекулярно и макромолекулно ниво в рамките на относноот 1 до 100 nm за разбиране на фундаменталните основи на явленията и свойствата на материалите на наномащабно ниво, както и създаването и използването на структури, оборудване и системи с нови свойства и функции, определени от техния размер.

През 2003 г. правителството на Обединеното кралство кандидатства за Кралско общество и Кралска инженерна академияс молба да изразят мнението си за необходимостта от развитие на нанотехнологиите, да оценят предимствата и проблемите, които тяхното развитие може да предизвика. Такъв доклад, озаглавен „ Нанонаука и нанотехнологии: възможности и несигурности„Появи се през юли 2004 г. и в него, доколкото ни е известно, за първи път бяха дадени отделно определения за нанонаука и нанотехнология:

Нанонаука е изследване на явления и обекти на атомно, молекулярно и макромолекулно ниво, чиито характеристики се различават значително от свойствата на техните макроаналози.

Нанотехнологии е проектиране, характеризиране, производство и приложение на структури, устройства и системи, чиито свойства се определят от тяхната форма и размер на нанометрово ниво.

Така под термина "нанотехнология" се разбира като набор от технологични методи, които ви позволяват да създавате нано-обекти и/или да ги манипулирате.Остава само да се дефинират нано-обектите. Но това, оказва се, не е толкова просто, така че по-голямата част от статията е посветена на точно това определение.

Като начало, ето официалната дефиниция, която в момента е най-широко използвана:

Нанообекти (наночастици) са обекти (частици) с характерен размер от 1–100 нанометра в поне едно измерение.

Всичко изглежда добре и разбираемо, само не е ясно защо се дава толкова строго определение на долната и горната граница от 1 и 100 nm? Това изглежда е доброволен избор, особено подозрителен към горната граница. Защо не 70 или 150 nm? Всъщност, като се вземе предвид цялото разнообразие от нано-обекти в природата, границите на нано-обекта на размерната скала могат и трябва да бъдат значително замъглени. И като цяло в природата е невъзможно да се начертаят някакви точни граници - някои обекти плавно се вливат в други и това се случва в определен интервал, а не в дадена точка.

Преди да говорим за границите, нека се опитаме да разберем какво физическо значение се съдържа в понятието "нанообект", защо трябва да се разграничава с отделна дефиниция?

Както бе отбелязано по-горе, едва в края на 20-ти век започва да се появява разбиране (или по-скоро да се утвърждава в умовете), че наномащабният интервал на структурата на материята все още има свои собствени характеристики, че на това ниво материята има други свойства, които не се проявяват в макрокосмоса. Много е трудно да се преведат някои английски термини на руски, но на английски има термин „ насипен материал", което може да се преведе грубо като" голямо количество вещество "," насипно вещество "," непрекъсната среда ". Ето някои свойства " насипни материали»Тъй като размерът на съставните му частици намалява, те могат да започнат да се променят, когато се достигне определен размер. В този случай те казват, че има преход към наносъстоянието на материята, наноматериалите.

И това се случва, защото с намаляване на размера на частиците, фракцията на атомите, разположени на тяхната повърхност и техният принос към свойствата на обекта, става значителен и нараства с по-нататъшно намаляване на размера (фиг. 3).

Но защо увеличаването на фракцията на повърхностните атоми значително влияе върху свойствата на частиците?

Така наречените повърхностни явления са известни отдавна - това са повърхностно напрежение, капилярни явления, повърхностна активност, омокряне, адсорбция, адхезия и т. н. Цялата съвкупност от тези явления се дължи на факта, че силите на взаимодействие между частиците, които изграждат тялото, не са компенсирани по повърхността му (фиг. 4 ). С други думи, атомите на повърхността (кристал или течност – няма значение) са в специални условия. Например в кристалите силите, които ги принуждават да бъдат във възлите на кристалната решетка, действат върху тях само отдолу. Следователно свойствата на тези "повърхностни" атоми се различават от свойствата на същите атоми в обема.

Тъй като броят на повърхностните атоми в нанообектите рязко нараства (фиг. 3), техният принос към свойствата на нанообекта става решаващ и нараства с по-нататъшно намаляване на размера на обекта. Именно това е една от причините за проявата на нови свойства в наномащаба.

Друга причина за промяната в обсъжданите свойства е, че ефектът от законите на квантовата механика започва да се проявява на това ниво на измерения, тоест нивото на наномащаб е нивото на преход, а именно преходът, от царуването на класическите механика до царуването на квантовата механика. А както е известно, най-непредвидими са преходните състояния.

До средата на 20-ти век хората са се научили да работят както с маса от атоми, така и с един атом.

