meerdere eenheden- eenheden die een geheel aantal keren groter zijn dan de basismaateenheid van een fysieke grootheid. Het International System of Units (SI) beveelt de volgende decimale voorvoegsels aan voor meerdere eenheden:

Decimale voorvoegsels toepassen op binaire eenheden

Hoofd artikel: Binaire voorvoegsels

In de programmeer- en computerindustrie worden dezelfde voorvoegsels kilo, mega, giga, tera, enz. toegepast op veelvouden van machten van twee (bijv. byte), kan een veelvoud van niet 1000 betekenen, maar 1024 = 2 10. Welk systeem wordt gebruikt, moet duidelijk zijn uit de context (voor de hoeveelheid RAM wordt bijvoorbeeld een veelvoud van 1024 gebruikt, en voor het volume van het schijfgeheugen wordt een veelvoud van 1000 gebruikt door de fabrikanten van harde schijven).

Om verwarring in april te voorkomen 1999 jaar internationaal elektrotechnische Commissie introduceerde een nieuwe standaard voor het benoemen van binaire getallen (zie. Binaire voorvoegsels).

Voorvoegsels voor fractionele eenheden

fractionele eenheden, vormen een bepaalde fractie (een deel) van de vastgestelde meeteenheid van een bepaalde waarde. Het International System of Units (SI) beveelt de volgende prefixen aan voor sub-veelvouden:

Oorsprong van voorvoegsels

De meeste voorvoegsels zijn afgeleid van Grieks woorden. Soundboard komt van het woord deca of deka(δέκα) - "tien", hecto - van hekaton(ἑκατόν) - "honderd", kilo - van chiloi(χίλιοι) - "duizend", mega - van megas(μέγας), dat wil zeggen, "groot", giga is gigantos(γίγας) - "reus", en tera - from teratos(τέρας) wat "monsterlijk" betekent. Peta (πέντε) en exa (ἕξ) komen overeen met vijf- en zesduizend cijfers en worden respectievelijk vertaald als "vijf" en "zes". Lange termijn micro (vanaf micro's, μικρός) en nano (van nano's, ) worden vertaald als "klein" en "dwerg". Van één woord ὀκτώ ( goed om) wat "acht" betekent, gevormd door de voorvoegsels yotta (1000 8) en yokto (1/1000 8).

Zoals "duizend" wordt vertaald en het voorvoegsel milli, dat teruggaat op lat. mille... Latijnse wortels hebben ook de voorvoegsels santi - from centum("Honderd") en deci - from decimus( "Tiende"), zetta - from september("zeven"). Zepto ("zeven") komt van lat. de woorden september of van vr. sept.

Het voorvoegsel atto is afgeleid van datums. opletten("achttien"). Femto dateert uit datums. en norv. femten of te dr.-noch. fimmtān en betekent vijftien.

Het pico-voorvoegsel komt van ofwel: vr. pico("Snavel" of "kleine hoeveelheid"), of van ital. piccolo, dat wil zeggen, "klein".

Regels voor het gebruik van voorvoegsels

Voorvoegsels moeten samen met de naam van de eenheid of, respectievelijk, met de aanduiding worden geschreven.

Het gebruik van twee of meer opzetstukken achter elkaar (bijv. micromillifarad) is niet toegestaan.

De aanduidingen van veelvouden en onderveelvouden van de oorspronkelijke eenheid verheven tot een macht worden gevormd door de overeenkomstige exponent toe te voegen aan de aanduiding van een veelvoud of onderveelvoud van de oorspronkelijke eenheid, en de indicator betekent het verheffen van een veelvoud of subveelvoud tot een macht (samen met het voorvoegsel). Voorbeeld: 1 km² = (10³ m) ² = 106 m² (niet 10³ m²). De namen van dergelijke eenheden worden gevormd door een voorvoegsel aan de naam van de oorspronkelijke eenheid te hechten: een vierkante kilometer (geen kilo vierkante meter).

Als de eenheid een product of een verhouding van eenheden is, wordt het voorvoegsel of de aanduiding ervan meestal aan de naam of aanduiding van de eerste eenheid toegevoegd: kPa s / m (kilopascal seconde per meter). Het is alleen in gerechtvaardigde gevallen toegestaan ​​om een ​​voorvoegsel aan de tweede vermenigvuldiger van het werk of aan de noemer toe te voegen.

Toepasbaarheid van voorvoegsels

Omdat de naam van de eenheid van massa in SI- kilogram - bevat het voorvoegsel "kilo", voor de vorming van meerdere en fractionele eenheden van massa gebruik een fractionele eenheid van massa - gram (0,001 kg).

Voorvoegsels worden beperkt gebruikt met tijdseenheden: meerdere voorvoegsels worden er helemaal niet mee gecombineerd - niemand gebruikt de "kiloseconde", hoewel dit formeel niet verboden is, is er echter een uitzondering op deze regel: kosmologie de eenheid wordt gebruikt " gigagod»(miljard jaar); zijbevestigingen kunnen alleen worden bevestigd aan seconde(milliseconde, microseconde, enz.). In overeenstemming met GOST 8.417-2002, mogen de naam en aanduidingen van de volgende SI-eenheden niet worden gebruikt met de voorvoegsels: minuut, uur, dag (tijdseenheden), rang, minuut, seconde(vlakke hoekeenheden), astronomische eenheid, dioptrie en atomaire massa-eenheid:.

MET meter Van de meerdere voorvoegsels worden in de praktijk alleen kilo's gebruikt: in plaats van megameters (Mm), gigameters (Hm), enz., schrijven ze "duizenden kilometers", "miljoenen kilometers", enz.; in plaats van vierkante megameters (Mm²), schrijven ze "miljoenen vierkante kilometers".

Capaciteit condensatoren traditioneel gemeten in microfarads en picofarads, maar niet millifarads of nanofarads [ bron niet gespecificeerd 221 dagen ] (ze schrijven 60.000 pF, niet 60 nF; 2000 uF, niet 2 mF). In radiotechniek is het gebruik van een nanofarad-eenheid echter toegestaan.

Het wordt niet aanbevolen om voorvoegsels te gebruiken die overeenkomen met exponenten die niet deelbaar zijn door 3 (hecto-, deca-, deci-, centi-). Alleen veel gebruikt centimeter(wat de basiseenheid in het systeem is) GHS) en decibel, in mindere mate - decimeter en hectopascal (in meteorologische rapporten), net zoals hectare... In sommige landen is het volume schuld gemeten in decaliter.

Lengte- en afstandomzetter Massa-omzetter Bulk- en voedselvolume-omzetter Oppervlakte-omzetter Culinair recept Volume en eenheden Omzetter Temperatuuromzetter Druk, spanning, Young's Modulus omzetter Energie- en werkomzetter Vermogensomzetter Krachtomzetter Tijdomzetter Lineaire snelheidsomzetter Platte hoekomzetter Thermische efficiëntie en brandstofefficiëntie Numeriek Conversiesystemen Omrekenen van informatie Meetsystemen Valutakoersen Dameskleding en schoenen Maten Herenkleding en schoenen Maten Hoeksnelheid en rotatiesnelheid omzetter Acceleratie-omzetter Hoekversnelling omzetter Dichtheidsomzetter Specifiek volume omzetter Traagheidsmoment omzetter Moment van krachtomzetter Koppelomzetter Specifieke calorische waarde (massa ) omzetter Energiedichtheid en calorische waarde van brandstof (volume) omzetter Differentiële temperatuuromzetter Coëfficiëntomzetter Thermische uitzettingscoëfficiënt Thermische weerstandsomvormer Thermische geleidbaarheidsomvormer Specifieke warmtecapaciteitomvormer Thermische blootstelling en stralingsvermogenomvormer Warmtefluxdichtheidsomvormer Warmteoverdrachtscoëfficiëntomvormer Volumestroomsnelheidsconverter Massastroomsnelheid Molaire stroomsnelheidsconvertor Massafluxdichtheidsconverter Molaire concentratieconverter Massaconcentratie in oplossingconverter absolute) viscositeit Kinematische viscositeitsomzetter Oppervlaktespanningconvertor Dampdoorlaatbaarheid converter Dampdoorlaatbaarheid en dampoverdrachtsnelheid converter Geluidsniveau converter Microfoongevoeligheid converter Geluidsdrukniveau converter (SPL) Geluidsdrukniveau converter met selecteerbare referentiedruk Luminantie converter Lichtsterkte converter Lichtintensiteit converter Resolutie naar computerconvertertabel Frequentie- en golflengte-omzetter Optisch vermogen naar dioptrie x en brandpuntsafstand Optisch vermogen in dioptrie en lensvergroting (×) Elektrische ladingomzetter Lineaire ladingsdichtheidomzetter OppBulkladingdichtheidomzetter Elektrische stroom lineaire stroomdichtheidomzetter OpElektrische veldsterkteomzetter Elektrostatische potentiaal- en spanningsomzetter Omvormer Elektrisch Weerstand Omvormer voor elektrische weerstand Omvormer voor elektrische geleidbaarheid Omvormer voor elektrische geleidbaarheid Omvormer voor elektrische capaciteit Inductantie-omzetter American Wire Gauge Converter Niveaus in dBm (dBm of dBmW), dBV (dBV), watt, enz. eenheden Magnetomotorische krachtomzetter Magnetische veldsterkteomzetter Magnetische fluxomzetter Magnetische inductieomzetter Straling. Ioniserende straling Geabsorbeerde dosisomzetter Radioactiviteit. Radioactief verval Stralingsomzetter. Blootstelling Dosisomzetter Straling. Geabsorbeerde dosis omzetter Decimale voorvoegsels Omzetter Gegevensoverdracht Typografie en beeldverwerkingseenheid Omzetter Houtvolume-eenheid omzetter Molaire massa berekenen Periodiek systeem van chemische elementen D.I. Mendelejev

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

Beginwaarde

Omgerekende waarde

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

Massaconcentratie in oplossing

Metrisch en internationaal stelsel van eenheden (SI)

Invoering

In dit artikel zullen we het hebben over het metrieke stelsel en zijn geschiedenis. We zullen zien hoe en waarom het begon en hoe het geleidelijk veranderde in wat we nu hebben. We zullen ook kijken naar het SI-systeem, dat is ontwikkeld vanuit het metrieke stelsel van maatregelen.

Voor onze voorouders, die in een wereld vol gevaren leefden, stelde het vermogen om verschillende hoeveelheden in hun natuurlijke habitat te meten ons in staat om de essentie van natuurlijke fenomenen beter te begrijpen, hun omgeving te kennen en de mogelijkheid te krijgen om op de een of andere manier invloed uit te oefenen op wat hen omringt. Daarom hebben mensen geprobeerd verschillende meetsystemen uit te vinden en te verbeteren. Aan het begin van de menselijke ontwikkeling was het hebben van een meetsysteem niet minder belangrijk dan nu. Het was noodzakelijk om verschillende metingen uit te voeren bij het bouwen van een huis, het naaien van kleding van verschillende maten, het bereiden van voedsel en natuurlijk kon handel en ruilen niet zonder metingen! Velen geloven dat de oprichting en goedkeuring van het internationale SI-systeem van eenheden de meest serieuze prestatie is, niet alleen van wetenschap en technologie, maar ook van de ontwikkeling van de mensheid in het algemeen.

