Flere enheder- enheder, der er et helt antal gange større end den grundlæggende måleenhed for en fysisk størrelse. Det internationale system af enheder (SI) anbefaler følgende decimalpræfikser for flere enheder:

Anvendelse af decimalpræfikser på binære enheder

Hovedartikel: Binære præfikser

I programmerings- og computerindustrien er de samme præfikser kilo, mega, giga, tera osv., når de anvendes på multipla af potenser af to (f.eks. byte), kan betyde en multiplicitet på ikke 1000, men 1024 = 2 10. Hvilket system der anvendes, bør fremgå af konteksten (f.eks. i forhold til mængden af ​​RAM bruges en multiplicitet på 1024, og i forhold til diskhukommelsesvolumen bruges en multiplicitet på 1000 af producenterne af hard drev).

For at undgå forvirring i april 1999 år Den Internationale Elektrotekniske Kommission introducerede en ny standard for navngivning af binære tal (se. Binære præfikser).

Brøkenhedspræfikser

Fraktionelle enheder, udgør en vis brøkdel (del) af den etablerede måleenhed for en bestemt værdi. Det internationale system af enheder (SI) anbefaler følgende præfikser for sub-multipler:

Oprindelse af præfikser

De fleste præfikser er afledt af græsk ord. Soundboard kommer fra ordet deca eller deka(δέκα) - "ti", hekto - fra hekaton(ἑκατόν) - "et hundrede", kilo - fra chiloi(χίλιοι) - "tusind", mega - fra megas(μέγας), det vil sige "stor", giga er gigantos(γίγας) - "kæmpe", og tera - fra teratos(τέρας) som betyder "monstrøs". Peta (πέντε) og exa (ἕξ) svarer til fem og seks tusinde cifre og er oversat til henholdsvis "fem" og "seks". Langsigtet mikro (fra mikros, μικρός) og nano (fra nanoer, νᾶνος) er oversat til "lille" og "dværg". Fra ét ord ὀκτώ ( októ) betyder "otte", dannet af præfikserne yotta (1000 8) og yokto (1/1000 8).

Som "tusind" er oversat og præfikset milli, som går tilbage til lat. mille... Latinske rødder har også præfikserne santi - fra centum("Hundrede") og deci - fra decimus("Tiende"), zetta - fra septem("syv"). Zepto ("syv") kommer fra lat. ordene septem eller fra fr. sept.

Præfikset atto er afledt af datoer. atten("atten"). Femto går tilbage til datoer. og norv. femten eller til dr.-nor. fimmtān og betyder femten.

Pico-præfikset kommer fra enten fr. pico("Næb" eller "lille mængde"), eller fra ital. piccolo, altså "lille".

Regler for brug af præfikser

Præfikser skal skrives sammen med enhedens navn eller med dens betegnelse.

Det er ikke tilladt at bruge to eller flere vedhæftede filer i træk (f.eks. micromillifarad).

Betegnelserne for multipla og sub-multipler af den oprindelige enhed hævet til en potens dannes ved at lægge den tilsvarende eksponent til betegnelsen for en multiplum eller sub-multiplum af den oprindelige enhed, og indikatoren betyder at hæve en multiplum eller sub-multiplum til en potens (sammen med præfikset). Eksempel: 1 km² = (10³ m) ² = 10 6 m² (ikke 10³ m²). Navnene på sådanne enheder dannes ved at knytte et præfiks til navnet på den oprindelige enhed: en kvadratkilometer (ikke en kilo-kvadratmeter).

Hvis enheden er et produkt eller et forhold mellem enheder, er præfikset eller dets betegnelse normalt knyttet til navnet eller betegnelsen for den første enhed: kPa s/m (kilopascal sekund pr. meter). Det er kun tilladt at knytte et præfiks til den anden multiplikator af værket eller til nævneren i begrundede tilfælde.

Anvendelighed af præfikser

På grund af det faktum, at navnet på masseenheden i SI- kilogram - indeholder præfikset "kilo", til dannelse af multiple og fraktionerede masseenheder, brug en fraktioneret masseenhed - gram (0,001 kg).

Præfikser bruges begrænset med tidsenheder: flere præfikser kombineres slet ikke med dem - ingen bruger "kilosekund", selvom dette ikke formelt er forbudt, dog er der en undtagelse fra denne regel: kosmologi enheden er brugt" gigagod»(milliard år); sidebeslag monteres kun på sekund(millisekund, mikrosekund osv.). I overensstemmelse med GOST 8.417-2002, må navn og betegnelser for følgende SI-enheder ikke bruges med præfikserne: minut, time, dag (tidsenheder), grad, minut, sekund(flade vinkelenheder), astronomisk enhed, dioptri og atommasseenhed.

MED meter Af de mange præfikser bruges der i praksis kun kilo: i stedet for megameter (Mm), gigameter (Hm) osv., skriver de "tusinder af kilometer", "millioner af kilometer" osv.; i stedet for kvadratmegameter (Mm²) skriver de "millioner af kvadratkilometer".

Kapacitet kondensatorer traditionelt målt i mikrofarader og picofarads, men ikke millifarads eller nanofarads [ kilde ikke angivet 221 dage ] (de skriver 60.000 pF, ikke 60 nF; 2000 uF, ikke 2 mF). Inden for radioteknik er brugen af ​​en nanofarad-enhed dog tilladt.

Det anbefales ikke at bruge præfikser svarende til eksponenter, der ikke er delelige med 3 (hekto-, deca-, deci-, centi-). Kun meget brugt centimeter(som er den grundlæggende enhed i systemet GHS) og decibel, i mindre grad - decimeter og hektopascal (in meteorologiske rapporter), og hektar... I nogle lande mængden skyld målt i decaliter.

Længde- og afstandsomformer Masseomformer Bulk- og madvolumenomformer Arealomformer Kulinarisk opskrift Volumen og enheder Konverter Temperaturomformer Tryk, Stress, Young's moduluskonverter Energi- og arbejdsomformer Strømomformer Kraftomformer Tidsomformer Lineær hastighedsomformer Fladvinkelomformer Termisk effektivitet og brændstofeffektivitet Numerisk Konverteringssystemer Omregner af information Målesystemer Valutakurser Dametøj og -sko Størrelser Herretøj og -sko Størrelser Vinkelhastighed og Rotationshastighed Konverter Acceleration Konverter Vinkelacceleration Konverter Tæthed Konverter Specifik Volumen Konverter Inertimoment Konverter Kraftmoment Konverter Drejningsmomentomformer Specifik brændværdi ) konverter Energitæthed og specifik brændværdi (volumen) konverter Temperaturforskel konverter Koefficient konverter Termisk udvidelseskoefficient Termisk modstandskonverter Termisk ledningsevne konverter Specifik varmekapacitet konverter Termisk eksponering og strålingseffekt konverter Varmefluxtæthed konverter Varmeoverførselskoefficient konverter Volumetrisk strømningshastighed konverter Massestrømshastighed Molær strømningshastighed konverter Masse flux tæthed konverter Mol koncentration konverter Masse koncentration i opløsning konverter absolut) viskositet Kinematisk viskositetsomformer Overfladespændingsomformer Dampgennemtrængelighedsomformer Dampgennemtrængelighed og dampoverførselshastighedsomformer Lydniveauomformer Mikrofonfølsomhedsomformer Lydtryksniveauomformer (SPL) Lydtryksniveauomformer med valgbart referencetryk Luminanskonverter Lysintensitetsomformer Lysintensitetsomformer Opløsning til computer konverter diagram Frekvens og bølgelængde konverter Optisk effekt til dioptri x og brændvidde Optisk effekt i dioptrier og linseforstørrelse (×) Elektrisk ladningskonverter Lineær ladningstæthed konverter Overfladeladningstæthed konverter Bulk charge densitet konverter Elektrisk strøm lineær strømtæthed konverter Overflade strømtæthed konverter Elektrisk feltstyrke konverter Elektrostatisk potentiale og spænding konverter Elektrisk Resistivitet Elektrisk Resistivitets-omformer Elektrisk ledningsevne-omformer Elektrisk ledningsevne-omformer Elektrisk Kapacitans Induktans-omformer American Wire Gauge Converter-niveauer i dBm (dBm eller dBmW), dBV (dBV), watt osv. enheder Magnetomotiv kraftkonverter Magnetisk feltstyrkekonverter Magnetisk fluxkonverter Magnetisk induktionskonverter Stråling. Ioniserende stråling Absorberet Dosis Rate Converter Radioaktivitet. Radioaktivt henfald Strålingsomformer. Eksponeringsdosiskonverter stråling. Absorberet dosisomregner Decimalpræfikskonverter Dataoverførsel Typografi og billedbehandlingsenhedsomregner Trævolumenenhedsomregner Beregning af molmasse Periodisk tabel for kemiske grundstoffer D. I. Mendeleev

1 mega [M] = 0,001 giga [G]

Startværdi

Omregnet værdi

uden præfiks iotta zetta exa peta tera giga mega kilo hekto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yokto

Massekoncentration i opløsning

Metrisk og internationalt system af enheder (SI)

Introduktion

I denne artikel vil vi tale om det metriske system og dets historie. Vi vil se, hvordan og hvorfor det begyndte, og hvordan det gradvist blev til det, vi har i dag. Vi vil også se på SI-systemet, som er udviklet ud fra det metriske målsystem.

For vores forfædre, som levede i en verden fuld af farer, gjorde evnen til at måle forskellige mængder i deres naturlige habitat det muligt at komme tættere på at forstå essensen af ​​naturfænomener, erkendelse af deres miljø og evnen til på en eller anden måde at påvirke, hvad der omgav dem . Derfor har man forsøgt at opfinde og forbedre forskellige målesystemer. I begyndelsen af ​​den menneskelige udvikling var det ikke mindre vigtigt at have et system af målinger, end det er nu. Det var nødvendigt at udføre forskellige målinger, når man byggede et hus, syede tøj i forskellige størrelser, lavede mad og selvfølgelig handel og bytte kunne ikke undvære måling! Mange mener, at oprettelsen og vedtagelsen af ​​det internationale SI-system af enheder er den mest alvorlige præstation, ikke kun for videnskab og teknologi, men også af udviklingen af ​​menneskeheden generelt.

Tidlige målesystemer

I tidlige målesystemer og talsystemer brugte mennesker traditionelle objekter til at måle og sammenligne. For eksempel menes det, at decimalsystemet opstod på grund af det faktum, at vi har ti fingre og tæer. Vores hænder er altid med os - derfor har folk siden oldtiden brugt (og bruger stadig) fingre til at tælle. Og alligevel har vi ikke altid brugt base 10-systemet til at tælle, og det metriske system er en relativt ny opfindelse. Hver region har sine egne systemer af enheder, og selvom disse systemer har meget til fælles, er de fleste systemer stadig så forskellige, at konvertering af måleenheder fra et system til et andet altid har været et problem. Dette problem blev mere og mere alvorligt med udviklingen af ​​handel mellem forskellige folkeslag.