Впоследствие стана очевидно, че „малката купчина атоми“ е нещо друго, не съвсем подобно нито на масата на атомите, нито на единичен атом.

Вероятно за първи път учени и технолози се сблъскват лице в лице с този проблем във физиката на полупроводниците. В стремежа си към миниатюризация те достигат такива размери на частиците (няколко десетки нанометра или по-малко), при които техните оптични и електронни свойства започват рязко да се различават от тези на частиците с „обикновени“ размери. Тогава стана окончателно ясно, че скалата на „наноразмер“ е специална област, различна от зоната на съществуване на макрочастици или непрекъсната среда.

Следователно, в горните определения на нанонауката и нанотехнологиите, най-значимата индикация е, че "истинското нано" започва с появата на нови свойства на вещества, свързани с прехода към тези мащаби и се различават от свойствата на насипните материали. Тоест, най-същественото и най-важното качество на наночастиците, тяхната основна разлика от микро- и макрочастиците е появата в тях на принципно нови свойства, които не се проявяват при други размери. Вече цитирахме литературни примери, отново ще използваме тази техника, за да покажем ясно и подчертаем разликите между макро-, микро- и нано-обектите.

Да се ​​върнем към литературните примери. Героят от разказа на Лесков Левша често се споменава като „ранен” нанотехнолог. Това обаче е погрешно. Основното постижение на Лефти е, че той изкова малки нокти [ „Работил съм по-малък от тези подкови: ковах карамфили, с които подковите бяха изковани, вече не може да се побере малък обем"]. Но тези нокти, макар и много малки, останаха нокти, не загубиха основната си функция – да държат подковата. Така че примерът с Lefty е пример за миниатюризация (микроминиатюризация, ако щете), тоест намаляване на размера на обект без промяна на неговите функционални и други свойства.

Но вече споменатата история на Б. Житков описва точно промяната в имотите:

„Трябваше да изтегля тънка тел - тоест дебелината, която би била като коса за живите ми ръце. Работех и гледах през микроскопа, докато микроръцете протягаха мед. По-тънък, по-тънък - има още пет пъти за разтягане - и тогава жицата се скъса. Дори не се счупи - разпадна се като от глина. Натрошен на фин пясък. Това е червена мед, известна със своята пластичност."

Имайте предвид, че в Уикипедияв статия за нанотехнологиите се дава само увеличение на твърдостта на медта като един от примерите за промени в свойствата с намаляване на размера. (Чудя се как Б. Житков е научил за това през 1931 г.?)

Нано-обекти: квантови равнини, нишки и точки. Въглеродни наноструктури

В края на 20-ти век най-накрая стана очевидно съществуването на определен регион с размер на частиците на материята - областта на наномащаба. Физиците, прецизирайки дефиницията на нано-обектите, твърдят, че горната граница на нано-обекта на скалата на размера най-вероятно съвпада с размера на проявлението на така наречените ефекти с ниски размери или ефекта от намаляване на размерността .

Нека се опитаме да направим обратен превод на последното твърдение от езика на физиците на общочовешкия език.

Живеем в триизмерен свят. Всички реални обекти около нас имат един или друг размер и в трите измерения, или, както казват физиците, имат измерение 3.

Нека направим следния мисловен експеримент. Нека изберем триизмерно, сила на звука,проба от някакъв материал, за предпочитане хомогенен кристал. Нека е куб с дължина на ръба 1 см. Тази проба има определени физични свойства, независимо от нейния размер. Близо до външната повърхност на нашата проба, свойствата може да се различават от тези в насипната част. Относителната част на повърхностните атоми обаче е малка и следователно приносът на промяната в свойствата на повърхността може да бъде пренебрегнат (именно това изискване означава на езика на физиците, че пробата сила на звука). Сега ще разделим куба наполовина - два от характерните му размера ще останат същите, а един, нека е височината д, ще намалее с 2 пъти. Какво се случва със свойствата на пробата? Те няма да се променят. Нека повторим този експеримент още веднъж и измерим свойството, което ни интересува. Ще получим същия резултат. Повтаряйки експеримента няколко пъти, най-накрая ще достигнем някакъв критичен размер. д*, под който имотът, който измерваме, ще започне да зависи от размера д... Защо? В d ≤ d* частта от приноса на повърхностните атоми към свойствата става значителна и ще продължи да нараства с по-нататъшно намаляване д.

Физиците казват, че когато d ≤ d* в нашата извадка има квантов ефект на размера в едно измерение.За тях нашата извадка вече не е триизмерна (което за всеки обикновен човек звучи абсурдно, защото нашата дмакар и малък, но не равен на нула!), то измерението е намалено до две.А самата проба се нарича квантовата равнина,или квантов кладенец,по аналогия с термина "потенциален кладенец", често използван във физиката.

