Flera enheter- enheter som är ett heltal flera gånger större än den grundläggande måttenheten för någon fysisk storhet. International System of Units (SI) rekommenderar följande decimalprefix för flera enheter:

Använda decimalprefix på binära enheter

huvudartikel: Binära prefix

Inom programmerings- och datorindustrin, samma prefix kilo, mega, giga, tera, etc. när de tillämpas på multiplar av två potenser (t.ex. byte), kan betyda en multiplicitet av inte 1000, utan 1024 = 2 10. Vilket system som används bör framgå av sammanhanget (till exempel, i förhållande till mängden RAM, används en multiplicitet på 1024, och i förhållande till volymen diskminne används en multiplicitet på 1000 av tillverkarna av hårddiskar enheter).

För att undvika förvirring i april 1999 år Internationella elektrotekniska kommissionen introducerade en ny standard för namngivning av binära tal (se. Binära prefix).

Bråkenhetsprefix

Bråkdelar, utgöra en viss bråkdel (del) av den fastställda måttenheten för ett visst värde. International System of Units (SI) rekommenderar följande prefix för sub-multiplar:

Ursprunget till prefix

De flesta prefix härrör från grekisk ord. Soundboard kommer från ordet deca eller deka(δέκα) - "tio", hekto - från hekaton(ἑκατόν) - "hundra", kilo - från chiloi(χίλιοι) - "tusen", mega - från megas(μέγας), det vill säga "stor", giga är gigantos(γίγας) - "jätte", och tera - från teratos(τέρας) som betyder "monstruös". Peta (πέντε) och exa (ἕξ) motsvarar fem och sex tusen siffror och översätts till "fem" respektive "sex". Långsiktig mikro (från mikros, μικρός) och nano (från nanos, νᾶνος) översätts med "liten" och "dvärg". Från ett ord ὀκτώ ( októ) som betyder "åtta", bildad av prefixen yotta (1000 8) och yokto (1/1000 8).

Som "tusen" översätts och prefixet milli, som går tillbaka till lat. mille... Latinska rötter har också prefixen santi - från centum("Hundra") och deci - från decimus("Tionde"), zetta - från septem("sju"). Zepto ("sju") kommer från lat. orden septem eller från fr. sept.

Prefixet atto härstammar från datum. atten("arton"). Femto går tillbaka till datum. och norv. femten eller att dr.-nor. fimmtān och betyder femton.

Pico-prefixet kommer från antingen fr. pico("Näbb" eller "liten mängd"), eller från ital. piccolo, det vill säga "liten".

Regler för användning av prefix

Prefix ska skrivas tillsammans med enhetens namn eller med dess beteckning.

Det är inte tillåtet att använda två eller flera tillbehör i rad (t.ex. mikromillifarad).

Beteckningarna för multipler och sub-multiplar av den ursprungliga enheten upphöjda till en potens bildas genom att addera motsvarande exponent till beteckningen på en multipel eller sub-multipel av den ursprungliga enheten, och indikatorn betyder att höja en multipel eller sub-multipel till en potens (tillsammans med prefixet). Exempel: 1 km² = (10³ m) ² = 10 6 m² (inte 10³ m²). Namnen på sådana enheter bildas genom att ett prefix läggs till namnet på den ursprungliga enheten: en kvadratkilometer (inte en kilokvadratmeter).

Om enheten är en produkt eller ett förhållande mellan enheter, är prefixet, eller dess beteckning, vanligtvis kopplat till namnet eller beteckningen på den första enheten: kPa s / m (kilopascal sekund per meter). Det är tillåtet att fästa ett prefix till verkets andra multiplikator eller till nämnaren endast i motiverade fall.

Tillämplighet av prefix

På grund av det faktum att namnet på massaenheten i SI- kilogram - innehåller prefixet "kilo", för bildning av multipla och bråkdelar av massa, använd en bråkdel av massa - gram (0,001 kg).

Prefix används begränsat med tidsenheter: flera prefix kombineras inte alls med dem - ingen använder "kilosekunden", även om detta inte är formellt förbjudet, men det finns ett undantag från denna regel: kosmologi enheten används" gigagod»(Miljarder år); sidofästen fästs endast på andra(millisekund, mikrosekund, etc.). I enlighet med GOST 8.417-2002, namn och beteckningar på följande SI-enheter får inte användas med prefixen: minut, timme, dag (tidsenheter), grad, minut, andra(platta vinkelenheter), astronomisk enhet, diopter och atommassaenhet.

MED meter Av de multipla prefixen används i praktiken bara kilo: istället för megameter (Mm), gigameter (Hm), etc., skriver de "tusentals kilometer", "miljoner kilometer", etc .; istället för kvadratmegameter (Mm²) skriver de "miljoner kvadratkilometer".

Kapacitet kondensatorer traditionellt mätt i mikrofarad och picofarad, men inte millifarad eller nanofarad [ källa ej angiven 221 dagar ] (de skriver 60 000 pF, inte 60 nF; 2000 uF, inte 2 mF). Men inom radioteknik är användningen av en nanofarad-enhet tillåten.

Det rekommenderas inte att använda prefix som motsvarar exponenter som inte är delbara med 3 (hekto-, deka-, deci-, centi-). Endast allmänt använd centimeter(som är grundenheten i systemet GHS) och decibel, i mindre utsträckning - decimeter och hektopascal (in meteorologiska rapporter), och hektar... I vissa länder volymen skuld mätt i dekaliter.

Längd- och avståndsomvandlare Massomvandlare Bulk- och livsmedelsvolymomvandlare Yteomvandlare Kulinariskt recept Volym och enheter Omvandlare Temperaturomvandlare Tryck, stress, Young's modulomvandlare Energi- och arbetsomvandlare Kraftomvandlare Tidsomvandlare Linjär hastighetsomvandlare Flatvinkelomvandlare Termisk verkningsgrad och bränsleeffektivitet Numerisk Konverteringssystem Omvandlare av information Mätsystem Valutakurser Damkläder och skor Storlekar Herrkläder och skorstorlekar Vinkelhastighet och rotationshastighetsomvandlare Accelerationsomvandlare Vinkelaccelerationsomvandlare Densitetsomvandlare Specifik volymomvandlare Tröghetsmomentomvandlare Kraftmomentomvandlare Vridmomentomvandlare Specifikt värmevärde ) omvandlare Energitäthet och specifikt värmevärde (volym) omvandlare Temperaturdifferensomvandlare Koefficientomvandlare Termisk expansionskoefficient Termisk motståndsomvandlare Värmekonduktivitetsomvandlare Specifik värmekapacitetsomvandlare Värmeexponerings- och strålningseffektomvandlare Värmeflödesdensitetsomvandlare Värmeöverföringskoefficientomvandlare Volymflödesomvandlare Massflödeshastighet Molärflödesomvandlare Massflödestäthetsomvandlare Molärkoncentrationsomvandlare Masskoncentration i lösningsomvandlare absolut) viskositet Kinematisk viskositetsomvandlare Ytspänningsomvandlare Ånggenomsläpplighetsomvandlare Ångpermeabilitet och ångöverföringshastighetsomvandlare Ljudnivåomvandlare Mikrofonkänslighetsomvandlare Ljudtrycksnivåomvandlare (SPL) Ljudtrycksnivåomvandlare med valbart referenstryck Luminansomvandlare Ljusomvandlare Ljusintensitetsomvandlare Upplösning till datoromvandlardiagram Frekvens- och våglängdsomvandlare Optisk effekt till dioptri x och brännvidd Optisk effekt i dioptrier och linsförstoring (×) Elektrisk laddningsomvandlare Linjär laddningstäthetsomvandlare Ytladdningstäthetsomvandlare Bulkladdningstäthetsomvandlare Elektrisk ström linjär strömtäthetsomvandlare Ytströmstäthetsomvandlare Elektrisk fältstyrkeomvandlare Elektrostatisk potential och spänningsomvandlare Elektrisk Resistivitet Elektrisk resistivitetsomvandlare Elektrisk konduktivitetsomvandlare Elektrisk konduktivitetsomvandlare Elektrisk kapacitans Induktansomvandlare American Wire Gauge Converter Nivåer i dBm (dBm eller dBmW), dBV (dBV), watt, etc. enheter Magnetomotiv kraftomvandlare Magnetfältstyrkeomvandlare Magnetisk flödesomvandlare Magnetisk induktionsomvandlare Strålning. Joniserande strålning Absorberad Dos Rate Converter Radioaktivitet. Radioaktivt sönderfall Strålningsomvandlare. Exponering Dosomvandlare Strålning. Absorberad dosomvandlare Decimalprefixomvandlare Dataöverföring Typografi och bildbehandlingsenhetsomvandlare Timber Volym Enhetsomvandlare Beräkna molmassa periodiska systemet för kemiska grundämnen D. I. Mendeleev

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

Ursprungligt värde

Konverterat värde

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

Masskoncentration i lösning

Metriskt och internationellt enhetssystem (SI)

Introduktion

I den här artikeln kommer vi att prata om det metriska systemet och dess historia. Vi kommer att se hur och varför det började och hur det gradvis blev till det vi har idag. Vi kommer också att titta på SI-systemet, som utvecklats från det metriska måttsystemet.

För våra förfäder, som levde i en värld full av faror, tillät förmågan att mäta olika kvantiteter i deras naturliga livsmiljö oss att komma närmare förståelsen av naturfenomenens väsen, känna till sin miljö och få möjligheten att på något sätt påverka vad som omgav dem. Det är därför man har försökt uppfinna och förbättra olika mätsystem. I början av mänsklig utveckling var det inte mindre viktigt att ha ett mätsystem än det är nu. Det var nödvändigt att utföra olika mätningar när man byggde ett hus, sy kläder i olika storlekar, laga mat och, naturligtvis, handel och utbyte kunde inte göra utan mätning! Många tror att skapandet och antagandet av det internationella SI-systemet av enheter är den mest allvarliga prestationen, inte bara för vetenskap och teknik, utan också för mänsklighetens utveckling i allmänhet.