Nøjagtigheden af ​​de første systemer af mål og vægt afhang direkte af størrelsen af ​​de objekter, der omgav de mennesker, der udviklede disse systemer. Det er tydeligt, at målingerne var unøjagtige, da "måleapparaterne" ikke var præcist dimensionerede. For eksempel blev kropsdele almindeligvis brugt som et længdemål; masse og volumen blev målt ved hjælp af volumen og massen af ​​frø og andre små genstande, hvis dimensioner var mere eller mindre de samme. Nedenfor vil vi se nærmere på sådanne enheder.

Mål for længde

I det gamle Egypten blev længden oprindeligt målt simpelt albuer, og senere med kongelige albuer. Albuelængde blev defineret som segmentet fra albuebøjningen til enden af ​​den forlængede mellemtå. Den kongelige alen blev således defineret som den regerende faraos alen. En albuemodel blev skabt og gjort tilgængelig for offentligheden, så alle kunne lave deres egne længdemål. Dette var selvfølgelig en vilkårlig enhed, der ændrede sig, da en ny regerende person overtog tronen. Det gamle Babylon brugte et lignende system med mindre forskelle.

Albuen blev opdelt i mindre enheder: Håndflade, hånd, korn(fødder), og du(finger), som var repræsenteret ved henholdsvis bredden af ​​håndfladen, hånden (med tommelfingeren), foden og tåen. Samtidig besluttede de at blive enige om, hvor mange fingre der er i håndfladen (4), i hånden (5) og albuen (28 i Egypten og 30 i Babylon). Det var mere bekvemt og mere præcist end at måle forhold hver gang.

Mål for masse og vægt

Vægtene var også baseret på parametrene for forskellige emner. Frø, korn, bønner og lignende genstande blev brugt som vægtmål. Et klassisk eksempel på en masseenhed, der stadig bruges i dag er karat... Nu måler karat massen af ​​ædelsten og perler, og engang blev vægten af ​​johannesbrødtræets frø, ellers kaldet johannesbrød, bestemt som en karat. Træet dyrkes i Middelhavet, og dets frø er kendetegnet ved en konstant masse, så det var praktisk at bruge dem som et mål for vægt og masse. Forskellige steder blev forskellige frø brugt som små vægtenheder, og større enheder var normalt multipla af mindre enheder. Arkæologer finder ofte lignende store vægte, normalt lavet af sten. De bestod af 60, 100 og andre små enheder. Da der ikke var en enkelt standard for antallet af små enheder, samt for deres vægt, førte det til konflikter, når sælgere og købere, der boede forskellige steder, mødtes.

Mængdemål

Indledningsvis blev volumen også målt ved hjælp af små genstande. For eksempel blev volumenet af en gryde eller kande bestemt ved at fylde den til randen med små genstande af relativt standardvolumen, såsom frø. Men den manglende standardisering førte til de samme problemer med at måle volumen som ved at måle masse.

Udvikling af forskellige målesystemer

Det antikke græske målesystem var baseret på det gamle egyptiske og babylonske, og romerne skabte deres system på grundlag af det oldgræske. Derefter spredte disse systemer sig over hele Europa med ild og sværd og naturligvis som følge af handel. Det skal bemærkes, at vi kun taler om de mest almindelige systemer her. Men der var mange andre mål- og vægtsystemer, fordi udveksling og handel var nødvendigt for absolut alle. Hvis der i et givet område ikke var noget skriftsprog, eller det ikke var sædvanligt at registrere resultaterne af udvekslingen, så kan vi kun gætte, hvordan disse mennesker målte volumen og vægten.

Der er mange regionale varianter af mål- og vægtsystemer. Dette skyldes deres uafhængige udvikling og andre systemers indflydelse på dem som følge af handel og erobring. Forskellige systemer var ikke kun i forskellige lande, men ofte inden for samme land, hvor de havde deres egne i hver handelsby, fordi lokale magthavere ikke ønskede forening for at bevare deres magt. Med udviklingen af ​​rejser, handel, industri og videnskab søgte mange lande at forene systemerne for mål og vægt, i det mindste i deres landes territorier.

Allerede i det 13. århundrede, og muligvis endnu tidligere, diskuterede videnskabsmænd og filosoffer skabelsen af ​​et samlet målesystem. Men først efter den franske revolution og den efterfølgende kolonisering af forskellige regioner i verden af ​​Frankrig og andre europæiske lande, som allerede havde deres egne systemer af mål og vægt, blev et nyt system udviklet, vedtaget i de fleste lande i verden. Dette nye system var decimal metrisk system... Det var baseret på basis 10, det vil sige, for enhver fysisk mængde var der én grundlæggende enhed i den, og alle andre enheder kunne dannes på en standard måde ved hjælp af decimalpræfikser. Hver sådan brøk- eller multiple enhed kunne opdeles i ti mindre enheder, og disse mindre enheder kunne til gengæld opdeles i 10 endnu mindre enheder, og så videre.

Som vi ved, var de fleste af de tidlige målesystemer ikke baseret på basis 10. Bekvemmeligheden ved base 10 systemet ligger i, at det talsystem, vi er vant til, har samme base, hvilket gør det muligt hurtigt og bekvemt konvertere fra mindre enheder til store og omvendt. Mange forskere mener, at valget af ti som basis for talsystemet er vilkårligt og kun er forbundet med det faktum, at vi har ti fingre, og hvis vi havde et andet antal fingre, så ville vi sandsynligvis bruge et andet talsystem.

Meter systemet

Ved begyndelsen af ​​udviklingen af ​​det metriske system blev menneskeskabte prototyper brugt som mål for længde og vægt, som i tidligere systemer. Det metriske system har udviklet sig fra et system baseret på materialestandarder og afhængigt af deres nøjagtighed til et system baseret på naturfænomener og fundamentale fysiske konstanter. For eksempel blev tidsenheden, den anden, oprindeligt defineret som en del af det tropiske år 1900. Ulempen ved denne definition var umuligheden af ​​eksperimentel verifikation af denne konstant i de efterfølgende år. Derfor blev den anden omdefineret som et vist antal strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer af grundtilstanden for et radioaktivt cæsium-133 atom i hvile ved 0 K. meter er blevet omdefineret som den afstand, lyset rejser i en vakuum i et tidsrum svarende til 1/299 792 458 sekunder.

Det internationale system af enheder (SI) blev oprettet på grundlag af det metriske system. Det skal bemærkes, at det metriske system traditionelt omfatter enheder af masse, længde og tid, men i SI-systemet er antallet af basisenheder blevet udvidet til syv. Vi vil diskutere dem nedenfor.

Internationalt system af enheder (SI)

Det internationale system af enheder (SI) har syv grundlæggende enheder til måling af grundstørrelser (masse, tid, længde, lysstyrke, mængde af stof, elektrisk strøm, termodynamisk temperatur). det kilogram(kg) for at måle masse, sekund(s) at måle tid, måler(m) at måle afstand, candela(cd) for at måle lysstyrke, muldvarp(forkortelse mol) for at måle mængden af ​​et stof, ampere(A) for at måle styrken af ​​den elektriske strøm, og kelvin(K) til temperaturmåling.

I øjeblikket er det kun kilogrammet, der stadig har en menneskeskabt standard, mens resten af ​​enhederne er baseret på universelle fysiske konstanter eller naturfænomener. Dette er praktisk, fordi de fysiske konstanter eller naturfænomener, som enhederne er baseret på, er nemme at kontrollere til enhver tid; derudover er der ingen fare for tab eller beskadigelse af standarderne. Der er heller ikke behov for at oprette kopier af standarder for at sikre deres tilgængelighed i forskellige dele af verden. Dette eliminerer fejl forbundet med nøjagtigheden af ​​at lave kopier af fysiske genstande, og giver dermed større nøjagtighed.

Decimalpræfikser

For at danne multipler og sub-multipler, der adskiller sig fra basisenhederne i SI-systemet med et bestemt heltal antal gange, som er en potens af ti, bruger den præfikser knyttet til navnet på basisenheden. Nedenfor er en liste over alle aktuelt brugte præfikser og de decimalfaktorer, de repræsenterer:

For eksempel er 5 gigameter lig med 5.000.000.000 meter, mens 3 mikrocandela er lig med 0,000003 candela. Det er interessant at bemærke, at på trods af tilstedeværelsen af ​​præfikset i kilogram-enheden, er det den grundlæggende SI-enhed. Derfor bruges ovenstående præfikser med grammet, som om det var grundenheden.

I skrivende stund er der kun tre lande tilbage, som ikke har taget SI-systemet til sig: USA, Liberia og Myanmar. Traditionelle enheder er stadig meget udbredt i Canada og Det Forenede Kongerige, selvom SI er det officielle system af enheder i disse lande. Det er nok at gå til butikken og se prisskiltene per pund varer (fordi det viser sig billigere!), Eller prøv at købe byggematerialer, målt i meter og kilo. Vil ikke virke! For slet ikke at tale om emballagen af ​​varer, hvor alt er underskrevet i gram, kilogram og liter, men ikke i hele, men oversat fra pund, ounce, pints og quarts. Mælkeopbevaring i køleskabe beregnes også pr. halv gallon eller gallon, ikke pr. liter mælkekarton.

Har du svært ved at oversætte en måleenhed fra et sprog til et andet? Kolleger står klar til at hjælpe dig. Stil et spørgsmål til TCTerms og du vil modtage svar inden for få minutter.

Beregninger for omregning af enheder i konverteren " Decimalpræfikskonverter»Udføres ved hjælp af unitconversion.org-funktionerne.

Forkortede betegnelser for elektriske størrelser

Ved samling af elektroniske kredsløb er det nødvendigt at genberegne værdierne af modstandenes modstande, kondensatorernes kapacitanser, spolernes induktans.

Så for eksempel bliver det nødvendigt at konvertere mikrofarader til picofarader, kilo-ohm til ohm, millihenry til mikrohenry.

Hvordan man ikke bliver forvirret i beregningerne?

Hvis der er begået en fejl, og en vare med en forkert vurdering er valgt, vil den samlede enhed ikke fungere korrekt eller have andre egenskaber.

En sådan situation i praksis er ikke ualmindelig, da de nogle gange i tilfælde af radioelementer angiver værdien af ​​kapaciteten i nano farads (nF), og på det skematiske diagram er kondensatorernes kapacitanser normalt angivet i mikro farads (μF) og picot farads (pF). Dette vildleder mange nybegyndere radioamatører og bremser som følge heraf samlingen af ​​den elektroniske enhed.

