Нанотехнология физика мен медицинада

Нанотехнология физика мен медицинада

 

Маңғыстау облыстық медицина колледжі

 

Ғылыми-практикалық конференция материалы

«Нанотехнология медицинада»

Мақсаты:

ХХІ ғасырдың ең ғажайып технологиясы болып табылатын нанотехнологияның өзектілігін айқындап, физикадағы болашақ жобалар мен Қазақстандағы нанотехнологияялық зертханалардың жұмысын тереңірек қарастыру. Нанотехнологияның медицина саласында қолданылуының болашағы зор екендігіне көз жеткізу.

Нанотехнологияның медицинадағы ролін анықтау.

Бағыты: нанотехнологияның медицина саласында қолдану аясын кеңейту.

Зерттеу әдістері:

1.     Ғылыми деректермен жұмыс.

2.     Ғаламтордан мәліметтер жинақтап сұрыптау, аудару.

3.     Сауалнама жүргізу.

Ғылыми жетекшісі:

Маңғыстау облыстық медицина колледжінің «Физика және астрономия» пәнінің оқытушысы Берсиева М.Е.

Жоспары:

 

Кіріспе- нанотехнология ұғымы.

Негізгі бөлім:

І. Нанотехнологияның даму тарихы және оның жетістіктері:

1.1.Мәнерлеп туннелдеуші микроскоп (МТМ)

1.2.Нанобөлшектер

1.3. Физика және нанотехнология

1.4. Жаңа жетістіктері

1.5. Нанотехнология медицинада

Зерттеу бөлімі:

 

 ІІ. Даму мен болашақтағы мәселелері туралы толық ақпарат жинақтау

2.1. Ғарышты игеру. Ақпараттық және әскери технологиялар.

2.2. Нанотехнологияның Қазақстанда дамуы

2.3. Шет елдерде нанотехнологияның дамуы

2.4. Сауалнама

ІІІ. Қорытынды

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

Кіріспе

«Бұл жаңа бағыт, бұл қарқынды дамушы сала. Сондықтан, біз де осы мәселемен айналысудамыз. Бүгінде зертханалар бізде – Алматыдағы әл-Фараби атындағы ұлттық университетте, Физика-техникалық университетінде, Шығыс Қазақстанда бар. Осы үш зертхана нанотехнология бағытындағы жұмыстармен айналысатын болады»

Н.Назарбаев

Нанотехнология – бұл көзге көрінбейтін аса ұсақ бөлшектерді ретке келтіре отырып, соның ерекшеліктерін алдын-ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды құрастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайластыра орналастыру. Нанометр дегеніміз бір метрдің миллиардтан бір бөлігі (1 нанометр=10-9 метр). Нанотехнология осындай ауқымды өлшемдермен айналысады.

Нанотехнологиялар дегеніміз не? Аңыз ба әлде ақиқат па? Кейбір деректер бойынша, қазірдің өзінде олардың көмегімен нысандарды көзге көрінбейтін етуге болатын материал ойлап табылған көрінеді. Әуестену, еліктеу, қиялға берілу секілді адами қалыптардың бірте-бірте ел сенгісіз жаңалықтарға бастайтыны әлмисақтан белгілі.

Аңыз-ертегілердегі аспанға ұшатын ағаш ат пен кілем, желаяқ етіктер, аста-төк дастархан, қияндағыны көз алдыңа алып келетін қол айна секілділер шындыққа айналып, дәл қазір «көне дүниелер» санала бастады. Нанотехнология да өмірге осындай қиял мен әуестік нәтижесінде келген еді. 1986 жылы студент Эрик Дрекслер өзінің «Жасампаз машина» аталатын футуристік эссесінде тұңгыш рет молекулярлы технология атауын қолданады. Ол фантаст-жазушы Станислав Лемнің идеяларына өз қиял-болжамдарын қосақтай отырып, «Саналы тіршілік ортасының» жалпы бет-бейнесін жасап шығады. Осы болжамға сәйкес, XXI ғасырда нанороботтар әрбір заттың, әрбір адам ағзасының ішіне енгізіледі де, адамзат қоршаған әлеммен бірге тұтастай саналы компьютерге айналады.