Ако в някаква извадка d ≤ d* в две измерения се нарича едномерен квантов обект,или квантова нишка,или квантов проводник.Имайте обекти с нулево измерение,или квантови точки, d ≤ d* и в трите измерения.

Естествено, критичният размер д* не е постоянна стойност за различни материали и дори за един материал може да варира значително в зависимост от това кое от свойствата, които сме измерили в нашия експеримент, или, с други думи, коя от критичните размерни характеристики на физическите явления определя това свойство (свободен път на електрони на фонони, дължина на вълната на де Бройл, дължина на дифузия, дълбочина на проникване на външно електромагнитно поле или акустични вълни и др.).

Оказва се обаче, че при цялото разнообразие от явления, срещащи се в органични и неорганични материали в живата и неживата природа, стойността д* лежи приблизително в диапазона от 1-100 nm. По този начин "нано-обект" ("наноструктура", "наночастица") е просто още една версия на термина "квантово-измерна структура". Това е обект, който има d ≤ d* в поне едно измерение. Това са частици с намален размер, частици с увеличен дял на повърхностните атоми. Това означава, че е най-логично да ги класифицираме според степента на намаляване на размерността: 2D – квантови равнини, 1D – квантови нишки, 0D – квантови точки.

Целият спектър от намалени размери може лесно да се обясни и най-важното е, че може да се наблюдава експериментално, като се използва примера на въглеродните наночастици.

Откриването на въглеродни наноструктури беше много важен крайъгълен камък в развитието на концепцията за наночастиците.

Въглеродът е едва единадесетият най-разпространен елемент в природата, но благодарение на уникалната способност на атомите му да се комбинират помежду си и да образуват дълги молекули, които включват други елементи като заместители, се появи огромно разнообразие от органични съединения и самият живот. Но дори комбинирайки се само със себе си, въглеродът е в състояние да генерира голям набор от различни структури с много разнообразни свойства - така наречените алотропни модификации. Диамантът, например, е стандарт за прозрачност и твърдост, диелектрик и топлоизолатор. Графитът обаче е идеален „поглъщател“ на светлината, свръхмек материал (в определена посока), един от най-добрите проводници на топлина и електричество (в равнина, перпендикулярна на гореспоменатата посока). Но и двата материала са съставени само от въглеродни атоми!

Но всичко това е на макро ниво. И преходът към наномащаба разкрива нови уникални свойства на въглерода. Оказа се, че "любовта" на въглеродните атоми един към друг е толкова голяма, че те могат без участието на други елементи да образуват цял ​​набор от наноструктури, които се различават една от друга, включително и техните размери. Те включват фулерени, графен, нанотръби, наноконуси и др. (фиг. 5).

Имайте предвид, че въглеродните наноструктури могат да се нарекат „истински“ наночастици, тъй като, както може ясно да се види на фиг. 5, всички техни съставни атоми лежат на повърхността.

Но да се върнем към самия графит. И така, графитът е най-разпространената и термодинамично стабилна модификация на елементарен въглерод с триизмерна кристална структура, състояща се от паралелни атомни слоеве, всеки от които е плътна опаковка от шестоъгълници (фиг. 6). Въглероден атом е разположен във върховете на всеки такъв шестоъгълник, а страните на шестоъгълниците отразяват графично силни ковалентни връзки между въглеродни атоми, чиято дължина е 0,142 nm. Но разстоянието между слоевете е доста голямо (0,334 nm) и следователно връзката между слоевете е доста слаба (в този случай те говорят за взаимодействие на ван дер Ваалс).

Тази кристална структура обяснява особеностите на физическите свойства на графита. Първо, ниска твърдост и способност за лесно ексфолиране на малки люспи. Така например са изписани моливи, чиито графитни люспи, отлепвайки се, остават върху хартията. На второ място, вече споменатата изразена анизотропия на физичните свойства на графита и преди всичко на неговата електропроводимост и топлопроводимост.

Всеки от слоевете на триизмерната структура на графита може да се разглежда като гигантска плоска структура с 2D измерение. Тази двуизмерна структура, изградена само от въглеродни атоми, се нарича "графен". Сравнително лесно е да се получи такава структура, поне в мисловен експеримент. Вземете молив и започнете да пишете. Височина на оловото дще намалее. Ако имате достатъчно търпение, тогава в един момент стойността дще бъде равен д*, и получаваме квантовата равнина (2D).