Tidiga mätsystem

I tidiga system av mått och talsystem använde människor traditionella objekt för att mäta och jämföra. Till exempel tror man att decimalsystemet dök upp på grund av att vi har tio fingrar och tår. Våra händer är alltid med oss ​​- därför har människor sedan urminnes tider använt (och fortfarande använder) fingrar för att räkna. Och ändå har vi inte alltid använt bas 10-systemet för att räkna, och det metriska systemet är en relativt ny uppfinning. Varje region har sina egna system av enheter och även om dessa system har mycket gemensamt, är de flesta system fortfarande så olika att omvandling av måttenheter från ett system till ett annat alltid har varit ett problem. Detta problem blev mer och mer allvarligt med utvecklingen av handeln mellan olika folk.

Noggrannheten hos de första systemen för mått och vikter berodde direkt på storleken på föremålen som omgav människorna som utvecklade dessa system. Det är tydligt att mätningarna var felaktiga, eftersom "mätanordningarna" inte var exakt dimensionerade. Till exempel användes kroppsdelar vanligtvis som ett längdmått; massa och volym mättes med hjälp av volymen och massan av frön och andra små föremål, vars dimensioner var mer eller mindre desamma. Nedan ska vi titta närmare på sådana enheter.

Mått på längd

I det gamla Egypten mättes längden till en början enkelt armbågar, och senare med kungliga armbågar. Armbågslängden definierades som segmentet från armbågsböjningen till slutet av den förlängda mellantån. Sålunda definierades den kungliga alnen som den regerande faraos aln. En armbågsmodell skapades och gjordes tillgänglig för allmänheten för alla att göra sina egna längdmått. Detta var naturligtvis en godtycklig enhet som förändrades när en ny regerande person tog över tronen. Det antika Babylon använde ett liknande system med mindre skillnader.

Armbågen var uppdelad i mindre enheter: handflatan, hand, spannmål(fötter), och du(finger), som representerades av bredden på handflatan, handen (med tummen), foten respektive tån. Samtidigt bestämde de sig för att komma överens om hur många fingrar som finns i handflatan (4), i handen (5) och armbågen (28 i Egypten och 30 i Babylon). Det var bekvämare och mer exakt än att mäta förhållanden varje gång.

Mått på massa och vikt

Vikterna baserades också på parametrarna för olika föremål. Frön, spannmål, bönor och liknande föremål användes som viktmått. Ett klassiskt exempel på en massenhet som används än idag är karat... Nu mäter karat massan av ädelstenar och pärlor, och en gång bestämdes vikten av fröna från johannesbrödträdet, annars kallat johannesbröd, som en karat. Trädet odlas i Medelhavet, och dess frön kännetecknas av en konstant massa, så det var bekvämt att använda dem som ett mått på vikt och massa. På olika ställen användes olika frön som små viktenheter, och större enheter var vanligtvis multiplar av mindre enheter. Arkeologer hittar ofta liknande stora vikter, vanligtvis gjorda av sten. De bestod av 60, 100 och andra små enheter. Eftersom det inte fanns någon enhetlig standard för antalet små enheter, liksom för deras vikt, ledde det till konflikter när säljare och köpare som bodde på olika platser möttes.

Volymmått

Inledningsvis mättes även volymen med hjälp av små föremål. Till exempel bestämdes volymen av en kruka eller kanna genom att fylla den till brädden med små föremål av relativt standardvolym, såsom frön. Bristen på standardisering ledde dock till samma problem vid mätning av volym som vid mätning av massa.

Utveckling av olika åtgärdssystem

Det antika grekiska måttsystemet byggde på det gamla egyptiska och babyloniska, och romarna skapade sitt system på grundval av det antika grekiska. Sedan spreds dessa system med eld och svärd och, naturligtvis, som ett resultat av handeln över hela Europa. Det bör noteras att vi bara talar om de vanligaste systemen här. Men det fanns många andra system av mått och vikter, eftersom utbyte och handel var nödvändigt för absolut alla. Om det i ett visst område inte fanns något skriftspråk eller det inte var vanligt att registrera resultaten av utbytet, kan vi bara gissa hur dessa människor mätte volymen och vikten.

Det finns många regionala varianter av mått- och viktsystem. Detta beror på deras oberoende utveckling och påverkan av andra system på dem som ett resultat av handel och erövring. Olika system fanns inte bara i olika länder, utan ofta inom samma land, där de hade sina egna i varje handelsstad, eftersom lokala härskare inte ville ha enande för att behålla sin makt. Med utvecklingen av resor, handel, industri och vetenskap, försökte många länder förena systemen för mått och vikter, åtminstone inom sina länders territorier.

Redan på 1200-talet, och möjligen ännu tidigare, diskuterade vetenskapsmän och filosofer skapandet av ett enhetligt mätsystem. Men först efter den franska revolutionen och den efterföljande koloniseringen av olika regioner i världen av Frankrike och andra europeiska länder, som redan hade sina egna system för mått och vikter, utvecklades ett nytt system som antogs i de flesta länder i världen. Detta nya system var decimalt metriskt system... Den baserades på basen 10, det vill säga för alla fysiska kvantiteter fanns det en grundenhet i den, och alla andra enheter kunde bildas på ett standardsätt med decimalprefix. Varje sådan bråk- eller multipelenhet kunde delas upp i tio mindre enheter, och dessa mindre enheter kunde i sin tur delas upp i 10 ännu mindre enheter, och så vidare.

Som vi vet var de flesta av de tidiga mätsystemen inte baserade på bas 10. Bekvämligheten med bas 10-systemet ligger i att det talsystem vi är vana vid har samma bas, vilket gör det möjligt att snabbt och bekvämt konvertera från mindre enheter till stora och vice versa. Många forskare tror att valet av tio som bas för talsystemet är godtyckligt och bara är förknippat med det faktum att vi har tio fingrar och om vi hade ett annat antal fingrar så skulle vi förmodligen använda ett annat talsystem.

Metriska systemet

I början av utvecklingen av det metriska systemet användes mänskligt tillverkade prototyper som mått på längd och vikt, som i tidigare system. Det metriska systemet har utvecklats från ett system baserat på materialstandarder och beroende på deras noggrannhet till ett system baserat på naturfenomen och grundläggande fysiska konstanter. Till exempel, tidsenheten, den andra, definierades ursprungligen som en del av det tropiska året 1900. Nackdelen med denna definition var omöjligheten av experimentell verifiering av denna konstant under efterföljande år. Därför omdefinierades den andra som ett visst antal strålningsperioder motsvarande övergången mellan två hyperfina nivåer av grundtillståndet för en radioaktiv cesium-133-atom i vila vid 0 K. meter har omdefinierats som det avstånd som ljuset färdas i en vakuum i ett tidsintervall som är lika med 1/299 792 458 sekunder.

Det internationella enhetssystemet (SI) skapades på basis av det metriska systemet. Det bör noteras att traditionellt inkluderar det metriska systemet enheter av massa, längd och tid, men i SI-systemet har antalet basenheter utökats till sju. Vi kommer att diskutera dem nedan.

International System of Units (SI)

International System of Units (SI) har sju grundläggande enheter för att mäta grundstorheter (massa, tid, längd, ljusstyrka, mängd materia, elektrisk ström, termodynamisk temperatur). den kilogram(kg) för att mäta massa, andra(s) att mäta tid, meter(m) för att mäta avstånd, candela(cd) för att mäta ljusstyrka, mol(förkortning mol) för att mäta mängden av ett ämne, ampere(A) för att mäta styrkan hos den elektriska strömmen, och kelvin(K) för temperaturmätning.

För närvarande är det bara kilogram som fortfarande har en mänsklig standard, medan resten av enheterna är baserade på universella fysiska konstanter eller naturfenomen. Detta är praktiskt eftersom de fysiska konstanterna eller naturfenomen som enheterna bygger på är lätta att kontrollera när som helst; dessutom finns det ingen risk för förlust eller skada på standarderna. Det finns heller inget behov av att skapa kopior av standarder för att säkerställa deras tillgänglighet i olika delar av världen. Detta eliminerar fel som är förknippade med noggrannheten för att göra kopior av fysiska föremål, och ger därmed större noggrannhet.

Decimalprefix

För att bilda multipler och sub-multiplar som skiljer sig från basenheterna i SI-systemet med ett visst heltal antal gånger, vilket är en potens av tio, använder den prefix som är kopplade till namnet på basenheten. Nedan är en lista över alla prefix som används för närvarande och de decimalfaktorer de representerar:

Till exempel är 5 gigameter lika med 5 000 000 000 meter, medan 3 mikrocandela är lika med 0,000003 candela. Det är intressant att notera att, trots närvaron av prefixet i kilogramenheten, är det den grundläggande SI-enheten. Därför används ovanstående prefix med grammet som om det vore grundenheten.

När detta skrivs finns det bara tre länder kvar som inte har antagit SI-systemet: USA, Liberia och Myanmar. Traditionella enheter används fortfarande i stor utsträckning i Kanada och Storbritannien, även om SI är det officiella systemet för enheter i dessa länder. Det räcker med att gå till butiken och se prislapparna per pund varor (eftersom det blir billigare!), Eller försöka köpa byggmaterial, mätt i meter och kilo. Kommer inte att fungera! För att inte tala om förpackningen av varor, där allt är signerat i gram, kilogram och liter, men inte i sin helhet, utan omräknat från pund, uns, pints och quarts. Mjölkförvaring i kylskåp beräknas också per halv gallon eller gallon, inte per liter mjölkkartong.

Tycker du att det är svårt att översätta en måttenhet från ett språk till ett annat? Kollegor står redo att hjälpa dig. Ställ en fråga till TCTerms och du får svar inom några minuter.

Beräkningar för att konvertera enheter i omvandlaren " Decimalprefixkonverterare»Utförs med funktionerna unitconversion.org.

Förkortade beteckningar på elektriska storheter

Vid montering av elektroniska kretsar, med vilje, är det nödvändigt att räkna om värdena på motstånden för motstånden, kondensatorernas kapacitanser, spolarnas induktans.

Så, till exempel, blir det nödvändigt att konvertera mikrofarader till picofarads, kilo-ohm till ohm, millihenry till mikrohenry.