«Нанотехнология» деген сөзді қарапайым қазақ тілімен түсіндірер болсақ, «ергежейлі технология» деген сөзді білдіреді. Бұл арада «нано» сөзінің өзі «мыңнан бір бөлшегі» дегенді білдіретіні негізге алынады. Қысқасы, кез келген материяның мыңнан бір бөлшегі бастапқы шыққан тегіне мүлде ұқсамайтын физикалық қасиетке ие болады. Мінеки, осынау заң арқылы, яғни материяның бір күй­ден екінші күйге ауысқандығы өзгерістер заңы арқылы өмірге жаңа технология еніп жатыр. Қазіргі «сандық технологиямен жұмыс істейтін бүкіл электрондық дүниелер» – сол нанотехнологияның жемісі. Бұған нақты мысал – байланыс саласындағы оптика талшықты жүйе. Яғни ешқандай сымсыз-ақ хабарды бір нүктеден екінші нүктеге ауа ағынындағы талшықтар қасиетін өз еркімізге бағындыру арқылы оп-оңай жеткізетін болдық. Менделеев кестесіндегі көптеген элементтер нанотехнология арқылы өзгеріске ұшырап, келесі бір мүлде өзге қасиетке ие болатындығы мінеки, осылайша анықталды. Қысқасы, нанотехнология адамзат өмірін­дегі ең төңкерісті жаңалықтардың бірі болды десек, артық айтқандық емес. Ал оның бүгінгісінен болашағы әлдеқайда «жемісті».

«Нанотехнология»  жаңадан дамып келе жатқан сала екендігі белгілі. Алайда нанотехнология нәтижелері әскери әуе және космонавтика саласында көптен бері қолданылып келеді. Бірақ құпиялық жағдайға байланысты көпшілікке белгісіз болып келді. Соңғы кездерде алынған нанотехнология нәтижелерін өндірісте (медицина, электроника, ауыл шаруашылығы, машина құрастыру т.б.) көптеп қолдану мүмкіндігінің ашылуына байланысты алдыңғы қатарлы дамыған елдерде көптеген зерттеулер жүргізілуде және сол зерттеулерге байланысты қолданылатын техникалар жасалынуда..

Мемлекет басшысы Н.Назарбаевтың жетекші он жоғары оқу орнында инженерлік зертхана құру тапсырмасына байланысты алынған электронды микроскоптар, спектрометрлер т.б. құралдар нанотехнология элементтерін жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Ал зерттеулер жүргізу оңай шаруа емес. Себебі нанотехнологияның қазіргі жағдайы химия, физика, информатика, механика т.б.  мамандардың бірлесе отырып жұмыс істеуін қажет етеді. Сондай-ақ, мамандар техникамен жұмыс істей білуі керек. Ол үшін әрине тәжірибе қажет. Ал «Болашақ» бағдарламасының ғылыми тағылымдамадан өту бастамасы мамандарымыздың біліктілігін арттыруға мүмкіндік жасайтыны сөзсіз.

1.1.Мәнерлеп туннелдеуші микроскоп (МТМ)

1981 жылы ІВМ корпорациясының швейцариялық филиалындағы екі инженер -Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер мәнерлеп туннельдеуші микроскоп ойлап тапты. Микроскоптың құрылымы аса қарапайым: шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады.

Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нәтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оның көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Осылайша материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды «ажыратуға» мүмкіндік туады.

Тәжірибе барысында анықталғандай, тоннельдеуші микроскоптың бұрынғыларға қарағанда біршама артықшылықтары бар екен. Соның көмегімен жекелеген атомдарды «көруді» былай қойғанда, соларға әсер ету арқылы кез-келген кернеуді өзгертуге де мүмкіндік туады: қарапайым тілмен айтсақ, тоннельдеуші микроскоптың көмегімен атомды «іліп» алуға және қажетті жеріне қондыруға болады. Физиктердің атомдарды өз қалауынша орналастыруға теориялық мүмкіндіктері пайда болады, яғни соларды кірпіш секілді қалай отырып, кез-келген затты жасап шығуға болады екен.