Дълго време проблемът за стабилността на плоските двуизмерни структури в свободно състояние (без субстрат) като цяло и графена в частност, както и електронните свойства на графена, са били обект само на теоретични изследвания. Съвсем наскоро, през 2004 г., група физици, ръководени от А. Гейм и К. Новоселов, получиха първите образци на графен, които революционизираха това поле, тъй като се оказа, че такива двуизмерни структури показват по-специално невероятни електронни свойства, качествено различен от всички наблюдавани по-рано. Ето защо днес стотици експериментални групи изследват електронните свойства на графена.

Ако сгънем графенов слой, моноатомен по дебелина, в цилиндър, така че шестоъгълната мрежа от въглеродни атоми да се затвори без шевове, тогава ще "конструираме" едностенна въглеродна нанотръба.Експериментално могат да се получат едностенни нанотръби с диаметър от 0,43 до 5 nm. Характерните особености на геометрията на нанотръбите са рекордните стойности на специфичната повърхност (средно ~ 1600 m2 / g за едностенни тръби) и съотношението на дължината към диаметъра (100 000 и повече). По този начин нанотръбите са 1D нанообекти - квантови нишки.

Експериментите също така наблюдават многостенни въглеродни нанотръби (фиг. 7). Те се състоят от вмъкнати един в друг коаксиални цилиндри, чиито стени са на разстояние (около 3,5 Å), близко до междуплоскостното разстояние в графит (0,334 nm). Броят на стените може да варира от 2 до 50.

Ако поставим парче графит в атмосфера от инертен газ (хелий или аргон) и след това го осветим с лъч на мощен импулсен лазер или концентрирана слънчева светлина, тогава можем да изпарим материала на нашата графитна мишена (имайте предвид, че за това температурата на целевата повърхност трябва да бъде най-малко 2700 ° C) ... При такива условия над повърхността на мишената се образува плазма, състояща се от отделни въглеродни атоми, които се увличат от потока на студен газ, което води до охлаждане на плазмата и образуване на въглеродни клъстери. Така се оказва, че при определени условия на клъстериране въглеродните атоми се затварят с образуването на рамкова сферична молекула C 60 с размер 0D (т.е. квантова точка), вече показана на фиг. 1.

Такова спонтанно образуване на молекула С 60 във въглеродната плазма е открито в съвместен експеримент от Г. Крото, Р. Кърл и Р. Смоли, проведен в продължение на десет дни през септември 1985 г. нанотръби и наноклъстери: Генеалогия на формите и идеите “, който описва в детайли увлекателната история на това откритие и събитията, които го предхождат (с кратки екскурзии в историята на науката до Ренесанса и дори Античността), а също така обяснява мотивацията на странното на пръв поглед (и само на пръв поглед) името на новата молекула - Бъкминстерфулерен -в чест на архитекта Р. Бъкминстър Фулър (виж и книгата [Пиотровский, Киселев, 2006]).

Впоследствие беше открито, че има цяло семейство въглеродни молекули - фулерени -под формата на изпъкнали многогранници, състоящи се само от шестоъгълни и петоъгълни лица (фиг. 8).

Именно откриването на фулерени се превърна в един вид магически „златен ключ“ към новия свят на наномащабни структури, изработени от чист въглерод, което предизвика експлозия на работата в тази област. Към днешна дата са открити голям брой различни въглеродни клъстери с фантастично (в буквалния смисъл на думата!) разнообразие от структура и свойства.

Но да се върнем към наноматериалите.

Наноматериалисе наричат ​​материали, чиито структурни единици са нанообекти (наночастици). Образно казано, сграда от наноматериал е изградена от тухли-нанообекти. Ето защо е най-продуктивно да се класифицират наноматериалите по отношение на размера както на самата проба от наноматериал (външни размери на матрицата), така и на размера на съставящите я нанообекти. Най-подробната класификация от този вид е дадена в работата. 36-те класа наноструктури, представени в тази работа, описват цялото разнообразие от наноматериали, някои от които (като гореспоменатите фулерени или въглероден нанопрах) вече са успешно синтезирани, а някои все още очакват своето експериментално прилагане.

Защо не е толкова просто

Така че можем стриктно да дефинираме понятията „нанонаука“, „нанотехнология“ и „наноматериали“, които ни интересуват, само ако разберем какво е „нанообект“.

"Нанообектът", от своя страна, има две дефиниции. Първият, по-прост (технологичен): това са обекти (частици) с характерен размер приблизително 1-100 нанометра в поне едно измерение. Второто определение, по-научно, физическо: обект с намалено измерение (в който d ≤ d* в поне едно измерение).

Доколкото знаем, няма други определения.

