Маърузалар матни Тошкент 2015 Маъруза 1

ЎЗБЕКИСТОН РЕСПУБЛИКАСИ
ОЛИЙ ВА ЎРТА МАХСУС ТАЪЛИМ ВАЗИРЛИГИ
МИРЗО УЛУҒБЕК НОМИДАГИ
ЎЗБЕКИСТОН МИЛЛИЙ УНИВЕРСИТЕТИ

Наноматериаллар физик кимёси фанидан маърузалар матни

Тошкент - 2015
Маъруза 1.
1. Нанокимё – хозирги замондаги мустақил, долзарб фан.Унинг таърифи .
2. Нанокимёнинг ўзига хослиги, мақсади ва вазифалари.
3. Нанокимё – нанотехнологиянинг илмий асоси.
4. Нанокимёнинг коллоид кимё билан боғлиқлиги, умумийлиги ва принципиал фарқи. Коллоид кимё қонуниятларини нанокимёда ишлата билишнинг мумкинлиги.
ХХ ва ХХI асрларда кимё ва физика фанларнинг ўзаро боғланиши натижасида “Нанофан” деб аталувчи янги фан вужудга келди ва у тез ривожлана бошлади. Бу фаннинг ривожига коллоид кимёда яратилган тажрибалар ва модда тузилишининг чуқур ечимларига имкон берадиган янги усулларнинг яратилиши сабаб бўлди. (ЯМР, микроскопия, компьютерда моделлаштириш, спектроскопия ва бошқалар). Нанокимё нанофаннинг бир йўналиши ҳисобланади.
Нанокимё фанининг тадқиқот обьектлари коллоид кимё тадқиқот обьектларига ўхшаш, лекин уинг коллоид кимёдан фарқли жиҳати, нанокимё газ, суюқлик, ва қаттиқ фазалардаги нанозаррачаларнинг хоссалари ва реакцион қобилиятини наноўлчамлар билан эмас, балки атом ва молекулалар сони орқали характерланади. Шу сабабли ҳозирги пайтда нанокимёга тааллуқли заррачаларнинг ўлчами 10 нм дан катта бўлмаслиги тақозо этилади, яъни 10 нм дан катта бўлмаган нанозаррачалар билан нанокимё тадқиқ этадиган обьектлар чегараланади. Шуни қайд этиш керакки, зарра катталигининг энг пастки чегараси 1 нм билан чегараланиши, акад. И. А. Ребиндер кўрсатганидек, фаза ҳолатини сақлаб қолувчи модданинг энг кичик ўлчами эканлиги билан боғлиқдир.
Нанокимё нанометр сўзидан келиб чиққан. Нанометр узунлик ўлчами бўлиб, у метрнинг миллиярддан бир қисмига тенг,
яъни 1нм=10^-9м. Бу сўз халқаро бирликлар системасига киритилгандан сўнг ишлатила бошланди. Ундан олдин ўлчами “НМ” га тенг заррачаларга “миллимикрон” деб, улардан ташкил топган системаларг “ультрадисперс” системалар деб аталган.
Ультрадисперс системалар коллоид кимё фанида алоҳида ўринга эга, чунки бу системалар коллоид кимёнинг характерли тадқиқот обьектларидир. Айнан шу системаларда дисперс системаларнинг асосий хоссалари (броун ҳаракати, диффузия, осмотик босим, седиметация, агрегатив беқарорлик ва бошқалар) яққол намоён бўлади.
Демак, нанокимё ва коллоид кимё фанларининг бир биридан принципиал фарқи йўқ, балки нанокимё, коллоид кимёнинг давоми, ҳозирги замон кўриниши деган хулоса келиб чиқади.
Лекин ҳақиқатда бундай эмас, чунки коллоид кимё “дисперс система ва сирт ҳодисаларнинг физик кимёси” сифатида дисперс системаларнинг коллоид кимё хоссаларини сирт ҳодисаларнинг намоён бўлиши орқали ўрганади. Нанокимё эса моддани атом-молекуляр даражада ўрганади. Бу заррачанинг сиртида маълум ҳажмга эга бўлмаган, лекин жуда юқори фаолликка эга сирт заррачалари шаклланади, ва сиртнинг фаоллигини бир атом қўшиш ёки бир атомга камайтириш орқали жуда сезиларли даражада ўзгартириш мумкин.