1.2.Нанобөлшектер

Қазіргі кезгедгі ғылымның жетістіктері егер заттың өте ұсақ бөлігін қарастырсақ оның жаңа қасиеттері байқалатынын анықтаған. Өлшемі 1 нм-ден 100 нм-ге дейінгі бөлшектерді нанобөлшектер деп атайды. Кейбір нанобөлшектердің каталитикалық және адсорбциялық қасиеттері байқалды. Кейбір материалдар ғажайып оптикалық қасиетерге ие болады, мысалы, аса жұқа органикалық қабықшаларды Күн батареясын өндіруде қолдануға болады. Мұндай батареялар төменгі кванттық тиімділікке ие болғанмен, арзан және иілгіш. Жасанды нанобөлшектердің табиғи наноөлшемдегі объектілермен – ақуыздар, нуклеинды қышқылдар, амин қышқылдары, нейропептидтер – өзара әсерлесуі жүзеге асырылуда. Өте мұқият тазартылған нанобөлшектер белгілі бір құрылымға өз бетімен түзілу мүмкіндігі бар. Мұндай құрылымда қатаң реттелген нанобөлшектер болады және олардың ерекше қасиеттері көрінеді.

Нанообъектілер негізгі 3 класқа жатады: үшөлшемді бөлшектер (өткізгіштер жарылысынан, плазмалық синтезден, жұқа қабықшалардың қайта түзілуінен және т.б.), екіөлшемді объектілер (молекулалық ыдырату, ионды ыдырату әдісі арқылы алынған жұқа қабықшалар және т.б.), бірөлшемді объектілер. Сонымен қатар органикалық нанобөлшектер де кездеседі.

1.3. Физика және нанотехнология

Қазіргі таңда нанотехнология жайлы ғалымдар нанотехнология индустриядағы ең төңкерісті сала болады.

Жер бетінде бар, Менделеевтің кестесіне енген химиялық элементтердің барлығы атомдар мен молекулалардан тұрады. Бұлардың мейлінше шағын болатындығы сондай, қарапайым микроскоптармен көру мүмкін емес. Сондықтан да «күні кешеге дейін» осы саланы зерттейтін лабораторияларда арнайы жасалған ең үлкейткіш микроскоптар пайдаланылды. Ал қазір олардың орнын электронды микроскоптар алмастырған.

Нанотехнологияның бірден-бір артықшылығы – наноқұрылғылар наноөлшемдегі энергияны қажет етеді. Осы жерде күн энергиясы – нағыз керектің өзі. Өйткені ол атом энергиясы сияқты өте күшті емес, наноқұрылғылар үшін қажетті энергияның қайнар көзі. Егер күн энергиясын алуды дұрыс дамыта білсе, Қазақстанның электр қуатына деген барлық қажеттілігін өтеуге болады. Мінеки, бүгінгі күннің өзінде тек қана электронды микроскоптар арқылы көруге болатын осынау атомдар мен молекулаларды енді мың есе кішірейткенде алынатын өнім қандай болатынын ойша көзге елестете беріңіз. Бірақ бір таң- ғаларлығы мың есе кішірейген жаңа атомдар мен молекулалар өздерінің шыққан тегінен мүлде өзгеше қасиетке ие болады. Айталық, жер бетінде кездесетін уран өзі­нің ілеспелерінен тазартылады да бейбіт мақсатта қолданылатын энергияны алу үшін одан «уран түймелерінің құрастырмасы» жасалады. Мінеки, АЭС реакторларында пайдаланылатын ядролық отын дегеніміз – осы. Мұның өзінен реакторларда бар болғаны 1,5-3 пайызы ғана жанып, энергия береді. Қалғанын пайдаға асыруға бүгінгі ғылымның қолы әлі жеткен жоқ. Ал осы ураннан атом бомбасын жасау үшін оны әлі де тазартып, ақыр аяғында «плутони» деп аталатын химиялық элемент алынады. Сонда ойлап қараңыз, ураннан атом бомбасын жасайтын элемент алғанға дейінгі жұмыс тізбегі қаншалықты ауқымды?! Егер осы плутонидың өзін мың есе кішірейте алсақ, одан не шығуы мүмкін? Мың есе кішірейген бұл жаңа өнімнің физикалық қасиеті қандай мәнге, мазмұнға ие болады? Жаңа элементтен не аламыз? Мәселен, мұнайды синтездеу арқылы мономерлер мен сорбенттер алатын болдық. Бүгінгі өміріміздегі синтетикалық дүниелердің бәрі – осы аталған мұнайдың бергендерінің «сыйы». Синтетикалық талшықтардан жасалған бұйымдар өміріміздің барлық буынына дендеп енді. Тіпті ғарышкерлердің киімі де синтетикалық тал­шықтан жасалған. Нанотехнологияның бір саласы осындай игілікті өнімдер берері ақиқат.