Прави впечатление обаче, че научното определение също има сериозен недостатък. А именно: в него, за разлика от технологичния, се определя само горната граница на наномащаб. Трябва ли да има долна граница? Според нас, разбира се, трябва. Първата причина за съществуването на долната граница директно следва от физическата същност на научната дефиниция на нанообект, тъй като повечето от ефектите на намаляване на размерите, обсъдени по-горе, са ефекти на квантово ограничение или явления с резонансно естество. С други думи, те се наблюдават, когато характерните дължини на ефекта и размера на обекта съвпадат, т.е. не само за д ≤ д*, което вече беше обсъдено, но в същото време само ако размерът днадвишава определена долна граница д** (д** ≤ д ≤ д*). Освен това е очевидно, че количеството д *може да варира за различните явления, но трябва да надвишава размера на атомите.

Нека илюстрираме горното с примера на въглеродните съединения. Полицикличните ароматни въглеводороди (ПАВ) като нафталин, бензпирен, хризен и др. са формално аналози на графена. Освен това най-големият известен PAH има общата формула C 222 H 44 и съдържа 10 бензолови пръстена по диагонал. Те обаче нямат невероятните свойства, които притежава графенът, и не могат да се разглеждат като наночастици. Същото важи и за нанодиамантите: до ~ 4–5 nm, това са нанодиаманти, но близо до тези граници и дори излизайки от тях, се приближават по-високи диамандоиди (аналози на адамантан с кондензирани диамантени клетки като основа на структурата).

И така: ако в границата размерът на обект и в трите измерения е равен на размера на атома, тогава, например, кристал, съставен от такива 0-мерни обекти, няма да бъде наноматериал, а обикновен атомен кристал. Очевидно е. Също така е очевидно, че броят на атомите в нанообект все още трябва да надвишава един. Ако нанообектът има и трите стойности дпо-малко от д **,той престава да бъде. Такъв обект трябва да бъде описан на езика на описание на отделни атоми.

И ако не и трите размера, а само един например? Такъв обект остава ли нанообект? Разбира се, да. Такъв обект е например споменатият вече графен. Фактът, че характерният размер на графена в едно измерение е равен на диаметъра на въглеродния атом, не го лишава от свойствата на наноматериал. И тези свойства са абсолютно уникални. Измерени са проводимостта, ефектът на Шубников - де Хаас и квантовият ефект на Хол в графенови филми с атомна дебелина. Експериментите потвърдиха, че графенът е полупроводник с нулева междина, докато в точките на контакт между валентната и проводимостта енергийният спектър на електроните и дупките е линеен като функция на вълновия вектор. Този вид спектър се притежава от частици с нулева ефективна маса, по-специално фотони, неутрино и релативистични частици. Разликата между фотоните и безмасовите носители в графена е, че последните са фермиони и са заредени. В момента няма аналози на тези безмасови заредени дираков фермиони сред известните елементарни частици. Днес графенът представлява голям интерес както за тестване на много теоретични предположения от областта на квантовата електродинамика и теорията на относителността, така и за създаване на нови наноелектронни устройства, по-специално балистични и едноелектронни транзистори.

За нашата дискусия е много важно, че най-близкото нещо до концепцията за нанообект е размерна област, където се реализират така наречените мезоскопични явления. Това е минималната площ, за която е разумно да се говори не за свойствата на отделните атоми или молекули, а за свойствата на материала като цяло (например при определяне на температурата, плътността или проводимостта на материала) . Мезоскопичните размери попадат точно в диапазона от 1-100 nm. (Префиксът „мезо-“ идва от гръцката дума за „средно“, междинно между атомните и макроскопичните измерения.)

Всеки знае, че психологията се занимава с поведението на индивидите, докато социологията се занимава с поведението на големи групи хора. Така че отношенията в група от 3-4 души могат да се характеризират по подобен начин като мезо-явления. По същия начин, както бе споменато по-горе, малка купчина атоми е нещо, което не прилича нито на „купчина“ от атоми, нито на един атом.

Тук трябва да се отбележи още една важна характеристика на свойствата на нанообектите. Въпреки факта, че за разлика от графена, въглеродните нанотръби и фулерените са формално 1- и 0-мерни обекти, по същество това не е напълно вярно. Или по-скоро не е така в същото време. Въпросът е, че нанотръбата е същият графенов 2D моноатомен слой, навит в цилиндър. А фулеренът е въглероден двуизмерен слой с моноатомна дебелина, затворен върху повърхността на сфера. Тоест свойствата на нанообектите значително зависят не само от техния размер, но и от топологичните характеристики - просто казано, от тяхната форма.