For at forhindre denne situation i at ske, skal du lære simple beregninger.

For ikke at blive forvirret i mikrofarader, nanofarads, picofarads, skal du gøre dig bekendt med dimensionstabellen. Jeg er sikker på, at du får brug for det mere end én gang.

Denne tabel inkluderer decimalmultipler og brøkpræfikser (brøkpræfikser). Det internationale system af enheder, som bærer det forkortede navn SI, omfatter seks multipla (deca, hekto, kilo, mega, giga, tera) og otte multipler (deci, centi, milli, micro, nano, pico, femto, atto). Mange af disse vedhæftede filer har længe været brugt i elektronik.

Hvordan bruger man bordet?

Som du kan se i tabellen, er forskellen mellem mange præfikser nøjagtig 1000. Så for eksempel gælder denne regel mellem multipla, startende med præfikset kilo.

• Mega - 1.000.000

  Giga - 1.000.000.000

  Tera - 1.000.000.000.000

Så hvis der ved siden af ​​betegnelsen for modstanden er skrevet 1 MΩ (1 Mega ohm), så vil dens modstand være - 1.000.000 (1 million) ohm. Hvis der er en modstand med en nominel modstand på 1 kOhm (1 kilo ohm), så vil det i ohm være 1000 (1 tusinde) ohm.

For brøk- eller på anden måde brøkværdier er situationen den samme, blot er der ikke en stigning i den numeriske værdi, men dens fald.

For ikke at blive forvirret i mikrofarader, nanofarads, picofarads, skal du huske en simpel regel. Du skal forstå, at milli, micro, nano og pico alle er forskellige. præcis 1000... Det vil sige, at hvis du får at vide 47 mikrofarader, betyder det, at det i nanofarads vil være 1000 gange mere – 47.000 nanofarads. I picofarads vil det være 1000 gange mere - 47.000.000 picofarads. Som du kan se, er forskellen mellem 1 mikrofarad og 1 picofarad 1.000.000 gange.

Også i praksis er det nogle gange påkrævet at kende værdien i mikrofarader, og kapacitetsværdien er angivet i nanofarader. Så hvis kondensatorens kapacitans er 1 nanofarad, vil den i mikrofarader være 0,001 μF. Hvis kapacitansen er 0,01 mikrofarads, vil den i picofarads være henholdsvis 10.000 pF og i nanofarads, henholdsvis 10 nF.

Præfikserne, der angiver størrelsen af ​​mængden, bruges til forkortet notation. Enig lettere at skrive 1mA end 0,001 Ampere eller f.eks. 400 μH end 0,0004 Henry.

Tabellen vist tidligere har også en forkortelse for præfikset. For ikke at skrive Mega, skriv kun bogstavet M... Præfikset efterfølges normalt af en forkortelse for en elektrisk størrelse. For eksempel ordet Ampere skriv ikke, men angiv kun bogstavet EN... Gør også, når du forkorter registreringen af ​​måleenheden for kapacitet Farad... I dette tilfælde er kun brevet skrevet F.

Sammen med den forkortede notation på russisk, som ofte bruges i gammel radioelektronisk litteratur, er der også en international forkortet notation for præfikser. Det er også angivet i tabellen.

Doktor i tekniske videnskaber, akademiker ved det russiske naturvidenskabsakademi, A.I. KHESIN

Udtrykket "nano-teknologi" i 1974, foreslået af japaneren Noryo Taniguchi til at beskrive processen med at konstruere nye genstande og materialer ved at manipulere individuelle atomer. En nanometer er en milliardtedel af en meter. Atom størrelse- et par tiendedele af en nanometer Alle tidligere videnskabelige og teknologiske revolutioner bundede i, at folk mere og mere dygtigt kopierede mekanismer og materialer skabt af naturen. Et gennembrud inden for nanoteknologi er en helt anden sag. For første gang vil mennesket skabe nyt stof, som var ukendt og utilgængeligt for naturen. Faktisk har videnskaben nærmet sig modelleringen af ​​principperne for at konstruere levende stof, som er baseret på selvorganisering og selvregulering. Den allerede mestrede metode til at skabe strukturer ved hjælp af kvanteprikker er selvorganisering. En revolution i civilisationen - skabelsen af ​​bioniske enheder.

Der er måske ingen endelig definition af begrebet nanoteknologi, men Analogt med eksisterende mikroteknologier følger det, at nanoteknologier er teknologier, der opererer med mængder af størrelsesordenen en nanometer. Dette er en ubetydelig værdi, hundredvis af gange mindre end bølgelængden af ​​synligt lys og sammenlignelig med størrelsen af ​​atomer. Derfor er overgangen fra "mikro" til "nano" ikke længere en kvantitativ, men en kvalitativ overgang - et spring fra manipulation af stof til manipulation af individuelle atomer.

International System of Units (SI) er oprindelsen af ​​præfiksnavne.

De første fæster blev indført i 1793-1795. ved legalisering af det metriske system i Frankrig. Det var sædvanligt for flere enheder at tage navnet på præfikser fra det græske sprog, for brøkdele - fra latin. I disse år blev følgende præfikser vedtaget: kilo... (fra det græske.chilioi - tusind), hekto ... (fra det græske hekaton - hundrede), dæk... (fra den græske deka - ti), deci... (fra lat.decem - ti), centi ... (fra latin centum - hundrede), Milli ... (fra lat. mille - tusind). I de efterfølgende år steg antallet af multipla og sub-multipler; navnene på præfikser for deres betegnelse blev nogle gange lånt fra andre sprog. Følgende præfikser er dukket op: mega... (fra græsk.megas - stor), giga ... (fra den græske gigas, gigantos - kæmpe), tera... (fra den græske teras, teratos - enorm, monster), mikro... (fra det græske mikros - lille, lille), nano... (fra det græske nanos - dværg), picot... (fra italiensk piccolo - lille, lille), femto... (fra dansk femten - femten), atto ... (fra dansk atten - atten). De sidste to præfikser peta... og eks... - blev vedtaget i 1975: "peta" ... (fra det græske peta - fem, hvilket svarer til fem kategorier på 10 3 hver), exa ... (fra græsk. hex - seks, hvilket svarer til seks cifre af 10 3). Zepto- (zepto- ) Er et metrisk brøkpræfiks, der angiver 10 −21. Yokto- (yocto- ) Er et metrisk brøkpræfiks, der angiver 10 −24. For klarhedens skyld giver vi en tabel:

Når det kommer til udvikling af nanoteknologier, mener vi tre områder:

• fremstilling af elektroniske kredsløb (inklusive volumetriske) med aktive elementer, der i størrelse kan sammenlignes med størrelsen af ​​molekyler og atomer;
• udvikling og fremstilling af nanomaskiner, dvs. mekanismer og robotter på størrelse med et molekyle;
• direkte manipulation af atomer og molekyler og samling af alt, hvad der eksisterer fra dem.

Samtidig udvikles der nu aktivt nanoteknologiske metoder, som gør det muligt at skabe aktive elementer (transistorer, dioder) på størrelse med et molekyle og danne flerlags tredimensionelle kredsløb ud fra dem. Måske bliver mikroelektronik den første industri, hvor "atomsamling" vil blive udført i industriel skala.

Selvom vi nu har midlerne til at manipulere med individuelle atomer til rådighed, kan de næppe bruges "direkte" til at samle noget praktisk nødvendigt: om ikke andet på grund af antallet af atomer, der skal "samles".

Men de eksisterende teknologiers muligheder er allerede tilstrækkelige til at bygge nogle simple mekanismer ud fra flere molekyler, som, styret af styresignaler udefra (akustiske, elektromagnetiske osv.), kan manipulere andre molekyler og skabe lignende enheder eller mere komplekse mekanismer.

Disse vil til gengæld være i stand til at lave endnu mere komplekse enheder osv. i sidste ende vil denne eksponentielle proces føre til skabelsen af ​​molekylære robotter - mekanismer, der i størrelse kan sammenlignes med et stort molekyle og med deres egne indbyggede computere.

Naturen er kontinuerlig, og enhver definition kræver etablering af en form for grænser. Derfor er formuleringen af ​​definitioner en ret utaknemmelig opgave. Ikke desto mindre skal dette gøres, da en klar definition gør det muligt at adskille et fænomen fra et andet, at afsløre væsentlige forskelle mellem dem og dermed bedre at forstå selve fænomenerne. Derfor er formålet med dette essay at forsøge at forstå betydningen af ​​nutidens fashionable termer med præfikset "nano" (fra det græske ord "dværg") - "nanovidenskab", "nanoteknologi", "nanoobjekt", "nanomateriale".

På trods af at disse spørgsmål gentagne gange er blevet diskuteret med varierende dybde i special- og populærvidenskabelig litteratur, viser analyse af litteraturen og personlige erfaringer, at der stadig ikke er en klar forståelse af selve problemet i brede videnskabelige kredse, for ikke at nævne uvidenskabelige kredse. og definitioner. Det er grunden til, at vi vil forsøge at give definitioner til alle ovenstående udtryk, og fokusere læserens opmærksomhed på betydningen af ​​det grundlæggende begreb "nanoobjekt". Vi inviterer læseren til i fællesskab at reflektere over, om der er noget, der grundlæggende adskiller nanoobjekter fra deres større og mindre "brødre", der "bebor" verden omkring os. Desuden inviterer vi ham til at deltage i en række tankeeksperimenter om design af nanostrukturer og deres syntese. Vi vil også forsøge at påvise, at det er i nanoskalaområdet, at der sker en ændring i karakteren af ​​fysiske og kemiske vekselvirkninger, og dette sker netop i samme sektion af størrelsesskalaen, hvor grænsen mellem livlig og livløs natur går.

Men først, hvor kom alt dette fra, hvorfor blev præfikset "nano" introduceret, som er afgørende, når materialer henvises til nanostrukturer, hvorfor nanovidenskab og nanoteknologi skiller sig ud i separate områder, hvad der i denne allokering refererer til (og refererer det til) til virkelig videnskabelige fonde?

