Flere enheter- enheter som er et helt antall ganger større enn den grunnleggende måleenheten for en fysisk mengde. The International System of Units (SI) anbefaler følgende desimalprefikser for flere enheter:

Bruke desimalprefikser på binære enheter

Hovedartikkel: Binære prefikser

I programmerings- og dataindustrien er de samme prefiksene kilo, mega, giga, tera osv. når de brukes på multipler av potenser av to (f.eks. byte), kan bety en multiplisitet på ikke 1000, men 1024 = 2 10. Hvilket system som brukes bør fremgå av konteksten (for eksempel, i forhold til mengden RAM, brukes en multiplisitet på 1024, og i forhold til volumet av diskminne, brukes en multiplisitet på 1000 av produsentene av hardt stasjoner).

For å unngå forvirring i april 1999 år Internasjonal elektroteknisk kommisjon introduserte en ny standard for navngivning av binære tall (se. Binære prefikser).

Brøkenhetsprefikser

Brøkenheter, utgjør en viss brøkdel (del) av den etablerte måleenheten for en viss verdi. The International System of Units (SI) anbefaler følgende prefikser for sub-multipler:

Opprinnelsen til prefikser

De fleste prefikser er avledet fra gresk ord. Soundboard kommer fra ordet deca eller deka(δέκα) - "ti", hekto - fra hekaton(ἑκατόν) - "ett hundre", kilo - fra chiloi(χίλιοι) - "tusen", mega - fra megas(μέγας), det vil si "stor", giga er gigantos(γίγας) - "kjempe", og tera - fra teratos(τέρας) som betyr "monstrøs". Peta (πέντε) og exa (ἕξ) tilsvarer fem og seks tusen sifre og er oversatt til henholdsvis "fem" og "seks". Langsiktig mikro (fra mikros, μικρός) og nano (fra nanos, νᾶνος) er oversatt som "liten" og "dverg". Fra ett ord ὀκτώ ( októ) som betyr "åtte", dannet av prefiksene yotta (1000 8) og yokto (1/1000 8).

Som "tusen" er oversatt og prefikset milli, som går tilbake til lat. mille... Latinske røtter har også prefiksene santi - fra centum("Hundre") og deci - fra decimus("Tiende"), zetta - fra septem("syv"). Zepto ("syv") kommer fra lat. ordene septem eller fra fr. sept.

Prefikset atto er avledet fra datoer. klokken ti("atten"). Femto dateres tilbake til datoer. og norv. femten eller til dr.-nor. fimmtān og betyr femten.

Pico-prefikset kommer fra enten fr. pico("Nebb" eller "liten mengde"), eller fra ital. piccolo, altså "liten".

Regler for bruk av prefikser

Prefikser skal skrives sammen med navnet på enheten eller henholdsvis med dens betegnelse.

Bruk av to eller flere vedlegg på rad (f.eks. mikromillifarad) er ikke tillatt.

Betegnelsene på multipler og sub-multipler av den opprinnelige enheten hevet til en potens dannes ved å legge den tilsvarende eksponenten til betegnelsen på en multiplum eller sub-multippel av den opprinnelige enheten, og indikatoren betyr å heve en multiplum eller sub-multiplum til en potens (sammen med prefikset). Eksempel: 1 km² = (10³ m) ² = 10 6 m² (ikke 10³ m²). Navnene på slike enheter dannes ved å feste et prefiks til navnet på den opprinnelige enheten: en kvadratkilometer (ikke en kilokvadratmeter).

Hvis enheten er et produkt eller et forhold mellom enheter, er prefikset, eller dets betegnelse, vanligvis knyttet til navnet eller betegnelsen på den første enheten: kPa s / m (kilopascal sekund per meter). Det er kun tillatt å feste et prefiks til verkets andre multiplikator eller til nevneren i berettigede tilfeller.

Anvendelse av prefikser

På grunn av det faktum at navnet på masseenheten i SI- kilogram - inneholder prefikset "kilo", for dannelse av flere og brøkenheter av masse bruk en brøkenhet av masse - gram (0,001 kg).

Prefikser brukes begrenset med tidsenheter: flere prefikser kombineres ikke med dem i det hele tatt - ingen bruker "kilosekundet", selv om dette ikke er formelt forbudt, men det er et unntak fra denne regelen: kosmologi enheten brukes" gigagod»(milliard år); sidefester festes kun til sekund(millisekund, mikrosekund osv.). I samsvar med GOST 8.417-2002, er det ikke tillatt å bruke navn og betegnelser på følgende SI-enheter med prefiksene: minutt, time, dag (tidsenheter), grad, minutt, sekund(flate vinkelenheter), astronomisk enhet, dioptri og atommasseenhet.

MED meter Av de flere prefiksene er det i praksis bare kilo som brukes: i stedet for megameter (Mm), gigameter (Hm), etc., skriver de "tusenvis av kilometer", "millioner av kilometer" osv.; i stedet for kvadratmegameter (Mm²), skriver de "millioner kvadratkilometer".

Kapasitet kondensatorer tradisjonelt målt i mikrofarader og picofarader, men ikke millifarader eller nanofarader [ kilde ikke spesifisert 221 dager ] (de skriver 60 000 pF, ikke 60 nF; 2000 uF, ikke 2 mF). Men i radioteknikk er bruk av en nanofarad-enhet tillatt.

Det anbefales ikke å bruke prefikser som tilsvarer eksponenter som ikke er delbare med 3 (hekto-, deka-, deci-, centi-). Kun mye brukt centimeter(som er den grunnleggende enheten i systemet GHS) og desibel, i mindre grad - desimeter og hektopascal (in meteorologiske rapporter), og hektar... I noen land volumet skyldfølelse målt i dekaliter.

Lengde- og avstandsomformer Masseomformer Bulk- og matvolumomformer Arealomformer Kulinarisk oppskrift Volum og enheter omformer Temperaturomformer Trykk, stress, Youngs modulomformer Energi- og arbeidsomformer Kraftomformer Tidsomformer Lineær hastighetsomformer Flatvinkelomformer Termisk effektivitet og drivstoffeffektivitet Numerisk Konverteringssystemer Omformer av informasjon Målesystemer Valutakurser Dameklær og -sko størrelser Herreklær og -sko størrelser Vinkelhastighet og rotasjonshastighetsomformer Akselerasjonsomformer Vinkelakselerasjonsomformer Tetthetsomformer Spesifikt volumomformer Treghetsmomentomformer Kraftmomentomformer Dreiemomentomformer Spesifikk brennverdi ) omformer Energitetthet og brenneverdi (volum) omformer Differensialtemperaturomformer Koeffisientomformer Termisk ekspansjonskoeffisient Termisk motstandsomformer Termisk konduktivitetsomformer Spesifikk varmekapasitetsomformer Termisk eksponering og strålingseffektomformer Varmeflukstetthetsomformer Varmeoverføringskoeffisientomformer Volumetrisk strømningshastighetsomformer Massestrømningshastighet Molarstrømningshastighetsomformer Masseflukstetthetsomformer Molarkonsentrasjonsomformer Massekonsentrasjon i løsningsomformer absolutt) viskositet Kinematisk viskositetsomformer Overflatespenningsomformer Damppermeabilitetsomformer Damppermeabilitet og dampoverføringshastighetsomformer Lydnivåomformer Mikrofonfølsomhetsomformer Lydtrykknivåomformer (SPL) Lydtrykknivåomformer med valgbart referansetrykk Luminansomformer Lysintensitetsomformer Lysintensitetsomformer Oppløsning til datamaskin omformer diagram Frekvens og bølgelengde omformer Optisk effekt til dioptri x og brennvidde Optisk kraft i dioptrier og linseforstørrelse (×) Elektrisk ladningsomformer Lineær ladningstetthetsomformer OElektrisk strøm lineær strømtetthetsomformer Overflatestrømtetthetsomformer Elektrisk feltstyrkeomformer Elektrostatisk potensial- og spenningsomformer Elektrisk Resistivitet Elektrisk Resistivitetsomformer Elektrisk konduktivitetsomformer Elektrisk konduktivitetsomformer Elektrisk kapasitans Induktansomformer American Wire Gauge Converter Nivåer i dBm (dBm eller dBmW), dBV (dBV), watt, etc. enheter Magnetomotiv kraftomformer Magnetisk feltstyrkeomformer Magnetisk fluksomformer Magnetisk induksjonsomformer Stråling. Ioniserende stråling Absorbert Dose Rate Converter Radioaktivitet. Radioaktivt forfall Strålingsomformer. Eksponering Dose Converter Stråling. Absorbert doseomformer Desimalprefikskonverterer Dataoverføring Typografi og bildebehandlingsenhetsomformer Trevolumenhetsomformer Beregning av molar masse Periodisk system for kjemiske elementer D. I. Mendeleev

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

Opprinnelig verdi

Omregnet verdi

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

Massekonsentrasjon i løsning

Metrisk og internasjonalt enhetssystem (SI)

Introduksjon

I denne artikkelen vil vi snakke om det metriske systemet og dets historie. Vi vil se hvordan og hvorfor det begynte og hvordan det gradvis ble til det vi har i dag. Vi skal også se på SI-systemet, som er utviklet fra det metriske målesystemet.

For våre forfedre, som levde i en verden full av farer, tillot evnen til å måle ulike mengder i deres naturlige habitat oss å komme nærmere å forstå essensen av naturfenomener, kjenne miljøet deres og få muligheten til på en eller annen måte å påvirke det som omgir dem. Derfor har folk forsøkt å finne opp og forbedre ulike målesystemer. Ved begynnelsen av menneskelig utvikling var det ikke mindre viktig å ha et målesystem enn det er nå. Det var nødvendig å utføre forskjellige målinger når man byggede et hus, sy klær i forskjellige størrelser, lage mat og selvfølgelig handel og bytte kunne ikke klare seg uten måling! Mange tror at opprettelsen og vedtakelsen av det internasjonale SI-systemet av enheter er den mest alvorlige prestasjonen, ikke bare av vitenskap og teknologi, men også av utviklingen av menneskeheten generelt.

Tidlige målesystemer

I tidlige målesystemer og tallsystemer brukte mennesker tradisjonelle objekter for å måle og sammenligne. For eksempel antas det at desimalsystemet dukket opp på grunn av at vi har ti fingre og tær. Hendene våre er alltid med oss ​​- derfor har folk siden antikken brukt (og fortsatt bruker) fingre for å telle. Og likevel har vi ikke alltid brukt base 10-systemet for telling, og det metriske systemet er en relativt ny oppfinnelse. Hver region har sine egne systemer med enheter, og selv om disse systemene har mye til felles, er de fleste systemene fortsatt så forskjellige at konvertering av måleenheter fra ett system til et annet alltid har vært et problem. Dette problemet ble mer og mer alvorlig med utviklingen av handel mellom forskjellige folk.