И така, правилната научна дефиниция на нанообект трябва да бъде както следва:

е обект с поне един от размерите ≤ d*, докато поне един от размерите надвишава d **. С други думи, обектът е достатъчно голям, за да притежава макро-свойствата на вещество, но в същото време се характеризира с намалено измерение, т.е. поне в едно от измеренията е достатъчно малък за стойностите на тези свойства да се различават значително от съответните свойства на макрообекти от едно и също вещество, значително зависи от размера и формата на обекта. В този случай точните стойности на размерите d*и d ** може да варира не само от вещество до вещество, но и за различни свойства на едно и също вещество.

Фактът, че тези съображения в никакъв случай не са схоластични (като „с колко песъчинки започва една купчина?“), но имат дълбоко значение за разбирането на единството на науката и непрекъснатостта на света около нас, става очевиден, ако насочваме вниманието си към нанообекти от органичен произход.

Органични нанообекти - надмолекулни структури

По-горе разгледахме само неорганични относително хомогенни материали и вече там всичко не беше толкова просто. Но на Земята има колосално количество материя, която не просто е трудна, но и не може да се нарече хомогенна. Говорим за биологични структури и живата материя като цяло.

Националната нанотехнологична инициатива посочва като една от причините за специалния интерес към областта на наномащаба:

Тъй като системната организация на материята в наномащаба е ключова характеристика на биологичните системи, нанонауката и технологиите ще направят възможно включването на изкуствени компоненти и ансамбли в клетките, като по този начин се създават нови структурно организирани материали, базирани на имитиране на методи за самосглобяване в природата.

Нека сега се опитаме да разберем какво е значението на концепцията за „наноразмер“, приложена към биологията, като се има предвид, че преходът към този диапазон на размерите трябва фундаментално или драстично да промени свойствата. Но първо, нека си припомним, че към нанорегиона може да се подходи по два начина: „отгоре надолу“ (фрагментация) или „отдолу нагоре“ (синтез). И така, движението "отдолу нагоре" за биологията не е нищо повече от образуване на биологично активни комплекси от отделни молекули.

Нека разгледаме накратко химичните връзки, които определят структурата и формата на молекулата. Първата и най-силна е ковалентната връзка, характеризираща се със строга насоченост (само от един атом към друг) и определена дължина, която зависи от вида на връзката (единична, двойна, тройна и др.). Ковалентните връзки между атомите определят "първичната структура" на всяка молекула, тоест кои атоми и в какъв ред са свързани един с друг.

Но има и други видове връзки, които определят това, което се нарича вторична структура на молекулата, нейната форма. Това е преди всичко водородна връзка - връзка между полярен атом и водороден атом. Най-близо е до ковалентна връзка, тъй като също се характеризира с определена дължина и посока. Тази връзка обаче е слаба, нейната енергия е с порядък по-ниска от енергията на ковалентната връзка. Останалите видове взаимодействия са ненасочени и се характеризират не с дължината на образуваните връзки, а със скоростта на намаляване на енергията на връзката с увеличаване на разстоянието между взаимодействащите атоми (действие на далечни разстояния). Йонната връзка е взаимодействие на далечни разстояния, взаимодействията на ван дер Ваалс са къси. Така че, ако разстоянието между две частици се увеличи с rпъти, то в случай на йонна връзка привличането ще намалее до 1 / r 2 от първоначалната стойност, в случай на вече споменатото ван дер Ваалсово взаимодействие - до 1 / r 3 или повече (до 1 / r 12). Всички тези взаимодействия в общия случай могат да бъдат определени като междумолекулни взаимодействия.

Нека сега разгледаме такова понятие като "биологично активна молекула". Трябва да се признае, че самата молекула на материята представлява интерес само за химиците и физиците. Те се интересуват от нейната структура („първична структура“), нейната форма („вторична структура“), такива макроскопични показатели като например агрегатно състояние, разтворимост, точки на топене и кипене и др., и микроскопични (електронни ефекти и взаимното влияние на атомите в дадена молекула, спектралните свойства като проява на тези взаимодействия). С други думи, говорим за изследване на свойствата, проявени по принцип от една молекула. Припомнете си, че по дефиниция молекулата е най-малката частица от вещество, което носи неговите химични свойства.

От гледна точка на биологията, „изолирана“ молекула (в този случай няма значение дали е една молекула или определен брой идентични молекули) не е в състояние да проявява никакви биологични свойства. Тази теза звучи доста парадоксално, но нека се опитаме да я обосноваме.

Нека разгледаме това като използваме примера на ензимите - протеинови молекули, които са биохимични катализатори. Например, ензимът хемоглобин, който осигурява преноса на кислород към тъканите, се състои от четири протеинови молекули (субединици) и една така наречена простетична група - хем, който съдържа железен атом, нековалентно свързан с протеиновите субединици на хемоглобина. .