Vroege meetsystemen

In vroege meet- en getalsystemen gebruikten mensen traditionele objecten om te meten en te vergelijken. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het decimale systeem verscheen vanwege het feit dat we tien vingers en tenen hebben. Onze handen zijn altijd bij ons - daarom hebben mensen sinds de oudheid vingers gebruikt (en gebruiken ze nog steeds) om te tellen. En toch hebben we niet altijd het basis 10-systeem gebruikt om te tellen, en het metrieke stelsel is een relatief nieuwe uitvinding. Elke regio heeft zijn eigen eenhedenstelsels en hoewel deze systemen veel gemeen hebben, zijn de meeste systemen toch zo verschillend dat het omzetten van meeteenheden van het ene naar het andere systeem altijd een probleem is geweest. Dit probleem werd steeds ernstiger met de ontwikkeling van de handel tussen verschillende volkeren.

De nauwkeurigheid van de eerste systemen van maten en gewichten was rechtstreeks afhankelijk van de grootte van de objecten die de mensen omringden die deze systemen ontwikkelden. Het is duidelijk dat de metingen onnauwkeurig waren, aangezien de "meetapparaten" niet exact gedimensioneerd waren. Lichaamsdelen werden bijvoorbeeld vaak gebruikt als lengtemaat; massa en volume werden gemeten met behulp van het volume en de massa van zaden en andere kleine voorwerpen, waarvan de afmetingen min of meer hetzelfde waren. Hieronder zullen we dergelijke eenheden nader bekijken.

Lengtematen

In het oude Egypte werd de lengte aanvankelijk eenvoudig gemeten ellebogen, en later met koninklijke ellebogen. De ellebooglengte werd gedefinieerd als het segment van de elleboogbocht tot het einde van de verlengde middelste teen. Zo werd de koninklijke el gedefinieerd als de el van de regerende farao. Er werd een model elleboog gemaakt en ter beschikking gesteld van het grote publiek, zodat iedereen zijn eigen lengtematen kon maken. Dit was natuurlijk een willekeurige eenheid die veranderde toen een nieuwe regerende persoon de troon overnam. Het oude Babylon gebruikte een soortgelijk systeem met kleine verschillen.

De elleboog was verdeeld in kleinere eenheden: Palm, hand, korrel(voeten), en Jij(vinger), die respectievelijk werden weergegeven door de breedte van de handpalm, hand (met de duim), voet en teen. Tegelijkertijd besloten ze af te spreken hoeveel vingers er in de handpalm (4), in de hand (5) en in de elleboog zitten (28 in Egypte en 30 in Babylon). Het was handiger en nauwkeuriger dan het telkens meten van verhoudingen.

Maatregelen van massa en gewicht

Gewichten werden ook gebaseerd op de parameters van verschillende items. Zaden, granen, bonen en dergelijke werden gebruikt als gewichtsmaten. Een klassiek voorbeeld van een eenheid van massa die vandaag de dag nog steeds wordt gebruikt, is karaat... Nu meet karaat de massa van edelstenen en parels, en ooit werd het gewicht van de zaden van de johannesbroodboom, ook wel johannesbrood genoemd, bepaald als karaat. De boom wordt gekweekt in de Middellandse Zee en de zaden worden gekenmerkt door een constante massa, dus het was handig om ze te gebruiken als een maat voor gewicht en massa. Op verschillende plaatsen werden verschillende zaden gebruikt als kleine gewichtseenheden, en grotere eenheden waren meestal veelvouden van kleinere eenheden. Archeologen vinden vaak vergelijkbare grote gewichten, meestal gemaakt van steen. Ze bestonden uit 60, 100 en andere kleine eenheden. Omdat er geen enkele norm was voor het aantal kleine eenheden, maar ook voor hun gewicht, leidde dit tot conflicten wanneer verkopers en kopers die op verschillende plaatsen woonden elkaar ontmoetten.

Volume maatregelen

Aanvankelijk werd ook het volume gemeten met behulp van kleine objecten. Zo werd het volume van een pot of kan bepaald door deze tot de rand te vullen met kleine voorwerpen van relatief standaardvolume, zoals zaden. Het gebrek aan standaardisatie leidde echter tot dezelfde problemen bij het meten van volume als bij het meten van massa.

Evolutie van verschillende stelsels van maatregelen

Het oude Griekse systeem van maatregelen was gebaseerd op het oude Egyptische en Babylonische, en de Romeinen creëerden hun systeem op basis van het oude Griekse. Vervolgens verspreidden deze systemen zich met vuur en zwaard en natuurlijk als gevolg van handel door heel Europa. Opgemerkt moet worden dat we het hier alleen hebben over de meest voorkomende systemen. Maar er waren nog veel meer stelsels van maten en gewichten, want ruil en handel waren voor absoluut iedereen nodig. Als er in een bepaald gebied geen geschreven taal was of het niet gebruikelijk was om de resultaten van de uitwisseling vast te leggen, dan kunnen we alleen maar raden hoe deze mensen het volume en het gewicht hebben gemeten.

Er zijn veel regionale varianten van maat- en gewichtssystemen. Dit komt door hun onafhankelijke ontwikkeling en de invloed van andere systemen op hen als gevolg van handel en verovering. Verschillende systemen waren niet alleen in verschillende landen, maar vaak binnen hetzelfde land, waar ze hun eigen hadden in elke handelsstad, omdat lokale heersers geen eenwording wilden om hun macht te behouden. Met de ontwikkeling van reizen, handel, industrie en wetenschap probeerden veel landen de systemen van maten en gewichten te verenigen, althans op het grondgebied van hun land.

Al in de 13e eeuw, en mogelijk zelfs eerder, bespraken wetenschappers en filosofen de oprichting van een uniform meetsysteem. Maar pas na de Franse Revolutie en de daaropvolgende kolonisatie van verschillende regio's van de wereld door Frankrijk en andere Europese landen, die al hun eigen systemen van maten en gewichten hadden, werd een nieuw systeem ontwikkeld, dat in de meeste landen van de wereld werd aangenomen. Dit nieuwe systeem was decimaal metrisch stelsel... Het was gebaseerd op de basis 10, dat wil zeggen dat er voor elke fysieke hoeveelheid één basiseenheid in zat, en alle andere eenheden konden op een standaard manier worden gevormd met decimale voorvoegsels. Elk zo'n fractionele of meervoudige eenheid zou kunnen worden verdeeld in tien kleinere eenheden, en deze kleinere eenheden zouden op hun beurt kunnen worden verdeeld in 10 nog kleinere eenheden, enzovoort.

Zoals we weten, waren de meeste vroege meetsystemen niet gebaseerd op basis 10. Het gemak van het basis 10-systeem ligt in het feit dat het getallensysteem dat we gewend zijn dezelfde basis heeft, wat het mogelijk maakt om snel en gemakkelijk converteren van kleinere eenheden naar grote en vice versa. Veel wetenschappers zijn van mening dat de keuze van tien als basis van het getallenstelsel willekeurig is en alleen wordt geassocieerd met het feit dat we tien vingers hebben en als we een ander aantal vingers hadden, dan zouden we waarschijnlijk een ander getallenstelsel gebruiken.

Metriek stelsel

Aan het begin van de ontwikkeling van het metrieke stelsel werden, net als in eerdere systemen, door mensen gemaakte prototypes gebruikt als lengte- en gewichtsmaten. Het metrieke stelsel is geëvolueerd van een systeem gebaseerd op materiële standaarden en afhankelijk van hun nauwkeurigheid naar een systeem gebaseerd op natuurlijke fenomenen en fundamentele fysieke constanten. Zo werd de tijdseenheid, de tweede, oorspronkelijk gedefinieerd als onderdeel van het tropische jaar 1900. Het nadeel van deze definitie was de onmogelijkheid van experimentele verificatie van deze constante in de daaropvolgende jaren. Daarom werd de tweede geherdefinieerd als een bepaald aantal stralingsperioden die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de grondtoestand van een radioactief cesium-133-atoom in rust op 0 K. meter is geherdefinieerd als de afstand die licht aflegt in een vacuüm in een tijdspanne gelijk aan 1/299 792 458 seconden.

Het International System of Units (SI) is gemaakt op basis van het metrieke stelsel. Opgemerkt moet worden dat traditioneel het metrieke stelsel eenheden van massa, lengte en tijd omvat, maar in het SI-systeem is het aantal basiseenheden uitgebreid tot zeven. We zullen ze hieronder bespreken.

Internationaal Stelsel van Eenheden (SI)

Het International System of Units (SI) heeft zeven basiseenheden voor het meten van basisgrootheden (massa, tijd, lengte, lichtintensiteit, hoeveelheid materie, elektrische stroom, thermodynamische temperatuur). Deze kilogram(kg) om de massa te meten, seconde(s) om de tijd te meten, meter(m) om afstand te meten, candela(cd) om de lichtsterkte te meten, wrat(afkorting mol) om de hoeveelheid van een stof te meten, ampère(A) om de sterkte van de elektrische stroom te meten, en Kelvin(K) voor temperatuurmeting.

Momenteel heeft alleen de kilogram nog een door mensen gemaakte standaard, terwijl de rest van de eenheden gebaseerd zijn op universele fysieke constanten of natuurlijke fenomenen. Dit is handig omdat de fysieke constanten of natuurlijke fenomenen waarop de eenheden zijn gebaseerd op elk moment gemakkelijk te controleren zijn; bovendien is er geen gevaar voor verlies of beschadiging van de normen. Het is ook niet nodig om kopieën van standaarden te maken om ervoor te zorgen dat ze in verschillende delen van de wereld beschikbaar zijn. Dit elimineert fouten die verband houden met de nauwkeurigheid van het maken van kopieën van fysieke objecten, en biedt dus een grotere nauwkeurigheid.

decimale voorvoegsels

Om veelvouden en subveelvouden te vormen die een bepaald geheel aantal keren verschillen van de basiseenheden van het SI-systeem, wat een macht van tien is, gebruikt het voorvoegsels die aan de naam van de basiseenheid zijn gekoppeld. Hieronder vindt u een lijst van alle momenteel gebruikte voorvoegsels en de decimale factoren die ze vertegenwoordigen:

Bijvoorbeeld, 5 gigameter is gelijk aan 5.000.000.000.000 meter, terwijl 3 microcandela gelijk is aan 0.000003 candela. Het is interessant om op te merken dat, ondanks de aanwezigheid van het voorvoegsel in de kilogram-eenheid, het de basis-SI-eenheid is. Daarom worden de bovenstaande voorvoegsels met het gram gebruikt alsof het de basiseenheid is.

Op het moment van schrijven zijn er nog maar drie landen die het SI-systeem niet hebben aangenomen: de Verenigde Staten, Liberia en Myanmar. Traditionele eenheden worden nog steeds veel gebruikt in Canada en het Verenigd Koninkrijk, hoewel SI het officiële systeem van eenheden is in deze landen. Het is voldoende om naar de winkel te gaan en de prijskaartjes per pond goederen te zien (omdat het goedkoper uitpakt!), Of probeer bouwmaterialen te kopen, gemeten in meters en kilogrammen. Zal niet werken! Om nog maar te zwijgen van de verpakking van goederen, waar alles wordt ondertekend in gram, kilogram en liter, maar niet in zijn geheel, maar omgerekend van ponden, ons, pints en quarts. Melkopslag in koelkasten wordt ook berekend per halve gallon of gallon, niet per liter melkpak.

Vindt u het moeilijk om een ​​meeteenheid van de ene taal naar de andere te vertalen? Collega's staan ​​klaar om je te helpen. Stel een vraag aan TCTerms en je krijgt binnen enkele minuten antwoord.

Berekeningen voor het converteren van eenheden in de converter " Decimaal voorvoegsel omzetter»Worden uitgevoerd met behulp van de unitconversion.org-functies.