Hvad er "nano", og hvor det hele begyndte

Dette er et præfiks, der angiver, at den oprindelige værdi skal reduceres med en milliard gange, det vil sige divideret med én med ni nuller - 1.000.000.000. For eksempel er 1 nanometer en milliardtedel af en meter (1 nm = 10 -9 m) ... For at forestille os, hvor lille 1 nm er, lad os udføre følgende tankeeksperiment (fig. 1). Hvis vi reducerer diameteren af ​​vores planet (12.750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) med en faktor på 100 millioner (10 8), får vi omkring 10 –1 m. Dette er en størrelse, der omtrent svarer til diameteren af en fodbold (standard diameteren af ​​en fodbold er 22 cm, men på vores skala er denne forskel ubetydelig (for os 2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). Lad os nu reducere diameteren af ​​en fodbold med de samme 100 millioner (10 8) gange, og først nu får vi en nanopartikelstørrelse lig med 1 nm (ca. diameteren af ​​et kulstofmolekyle af fulleren C 60, der ligner i form en fodbold - se fig. 1) ...

Det er bemærkelsesværdigt, at præfikset "nano" har været brugt i den videnskabelige litteratur i lang tid, men for at betegne langt fra nano-objekter. Især for objekter, hvis størrelse er milliarder af gange større end 1 nm - i dinosaurernes terminologi. Nanotyrannosaurer ( nanotyrranus) og nanosaurer ( nanosaurus) kaldes dværg-dinosaurer, hvis dimensioner er henholdsvis 5 og 1,3 m. Men de er virkelig "dværge" i sammenligning med andre dinosaurer, hvis størrelse overstiger 10 m (op til 50 m), og vægten kan nå 30-40 tons eller mere. Dette eksempel understreger, at præfikset "nano" i sig selv ikke har fysisk betydning, men kun angiver skalaen.

Men nu markerer de ved hjælp af dette præfiks en ny æra i udviklingen af ​​teknologier, nogle gange kaldet den fjerde industrielle revolution - nanoteknologiens æra.

Det antages meget ofte, at begyndelsen af ​​den nanoteknologiske æra blev lagt i 1959 af Richard Feynman i et foredrag " Der er masser af plads i bunden"(" Dernede - en masse plads. ") Hovedpostulatet i denne forelæsning var, at fra et synspunkt om fysikkens grundlæggende love ser forfatteren ingen hindringer for at arbejde på molekylært og atomært niveau, manipulere individuelle atomer eller molekyler Feynman sagde, at man ved hjælp af visse enheder kan lave endnu mindre enheder, som igen er i stand til at lave endnu mindre enheder, og så videre ned til atomniveau, det vil sige med de passende teknologier. individuelle atomer kan manipuleres.

Retfærdigvis skal det dog bemærkes, at Feynman ikke var den første, der kom med dette. Især ideen om at skabe manipulatorer, der gradvist aftager i størrelse, blev udtrykt tilbage i 1931 af forfatteren Boris Zhitkov i hans fantastiske historie "Mikroruki". Vi kan ikke afholde os fra at citere små citater fra denne historie for at give læseren en sand forståelse af forfatterens indsigt:

"Jeg plaget mine hjerner i lang tid, og det er, hvad jeg kom til: Jeg vil lave små hænder, en nøjagtig kopi af mine - lad dem være mindst tyve, tredive gange mindre, men de vil have fleksible fingre, som mine, de vil knytte sig til en knytnæve, løsne sig, blive i samme positioner som mine levende hænder. Og jeg lavede dem...
Men en tanke slog mig pludselig: Jeg kan lave mikrohænder til mine små hænder. Jeg kan lave de samme handsker til dem, som jeg lavede til mine levende hænder, bruge det samme system til at forbinde dem til håndtagene, der er ti gange mindre end mine mikrohænder, og så ... jeg vil have rigtige mikrohænder, allerede to hundrede gange mindre end min bevægelse. Med disse hænder vil jeg bryde ind i en sådan lille tilværelse, som kun er set, men hvor ingen nogensinde har disponeret over deres egne hænder. Og jeg skal på arbejde...
Jeg ville lave ægte mikrohænder, sådan at jeg kunne få fat i partikler af stof, som stof er skabt af, de ufatteligt små partikler, der kun er synlige gennem et ultramikroskop. Jeg ønskede at komme ind i det område, hvor det menneskelige sind mister enhver idé om størrelse - det ser ud til, at der ikke er nogen størrelser, alt er så ufatteligt lille."

Men det er ikke kun litterære forudsigelser. Det man nu kalder nanoobjekter, nanoteknologi, om man vil, har folk længe brugt i deres liv. Et af de mest slående eksempler (bogstaveligt og billedligt talt) er flerfarvet glas. For eksempel skabt i det 4. århundrede e.Kr. NS. Lycurgus-bægeret, der opbevares i British Museum, er grønt, når det belyses udefra, men lilla-rødt, når det belyses indefra. Nylige undersøgelser ved hjælp af elektronmikroskopi har vist, at denne usædvanlige effekt skyldes tilstedeværelsen af ​​partikler af guld og sølv i nanostørrelse i glasset. Derfor kan vi roligt sige, at Lycurgus Cup er lavet af nanokompositmateriale.

Som det viser sig nu, blev der i middelalderen ofte tilsat metallisk nano-støv til glas til fremstilling af farvede glasvinduer. Variationer i glasfarve afhænger af forskelle i de tilsatte partikler - arten af ​​det anvendte metal og størrelsen af ​​dets partikler. For nylig har det vist sig, at disse glas også har bakteriedræbende egenskaber, det vil sige, at de ikke kun giver et smukt lysspil i rummet, men desinficerer også miljøet.

Hvis vi betragter videnskabens udviklingshistorie i historiske termer, så kan vi på den ene side udskille en fælles vektor - naturvidenskabernes indtrængen "dybt ind i" materien. Bevægelse langs denne vektor bestemmes af udviklingen af ​​observationsmidler. Først studerede folk den almindelige verden, som ikke krævede specielle instrumenter for at observere. Under observationer på dette niveau blev grundlaget for biologien lagt (klassificering af den levende verden, K. Linnaeus, etc.), evolutionsteorien blev skabt (C. Darwin, 1859). Da teleskopet dukkede op, var folk i stand til at udføre astronomiske observationer (G. Galileo, 1609). Dette resulterede i loven om universel gravitation og klassisk mekanik (I. Newton, 1642-1727). Da Levenguk-mikroskopet dukkede op (1674), gik folk ind i mikrokosmos (størrelsesinterval 1 mm - 0,1 mm). Først var det kun en kontemplation af små, usynlige organismer. Først i slutningen af ​​det 19. århundrede var L. Pasteur den første til at afklare mikroorganismers natur og funktioner. Omkring samme tid (slutningen af ​​det 19. - begyndelsen af ​​det 20. århundrede) fandt en revolution i fysik sted. Forskere begyndte at trænge ind i atomet for at studere dets struktur. Igen skyldtes dette fremkomsten af ​​nye metoder og værktøjer, som begyndte at bruge de mindste partikler af stof. I 1909 formåede Rutherford at "se" kernen af ​​et guldatom ved hjælp af alfapartikler (heliumkerner med en størrelse på omkring 10 -13 m). Bohr-Rutherford-planetmodellen af ​​atomet, der er skabt på grundlag af disse eksperimenter, giver et levende billede af omfanget af det "frie" rum i atomet, ganske sammenligneligt med solsystemets kosmiske tomhed. Det var tomheden i sådanne ordrer, Feynman havde i tankerne i sit foredrag. Ved hjælp af de samme α-partikler gennemførte Rutherford i 1919 den første kernereaktion for at omdanne nitrogen til oxygen. Så fysikere gik ind i pico- og femto-dimensionelle intervaller, og forståelsen af ​​stoffets struktur på det atomare og subatomare niveau førte i første halvdel af forrige århundrede til skabelsen af ​​kvantemekanik.

En verden af ​​tabte værdier

Historisk skete det, at på størrelsesskalaen (fig. 2) var næsten alle dimensionelle forskningsområder "dækket", bortset fra nanoskalaområdet. Men verden er ikke uden visionære mennesker. Tilbage i begyndelsen af ​​det 20. århundrede udgav W. Ostwald bogen "The World of Bypassed Quantities", som handlede om et nyt felt inden for kemi på det tidspunkt - kolloid kemi, som netop beskæftigede sig med partikler af nanometerstørrelse (selvom dette udtryk ikke var det endnu brugt). Allerede i denne bog bemærkede han, at fragmenteringen af ​​stof på et tidspunkt fører til nye egenskaber, at egenskaberne af hele materialet afhænger af partiklens størrelse.

I begyndelsen af ​​det tyvende århundrede vidste de endnu ikke, hvordan de skulle "se" partikler af denne størrelse, da de ligger under opløsningsgrænserne for et lysmikroskop. Derfor er det ikke tilfældigt, at en af ​​de første milepæle i fremkomsten af ​​nanoteknologi betragtes som opfindelsen af ​​M. Knoll og E. Ruska i 1931 af et elektronmikroskop. Først efter det var menneskeheden i stand til at "se" objekter af submikron- og nanometerstørrelser. Og så falder alt på plads - det vigtigste kriterium, hvorved menneskeheden accepterer (eller ikke accepterer) nye kendsgerninger og fænomener, kommer til udtryk i den vantro Thomas' ord: "Indtil jeg ser, vil jeg ikke tro."

Det næste skridt blev taget i 1981 - G. Binnig og G. Rohrer skabte et scanning tunnelmikroskop, som gjorde det muligt ikke kun at få billeder af individuelle atomer, men også at manipulere dem. Det vil sige, at teknologien blev skabt, som R. Feynman talte om i sit foredrag. Det var dengang, nanoteknologiens æra begyndte.

Bemærk, at her igen har vi at gøre med den samme historie. Igen, fordi det generelt er almindeligt, at menneskeheden ikke er opmærksom på det, i det mindste lidt, men er forud for sin tid. Så ved at bruge eksemplet med nanoteknologi viser det sig, at der ikke blev opdaget noget nyt, det var bare, at de begyndte bedre at forstå, hvad der skete rundt omkring, hvad folk allerede i oldtiden havde gjort, omend ubevidst, eller rettere, bevidst (de vidste, hvad de ønskede at få), men forstod ikke fysik og kemi fænomener. Et andet spørgsmål er, at tilstedeværelsen af ​​teknologi ikke langt hen ad vejen betyder forståelsen af ​​processens essens. De vidste, hvordan man kogte stål i lang tid, men forståelsen af ​​de fysiske og kemiske grundlag for stålfremstilling kom meget senere. Her kan du huske, at hemmeligheden bag Damaskus-stål endnu ikke er blevet opdaget. Her er en anden hypostase - vi ved, hvad der skal modtages, men vi ved ikke hvordan. Så forholdet mellem videnskab og teknologi er ikke altid enkelt.