Нанотехнология дегенiмiз — атом. Мәселен, сiздiң көлiгiңiздiң терезесi шаң болады. Ал, нанотехнология әдiсiмен терезе жасауға болады, оған еш шаң жұқпайды. Яғни, атомдарды бiр-бiрiмен жақындастырып орналастырғанда, олардың арасына шаңның да, судың да молекуласы кiре алмайды. Ұшақ жасау үшiн оған темiр, титанды қоспайды, нанотехнологиямен алынған көмiртектi заттарды пайдаланады, ұшақтың салмағы жеңiл болады, әуеде радар ұстамайды, жоғары қысымда жойылып кетпейдi. Медицинада жаңа дәрiлiк заттарды нанотехнология әдiсiмен алсақ, ол тек ауырған жерiңiздi ғана емдейдi. Мәселен, басыңыз ауырса аспирин iшесiз. Оның 50 пайызы ауырғаныңызды басады, ал, 50 пайызы бауырыңызға терiс әсер етедi. Антибиотиктер де солай. Ал нанотехнологиямен барған зат контейнердiң iшiнде болады. Ол ағзаға енiп қан-тамырлар арқылы керектi жердi өзi тауып алып ауырған клеткаларды ғана емдейдi. Басқа дене мүшелерiне ешқандай зияны тимейдi.

1.4. Жаңа жетістіктері Икемді мөлдір электроника

Біз жалпы мөлдір электроника дәуірі міне-міне келіп қалды деп жиі жазып та, оқырмандарда үміт отын тұтандырып та жүрміз. Біз оның технологиядан алшақ, көптеген эксперименттер түріндегі алғашқы қадамдарын және қалыптасуын көрдік.

«Ұлғайту әйнектері»

Микроскопия заманауи ғылыми зерттеулердің ажырамас бөлігі болып отыр. Ол табиғатты экспериментальды түрде тануда нағыз төңкеріс жасады, әсіресе, бұл биология және медицина сынды салаларға қатысты

 

Өзі зарядталатын электроника

Американдық ғалымдар түрлі табиғаттағы (дауыс толқындары қозғалыс кезіндегі тітіркеністер) тітіркеніс энергияларын жинау үшін және оны электр энергиясына айналдыру үшін, мұнда айналдыру тиімділігі 2-3 есеге өседі, нанокөлемді пьезоэлектриктерді пайдалану мүмкін екендігін көрсетті. Бұл өнертабыс «жасыл» электрде жұмыс істейтін өзі зарядталатын мобильді құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді .

 

Зарядтауды қажет етпейтін мобильді телефонды ой елегіне алыңыз. Мұндай ғажап техника адам шашының талшығынан мың есе жұқа пьезоэлектрикалық кристалдармен жиналатын дауыс толқындарынан жұмыс істейді. Мұндай құрылғы зертемесі Хьюстон және Техас университеттері ғалымдарының теоретикалық жұмыстарының нәтижесінде мүмкін болып отыр. Бұл жұмыс нәтижесі Physical Review B журналында жарияланған. Нанодеңгейде пьезоэлектриктердің қасиеті айтарлықтай өзгере алады екен және жаңа қызық ерекшеліктерге ие болады. Атап айтар болсақ, наноәлем жағдайында кейбір пьезоэлектрик типтерінің электр тогын өндіру тиімділігі біршама артады: белгілі бір нанометрлік қалыңдықтарда пьезоэлектриктік материалдардың электрөндірімпаздылығы макро- және микроскоптық пьезогенераторлармен салыстырғанда 2-3 есе артық болады.