Afgekorte aanduidingen van elektrische grootheden

Bij het samenstellen van elektronische circuits, willekeurig, is het noodzakelijk om de waarden van de weerstanden van de weerstanden, capaciteiten van condensatoren, de inductantie van de spoelen opnieuw te berekenen.

Zo wordt het bijvoorbeeld noodzakelijk om microfarads om te zetten in picofarads, kilo-ohms in ohms, millihenry in microhenry.

Hoe niet in de war raken in de berekeningen?

Als er een fout wordt gemaakt en een artikel met een onjuiste beoordeling wordt geselecteerd, zal het geassembleerde apparaat niet correct werken of andere kenmerken hebben.

Een dergelijke situatie is in de praktijk niet ongebruikelijk, omdat ze soms op de gevallen van radio-elementen de waarde van de capaciteit aangeven nano farads (nF), en op het schema worden de capaciteiten van de condensatoren meestal aangegeven in micro farads (μF) en picot farad (pF). Dit misleidt veel beginnende radioamateurs en vertraagt ​​daardoor de montage van het elektronische apparaat.

Om te voorkomen dat deze situatie zich voordoet, moet u eenvoudige berekeningen leren.

Om niet in de war te raken in microfarads, nanofarads, picofarads, moet u vertrouwd raken met de dimensietabel. Ik weet zeker dat je het meer dan eens nodig zult hebben.

Deze tabel bevat decimale veelvouden en fractionele (fractionele) voorvoegsels. Het internationale systeem van eenheden, dat de afgekorte naam draagt SI, omvat zes veelvouden (deca, hecto, kilo, mega, giga, tera) en acht veelvouden (deci, centi, milli, micro, nano, pico, femto, atto). Veel van deze hulpstukken worden al lang in de elektronica gebruikt.

Hoe de tafel te gebruiken?

Zoals je in de tabel kunt zien, is het verschil tussen veel voorvoegsels precies 1000. Deze regel is dus van toepassing tussen veelvouden, beginnend met het voorvoegsel kilo.

• Mega - 1.000.000

  Giga - 1.000.000.000

  Tera - 1.000.000.000.000

Dus, als naast de aanduiding van de weerstand 1 MΩ (1 Mega ohm), dan is de weerstand - 1.000.000 (1 miljoen) ohm. Als er een weerstand is met een nominale weerstand van 1 kOhm (1 kilo ohm), dan is het in ohm 1000 (duizend) ohm.

Voor fractionele of anderszins fractionele waarden is de situatie vergelijkbaar, alleen is er geen toename van de numerieke waarde, maar een afname.

Om niet in de war te raken in microfarads, nanofarads, picofarads, moet u één eenvoudige regel onthouden. Je moet begrijpen dat milli, micro, nano en pico allemaal verschillend zijn. precies 1000... Dat wil zeggen, als je 47 microfarads wordt verteld, betekent dit dat het in nanofarads 1000 keer meer zal zijn - 47.000 nanofarads. In picofarads zal het 1000 keer meer zijn - 47.000.000 picofarads. Zoals je kunt zien, is het verschil tussen 1 microfarad en 1 picofarad 1.000.000 keer.

Ook is het in de praktijk soms vereist om de waarde in microfarads te kennen en wordt de capaciteitswaarde aangegeven in nanofarads. Dus als de capaciteit van de condensator 1 nanofarad is, dan is dit in microfarad 0,001 μF. Als de capaciteit 0,01 microfarad is, dan is deze in picofarad respectievelijk 10.000 pF en in nanofarad respectievelijk 10 nF.

De voorvoegsels die de afmeting van de hoeveelheid aangeven, worden gebruikt voor verkorte notatie. Akkoord makkelijker om te schrijven 1mA dan 0,001 Ampère of bijvoorbeeld 400 μH dan 0,0004 Hendrik.

De eerder getoonde tabel heeft ook een afkorting voor het voorvoegsel. Om niet te schrijven Mega, schrijf alleen de letter m... Het voorvoegsel wordt meestal gevolgd door een afkorting voor een elektrische grootheid. Bijvoorbeeld het woord Ampère schrijf niet, maar vermeld alleen de letter EEN... Doe dit ook bij het afkorten van de opname van de maateenheid voor capaciteit Farad... In dit geval wordt alleen de brief geschreven F.

Naast de verkorte notatie in het Russisch, die vaak wordt gebruikt in oude radio-elektronische literatuur, is er ook een internationale verkorte notatie voor prefixen. Dit staat ook in de tabel aangegeven.

Doctor in de technische wetenschappen, academicus van de Russische Academie voor Natuurwetenschappen, A.I. CHESIN

De term "nanotechnologie" in 1974, voorgesteld door de Japanner Noryo Taniguchi om het proces te beschrijven van het construeren van nieuwe objecten en materialen door individuele atomen te manipuleren. Een nanometer is een miljardste van een meter. Atoomgrootte:- enkele tienden van een nanometer Alle voorgaande wetenschappelijke en technologische revoluties kwamen erop neer dat mensen steeds vaardiger mechanismen en materialen van de natuur kopieerden. Een doorbraak in nanotechnologie is een heel ander verhaal. Voor het eerst zal de mens nieuwe materie creëren die onbekend en ontoegankelijk was voor de natuur.In feite heeft de wetenschap de modellering van de principes van de constructie van levende materie benaderd, die gebaseerd is op zelforganisatie en zelfregulering. De reeds beheerste methode om structuren te creëren met behulp van kwantumstippen is zelforganisatie. Een revolutie in de beschaving - de creatie van bionische apparaten.

Er is misschien geen definitieve definitie voor het begrip nanotechnologie, maar Naar analogie met bestaande microtechnologieën volgt hieruit dat nanotechnologieën technologieën zijn die werken met hoeveelheden in de orde van grootte van een nanometer. Dit is een verwaarloosbare waarde, honderden keren kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht en vergelijkbaar met de grootte van atomen. Daarom is de overgang van "micro" naar "nano" niet langer een kwantitatieve, maar een kwalitatieve overgang - een sprong van de manipulatie van materie naar de manipulatie van individuele atomen.

International System of Units (SI) is de oorsprong van voorvoegsels.

De eerste bijlagen werden geïntroduceerd in 1793-1795. bij het legaliseren van het metrieke stelsel in Frankrijk. Het was gebruikelijk dat meerdere eenheden de naam van voorvoegsels uit de Griekse taal namen, voor fractionele - uit het Latijn. In die jaren werden de volgende voorvoegsels aangenomen: kilo... (van het Grieks.chilioi - duizend), hecto ... (van het Griekse hekaton - honderd), dek ... (van het Griekse deka - ten), beslissen... (van lat.decem - tien), centi ... (van het Latijnse centum - honderd), Milli ... (van Lat. mille - duizend). In de jaren daarna nam het aantal veelvouden en subveelvouden toe; de namen van voorvoegsels voor hun aanduiding werden soms geleend van andere talen. De volgende voorvoegsels zijn verschenen: mega... (van het Grieks.megas - groot), giga ... (van het Griekse gigas, gigantos - reus), tera ... (van het Griekse teras, teratos - enorm, monster), micro... (van het Griekse mikros - klein, klein), nano ... (van het Griekse nanos - dwerg), picot ... (van Italiaanse piccolo - klein, klein), vrouwelijk ... (van Deens femten - vijftien), atto ... (uit het Deens atten - achttien). De laatste twee voorvoegsels peta ... en ex... - werden in 1975 aangenomen: "peta" ... (van het Griekse peta - vijf, wat overeenkomt met vijf categorieën van 10 3 elk), exa ... (van het Grieks. hex - zes, wat overeenkomt met zes cijfers van 10 3). Zepto- (zepto- ) Is een fractioneel metrisch voorvoegsel dat 10 −21 aanduidt. Yokto- (yocto- ) Is een fractioneel metrisch voorvoegsel dat 10 −24 aanduidt. Voor de duidelijkheid geven we een tabel:

Als het gaat om de ontwikkeling van nanotechnologieën, bedoelen we drie gebieden:

• fabricage van elektronische schakelingen (inclusief volumetrische) met actieve elementen die qua grootte vergelijkbaar zijn met de grootte van moleculen en atomen;
• ontwikkeling en fabricage van nanomachines, d.w.z. mechanismen en robots ter grootte van een molecuul;
• directe manipulatie van atomen en moleculen en de assemblage van alles wat daaruit bestaat.

Tegelijkertijd ontwikkelen zich nu actief nanotechnologische methoden die het mogelijk maken om actieve elementen (transistoren, diodes) ter grootte van een molecuul te creëren en daaruit meerlagige driedimensionale circuits te vormen. Misschien zal micro-elektronica de eerste industrie zijn waar "atoomassemblage" op industriële schaal zal worden uitgevoerd.

Hoewel we nu de middelen tot onze beschikking hebben om individuele atomen te manipuleren, kunnen ze nauwelijks "direct" worden gebruikt om iets praktisch noodzakelijks te assembleren: al was het maar vanwege het aantal atomen dat zal moeten worden "geassembleerd".

De mogelijkheden van bestaande technologieën zijn echter al voldoende om enkele eenvoudige mechanismen te bouwen uit verschillende moleculen, die, geleid door besturingssignalen van buitenaf (akoestisch, elektromagnetisch, enz.), andere moleculen kunnen manipuleren en vergelijkbare apparaten of complexere mechanismen kunnen creëren.

Die zullen op hun beurt in staat zijn om nog complexere apparaten te maken, enz. uiteindelijk zal dit exponentiële proces leiden tot de creatie van moleculaire robots - mechanismen die qua grootte vergelijkbaar zijn met een groot molecuul en met hun eigen ingebouwde computers.

De natuur is continu en elke definitie vereist het stellen van een soort van grenzen. Daarom is het formuleren van definities een nogal ondankbare taak. Niettemin moet dit gebeuren, aangezien een duidelijke definitie het mogelijk maakt om het ene fenomeen van het andere te scheiden, significante verschillen tussen hen aan het licht te brengen en zo de verschijnselen zelf beter te begrijpen. Daarom is het doel van dit essay om te proberen de betekenis te begrijpen van de hedendaagse modieuze termen met het voorvoegsel "nano" (van het Griekse woord "dwerg") - "nanowetenschap", "nanotechnologie", "nano-object", "nanomateriaal ".

Ondanks het feit dat deze kwesties herhaaldelijk met wisselende diepgang zijn besproken in speciale en populair-wetenschappelijke literatuur, blijkt uit literatuuranalyse en persoonlijke ervaring dat er in brede wetenschappelijke kringen nog steeds geen duidelijk begrip is van het probleem zelf, om nog maar te zwijgen van onwetenschappelijke kringen. en definities. Daarom zullen we proberen een definitie te geven van alle bovenstaande termen, waarbij we de aandacht van de lezer vestigen op de betekenis van het basisconcept "nanoobject". We nodigen de lezer uit om samen na te denken over de vraag of er iets is dat nano-objecten fundamenteel onderscheidt van hun grotere en kleinere 'broers' die de wereld om ons heen 'bewonen'. Bovendien nodigen we hem uit om deel te nemen aan een reeks gedachte-experimenten over het ontwerp van nanostructuren en hun synthese. We zullen ook proberen aan te tonen dat het in het bereik van nanoschaal is dat een verandering in de aard van fysische en chemische interacties optreedt, en dit gebeurt precies in hetzelfde deel van de schaal, waar de grens tussen levende en levenloze natuur passeert.

Maar eerst, waar komt dit allemaal vandaan, waarom is het voorvoegsel "nano" geïntroduceerd, dat bepalend is bij het verwijzen van materialen naar nanostructuren, waarom nanowetenschap en nanotechnologie op verschillende gebieden opvallen, waar in deze toewijzing naar verwijst (en verwijst het) naar echt wetenschappelijke fundamenten?