Nøyaktigheten til de første systemene med mål og vekter var direkte avhengig av størrelsen på gjenstandene som omringet menneskene som utviklet disse systemene. Det er tydelig at målingene var unøyaktige, siden «måleapparatene» ikke var nøyaktig dimensjonert. For eksempel ble kroppsdeler ofte brukt som lengdemål; masse og volum ble målt ved å bruke volumet og massen til frø og andre små gjenstander, hvis dimensjoner var mer eller mindre de samme. Nedenfor skal vi se nærmere på slike enheter.

Mål på lengde

I det gamle Egypt ble lengden i utgangspunktet målt enkelt albuer, og senere med kongelige albuer. Albuelengde ble definert som segmentet fra albuebøyningen til enden av den forlengede mellomtåen. Dermed ble den kongelige alen definert som alen til den regjerende farao. En modell av albue ble laget og gjort tilgjengelig for allmennheten slik at alle kan lage sine egne lengdemål. Dette var selvfølgelig en vilkårlig enhet som endret seg da en ny regjerende person overtok tronen. Det gamle Babylon brukte et lignende system med mindre forskjeller.

Albuen ble delt inn i mindre enheter: Palm, hånd, korn(føtter), og du(finger), som ble representert ved henholdsvis bredden på håndflaten, hånden (med tommelen), foten og tåen. Samtidig bestemte de seg for å bli enige om hvor mange fingre det er i håndflaten (4), i hånden (5) og albuen (28 i Egypt og 30 i Babylon). Det var mer praktisk og mer nøyaktig enn å måle forhold hver gang.

Mål på masse og vekt

Vektene ble også basert på parametrene til ulike elementer. Frø, korn, bønner og lignende gjenstander ble brukt som vektmål. Et klassisk eksempel på en masseenhet som fortsatt brukes i dag er karat... Nå måler karat massen av edelstener og perler, og en gang ble vekten av frøene til johannesbrødtreet, ellers kalt johannesbrød, bestemt som en karat. Treet dyrkes i Middelhavet, og frøene er preget av en konstant masse, så det var praktisk å bruke dem som et mål på vekt og masse. På forskjellige steder ble forskjellige frø brukt som små vektenheter, og større enheter var vanligvis multipler av mindre enheter. Arkeologer finner ofte lignende store vekter, vanligvis laget av stein. De besto av 60, 100 og andre små enheter. Siden det ikke fantes én standard for antall små enheter, samt for deres vekt, førte dette til konflikter når selgere og kjøpere som bodde forskjellige steder møttes.

Volummål

Innledningsvis ble også volum målt ved hjelp av små gjenstander. For eksempel ble volumet til en gryte eller mugge bestemt ved å fylle den til randen med små gjenstander med relativt standardvolum, for eksempel frø. Mangelen på standardisering førte imidlertid til de samme problemene med å måle volum som ved å måle masse.

Utvikling av ulike tiltakssystemer

Det gamle greske målesystemet var basert på det gamle egyptiske og babylonske, og romerne skapte sitt system på grunnlag av det gamle greske. Deretter, med ild og sverd og, selvfølgelig, som et resultat av handel, spredte disse systemene seg over hele Europa. Det skal bemerkes at vi kun snakker om de vanligste systemene her. Men det var mange andre mål- og vektsystemer, fordi utveksling og handel var nødvendig for absolutt alle. Hvis det i et gitt område ikke var noe skriftspråk eller det ikke var vanlig å registrere resultatene av utvekslingen, kan vi bare gjette hvordan disse menneskene målte volum og vekt.

Det finnes mange regionale varianter av mål- og vektsystemer. Dette skyldes deres uavhengige utvikling og innflytelsen fra andre systemer på dem som følge av handel og erobring. Ulike systemer var ikke bare i forskjellige land, men ofte innenfor samme land, hvor de hadde sine egne i hver handelsby, fordi lokale herskere ikke ønsket forening for å opprettholde sin makt. Med utviklingen av reise, handel, industri og vitenskap, forsøkte mange land å forene systemene for mål og vekter, i det minste på territoriene til deres land.

Allerede på 1200-tallet, og muligens enda tidligere, diskuterte vitenskapsmenn og filosofer opprettelsen av et enhetlig målesystem. Imidlertid, først etter den franske revolusjonen og den påfølgende koloniseringen av forskjellige regioner i verden av Frankrike og andre europeiske land, som allerede hadde sine egne mål- og vektsystemer, ble et nytt system utviklet, tatt i bruk i de fleste land i verden. Dette nye systemet var desimal metrisk system... Den var basert på basen 10, det vil si at for enhver fysisk mengde var det én grunnleggende enhet i den, og alle andre enheter kunne dannes på en standard måte ved å bruke desimalprefikser. Hver slik brøk- eller multippelenhet kan deles inn i ti mindre enheter, og disse mindre enhetene kan på sin side deles inn i 10 enda mindre enheter, og så videre.

Som vi vet var de fleste tidlige målesystemene ikke basert på base 10. Det praktiske med base 10-systemet ligger i at tallsystemet vi er vant til har samme base, noe som gjør det mulig å raskt og enkelt konvertere fra mindre enheter til store og omvendt. Mange forskere tror at valget av ti som grunnlag for tallsystemet er vilkårlig og bare er forbundet med det faktum at vi har ti fingre, og hvis vi hadde et annet antall fingre, ville vi sannsynligvis brukt et annet tallsystem.

Metrisk system

Ved begynnelsen av utviklingen av det metriske systemet ble menneskeskapte prototyper brukt som mål på lengde og vekt, som i tidligere systemer. Det metriske systemet har utviklet seg fra et system basert på materialstandarder og avhengig av deres nøyaktighet til et system basert på naturfenomener og grunnleggende fysiske konstanter. For eksempel ble tidsenheten, den andre, opprinnelig definert som en del av det tropiske året 1900. Ulempen med denne definisjonen var umuligheten av eksperimentell verifisering av denne konstanten i de påfølgende årene. Derfor ble den andre redefinert som et visst antall strålingsperioder som tilsvarer overgangen mellom to hyperfine nivåer av grunntilstanden til et radioaktivt cesium-133-atom i hvile ved 0 K. meter har blitt omdefinert som avstanden som lyset reiser i en vakuum i et tidsrom lik 1/299 792 458 sekunder.

The International System of Units (SI) ble opprettet på grunnlag av det metriske systemet. Det skal bemerkes at tradisjonelt inkluderer det metriske systemet enheter for masse, lengde og tid, men i SI-systemet er antallet basisenheter utvidet til syv. Vi vil diskutere dem nedenfor.

International System of Units (SI)

Det internasjonale enhetssystemet (SI) har syv grunnleggende enheter for måling av grunnleggende størrelser (masse, tid, lengde, lysstyrke, mengde materie, elektrisk strøm, termodynamisk temperatur). den kilogram(kg) for å måle masse, sekund(s) å måle tid, måler(m) å måle avstand, candela(cd) for å måle lysstyrken, muldvarp(forkortelse mol) for å måle mengden av et stoff, ampere(A) for å måle styrken til den elektriske strømmen, og kelvin(K) for temperaturmåling.

Foreløpig er det bare kilogrammet som fortsatt har en menneskeskapt standard, mens resten av enhetene er basert på universelle fysiske konstanter eller naturfenomener. Dette er praktisk fordi de fysiske konstantene eller naturfenomenene som enhetene er basert på er enkle å sjekke når som helst; i tillegg er det ingen fare for tap eller skade på standardene. Det er heller ikke nødvendig å lage kopier av standarder for å sikre at de er tilgjengelige i forskjellige deler av verden. Dette eliminerer feil knyttet til nøyaktigheten av å lage kopier av fysiske objekter, og gir dermed større nøyaktighet.

Desimalprefikser

For å danne multipler og sub-multipler som skiller seg fra basisenhetene til SI-systemet med et visst heltall antall ganger, som er en potens av ti, bruker den prefikser knyttet til navnet på basisenheten. Nedenfor er en liste over alle prefikser som brukes for øyeblikket og desimalfaktorene de representerer:

For eksempel, 5 gigameter tilsvarer 5 000 000 000 meter, mens 3 mikrocandela tilsvarer 0,000003 candela. Det er interessant å merke seg at til tross for tilstedeværelsen av prefikset i kilogramenheten, er det den grunnleggende SI-enheten. Derfor brukes prefiksene ovenfor med gram som om det var den grunnleggende enheten.

Når dette skrives er det bare tre land igjen som ikke har tatt i bruk SI-systemet: USA, Liberia og Myanmar. Tradisjonelle enheter er fortsatt mye brukt i Canada og Storbritannia, selv om SI er det offisielle systemet med enheter i disse landene. Det er nok å gå til butikken og se prislappene per pund varer (fordi det viser seg billigere!), Eller prøv å kjøpe byggematerialer, målt i meter og kilo. Vil ikke fungere! For ikke å snakke om innpakningen av varer, hvor alt er signert i gram, kilogram og liter, men ikke i sin helhet, men omregnet fra pund, unser, halvlitere og kvarts. Melkelagring i kjøleskap beregnes også per halv gallon eller gallon, ikke per liter melkekartong.

Synes du det er vanskelig å oversette en måleenhet fra ett språk til et annet? Kolleger står klare til å hjelpe deg. Legg inn et spørsmål til TCTerms og du vil få svar innen få minutter.

Beregninger for å konvertere enheter i omformeren " Desimalprefikskonvertering»Utføres ved hjelp av unitconversion.org-funksjonene.

Forkortede betegnelser på elektriske størrelser

Når du monterer elektroniske kretser, med vilje, er det nødvendig å omberegne verdiene til motstandene til motstandene, kapasitansene til kondensatorene, induktansen til spolene.

Så, for eksempel, blir det nødvendig å konvertere mikrofarader til picofarads, kilo-ohm til ohm, millihenry til mikrohenry.

Hvordan ikke bli forvirret i beregningene?

Hvis det er gjort en feil og et element med feil vurdering er valgt, vil den sammensatte enheten ikke fungere riktig eller ha andre egenskaper.