Hur ska man inte bli förvirrad i beräkningarna?

Om ett misstag görs och ett föremål med felaktigt betyg väljs, kommer den sammansatta enheten inte att fungera korrekt eller ha andra egenskaper.

En sådan situation i praktiken är inte ovanlig, eftersom de ibland i fall med radioelement indikerar värdet av kapaciteten i nano farads (nF), och på det schematiska diagrammet anges vanligtvis kondensatorernas kapacitanser i mikro farads (μF) och picot farads (pF). Detta vilseleder många nybörjare radioamatörer och, som ett resultat, saktar sammansättningen av den elektroniska enheten.

För att förhindra att denna situation inträffar måste du lära dig enkla beräkningar.

För att inte bli förvirrad i mikrofarader, nanofarads, picofarads måste du bekanta dig med dimensionstabellen. Jag är säker på att du kommer att behöva det mer än en gång.

Den här tabellen innehåller decimalmultiplar och bråktalsprefix. Det internationella enhetssystemet, som bär det förkortade namnet SI, inkluderar sex multiplar (deca, hekto, kilo, mega, giga, tera) och åtta multiplar (deci, centi, milli, micro, nano, pico, femto, atto). Många av dessa tillbehör har länge använts inom elektronik.

Hur använder man bordet?

Som du kan se i tabellen är skillnaden mellan många prefix exakt 1000. Så till exempel gäller denna regel mellan multiplar, med början med prefixet kilo.

• Mega - 1 000 000

  Giga - 1 000 000 000

  Tera - 1 000 000 000 000

Så, om bredvid beteckningen på motståndet skrivs 1 MΩ (1 Mega ohm), då blir dess motstånd - 1 000 000 (1 miljon) ohm. Om det finns ett motstånd med ett nominellt motstånd på 1 kOhm (1 kilo ohm), då i ohm blir det 1000 (1 tusen) ohm.

För bråk- eller andra bråkvärden är situationen likartad, bara det finns ingen ökning av det numeriska värdet, utan dess minskning.

För att inte bli förvirrad i mikrofarader, nanofarads, picofarads måste du komma ihåg en enkel regel. Du måste förstå att milli, micro, nano och pico alla är olika. exakt 1000... Det vill säga, om du får veta 47 mikrofarader betyder det att det i nanofarader blir 1000 gånger fler - 47 000 nanofarader. I picofarads blir det 1000 gånger fler - 47 000 000 picofarads. Som du kan se är skillnaden mellan 1 mikrofarad och 1 picofarad 1 000 000 gånger.

I praktiken krävs det också att man känner till värdet i mikrofarader, och kapacitetsvärdet anges i nanofarader. Så om kapacitansen för kondensatorn är 1 nanofarad, kommer den i mikrofarader att vara 0,001 μF. Om kapacitansen är 0,01 mikrofarad, blir den i picofarads 10 000 pF respektive i nanofarad 10 nF.

Prefixen som anger storleken på kvantiteten används för förkortad notation. Håller med lättare att skriva 1 mAän 0,001 Ampere eller t.ex. 400 μHän 0,0004 Henry.

Tabellen som visas tidigare har också en förkortning för prefixet. För att inte skriva Mega, skriv bara brevet M... Prefixet följs vanligtvis av en förkortning för den elektriska storheten. Till exempel ordet Ampere skriv inte, utan ange bara bokstaven A... Gör också när du förkortar registreringen av måttenheten för kapacitet Farad... I det här fallet skrivs bara brevet F.

Tillsammans med den förkortade notationen på ryska, som ofta används i gammal elektronisk radiolitteratur, finns också en internationell förkortad notation för prefix. Det anges också i tabellen.

Doktor i tekniska vetenskaper, akademiker vid Ryska naturvetenskapsakademin, A.I. KHESIN

Termen "nano-teknik" 1974, föreslog av japanen Noryo Taniguchi för att beskriva processen att konstruera nya föremål och material genom att manipulera enskilda atomer. En nanometer är en miljarddels meter. Atomstorlek- några tiondelar av en nanometer Alla tidigare vetenskapliga och tekniska revolutioner gick ut på att människor mer och mer skickligt kopierade mekanismer och material skapade av naturen. Ett genombrott inom nanoteknik är en helt annan sak. För första gången kommer människan att skapa ny materia som var okänd och otillgänglig för naturen. Faktum är att vetenskapen har närmat sig modelleringen av principerna för att konstruera levande materia, som bygger på självorganisering och självreglering. Den redan behärskade metoden att skapa strukturer med hjälp av kvantprickar är självorganisering. En revolution i civilisationen - skapandet av bioniska enheter.

Det finns kanske ingen definitiv definition av begreppet nanoteknik, men I analogi med existerande mikroteknologier, följer det att nanoteknologier är teknologier som arbetar med kvantiteter i storleksordningen en nanometer. Detta är ett försumbart värde, hundratals gånger mindre än våglängden för synligt ljus och jämförbart med storleken på atomer. Därför är övergången från "mikro" till "nano" inte längre en kvantitativ, utan en kvalitativ övergång - ett språng från manipulation av materia till manipulation av enskilda atomer.

International System of Units (SI) är ursprunget till prefixnamn.

De första fästena infördes 1793-1795. vid legalisering av det metriska systemet i Frankrike. Det var vanligt att flera enheter tog namnet på prefix från det grekiska språket, för bråkdelar - från latin. Under dessa år antogs följande prefix: kilo... (från grekiskan.chilioi - tusen), hekto ... (från det grekiska hekaton - hundra), däck... (från grekiska deka - tio), deci... (från lat.decem - tio), centi ... (från latin centum - hundra), Milli ... (från lat. mille - tusen). Under efterföljande år ökade antalet multiplar och sub-multiplar; namnen på prefix för deras beteckning lånades ibland från andra språk. Följande prefix har dykt upp: mega... (från grekiskan.megas - large), giga ... (från den grekiska gigas, gigantos - jätte), tera... (från det grekiska teras, teratos - enormt, monster), mikro... (från grekiskan mikros - liten, liten), nano... (från grekiska nanos - dvärg), picot... (från italiensk piccolo - liten, liten), femto... (från danska femten - femton), atto ... (från danska atten - arton). De två sista prefixen peta... och exa... - antogs 1975: "peta" ... (från grekiska peta - fem, vilket motsvarar fem kategorier på 10 3 vardera), exa ... (från grekiskan. hex - sex, vilket motsvarar sex siffror av 10 3). Zepto- (zepto- ) Är ett metriskt bråktalsprefix som anger 10 −21. Yokto- (yocto- ) Är ett metriskt bråktalsprefix som anger 10 −24. För tydlighetens skull ger vi en tabell:

När det gäller utvecklingen av nanoteknologi menar vi tre områden:

• tillverkning av elektroniska kretsar (inklusive volymetriska) med aktiva element som är jämförbara i storlek med storleken på molekyler och atomer;
• utveckling och tillverkning av nanomaskiner, d.v.s. mekanismer och robotar lika stora som en molekyl;
• direkt manipulation av atomer och molekyler och sammansättning av allt som existerar från dem.

Samtidigt utvecklas nu aktivt nanoteknologiska metoder som gör det möjligt att skapa aktiva element (transistorer, dioder) i storleken av en molekyl och bilda flerskiktiga tredimensionella kretsar av dem. Kanske kommer mikroelektronik att bli den första industrin där "atommontage" kommer att utföras i industriell skala.

Även om vi nu har till vårt förfogande medel för att manipulera enskilda atomer, kan de knappast användas "direkt" för att sätta ihop något praktiskt nödvändigt: om så bara på grund av antalet atomer som måste "sammansättas".

Men kapaciteten hos befintlig teknik är redan tillräcklig för att bygga några enkla mekanismer från flera molekyler, som, styrda av styrsignaler utifrån (akustiska, elektromagnetiska, etc.), kan manipulera andra molekyler och skapa liknande enheter eller mer komplexa mekanismer.

De kommer i sin tur att kunna göra ännu mer komplexa enheter osv. i slutändan kommer denna exponentiella process att leda till skapandet av molekylära robotar - mekanismer som är jämförbara i storlek med en stor molekyl och med sina egna inbyggda datorer.

Naturen är kontinuerlig, och varje definition kräver upprättandet av någon form av gränser. Därför är formuleringen av definitioner en ganska otacksam uppgift. Ändå måste detta göras, eftersom en tydlig definition gör att man kan skilja ett fenomen från ett annat, att avslöja betydande skillnader mellan dem och därmed bättre förstå fenomenen i sig. Därför är syftet med denna uppsats att försöka förstå innebörden av dagens fashionabla termer med prefixet "nano" (från det grekiska ordet "dvärg") - "nanovetenskap", "nanoteknik", "nanoobjekt", "nanomaterial".

Trots att dessa frågor upprepade gånger har diskuterats med varierande grad av djup i special- och populärvetenskaplig litteratur visar analys av litteraturen och personliga erfarenheter att det fortfarande inte finns någon klar förståelse för själva problemet i breda vetenskapliga kretsar, för att inte tala om ovetenskapliga kretsar. ettor och definitioner. Det är därför vi kommer att försöka ge definitioner till alla ovanstående termer, och fokusera läsarens uppmärksamhet på innebörden av det grundläggande begreppet "nanoobjekt". Vi uppmanar läsaren att gemensamt reflektera över om det finns något som i grunden skiljer nanoobjekt från deras större och mindre "bröder" som "bebor" världen omkring oss. Dessutom inbjuder vi honom att delta i en serie tankeexperiment om utformningen av nanostrukturer och deras syntes. Vi kommer också att försöka påvisa att det är i nanoskalaområdet som en förändring i naturen hos fysiska och kemiska interaktioner sker, och detta sker just i samma sektion av storleksskalan, där gränsen mellan livlig och livlös natur går.

Men först, var kom allt detta ifrån, varför introducerades prefixet "nano", vilket är avgörande när man hänvisar material till nanostrukturer, varför nanovetenskap och nanoteknik sticker ut i separata områden, vad i denna allokering syftar på (och syftar det på) till riktigt vetenskapliga grunder?