Wat is "nano" en waar het allemaal begon

Dit is een voorvoegsel dat aangeeft dat de oorspronkelijke waarde met een miljard keer moet worden verlaagd, dat wil zeggen, gedeeld door één met negen nullen - 1.000.000.000. Bijvoorbeeld, 1 nanometer is een miljardste van een meter (1 nm = 10 -9 m) ... Laten we, om ons voor te stellen hoe klein 1 nm is, het volgende gedachte-experiment uitvoeren (Fig. 1). Als we de diameter van onze planeet (12.750 km = 12,75 × 106 m ≈ 107 m) met een factor 100 miljoen (10 8) verkleinen, krijgen we ongeveer 10 –1 m. Dit is een grootte die ongeveer gelijk is aan de diameter van een voetbal (standaard is de diameter van een voetbal 22 cm, maar op onze schaal is dit verschil niet significant (voor ons 2,2 × 10 –1 m 10 –1 m). Laten we nu de diameter van een voetbal met dezelfde 100 miljoen (10 8) keer verkleinen, en pas nu krijgen we een nanodeeltjesgrootte gelijk aan 1 nm (ongeveer de diameter van een koolstofmolecuul van fullereen C 60, vergelijkbaar in vorm met een voetbal - zie Fig. 1) ...

Het is opmerkelijk dat het voorvoegsel "nano" al heel lang in de wetenschappelijke literatuur wordt gebruikt, maar om verre van nano-objecten aan te duiden. In het bijzonder voor objecten waarvan de grootte miljarden keren groter is dan 1 nm - in de terminologie van dinosaurussen. Nanotyrannosaurussen ( nanotyranus) en nanosauriërs ( nanosaurus) worden dwergdinosaurussen genoemd, waarvan de afmetingen respectievelijk 5 en 1,3 m zijn. Maar het zijn echt "dwergen" in vergelijking met andere dinosaurussen, waarvan de grootte groter is dan 10 m (tot 50 m), en het gewicht kan oplopen tot 30-40 ton of meer. Dit voorbeeld benadrukt dat het voorvoegsel "nano" zelf geen fysieke betekenis heeft, maar alleen de schaal aangeeft.

Maar nu, met behulp van dit voorvoegsel, markeren ze een nieuw tijdperk in de ontwikkeling van technologieën, ook wel de vierde industriële revolutie genoemd - het tijdperk van nanotechnologie.

Er wordt heel vaak aangenomen dat het begin van het nanotechnologische tijdperk in 1959 werd gelegd door Richard Feynman in een lezing " Er is genoeg ruimte aan de onderkant"(" Beneden - veel ruimte. ") De belangrijkste postulaat van deze lezing was dat de auteur vanuit het oogpunt van de fundamentele wetten van de natuurkunde geen belemmeringen ziet om op moleculair en atomair niveau te werken, te manipuleren individuele atomen of moleculen.Feynman zei dat met behulp van bepaalde apparaten nog kleinere apparaten kunnen worden gemaakt, die op hun beurt in staat zijn om nog kleinere apparaten te maken, enzovoort tot op atomair niveau, dat wil zeggen met de juiste technologieën, individuele atomen kunnen worden gemanipuleerd.

In alle eerlijkheid moet echter worden opgemerkt dat Feynman niet de eerste was die hiermee op de proppen kwam. Met name het idee om manipulatoren te maken die geleidelijk in omvang afnemen, werd in 1931 uitgedrukt door de schrijver Boris Zhitkov in zijn fantastische verhaal "Mikroruki". We kunnen het niet laten om kleine citaten uit dit verhaal te citeren om de lezer een echte waardering te geven voor het inzicht van de schrijver:

"Ik pijnigde mijn hersens voor een lange tijd en dit is waar ik op uitkwam: ik zal kleine handen maken, een exacte kopie van de mijne - laat ze minstens twintig, dertig keer kleiner zijn, maar ze zullen flexibele vingers hebben, zoals de mijne, ze zullen zich tot een vuist balden, zich losmaken, in dezelfde posities komen als mijn levende handen. En ik heb ze gemaakt...
Maar plotseling schoot me een gedachte te binnen: ik kan microhandjes maken voor mijn kleine handjes. Ik kan dezelfde handschoenen voor ze maken als voor mijn levende handen, hetzelfde systeem gebruiken om ze te verbinden met de handvatten die tien keer kleiner zijn dan mijn microhanden, en dan... heb ik echte microhanden, al twee honderd keer kleiner dan de mijnbeweging. Met deze handen zal ik inbreken in zo'n klein leven, dat alleen is gezien, maar waar niemand ooit over zijn eigen handen heeft beschikt. En ik moet aan het werk...
Ik wilde echte microhanden maken, zodat ik materiedeeltjes zou kunnen pakken waaruit materie is ontstaan, die onvoorstelbaar kleine deeltjes die alleen zichtbaar zijn door een ultramicroscoop. Ik wilde in het gebied komen waar de menselijke geest elk idee van grootte verliest - het lijkt erop dat er geen maten zijn, alles is zo onvoorstelbaar klein. "

Maar het zijn niet alleen literaire voorspellingen. Wat nu nanoobjecten wordt genoemd, nanotechnologie, zo je wilt, gebruiken mensen al lang in hun leven. Een van de meest opvallende voorbeelden (letterlijk en figuurlijk) is veelkleurig glas. Bijvoorbeeld gemaakt in de 4e eeuw na Christus. e. de Lycurgus-beker, bewaard in het British Museum, is groen als het van buitenaf wordt verlicht, maar paarsrood als het van binnenuit wordt verlicht. Recente studies met behulp van elektronenmicroscopie hebben aangetoond dat dit ongebruikelijke effect te wijten is aan de aanwezigheid van nanodeeltjes goud en zilver in het glas. Daarom kunnen we gerust stellen dat de Lycurgus Cup is gemaakt van nanocomposietmateriaal.

Zoals nu blijkt, werd in de Middeleeuwen vaak metallisch nanostof aan glas toegevoegd voor de vervaardiging van glas-in-loodramen. Variaties in glaskleur zijn afhankelijk van verschillen in de toegevoegde deeltjes - de aard van het gebruikte metaal en de grootte van de deeltjes. Onlangs is gebleken dat deze glazen ook bacteriedodende eigenschappen hebben, dat wil zeggen dat ze niet alleen een mooi lichtspel geven in de ruimte, maar ook de omgeving desinfecteren.

Als we de geschiedenis van de ontwikkeling van de wetenschap in historische termen beschouwen, kunnen we enerzijds een gemeenschappelijke vector onderscheiden - de penetratie van natuurwetenschappen "diep in" de materie. Beweging langs deze vector wordt bepaald door de ontwikkeling van observatiemiddelen. In het begin bestudeerden mensen de gewone wereld, waarvoor geen speciale instrumenten nodig waren om te observeren. Waarnemingen op dit niveau legden de basis voor de biologie (classificatie van de levende wereld, K. Linnaeus, enz.), de evolutietheorie werd gecreëerd (C. Darwin, 1859). Toen de telescoop verscheen, konden mensen astronomische waarnemingen doen (G. Galileo, 1609). Dit resulteerde in de wet van universele zwaartekracht en klassieke mechanica (I. Newton, 1642-1727). Toen de Levenguk-microscoop verscheen (1674), gingen mensen de microkosmos binnen (grootte-interval 1 mm - 0,1 mm). Aanvankelijk was het slechts een contemplatie van kleine, onzichtbare organismen. Pas aan het einde van de 19e eeuw was L. Pasteur de eerste die de aard en functies van micro-organismen ophelderde. Rond dezelfde tijd (eind 19e - begin 20e eeuw) vond een revolutie in de natuurkunde plaats. Wetenschappers begonnen het atoom binnen te dringen om de structuur ervan te bestuderen. Nogmaals, dit was te wijten aan de opkomst van nieuwe methoden en hulpmiddelen, die de kleinste deeltjes materie begonnen te gebruiken. In 1909 slaagde Rutherford erin om met behulp van alfadeeltjes (heliumkernen met een grootte van ongeveer 10-13 m) de kern van een goudatoom te "zien". Het Bohr-Rutherford planetaire model van het atoom dat op basis van deze experimenten is gemaakt, geeft een visueel beeld van de uitgestrektheid van de "vrije" ruimte in het atoom, vrij vergelijkbaar met de kosmische leegte van het zonnestelsel. Het was de leegte van dergelijke bevelen die Feynman in zijn lezing voor ogen had. Met behulp van dezelfde α-deeltjes voerde Rutherford in 1919 de eerste kernreactie uit om stikstof om te zetten in zuurstof. Dit is hoe natuurkundigen pico- en femto-dimensionale intervallen betraden, en het begrijpen van de structuur van materie op atomair en subatomair niveau leidde in de eerste helft van de vorige eeuw tot de creatie van de kwantummechanica.

Een wereld van verloren waarden

Historisch gezien gebeurde het dat op de grootteschaal (Fig. 2) bijna alle dimensionale onderzoeksgebieden werden "bedekt", behalve het nanoschaalgebied. De wereld is echter niet zonder visionaire mensen. In het begin van de 20e eeuw publiceerde W. Ostwald het boek "The World of Bypassed Quantities", dat handelde over een nieuw gebied van de chemie in die tijd - colloïdale chemie, dat precies ging over deeltjes van nanometer-formaat (hoewel deze term niet toen nog gebruikt). Al in dit boek merkte hij op dat de fragmentatie van materie op een gegeven moment leidt tot nieuwe eigenschappen, dat de eigenschappen van het gehele materiaal afhangen van de grootte van het deeltje.

Aan het begin van de twintigste eeuw wisten ze nog niet hoe ze deeltjes van deze grootte moesten 'zien', omdat ze onder de resolutiegrenzen van een lichtmicroscoop liggen. Het is dan ook geen toeval dat een van de eerste mijlpalen in de opkomst van nanotechnologie wordt beschouwd als de uitvinding van M. Knoll en E. Ruska in 1931 van een elektronenmicroscoop. Pas daarna was de mensheid in staat om objecten van submicron- en nanometer-afmetingen te "zien". En dan valt alles op zijn plaats - het belangrijkste criterium waarmee de mensheid nieuwe feiten en verschijnselen accepteert (of niet accepteert), wordt uitgedrukt in de woorden van de ongelovige Thomas: "Totdat ik zie, zal ik niet geloven."

De volgende stap werd gezet in 1981 - G. Binnig en G. Rohrer creëerden een scanning tunneling microscoop, die het niet alleen mogelijk maakte om afbeeldingen van individuele atomen te verkrijgen, maar ook om ze te manipuleren. Dat wil zeggen, de technologie is ontstaan, waarover R. Feynman sprak in zijn lezing. Het was toen dat het tijdperk van nanotechnologie begon.

Merk op dat we hier weer met hetzelfde verhaal te maken hebben. Nogmaals, omdat het over het algemeen gebruikelijk is dat de mensheid geen aandacht schenkt aan het feit dat, althans een beetje, haar tijd vooruit is. Dus, aan de hand van het voorbeeld van nanotechnologie, bleek er niets nieuws te zijn ontdekt, het was gewoon dat ze beter begonnen te begrijpen wat er rondom gebeurde, wat mensen zelfs in de oudheid al hadden gedaan, zij het onbewust, of liever, bewust (ze wisten wat ze wilden), maar ze begrepen de verschijnselen van natuurkunde en scheikunde niet. Een andere vraag is dat de aanwezigheid van technologie nog lang niet betekent dat we de essentie van het proces begrijpen. Ze wisten al lang hoe ze staal moesten koken, maar het begrip van de fysische en chemische basis van staalproductie kwam pas veel later. Hier kun je je herinneren dat het geheim van Damascus-staal nog niet is ontdekt. Hier is een andere hypostase - we weten wat er moet worden ontvangen, maar we weten niet hoe. De relatie tussen wetenschap en technologie is dus niet altijd eenvoudig.