Hvem var den første til at beskæftige sig med nanomaterialer i deres moderne forståelse? I 1981 brugte den amerikanske videnskabsmand G. Glater først definitionen af ​​"nanokrystallinsk". Han formulerede konceptet med at skabe nanomaterialer og udviklede det i en række værker i 1981-1986, introducerede begreberne "nanokrystallinske", "nanostrukturerede", "nanofase" og "nanokompositmaterialer". Hovedvægten i disse værker blev lagt på den afgørende rolle af adskillige grænseflader i nanomaterialer som grundlag for at ændre faste stoffers egenskaber.

En af de vigtigste begivenheder i nanoteknologiens historie og udviklingen af ​​nanopartiklernes ideologi var også opdagelsen i midten af ​​80'erne - begyndelsen af ​​90'erne af det XX århundrede af kulstof nanostrukturer - fullerener og kulstofnanorør, såvel som opdagelsen allerede i det XXI århundrede af en metode til fremstilling af grafen.

Men tilbage til definitionerne.

Første definitioner: alt er meget enkelt

Det var meget simpelt i starten. I 2000 underskrev den amerikanske præsident B. Clinton dokumentet " National Nanotechnology Initiative"(" National Nanotechnology Initiative "), som giver følgende definition: nanoteknologi refererer til skabelsen af ​​teknologier og forskning på atom-, molekylært og makromolekylært niveau inden for om fra 1 til 100 nm for at forstå det grundlæggende grundlag for materialers fænomener og egenskaber på nanoskalaniveau, samt skabelse og brug af strukturer, udstyr og systemer med nye egenskaber og funktioner bestemt af deres størrelse.

I 2003 ansøgte den britiske regering om Kongelig samfund og Royal Academy of Engineering med en anmodning om at give udtryk for deres mening om behovet for udvikling af nanoteknologi, for at vurdere de fordele og problemer, som udviklingen af ​​dem kan medføre. Sådan en rapport med titlen " Nanovidenskab og nanoteknologi: muligheder og usikkerheder"Dukkede op i juli 2004, og i den, så vidt vi ved, blev der for første gang givet særskilte definitioner af nanovidenskab og nanoteknologi:

Nanovidenskab er en undersøgelse af fænomener og objekter på atomare, molekylære og makromolekylære niveauer, hvis karakteristika adskiller sig væsentligt fra egenskaberne af deres makroanaloger.

Nanoteknologi er design, karakterisering, produktion og anvendelse af strukturer, enheder og systemer, hvis egenskaber er bestemt af deres form og størrelse på nanometerniveau.

Under begrebet "nanoteknologi" forstås som et sæt teknologiske metoder, der giver dig mulighed for at skabe nanoobjekter og/eller manipulere dem. Det er kun tilbage at definere nano-objekter. Men dette, viser det sig, er ikke så simpelt, så det meste af artiklen er afsat til netop denne definition.

Til at begynde med er her den formelle definition, der i øjeblikket er mest udbredt:

Nanoobjekter (nanopartikler) er objekter (partikler) med en karakteristisk størrelse på 1-100 nanometer i mindst én dimension.

Alt ser ud til at være godt og forståeligt, det er kun uklart, hvorfor der gives en så streng definition af de nedre og øvre grænser på 1 og 100 nm? Dette ser ud til at være et frivilligt valg, især mistænksomt over for den øvre grænse. Hvorfor ikke 70 eller 150 nm? I betragtning af alle de mange forskellige nanoobjekter i naturen, kan og bør grænserne for nanostedet på størrelsesskalaen være betydeligt slørede. Og generelt er det i naturen umuligt at tegne nogen nøjagtige grænser - nogle objekter flyder jævnt ind i andre, og dette sker i et bestemt interval og ikke på et tidspunkt.

Før vi taler om grænserne, lad os prøve at forstå, hvilken fysisk betydning der er indeholdt i begrebet "nanoobjekt", hvorfor skal det skelnes med en separat definition?

Som nævnt ovenfor var det først i slutningen af ​​det 20. århundrede, at en forståelse begyndte at dukke op (eller rettere, at hævde sig selv i sindene), at nanoskala-intervallet af stofstrukturen stadig har sine egne karakteristika, som på dette niveau stof har andre egenskaber, der ikke er manifesteret i makrokosmos. Det er meget svært at oversætte nogle engelske udtryk til russisk, men på engelsk er der et udtryk " bulk materiale", Hvilket groft kan oversættes som" en stor mængde stof "," bulkstof "," kontinuerligt medium ". Så her er nogle ejendomme " bulk materialer»Efterhånden som størrelsen af ​​dets bestanddele aftager, kan de begynde at ændre sig, når en vis størrelse er nået. I dette tilfælde siger de, at der er en overgang til stoffets nanotilstand, nanomaterialer.

Og dette sker, fordi med et fald i størrelsen af ​​partikler, bliver fraktionen af ​​atomer placeret på deres overflade og deres bidrag til objektets egenskaber signifikant og vokser med et yderligere fald i størrelse (fig. 3).

Men hvorfor påvirker en stigning i andelen af ​​overfladeatomer væsentligt partiklernes egenskaber?

De såkaldte overfladefænomener har været kendt i lang tid - det er overfladespænding, kapillærfænomener, overfladeaktivitet, befugtning, adsorption, adhæsion osv. Hele sættet af disse fænomener skyldes, at kræfterne i samspil mellem partiklerne, der udgør kroppen, kompenseres ikke på dens overflade (fig. 4). Med andre ord er atomerne på overfladen (krystal eller væske – det er lige meget) under særlige forhold. For eksempel i krystaller virker de kræfter, der tvinger dem til at være i krystalgitterets noder, kun på dem nedefra. Derfor er egenskaberne for disse "overflade"-atomer forskellige fra egenskaberne for de samme atomer i volumen.

Da antallet af overfladeatomer i nanoobjekter stiger kraftigt (fig. 3), bliver deres bidrag til et nanoobjekts egenskaber afgørende og vokser med et yderligere fald i objektets størrelse. Dette er netop en af ​​årsagerne til manifestationen af ​​nye egenskaber på nanoskala.

En anden grund til ændringen i egenskaber, der diskuteres, er, at virkningen af ​​kvantemekanikkens love begynder at manifestere sig på dette dimensionelle niveau, det vil sige, at niveauet af nanoskala er overgangsniveauet, nemlig overgangen, fra den klassiske regeringstid. mekanik til kvantemekanikkens regeringstid. Og som det er velkendt, er den mest uforudsigelige overgangstilstande.

I midten af ​​det 20. århundrede har folk lært at arbejde både med en masse af atomer og med et atom.

Efterfølgende blev det tydeligt, at den "lille bunke af atomer" er noget andet, der ikke helt ligner hverken massen af ​​atomer eller et enkelt atom.

For første gang er videnskabsmænd og teknologer sandsynligvis stået ansigt til ansigt med dette problem i halvledernes fysik. I deres søgen efter miniaturisering nåede de sådanne partikelstørrelser (flere tiere af nanometer eller mindre), hvorved deres optiske og elektroniske egenskaber begyndte at adskille sig markant fra dem for partikler af "almindelige" størrelser. Det var da, at det endelig blev klart, at "nanostørrelse"-skalaen er et særligt område, der er forskelligt fra området for eksistens af makropartikler eller kontinuerlige medier.

Derfor, i ovenstående definitioner af nanovidenskab og nanoteknologi, er den mest markante indikation, at "ægte nano" begynder med fremkomsten af ​​nye egenskaber af stoffer, der er forbundet med overgangen til disse skalaer og adskiller sig fra egenskaberne af bulkmaterialer. Det vil sige, den vigtigste og vigtigste kvalitet af nanopartikler, deres vigtigste forskel fra mikro- og makropartikler er udseendet i dem af fundamentalt nye egenskaber, der ikke er manifesteret i andre størrelser. Vi har allerede citeret litterære eksempler, vi vil bruge denne teknik igen for tydeligt at vise og understrege forskellene mellem makro-, mikro- og nanoobjekter.

Lad os gå tilbage til litterære eksempler. Helten i Leskovs historie Levsha nævnes ofte som en "tidlig" nanoteknolog. Dette er dog forkert. Leftys vigtigste præstation er, at han smedede små negle [ "Jeg arbejdede mindre end disse hestesko: Jeg smedede nelliker, som hesteskoene blev hamret med, ingen lille rækkevidde kan tage der længere"]. Men disse negle, selvom de var meget små, forblev negle, mistede ikke deres hovedfunktion - at holde hesteskoen. Så eksemplet med Lefty er et eksempel på miniaturisering (mikrominiaturisering, om man vil), det vil sige at reducere størrelsen af ​​et objekt uden at ændre dets funktionelle og andre egenskaber.

Men den allerede nævnte historie om B. Zhitkov beskriver nøjagtigt ændringen i egenskaber:

"Jeg havde brug for at trække en tynd tråd ud - det vil sige den tykkelse, der ville være som hår for mine levende hænder. Jeg arbejdede og så gennem mikroskopet, mens mikrohænderne rakte kobber frem. Tyndere, tyndere - der er stadig fem gange at strække - og så rev wiren. Den gik ikke engang i stykker – den smuldrede som om den var lavet af ler. Smuldret til fint sand. Dette er rødt kobber, der er berømt for dets duktilitet."

Bemærk at i Wikipedia i en artikel om nanoteknologi er netop en stigning i kobbers hårdhed angivet som et af eksemplerne på ændringer i egenskaber med et fald i størrelse. (Jeg spekulerer på, hvordan B. Zhitkov lærte om dette i 1931?)

Nanoobjekter: kvanteplaner, tråde og punkter. Kulstof nanostrukturer

I slutningen af ​​det 20. århundrede blev eksistensen af ​​et bestemt område med partikelstørrelse af stof - området på nanoskala - endelig tydelig. Fysikere, der forfiner definitionen af ​​nanoobjekter, hævder, at den øvre grænse for nanostedet på størrelsesskalaen højst sandsynligt falder sammen med størrelsen af ​​manifestationen af ​​de såkaldte lavdimensionelle effekter eller effekten af ​​dimensionalitetsreduktion .

Lad os prøve at lave en omvendt oversættelse af det sidste udsagn fra fysikernes sprog til det almindelige menneskelige sprog.

Vi lever i en tredimensionel verden. Alle virkelige objekter omkring os har en eller anden størrelse i alle tre dimensioner, eller, som fysikere siger, har en dimension på 3.