En slik situasjon i praksis er ikke uvanlig, siden noen ganger på tilfellene av radioelementer indikerer de verdien av kapasiteten i nano farads (nF), og på det skjematiske diagrammet er kapasitansene til kondensatorene vanligvis indikert i mikro farads (μF) og picot farads (pF). Dette villeder mange nybegynnere radioamatører, og som et resultat bremser monteringen av den elektroniske enheten.

For å forhindre at denne situasjonen oppstår, må du lære enkle beregninger.

For ikke å bli forvirret i mikrofarader, nanofarads, picofarads, må du gjøre deg kjent med dimensjonstabellen. Jeg er sikker på at du vil trenge det mer enn én gang.

Denne tabellen inkluderer desimalmultipler og brøkprefikser. Det internasjonale systemet av enheter, som bærer det forkortede navnet SI, inkluderer seks multipler (deca, hekto, kilo, mega, giga, tera) og åtte multipler (deci, centi, milli, micro, nano, pico, femto, atto). Mange av disse vedleggene har lenge vært brukt i elektronikk.

Hvordan bruke bordet?

Som du kan se fra tabellen, er forskjellen mellom mange prefikser nøyaktig 1000. Så for eksempel gjelder denne regelen mellom multipler, og starter med prefikset kilo.

• Mega - 1 000 000

  Giga - 1 000 000 000

  Tera - 1 000 000 000 000

Så hvis ved siden av betegnelsen på motstanden er skrevet 1 MΩ (1 Mega ohm), vil motstanden være - 1 000 000 (1 million) ohm. Hvis det er en motstand med en nominell motstand på 1 kOhm (1 kilo ohm), så vil den i ohm være 1000 (1 tusen) ohm.

For brøkverdier eller andre brøkverdier er situasjonen lik, bare det er ikke en økning i tallverdien, men dens nedgang.

For ikke å bli forvirret i mikrofarader, nanofarads, picofarads, må du huske en enkel regel. Du må forstå at milli, micro, nano og pico alle er forskjellige. nøyaktig 1000... Det vil si at hvis du blir fortalt 47 mikrofarader, betyr det at i nanofarader vil det være 1000 ganger flere - 47 000 nanofarader. I picofarads vil det være 1000 ganger mer - 47 000 000 picofarads. Som du kan se, er forskjellen mellom 1 mikrofarad og 1 picofarad 1 000 000 ganger.

I praksis er det også noen ganger nødvendig å kjenne verdien i mikrofarader, og kapasitetsverdien er angitt i nanofarader. Så hvis kapasitansen til kondensatoren er 1 nanofarad, vil den i mikrofarader være 0,001 μF. Hvis kapasitansen er 0,01 mikrofarad, vil den i picofarad være henholdsvis 10 000 pF og i nanofarad 10 nF.

Prefiksene som angir dimensjonen til mengden brukes for forkortet notasjon. Enig lettere å skrive 1mA enn 0,001 Ampere eller f.eks. 400 μH enn 0,0004 Henry.

Tabellen vist tidligere har også en forkortelse for prefikset. For ikke å skrive Mega, skriv bare bokstaven M... Prefikset etterfølges vanligvis av en forkortelse for en elektrisk størrelse. For eksempel ordet Ampere ikke skriv, men angi kun bokstaven EN... Gjør også når du forkorter registreringen av måleenheten for kapasitet Farad... I dette tilfellet skrives kun brevet F.

Sammen med den forkortede notasjonen på russisk, som ofte brukes i gammel radioelektronisk litteratur, er det også en internasjonal forkortet notasjon for prefikser. Det er også angitt i tabellen.

Doktor i tekniske vitenskaper, akademiker ved det russiske naturvitenskapsakademiet, A.I. KHESIN

Begrepet "nanoteknologi" i 1974, foreslått av japaneren Noryo Taniguchi for å beskrive prosessen med å konstruere nye objekter og materialer ved å manipulere individuelle atomer. En nanometer er en milliarddels meter. Atomstørrelse- noen tideler av en nanometer Alle tidligere vitenskapelige og teknologiske revolusjoner kokte ned til det faktum at folk mer og mer dyktig kopierte mekanismer og materialer skapt av naturen. Et gjennombrudd innen nanoteknologi er en helt annen sak. For første gang vil en person skape ny materie som var ukjent og utilgjengelig for naturen. Faktisk har vitenskapen nærmet seg modelleringen av prinsippene for å konstruere levende materie, som er basert på selvorganisering og selvregulering. Den allerede mestrede metoden for å lage strukturer ved hjelp av kvanteprikker er selvorganisering. En revolusjon i sivilisasjonen - etableringen av bioniske enheter.

Det er kanskje ingen definitiv definisjon for begrepet nanoteknologi, men I analogi med eksisterende mikroteknologier følger det at nanoteknologier er teknologier som opererer med mengder i størrelsesorden en nanometer. Dette er en ubetydelig verdi, hundrevis av ganger mindre enn bølgelengden til synlig lys og sammenlignbar med størrelsen på atomer. Derfor er overgangen fra "mikro" til "nano" ikke lenger en kvantitativ, men en kvalitativ overgang - et sprang fra manipulering av materie til manipulering av individuelle atomer.

The International System of Units (SI) er opprinnelsen til prefiksnavn.

De første vedleggene ble introdusert i 1793-1795. ved legalisering av det metriske systemet i Frankrike. Det var vanlig at flere enheter tok navnet på prefikser fra det greske språket, for brøkdeler - fra latin. I disse årene ble følgende prefikser tatt i bruk: kilo... (fra den greske chilioi - tusen), hekto ... (fra det greske hekaton - hundre), dekk... (fra den greske deka - ti), deci... (fra lat.decem - ti), centi ... (fra latin centum - hundre), Milli ... (fra lat. mille - tusen). I de påfølgende årene økte antallet multipler og sub-multipler; Navnene på prefikser for betegnelsen deres ble noen ganger lånt fra andre språk. Følgende prefikser har dukket opp: mega... (fra gresk.megas - stor), giga ... (fra den greske gigas, gigantos - kjempe), tera ... (fra den greske teras, teratos - enorm, monster), mikro... (fra det greske mikros - liten, liten), nano... (fra den greske nanos - dverg), picot... (fra italiensk piccolo - liten, liten), femto ... (fra dansk femten - femten), atto ... (fra dansk atten - atten). De to siste prefiksene peta... og eks... - ble vedtatt i 1975: "peta" ... (fra den greske peta - fem, som tilsvarer fem kategorier på 10 3 hver), exa ... (fra gresk. hex - seks, som tilsvarer seks sifre på 10 3). Zepto- (zepto- ) Er et metrisk brøkprefiks som angir 10 −21. Yokto- (yocto- ) Er et metrisk brøkprefiks som angir 10 −24. For klarhet gir vi en tabell:

Når det gjelder utvikling av nanoteknologi, mener vi tre områder:

• produksjon av elektroniske kretser (inkludert volumetriske) med aktive elementer som i størrelse kan sammenlignes med størrelsen på molekyler og atomer;
• utvikling og produksjon av nanomaskiner, dvs. mekanismer og roboter på størrelse med et molekyl;
• direkte manipulering av atomer og molekyler og sammenstilling av alt som eksisterer fra dem.

Samtidig utvikles det nå aktivt nanoteknologiske metoder, som gjør det mulig å lage aktive elementer (transistorer, dioder) på størrelse med et molekyl og danne flerlags tredimensjonale kretser fra dem. Kanskje vil mikroelektronikk være den første industrien der «atommontering» skal utføres i industriell skala.

Selv om vi nå har midler til å manipulere individuelle atomer, kan de knapt brukes "direkte" for å sette sammen noe praktisk nødvendig: om bare på grunn av antallet atomer som må "settes sammen".

Imidlertid er evnene til eksisterende teknologier allerede tilstrekkelige til å bygge noen enkle mekanismer fra flere molekyler, som, styrt av kontrollsignaler fra utsiden (akustisk, elektromagnetisk, etc.), kan manipulere andre molekyler og lage lignende enheter eller mer komplekse mekanismer.

Disse vil på sin side kunne lage enda mer komplekse enheter osv. til slutt vil denne eksponentielle prosessen føre til dannelsen av molekylære roboter - mekanismer som i størrelse kan sammenlignes med et stort molekyl og med egne innebygde datamaskiner.

Naturen er kontinuerlig, og enhver definisjon krever etablering av en slags grenser. Derfor er formuleringen av definisjoner en ganske utakknemlig oppgave. Dette må likevel gjøres, siden en klar definisjon lar en skille ett fenomen fra et annet, for å avsløre betydelige forskjeller mellom dem og dermed bedre forstå fenomenene i seg selv. Derfor er formålet med dette essayet å prøve å forstå betydningen av dagens fasjonable termer med prefikset "nano" (fra det greske ordet "dverg") - "nanovitenskap", "nanoteknologi", "nanoobjekt", "nanomateriale".

Til tross for at disse problemstillingene gjentatte ganger har vært diskutert med ulik grad av dybde i spesial- og populærvitenskapelig litteratur, viser analyse av litteraturen og personlige erfaringer at det fortsatt ikke er noen klar forståelse av selve problemet i brede vitenskapelige kretser, for ikke å snakke om uvitenskapelig. og definisjoner. Det er derfor vi vil prøve å gi definisjoner til alle de ovennevnte begrepene, og fokusere leserens oppmerksomhet på betydningen av det grunnleggende konseptet "nanoobjekt". Vi inviterer leseren til i fellesskap å reflektere over om det er noe som fundamentalt skiller nanoobjekter fra deres større og mindre «brødre» som «bebor» verden rundt oss. Dessuten inviterer vi ham til å delta i en serie tankeeksperimenter om utforming av nanostrukturer og deres syntese. Vi vil også prøve å demonstrere at det er i nanoskalaområdet at det skjer en endring i naturen til fysiske og kjemiske interaksjoner, og dette skjer nettopp i samme del av størrelsesskalaen der grensen mellom livlig og livløs natur går.

Men først, hvor kom alt dette fra, hvorfor ble prefikset "nano" introdusert, som er avgjørende når man refererer materialer til nanostrukturer, hvorfor nanovitenskap og nanoteknologi skiller seg ut i separate områder, hva i denne tildelingen refererer til (og refererer det til) til virkelig vitenskapelige grunnlag?