Нанокимё – турли кимёвий элемент ва моддаларнинг нанозаррачаларни (1 -10 нм гача) синтез этиш, уларнинг тузилиши, структураси ва кимёвий қобилиятини ўрганиш ва тегишли қонун ва қонуниятларини ўрнатиш билан шуғулланади.
Нанокимёнинг асосий, фундаментал вазифаси - заррача катталиги ва ундаги атомлар сонининг заррача хоссаси ва унинг реакцияга кириш қобилиятига таъсир этишни ўрганиш ва бу таъсирланишнинг ўзига хослигини аниқлашдан иборат.
Нанокимёда ўрнатилган қонун ва қонуниятлар нанотехнологиянинг илмий асосларини ташкил этади.
Нанотехнологияда ўрганиладиган системаларга “наносистемалар”, улар асосида олинадиган материалларга - нанокомпозитлар, нанокристаллар, нанофазалар деб аталади.
Нанозаррачалар – атом ва молекулаларнинг ўзаро боғланган йиғиндиси (агрегати). Улардан кичикроқ атом агрегатлари – кластерлар деб аталади.
Нанокимёнинг ривожланиш тенденцияси, ХХ аср фани ва технологияси нафақат нано, балки ангестремлик (1А⁰=^-10М) характерга эга бўлиш эҳтимоллигини кўрсатяпти.
Коллоид кимё соҳасида қўлга киритилган катта тажриба нанокимёнинг қатор назарий ва амалий вазифаларини ҳал қилишда самарали қўлласа бўлади. Аммо, дисперс системалар, капиллярлар, пленкалар ўрганилганда ўрнатилган қонуниятлар ёрдамида жуда кичик нанозаррачалар учун олинган натижаларни таҳлил қилиш катта қийинчиликларга олиб келади. Шунинг учун бу йўлда жуда катта эҳтиёткорлик даркор, айниқса заррача ўлчами кичиклашгани сари катталикнинг хоссаларга боғлиқлиги кучли бўлади.
Ҳозирги кунда нанотехнологияга бўлган қизиқиш ортиб бормоқда. Бу эса янги ёндашувлар ёрдамида яхшиланган хоссали техника, биотехнология, кимё, тиббиёт, оптика, механика ва бошқа кўплаб соҳаларда муҳим ҳисобланган гибрид материаллар жумладан, катализаторлар, хромотография учун адсорбентлар, керамикалар, ҳимоя қопламалар сенсорлар ғовак материаллар, композицион материаллар олиш имконини беради. Шунинг учун ҳам ҳозирги кунда полимер – кремнезем материаллар бутун дунёда инновацион нуқтаи назардан қаралмоқда.
Нанокимёвий тадқиқотларнинг асосий мавзуси нанозаррача ва унга мувофиқ келувчи наносистемалардир. Кейинги ўн йилликда ўз таркибида ноорганик наноўлчамли структураларга эга бўлган полимер материалларни олиш шароитини мувофиқлаштириш ва синтез қилиш усулларини тадқиқ қилиш шунингдек, уларнинг хоссаларини ўрганиш жадал ривожланмоқда.
Нанокомпозит материаллар хозирда оптика ва оптикэлектроникада, микроэлектроникада, катализда, сенсорли қурилмаларда, биотехнология ва медицинада, упавкаловчи материаллар ишлаб чиқаришда, қурилишда ишлатилмоқда.
Золь гель технологияси, жумладан полимер эритмалари иштирокида кремний алкооксидларини гидролитик поликонденсация жараёни натижасида, материалларни олиш учун қулай усул хисобланади. Бундай материаллар органик ва ноорганик полимерларга хос тузилиш ва комплекс хоссаларга эга бўлиши мумкин. Золь – гель жараёнининг ўзи ажралиб чиқаётган модданинг қайтиши хисобига амалий жиҳатдан чиқиндисиз ва экологик жиҳатдан ҳавфсиз ҳисобланади.