Lad os lave følgende tankeeksperiment. Lad os vælge tredimensionelle, bind, en prøve af noget materiale, fortrinsvis en homogen krystal. Lad det være en terning med en kantlængde på 1 cm. Denne prøve har visse fysiske egenskaber, uafhængig af dens størrelse. Nær den ydre overflade af vores prøve kan egenskaberne afvige fra dem i bulken. Imidlertid er den relative andel af overfladeatomer lille, og derfor kan bidraget fra overfladeændringen i egenskaber negligeres (det er dette krav, der på fysikernes sprog betyder, at prøven bind). Nu deler vi terningen i to - to af dens karakteristiske størrelser forbliver de samme, og en, lad det være højden d, vil falde med 2 gange. Hvad sker der med prøvens egenskaber? De vil ikke ændre sig. Lad os gentage dette eksperiment endnu en gang og måle egenskaben af ​​interesse for os. Vi får samme resultat. Ved at gentage eksperimentet flere gange vil vi endelig nå en kritisk størrelse. d*, hvorunder den egenskab, vi måler, begynder at afhænge af størrelsen d... Hvorfor? På d ≤ d* andelen af ​​overfladeatomers bidrag til egenskaber bliver signifikant og vil fortsætte med at stige med yderligere fald d.

Fysikere siger, at hvornår d ≤ d* i vores prøve er der kvantestørrelseseffekt i én dimension. For dem er vores sample ikke længere tredimensionelt (hvilket for enhver almindelig person lyder absurd, fordi vores d skønt lille, men ikke lig med nul!), det dimensionen er reduceret til to. EN selve prøven kaldes kvanteplanet, eller kvantebrønd, analogt med udtrykket "potentiel brønd", der ofte bruges i fysik.

Hvis i en prøve d ≤ d* i to dimensioner, hedder det et-dimensionelt kvanteobjekt, eller kvante tråd, eller kvantetråd. Har nuldimensionelle objekter, eller kvanteprikker, d ≤ d* i alle tre dimensioner.

Naturligvis den kritiske størrelse d* er ikke en konstant værdi for forskellige materialer og selv for et materiale kan variere betydeligt afhængigt af hvilke af egenskaberne vi målte i vores eksperiment, eller med andre ord hvilke af de kritiske dimensionelle karakteristika ved fysiske fænomener der bestemmer denne egenskab (fri vej til elektroner af fononer, de Broglie-bølgelængde, diffusionslængde, penetrationsdybde af et eksternt elektromagnetisk felt eller akustiske bølger osv.).

Men det viser sig, at med al den mangfoldighed af fænomener, der forekommer i organiske og uorganiske materialer i levende og livløs natur, er værdien d* ligger cirka i området 1-100 nm. Således er "nano-objekt" ("nanostruktur", "nanopartikel") blot en anden version af udtrykket "kvantedimensionel struktur". Dette er en genstand, der har d ≤ d* i mindst én dimension. Disse er partikler med reduceret dimension, partikler med en øget andel af overfladeatomer. Det betyder, at det er mest logisk at klassificere dem efter graden af ​​dimensionalitetsreduktion: 2D - kvanteplaner, 1D - kvantetråde, 0D - kvanteprikker.

Hele spektret af reducerede dimensioner kan let forklares, og vigtigst af alt kan det observeres eksperimentelt ved at bruge eksemplet med kulstofnanopartikler.

Opdagelsen af ​​kulstofnanostrukturer var en meget vigtig milepæl i udviklingen af ​​begrebet nanopartikler.

Kulstof er kun det ellevte mest udbredte grundstof i naturen, men takket være dens atomers unikke evne til at kombinere med hinanden og danne lange molekyler, der inkluderer andre grundstoffer som substituenter, opstod der et stort udvalg af organiske forbindelser og selve livet. Men selv ved at kombinere kun med sig selv, er kulstof i stand til at generere et stort sæt af forskellige strukturer med meget forskellige egenskaber - de såkaldte allotropiske modifikationer. Diamant er for eksempel en standard for gennemsigtighed og hårdhed, et dielektrikum og en varmeisolator. Grafit er dog en ideel "absorber" af lys, et ultrablødt materiale (i en bestemt retning), en af ​​de bedste ledere af varme og elektricitet (i et plan vinkelret på den ovennævnte retning). Men begge disse materialer er kun sammensat af kulstofatomer!

Men alt dette er på makroniveau. Og overgangen til nanoskalaen åbner op for nye unikke egenskaber ved kulstof. Det viste sig, at kulstofatomernes "kærlighed" til hinanden er så stor, at de uden deltagelse af andre grundstoffer kan danne et helt sæt af nanostrukturer, der adskiller sig fra hinanden, inklusive deres dimensioner. Disse omfatter fullerener, grafen, nanorør, nanokegler osv. (Fig. 5).

Bemærk, at kulstofnanostrukturer kan kaldes "ægte" nanopartikler, da det tydeligt kan ses i fig. 5, ligger alle deres konstituerende atomer på overfladen.

Men tilbage til selve grafitten. Så grafit er den mest udbredte og termodynamisk stabile modifikation af elementært kulstof med en tredimensionel krystalstruktur bestående af parallelle atomlag, som hver er en tæt pakning af sekskanter (fig. 6). Et carbonatom er placeret ved hjørnerne af en sådan sekskant, og siderne af sekskanterne afspejler grafisk stærke kovalente bindinger mellem kulstofatomer, hvis længde er 0,142 nm. Men afstanden mellem lagene er ret stor (0,334 nm), og derfor er forbindelsen mellem lagene ret svag (i dette tilfælde taler man om van der Waals interaktion).

Denne krystalstruktur forklarer funktionerne i grafittens fysiske egenskaber. For det første lav hårdhed og evnen til nemt at eksfoliere til små flager. Så for eksempel skrives blyantledninger, hvis grafitflager, der skrælles af, forbliver på papiret. For det andet den allerede nævnte udtalte anisotropi af grafits fysiske egenskaber og først og fremmest dens elektriske ledningsevne og termiske ledningsevne.

Ethvert af lagene i den tredimensionelle struktur af grafit kan betragtes som en gigantisk plan struktur med en 2D-dimension. Denne todimensionelle struktur, der kun er bygget af kulstofatomer, kaldes "grafen". Det er relativt nemt at opnå en sådan struktur, i hvert fald i et tankeeksperiment. Tag en blyant og begynd at skrive. Blyhøjde d vil falde. Hvis du har nok tålmodighed, så på et tidspunkt værdien d vil lig d*, og vi får kvanteplanet (2D).

I lang tid har problemet med stabiliteten af ​​plane todimensionelle strukturer i en fri tilstand (uden et substrat) i almindelighed og grafen i særdeleshed, samt grafens elektroniske egenskaber, kun været genstand for teoretiske undersøgelser. For ganske nylig, i 2004, opnåede en gruppe fysikere ledet af A. Geim og K. Novoselov de første prøver af grafen, som revolutionerede dette felt, da sådanne todimensionelle strukturer viste sig at udvise fantastiske elektroniske egenskaber, kvalitativt forskellig fra alle tidligere observerede. Derfor undersøger hundredvis af eksperimentelle grupper i dag grafens elektroniske egenskaber.

Hvis vi folder et grafenlag, monoatomisk i tykkelsen, til en cylinder, så det sekskantede netværk af kulstofatomer lukker uden sømme, så vil vi "konstruere" enkeltvægget kulstof nanorør. Eksperimentelt kan enkeltvæggede nanorør med en diameter på 0,43 til 5 nm opnås. De karakteristiske træk ved nanorørs geometri er rekordværdier af det specifikke overfladeareal (i gennemsnit ~ 1600 m2 / g for enkeltvæggede rør) og forholdet mellem længde og diameter (100.000 og mere). Således er nanorør 1D nanoobjekter - kvantefilamenter.

Eksperimenter observerede også flervæggede kulstofnanorør (fig. 7). De består af koaksiale cylindre, der er indsat i hinanden, hvis vægge er i en afstand (ca. 3,5 Å) tæt på den interplanare afstand i grafit (0,334 nm). Antallet af vægge kan variere fra 2 til 50.

Hvis vi placerer et stykke grafit i en atmosfære af en inert gas (helium eller argon) og derefter belyser det med en stråle af en kraftig pulserende laser eller koncentreret sollys, så kan vi fordampe materialet i vores grafitmål (bemærk at for dette måloverfladetemperaturen skal være mindst 2700 °C) ... Under sådanne forhold dannes et plasma over måloverfladen, der består af individuelle kulstofatomer, som medføres af strømmen af ​​kold gas, hvilket fører til plasmaafkøling og dannelse af kulstofklynger. Så det viser sig, at under visse betingelser for klynger lukkes carbonatomer med dannelsen af ​​et rammesfærisk C 60-molekyle med dimension 0D (dvs. en kvanteprik), allerede vist i fig. 1.

En sådan spontan dannelse af et C 60-molekyle i carbonplasma blev opdaget i et fælles eksperiment af G. Kroto, R. Curl og R. Smoli, udført i ti dage i september 1985. nanorør og nanoclusters: A Genealogy of Forms and Ideas ", som i detaljer beskriver denne opdagelses fascinerende historie og de begivenheder, der gik forud for den (med korte udflugter i videnskabshistorien op til renæssancen og endda antikken), og også forklarer motivationen for det mærkelige ved første øjekast (og kun ved første øjekast) navnet på det nye molekyle - Buckminsterfulleren - til ære for arkitekten R. Buckminster Fuller (se også bogen [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Efterfølgende blev det opdaget, at der er en hel familie af kulstofmolekyler - fullerener - i form af konvekse polyedre, kun bestående af sekskantede og femkantede flader (fig. 8).

Det var opdagelsen af ​​fullerener, der blev en slags magisk "gyldne nøgle" til den nye verden af ​​nanoskalastrukturer lavet af rent kulstof, som forårsagede en eksplosion af arbejde i dette område. Til dato er der opdaget et stort antal forskellige kulstofklynger med en fantastisk (i ordets bogstavelige betydning!) mangfoldighed af struktur og egenskaber.

Men tilbage til nanomaterialer.

Nanomaterialer materialer kaldes, hvis strukturelle enheder er nanoobjekter (nanopartikler). Billedligt talt er en nanomaterialebygning lavet af mursten-nanoobjekter. Derfor er det mest produktivt at klassificere nanomaterialer i forhold til dimensionen af ​​både selve nanomaterialeprøven (ydre dimensioner af matrixen) og dimensionen af ​​dens konstituerende nanoobjekter. Den mest detaljerede klassificering af denne art er givet i værket. De 36 klasser af nanostrukturer, der præsenteres i dette arbejde, beskriver hele rækken af ​​nanomaterialer, hvoraf nogle (som de ovennævnte fullerener eller kulstofnanopulver) allerede er blevet syntetiseret med succes, og nogle afventer stadig deres eksperimentelle implementering.

Hvorfor er det ikke så enkelt

Så vi kan nøje definere begreberne "nanovidenskab", "nanoteknologi" og "nanomaterialer" af interesse for os, hvis vi forstår, hvad et "nanoobjekt" er.