Сурет 1. Тіке пьезоэлектриктік әсер. Сол жағында — механикалық кернеу жоқ, беткі қабатында электр заряды болмайды. Ортасында – кристалл кеңейеді, заряд пайда болады. Оң жағында – кристалл сығылады, заряд полярлығы өзгереді.

Энергияны жинайтын жұмыс істейтін құрылғыны жасау үшін пьезоэлектриктік нанокантилевердің жанына аккумуляторлық батараеяны орналастыру жеткілікті. Міне сол кезде осындай энергияны жинайтын көптеген құрылғыларды өзі зарядталатын ұялы телефонға тігіп орнатуға болатын болады, және ол еш уақытта да өшпейді!

Қатты дискілер

2007 жылы Питер Грюнберг және Альберт Ферт физикада ті ашқаны үшін Нобель сыйлығына ие болды. Бұл ақпаратты қатты дискіге атомдық тығыздықта жазуға мүмкіндік береді.

 Күн батареялары.

Қазақстан ғалымдары бұрын отандық шикiзаттан металлургиялық және жартылай өткiзгiш кремний алу технологиясы саласындағы қолданбалы ғылыми зерттеулер жүргiздi. Күн батареялары мен жартылай өткiзгiштердiң жұмыс тиiмдiлiгi тазалық деңгейiне қарай алынатын кремнийдiң төменгi сапасы жүргiзiлген ғылыми зерттеулердiң негiзгi проблемасы болып табылады.»Күн сапалы» кремнийдi алу үшiн металлургиялық кремний мен силан шикiзатын тазарту процесi саласында ғылыми зерттеулер жүргiзу болжанады.

 Қазiргi уақытта ғылыми-техникалық прогрестiң басым бағыттарының бiрiне наноматериалдар мен нанотехнологиялар жатады. Материалдар мен жүйелерге қағидатты жаңа сапа бере отырып, нанотехнологиялар адамдардың тыныс-тiршiлiгiнiң барлық қазiргi бар салаларында (автомобиль жасау мен компьютерлiк техникадан бастап емделудiң жаңа қағидатты әдiстерiне дейiн) прогрестi қамтамасыз етедi, сондай-ақ жаңа салалардың пайда болуына күмәнсiз алып келедi.

Наноматериалдар және нанотүтіктер.

Наноматериалдар арасында нанобөлшектермен арқауланған жай полимерлерден тұратын арзан және берiк материалдар – нанокомпозиттер ерекше орын алады, қазiрдiң өзiнде оларды алудың өнеркәсiптiк технологиялары әзiрленуде. Нанокомпозиттер құрылыста, жабдық пен жићаз, тұрмыстық электр аспаптары және т.б. өндiрiсiнде қолданыс табады.

 Көмiр сутектi нанотүтiктер (диаметрi бiрнеше нанометрлер болатын цилиндр құрылымдар) молекулярлық электрониканың негiзгi материалдарының бiрi болады, олардың эмиссиялық ерекшелiктерi мен өткiзгiштiгi ауқымды шектердi аса шағын көлденең мөлшерлермен және қоректендiрудiң төменгi кернеуiмен ерекшеленетiн жаңа сыныпты электрондық аспаптарды жасауға мүмкiндiк бередi. Бұдан өзге Cientifica 5 жыл iшiнде көп қабырғалы нанотүтiктердi пайдаланатын жылу элементтерiнiң пайызы 70-ке дейiн көтерiлетiнiн болжайды. Осы уақыт iшiнде нанотүтiктердi әзiрлеудiң құны азаятын болғандықтан, бұл нарығы отын ұяшықтарының жалпы арзандауына алып келедi.

 Болжам бойынша көмiртектi нанотүтiктерiн жаппай өндiру АҚШ пен Жапониядан Қытай мен Кореяға ауысады, ал соңғылары нанотүтiктердiң барлық түрлерiнiң негiзгi жеткiзушiсi болады.

 Электроникадан гөрi өнеркәсiптiң едәуiр көптеген салаларына қатысты болғандықтан, микроэлектроника мен интегралдық схемаларды пайдалануға қарағанда нанотехнологияларды дамыту қоғам өмiрiне неғұрлым күштi әсер етедi.