Табиий полимерлар асосида ажойиб хоссаларга эга бўлган наноматериаллар олишга олиб келадиган золь – гель технологияга бўлган қизиқиш, уларни анъанавий усулда олиш анчагина мураккаблиги билан тушунтирилади. Шунинг учун янги физик – кимёвий хоссалар комплексига ва структурали хусусиятларга эга бўлган нанокомпозит материалларни яратиш, сорбция катализ, оптика, электроника билан боғлиқ кўпгина амалий вазифаларни ечишда долзарб муаммо ҳисобланади. Бу муаммони ечиш учун маълум фазалар танлаш керак бўлади. Полимерларни қайта ишлаш ва хоссасини ўзгартиришда қулай бўлган методлардан бири золь – гель методдир.
Шу ўринда таъкидлаб ўтиш лозимки, “гибрид” ва “нанокомпозит” тушунчалари бири – биридан фарқ қилади.
Нанокомпозит гетероген материал бўлиб, органик полимерлар ва ноорганик материалнинг аралашиши натижасида олинади, Унинг ўлчами 100 нм дан катта бўлади. Гибрид эса гомоген материал бўлиб, органик полимерлар ва ноорганик моддаларнинг молекуляр даражада таъсирланиши натижасида ҳосил бўлади. Унинг ўлчами эса 100 нм дан кичик бўлади.
Композицион материаллар
Турли хоссаларга эга бўлган компонентлар аралашмасидан олинган сунъий материаллардир. Компонентлардан бири матрица асос бўлса, бошқаси мустахкамловчи (тола ва заррачалар) хисобланади.
Матрица сифатида полимерлар, металл керамика ва углеродли материаллар ишлатилади. Мустахкамловчи вазифасини шиша, бор, углерод толалари, органик толалар, ипсимон кристаллар (карбидлар, боридлар, нитридлар) нинг толалар бажаради.
Композицион материалларнинг хоссалари компонентлар таркиби, уларнинг миқдори ва улар орасидаги боғларнинг мустахкамлигига боғлиқ. Компонентларнинг хажмий миқдорини ўзгартириб, ишлатилишига қараб, керакли мустахкамлилик, юқори температурага чидамлилик (оташга чидамлилик) эластиклик модулига эга бўлган материал ёки зарур махсус хоссаларга (масалан, магнит, ва бошқа хоссаларга) эга бўлган композициялар олиш мумкин.
Ҳозирда золь – гель методддан кенг фойдаланилади, бунда алкооксисиланларнинг гидролитик поликонденсация реакциясининг юмшоқ шароитда амалга оширилиши ва реакция системага функционал мономерлар, полимерлар, биополимерлар киритиш мумкин. Бундай органик, ноорганик компонентлар исталган нисбатда аралашиши мумкин.
Нанозаррачалар
Ҳозирги ривожланган замонавий кимё шуни аниқладики, моддалар янги хоссаларни намоён қилиши мумкин. Агар моддани жуда кичик қисми олинса, масалан 1 дан 1000 гача ёки (100 нанометрдан юқори қилиб олинса) уларни нанозаррачалар, деб аташ мумкин. Наноматериаллар, нанозаррачалар адсорбция хоссасини намоён қилади, яъни улардан металлар учун юпқа қопламалар олиш ҳам мумкин. Масалан кўпгина материаллар оптик хоссани намоён қилади, яъни уларнинг органик бирикмали хосилалари қуёш батареяларида қўлланилиши мумкин, ва қўлланилади. Бу батареялар эффективлиги паст бўлса ҳам улар ҳар томонлама арзон хисобланади. Ҳозирда сунъий йўл билан наноматериалларни нано ўлчамда оқсиллар ва нуклеин кислоталар билан таъсири ўрганилмоқда. Бу эса келажакда ўз самарасини беради, деган тахмин мавжуд.
Нанообъектлар 3 та асосий синфга бўлинади.
Учламчи заррачалар (трёхмерные частицы) портлаш билан борувчи, плазмали синтез йўли билан, бунда юпқа пленкалар олинади ва хоказо.
Иккиламчи объектлар (двумерные объекты)
— молекуляр қопланиш, ионлар алмашинуви йўли билан плёнкалар олиш мумкин.