Wie was de eerste die zich bezighield met nanomaterialen in hun moderne begrip? In 1981 gebruikte de Amerikaanse wetenschapper G. Glater voor het eerst de definitie van "nanokristallijn". Hij formuleerde het concept van het maken van nanomaterialen en ontwikkelde het in een reeks werken in 1981-1986, introduceerde de termen "nanokristallijne", "nanogestructureerde", "nanofase" en "nanocomposiet" materialen. De nadruk in deze werken werd gelegd op de beslissende rol van talrijke grensvlakken in nanomaterialen als basis voor het veranderen van de eigenschappen van vaste stoffen.

Een van de belangrijkste gebeurtenissen in de geschiedenis van nanotechnologie en de ontwikkeling van de ideologie van nanodeeltjes was ook de ontdekking in het midden van de jaren 80 - begin jaren 90 van de twintigste eeuw van koolstofnanostructuren - fullerenen en koolstofnanobuisjes, evenals de ontdekking al in de eenentwintigste eeuw van een methode om grafeen te produceren.

Maar terug naar de definities.

Eerste definities: alles is heel eenvoudig

Het was in het begin heel eenvoudig. In 2000 ondertekende de Amerikaanse president B. Clinton het document “ Nationaal Nanotechnologie-initiatief"(" National Nanotechnology Initiative "), dat de volgende definitie geeft: nanotechnologie verwijst naar het creëren van technologieën en onderzoek op atomair, moleculair en macromoleculair niveau binnen over van 1 tot 100 nm om de fundamentele fundamenten van de verschijnselen en eigenschappen van materialen op nanoschaalniveau te begrijpen, evenals het creëren en gebruiken van structuren, apparatuur en systemen met nieuwe eigenschappen en functies bepaald door hun grootte.

In 2003 verzocht de Britse regering om koninklijke samenleving en Royal Academy of Engineering met het verzoek om hun mening te geven over de noodzaak van de ontwikkeling van nanotechnologie, om de voordelen en problemen te beoordelen die hun ontwikkeling kan veroorzaken. Een dergelijk rapport getiteld “ Nanowetenschap en nanotechnologieën: kansen en onzekerheden"Verschenen in juli 2004, en daarin werden, voor zover we weten, voor het eerst afzonderlijk definities van nanowetenschap en nanotechnologie gegeven:

Nanowetenschap is een studie van verschijnselen en objecten op atomair, moleculair en macromoleculair niveau, waarvan de kenmerken aanzienlijk verschillen van de eigenschappen van hun macroanalogen.

nanotechnologie is het ontwerpen, karakteriseren, produceren en toepassen van structuren, apparaten en systemen, waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun vorm en grootte op nanometerniveau.

Dus onder de term "nanotechnologie" wordt opgevat als een reeks technologische methoden waarmee u nano-objecten kunt maken en/of manipuleren. Het blijft alleen om nano-objecten te definiëren. Maar dit blijkt niet zo eenvoudig te zijn, dus het grootste deel van het artikel is gewijd aan deze definitie.

Om te beginnen volgt hier de formele definitie die momenteel het meest wordt gebruikt:

Nanoobjecten (nanodeeltjes) zijn objecten (deeltjes) met een karakteristieke grootte van 1-100 nanometer in ten minste één dimensie.

Alles lijkt goed en begrijpelijk, het is alleen onduidelijk waarom zo'n strikte definitie van de onder- en bovengrenzen van 1 en 100 nm wordt gegeven? Dit lijkt een voluntaristische keuze, vooral wantrouwend ten aanzien van de bovengrens. Waarom niet 70 of 150 nm? Inderdaad, rekening houdend met alle verscheidenheid aan nano-objecten in de natuur, kunnen en moeten de grenzen van de nano-site van de schaalgrootte aanzienlijk worden vervaagd. En over het algemeen is het in de natuur onmogelijk om exacte grenzen te trekken - sommige objecten vloeien soepel over in andere, en dit gebeurt in een bepaald interval, en niet op een punt.

Laten we, voordat we het over de grenzen hebben, proberen te begrijpen welke fysieke betekenis het concept "nano-object" bevat, waarom zou het worden onderscheiden door een afzonderlijke definitie?

Zoals hierboven opgemerkt, begon pas aan het einde van de 20e eeuw het inzicht te ontstaan ​​(of beter gezegd, zich in de geest te manifesteren) dat het nanoschaalinterval van de structuur van materie nog steeds zijn eigen kenmerken heeft, dat op dit niveau materie heeft andere eigenschappen die zich niet manifesteren in de macrokosmos. Het is erg moeilijk om sommige Engelse termen in het Russisch te vertalen, maar in het Engels is er een term " stortgoed", Wat ruwweg kan worden vertaald als" een grote hoeveelheid stof "", bulkstof", "continu medium". Dus hier zijn enkele eigenschappen " bulkmaterialen»Naarmate de grootte van de samenstellende deeltjes afneemt, kunnen ze beginnen te veranderen wanneer een bepaalde grootte is bereikt. In dit geval zeggen ze dat er een overgang is naar de nanostaat van materie, nanomaterialen.

En dit gebeurt omdat met een afname van de grootte van deeltjes, de fractie atomen die zich op hun oppervlak bevindt en hun bijdrage aan de eigenschappen van het object significant wordt en groeit met een verdere afname in grootte (Fig. 3).

Maar waarom heeft een toename van de fractie oppervlakte-atomen een significante invloed op de eigenschappen van deeltjes?

De zogenaamde oppervlakteverschijnselen zijn al lang bekend - dit zijn oppervlaktespanning, capillaire verschijnselen, oppervlakteactiviteit, bevochtiging, adsorptie, adhesie, enz. De hele reeks van deze verschijnselen is te wijten aan het feit dat de krachten van interactie tussen de deeltjes waaruit het lichaam bestaat, worden niet gecompenseerd op het oppervlak (Fig. 4). Met andere woorden, de atomen op het oppervlak (kristal of vloeistof - het maakt niet uit) bevinden zich in speciale omstandigheden. In kristallen bijvoorbeeld werken de krachten die ze dwingen om in de knopen van het kristalrooster te zijn alleen van onderen op hen in. Daarom verschillen de eigenschappen van deze "oppervlakte" -atomen van de eigenschappen van dezelfde atomen in het volume.

Omdat het aantal oppervlakte-atomen in nano-objecten sterk toeneemt (Fig. 3), wordt hun bijdrage aan de eigenschappen van een nano-object bepalend en groeit met een verdere afname van de grootte van het object. Dit is precies een van de redenen voor de manifestatie van nieuwe eigenschappen op nanoschaal.

Een andere reden voor de verandering in eigenschappen die ter discussie staan, is dat het effect van de wetten van de kwantummechanica zich begint te manifesteren op dit dimensionale niveau, dat wil zeggen, het niveau van nanoschaal is het niveau van overgang, namelijk de overgang, van de heerschappij van de klassieke mechanica tot de heerschappij van de kwantummechanica. En zoals bekend is, zijn de overgangstoestanden het meest onvoorspelbaar.

Tegen het midden van de 20e eeuw hebben mensen geleerd om zowel met een massa atomen als met één atoom te werken.

Vervolgens werd het duidelijk dat de "kleine stapel atomen" iets anders is, niet helemaal vergelijkbaar met de massa van atomen of met een enkel atoom.

Waarschijnlijk zijn wetenschappers en technologen voor het eerst in de fysica van halfgeleiders met dit probleem geconfronteerd. In hun zoektocht naar miniaturisatie bereikten ze zulke deeltjesgroottes (enkele tientallen nanometers of minder), waarbij hun optische en elektronische eigenschappen sterk begonnen te verschillen van die van deeltjes van "gewone" grootte. Het was toen dat het eindelijk duidelijk werd dat de schaal van "nanoformaat" een speciaal gebied is, anders dan het bestaansgebied van macrodeeltjes of continue media.

Daarom is in de bovenstaande definities van nanowetenschap en nanotechnologie de belangrijkste indicatie dat "echte nano" begint met het verschijnen van nieuwe eigenschappen van stoffen die verband houden met de overgang naar deze schalen en die verschillen van de eigenschappen van bulkmaterialen. Dat wil zeggen, de meest essentiële en belangrijkste kwaliteit van nanodeeltjes, hun belangrijkste verschil met micro- en macrodeeltjes is het verschijnen in hen van fundamenteel nieuwe eigenschappen die zich niet manifesteren bij andere maten. We hebben al literaire voorbeelden aangehaald, we zullen deze techniek opnieuw gebruiken om de verschillen tussen macro-, micro- en nano-objecten duidelijk te tonen en te benadrukken.

Laten we teruggaan naar literaire voorbeelden. De held van Leskovs verhaal Levsha wordt vaak genoemd als een "vroege" nanotechnoloog. Dit is echter fout. De belangrijkste prestatie van Lefty is dat hij kleine spijkers smeedde [ "Ik werkte kleiner dan deze hoefijzers: ik smeedde anjers, waarmee de hoefijzers werden gehamerd, daar kan geen klein reikwijdte meer tegen"]. Maar deze spijkers, hoewel erg klein, bleven spijkers, maar verloren hun hoofdfunctie niet - het vasthouden van het hoefijzer. Het voorbeeld met Lefty is dus een voorbeeld van miniaturisatie (microminiaturisatie, zo je wilt), dat wil zeggen, het verkleinen van een object zonder de functionele en andere eigenschappen ervan te veranderen.

Maar het al genoemde verhaal van B. Zhitkov beschrijft precies de verandering in eigenschappen:

"Ik moest een dunne draad uittrekken - dat wil zeggen, de dikte die als haar zou zijn voor mijn levende handen. Ik werkte en keek door de microscoop terwijl de microhandjes koper vasthielden. Dunner, dunner - er is nog vijf keer te rekken - en toen scheurde de draad. Het brak niet eens - het brokkelde af alsof het van klei was gemaakt. Verkruimeld tot fijn zand. Dit is rood koper dat bekend staat om zijn taaiheid."

Merk op dat in Wikipedia in een artikel over nanotechnologie wordt alleen een toename van de hardheid van koper genoemd als een van de voorbeelden van veranderingen in eigenschappen met een afname in grootte. (Ik vraag me af hoe B. Zhitkov dit in 1931 leerde?)

Nano-objecten: kwantumvlakken, draden en punten. Koolstof nanostructuren

Aan het einde van de 20e eeuw werd eindelijk het bestaan ​​van een bepaald gebied van deeltjesgrootte van materie - het gebied van nanoschaal - duidelijk. Natuurkundigen die de definitie van nano-objecten verfijnen, stellen dat de bovengrens van de nano-site van de schaalgrootte hoogstwaarschijnlijk samenvalt met de grootte van de manifestatie van de zogenaamde laagdimensionale effecten of het effect van dimensionaliteitsreductie .

Laten we proberen een omgekeerde vertaling te maken van de laatste uitspraak uit de taal van natuurkundigen in de gewone mensentaal.

We leven in een driedimensionale wereld. Alle echte objecten om ons heen hebben een of andere grootte in alle drie de dimensies, of, zoals natuurkundigen zeggen, een dimensie van 3.