Vad är "nano" och var allt började

Detta är ett prefix som indikerar att det ursprungliga värdet ska reduceras med en miljard gånger, det vill säga dividerat med ett med nio nollor - 1 000 000 000. Till exempel är 1 nanometer en miljarddels meter (1 nm = 10 -9 m) ... För att föreställa oss hur liten 1 nm är, låt oss utföra följande tankeexperiment (Fig. 1). Om vi ​​minskar diametern på vår planet (12 750 km = 12,75 × 10 6 m ≈ 10 7 m) med en faktor på 100 miljoner (10 8) får vi cirka 10 –1 m. Detta är en storlek som är ungefär lika med diametern av en fotboll (standard är diametern på en fotboll 22 cm, men på vår skala är denna skillnad obetydlig (för oss 2,2 × 10 –1 m ≈ 10 –1 m). Låt oss nu minska diametern på en fotbollsboll med samma 100 miljoner (10 8) gånger, och först nu får vi en nanopartikelstorlek lika med 1 nm (ungefär diametern på en kolmolekyl av fulleren C 60, liknande formen som en fotboll - se fig. 1) ...

Det är anmärkningsvärt att prefixet "nano" har använts i den vetenskapliga litteraturen under lång tid, men för att beteckna långt ifrån nanoobjekt. I synnerhet för föremål vars storlek är miljarder gånger större än 1 nm - i dinosauriernas terminologi. Nanotyrannosaurier ( nanotyrranus) och nanosaurier ( nanosaurus) kallas dvärgdinosaurier, vars dimensioner är 5 respektive 1,3 m. Men de är verkligen "dvärgar" i jämförelse med andra dinosaurier, vars storlek överstiger 10 m (upp till 50 m), och vikten kan nå 30-40 ton eller mer. Det här exemplet betonar att prefixet "nano" i sig inte har någon fysisk betydelse, utan bara indikerar skalan.

Men nu, med hjälp av detta prefix, markerar de en ny era i utvecklingen av teknologier, ibland kallad den fjärde industriella revolutionen - nanoteknikens era.

Man tror ofta att början av den nanoteknologiska eran lades 1959 av Richard Feynman i en föreläsning " Det finns gott om plats längst ner"(" Där nere - mycket utrymme. ") Huvudpostulatet för denna föreläsning var att ur fysikens grundläggande lagars synvinkel ser författaren inga hinder för att arbeta på molekylär och atomär nivå, manipulera enskilda atomer eller molekyler.Feynman sa att man med hjälp av vissa enheter kan göra ännu mindre enheter, som i sin tur kan göra ännu mindre enheter, och så vidare ner till atomnivå, det vill säga med lämplig teknologi, individuella atomer kan manipuleras.

I rättvisans namn bör det dock noteras att Feynman inte var den första som kom med detta. I synnerhet idén om att skapa manipulatorer som gradvis minskar i storlek uttrycktes redan 1931 av författaren Boris Zhitkov i hans fantastiska berättelse "Mikroruki". Vi kan inte avstå från att citera små citat från denna berättelse för att ge läsaren en verklig uppskattning av författarens insikt:

"Jag tjafsade länge och det här är vad jag kom fram till: Jag kommer att göra små händer, en exakt kopia av mina - låt dem vara minst tjugo, trettio gånger mindre, men de kommer att ha böjliga fingrar, som mina, de kommer att knyta till en knytnäve, böja sig, bli i samma positioner som mina levande händer. Och jag gjorde dem...
Men en tanke slog mig plötsligt: ​​jag kan göra mikrohänder till mina små händer. Jag kan göra samma handskar för dem som jag gjorde för mina levande händer, använda samma system för att ansluta dem till handtagen tio gånger mindre än mina mikrohänder, och sedan ... jag kommer att ha riktiga mikrohänder, redan två hundra gånger mindre än min rörelse. Med dessa händer kommer jag att bryta mig in i en sådan litenhet i livet, som bara har setts, men där ingen någonsin har disponerat sina egna händer. Och jag måste jobba...
Jag ville göra riktiga mikrohänder, så att jag kunde ta tag i partiklar av materia som materia skapas av, de ofattbart små partiklar som bara är synliga genom ett ultramikroskop. Jag ville komma in i området där det mänskliga sinnet tappar någon uppfattning om storlek - det verkar som att det inte finns några storlekar, allt är så ofattbart litet."

Men det är inte bara litterära förutsägelser. Det som nu kallas nanoobjekt, nanoteknik, om man så vill, har folk använt länge i sina liv. Ett av de mest slående exemplen (bokstavligen och bildligt) är flerfärgat glas. Till exempel skapad på 300-talet e.Kr. NS. Lycurgus-bägaren, som förvaras i British Museum, är grön när den belyses utifrån, men lila-röd när den belyses från insidan. Nyligen genomförda studier med elektronmikroskopi har visat att denna ovanliga effekt beror på förekomsten av partiklar av guld och silver i nanostorlek i glaset. Därför kan vi lugnt säga att Lycurgus Cup är gjord av nanokompositmaterial.

Som det visar sig nu, på medeltiden, tillsattes ofta metalliskt nano-damm till glas för tillverkning av glasmålningar. Variationer i glasfärg beror på skillnader i de tillsatta partiklarna - typen av metall som används och storleken på dess partiklar. Nyligen upptäckte man att dessa glas också har bakteriedödande egenskaper, det vill säga de ger inte bara ett vackert ljusspel i rummet, utan desinficerar också miljön.

Om vi ​​betraktar vetenskapens utvecklingshistoria i historiska termer, kan vi å ena sidan peka ut en gemensam vektor - naturvetenskapernas penetration "djupt in i" materia. Rörelse längs denna vektor bestäms av utvecklingen av observationsmedel. Först studerade människor den vanliga världen, som inte krävde speciella instrument för att observera. Observationer på denna nivå lade grunden till biologin (klassificering av den levande världen, K. Linnaeus, etc.), evolutionsteorin skapades (C. Darwin, 1859). När teleskopet dök upp kunde människor utföra astronomiska observationer (G. Galileo, 1609). Detta resulterade i lagen om universell gravitation och klassisk mekanik (I. Newton, 1642–1727). När Levenguk-mikroskopet dök upp (1674) gick människor in i mikrokosmos (storleksintervall 1 mm - 0,1 mm). Till en början var det bara en kontemplation av små, osynliga organismer. Först i slutet av 1800-talet var L. Pasteur den första som klargjorde mikroorganismernas natur och funktioner. Ungefär samtidigt (slutet av 1800-talet - början av 1900-talet) pågick en revolution inom fysiken. Forskare började tränga in i atomen för att studera dess struktur. Återigen berodde detta på uppkomsten av nya metoder och verktyg, som började använda de minsta partiklarna av materia. År 1909, med hjälp av alfapartiklar (heliumkärnor med en storlek på cirka 10 -13 m), lyckades Rutherford "se" kärnan i en guldatom. Bohr-Rutherford-planetmodellen av atomen skapad på basis av dessa experiment ger en visuell bild av vidden av det "fria" utrymmet i atomen, ganska jämförbar med solsystemets kosmiska tomhet. Det var tomheten i sådana order som Feynman hade i åtanke i sin föreläsning. Med hjälp av samma α-partiklar genomförde Rutherford 1919 den första kärnreaktionen för att omvandla kväve till syre. Det var så fysiker gick in i piko- och femtodimensionella intervall, och förståelsen av materiens struktur på atomär och subatomär nivå ledde under första hälften av förra seklet till skapandet av kvantmekanik.

En värld av förlorade värden

Historiskt hände det att på storleksskalan (Fig. 2) var nästan alla dimensionella forskningsområden "täckta", förutom nanoskalaområdet. Men världen är inte utan visionära människor. Redan i början av 1900-talet publicerade W. Ostwald boken "The World of Bypassed Quantities", som handlade om ett nytt kemiområde på den tiden - kolloidal kemi, som handlade just om nanometerstora partiklar (även om denna term inte var används ännu). Redan i den här boken noterade han att fragmenteringen av materia någon gång leder till nya egenskaper, att egenskaperna hos hela materialet beror på partikelns storlek.

I början av 1900-talet visste de ännu inte hur de skulle "se" partiklar av denna storlek, eftersom de ligger under upplösningsgränserna för ett ljusmikroskop. Därför är det ingen slump att en av de första milstolparna i framväxten av nanoteknik anses vara M. Knolls och E. Ruskas uppfinning 1931 av ett elektronmikroskop. Först efter det kunde mänskligheten "se" föremål av submikron- och nanometerstorlekar. Och då faller allt på plats - huvudkriteriet genom vilket mänskligheten accepterar (eller inte accepterar) några nya fakta och fenomen, uttrycks i den otroende Thomass ord: "Tills jag ser, kommer jag inte att tro."

Nästa steg togs 1981 - G. Binnig och G. Rohrer skapade ett skanningstunnelmikroskop, som gjorde det möjligt att inte bara få bilder av enskilda atomer utan också att manipulera dem. Det vill säga att tekniken skapades, som R. Feynman talade om i sin föreläsning. Det var då som nanoteknikens era började.

Observera att vi här igen har att göra med samma historia. Återigen, för det är allmänt vanligt att mänskligheten inte uppmärksammar det faktum, åtminstone lite, utan är före sin tid. Så, med exemplet med nanoteknik, visar det sig att inget nytt upptäcktes, det var bara att de började bättre förstå vad som hände runt omkring, vad människor redan i antiken hade gjort, om än omedvetet, eller snarare, medvetet (de visste vad de ville få), men förstod inte fysik och kemi. En annan fråga är att närvaron av teknik inte i särklass betyder förståelsen av processens väsen. De visste hur man kokade stål under lång tid, men förståelsen för ståltillverkningens fysikaliska och kemiska grunder kom långt senare. Här kan du komma ihåg att hemligheten med Damaskus stål ännu inte har upptäckts. Här är en annan hypostas - vi vet vad som behöver tas emot, men vi vet inte hur. Så förhållandet mellan vetenskap och teknik är inte alltid enkelt.