Hva er "nano" og hvor det hele begynte

Dette er et prefiks som indikerer at den opprinnelige verdien skal reduseres med en milliard ganger, det vil si delt på én med ni nuller - 1 000 000 000. For eksempel er 1 nanometer en milliarddels meter (1 nm = 10 -9 m) ... For å forestille oss hvor liten 1 nm er, la oss utføre følgende tankeeksperiment (fig. 1). Hvis vi reduserer diameteren på planeten vår (12 750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) med en faktor på 100 millioner (10 8), får vi omtrent 10 –1 m. Dette er en størrelse som er omtrent lik diameteren av en fotball (standard er diameteren på en fotball 22 cm, men på vår skala er denne forskjellen ubetydelig (for oss 2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). La oss nå redusere diameteren til en fotball med de samme 100 millioner (10 8) ganger, og først nå får vi en nanopartikkelstørrelse lik 1 nm (omtrent diameteren til et karbonmolekyl av fulleren C 60, lik form som en fotball - se fig. 1) ...

Det er bemerkelsesverdig at prefikset "nano" har blitt brukt i vitenskapelig litteratur i lang tid, men for å betegne langt fra nano-objekter. Spesielt for objekter hvis størrelse er milliarder av ganger større enn 1 nm - i terminologien til dinosaurer. Nanotyrannosaurer ( nanotyrranus) og nanosaurer ( nanosaurus) kalles dvergdinosaurer, hvis dimensjoner er henholdsvis 5 og 1,3 m. Men de er egentlig "dverger" sammenlignet med andre dinosaurer, hvis størrelse overstiger 10 m (opptil 50 m), og vekten kan nå 30-40 tonn eller mer. Dette eksemplet understreker at prefikset "nano" i seg selv ikke har fysisk betydning, men bare indikerer skalaen.

Men nå, ved hjelp av dette prefikset, markerer de en ny æra i utviklingen av teknologier, noen ganger kalt den fjerde industrielle revolusjonen - nanoteknologiens æra.

Det er veldig ofte antatt at begynnelsen av den nanoteknologiske æra ble lagt i 1959 av Richard Feynman i et foredrag " Det er god plass på bunnen"(" Der nede - mye plass. ") Hovedpostulatet til denne forelesningen var at fra synspunkt av fysikkens grunnleggende lover, ser ikke forfatteren noen hindringer for å jobbe på molekylært og atomært nivå, manipulere individuelle atomer eller molekyler Feynman sa at ved hjelp av visse enheter kan det lages enda mindre enheter, som igjen er i stand til å lage enda mindre enheter, og så videre ned til atomnivå, det vil si med passende teknologier, individuelle atomer kan manipuleres.

For rettferdighetens skyld skal det imidlertid bemerkes at Feynman ikke var den første som kom med dette. Spesielt ideen om å lage manipulatorer som gradvis avtar i størrelse ble uttrykt tilbake i 1931 av forfatteren Boris Zhitkov i hans fantastiske historie "Mikroruki". Vi kan ikke la være å sitere små sitater fra denne historien for å gi leseren en sann forståelse av forfatterens innsikt:

"Jeg plaget hjernen min i lang tid, og dette er hva jeg kom til: Jeg skal lage små hender, en nøyaktig kopi av mine - la dem være minst tjue, tretti ganger mindre, men de vil ha fleksible fingre, som mine, de vil knytte seg til en knyttneve, løsne seg, bli i samme posisjoner som mine levende hender. Og jeg har laget dem...
Men en tanke slo meg plutselig: Jeg kan lage mikrohender til mine små hender. Jeg kan lage de samme hanskene til dem som jeg laget for mine levende hender, bruke det samme systemet for å koble dem til håndtakene som er ti ganger mindre enn mine mikrohender, og så ... jeg vil ha ekte mikrohender, allerede to hundre ganger mindre enn min bevegelse. Med disse hendene vil jeg bryte inn i en slik litenhet i livet, som bare har blitt sett, men hvor ingen noen gang har disponert sine egne hender. Og jeg må jobbe...
Jeg ønsket å lage ekte mikrohender, slik at jeg kunne ta tak i materiepartikler som materie er skapt av, de utrolig små partiklene som bare er synlige gjennom et ultramikroskop. Jeg ønsket å komme inn i området der menneskesinnet mister noen formening om størrelse - det ser ut til at det ikke er noen størrelser, alt er så ufattelig lite."

Men det er ikke bare litterære spådommer. Det som nå kalles nanoobjekter, nanoteknologi, om du vil, har folk lenge brukt i livene sine. Et av de mest slående eksemplene (bokstavelig talt og billedlig talt) er flerfarget glass. For eksempel opprettet i det 4. århundre e.Kr. NS. Lycurgus-begeret, oppbevart i British Museum, er grønt når det belyses utenfra, men lilla-rødt når det belyses fra innsiden. Nyere studier med elektronmikroskopi har vist at denne uvanlige effekten skyldes tilstedeværelsen av partikler av gull og sølv i nanostørrelse i glasset. Derfor kan vi trygt si at Lycurgus Cup er laget av nanokomposittmateriale.

Som det viser seg nå, i middelalderen, ble metallisk nano-støv ofte tilsatt glass for fremstilling av glassmalerier. Variasjoner i glassfarge avhenger av forskjeller i de tilsatte partiklene - arten av metallet som brukes og størrelsen på partiklene. Nylig ble det funnet at disse glassene også har bakteriedrepende egenskaper, det vil si at de ikke bare gir et vakkert lysspill i rommet, men desinfiserer også miljøet.

Hvis vi vurderer vitenskapens utviklingshistorie i historiske termer, kan vi på den ene siden skille ut en felles vektor - naturvitenskapens penetrasjon "dypt inn i" materie. Bevegelse langs denne vektoren bestemmes av utviklingen av observasjonsmidler. Først studerte folk den vanlige verden, som ikke krevde spesielle instrumenter for å observere. Observasjoner på dette nivået la grunnlaget for biologi (klassifisering av den levende verden, K. Linnaeus, etc.), evolusjonsteorien ble skapt (C. Darwin, 1859). Da teleskopet dukket opp, var folk i stand til å utføre astronomiske observasjoner (G. Galileo, 1609). Dette resulterte i loven om universell gravitasjon og klassisk mekanikk (I. Newton, 1642–1727). Da Levenguk-mikroskopet dukket opp (1674), gikk folk inn i mikrokosmos (størrelsesintervall 1 mm - 0,1 mm). Først var det bare en kontemplasjon av små, usynlige organismer. Først på slutten av 1800-tallet var L. Pasteur den første som klargjorde naturen og funksjonene til mikroorganismer. Omtrent på samme tid (slutten av 1800-tallet - begynnelsen av 1900-tallet) fant en revolusjon i fysikk sted. Forskere begynte å trenge inn i atomet for å studere strukturen. Igjen var dette på grunn av fremveksten av nye metoder og verktøy, som begynte å bruke de minste partikler av materie. I 1909, ved å bruke alfapartikler (heliumkjerner med en størrelse på ca. 10 -13 m), klarte Rutherford å "se" kjernen til et gullatom. Bohr-Rutherford-planetmodellen av atomet skapt på grunnlag av disse eksperimentene gir et levende bilde av vidden av det "frie" rommet i atomet, ganske sammenlignbart med den kosmiske tomheten i solsystemet. Det var tomheten i slike ordrer Feynman hadde i tankene i sitt foredrag. Ved hjelp av de samme α-partiklene gjennomførte Rutherford i 1919 den første kjernefysiske reaksjonen for å omdanne nitrogen til oksygen. Så fysikere gikk inn i piko- og femtodimensjonale intervaller, og forståelsen av materiens struktur på atom- og subatomært nivå førte i første halvdel av forrige århundre til etableringen av kvantemekanikk.

En verden av tapte verdier

Historisk hendte det at på størrelsesskalaen (fig. 2) var nesten alle dimensjonale forskningsområder "dekket", bortsett fra nanoskalaområdet. Men verden er ikke uten visjonære mennesker. Allerede tidlig på 1900-tallet ga W. Ostwald ut boken «The World of Bypassed Quantities», som tok for seg et nytt felt innen kjemi på den tiden – kolloidal kjemi, som nettopp omhandlet nanometerstore partikler (selv om dette begrepet ikke var det ennå brukt). Allerede i denne boken bemerket han at fragmenteringen av materie på et tidspunkt fører til nye egenskaper, at egenskapene til hele materialet avhenger av størrelsen på partikkelen.

På begynnelsen av det tjuende århundre visste de ennå ikke hvordan de skulle "se" partikler av denne størrelsen, siden de ligger under oppløsningsgrensene til et lysmikroskop. Derfor er det ingen tilfeldighet at en av de første milepælene i fremveksten av nanoteknologi regnes som oppfinnelsen av M. Knoll og E. Ruska i 1931 av et elektronmikroskop. Først etter det var menneskeheten i stand til å "se" objekter av submikron- og nanometerstørrelser. Og så faller alt på plass - hovedkriteriet som menneskeheten aksepterer (eller ikke aksepterer) etter nye fakta og fenomener, kommer til uttrykk i ordene til den vantro Thomas: "Før jeg ser, vil jeg ikke tro."

Det neste trinnet ble tatt i 1981 - G. Binnig og G. Rohrer laget et skanningstunnelmikroskop, som gjorde det mulig ikke bare å få bilder av individuelle atomer, men også å manipulere dem. Det vil si at teknologien ble skapt, som R. Feynman snakket om i sitt foredrag. Det var da nanoteknologiens æra begynte.

Merk at her igjen har vi å gjøre med den samme historien. Igjen, fordi det er generelt vanlig at menneskeheten ikke legger merke til det, i det minste litt, men er forut for sin tid. Så, ved å bruke eksemplet med nanoteknologi, viser det seg at ingenting nytt ble oppdaget, de begynte bare å bedre forstå hva som skjedde rundt, hva folk til og med i gamle tider allerede hadde gjort, om enn ubevisst, eller rettere sagt, bevisst (de visste hva de ønsket å få), men forstår ikke fysikk- og kjemifenomener. Et annet spørsmål er at tilstedeværelsen av teknologi ikke langt på vei betyr forståelsen av essensen av prosessen. De visste hvordan man kokte stål i lang tid, men forståelsen av det fysiske og kjemiske grunnlaget for stålproduksjon kom mye senere. Her kan du huske at hemmeligheten til Damaskus-stål ennå ikke er oppdaget. Her er en annen hypostase - vi vet hva som må mottas, men vi vet ikke hvordan. Så forholdet mellom vitenskap og teknologi er ikke alltid enkelt.