"Nanoobjekt" har til gengæld to definitioner. Den første, mere enkel (teknologisk): disse er genstande (partikler) med en karakteristisk størrelse rundt regnet 1-100 nanometer i mindst én dimension. Den anden definition, mere videnskabelig, fysisk: et objekt med en reduceret dimension (hvori d ≤ d* i mindst én dimension).

Så vidt vi ved, er der ingen andre definitioner.

Det er dog slående, at den videnskabelige definition også har en alvorlig fejl. Nemlig: i den, i modsætning til den teknologiske, er det kun den øvre grænse for nanoskala, der bestemmes. Skal der være en nedre grænse? Det burde det efter vores mening selvfølgelig. Den første årsag til eksistensen af ​​den nedre grænse følger direkte af den fysiske essens af den videnskabelige definition af et nanoobjekt, da de fleste af de dimensionsreduktionseffekter, der er diskuteret ovenfor, er kvanteindeslutningseffekter eller fænomener af resonansart. De observeres med andre ord, når de karakteristiske længder af virkningen og objektets størrelse er sammenfaldende, dvs. ikke kun for d ≤ d*, som allerede har været diskuteret, men samtidig kun hvis størrelsen d overskrider en vis nedre grænse d** (d** ≤ d ≤ d*). Desuden er det indlysende, at mængden d * kan variere for forskellige fænomener, men skal overstige atomernes størrelse.

Lad os illustrere ovenstående med eksemplet med kulstofforbindelser. Polycykliske aromatiske carbonhydrider (PAH'er) såsom naphthalen, benzpyren, chrysen osv. er formelt analoger af grafen. Desuden har den største kendte PAH den generelle formel C 222 H 44 og indeholder 10 benzenringe diagonalt. De har dog ikke de fantastiske egenskaber, som grafen har, og de kan ikke betragtes som nanopartikler. Det samme gælder for nanodiamanter: op til ~ 4-5 nm er disse nanodiamanter, men tæt på disse grænser, og endda ud over dem, nærmer sig højere diamandoider (analoger af adamantan med kondenserede diamantceller som grundlag for strukturen).

Altså: hvis størrelsen af ​​et objekt i alle tre dimensioner i grænsen er lig med størrelsen af ​​et atom, så vil for eksempel en krystal sammensat af sådanne 0-dimensionelle objekter ikke være et nanomateriale, men en almindelig atomkrystal. Det er åbenlyst. Det er også indlysende, at antallet af atomer i et nanoobjekt stadig skal overstige én. Hvis nanoobjektet har alle tre værdier d Mindre end d **, han holder op med at være det. Et sådant objekt skal beskrives i det sprog, der beskriver individuelle atomer.

Og hvis ikke alle tre størrelser, men kun én f.eks.? Forbliver sådan et objekt et nanoobjekt? Selvfølgelig ja. For eksempel er den allerede nævnte grafen sådan et objekt. Det faktum, at den karakteristiske størrelse af grafen i én dimension er lig med diameteren af ​​et kulstofatom, fratager det ikke egenskaberne af et nanomateriale. Og disse egenskaber er helt unikke. Konduktiviteten, Shubnikov - de Haas-effekten og kvante-Hall-effekten i grafenfilm med atomtykkelse blev målt. Eksperimenter har bekræftet, at grafen er en halvleder med et båndgab på nul, mens ved kontaktpunkterne mellem valens- og ledningsbåndene er energispektret af elektroner og huller lineært som funktion af bølgevektoren. Denne form for spektrum er besat af partikler med nul effektiv masse, især fotoner, neutrinoer og relativistiske partikler. Forskellen mellem fotoner og masseløse bærere i grafen er, at sidstnævnte er fermioner, og de er ladede. I øjeblikket er der ingen analoger til disse masseløse ladede Dirac-fermioner blandt de kendte elementarpartikler. I dag er grafen af ​​stor interesse både for at teste mange teoretiske antagelser fra felterne kvanteelektrodynamik og relativitetsteorien, og for at skabe nye nanoelektroniske enheder, især ballistiske og enkeltelektroniske transistorer.

For vores diskussion er det meget vigtigt, at det tætteste på begrebet et nanoobjekt er et dimensionelt område, hvor de såkaldte mesoskopiske fænomener realiseres. Dette er det mindste størrelsesareal, for hvilket det er rimeligt ikke at tale om individuelle atomers eller molekylers egenskaber, men om egenskaberne af materialet som helhed (for eksempel ved bestemmelse af et materiales temperatur, tæthed eller ledningsevne) . Mesoskopiske størrelser falder nøjagtigt i området 1-100 nm. (Forstavelsen "meso-" kommer fra det græske ord for "gennemsnit", mellemliggende mellem atomare og makroskopiske dimensioner.)

Alle ved, at psykologi beskæftiger sig med individers adfærd, mens sociologi beskæftiger sig med store grupper af menneskers adfærd. Så relationer i en gruppe på 3-4 personer kan på samme måde karakteriseres som meso-fænomener. På samme måde, som nævnt ovenfor, er en lille bunke atomer noget, der ikke ligner hverken en "bunke" af atomer eller et enkelt atom.

Et mere vigtigt træk ved egenskaberne af nanoobjekter skal bemærkes her. På trods af, at i modsætning til grafen er kulstofnanorør og fullerener formelt henholdsvis 1- og 0-dimensionelle objekter, er dette i bund og grund ikke helt sandt. Eller rettere sagt ikke på samme tid. Pointen er, at et nanorør er det samme grafen 2D monoatomiske lag rullet ind i en cylinder. Og fulleren er et kulstof 2D-lag af monoatomisk tykkelse, lukket over overfladen af ​​en kugle. Det vil sige, at egenskaberne af nanoobjekter i væsentlig grad afhænger ikke kun af deres størrelse, men også af topologiske egenskaber - simpelthen sagt, af deres form.

Så den korrekte videnskabelige definition af et nanoobjekt bør være som følger:

er et objekt med mindst én størrelse ≤ d*, mens mindst én af størrelserne overstiger d **. Med andre ord er et objekt stort nok til at besidde et stofs makroegenskaber, men er samtidig kendetegnet ved en reduceret dimension, dvs. i det mindste i en af ​​dimensionerne er det lille nok til værdierne af disse egenskaber til at adskille sig meget fra de tilsvarende egenskaber af makroobjekter fra det samme stof, væsentligt afhængigt af objektets størrelse og form. I dette tilfælde er de nøjagtige værdier af dimensionerne d*og d ** kan variere ikke kun fra stof til stof, men også for forskellige egenskaber af det samme stof.

Det faktum, at disse overvejelser på ingen måde er skolastiske (som "hvor mange sandkorn begynder en bunke med?"), men har en dyb betydning for forståelsen af ​​videnskabens enhed og kontinuiteten i verden omkring os, bliver indlysende, hvis vi retter vores opmærksomhed mod nanoobjekter af organisk oprindelse.

Organiske nanoobjekter - supramolekylære strukturer

Ovenfor betragtede vi kun uorganiske relativt homogene materialer, og allerede der var alt ikke så enkelt. Men der er en kolossal mængde stof på Jorden, som ikke bare er svær, men ikke kan kaldes homogen. Vi taler om biologiske strukturer og levende stof generelt.

National Nanotechnology Initiative nævner som en af ​​årsagerne til den særlige interesse for området nanoskala:

Da den systemiske organisering af stof på nanoskalaen er et centralt træk ved biologiske systemer, vil nanovidenskab og teknologi gøre det muligt at inkorporere kunstige komponenter og ensembler i celler og derved skabe nye strukturelt organiserede materialer baseret på efterligning af selvsamlingsmetoder i naturen.

Lad os nu forsøge at finde ud af, hvad der er meningen med begrebet "nanostørrelse" som anvendt på biologi, idet man husker på, at når man går over til dette størrelsesområde, skal egenskaber fundamentalt eller skarpt ændre sig. Men lad os først huske, at nanoregionen kan nærmes på to måder: "fra top til bund" (fragmentering) eller "fra bund til top" (syntese). Så bevægelsen "nedefra og op" for biologi er intet andet end dannelsen af ​​biologisk aktive komplekser fra individuelle molekyler.

Lad os kort overveje de kemiske bindinger, der bestemmer strukturen og formen af ​​et molekyle. Den første og stærkeste er den kovalente binding, karakteriseret ved en streng retningsbestemthed (kun fra et atom til et andet) og en vis længde, som afhænger af typen af ​​binding (enkelt, dobbelt, tredobbelt osv.). Det er de kovalente bindinger mellem atomer, der bestemmer "primærstrukturen" af ethvert molekyle, det vil sige hvilke atomer og i hvilken rækkefølge der er knyttet til hinanden.

Men der er andre typer bindinger, der bestemmer, hvad der kaldes den sekundære struktur af molekylet, dets form. Dette er primært en hydrogenbinding - en binding mellem et polært atom og et hydrogenatom. Det er tættest på en kovalent binding, da det også er kendetegnet ved en vis længde og retning. Imidlertid er denne binding svag, dens energi er en størrelsesorden lavere end energien af ​​den kovalente binding. De resterende typer af vekselvirkninger er ikke-retningsbestemte og er ikke karakteriseret ved længden af ​​de dannede bindinger, men af ​​hastigheden af ​​fald i bindingsenergien med en stigning i afstanden mellem de interagerende atomer (langrækkende virkning). Ionbindingen er en lang rækkevidde interaktion, van der Waals interaktioner er kortrækkende. Så hvis afstanden mellem to partikler øges med r gange, så i tilfælde af ionbinding vil tiltrækningen falde til 1 / r 2 fra startværdien, i tilfælde af den allerede nævnte van der Waals-interaktion - til 1 / r 3 eller flere (op til 1 / r 12). Alle disse interaktioner i det generelle tilfælde kan defineres som intermolekylære interaktioner.

Lad os nu betragte et sådant koncept som et "biologisk aktivt molekyle". Det bør erkendes, at selve stofmolekylet kun er af interesse for kemikere og fysikere. De er interesserede i dens struktur ("primær struktur"), dens form ("sekundær struktur"), sådanne makroskopiske indikatorer som f.eks. aggregeringstilstanden, opløselighed, smelte- og kogepunkter osv., og mikroskopiske (elektroniske effekter) og gensidig påvirkning af atomer i et givet molekyle, spektrale egenskaber som en manifestation af disse interaktioner). Med andre ord taler vi om studiet af de egenskaber, der i princippet manifesteres af et molekyle. Husk på, at et molekyle per definition er den mindste partikel af et stof, der bærer dets kemiske egenskaber.