Vem var den första att ta itu med nanomaterial i sin moderna förståelse? 1981 använde den amerikanske vetenskapsmannen G. Glater för första gången definitionen av "nanokristallin". Han formulerade konceptet att skapa nanomaterial och utvecklade det i en serie verk 1981-1986, introducerade termerna "nanokristallina", "nanostrukturerade", "nanofas" och "nanokompositmaterial". Huvudvikten i dessa arbeten lades på den avgörande rollen av många gränssnitt i nanomaterial som grund för att förändra egenskaperna hos fasta ämnen.

En av de viktigaste händelserna i nanoteknikens historia och utvecklingen av nanopartiklars ideologi var också upptäckten i mitten av 80-talet - början av 90-talet av XX-talet av kolnanostrukturer - fullerener och kolnanorör, såväl som upptäckten redan under XXI-talet av en metod för att framställa grafen.

Men tillbaka till definitionerna.

Första definitionerna: allt är väldigt enkelt

Det var väldigt enkelt i början. År 2000 undertecknade USA:s president B. Clinton dokumentet " Nationellt nanoteknikinitiativ"(" National Nanotechnology Initiative "), som ger följande definition: nanoteknik avser skapandet av teknologier och forskning på atomär, molekylär och makromolekylär nivå inom handla om från 1 till 100 nm för att förstå de grundläggande grunderna för fenomen och egenskaper hos material på nanoskalanivå, samt skapandet och användningen av strukturer, utrustning och system med nya egenskaper och funktioner som bestäms av deras storlek.

2003 ansökte den brittiska regeringen om Kungligt samhälle och Royal Academy of Engineering med en begäran om att uttrycka sin åsikt om behovet av utveckling av nanoteknik, för att bedöma de fördelar och problem som utvecklingen av dem kan orsaka. En sådan rapport med titeln " Nanovetenskap och nanoteknik: möjligheter och osäkerheter"Dök upp i juli 2004, och i den, så vitt vi vet, gavs för första gången separata definitioner av nanovetenskap och nanoteknik:

Nanovetenskap är en studie av fenomen och föremål på atomär, molekylär och makromolekylär nivå, vars egenskaper skiljer sig väsentligt från egenskaperna hos deras makroanaloger.

Nanoteknik är design, karakterisering, produktion och tillämpning av strukturer, anordningar och system, vars egenskaper bestäms av deras form och storlek på nanometernivå.

Alltså, under termen "nanoteknik" förstås som en uppsättning tekniska metoder som låter dig skapa nanoobjekt och/eller manipulera dem. Det återstår bara att definiera nanoobjekt. Men det här visar sig inte vara så enkelt, så det mesta av artikeln ägnas åt just denna definition.

Till att börja med, här är den formella definitionen som för närvarande används mest:

Nanoobjekt (nanopartiklar) är föremål (partiklar) med en karakteristisk storlek på 1–100 nanometer i minst en dimension.

Allt verkar vara bra och förståeligt, det är bara oklart varför en så strikt definition av de nedre och övre gränserna på 1 och 100 nm ges? Detta verkar vara ett frivilligt val, särskilt misstänkt mot den övre gränsen. Varför inte 70 eller 150 nm? Faktum är att, med hänsyn till alla olika nanoobjekt i naturen, kan och bör gränserna för nanoplatsen på storleksskalan vara avsevärt suddiga. Och i allmänhet är det i naturen omöjligt att dra några exakta gränser - vissa objekt flyter smidigt in i andra, och detta händer i ett visst intervall och inte vid en punkt.

Innan vi pratar om gränserna, låt oss försöka förstå vilken fysisk betydelse som finns i begreppet "nanoobjekt", varför ska det särskiljas med en separat definition?

Som nämnts ovan var det först i slutet av 1900-talet som en förståelse började dyka upp (eller snarare, hävda sig i medvetandet) att nanoskalaintervallet för materiens struktur fortfarande har sina egna egenskaper, som på denna nivå materia har andra egenskaper som inte manifesteras i makrokosmos. Det är mycket svårt att översätta vissa engelska termer till ryska, men på engelska finns en term " bulkgods", Vilket grovt kan översättas som" en stor mängd substans "," bulksubstans "," kontinuerligt medium ". Så här är några egenskaper " bulkmaterial»När storleken på dess ingående partiklar minskar, kan de börja förändras när en viss storlek uppnås. I det här fallet säger de att det sker en övergång till materiens nanotillstånd, nanomaterial.

Och detta händer eftersom med en minskning av storleken på partiklarna blir andelen atomer som ligger på deras yta och deras bidrag till objektets egenskaper betydande och växer med en ytterligare minskning i storlek (Fig. 3).

Men varför påverkar en ökning av andelen ytatomer väsentligt partiklarnas egenskaper?

De så kallade ytfenomenen har varit kända sedan länge - dessa är ytspänning, kapillärfenomen, ytaktivitet, vätning, adsorption, vidhäftning etc. Hela uppsättningen av dessa fenomen beror på att krafterna i samverkan mellan partiklarna som utgör kroppen kompenseras inte på dess yta (fig. 4). Med andra ord, atomerna på ytan (kristall eller vätska - det spelar ingen roll) befinner sig i speciella förhållanden. Till exempel, i kristaller verkar krafterna som tvingar dem att vara i kristallgittrets noder endast underifrån. Därför skiljer sig egenskaperna hos dessa "ytatomer" från egenskaperna hos samma atomer i volymen.

Eftersom antalet ytatomer i nanoobjekt ökar kraftigt (Fig. 3) blir deras bidrag till egenskaperna hos ett nanoobjekt avgörande och växer med en ytterligare minskning av föremålets storlek. Detta är just en av anledningarna till manifestationen av nya egenskaper på nanoskala.

En annan anledning till förändringen i egenskaper som diskuteras är att effekten av kvantmekanikens lagar börjar manifestera sig på denna dimensionella nivå, det vill säga nivån på nanoskala är nivån av övergång, nämligen övergången, från det klassiska regimen. mekanik till kvantmekanikens regeringstid. Och som det är välkänt är det mest oförutsägbara övergångstillstånden.

Vid mitten av 1900-talet har människor lärt sig att arbeta både med en massa atomer och med en atom.

Senare blev det uppenbart att den "lilla högen av atomer" är något annat, inte riktigt lik vare sig massan av atomer eller en enda atom.

För första gången har troligen forskare och teknologer stått ansikte mot ansikte med detta problem i halvledarnas fysik. I sin strävan efter miniatyrisering nådde de sådana partikelstorlekar (flera tiotals nanometer eller mindre), där deras optiska och elektroniska egenskaper började skilja sig kraftigt från de för partiklar av "vanliga" storlekar. Det var då det äntligen blev klart att "nanostorlek"-skalan är ett speciellt område, som skiljer sig från området för existens av makropartiklar eller kontinuerliga medier.

Därför, i ovanstående definitioner av nanovetenskap och nanoteknik, är den viktigaste indikationen att "riktig nano" börjar med uppkomsten av nya egenskaper hos ämnen som är associerade med övergången till dessa skalor och som skiljer sig från egenskaperna hos bulkmaterial. Det vill säga den viktigaste och viktigaste kvaliteten hos nanopartiklar, deras huvudsakliga skillnad från mikro- och makropartiklar är uppkomsten i dem av fundamentalt nya egenskaper som inte manifesteras i andra storlekar. Vi har redan citerat litterära exempel, vi kommer att använda denna teknik igen för att tydligt visa och betona skillnaderna mellan makro-, mikro- och nanoobjekt.

Låt oss gå tillbaka till litterära exempel. Hjälten i Leskovs berättelse Levsha nämns ofta som en "tidig" nanoteknolog. Detta är dock fel. Leftys främsta prestation är att han smide små naglar [ "Jag arbetade mindre än dessa hästskor: jag smidde nejlikor, med vilka hästskorna hamrades, ingen liten räckvidd kan ta det längre"]. Men dessa naglar, även om de var väldigt små, förblev naglar, förlorade inte sin huvudfunktion - att hålla hästskon. Så exemplet med Lefty är ett exempel på miniatyrisering (mikrominiatyrisering, om man så vill), det vill säga att minska storleken på ett objekt utan att ändra dess funktionella och andra egenskaper.

Men den redan nämnda historien om B. Zhitkov beskriver exakt förändringen i egenskaper:

"Jag behövde dra ut en tunn tråd - det vill säga tjockleken som skulle vara som hår för mina levande händer. Jag arbetade och tittade genom mikroskopet medan mikrohänderna höll fram koppar. Tunnare, tunnare – det är fortfarande fem gånger kvar att sträcka ut – och sedan slet vajern. Den gick inte ens sönder – den föll sönder som om den var gjord av lera. Smulas till fin sand. Detta är röd koppar känd för sin formbarhet."

Observera att i Wikipedia i en artikel om nanoteknik ges just en ökning av kopparns hårdhet som ett av exemplen på förändringar i egenskaper med minskad storlek. (Jag undrar hur B. Zhitkov fick reda på detta 1931?)

Nanoobjekt: kvantplan, trådar och punkter. Kolnanostrukturer

I slutet av 1900-talet blev det äntligen uppenbart att det fanns ett visst område med partikelstorlek av materia - regionen i nanoskala. Fysiker, som förfinar definitionen av nanoobjekt, hävdar att den övre gränsen för nanoplatsen på storleksskalan troligen sammanfaller med storleken på manifestationen av de så kallade lågdimensionella effekterna eller effekten av dimensionsreduktion .

Låt oss försöka göra en omvänd översättning av det sista uttalandet från fysikers språk till det vanliga mänskliga språket.

Vi lever i en tredimensionell värld. Alla verkliga föremål runt omkring oss har en eller annan storlek i alla tre dimensionerna, eller, som fysiker säger, har en dimension på 3.