Hvem var den første som tok for seg nanomaterialer i deres moderne forståelse? I 1981 brukte den amerikanske vitenskapsmannen G. Glater for første gang definisjonen av «nanokrystallinsk». Han formulerte konseptet med å lage nanomaterialer og utviklet det i en serie arbeider i 1981-1986, introduserte begrepene "nanokrystallinsk", "nanostrukturert", "nanofase" og "nanokompositt" materialer. Hovedvekten i disse arbeidene ble lagt på den avgjørende rollen til en rekke grensesnitt i nanomaterialer som grunnlag for å endre egenskapene til faste stoffer.

En av de viktigste begivenhetene i nanoteknologiens historie og utviklingen av ideologien til nanopartikler var også oppdagelsen på midten av 80-tallet - tidlig på 90-tallet av XX århundre av karbon nanostrukturer - fullerener og karbon nanorør, samt oppdagelsen allerede i det XXI århundre av en metode for å produsere grafen.

Men tilbake til definisjonene.

Første definisjoner: alt er veldig enkelt

Det var veldig enkelt i begynnelsen. I 2000 signerte USAs president B. Clinton dokumentet " Nasjonalt nanoteknologiinitiativ"(" National Nanotechnology Initiative "), som gir følgende definisjon: nanoteknologi refererer til etableringen av teknologier og forskning på atom-, molekyl- og makromolekylært nivå innen Om fra 1 til 100 nm for å forstå det grunnleggende grunnlaget for fenomenene og egenskapene til materialer på nanoskalanivå, samt opprettelse og bruk av strukturer, utstyr og systemer med nye egenskaper og funksjoner bestemt av deres størrelse.

I 2003 søkte den britiske regjeringen om Kongelig samfunn og Royal Academy of Engineering med en forespørsel om å si sin mening om behovet for utvikling av nanoteknologi, for å vurdere fordeler og problemer som utviklingen kan medføre. En slik rapport med tittelen " Nanovitenskap og nanoteknologi: muligheter og usikkerheter"Dukket opp i juli 2004, og i den, så vidt vi vet, ble det for første gang gitt separate definisjoner av nanovitenskap og nanoteknologi:

Nanovitenskap er en studie av fenomener og objekter på atomære, molekylære og makromolekylære nivåer, hvis egenskaper skiller seg betydelig fra egenskapene til deres makroanaloger.

Nanoteknologi er design, karakterisering, produksjon og anvendelse av strukturer, enheter og systemer, hvis egenskaper bestemmes av deres form og størrelse på nanometernivå.

Derfor, under begrepet "nanoteknologi" forstås som et sett med teknologiske metoder som lar deg lage nanoobjekter og/eller manipulere dem. Det gjenstår bare å definere nanoobjekter. Men dette, viser det seg, er ikke så enkelt, så det meste av artikkelen er viet til denne definisjonen.

Til å begynne med, her er den formelle definisjonen som for tiden er mest brukt:

Nanoobjekter (nanopartikler) er objekter (partikler) med en karakteristisk størrelse på 1–100 nanometer i minst én dimensjon.

Alt ser ut til å være bra og forståelig, det er bare uklart hvorfor en så streng definisjon av nedre og øvre grenser på 1 og 100 nm er gitt? Dette ser ut til å være et frivillig valg, spesielt mistenkelig overfor den øvre grensen. Hvorfor ikke 70 eller 150 nm? Faktisk, med tanke på all mangfoldet av nanoobjekter i naturen, kan og bør grensene for nanostedet på størrelsesskalaen være betydelig uskarpe. Og generelt, i naturen, er det umulig å trekke noen eksakte grenser - noen gjenstander flyter jevnt inn i andre, og dette skjer i et visst intervall, og ikke på et punkt.

Før vi snakker om grensene, la oss prøve å forstå hvilken fysisk betydning som er inneholdt i konseptet "nanoobjekt", hvorfor skal det skilles ut med en egen definisjon?

Som nevnt ovenfor, var det først på slutten av 1900-tallet at en forståelse begynte å dukke opp (eller rettere sagt, å hevde seg i sinnet) at nanoskalaintervallet til materiens struktur fortsatt har sine egne egenskaper, som på dette nivået materie har andre egenskaper som ikke er manifestert i makrokosmos. Det er veldig vanskelig å oversette noen engelske termer til russisk, men på engelsk er det et begrep " bulkmateriale", Som grovt kan oversettes som" en stor mengde stoff "," bulkstoff "," kontinuerlig medium ". Så her er noen eiendommer " bulkmaterialer»Når størrelsen på partiklene reduseres, kan de begynne å endre seg når en viss størrelse er nådd. I dette tilfellet sier de at det er en overgang til materiens nanotilstand, nanomaterialer.

Og dette skjer fordi med en reduksjon i størrelsen på partikler, blir brøkdelen av atomer som ligger på overflaten og deres bidrag til egenskapene til objektet betydelig og vokser med en ytterligere reduksjon i størrelse (fig. 3).

Men hvorfor påvirker en økning i andelen overflateatomer i betydelig grad egenskapene til partikler?

De såkalte overflatefenomenene har vært kjent i lang tid - disse er overflatespenning, kapillærfenomener, overflateaktivitet, fukting, adsorpsjon, adhesjon osv. Hele settet av disse fenomenene skyldes at kreftene i samspillet mellom partiklene som utgjør kroppen blir ikke kompensert på overflaten (fig. 4). Med andre ord er atomene på overflaten (krystall eller væske - det spiller ingen rolle) under spesielle forhold. For eksempel, i krystaller, virker kreftene som tvinger dem til å være i nodene til krystallgitteret bare nedenfra. Derfor er egenskapene til disse "overflate"-atomene forskjellige fra egenskapene til de samme atomene i volumet.

Siden antallet overflateatomer i nanoobjekter øker kraftig (fig. 3), blir deres bidrag til egenskapene til et nanoobjekt avgjørende og vokser med en ytterligere reduksjon i størrelsen på objektet. Dette er nettopp en av årsakene til manifestasjonen av nye egenskaper på nanoskala.

En annen grunn til endringen i egenskapene som diskuteres er at effekten av kvantemekanikkens lover begynner å manifestere seg på dette dimensjonale nivået, det vil si at nivået på nanoskala er overgangsnivået, nemlig overgangen, fra det klassiske regimet. mekanikk til kvantemekanikkens regjeringstid. Og som det er velkjent, er det mest uforutsigbare overgangstilstandene.

Ved midten av 1900-tallet har folk lært å jobbe både med en masse atomer og med ett atom.

Deretter ble det åpenbart at den "lille haugen av atomer" er noe annet, ikke helt lik verken massen av atomer eller et enkelt atom.

For første gang, sannsynligvis, har forskere og teknologer stått ansikt til ansikt med dette problemet i fysikken til halvledere. I sin søken etter miniatyrisering nådde de slike partikkelstørrelser (flere titalls nanometer eller mindre), hvor deres optiske og elektroniske egenskaper begynte å skille seg kraftig fra de for partikler av "vanlige" størrelser. Det var da det endelig ble klart at "nanostørrelse"-skalaen er et spesielt område, forskjellig fra området for eksistens av makropartikler eller kontinuerlige medier.

Derfor, i de ovennevnte definisjonene av nanovitenskap og nanoteknologi, er den viktigste indikasjonen at "ekte nano" begynner med utseendet til nye egenskaper til stoffer assosiert med overgangen til disse skalaene og som skiller seg fra egenskapene til bulkmaterialer. Det vil si den viktigste og viktigste kvaliteten til nanopartikler, deres hovedforskjell fra mikro- og makropartikler er utseendet i dem av fundamentalt nye egenskaper som ikke manifesteres i andre størrelser. Vi har allerede sitert litterære eksempler, vi vil bruke denne teknikken igjen for å tydelig vise og understreke forskjellene mellom makro-, mikro- og nanoobjekter.

La oss gå tilbake til litterære eksempler. Helten i Leskovs historie Levsha nevnes ofte som en "tidlig" nanoteknolog. Dette er imidlertid feil. Leftys viktigste prestasjon er at han smidde små negler [ "Jeg jobbet mindre enn disse hesteskoene: jeg smidde nelliker, som hesteskoene ble hamret med, ingen liten kapasitet kan ta der lenger"]. Men disse neglene, selv om de var veldig små, forble negler, mistet ikke hovedfunksjonen - å holde hesteskoen. Så eksempelet med Lefty er et eksempel på miniatyrisering (mikrominiatyrisering, om du vil), det vil si å redusere størrelsen på et objekt uten å endre dets funksjonelle og andre egenskaper.

Men den allerede nevnte historien om B. Zhitkov beskriver nøyaktig endringen i egenskaper:

"Jeg trengte å trekke ut en tynn tråd - det vil si tykkelsen som ville være som hår for mine levende hender. Jeg jobbet og så gjennom mikroskopet mens mikrohendene holdt frem kobber. Tynnere, tynnere - det gjenstår fortsatt fem ganger å strekke - og så revet ledningen. Den knakk ikke engang - den smuldret som om den var laget av leire. Smuldret til fin sand. Dette er rødt kobber kjent for sin duktilitet."

Merk at i Wikipedia i en artikkel om nanoteknologi er bare en økning i hardheten til kobber gitt som et av eksemplene på endringer i egenskaper med en reduksjon i størrelse. (Jeg lurer på hvordan B. Zhitkov lærte om dette i 1931?)

Nanoobjekter: kvanteplan, tråder og punkter. Karbon nanostrukturer

På slutten av 1900-tallet ble eksistensen av et visst område med partikkelstørrelse av materie - området med nanoskala - endelig tydelig. Fysikere, som foredler definisjonen av nanoobjekter, argumenterer for at den øvre grensen for nanostedet på størrelsesskalaen, mest sannsynlig sammenfaller med størrelsen på manifestasjonen av de såkalte lavdimensjonale effektene eller effekten av dimensjonalitetsreduksjon .

La oss prøve å lage en omvendt oversettelse av den siste uttalelsen fra fysikernes språk til det vanlige menneskelige språket.

Vi lever i en tredimensjonal verden. Alle virkelige objekter rundt oss har en eller annen størrelse i alle tre dimensjoner, eller, som fysikere sier, har en dimensjon på 3.