Laten we het volgende gedachte-experiment doen. Laten we kiezen voor driedimensionaal, volume, een monster van een materiaal, bij voorkeur een homogeen kristal. Stel dat het een kubus is met een randlengte van 1 cm Dit monster heeft bepaalde fysische eigenschappen, onafhankelijk van de grootte. Nabij het buitenoppervlak van ons monster kunnen de eigenschappen verschillen van die in de bulk. De relatieve fractie van oppervlakte-atomen is echter klein, en daarom kan de bijdrage van de oppervlakteverandering in eigenschappen worden verwaarloosd (het is deze vereiste die in de taal van natuurkundigen betekent dat het monster volume). Nu zullen we de kubus in tweeën delen - twee van zijn karakteristieke afmetingen blijven hetzelfde, en één, laat het de hoogte zijn D, zal met 2 keer afnemen. Wat gebeurt er met de eigenschappen van het monster? Ze zullen niet veranderen. Laten we dit experiment nog een keer herhalen en de eigenschap die voor ons van belang is meten. We krijgen hetzelfde resultaat. Door het experiment verschillende keren te herhalen, zullen we uiteindelijk een kritieke grootte bereiken. D*, waaronder de eigenschap die we meten, begint af te hangen van de grootte D... Waarom? Bij d d* de fractie van de bijdrage van oppervlakte-atomen aan eigenschappen wordt significant en zal blijven toenemen met verdere afname D.

Natuurkundigen zeggen dat wanneer? d d* in ons voorbeeld is er kwantumgrootte-effect in één dimensie. Voor hen is ons voorbeeld niet langer driedimensionaal (wat voor een gewoon persoon absurd klinkt, omdat onze D hoewel klein, maar niet gelijk aan nul!), is het de afmeting is teruggebracht tot twee. EEN het monster zelf heet het kwantumvlak, of kwantum goed, naar analogie met de term "potentiële bron" die vaak in de natuurkunde wordt gebruikt.

Als in een voorbeeld: d d* in twee dimensies heet het eendimensionaal kwantumobject, of kwantum draad, of kwantum draad. Hebben nuldimensionale objecten, of kwantumstippen, d d* in alle drie de dimensies.

Natuurlijk, de kritische grootte D* is geen constante waarde voor verschillende materialen en kan zelfs voor één materiaal aanzienlijk variëren, afhankelijk van welke van de eigenschappen die we in ons experiment hebben gemeten, of, met andere woorden, welke van de kritische dimensionale kenmerken van fysieke verschijnselen deze eigenschap bepaalt (vrij pad van elektronen van fononen, de Broglie-golflengte, diffusielengte, penetratiediepte van een extern elektromagnetisch veld of akoestische golven, enz.).

Het blijkt echter dat met alle verscheidenheid aan verschijnselen die zich voordoen in organische en anorganische materialen in de levende en levenloze natuur, de waarde D* ligt ongeveer in het bereik van 1-100 nm. Dus "nano-object" ("nanostructuur", "nanodeeltje") is gewoon een andere versie van de term "kwantumdimensionale structuur". Dit is een object dat heeft d d* in ten minste één dimensie. Dit zijn deeltjes met een kleinere afmeting, deeltjes met een groter aandeel oppervlakte-atomen. Dit betekent dat het het meest logisch is om ze te classificeren volgens de mate van dimensionaliteitsreductie: 2D - kwantumvlakken, 1D - kwantumdraden, 0D - kwantumdots.

Het hele spectrum van gereduceerde afmetingen kan gemakkelijk worden verklaard, en het belangrijkste is dat het experimenteel kan worden waargenomen met behulp van het voorbeeld van koolstofnanodeeltjes.

De ontdekking van koolstofnanostructuren was een zeer belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van het concept van nanodeeltjes.

Koolstof is slechts het elfde meest voorkomende element in de natuur, maar dankzij het unieke vermogen van zijn atomen om met elkaar te combineren en lange moleculen te vormen die andere elementen als substituenten bevatten, ontstond er een enorme verscheidenheid aan organische verbindingen, en het leven zelf. Maar zelfs als het alleen met zichzelf combineert, kan koolstof een groot aantal verschillende structuren genereren met zeer uiteenlopende eigenschappen - de zogenaamde allotrope modificaties. Diamant is bijvoorbeeld een standaard voor transparantie en hardheid, een diëlektricum en een warmte-isolator. Grafiet is echter een ideale "absorbeerder" van licht, een ultrazacht materiaal (in een bepaalde richting), een van de beste geleiders van warmte en elektriciteit (in een vlak loodrecht op de bovengenoemde richting). Maar beide materialen zijn alleen samengesteld uit koolstofatomen!

Maar dit alles is op macroniveau. En de overgang naar de nanoschaal opent nieuwe unieke eigenschappen van koolstof. Het bleek dat de "liefde" van koolstofatomen voor elkaar zo groot is dat ze, zonder de deelname van andere elementen, een hele reeks nanostructuren kunnen vormen die van elkaar verschillen, inclusief hun afmetingen. Deze omvatten fullerenen, grafeen, nanobuisjes, nanocones, enz. (Fig. 5).

Merk op dat koolstofnanostructuren "echte" nanodeeltjes kunnen worden genoemd, aangezien, zoals duidelijk te zien is in Fig. 5, liggen al hun samenstellende atomen op het oppervlak.

Maar terug naar het grafiet zelf. Grafiet is dus de meest wijdverbreide en thermodynamisch stabiele modificatie van elementair koolstof met een driedimensionale kristalstructuur die bestaat uit parallelle atomaire lagen, die elk een dichte pakking van zeshoeken zijn (Fig. 6). Een koolstofatoom bevindt zich op de hoekpunten van een dergelijke zeshoek en de zijkanten van de zeshoeken geven grafisch sterke covalente bindingen tussen koolstofatomen weer, waarvan de lengte 0,142 nm is. Maar de afstand tussen de lagen is vrij groot (0,334 nm), en daarom is de verbinding tussen de lagen nogal zwak (in dit geval spreken ze van van der Waals-interactie).

Deze kristalstructuur verklaart de kenmerken van de fysieke eigenschappen van grafiet. Ten eerste, lage hardheid en het vermogen om gemakkelijk te exfoliëren tot kleine schilfers. Zo worden er bijvoorbeeld potloodstiften geschreven, waarvan de grafietvlokken, afbladderend, op het papier achterblijven. Ten tweede de reeds genoemde uitgesproken anisotropie van de fysische eigenschappen van grafiet en in de eerste plaats zijn elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid.

Elk van de lagen van de driedimensionale structuur van grafiet kan worden beschouwd als een gigantische vlakke structuur met een 2D-dimensie. Deze tweedimensionale structuur, alleen opgebouwd uit koolstofatomen, wordt "grafeen" genoemd. Het is relatief eenvoudig om zo'n structuur te verkrijgen, althans in een gedachte-experiment. Pak een potlood en begin te schrijven. Lood hoogte: D zal afnemen. Als je genoeg geduld hebt, dan is op een gegeven moment de waarde D zal gelijk zijn aan D*, en we krijgen het kwantumvlak (2D).

Lange tijd zijn het probleem van de stabiliteit van vlakke tweedimensionale structuren in een vrije toestand (zonder substraat) in het algemeen en grafeen in het bijzonder, evenals de elektronische eigenschappen van grafeen, alleen onderwerp geweest van theoretische studies. Vrij recent, in 2004, verkreeg een groep natuurkundigen onder leiding van A. Geim en K. Novoselov de eerste monsters van grafeen, die een revolutie teweegbrachten in dit veld, aangezien dergelijke tweedimensionale structuren in het bijzonder verbazingwekkende elektronische eigenschappen bleken te vertonen, kwalitatief anders dan alle eerder waargenomen. Daarom onderzoeken tegenwoordig honderden experimentele groepen de elektronische eigenschappen van grafeen.

Als we een grafeenlaag, monoatomisch van dikte, in een cilinder vouwen zodat het hexagonale netwerk van koolstofatomen zonder naden sluit, dan "construeren" we enkelwandige koolstof nanobuis. Experimenteel kunnen enkelwandige nanobuisjes met een diameter van 0,43 tot 5 nm worden verkregen. Kenmerkend voor de geometrie van nanobuisjes zijn recordwaarden van het specifieke oppervlak (gemiddeld ~ 1600 m2/g voor enkelwandige buizen) en de verhouding tussen lengte en diameter (100.000 en meer). Nanobuisjes zijn dus 1D-nanoobjecten - kwantumfilamenten.

Experimenten hebben ook meerwandige koolstofnanobuizen waargenomen (Fig. 7). Ze bestaan ​​uit coaxiale cilinders die in elkaar zijn gestoken, waarvan de wanden zich op een afstand (ongeveer 3,5 ) dichtbij de interplanaire afstand in grafiet (0,334 nm) bevinden. Het aantal wanden kan variëren van 2 tot 50.

Als we een stuk grafiet in een atmosfeer van een inert gas (helium of argon) plaatsen en het vervolgens verlichten met een straal van een krachtige gepulseerde laser of geconcentreerd zonlicht, dan kunnen we het materiaal van ons grafietdoel verdampen (merk op dat hiervoor de doeloppervlaktetemperatuur moet minimaal 2700 ° C zijn) ... Onder dergelijke omstandigheden wordt boven het doeloppervlak een plasma gevormd, bestaande uit individuele koolstofatomen, die worden meegesleept door de stroom van koud gas, wat leidt tot plasmakoeling en de vorming van koolstofclusters. Het blijkt dus dat onder bepaalde omstandigheden van clustering koolstofatomen worden gesloten met de vorming van een bolvormig C60-molecuul met afmeting 0D (d.w.z. een kwantumpunt), al getoond in Fig. een.

Een dergelijke spontane vorming van een C60-molecuul in koolstofplasma werd ontdekt in een gezamenlijk experiment van G. Kroto, R. Curl en R. Smoli, gedurende tien dagen uitgevoerd in september 1985. nanotubes and nanoclusters: A Genealogy of Forms and Ideas ", die in detail de fascinerende geschiedenis van deze ontdekking en de gebeurtenissen die eraan voorafgingen beschrijft (met korte excursies in de geschiedenis van de wetenschap tot aan de Renaissance en zelfs de Oudheid), en ook de motivatie van het vreemde op het eerste gezicht uitlegt (en alleen op het eerste gezicht) de naam van het nieuwe molecuul - Buckminsterfullereen - ter ere van de architect R. Buckminster Fuller (zie ook het boek [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Vervolgens werd ontdekt dat er een hele familie koolstofmoleculen is - fullerenen - in de vorm van convexe veelvlakken, alleen bestaande uit zeshoekige en vijfhoekige vlakken (Fig. 8).

Het was de ontdekking van fullerenen die een soort magische "gouden sleutel" werden tot de nieuwe wereld van nanoschaalstructuren gemaakt van pure koolstof, wat een explosie van werk in dit gebied veroorzaakte. Tot op heden zijn er een groot aantal verschillende koolstofclusters ontdekt met een fantastische (in de letterlijke zin van het woord!) verscheidenheid aan structuur en eigenschappen.

Maar terug naar nanomaterialen.

Nanomaterialen materialen worden genoemd, waarvan de structurele eenheden nano-objecten (nanodeeltjes) zijn. Figuurlijk gesproken is een gebouw van nanomateriaal gemaakt van bakstenen-nano-objecten. Daarom is het het meest productief om nanomaterialen te classificeren in termen van de dimensie van zowel het nanomateriaalmonster zelf (externe afmetingen van de matrix) als de dimensie van de samenstellende nanoobjecten. De meest gedetailleerde classificatie van deze soort wordt gegeven in het werk. De 36 klassen van nanostructuren die in dit werk worden gepresenteerd, beschrijven de hele verscheidenheid aan nanomaterialen, waarvan sommige (zoals de eerder genoemde fullerenen of koolstofnanopoeder) al met succes zijn gesynthetiseerd, en sommige wachten nog steeds op hun experimentele implementatie.