Låt oss göra följande tankeexperiment. Låt oss välja tredimensionell, volym, ett prov av något material, helst en homogen kristall. Låt det vara en kub med en kantlängd på 1 cm Detta prov har vissa fysiska egenskaper, oberoende av dess storlek. Nära den yttre ytan av vårt prov kan egenskaperna skilja sig från de i bulken. Den relativa andelen ytatomer är dock liten, och därför kan bidraget från ytförändringen i egenskaper försummas (det är detta krav som på fysikers språk betyder att provet volym). Nu kommer vi att dela kuben i hälften - två av dess karaktäristiska storlekar kommer att förbli desamma, och en, låt det vara höjden d, kommer att minska med 2 gånger. Vad händer med egenskaperna hos provet? De kommer inte att förändras. Låt oss upprepa detta experiment en gång till och mäta egenskapen av intresse för oss. Vi kommer att få samma resultat. Genom att upprepa experimentet flera gånger kommer vi äntligen att nå en kritisk storlek. d*, under vilken egenskapen vi mäter kommer att börja bero på storleken d... Varför? På d ≤ d* andelen av ytatomernas bidrag till egenskaperna blir signifikant och kommer att fortsätta att öka med ytterligare minskning d.

Fysiker säger att när d ≤ d* i vårt exempel finns det kvantstorlekseffekt i en dimension. För dem är vårt sampel inte längre tredimensionellt (vilket för alla vanliga människor låter absurt, eftersom vår däven om det är litet, men inte lika med noll!), det dimensionen har reducerats till två. A själva provet kallas kvantplanet, eller kvantbrunn, i analogi med termen "potentiell brunn" som ofta används inom fysiken.

Om i något prov d ≤ d* i två dimensioner kallas det ettdimensionellt kvantobjekt, eller kvanttråd, eller kvanttråd. Ha nolldimensionella föremål, eller kvantprickar, d ≤ d* i alla tre dimensionerna.

Naturligtvis den kritiska storleken d* är inte ett konstant värde för olika material och även för ett material kan variera avsevärt beroende på vilken av egenskaperna vi mätte i vårt experiment, eller, med andra ord, vilka av de kritiska dimensionella egenskaperna hos fysiska fenomen som bestämmer denna egenskap (fri väg för elektroner av fononer, de Broglie-våglängd, diffusionslängd, penetrationsdjup för ett externt elektromagnetiskt fält eller akustiska vågor, etc.).

Men det visar sig att med alla de olika fenomen som förekommer i organiska och oorganiska material i levande och livlös natur, d* ligger ungefär i intervallet 1–100 nm. Således är "nanoobjekt" ("nanostruktur", "nanopartikel") bara en annan version av termen "kvantdimensionell struktur". Detta är ett föremål som har d ≤ d* i minst en dimension. Dessa är partiklar med reducerad dimension, partiklar med en ökad andel ytatomer. Det betyder att det är mest logiskt att klassificera dem efter graden av dimensionalitetsreduktion: 2D - kvantplan, 1D - kvanttrådar, 0D - kvantpunkter.

Hela spektrumet av reducerade dimensioner kan lätt förklaras, och viktigast av allt, det kan observeras experimentellt med exemplet med kolnanopartiklar.

Upptäckten av kolnanostrukturer var en mycket viktig milstolpe i utvecklingen av begreppet nanopartiklar.

Kol är bara det elfte vanligaste grundämnet i naturen, men tack vare dess atomers unika förmåga att kombineras med varandra och bilda långa molekyler som inkluderar andra grundämnen som substituenter, uppstod en stor variation av organiska föreningar och livet självt. Men även i kombination med sig själv kan kol generera en stor uppsättning olika strukturer med mycket olika egenskaper - de så kallade allotropa modifieringarna. Diamant är till exempel en standard för transparens och hårdhet, ett dielektrikum och en värmeisolator. Grafit är dock en idealisk "absorberare" av ljus, ett ultramjukt material (i en viss riktning), en av de bästa ledarna av värme och elektricitet (i ett plan vinkelrätt mot ovan nämnda riktning). Men båda dessa material består bara av kolatomer!

Men allt detta är på makronivå. Och övergången till nanoskalan öppnar upp för nya unika egenskaper hos kol. Det visade sig att kolatomernas "kärlek" till varandra är så stor att de kan, utan deltagande av andra grundämnen, bilda en hel uppsättning nanostrukturer som skiljer sig från varandra, inklusive deras dimensioner. Dessa inkluderar fullerener, grafen, nanorör, nanokoner, etc. (Fig. 5).

Observera att kolnanostrukturer kan kallas "sanna" nanopartiklar, eftersom, som tydligt kan ses i fig. 5, alla deras ingående atomer ligger på ytan.

Men tillbaka till själva grafiten. Så, grafit är den mest utbredda och termodynamiskt stabila modifieringen av elementärt kol med en tredimensionell kristallstruktur som består av parallella atomlager, som var och en är en tät packning av hexagoner (Fig. 6). En kolatom är belägen vid hörn av en sådan hexagon, och sidorna av hexagonerna reflekterar grafiskt starka kovalenta bindningar mellan kolatomer, vars längd är 0,142 nm. Men avståndet mellan skikten är ganska stort (0,334 nm), och därför är sambandet mellan skikten ganska svagt (i det här fallet talar de om van der Waals-interaktion).

Denna kristallstruktur förklarar egenskaperna hos grafitens fysiska egenskaper. För det första låg hårdhet och förmågan att lätt exfoliera till små flingor. Så till exempel skrivs blyertspennor, vars grafitflingor, som skalar av, förblir på papperet. För det andra, den redan nämnda uttalade anisotropin av grafitens fysiska egenskaper och först och främst dess elektriska ledningsförmåga och värmeledningsförmåga.

Vilket som helst av lagren i den tredimensionella strukturen av grafit kan betraktas som en gigantisk plan struktur med en 2D-dimension. Denna tvådimensionella struktur, byggd endast av kolatomer, kallas "grafen". Det är relativt enkelt att få en sådan struktur, åtminstone i ett tankeexperiment. Ta en blyertspenna och börja skriva. Ledningshöjd d kommer att minska. Om du har tillräckligt med tålamod, då någon gång värdet d kommer att vara lika d*, och vi får kvantplanet (2D).

Under lång tid har problemet med stabiliteten hos plana tvådimensionella strukturer i ett fritt tillstånd (utan substrat) i allmänhet och grafen i synnerhet, liksom grafenens elektroniska egenskaper, varit föremål för endast teoretiska studier. Ganska nyligen, 2004, erhöll en grupp fysiker under ledning av A. Geim och K. Novoselov de första proverna av grafen, vilket revolutionerade detta område, eftersom sådana tvådimensionella strukturer visade sig framför allt uppvisa fantastiska elektroniska egenskaper, kvalitativt skiljer sig från alla tidigare observerade. Därför undersöker idag hundratals experimentella grupper grafens elektroniska egenskaper.

Om vi ​​viker ett grafenlager, monoatomiskt i tjocklek, till en cylinder så att det hexagonala nätverket av kolatomer sluter sig utan sömmar, så kommer vi att "konstruera" enkelväggigt kolnanorör. Experimentellt kan enkelväggiga nanorör med en diameter på 0,43 till 5 nm erhållas. De karakteristiska egenskaperna hos nanorörens geometri är rekordvärden för den specifika ytan (i genomsnitt ~ 1600 m2 / g för enkelväggiga rör) och förhållandet mellan längd och diameter (100 000 och mer). Således är nanorör 1D nanoobjekt - kvantfilament.

Experiment observerade också flerväggiga kolnanorör (Fig. 7). De består av koaxiella cylindrar införda i varandra, vars väggar är på ett avstånd (ca 3,5 Å) nära det interplanära avståndet i grafit (0,334 nm). Antalet väggar kan variera från 2 till 50.

Om vi ​​placerar en bit grafit i en atmosfär av en inert gas (helium eller argon) och sedan belyser den med en stråle av en kraftfull pulsad laser eller koncentrerat solljus, då kan vi förånga materialet i vårt grafitmål (observera att för detta målytans temperatur måste vara minst 2700 ° C) ... Under sådana förhållanden bildas ett plasma ovanför målytan, som består av individuella kolatomer, som medbringas av flödet av kall gas, vilket leder till plasmakylning och bildandet av kolkluster. Så det visar sig att under vissa förhållanden för klustring stängs kolatomer med bildandet av en ram sfärisk C 60-molekyl med dimension 0D (dvs. en kvantprick), som redan visas i fig. 1.

En sådan spontan bildning av en C 60-molekyl i kolplasma upptäcktes i ett gemensamt experiment av G. Kroto, R. Curl och R. Smoli, utfört under tio dagar i september 1985. nanorör och nanokluster: A Genealogy of Forms and Ideas ", som i detalj beskriver den fascinerande historien om denna upptäckt och de händelser som föregick den (med korta utflykter i vetenskapens historia fram till renässansen och till och med antiken), och förklarar också motivet till det märkliga vid första anblicken (och endast vid första anblicken) namnet på den nya molekylen - Buckminsterfulleren - för att hedra arkitekten R. Buckminster Fuller (se även boken [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Därefter upptäcktes det att det finns en hel familj av kolmolekyler - fullerener - i form av konvexa polyedrar, bestående endast av hexagonala och femkantiga ytor (fig. 8).

Det var upptäckten av fullerener som blev en slags magisk "gyllene nyckel" till den nya världen av strukturer i nanoskala gjorda av rent kol, som orsakade en explosion av arbete i detta område. Hittills har ett stort antal olika kolkluster med en fantastisk (i ordets bokstavliga mening!) variation av struktur och egenskaper upptäckts.

Men tillbaka till nanomaterial.

Nanomaterial material kallas, vars strukturella enheter är nanoobjekt (nanopartiklar). Bildligt talat är en nanomaterialbyggnad gjord av tegelstenar-nanoobjekt. Därför är det mest produktivt att klassificera nanomaterial i termer av dimensionen av både själva nanomaterialprovet (externa dimensioner av matrisen) och dimensionen av dess ingående nanoobjekt. Den mest detaljerade klassificeringen av detta slag ges i arbetet. De 36 klasserna av nanostrukturer som presenteras i detta arbete beskriver hela variationen av nanomaterial, av vilka några (som de tidigare nämnda fullerenerna eller kolnanopulver) redan har syntetiserats framgångsrikt, och några väntar fortfarande på deras experimentella implementering.

Varför är det inte så enkelt

Så vi kan strikt definiera begreppen "nanovetenskap", "nanoteknik" och "nanomaterial" av intresse för oss endast om vi förstår vad ett "nanoobjekt" är.