La oss gjøre følgende tankeeksperiment. La oss velge tredimensjonale, volum, en prøve av noe materiale, fortrinnsvis en homogen krystall. La det være en kube med en kantlengde på 1 cm Denne prøven har visse fysiske egenskaper, uavhengig av størrelsen. Nær den ytre overflaten av prøven vår kan egenskapene avvike fra de i bulken. Imidlertid er den relative andelen overflateatomer liten, og derfor kan bidraget fra overflateendringen i egenskaper neglisjeres (det er dette kravet som betyr på fysikenes språk at prøven volum). Nå skal vi dele kuben i to - to av dens karakteristiske størrelser vil forbli de samme, og en, la det være høyden d, reduseres med 2 ganger. Hva skjer med egenskapene til prøven? De vil ikke endre seg. La oss gjenta dette eksperimentet en gang til og måle egenskapen som er interessant for oss. Vi vil få samme resultat. Ved å gjenta eksperimentet flere ganger, vil vi endelig nå en kritisk størrelse. d*, under hvilken egenskapen vi måler vil begynne å avhenge av størrelsen d... Hvorfor? På d ≤ d* brøkdelen av bidraget fra overflateatomer til egenskaper blir betydelig og vil fortsette å øke med ytterligere nedgang d.

Fysikere sier at når d ≤ d* i vårt utvalg er det kvantestørrelseseffekt i én dimensjon. For dem er prøven vår ikke lenger tredimensjonal (som for enhver vanlig person høres absurd ut, fordi vår d om enn liten, men ikke lik null!), dens dimensjonen er redusert til to. EN selve prøven kalles kvanteplanet, eller kvantebrønn, i analogi med begrepet "potensiell brønn" ofte brukt i fysikk.

Hvis i noen prøve d ≤ d* i to dimensjoner, heter det endimensjonalt kvanteobjekt, eller kvantetråd, eller kvantetråd. Ha nulldimensjonale objekter, eller kvanteprikker, d ≤ d* i alle tre dimensjoner.

Naturligvis den kritiske størrelsen d* er ikke en konstant verdi for forskjellige materialer og til og med for ett materiale kan variere betydelig avhengig av hvilke av egenskapene vi målte i eksperimentet vårt, eller med andre ord, hvilke av de kritiske dimensjonale egenskapene til fysiske fenomener som bestemmer denne egenskapen (fri vei til elektroner av fononer, de Broglie-bølgelengde, diffusjonslengde, penetrasjonsdybde til et eksternt elektromagnetisk felt eller akustiske bølger, etc.).

Imidlertid viser det seg at med alle de forskjellige fenomener som forekommer i organiske og uorganiske materialer i levende og livløs natur, er verdien d* ligger omtrent i området 1–100 nm. Dermed er "nano-objekt" ("nanostruktur", "nanopartikkel") bare en annen versjon av begrepet "kvantedimensjonal struktur". Dette er en gjenstand som har d ≤ d* i minst én dimensjon. Dette er partikler med redusert dimensjon, partikler med økt andel overflateatomer. Dette betyr at det er mest logisk å klassifisere dem etter graden av dimensjonalitetsreduksjon: 2D - kvanteplan, 1D - kvantetråder, 0D - kvanteprikker.

Hele spekteret av reduserte dimensjoner kan enkelt forklares, og viktigst av alt, det kan observeres eksperimentelt ved å bruke eksemplet med karbonnanopartikler.

Oppdagelsen av karbon-nanostrukturer var en svært viktig milepæl i utviklingen av konseptet nanopartikler.

Karbon er bare det ellevte mest tallrike grunnstoffet i naturen, men takket være den unike evnen til atomene til å kombinere med hverandre og danne lange molekyler som inkluderer andre elementer som substituenter, oppsto et stort utvalg av organiske forbindelser, og selve livet. Men selv om det bare kombineres med seg selv, er karbon i stand til å generere et stort sett av forskjellige strukturer med svært forskjellige egenskaper - de såkalte allotropiske modifikasjonene. Diamant er for eksempel en standard for gjennomsiktighet og hardhet, et dielektrikum og en varmeisolator. Imidlertid er grafitt en ideell "absorber" av lys, et supermykt materiale (i en viss retning), en av de beste lederne av varme og elektrisitet (i et plan vinkelrett på retningen ovenfor). Men begge disse materialene består kun av karbonatomer!

Men alt dette er på makronivå. Og overgangen til nanoskalaen åpner for nye unike egenskaper ved karbon. Det viste seg at "kjærligheten" til karbonatomer for hverandre er så stor at de kan, uten deltagelse av andre grunnstoffer, danne et helt sett av nanostrukturer som skiller seg fra hverandre, inkludert deres dimensjoner. Disse inkluderer fullerener, grafen, nanorør, nanokoner osv. (Fig. 5).

Legg merke til at nanostrukturer av karbon kan kalles "ekte" nanopartikler, siden, som det tydelig kan sees i fig. 5, ligger alle deres inngående atomer på overflaten.

Men tilbake til selve grafitten. Så, grafitt er den mest utbredte og termodynamisk stabile modifikasjonen av elementært karbon med en tredimensjonal krystallstruktur som består av parallelle atomlag, som hver er en tett pakking av sekskanter (fig. 6). Et karbonatom er plassert ved toppunktene til en slik sekskant, og sidene av sekskantene reflekterer grafisk sterke kovalente bindinger mellom karbonatomer, hvis lengde er 0,142 nm. Men avstanden mellom lagene er ganske stor (0,334 nm), og derfor er forbindelsen mellom lagene ganske svak (i ​​dette tilfellet snakker de om van der Waals-interaksjon).

Denne krystallstrukturen forklarer egenskapene til grafittens fysiske egenskaper. For det første lav hardhet og evnen til å enkelt eksfoliere til bittesmå flak. Så for eksempel skrives blyantledninger, hvis grafittflak blir liggende på papiret. For det andre, den allerede nevnte uttalte anisotropien av grafittens fysiske egenskaper og først av alt dens elektriske ledningsevne og termiske ledningsevne.

Hvilke som helst av lagene i den tredimensjonale strukturen til grafitt kan betraktes som en gigantisk plan struktur med en 2D-dimensjon. Denne todimensjonale strukturen, bygget kun av karbonatomer, kalles "grafen". Det er relativt enkelt å få til en slik struktur, i hvert fall i et tankeeksperiment. Ta en blyant og begynn å skrive. Blyhøyde d vil avta. Hvis du har nok tålmodighet, så på et tidspunkt verdien d vil like d*, og vi får kvanteplanet (2D).

I lang tid har problemet med stabiliteten til plane todimensjonale strukturer i fri tilstand (uten substrat) generelt og grafen spesielt, samt de elektroniske egenskapene til grafen, vært gjenstand for kun teoretiske studier. Ganske nylig, i 2004, oppnådde en gruppe fysikere ledet av A. Geim og K. Novoselov de første prøvene av grafen, som revolusjonerte dette feltet, siden slike todimensjonale strukturer viste seg å vise fantastiske elektroniske egenskaper, kvalitativt. forskjellig fra alle tidligere observerte. Derfor undersøker i dag hundrevis av eksperimentelle grupper de elektroniske egenskapene til grafen.

Hvis vi bretter et grafenlag, monoatomisk i tykkelse, til en sylinder slik at det sekskantede nettverket av karbonatomer lukkes uten sømmer, så vil vi "konstruere" enkeltvegget karbon nanorør. Eksperimentelt kan enkeltveggede nanorør med en diameter på 0,43 til 5 nm oppnås. De karakteristiske egenskapene til geometrien til nanorør er rekordverdier for det spesifikke overflatearealet (i gjennomsnitt ~ 1600 m2 / g for enkeltveggsrør) og forholdet mellom lengde og diameter (100 000 og mer). Dermed er nanorør 1D nanoobjekter - kvantefilamenter.

Eksperimenter observerte også flerveggede karbon nanorør (fig. 7). De består av koaksiale sylindre satt inn i hverandre, hvis vegger er i en avstand (ca. 3,5 Å) nær den interplanare avstanden i grafitt (0,334 nm). Antall vegger kan variere fra 2 til 50.

Hvis vi plasserer et stykke grafitt i en atmosfære av en inert gass (helium eller argon) og deretter belyser det med en stråle av en kraftig pulserende laser eller konsentrert sollys, så kan vi fordampe materialet til grafittmålet vårt (merk at for dette mål overflatetemperaturen må være minst 2700 ° C) ... Under slike forhold dannes det et plasma over måloverflaten, bestående av individuelle karbonatomer, som blir medført av strømmen av kald gass, noe som fører til plasmakjøling og dannelse av karbonklynger. Så det viser seg at karbonatomer under visse betingelser for gruppering lukkes med dannelsen av et rammesfærisk C 60-molekyl med dimensjon 0D (dvs. en kvanteprikk), allerede vist i fig. 1.

En slik spontan dannelse av et C 60-molekyl i karbonplasma ble oppdaget i et felles eksperiment av G. Kroto, R. Curl og R. Smoli, utført i ti dager i september 1985. nanorør og nanoclusters: A Genealogy of Forms and Ideas ", som i detalj beskriver den fascinerende historien til denne oppdagelsen og hendelsene som gikk forut for den (med korte utflukter i vitenskapshistorien frem til renessansen og til og med antikken), og forklarer også motivasjonen til det merkelige ved første øyekast (og bare ved første øyekast) navnet på det nye molekylet - Buckminsterfullerene - til ære for arkitekten R. Buckminster Fuller (se også boken [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Deretter ble det oppdaget at det er en hel familie av karbonmolekyler - fullerener - i form av konvekse polyedre, bestående kun av sekskantede og femkantede flater (fig. 8).

Det var oppdagelsen av fullerener som ble en slags magisk "gyllen nøkkel" til den nye verdenen av strukturer i nanoskala laget av rent karbon, som forårsaket en eksplosjon av arbeid i dette området. Til dags dato er det oppdaget et stort antall forskjellige karbonklynger med en fantastisk (i ordets bokstavelige betydning!) variasjon av struktur og egenskaper.

Men tilbake til nanomaterialer.

Nanomaterialer materialer kalles, hvis strukturelle enheter er nanoobjekter (nanopartikler). Figurativt sett er en nanomaterialbygning laget av murstein-nanoobjekter. Derfor er det mest produktivt å klassifisere nanomaterialer når det gjelder dimensjonen til både selve nanomaterialprøven (ytre dimensjoner av matrisen) og dimensjonen til dens konstituerende nanoobjekter. Den mest detaljerte klassifiseringen av denne typen er gitt i arbeidet. De 36 klassene av nanostrukturer som presenteres i dette arbeidet beskriver hele utvalget av nanomaterialer, hvorav noen (som de nevnte fullerenene eller karbonnanopowder) allerede har blitt syntetisert med suksess, og noen venter fortsatt på deres eksperimentelle implementering.