Fra et biologisk synspunkt er et "isoleret" molekyle (i dette tilfælde ligegyldigt om det er et molekyle eller et vist antal identiske molekyler) ikke i stand til at udvise nogen biologiske egenskaber. Dette speciale lyder ret paradoksalt, men lad os prøve at underbygge det.

Lad os overveje dette ved at bruge eksemplet med enzymer - proteinmolekyler, der er biokemiske katalysatorer. For eksempel består enzymet hæmoglobin, som sørger for ilttransport til væv, af fire proteinmolekyler (underenheder) og én såkaldt protesegruppe - hæm, som indeholder et jernatom, ikke-kovalent bundet til proteinunderenhederne af hæmoglobin.

Det vigtigste, eller rettere det afgørende bidrag til interaktionen af ​​proteinunderenheder og hæm, interaktionen, der fører til dannelsen og stabiliteten af ​​det supramolekylære kompleks, som kaldes hæmoglobin, er lavet af kræfter, nogle gange kaldet hydrofobe interaktioner, men repræsenterer kræfterne af intermolekylær interaktion. Bindingerne dannet af disse kræfter er meget svagere end de kovalente bindinger. Men i en komplementær interaktion, når to overflader kommer meget tæt på hinanden, er antallet af disse svage bindinger stort, og derfor er molekylernes samlede interaktionsenergi høj nok, og det resulterende kompleks er ret stabilt. Men indtil disse bindinger blev dannet mellem de fire underenheder, indtil protesegruppen (ædelstene) sluttede sig (igen på grund af ikke-kovalente bindinger), kan enkelte dele af hæmoglobin under ingen omstændigheder binde ilt, og endnu mere kan de ikke overføre det nogen steder. Og derfor besidder de ikke denne biologiske aktivitet. (Den samme begrundelse kan udvides til alle enzymer generelt.)

I dette tilfælde indebærer selve katalyseprocessen dannelsen i løbet af reaktionen af ​​et kompleks af mindst to komponenter - selve katalysatoren og et molekyle (molekyler) kaldet substratet/substraterne, der gennemgår (deres) en form for kemiske transformationer under påvirkning af katalysatoren. Med andre ord bør der dannes et kompleks af mindst to molekyler, dvs. et supramolekylært (supramolekylært) kompleks.

Ideen om komplementær interaktion blev først foreslået af E. Fischer for at forklare interaktionen af ​​medicinske stoffer med deres mål i kroppen og kaldte "nøgle til lås" interaktion. Selvom medicinske (og andre biologiske stoffer) på ingen måde er enzymer i alle tilfælde, er de også i stand til at forårsage enhver biologisk effekt først efter at have interageret med det tilsvarende biologiske mål. Og sådan en interaktion er igen intet andet end dannelsen af ​​et supramolekylært kompleks.

Følgelig er manifestationen af ​​"almindelige" molekyler med fundamentalt nye egenskaber (i dette tilfælde biologisk aktivitet) forbundet med dannelsen af ​​supramolekylære (supramolekylære) komplekser med andre molekyler på grund af kræfterne fra intermolekylær interaktion. Sådan er de fleste enzymer og systemer i kroppen (receptorer, membraner osv.) arrangeret, inklusive sådanne komplekse strukturer, som nogle gange kaldes biologiske "maskiner" (ribosomer, ATPase osv.). Og det sker netop på niveauet nanometer størrelse - fra en til flere tiere nanometer.

Med yderligere komplikationer og en stigning i størrelse (mere end 100 nm), dvs. ved overgang til et andet dimensionsniveau (mikroniveau), opstår meget mere komplekse systemer, som ikke kun er i stand til selvstændig eksistens og interaktion (især energiudveksling) med omgivelserne deres miljø, men også til selvreproduktion. Det vil sige, at hele systemets egenskaber ændres igen - det bliver så komplekst, at det allerede er i stand til selvreproduktion, det, vi kalder levende strukturer, dukker op.

Mange tænkere har gentagne gange forsøgt at definere livet. Uden at gå ind i filosofiske diskussioner bemærker vi, at livet efter vores mening er eksistensen af ​​selvreproducerende strukturer, og levende strukturer begynder fra en enkelt celle. Livet er et mikro- og makroskopisk fænomen, men de vigtigste processer, der sikrer, at levende systemer fungerer, sker på nanoskalaniveau.

En levende celles funktion som en integreret selvregulerende enhed med et udtalt strukturelt hierarki sikres ved miniaturisering på nanoskalaniveau. Det er indlysende, at miniaturisering på nanoskalaniveau er en grundlæggende egenskab ved biokemi, og derfor består livets udvikling af fremkomsten og integrationen af ​​forskellige former for nanostrukturerede objekter. Det er den nano-størrelse sektion af det strukturelle hierarki, begrænset i størrelse både fra toppen og fra bunden (!), der er afgørende for cellernes udseende og evne til at eksistere. Det vil sige, at det er niveauet af nanoskala, der repræsenterer overgangen fra det molekylære niveau til det Levendes niveau.

Men på grund af det faktum, at miniaturisering på nanoskalaniveau er en grundlæggende egenskab ved biokemi, er det umuligt at betragte nogen biokemiske manipulationer som nanoteknologiske - nanoteknologi forudsætter stadig designet, og ikke den trivielle brug af molekyler og partikler.

Konklusion

I begyndelsen af ​​artiklen forsøgte vi allerede på en eller anden måde at klassificere genstande fra forskellige naturvidenskaber i henhold til princippet om de karakteristiske størrelser af de genstande, de studerer. Lad os vende tilbage til dette igen, og ved at anvende denne klassifikation finder vi, at atomfysik, som studerer interaktioner inde i et atom, er subangstromale (femto- og pico-) dimensioner.

"Sædvanlig" uorganisk og organisk kemi er ångstrøm-størrelser, niveauet af individuelle molekyler eller bindinger i krystaller af uorganiske stoffer. Men biokemi er niveauet af nanoskala, niveauet af eksistens og funktion af supramolekylære strukturer stabiliseret af ikke-kovalente intermolekylære kræfter.

Men biokemiske strukturer er stadig relativt simple, og de kan fungere relativt uafhængige ( in vitro hvis du kan lide). Yderligere komplikation, dannelsen af ​​komplekse ensembler af supramolekylære strukturer - dette er en overgang til selvreproducerende strukturer, en overgang til Living. Og her, allerede på celleniveau, er disse mikrostørrelser, og på organismeniveau - makrostørrelser. Dette er biologi og fysiologi.

Nanoskalaen er en overgangsregion fra det molekylære niveau, som danner grundlaget for eksistensen af ​​alle levende ting, bestående af molekyler, til niveauet for de Levende, eksistensniveauet for selvreproducerende strukturer og nanopartikler, som er supramolekylære strukturer stabiliseret af kræfterne fra intermolekylær interaktion, er en overgangsform fra individuelle molekyler til komplekse funktionelle systemer. Dette kan afspejles i et diagram, der især understreger naturens kontinuitet (fig. 9). I skemaet er verden af ​​nanoskala placeret mellem den atomare-molekylære verden og de levendes verden, bestående af de samme atomer og molekyler, men organiseret i komplekse selv-reproducerende strukturer, og overgangen fra en verden til en anden er bestemt ikke kun (og ikke så meget) af strukturernes størrelse, men af ​​deres kompleksitet ... Naturen har for længe siden opfundet og bruger supramolekylære strukturer i levende systemer. Vi er derimod langt fra altid i stand til at forstå, endsige gentage, hvad naturen gør nemt og naturligt. Men man kan ikke forvente tjenester fra hende, man skal lære af hende.

Litteratur:
1) Vul A.Ya., Sokolov V.I. Forskning af nanocarboner i Rusland: fra fullerener til nanorør og nanodiamanter / Russian Nanotechnologies, 2007. Vol. 3 (3-4).
2) Kats E.A. Fullerener, kulstofnanorør og nanoklynger: en genealogi af former og ideer. - M .: LKI, 2008.
3) Ostwald W. En verden af ​​omgåede værdier. - M .: Forlag for interessentskabet "Mir", 1923.
4) Piotrovsky L.B., Kiselev O.I. Fullerener i biologi. - Rostock, St. Petersborg, 2006.
5) Tkachuk V.A. Nanoteknologi og medicin // Russian Nanotechnologies, 2009. Vol. 4 (7–8).
6) Khobza P., Zagradnik R. Intermolekylære komplekser. - M .: Mir, 1989.
7) Mann S. Livet som et fænomen i nanoskala. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306-5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. Nye af nanostrukturer // Physica E, 2008, v. 40, s. 2521-2525.

Nano - 10 -9, pico - 10 -12, femto - 10 -15.

Desuden ikke kun at se, men også at røre ved. "Men han sagde til dem: Hvis jeg ikke ser neglenes sår i hans hænder, og jeg ikke stikker min finger i neglenes sår, og jeg stikker ikke min hånd i hans ribben, vil ikke tro” [Johannes Evangelium, kapitel 20, vers 24].

For eksempel talte han om atomer allerede i 430 f.Kr. NS. Demokrit. Så argumenterede Dalton i 1805, at: 1) grundstofferne er lavet af atomer, 2) atomerne i et grundstof er identiske og forskellige fra atomerne i et andet grundstof, og 3) atomer kan ikke ødelægges i en kemisk reaktion. Men først fra slutningen af ​​det 19. århundrede begyndte teorierne om atomets struktur at udvikle sig, hvilket forårsagede en revolution i fysikken.

Begrebet "nanoteknologi" blev introduceret i 1974 af japaneren Norio Taniguchi. I lang tid var udtrykket ikke udbredt blandt specialister, der arbejder inden for beslægtede områder, da Taniguchi kun brugte begrebet "nano" for at angive nøjagtigheden af ​​overfladebehandling, for eksempel i teknologier, der gør det muligt at kontrollere overfladeruheden af ​​materialer ved et niveau mindre end en mikrometer osv.

Begreberne "fullerener", "carbon nanorør" og "grafen" vil blive diskuteret i detaljer i anden del af artiklen.

En eksperimentel illustration af denne erklæring er den nyligt offentliggjorte udvikling af teknologiske metoder til at opnå grafenplader ved "kemisk skæring" og "udrulning" af kulstofnanorør.

Ordet "mikroskopisk" bruges kun her, fordi disse egenskaber blev kaldt tidligere, selvom vi i dette tilfælde taler om egenskaberne manifesteret af molekyler og atomer, det vil sige om peak-størrelsesintervallet.

Hvilket især førte til fremkomsten af ​​det synspunkt, at livet er et fænomen af ​​nanometerstørrelser [ Mann, 2008], hvilket efter vores mening ikke er helt rigtigt.