"Nanoobjekt" har i sin tur två definitioner. Den första, enklare (teknologisk): dessa är föremål (partiklar) med en karakteristisk storlek ungefär 1-100 nanometer i minst en dimension. Den andra definitionen, mer vetenskaplig, fysisk: ett objekt med en reducerad dimension (i vilken d ≤ d* i minst en dimension).

Såvitt vi vet finns det inga andra definitioner.

Det är dock slående att den vetenskapliga definitionen också har en allvarlig brist. Nämligen: i den, i motsats till den tekniska, bestäms bara den övre gränsen för nanoskala. Ska det finnas en nedre gräns? Enligt vår mening borde det givetvis. Det första skälet till förekomsten av den nedre gränsen följer direkt av den fysiska essensen av den vetenskapliga definitionen av ett nanoobjekt, eftersom de flesta av de dimensionsreducerande effekterna som diskuterats ovan är kvantinneslutningseffekter, eller fenomen av resonansnatur. De observeras med andra ord när effektens karakteristiska längder och föremålets storlek sammanfaller, d.v.s. inte bara för d ≤ d*, som redan har diskuterats, men samtidigt endast om storleken döverskrider en viss nedre gräns d** (d** ≤ d ≤ d*). Dessutom är det uppenbart att kvantiteten d * kan variera för olika fenomen, men måste överstiga atomernas storlek.

Låt oss illustrera ovanstående med exemplet på kolföreningar. Polycykliska aromatiska kolväten (PAH) såsom naftalen, benspyren, krysen, etc. är formellt analoger till grafen. Dessutom har den största kända PAH den allmänna formeln C 222 H 44 och innehåller 10 bensenringar diagonalt. De har dock inte de fantastiska egenskaper som grafen har, och de kan inte betraktas som nanopartiklar. Detsamma gäller för nanodiamanter: upp till ~ 4–5 nm, dessa är nanodiamanter, men nära dessa gränser, och även utanför dem, närmar sig högre diamandoider (analoger av adamantan med kondenserade diamantceller som grund för strukturen).

Så: om i gränsen storleken på ett objekt i alla tre dimensioner är lika med storleken på en atom, så kommer till exempel en kristall sammansatt av sådana 0-dimensionella objekt inte att vara ett nanomaterial, utan en vanlig atomkristall. Det är uppenbart. Det är också uppenbart att antalet atomer i ett nanoobjekt fortfarande måste överstiga en. Om nanoobjektet har alla tre värden d mindre än d **, han upphör att vara. Ett sådant objekt måste beskrivas på språket för att beskriva enskilda atomer.

Och om inte alla tre storlekarna, utan bara en, till exempel? Förblir ett sådant objekt ett nanoobjekt? Såklart ja. Till exempel är den redan nämnda grafenen ett sådant objekt. Det faktum att den karakteristiska storleken på grafen i en dimension är lika med diametern på en kolatom berövar den inte egenskaperna hos ett nanomaterial. Och dessa egenskaper är helt unika. Konduktiviteten, Shubnikov - de Haas-effekten och kvant-Hall-effekten i grafenfilmer med atomtjocklek mättes. Experiment har bekräftat att grafen är en halvledare med ett bandgap på noll, medan vid kontaktpunkterna mellan valens- och ledningsbanden är energispektrumet för elektroner och hål linjärt som en funktion av vågvektorn. Denna typ av spektrum innehas av partiklar med noll effektiv massa, i synnerhet fotoner, neutriner och relativistiska partiklar. Skillnaden mellan fotoner och masslösa bärare i grafen är att de senare är fermioner och de är laddade. För närvarande finns det inga analoger för dessa masslösa laddade Dirac-fermioner bland de kända elementarpartiklarna. Idag är grafen av stort intresse både för att testa många teoretiska antaganden från områdena kvantelektrodynamik och relativitetsteorin, och för att skapa nya nanoelektroniska enheter, i synnerhet ballistiska och enelektroniska transistorer.

För vår diskussion är det mycket viktigt att det som ligger närmast begreppet nanoobjekt är en dimensionell region där de så kallade mesoskopiska fenomenen förverkligas. Detta är den minsta storleksytan för vilken det är rimligt att inte tala om egenskaperna hos enskilda atomer eller molekyler, utan om egenskaperna hos materialet som helhet (till exempel när man bestämmer temperaturen, densiteten eller konduktiviteten hos ett material) . Mesoskopiska storlekar ligger exakt i intervallet 1–100 nm. (Prefixet "meso-" kommer från det grekiska ordet för "genomsnitt", mellanliggande mellan atomära och makroskopiska dimensioner.)

Alla vet att psykologi handlar om individers beteende, medan sociologi handlar om beteenden hos stora grupper av människor. Så, relationer i en grupp på 3-4 personer kan på liknande sätt karakteriseras som meso-fenomen. På samma sätt, som nämnts ovan, är en liten hög med atomer något som inte liknar vare sig en "hög" av atomer eller en enda atom.

En annan viktig egenskap hos nanoobjektens egenskaper bör noteras här. Trots att kolnanorör och fullerener, till skillnad från grafen, formellt är 1- respektive 0-dimensionella objekt, är detta i huvudsak inte helt sant. Eller snarare, inte så samtidigt. Poängen är att ett nanorör är samma grafen 2D monoatomiska lager rullat till en cylinder. Och fulleren är ett kol 2D-lager av monoatomisk tjocklek, stängt över ytan av en sfär. Det vill säga egenskaperna hos nanoobjekt beror inte bara på deras storlek, utan också på topologiska egenskaper - helt enkelt talat, på deras form.

Så den korrekta vetenskapliga definitionen av ett nanoobjekt bör vara följande:

är ett föremål med minst en storlek ≤ d*, medan minst en av storlekarna överstiger d **. Objektet är med andra ord tillräckligt stort för att ha ett ämnes makroegenskaper, men kännetecknas samtidigt av en reducerad dimension, dvs åtminstone i en av dimensionerna är det tillräckligt litet för värdena av dessa egenskaper skiljer sig mycket från motsvarande egenskaper hos makroobjekt från samma substans, avsevärt beroende på föremålets storlek och form. I det här fallet, de exakta värdena för dimensionerna d*och d ** kan variera inte bara från ämne till ämne, utan också för olika egenskaper hos samma ämne.

Det faktum att dessa överväganden inte på något sätt är skolastiska (som "hur många sandkorn börjar en hög med?"), men har en djup betydelse för förståelsen av vetenskapens enhet och kontinuiteten i världen omkring oss, blir uppenbart om vi riktar vår uppmärksamhet mot nanoobjekt av organiskt ursprung.

Organiska nanoobjekt - supramolekylära strukturer

Ovan ansåg vi bara oorganiska relativt homogena material, och redan där var allt inte så enkelt. Men det finns en kolossal mängd materia på jorden, vilket inte bara är svårt, utan kan inte kallas homogen. Vi pratar om biologiska strukturer och levande materia i allmänhet.

National Nanotechnology Initiative nämner som en av anledningarna till det speciella intresset för området nanoskala:

Eftersom den systemiska organiseringen av materia på nanoskala är en nyckelfunktion i biologiska system, kommer nanovetenskap och teknologi att göra det möjligt att införliva artificiella komponenter och ensembler i celler, och därigenom skapa nya strukturellt organiserade material baserade på att imitera självmonteringsmetoder i naturen.

Låt oss nu försöka ta reda på vad som är innebörden av begreppet "nanostorlek" som tillämpas på biologi, med tanke på att övergången till detta storleksintervall bör fundamentalt eller drastiskt förändra egenskaperna. Men först, låt oss komma ihåg att nanoregionen kan närma sig på två sätt: "från topp till botten" (fragmentering) eller "från botten till toppen" (syntes). Så, rörelsen "nedifrån och upp" för biologi är inget annat än bildandet av biologiskt aktiva komplex från individuella molekyler.

Låt oss kort överväga de kemiska bindningarna som bestämmer strukturen och formen på en molekyl. Den första och starkaste är den kovalenta bindningen, kännetecknad av en strikt riktning (endast från en atom till en annan) och en viss längd, som beror på typen av bindning (enkel, dubbel, trippel, etc.). Det är de kovalenta bindningarna mellan atomer som bestämmer "primärstrukturen" för vilken molekyl som helst, det vill säga vilka atomer och i vilken ordning som är kopplade till varandra.

Men det finns andra typer av bindningar som bestämmer vad som kallas molekylens sekundära struktur, dess form. Detta är i första hand en vätebindning - en bindning mellan en polär atom och en väteatom. Det är närmast en kovalent bindning, eftersom det också kännetecknas av en viss längd och riktning. Denna bindning är dock svag, dess energi är en storleksordning lägre än energin för den kovalenta bindningen. De andra typerna av interaktioner är icke-riktade och kännetecknas inte av längden på de bildade bindningarna, utan av graden av minskning av bindningsenergin med en ökning av avståndet mellan de interagerande atomerna (långdistansverkan). Jonbindningen är en interaktion på lång räckvidd, van der Waals-interaktionerna är korta. Så, om avståndet mellan två partiklar ökar med r gånger, då i fallet med jonbindning kommer attraktionen att minska till 1 / r 2 från initialvärdet, i fallet med den redan nämnda van der Waals-interaktionen - till 1 / r 3 eller fler (upp till 1 / r 12). Alla dessa interaktioner i det allmänna fallet kan definieras som intermolekylära interaktioner.

Låt oss nu betrakta ett sådant koncept som en "biologiskt aktiv molekyl". Det bör inses att själva materiens molekyl är av intresse endast för kemister och fysiker. De är intresserade av dess struktur ("primär struktur"), dess form ("sekundär struktur"), sådana makroskopiska indikatorer som till exempel aggregationstillstånd, löslighet, smält- och kokpunkter, etc., och mikroskopiska (elektroniska effekter). och ömsesidig påverkan av atomer i en given molekyl, spektrala egenskaper som en manifestation av dessa interaktioner). Med andra ord, vi talar om studiet av egenskaperna som i princip manifesteras av en molekyl. Kom ihåg att en molekyl per definition är den minsta partikeln av ett ämne som har sina kemiska egenskaper.