Hvorfor er det ikke så enkelt

Så vi kan strengt definere begrepene "nanovitenskap", "nanoteknologi" og "nanomaterialer" av interesse for oss bare hvis vi forstår hva et "nanoobjekt" er.

«Nanoobjekt» har på sin side to definisjoner. Den første, mer enkel (teknologisk): dette er gjenstander (partikler) med en karakteristisk størrelse omtrent 1-100 nanometer i minst én dimensjon. Den andre definisjonen, mer vitenskapelig, fysisk: et objekt med redusert dimensjon (hvor d ≤ d* i minst én dimensjon).

Så vidt vi vet finnes det ingen andre definisjoner.

Det er imidlertid påfallende at den vitenskapelige definisjonen også har en alvorlig feil. Nemlig: i den, i motsetning til den teknologiske, er det bare den øvre grensen for nanoskala som bestemmes. Bør det være en nedre grense? Etter vår mening bør det selvsagt. Den første grunnen til eksistensen av den nedre grensen følger direkte av den fysiske essensen av den vitenskapelige definisjonen av et nanoobjekt, siden de fleste av dimensjonsreduksjonseffektene diskutert ovenfor er kvante innesperringseffekter, eller fenomener av resonant natur. Med andre ord, de observeres når de karakteristiske lengdene på effekten og størrelsen på objektet faller sammen, dvs. ikke bare for d ≤ d*, som allerede er diskutert, men samtidig kun hvis størrelsen d overskrider en viss nedre grense d** (d** ≤ d ≤ d*). Dessuten er det åpenbart at kvantiteten d * kan variere for ulike fenomener, men må overstige størrelsen på atomer.

La oss illustrere det ovenfor med eksemplet på karbonforbindelser. Polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) som naftalen, benzpyren, krysen, etc. er formelt analoger av grafen. Dessuten har den største kjente PAH den generelle formelen C 222 H 44 og inneholder 10 benzenringer diagonalt. De har imidlertid ikke de fantastiske egenskapene som grafen har, og de kan ikke betraktes som nanopartikler. Det samme gjelder for nanodiamanter: opptil ~ 4–5 nm, disse er nanodiamanter, men nær disse grensene, og til og med utover dem, nærmer seg høyere diamandoider (analoger av adamantan med kondenserte diamantceller som grunnlag for strukturen).

Så: hvis størrelsen på et objekt i alle tre dimensjoner i grensen er lik størrelsen på et atom, så vil for eksempel en krystall sammensatt av slike 0-dimensjonale objekter ikke være et nanomateriale, men en vanlig atomkrystall. Det er åpenbart. Det er også åpenbart at antallet atomer i et nanoobjekt fortsatt må overstige én. Hvis nanoobjektet har alle tre verdiene d mindre enn d **, han slutter å være det. Et slikt objekt må beskrives på språket for å beskrive individuelle atomer.

Og om ikke alle tre størrelsene, men bare én, for eksempel? Forblir et slikt objekt et nanoobjekt? Selvfølgelig ja. For eksempel er den allerede nevnte grafen et slikt objekt. Det faktum at den karakteristiske størrelsen til grafen i én dimensjon er lik diameteren til et karbonatom, fratar det ikke egenskapene til et nanomateriale. Og disse egenskapene er helt unike. Konduktiviteten, Shubnikov - de Haas-effekten og kvante-Hall-effekten i grafenfilmer med atomtykkelse ble målt. Eksperimenter har bekreftet at grafen er en halvleder med null båndgap, mens ved kontaktpunktene mellom valens- og ledningsbåndene er energispekteret til elektroner og hull lineært som funksjon av bølgevektoren. Denne typen spektrum er besatt av partikler med null effektiv masse, spesielt fotoner, nøytrinoer og relativistiske partikler. Forskjellen mellom fotoner og masseløse bærere i grafen er at sistnevnte er fermioner og de er ladet. For tiden er det ingen analoger for disse masseløse ladede Dirac-fermionene blant de kjente elementærpartiklene. I dag er grafen av stor interesse både for å teste mange teoretiske antakelser fra feltene kvanteelektrodynamikk og relativitetsteorien, og for å lage nye nanoelektroniske enheter, spesielt ballistiske og enkeltelektroniske transistorer.

For vår diskusjon er det svært viktig at det som er nærmest begrepet nanoobjekt er et dimensjonalt område hvor de såkalte mesoskopiske fenomenene blir realisert. Dette er minstearealet som det er rimelig å snakke om ikke om egenskapene til individuelle atomer eller molekyler, men om egenskapene til materialet som helhet (for eksempel når man bestemmer temperaturen, tettheten eller ledningsevnen til et materiale) . Mesoskopiske størrelser faller nøyaktig i området 1–100 nm. (Prefikset "meso-" kommer fra det greske ordet for "gjennomsnitt", mellomliggende mellom atomære og makroskopiske dimensjoner.)

Alle vet at psykologi omhandler atferden til individer, mens sosiologi omhandler atferden til store grupper mennesker. Så relasjoner i en gruppe på 3-4 personer kan på samme måte karakteriseres som meso-fenomener. På samme måte, som nevnt ovenfor, er en liten haug med atomer noe som ikke ligner verken en "haug" med atomer eller et enkelt atom.

Et viktig trekk ved egenskapene til nanoobjekter bør bemerkes her. Til tross for at, i motsetning til grafen, er karbon-nanorør og fullerener formelt henholdsvis 1- og 0-dimensjonale objekter, er dette i hovedsak ikke helt sant. Eller rettere sagt, ikke slik på samme tid. Poenget er at et nanorør er det samme grafen 2D monoatomiske laget rullet inn i en sylinder. Og fulleren er et karbon 2D-lag med monoatomisk tykkelse, lukket over overflaten av en kule. Det vil si at egenskapene til nanoobjekter i betydelig grad avhenger ikke bare av størrelsen deres, men også av topologiske egenskaper - rett og slett av formen deres.

Så den riktige vitenskapelige definisjonen av et nanoobjekt bør være som følger:

er et objekt med minst én størrelse ≤ d*, mens minst én av størrelsene overskrider d **. Med andre ord, et objekt er stort nok til å ha makroegenskapene til et stoff, men er samtidig preget av en redusert dimensjon, dvs. i det minste i en av dimensjonene er det lite nok for verdiene av disse egenskapene til å avvike sterkt fra de tilsvarende egenskapene til makroobjekter fra samme stoff, betydelig avhengig av størrelsen og formen til objektet. I dette tilfellet er de nøyaktige verdiene av dimensjonene d*og d ** kan variere ikke bare fra stoff til stoff, men også for ulike egenskaper til samme stoff.

Det faktum at disse betraktningene på ingen måte er skolastiske (som "hvor mange sandkorn begynner en haug med?"), men har en dyp betydning for å forstå vitenskapens enhet og kontinuiteten i verden rundt oss, blir åpenbart hvis vi retter oppmerksomheten mot nanoobjekter av organisk opprinnelse.

Organiske nanoobjekter - supramolekylære strukturer

Ovenfor vurderte vi bare uorganiske relativt homogene materialer, og allerede der var ikke alt så enkelt. Men det er en kolossal mengde materie på jorden, som ikke bare er vanskelig, men ikke kan kalles homogen. Vi snakker om biologiske strukturer og levende materie generelt.

National Nanotechnology Initiative siterer som en av grunnene til den spesielle interessen for nanoskalafeltet:

Siden den systemiske organiseringen av materie på nanoskala er et sentralt trekk ved biologiske systemer, vil nanovitenskap og teknologi gjøre det mulig å inkorporere kunstige komponenter og ensembler i celler, og dermed skape nye strukturelt organiserte materialer basert på å imitere selvmonteringsmetoder i naturen.

La oss nå prøve å finne ut hva som er meningen med begrepet "nanostørrelse" brukt på biologi, og husk at når vi går over til dette størrelsesområdet, må egenskapene endres fundamentalt eller kraftig. Men først, la oss huske at nanoregionen kan tilnærmes på to måter: "fra topp til bunn" (fragmentering) eller "fra bunn til topp" (syntese). Så bevegelsen "fra bunnen og opp" for biologi er ikke noe mer enn dannelsen av biologisk aktive komplekser fra individuelle molekyler.

La oss kort vurdere de kjemiske bindingene som bestemmer strukturen og formen til et molekyl. Den første og sterkeste er den kovalente bindingen, preget av en streng retningsbestemmelse (bare fra ett atom til et annet) og en viss lengde, som avhenger av typen binding (enkelt, dobbel, trippel, etc.). Det er de kovalente bindingene mellom atomer som bestemmer "primærstrukturen" til ethvert molekyl, det vil si hvilke atomer og i hvilken rekkefølge som er knyttet til hverandre.

Men det er andre typer bindinger som bestemmer det som kalles sekundærstrukturen til molekylet, dets form. Dette er først og fremst en hydrogenbinding - en binding mellom et polart atom og et hydrogenatom. Den er nærmest en kovalent binding, siden den også er preget av en viss lengde og retning. Imidlertid er denne bindingen svak, dens energi er en størrelsesorden lavere enn energien til den kovalente bindingen. De resterende typene av interaksjoner er ikke-retningsbestemte og karakteriseres ikke av lengden på bindingene som dannes, men av hastigheten på reduksjonen i bindingsenergien med en økning i avstanden mellom de interagerende atomene (langdistansevirkning). Ionebindingen er en langdistanseinteraksjon, van der Waals-interaksjonene er kortdistanse. Så hvis avstanden mellom to partikler øker med r ganger, i tilfelle av ionisk binding vil tiltrekningen avta til 1 / r 2 fra startverdien, i tilfelle den allerede nevnte van der Waals-interaksjonen - til 1 / r 3 eller flere (opptil 1 / r 12). Alle disse interaksjonene i det generelle tilfellet kan defineres som intermolekylære interaksjoner.

La oss nå vurdere et slikt konsept som et "biologisk aktivt molekyl". Det bør erkjennes at selve materiemolekylet er av interesse bare for kjemikere og fysikere. De er interessert i dens struktur ("primærstruktur"), dens form ("sekundær struktur"), slike makroskopiske indikatorer som for eksempel aggregeringstilstanden, løselighet, smelte- og kokepunkter, etc., og mikroskopiske (elektroniske effekter) og gjensidig påvirkning av atomer i et gitt molekyl, spektrale egenskaper som en manifestasjon av disse interaksjonene). Med andre ord, vi snakker om studiet av egenskapene som i prinsippet manifesteres av ett molekyl. Husk at et molekyl per definisjon er den minste partikkelen av et stoff som har dets kjemiske egenskaper.