Waarom is het niet zo eenvoudig?

We kunnen de concepten van "nanowetenschap", "nanotechnologie" en "nanomaterialen" die voor ons van belang zijn, strikt definiëren, alleen als we begrijpen wat een "nano-object" is.

"Nanoobject" heeft op zijn beurt twee definities. De eerste, eenvoudiger (technologisch): dit zijn objecten (deeltjes) met een karakteristieke grootte ongeveer 1-100 nanometer in ten minste één dimensie. De tweede definitie, meer wetenschappelijk, fysiek: een object met een kleinere dimensie (waarin d d* in ten minste één dimensie).

Voor zover wij weten zijn er geen andere definities.

Opvallend is echter dat de wetenschappelijke definitie ook een ernstige tekortkoming heeft. Namelijk: daarin wordt, in tegenstelling tot de technologische, alleen de bovengrens van nanoschaal bepaald. Moet er een ondergrens komen? Naar onze mening moet dat natuurlijk wel. De eerste reden voor het bestaan ​​van de ondergrens vloeit rechtstreeks voort uit de fysieke essentie van de wetenschappelijke definitie van een nano-object, aangezien de meeste van de hierboven besproken dimensiereductie-effecten kwantumbegrenzingseffecten zijn, of fenomenen van resonante aard. Met andere woorden, ze worden waargenomen wanneer de karakteristieke lengtes van het effect en de grootte van het object samenvallen, d.w.z. niet alleen voor D ≤ D*, wat al is besproken, maar tegelijkertijd alleen als de maat D een bepaalde ondergrens overschrijdt D** (D** ≤ D ≤ D*). Bovendien is het duidelijk dat de hoeveelheid D * kan variëren voor verschillende verschijnselen, maar moet de grootte van atomen overschrijden.

Laten we het bovenstaande illustreren met het voorbeeld van koolstofverbindingen. Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) zoals naftaleen, benzpyreen, chryseen, enz. zijn formeel analogen van grafeen. Bovendien heeft de grootste bekende PAK de algemene formule C 222 H 44 en bevat diagonaal 10 benzeenringen. Ze hebben echter niet de verbazingwekkende eigenschappen die grafeen heeft en kunnen niet als nanodeeltjes worden beschouwd. Hetzelfde geldt voor nanodiamanten: tot ~ 4-5 nm zijn dit nanodiamanten, maar dicht bij deze grenzen, en zelfs daarbuiten, benaderen hogere diamandoïden (analogen van adamantaan met gecondenseerde diamantcellen als basis van de structuur).

Dus: als in de limiet de grootte van een object in alle drie de dimensies gelijk is aan de grootte van een atoom, dan is bijvoorbeeld een kristal samengesteld uit dergelijke 0-dimensionale objecten geen nanomateriaal, maar een gewoon atomair kristal. Het is duidelijk. Het is ook duidelijk dat het aantal atomen in een nano-object nog steeds groter moet zijn dan één. Als het nanoobject alle drie de waarden heeft D minder dan D **, hij houdt op te zijn. Zo'n object moet worden beschreven in de taal van het beschrijven van individuele atomen.

En zo niet alle drie de maten, maar bijvoorbeeld maar één? Blijft zo'n object een nano-object? Natuurlijk. Het al genoemde grafeen is bijvoorbeeld zo'n object. Het feit dat de karakteristieke grootte van grafeen in één dimensie gelijk is aan de diameter van een koolstofatoom, ontneemt het niet de eigenschappen van een nanomateriaal. En deze eigenschappen zijn absoluut uniek. De geleidbaarheid, het Shubnikov - de Haas-effect en het kwantum Hall-effect in grafeenfilms met atomaire dikte werden gemeten. Experimenten hebben bevestigd dat grafeen een halfgeleider is met een bandafstand van nul, terwijl op de contactpunten tussen de valentie- en geleidingsbanden het energiespectrum van elektronen en gaten lineair is als een functie van de golfvector. Dit soort spectrum wordt bezeten door deeltjes met een effectieve massa van nul, in het bijzonder fotonen, neutrino's en relativistische deeltjes. Het verschil tussen fotonen en massaloze dragers in grafeen is dat deze laatste fermionen zijn en geladen zijn. Momenteel zijn er geen analogen voor deze massaloos geladen Dirac-fermionen onder de bekende elementaire deeltjes. Tegenwoordig is grafeen van groot belang, zowel voor het testen van veel theoretische aannames op het gebied van kwantumelektrodynamica en de relativiteitstheorie, als voor het creëren van nieuwe nano-elektronische apparaten, met name ballistische en enkel-elektrontransistoren.

Voor onze discussie is het erg belangrijk dat het concept van een nano-object het dichtst in de buurt komt van een dimensionaal gebied waar de zogenaamde mesoscopische verschijnselen worden gerealiseerd. Dit is de minimale oppervlakte waarvoor het redelijk is om niet te spreken over de eigenschappen van individuele atomen of moleculen, maar over de eigenschappen van het materiaal als geheel (bijvoorbeeld bij het bepalen van de temperatuur, dichtheid of geleidbaarheid van een materiaal) . Mesoscopische maten vallen precies in het bereik van 1-100 nm. (Het voorvoegsel "meso-" komt van het Griekse woord voor "gemiddeld", het midden tussen atomaire en macroscopische afmetingen.)

Iedereen weet dat psychologie zich bezighoudt met het gedrag van individuen, terwijl sociologie zich bezighoudt met het gedrag van grote groepen mensen. Dus relaties in een groep van 3-4 personen kunnen op dezelfde manier worden gekarakteriseerd als meso-verschijnselen. Op dezelfde manier, zoals hierboven vermeld, is een kleine stapel atomen iets dat niet lijkt op een "stapel" atomen of een enkel atoom.

Hier moet nog een belangrijk kenmerk van de eigenschappen van nanoobjecten worden vermeld. Ondanks het feit dat, in tegenstelling tot grafeen, koolstofnanobuizen en fullerenen formeel respectievelijk 1- en 0-dimensionale objecten zijn, is dit in wezen niet helemaal waar. Of liever: niet tegelijkertijd. Het punt is dat een nanobuis dezelfde 2D-monoatomaire laag van grafeen is die in een cilinder is gerold. En fullereen is een koolstof 2D-laag van monoatomaire dikte, gesloten over het oppervlak van een bol. Dat wil zeggen, de eigenschappen van nano-objecten hangen niet alleen in belangrijke mate af van hun grootte, maar ook van topologische kenmerken - eenvoudig gezegd, van hun vorm.

Dus de juiste wetenschappelijke definitie van een nano-object zou als volgt moeten zijn:

is een object met ten minste één grootte ≤ d*, terwijl ten minste één van de maten groter is dan d **. Met andere woorden, een object is groot genoeg om de macro-eigenschappen van een stof te bezitten, maar wordt tegelijkertijd gekenmerkt door een verminderde dimensie, dat wil zeggen dat het in ten minste één van de dimensies klein genoeg is voor de waarden van deze eigenschappen sterk verschillen van de overeenkomstige eigenschappen van macro-objecten van dezelfde stof, was sterk afhankelijk van de grootte en vorm van het object. In dit geval zijn de exacte waarden van de afmetingen d*en d** kan niet alleen van stof tot stof verschillen, maar ook voor verschillende eigenschappen van dezelfde stof.

Het feit dat deze overwegingen geenszins scholastisch zijn (zoals "met hoeveel zandkorrels begint een hoop?"), maar een diepe betekenis hebben voor het begrijpen van de eenheid van wetenschap en de continuïteit van de wereld om ons heen, wordt duidelijk als we richten onze aandacht op nanoobjecten van organische oorsprong.

Organische nanoobjecten - supramoleculaire structuren

Hierboven hebben we alleen anorganische relatief homogene materialen overwogen, en al daar was alles niet zo eenvoudig. Maar er is een kolossale hoeveelheid materie op aarde, die niet alleen moeilijk is, maar ook niet homogeen kan worden genoemd. We hebben het over biologische structuren en levende materie in het algemeen.

Het National Nanotechnology Initiative noemt als een van de redenen voor de speciale interesse op het gebied van nanoschaal:

Aangezien de systemische organisatie van materie op nanoschaal een belangrijk kenmerk is van biologische systemen, zullen nanowetenschap en technologie het mogelijk maken om kunstmatige componenten en ensembles in cellen op te nemen, waardoor nieuwe structureel georganiseerde materialen worden gecreëerd op basis van zelfassemblagemethoden in de natuur.

Laten we nu proberen erachter te komen wat de betekenis is van het concept van "nanogrootte" zoals toegepast op de biologie, rekening houdend met het feit dat wanneer we naar dit groottebereik gaan, eigenschappen fundamenteel of scherp moeten veranderen. Maar laten we eerst bedenken dat de nanoregio op twee manieren kan worden benaderd: "van boven naar beneden" (fragmentatie) of "van onder naar boven" (synthese). Dus de beweging "van onderaf" voor biologie is niets meer dan de vorming van biologisch actieve complexen uit individuele moleculen.

Laten we eens kijken naar de chemische bindingen die de structuur en vorm van een molecuul bepalen. De eerste en sterkste is de covalente binding, gekenmerkt door een strikte directionaliteit (alleen van het ene atoom naar het andere) en een bepaalde lengte, die afhangt van het type binding (enkel, dubbel, drievoudig, enz.). Het zijn de covalente bindingen tussen atomen die de "primaire structuur" van elk molecuul bepalen, dat wil zeggen welke atomen en in welke volgorde met elkaar verbonden zijn.

Maar er zijn andere soorten bindingen die bepalen wat de secundaire structuur van het molecuul wordt genoemd, zijn vorm. Dit is voornamelijk een waterstofbinding - een binding tussen een polair atoom en een waterstofatoom. Het komt het dichtst bij een covalente binding, omdat het ook wordt gekenmerkt door een bepaalde lengte en richting. Deze binding is echter zwak, de energie ervan is een orde van grootte lager dan de energie van de covalente binding. De overige soorten interacties zijn niet-directioneel en worden niet gekenmerkt door de lengte van de gevormde bindingen, maar door de snelheid waarmee de bindingsenergie afneemt met een toename van de afstand tussen de interagerende atomen (actie op lange afstand). De ionische binding is een lange-afstandsinteractie, de van der Waals-interacties zijn korte-afstandsinteracties. Dus als de afstand tussen twee deeltjes toeneemt met R keer, dan zal in het geval van een ionbinding de aantrekkingskracht afnemen tot 1 / R 2 van de beginwaarde, in het geval van de reeds genoemde van der Waals-interactie - tot 1 / R 3 of meer (maximaal 1 / R 12). Al deze interacties kunnen in het algemeen worden gedefinieerd als intermoleculaire interacties.

Laten we nu een dergelijk concept beschouwen als een "biologisch actief molecuul". Het moet worden erkend dat het molecuul van de materie zelf alleen van belang is voor scheikundigen en natuurkundigen. Ze zijn geïnteresseerd in de structuur ("primaire structuur"), de vorm ("secundaire structuur"), macroscopische indicatoren zoals bijvoorbeeld de aggregatietoestand, oplosbaarheid, smelt- en kookpunten, enz., en microscopische (elektronische effecten) en wederzijds de invloed van atomen in een bepaald molecuul, spectrale eigenschappen als een manifestatie van deze interacties). Met andere woorden, we hebben het over de studie van de eigenschappen die in principe door één molecuul worden gemanifesteerd. Bedenk dat een molecuul per definitie het kleinste deeltje van een stof is dat zijn chemische eigenschappen heeft.