Основният, или по-скоро определящият принос за взаимодействието на протеинови субединици и хем, взаимодействието, водещо до образуването и стабилността на супрамолекулния комплекс, който се нарича хемоглобин, се осъществява от сили, наричани понякога хидрофобни взаимодействия, но представляващи силите на междумолекулно взаимодействие. Връзките, образувани от тези сили, са много по-слаби от ковалентните връзки. Но при допълнително взаимодействие, когато две повърхности са много близо една до друга, броят на тези слаби връзки е голям и следователно общата енергия на взаимодействие на молекулите е достатъчно висока и полученият комплекс е доста стабилен. Но докато тези връзки не се образуват между четирите субединици, докато протетичната група (скъпоценните камъни) се присъедини (отново поради нековалентни връзки), при никакви обстоятелства отделни части на хемоглобина не могат да свързват кислорода и още повече не могат да го прехвърлят никъде. И следователно те не притежават тази биологична активност. (Същите разсъждения могат да бъдат разширени до всички ензими като цяло.)

В този случай самият процес на катализа предполага образуването по време на реакцията на комплекс от най-малко два компонента - самия катализатор и молекула (молекули), наречени субстрат (и), претърпяващи (техните) някакъв вид химични трансформации под действието на катализатора. С други думи, трябва да се образува комплекс от най-малко две молекули, т.е. супрамолекуларен (супрамолекуларен) комплекс.

Идеята за допълващо взаимодействие е предложена за първи път от Е. Фишер, за да обясни взаимодействието на лекарствените вещества с тяхната цел в тялото и наречена взаимодействие „от ключ към заключване“. Въпреки че лекарствените (и други биологични вещества) в никакъв случай не са ензими във всички случаи, те също са способни да причинят какъвто и да е биологичен ефект само след взаимодействие със съответната биологична цел. И подобно взаимодействие, отново, не е нищо повече от образуването на надмолекулен комплекс.

Следователно, проявата на "обикновени" молекули с принципно нови свойства (в този случай биологична активност) е свързана с образуването на супрамолекулни (супрамолекулни) комплекси с други молекули поради силите на междумолекулното взаимодействие. Така са подредени повечето ензими и системи в тялото (рецептори, мембрани и т.н.), включително такива сложни структури, които понякога се наричат ​​биологични „машини“ (рибозоми, АТФаза и др.). И това се случва точно на ниво нанометър размер -от един до няколко десетки нанометра.

С по-нататъшно усложняване и увеличаване на размера (повече от 100 nm), т.е. при преминаване към друго измерено ниво (микрониво), възникват много по-сложни системи, които са способни не само на самостоятелно съществуване и взаимодействие (по-специално обмен на енергия) с заобикалящата ги среда, но и до самовъзпроизвеждане. Тоест свойствата на цялата система отново се променят – тя става толкова сложна, че вече е способна да се самовъзпроизвежда, появява се това, което наричаме живи структури.

Много мислители многократно са се опитвали да дефинират живота. Без да навлизаме във философски дискусии, отбелязваме, че според нас животът е съществуването на самовъзпроизвеждащи се структури, а живите структури започват от една клетка. Животът е микро- и макроскопичен феномен, но основните процеси, които осигуряват функционирането на живите системи, протичат на наномащабно ниво.

Функционирането на жива клетка като интегрирано саморегулиращо устройство с изразена структурна йерархия се осигурява чрез миниатюризация на наномащабно ниво. Очевидно е, че миниатюризацията на наномащабно ниво е основен атрибут на биохимията и следователно еволюцията на живота се състои от появата и интегрирането на различни форми на наноструктурирани обекти. Именно наноразмерната част от структурната йерархия, ограничена по размер както отгоре, така и отдолу (!), е от решаващо значение за външния вид и способността на клетките да съществуват. Тоест, това е нивото на наномащаба, което представлява прехода от молекулярно ниво към нивото на Живото.

Въпреки това, поради факта, че миниатюризацията на наномащабно ниво е основен атрибут на биохимията, е невъзможно да се считат каквито и да било биохимични манипулации като нанотехнологични - нанотехнологиите все още предполагат дизайна, а не тривиалното използване на молекули и частици.

Заключение

В началото на статията вече се опитахме да класифицираме по някакъв начин обекти от различни природни науки според принципа на характерните размери на обектите, които изучават. Нека се върнем към това отново и, прилагайки тази класификация, откриваме, че атомната физика, която изучава взаимодействията вътре в атома, има субангстромални (фемто- и пико-) размери.