Ur biologisk synvinkel är en "isolerad" molekyl (i detta fall spelar det ingen roll om det är en molekyl eller ett visst antal identiska molekyler) inte kapabel att uppvisa några biologiska egenskaper. Den här avhandlingen låter ganska paradoxal, men låt oss försöka underbygga den.

Låt oss överväga detta med hjälp av exemplet med enzymer - proteinmolekyler som är biokemiska katalysatorer. Till exempel består enzymet hemoglobin, som tillhandahåller syretransport till vävnader, av fyra proteinmolekyler (subenheter) och en så kallad protesgrupp - hem, som innehåller en järnatom, icke-kovalent bunden till proteinsubenheterna av hemoglobin.

Det huvudsakliga, eller snarare det avgörande bidraget till interaktionen mellan proteinsubenheter och hem, interaktionen som leder till bildandet och stabiliteten av det supramolekylära komplexet, som kallas hemoglobin, görs av krafter, ibland kallade hydrofoba interaktioner, men som representerar krafterna hos intermolekylär interaktion. Bindningarna som bildas av dessa krafter är mycket svagare än de kovalenta bindningarna. Men i en komplementär interaktion, när två ytor kommer mycket nära varandra, är antalet av dessa svaga bindningar stort, och därför är den totala interaktionsenergin för molekylerna tillräckligt hög och det resulterande komplexet är ganska stabilt. Men tills dessa bindningar bildades mellan de fyra underenheterna, tills protesgruppen (ädelstenar) gick med (igen på grund av icke-kovalenta bindningar), kan enskilda delar av hemoglobinet under inga omständigheter binda syre, och ännu mer så kan de inte överföra det någonstans. Och därför har de inte denna biologiska aktivitet. (Samma resonemang kan utvidgas till alla enzymer i allmänhet.)

I det här fallet innebär själva katalysprocessen bildandet under reaktionen av ett komplex av minst två komponenter - själva katalysatorn och en molekyl (molekyler), som kallas substratet (s), som genomgår (deras) någon form av kemisk omvandling under inverkan av katalysatorn. Med andra ord bör ett komplex av minst två molekyler bildas, dvs ett supramolekylärt (supramolekylärt) komplex.

Idén om komplementär interaktion föreslogs först av E. Fischer för att förklara interaktionen mellan medicinska substanser och deras mål i kroppen och kallades "nyckeln till lås" interaktion. Även om medicinska (och andra biologiska substanser) inte på något sätt är enzymer i alla fall, kan de också orsaka någon biologisk effekt först efter att ha interagerat med motsvarande biologiska mål. Och en sådan interaktion, återigen, är inget annat än bildandet av ett supramolekylärt komplex.

Följaktligen är manifestationen av "vanliga" molekyler med fundamentalt nya egenskaper (i detta fall biologisk aktivitet) associerad med bildandet av supramolekylära (supramolekylära) komplex med andra molekyler på grund av krafterna från intermolekylär interaktion. Det är så de flesta enzymer och system i kroppen (receptorer, membran etc.) är ordnade, inklusive sådana komplexa strukturer som ibland kallas biologiska "maskiner" (ribosomer, ATPas, etc.). Och detta sker just på nivån nanometer storlek - från en till flera tiotals nanometer.

Med ytterligare komplikationer och en ökning av storleken (mer än 100 nm), dvs vid övergång till en annan dimensionsnivå (mikronivå), uppstår mycket mer komplexa system som inte bara kan existera oberoende och interagera (i synnerhet energiutbyte) med omgivningen sin miljö, men också till självreproduktion. Det vill säga att hela systemets egenskaper förändras igen - det blir så komplext att det redan är kapabelt till självreproduktion, det vi kallar levande strukturer dyker upp.

Många tänkare har upprepade gånger försökt definiera livet. Utan att gå in på filosofiska diskussioner noterar vi att livet enligt vår mening är existensen av självreproducerande strukturer, och levande strukturer börjar från en enda cell. Livet är ett mikro- och makroskopiskt fenomen, men de viktigaste processerna som säkerställer att levande system fungerar sker på nanoskalanivå.

En levande cells funktion som en integrerad självreglerande enhet med en uttalad strukturell hierarki säkerställs genom miniatyrisering på nanoskalanivå. Det är uppenbart att miniatyrisering på nanoskalanivå är en grundläggande egenskap hos biokemin, och därför består livets utveckling av uppkomsten och integrationen av olika former av nanostrukturerade objekt. Det är den nanostora delen av den strukturella hierarkin, begränsad i storlek både uppifrån och nerifrån (!), som är avgörande för cellers utseende och förmåga att existera. Det vill säga, det är nivån av nanoskala som representerar övergången från den molekylära nivån till nivån för det levande.

Men på grund av det faktum att miniatyrisering på nanoskalanivå är en grundläggande egenskap hos biokemin, är det omöjligt att betrakta några biokemiska manipulationer som nanoteknologiska - nanoteknik förutsätter fortfarande designen, och inte den triviala användningen av molekyler och partiklar.

Slutsats

I början av artikeln försökte vi redan på något sätt klassificera föremål från olika naturvetenskaper enligt principen om de karakteristiska storlekarna på föremålen de studerar. Låt oss återvända till detta igen och genom att tillämpa denna klassificering finner vi att atomfysik, som studerar interaktioner inuti en atom, är subangstromala (femto- och piko-) storlekar.

"Vanlig" oorganisk och organisk kemi är ångströmstorlekar, nivån av individuella molekyler eller bindningar i kristaller av oorganiska ämnen. Men biokemi är nivån på nanoskala, nivån av existens och funktion hos supramolekylära strukturer stabiliserade av icke-kovalenta intermolekylära krafter.

Men biokemiska strukturer är fortfarande relativt enkla, och de kan fungera relativt oberoende ( in vitro om du vill). Ytterligare komplikation, bildandet av komplexa ensembler av supramolekylära strukturer - detta är en övergång till självreproducerande strukturer, en övergång till Living. Och här, redan på cellnivå, är dessa mikrostorlekar, och på organismers nivå - makrostorlekar. Detta är biologi och fysiologi.

Nanoskalan är en övergångsregion från den molekylära nivån, som utgör grunden för existensen av alla levande varelser, bestående av molekyler, till nivån för de Levande, nivån av existens av självreproducerande strukturer och nanopartiklar, som är supramolekylära strukturer stabiliserade av krafterna från intermolekylär interaktion, är en övergångsform från individuella molekyler till komplexa funktionella system. Detta kan återspeglas i ett diagram som särskilt betonar naturens kontinuitet (fig. 9). I schemat är världen av nanoskala belägen mellan den atomära-molekylära världen och de levandes värld, bestående av samma atomer och molekyler, men organiserad i komplexa självreproducerande strukturer, och övergången från en värld till en annan bestäms inte bara (och inte så mycket) av storleken på strukturerna, utan av deras komplexitet ... Naturen uppfann för länge sedan och använder supramolekylära strukturer i levande system. Vi, å andra sidan, är långt ifrån alltid i stånd att förstå, än mindre upprepa, vad naturen gör enkelt och naturligt. Men man kan inte förvänta sig tjänster från henne, man måste lära sig av henne.

Litteratur:
1) Vul A.Ya., Sokolov V.I. Forskning om nanokol i Ryssland: från fullerener till nanorör och nanodiamanter / Russian Nanotechnologies, 2007. Vol 3 (3-4).
2) Kats E.A. Fullerener, kolnanorör och nanokluster: en genealogi av former och idéer. - M .: LKI, 2008.
3) Ostwald W. En värld av förbigående värderingar. - M .: Förlag för partnerskapet "Mir", 1923.
4) Piotrovsky L.B., Kiselev O.I. Fullerener i biologi. - Rostock, St. Petersburg, 2006.
5) Tkachuk V.A. Nanotechnology and Medicine // Russian Nanotechnologies, 2009. Vol 4 (7–8).
6) Khobza P., Zagradnik R. Intermolekylära komplex. - M .: Mir, 1989.
7) Mann S. Livet som ett fenomen i nanoskala. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306-5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. Ny dimensionsklassificering av nanostrukturer // Physica E, 2008, v. 40, sid. 2521-2525.

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

Dessutom, inte bara för att se, utan också att röra. "Men han sade till dem: Om jag inte ser naglarnas sår i hans händer, och jag inte sticker fingret i naglarnas sår, och jag inte stoppar min hand i hans revben, kommer inte att tro” [Johannesevangeliet, kapitel 20, vers 24].

Till exempel talade han om atomer så tidigt som 430 f.Kr. NS. Demokrit. Sedan hävdade Dalton, 1805, att: 1) elementen är gjorda av atomer, 2) atomerna i ett element är identiska och skiljer sig från atomerna i ett annat element, och 3) atomer kan inte förstöras i en kemisk reaktion. Men först från slutet av 1800-talet började teorierna om atomens struktur att utvecklas, vilket orsakade en revolution inom fysiken.

Begreppet "nanoteknik" introducerades 1974 av japanen Norio Taniguchi. Under lång tid användes termen inte i stor utsträckning bland specialister som arbetar inom närliggande områden, eftersom Taniguchi använde begreppet "nano" endast för att beteckna ytbehandlingens noggrannhet, till exempel i tekniker som gör det möjligt att kontrollera ytjämnheten hos material vid en nivå mindre än en mikrometer, etc.

Begreppen "fullerener", "kolnanorör" och "grafen" kommer att diskuteras i detalj i den andra delen av artikeln.

En experimentell illustration av detta uttalande är den nyligen publicerade utvecklingen av tekniska metoder för att erhålla grafenark genom "kemisk skärning" och "avrullning" av kolnanorör.

Ordet "mikroskopisk" används här bara för att dessa egenskaper kallades tidigare, även om vi i det här fallet talar om egenskaperna som manifesteras av molekyler och atomer, det vill säga om toppstorleksintervallet.

Vilket i synnerhet ledde till uppkomsten av synsättet att livet är ett fenomen av nanometerstorlekar [ Mann, 2008], vilket enligt vår mening inte är helt sant.