Biologisch gezien is een "geïsoleerd" molecuul (in dit geval maakt het niet uit of het één molecuul is of een bepaald aantal identieke moleculen) geen biologische eigenschappen te vertonen. Deze stelling klinkt nogal paradoxaal, maar laten we proberen het te onderbouwen.

Laten we dit bekijken aan de hand van het voorbeeld van enzymen - eiwitmoleculen die biochemische katalysatoren zijn. Het enzym hemoglobine, dat zorgt voor zuurstoftransport naar weefsels, bestaat bijvoorbeeld uit vier eiwitmoleculen (subeenheden) en één zogenaamde prosthetische groep - heem, dat een ijzeratoom bevat, niet-covalent gebonden aan de eiwitsubeenheden van hemoglobine.

De belangrijkste, of beter gezegd de bepalende bijdrage aan de interactie van eiwitsubeenheden en heem, de interactie die leidt tot de vorming en stabiliteit van het supramoleculaire complex, dat hemoglobine wordt genoemd, wordt geleverd door krachten, soms hydrofobe interacties genoemd, maar die de krachten van intermoleculaire interactie. De bindingen gevormd door deze krachten zijn veel zwakker dan de covalente bindingen. Maar in een complementaire interactie, wanneer twee oppervlakken heel dicht bij elkaar komen, is het aantal van deze zwakke bindingen groot, en daarom is de totale interactie-energie van de moleculen hoog genoeg en is het resulterende complex vrij stabiel. Maar totdat deze bindingen werden gevormd tussen de vier subeenheden, totdat de prothetische groep (edelstenen) zich verenigde (wederom vanwege niet-covalente bindingen), kunnen individuele delen van hemoglobine onder geen enkele omstandigheid zuurstof binden, en zelfs meer, zodat ze het nergens heen kunnen overbrengen. En daarom bezitten ze deze biologische activiteit niet. (Dezelfde redenering kan worden uitgebreid tot alle enzymen in het algemeen.)

In dit geval impliceert het proces van katalyse zelf de vorming tijdens de reactie van een complex van ten minste twee componenten - de katalysator zelf en een molecuul (moleculen), het substraat (de substraten) genoemd, die (hun) een soort chemische transformaties ondergaan onder invloed van de katalysator. Met andere woorden, er moet een complex van ten minste twee moleculen worden gevormd, d.w.z. een supramoleculair (supramoleculair) complex.

Het idee van complementaire interactie werd voor het eerst voorgesteld door E. Fischer om de interactie van geneeskrachtige stoffen met hun doelwit in het lichaam te verklaren en de "sleutel tot slot" -interactie genoemd. Hoewel medicinale (en andere biologische stoffen) lang niet in alle gevallen enzymen zijn, kunnen ze ook pas een biologisch effect veroorzaken na interactie met het overeenkomstige biologische doelwit. En zo'n interactie, nogmaals, is niets meer dan de vorming van een supramoleculaire complex.

Bijgevolg wordt de manifestatie van "gewone" moleculen met fundamenteel nieuwe eigenschappen (in dit geval biologische activiteit) geassocieerd met de vorming van supramoleculaire (supramoleculaire) complexen met andere moleculen als gevolg van de krachten van intermoleculaire interactie. Dit is hoe de meeste enzymen en systemen in het lichaam (receptoren, membranen, enz.) zijn gerangschikt, inclusief dergelijke complexe structuren die soms biologische "machines" worden genoemd (ribosomen, ATPase, enz.). En dit gebeurt precies op het niveau nanometer grootte - van één tot enkele tientallen nanometers.

Met verdere complicatie en een toename in grootte (meer dan 100 nm), dwz bij overgang naar een ander dimensionaal niveau (microniveau), ontstaan ​​veel complexere systemen die niet alleen in staat zijn tot onafhankelijk bestaan ​​en interactie (in het bijzonder energie-uitwisseling) met hun omgeving, maar ook tot zelfreproductie. Dat wil zeggen, de eigenschappen van het hele systeem veranderen opnieuw - het wordt zo complex dat het al in staat is tot zelfreproductie, wat we levende structuren noemen, verschijnt.

Veel denkers hebben herhaaldelijk geprobeerd het leven te definiëren. Zonder in filosofische discussies te treden, merken we op dat, naar onze mening, het leven het bestaan ​​is van zichzelf voortplantende structuren, en levende structuren beginnen vanuit een enkele cel. Het leven is een micro- en macroscopisch fenomeen, maar de belangrijkste processen die ervoor zorgen dat levende systemen functioneren, vinden plaats op nanoschaal.

Het functioneren van een levende cel als een geïntegreerd zelfregulerend apparaat met een uitgesproken structurele hiërarchie wordt verzekerd door miniaturisatie op nanoschaalniveau. Het is duidelijk dat miniaturisatie op nanoschaalniveau een fundamenteel kenmerk van biochemie is, en daarom bestaat de evolutie van het leven uit de opkomst en integratie van verschillende vormen van nanogestructureerde objecten. Het is het nano-gedeelte van de structurele hiërarchie, beperkt in grootte zowel van boven als van onder (!), Dat is van cruciaal belang voor het uiterlijk en het vermogen van cellen om te bestaan. Dat wil zeggen, het is het niveau van nanoschaal dat de overgang vertegenwoordigt van het moleculaire niveau naar het niveau van de Levende.

Vanwege het feit dat miniaturisatie op nanoschaalniveau een fundamenteel kenmerk van biochemie is, is het echter onmogelijk om biochemische manipulaties als nanotechnologisch te beschouwen - nanotechnologie veronderstelt nog steeds het ontwerp en niet het triviale gebruik van moleculen en deeltjes.

Gevolgtrekking

Aan het begin van het artikel hebben we al geprobeerd om objecten van verschillende natuurwetenschappen op de een of andere manier te classificeren volgens het principe van de karakteristieke afmetingen van de objecten die ze bestuderen. Laten we hier weer op terugkomen en als we deze classificatie toepassen, ontdekken we dat atoomfysica, die interacties binnen een atoom bestudeert, subangstromale (femto- en pico-) afmetingen heeft.

"Gebruikelijke" anorganische en organische chemie zijn angstrom-afmetingen, het niveau van individuele moleculen of bindingen in kristallen van anorganische stoffen. Maar biochemie is het niveau van nanoschaal, het niveau van bestaan ​​en functioneren van supramoleculaire structuren gestabiliseerd door niet-covalente intermoleculaire krachten.

Maar biochemische structuren zijn nog steeds relatief eenvoudig en kunnen relatief onafhankelijk functioneren ( in vitro Als je dat wil). Verdere complicatie, de vorming van complexe ensembles door supramoleculaire structuren - dit is een overgang naar zelfreproducerende structuren, een overgang naar Living. En hier, al op het niveau van cellen, zijn dit micro-afmetingen, en op het niveau van organismen - macro-afmetingen. Dit is biologie en fysiologie.

De nanoschaal is een overgangsgebied van het moleculaire niveau, dat de basis vormt van het bestaan ​​van alle levende wezens, bestaande uit moleculen, tot het niveau van de Levende, het bestaansniveau van zelfreproducerende structuren, en nanodeeltjes, die supramoleculaire zijn. structuren gestabiliseerd door de krachten van intermoleculaire interactie, zijn een overgangsvorm van individuele moleculen naar complexe functionele systemen. Dit kan worden weerspiegeld door een diagram dat met name de continuïteit van de natuur benadrukt (Fig. 9). In het schema bevindt de wereld van nanoschaal zich tussen de atomair-moleculaire wereld en de wereld van de levenden, bestaande uit dezelfde atomen en moleculen, maar georganiseerd in complexe zelfreproducerende structuren, en de overgang van de ene wereld naar de andere wordt bepaald niet alleen (en niet zozeer) door de grootte van de structuren, maar door hun complexiteit ... De natuur heeft lang geleden supramoleculaire structuren uitgevonden en gebruikt in levende systemen. Wij daarentegen zijn lang niet altijd in staat om te begrijpen, laat staan ​​te herhalen, wat de natuur gemakkelijk en natuurlijk doet. Maar men kan geen gunsten van haar verwachten, men moet van haar leren.

Literatuur:
1) Vul A.Ya., Sokolov V.I. Onderzoek naar nanokoolstoffen in Rusland: van fullerenen tot nanobuisjes en nanodiamanten / Russian Nanotechnologies, 2007. Vol. 3 (3-4).
2) Kats EA Fullerenen, koolstofnanobuizen en nanoclusters: een genealogie van vormen en ideeën. - M.: LKI, 2008.
3) Ostwald W. Een wereld van omzeilde waarden. - M.: Uitgeverij van de maatschap "Mir", 1923.
4) Piotrovsky L.B., Kiselev O.I. Fullerenen in de biologie. - Rostock, Sint-Petersburg, 2006.
5) Tkachuk VA Nanotechnologie en geneeskunde // Russian Nanotechnologies, 2009. Deel 4 (7–8).
6) Khobza P., Zagradnik R. Intermoleculaire complexen. - M.: Mir, 1989.
7) Mann S. Het leven als fenomeen op nanoschaal. Ange. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306-5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. Nieuwe dimensionaliteitsclassificaties van nanostructuren // Physica E, 2008, v. 40, blz. 2521-2525.

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

Bovendien niet alleen om te zien, maar ook om aan te raken. “Maar hij zei tegen hen: als ik de wonden van de spijkers in Zijn handen niet zie, en ik mijn vinger niet in de wonden van de spijkers steek, en ik mijn hand niet in Zijn ribben leg, dan zal ik zullen niet geloven” [Evangelie van Johannes, hoofdstuk 20, vers 24].

Hij sprak bijvoorbeeld al in 430 voor Christus over atomen. e. Democritus. Toen betoogde Dalton in 1805 dat: 1) de elementen zijn gemaakt van atomen, 2) de atomen van het ene element identiek zijn en verschillen van de atomen van een ander element, en 3) atomen niet kunnen worden vernietigd in een chemische reactie. Maar pas vanaf het einde van de 19e eeuw begonnen de theorieën over de structuur van het atoom zich te ontwikkelen, wat een revolutie in de natuurkunde veroorzaakte.

Het begrip "nanotechnologie" werd in 1974 geïntroduceerd door de Japanner Norio Taniguchi. Lange tijd werd de term niet veel gebruikt door specialisten die werkzaam waren in verwante gebieden, aangezien Taniguchi het concept van "nano" alleen gebruikte om de nauwkeurigheid van oppervlaktebehandeling aan te duiden, bijvoorbeeld in technologieën die het mogelijk maken de oppervlakteruwheid van materialen te regelen bij een niveau kleiner dan een micrometer, enz.

De begrippen "fullerenen", "koolstofnanobuisjes" en "grafeen" zullen in het tweede deel van het artikel in detail worden besproken.

Een experimentele illustratie van deze verklaring is de recent gepubliceerde ontwikkeling van technologische methoden voor het verkrijgen van grafeenvellen door "chemisch snijden" en "uitrollen" van koolstofnanobuisjes.

Het woord "microscopisch" wordt hier alleen gebruikt omdat deze eigenschappen eerder werden genoemd, hoewel we het in dit geval hebben over de eigenschappen die worden gemanifesteerd door moleculen en atomen, dat wil zeggen over het piekgrootte-interval.

Wat met name leidde tot het ontstaan ​​van het standpunt dat het leven een fenomeen is van nanometer-afmetingen [ Mann, 2008], wat naar onze mening niet helemaal waar is.