Бирламчи объектлар (одномерные объекты) — вискерлар, бу объектлар молекуляр қопланиш ва цилиндрли микропоралар натижасида юзага келади.
Наноматериаллар ва уларни қўлланилиши ва ривожланиш истиқболлари.“Ақлли наноматериаллар”, “Нанотехнологияда қўлланилувчи материаллар”
Саноатда бирламчи материалларни хоссаларини яхшилаш натижасида, нанокимёнинг ривожланиши ва “ақлли наноматериаллар” хақида маълумот беради. Уларнинг ўзгариши атроф муҳитни таъсири натижасида рўй бериши ва хоссаларини шароитга қараб алмашиниши кузатилади. Қадимдан маълумки юқори хароратда металларни сирти сув билан қопланиши ва уларни ишлаб чиқаришда турли объектларда аҳамияти катта бўлган. Бу материал “ақлли” деб юритишган ва уни пўлатлиги ва таркибида мисни нано ва микрозаррачалари мавжудлиги маълум. Мисни суюқланиш температураси пўлатникидан паст эканлиги бизга маълум, юқори хароратда метал терлай бошлайди, яъни метал кенгая бошлайди, (поралари очилади) ва мис совиши билан пўлат капилярларига сўрилади, ва метал бошланғич ҳолатига қайтади.
Ҳозирги кунда нанотехнологияга бўлган қизиқиш ортиб бормоқда. Бу эса ёндашувлар ёрдамида яхшиланган хоссали техника, биотехнология, кимё, тиббиёт, оптика, механика ва бошқа кўплаб соҳаларда муҳим ҳисобланган гибрид материаллар жумладан, катализаторлар, хромотография учун адсорбентлар, керамикалар, ҳимоя қопламалар сенсорлар ғовак материаллар, композицион материаллар олиш имконини беради. Шунинг учун ҳам ҳозирги кунда полимер – кремнезем материаллар бутун дунёда инновацион нуқтаи назардан қаралмоқда.
Нанокимёвий тадқиқотларнинг асосий мавзуси нанозаррача ва унга мувофиқ келувчи наносистемалардир. Кейинги ўн йилликда ўз таркибида ноорганик наноўлчамли структураларга эга бўлган полимер материалларни олиш шароитини мувофиқлаштириш ва синтез қилиш усулларини тадқиқ қилиш шунингдек, уларнинг хоссаларини ўрганиш жадал ривожланмоқда.
Нанокомпозит материаллар хозирда оптика ва оптикэлектроникада, микроэлектроникада, катализда, сенсорли қурилмаларда, биотехнология ва медицинада, упавкаловчи материаллар ишлаб чиқаришда, қурилишда ишлатилмоқда.
Золь гель технологияси, жумладан полимер эритмалари иштирокида кремний алкооксидларини гидролитик поликонденсация жараёни натижасида, материалларни олиш учун қулай усул хисобланади. Бундай материаллар органик ва ноорганик полимерларга хос тузилиш ва комплекс хоссаларга эга бўлиши мумкин. Золь – гель жараёнининг ўзи ажралиб чиқаётган модданинг қайтиши хисобига амалий жиҳатдан чиқиндисиз ва экологик жиҳатдан ҳавфсиз ҳисобланади.
Табиий полимерлар асосида ажойиб хоссаларга эга бўлган наноматериаллар олишга олиб келадиган золь – гель технологияга бўлган қизиқиш, уларни анъанавий усулда олиш анчагина мураккаблиги билан тушунтирилади. Шунинг учун янги физик – кимёвий хоссалар комплексига ва структурали хусусиятдарга эга бўлган нанокомпозит материалларни яратиш, сорбция катализ, оптика, электроника билан боғлиқ кўпгина амалий вазифаларни ечишда долзарб муаммо ҳисобланади. Бу муаммони ечиш учун маълум фазалар танлаш керак бўлади. Полимерларни қайта ишлаш ва хоссасини ўзгартиришда қулай бўлган методлардан бири золь – гель методдир.
Шу ўринда таъкидлаб ўтиш лозимки, “гибрид” ва “нанокомпозит” тушунчалари бири – биридан фарқ қилади.