"Обикновената" неорганична и органична химия са размерите на ангстрема, нивото на отделните молекули или връзките в кристалите на неорганичните вещества. Но биохимията е нивото на наномащаба, нивото на съществуване и функциониране на супрамолекулни структури, стабилизирани от нековалентни междумолекулни сили.

Но биохимичните структури все още са сравнително прости и могат да функционират относително независимо ( инвитроако желаете). По-нататъшно усложнение, образуването на сложни ансамбли от надмолекулни структури - това е преход към самовъзпроизвеждащи се структури, преход към Живи. И тук, вече на ниво клетки, това са микроразмери, а на ниво организми – макроразмери. Това е биология и физиология.

Наномащабът е преходен регион от молекулярно ниво, което формира основата на съществуването на всички живи същества, състоящи се от молекули, до нивото на Живото, нивото на съществуване на самовъзпроизвеждащи се структури и наночастиците, които са надмолекулни структури, стабилизирани от силите на междумолекулното взаимодействие, са преходна форма от отделни молекули към сложни функционални системи. Това може да бъде отразено чрез диаграма, която подчертава, по-специално, непрекъснатостта на Природата (фиг. 9). В схемата светът на наномащаба е разположен между атомно-молекулярния свят и света на Живите, състоящ се от едни и същи атоми и молекули, но организирани в сложни самовъзпроизвеждащи се структури, и преходът от един свят към друг се определя не само (и не толкова) от размера на структурите, а от тяхната сложност ... Природата отдавна е измислила и използва супрамолекулни структури в живите системи. Ние, от друга страна, далеч не винаги сме в състояние да разберем, камо ли да повторим това, което Природата прави лесно и естествено. Но човек не може да очаква милости от нея, трябва да се учи от нея.

литература:
1) Вул А.Я., Соколов В.И.Изследване на нановъглеродите в Русия: от фулерени до нанотръби и нанодиаманти / Руски нанотехнологии, 2007. Т. 3 (3-4).
2) Кац Е.А.Фулерени, въглеродни нанотръби и наноклъстери: генеалогия на форми и идеи. - М.: LKI, 2008.
3) Оствалд В.Свят на заобиколени ценности. - М .: Издателство на дружеството "Мир", 1923 г.
4) Пиотровски Л.Б., Киселев О.И.Фулерени в биологията. - Росток, Санкт Петербург, 2006.
5) Ткачук В.А.Нанотехнологии и медицина // Руски нанотехнологии, 2009. Т. 4 (7–8).
6) Хобза П., Заградник Р.Междумолекулни комплекси. - М .: Мир, 1989.
7) Ман С.Животът като наномащабно явление. Angew. Chem. Int. Изд. 2008, 47, 5306-5320.
8) Покропивни В.В., Скороход В.В.Нови класификации по размерност на наноструктурите // Physica E, 2008, v. 40, стр. 2521-2525.

Нано - 10 -9, пико - 10 -12, фемто - 10 -15.

При това не само да видиш, но и да докоснеш. „Но той им каза: ако не видя раните на ноктите в ръцете Му, и не сложа пръста си в раните на ноктите, и не туря ръката си в ребрата Му, няма да повярват” [Евангелие от Йоан, глава 20, стих 24].

Например, той говори за атомите още през 430 г. пр.н.е. NS Демокрит. Тогава Далтън, през 1805 г., твърди, че: 1) елементите са изградени от атоми, 2) атомите на един елемент са идентични и различни от атомите на друг елемент и 3) атомите не могат да бъдат унищожени при химическа реакция. Но едва от края на 19 век започват да се развиват теориите за структурата на атома, което предизвиква революция във физиката.

Понятието "нанотехнология" е въведено през 1974 г. от японеца Норио Танигучи. Дълго време терминът не беше широко използван сред специалистите, работещи в сродни области, тъй като Танигучи използва концепцията за "нано" само за да обозначи точността на повърхностната обработка, например в технологии, които позволяват контролиране на грапавостта на повърхността на материалите при ниво по-малко от микрометър и др.

Понятията "фулерени", "въглеродни нанотръби" и "графен" ще бъдат разгледани подробно във втората част на статията.

Експериментална илюстрация на това твърдение е наскоро публикуваната разработка на технологични методи за получаване на графенови листове чрез "химическо рязане" и "развиване" на въглеродни нанотръби.

Думата "микроскопичен" се използва тук само защото тези свойства бяха наречени по-рано, въпреки че в този случай говорим за свойствата, проявени от молекули и атоми, тоест за интервала на пиковия размер.

Което по-специално доведе до появата на гледната точка, че животът е феномен с нанометрови размери [ Ман, 2008], което според нас не е напълно вярно.