Fra et biologisk synspunkt er ikke et "isolert" molekyl (i dette tilfellet spiller ingen rolle om det er ett molekyl eller et visst antall identiske molekyler) i stand til å vise noen biologiske egenskaper. Denne oppgaven høres ganske paradoksal ut, men la oss prøve å underbygge den.

La oss vurdere dette ved å bruke eksemplet med enzymer - proteinmolekyler som er biokjemiske katalysatorer. For eksempel består enzymet hemoglobin, som sørger for oksygentransport til vev, av fire proteinmolekyler (underenheter) og én såkalt protesegruppe - hem, som inneholder et jernatom, ikke-kovalent bundet til proteinunderenhetene til hemoglobin.

Det viktigste, eller snarere det avgjørende bidraget til interaksjonen mellom proteinunderenheter og hem, interaksjonen som fører til dannelsen og stabiliteten til det supramolekylære komplekset, som kalles hemoglobin, er laget av krefter som noen ganger kalles hydrofobe interaksjoner, men som representerer krefter av intermolekylær interaksjon. Bindingene dannet av disse kreftene er mye svakere enn de kovalente bindingene. Men i en komplementær interaksjon, når to overflater kommer veldig nær hverandre, er antallet av disse svake bindingene stort, og derfor er den totale interaksjonsenergien til molekylene høy nok og det resulterende komplekset er ganske stabilt. Men inntil disse bindingene ble dannet mellom de fire underenhetene, inntil protesegruppen (edelstener) ble sammen (igjen på grunn av ikke-kovalente bindinger), kan under ingen omstendigheter individuelle deler av hemoglobin binde oksygen, og enda mer kan de ikke overføre det hvor som helst. Og derfor har de ikke denne biologiske aktiviteten. (Samme resonnement kan utvides til alle enzymer generelt.)

I dette tilfellet innebærer selve katalyseprosessen dannelsen i løpet av reaksjonen av et kompleks av minst to komponenter - selve katalysatoren og et molekyl (molekyler) kalt substratet (e), som gjennomgår (deres) en slags kjemiske transformasjoner under påvirkning av katalysatoren. Med andre ord, et kompleks av minst to molekyler bør dannes, dvs. et supramolekylært (supramolekylært) kompleks.

Ideen om komplementær interaksjon ble først foreslått av E. Fischer for å forklare interaksjonen mellom medisinske stoffer og målet deres i kroppen og kalte "nøkkelen til låse"-interaksjonen. Selv om medisinske (og andre biologiske stoffer) på ingen måte er enzymer i alle tilfeller, er de også i stand til å forårsake enhver biologisk effekt først etter å ha interagert med det tilsvarende biologiske målet. Og en slik interaksjon, igjen, er ikke annet enn dannelsen av et supramolekylært kompleks.

Følgelig er manifestasjonen av "vanlige" molekyler med fundamentalt nye egenskaper (i dette tilfellet biologisk aktivitet) assosiert med dannelsen av supramolekylære (supramolekylære) komplekser med andre molekyler på grunn av kreftene til intermolekylær interaksjon. Slik er de fleste enzymer og systemer i kroppen (reseptorer, membraner osv.) ordnet, inkludert slike komplekse strukturer som noen ganger kalles biologiske «maskiner» (ribosomer, ATPase, etc.). Og dette skjer nettopp på nivået nanometer størrelse - fra én til flere titalls nanometer.

Med ytterligere komplikasjoner og en økning i størrelse (mer enn 100 nm), dvs. ved overgang til et annet dimensjonsnivå (mikronivå), oppstår mye mer komplekse systemer som ikke bare er i stand til uavhengig eksistens og interaksjon (spesielt energiutveksling) med omgivelsene deres miljø, men også til selvreproduksjon. Det vil si at egenskapene til hele systemet endres igjen - det blir så komplekst at det allerede er i stand til selvreproduksjon, det dukker opp det vi kaller levende strukturer.

Mange tenkere har gjentatte ganger forsøkt å definere livet. Uten å gå inn i filosofiske diskusjoner, legger vi merke til at livet etter vår mening er eksistensen av selvreproduserende strukturer, og levende strukturer begynner fra en enkelt celle. Livet er et mikro- og makroskopisk fenomen, men hovedprosessene som sikrer at levende systemer fungerer skjer på nanoskalanivå.

Funksjonen til en levende celle som en integrert selvregulerende enhet med et uttalt strukturelt hierarki sikres ved miniatyrisering på nanoskalanivå. Det er åpenbart at miniatyrisering på nanoskalanivå er en grunnleggende egenskap ved biokjemi, og derfor består livets utvikling av fremveksten og integreringen av ulike former for nanostrukturerte objekter. Det er den nanostore delen av det strukturelle hierarkiet, begrenset i størrelse både fra toppen og fra bunnen (!), som er avgjørende for cellenes utseende og evne til å eksistere. Det vil si at det er nivået av nanoskala som representerer overgangen fra det molekylære nivået til nivået av det levende.

Men på grunn av det faktum at miniatyrisering på nanoskalanivå er en grunnleggende egenskap ved biokjemi, er det umulig å betrakte noen biokjemiske manipulasjoner som nanoteknologiske - nanoteknologi forutsetter fortsatt designet, og ikke triviell bruk av molekyler og partikler.

Konklusjon

I begynnelsen av artikkelen prøvde vi allerede på en eller annen måte å klassifisere objekter fra ulike naturvitenskaper i henhold til prinsippet om de karakteristiske størrelsene til objektene de studerer. La oss gå tilbake til dette igjen, og ved å bruke denne klassifiseringen finner vi at atomfysikk, som studerer interaksjoner inne i et atom, er subangstromale (femto- og piko-) dimensjoner.

"Vanlig" uorganisk og organisk kjemi er angstrom-størrelser, nivået av individuelle molekyler eller bindinger i krystaller av uorganiske stoffer. Men biokjemi er nivået av nanoskala, nivået av eksistens og funksjon av supramolekylære strukturer stabilisert av ikke-kovalente intermolekylære krefter.

Men biokjemiske strukturer er fortsatt relativt enkle, og de kan fungere relativt uavhengig ( in vitro hvis du vil). Ytterligere komplikasjon, dannelsen av komplekse ensembler av supramolekylære strukturer - dette er en overgang til selvreproduserende strukturer, en overgang til Living. Og her, allerede på cellenivå, er disse mikrostørrelser, og på nivå med organismer - makrostørrelser. Dette er biologi og fysiologi.

Nanoskalaen er en overgangsregion fra det molekylære nivået, som danner grunnlaget for eksistensen av alle levende ting, bestående av molekyler, til nivået av det levende, eksistensnivået til selvreproduserende strukturer og nanopartikler, som er supramolekylære strukturer stabilisert av kreftene til intermolekylær interaksjon, er en overgangsform fra individuelle molekyler til komplekse funksjonelle systemer. Dette kan gjenspeiles av et diagram som spesielt understreker naturens kontinuitet (fig. 9). I ordningen er verden av nanoskala plassert mellom den atom-molekylære verden og de levendes verden, bestående av de samme atomene og molekylene, men organisert i komplekse selvreproduserende strukturer, og overgangen fra en verden til en annen bestemmes ikke bare (og ikke så mye) av størrelsen på strukturene, men av deres kompleksitet ... Naturen har for lenge siden oppfunnet og bruker supramolekylære strukturer i levende systemer. Vi, derimot, er langt fra alltid i stand til å forstå, enn si gjenta, hva naturen gjør enkelt og naturlig. Men man kan ikke forvente tjenester fra henne, man må lære av henne.

Litteratur:
1) Vul A.Ya., Sokolov V.I. Forskning på nanokarboner i Russland: fra fullerener til nanorør og nanodiamanter / Russian Nanotechnologies, 2007. Vol. 3 (3-4).
2) Kats E.A. Fullerener, karbon nanorør og nanocluster: en slektshistorie av former og ideer. - M .: LKI, 2008.
3) Ostwald W. En verden av forbigåtte verdier. - M .: Forlag for partnerskapet "Mir", 1923.
4) Piotrovsky L.B., Kiselev O.I. Fullerener i biologi. - Rostock, St. Petersburg, 2006.
5) Tkachuk V.A. Nanoteknologi og medisin // Russian Nanotechnologies, 2009. Vol. 4 (7–8).
6) Khobza P., Zagradnik R. Intermolekylære komplekser. - M .: Mir, 1989.
7) Mann S. Livet som et fenomen i nanoskala. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306-5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. Nye av nanostrukturer // Physica E, 2008, v. 40, s. 2521-2525.

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

Dessuten, ikke bare å se, men også å ta på. "Men han sa til dem: Hvis jeg ikke ser sårene på neglene i hans hender, og jeg ikke legger fingeren i neglenes sår, og jeg ikke legger hånden i ribbeina hans, vil ikke tro» [Johannesevangeliet, kapittel 20, vers 24].

For eksempel snakket han om atomer allerede i 430 f.Kr. NS. Demokrit. Da hevdet Dalton, i 1805, at: 1) elementene er laget av atomer, 2) atomene til ett element er identiske og forskjellige fra atomene til et annet element, og 3) atomer kan ikke ødelegges i en kjemisk reaksjon. Men først fra slutten av 1800-tallet begynte teoriene om atomets struktur å utvikle seg, noe som forårsaket en revolusjon i fysikken.

Konseptet «nanoteknologi» ble introdusert i 1974 av japaneren Norio Taniguchi. I lang tid ble ikke begrepet mye brukt blant spesialister som arbeider innen relaterte felt, siden Taniguchi brukte konseptet "nano" bare for å betegne nøyaktigheten av overflatebehandling, for eksempel i teknologier som gjør det mulig å kontrollere overflateruheten til materialer ved et nivå mindre enn en mikrometer, etc.

Begrepene «fullerener», «karbonnanorør» og «grafen» vil bli diskutert i detalj i den andre delen av artikkelen.

En eksperimentell illustrasjon av denne uttalelsen er den nylig publiserte utviklingen av teknologiske metoder for å skaffe grafenplater ved "kjemisk skjæring" og "avrulling" av karbon-nanorør.

Ordet "mikroskopisk" brukes her bare fordi disse egenskapene ble kalt tidligere, selv om vi i dette tilfellet snakker om egenskapene som manifesteres av molekyler og atomer, det vil si om toppstørrelsesintervallet.

Noe som spesielt førte til fremveksten av synspunktet om at livet er et fenomen av nanometerstørrelser [ Mann, 2008], noe som etter vår mening ikke er helt sant.