Фуллерендер – қасиеті керемет молекула

Әл-Фараби атындағы ҚазҰУ-дың физика-техникалық факультетінің ғалымдары «Қолдану ауқымы кең көміртекті наноқұрылымды материалдар өндірісін ұйымдастыру» жобасын жүзеге асырып жатыр. Наноматериалдар – бүгінгі күннің тың тақырыбы. Қолданыс аясы ауқымды болғандықтан, оған әлемде қызығушылық та, сұраныс та басым. Ал біздің ғалымдар осы жобаны іске асыру арқылы алдына қандай мақсат-міндет қойып отыр? Бұл жобаның тиімділігі неде? Жоба жетекшісі Данияр Исмаиловтың қатысуымен бүгін оқырмандарды осы зерттеу жұмысымен таныстырмақпыз.

«Біздің негізгі мақсатымыз – құрамы мен қасиеті жақсартылған сапалы өнім жасау үшін көміртекті наноқұрылымдардың (фуллерендердің) аз шығынды тиімді өндірісін іске қосу. Көміртекті наноөлшемді молекулалық түзілімдерді фуллерендер дейміз. Олардың жалпы Сn формуласы бар. Мұнда n көбіне 60 немесе 70 мәндерін қабылдайды. Ерекше физикалық-химиялық қасиетке ие», – деп әңгімесін бастады Данияр Исмаилов. Ол техника ғылымдарының кандидаты, PhD және университетіміздегі Ашық түрдегі ұлттық нанотехнологиялық зертхана маманы.

Жас ғалымның сөзінше, фуллерендерді түрлі салада қолдануға болады. Әсіресе Қазақстанның тау-кен өндірісінде, мұнай-газ, металлургия және геология-минерологиялық индустрияда, құрылыс компаниялары мен электротехникада, сондай-ақ фармацевтика және т.б. салаларда пайдалана аламыз. Көміртектің қандай материал екенін білесіздер. Негізінен, қатты материал, оған мысал ретінде алмасты алуға болады. Ал көміртекті наноматериалдарға фуллерендер, (С60, С70), графендер мен графен оксиді жатады.

Фуллерен дегеніміз не?

Фуллерен дегеніміз – екі корреляциялы жүйеде және ғылыми қоғамдастықта үлкен қызығушылық тудыратын жаңа материалдар. Бұл қазіргі кезде белгілі көміртектің үшінші тұрақты молекулалық құрылымы. Ол сфералық, эллипс тәрізді түтікшелі немесе сақиналы формада болуы мүмкін. Ол 1985 жылы кездейсоқ табылды. Бұл жаңа құрылым, өте тұрақты көміртек молекулалары. Шын мәнінде олар көміртектің алмас пен графиттен кейінгі үшінші тұрақты молекулалық формасы ретінде белгілі.

Фуллерендер көміртек молекулаларымен жүргізілген тәжірибе нәтижесінде дамыды. Осы материалдар негізінде  зерттеулер жүргізіп, оларды үнемі жалғастырып отыру болашаққа пайдалы материалдар шығарудың қазіргі технологияларын жетілдіреді. Фуллерендердің қасиеті ерекше, әсіресе майлау қасиетіне ерекше тоқталуға болады. Майлау қабілетіне әлсіз молекулааралық күш береді. Оның молекулалары конденсацияланып, тұрақты және әлсіз байланыстары бар қатты зат түзе алады. Бұл қатты зат фуллерит атауымен белгілі. Егер  фуллеренді өте төмен температураға жеткізсек, онда олардың шар атаулыны жоғалтып-жоймай, сублимациялауға қабілетті екенін көреміз. Оның молекулалары өте электронды және электрондар беретін атомдармен байланыс түзеді.

Өнімнің құрылымын күшейтеді

«Микроматериалдарды көзбен көріп, қолмен ұстай аламыз, ал наноматериалдардың жай-күйі басқаша. Олармен біз ДНҚ, атом, ядро деңгейінде жұмыс істейміз, сондықтан оны микроскоп арқылы көреміз. Олардың құрылысы өзгеше. Анағұрлым жақсы, берік. Бір сөзбен айтқанда, қандай да бір материалдың қасиетін арттыруға, демек, сапалы етуге ықпал етеді. Шикізат ретінде қызық болмауы мүмкін. Ал оны цементке, лак-бояу өнімдеріне, биомедикаментке, электроникаға және т.б. қосқан кезде оның қасиеті нығаяды. Мысалы, қарапайым, қолданыстағы цементті жауын-шашын тесіп жіберуі ықтимал. Ал наноматериал қосылған өнім суды бойына дарытпайды. Өйткені олардың мөлшері шағын болғандықтан, құрамы тығыз әрі берік келеді. Демек, құрылысқа пайдаланған құрамы байытылған өнім сапасы жоғары, мықты болғандықтан, ұзақ уақыт қызмет етеді», – дейді Данияр Исмаилов. Демек, наноматериал қосылған өнімнің құрамы байып, сапасы артады. Бұл жоба осынысымен құнды.

Сонымен, наноматериалдар, нақты айтқанда: графен, көміртекті нанотүтікшелер мен фуллерендер өзінің тамаша электрлік қасиеті арқасында электронды құрылғыларды барлық жерде, бар салада перспективалы етіп, оның қызмет көрсету мерзімі мен тиімділігін арттырады. Мысалы, конденсаторлар, ток жинақтағыштар, аккумуляторлық батарейлер мен датчиктер өндірісіне қоссаңыз, олардың сапасы артып, қолдану, қызмет көрсету мерзімі де ұзарады. Мұндай құрылғылардың құны да импорттық өніммен салыстырғанда анағұрлым арзан, өйткені қосалқы бөлшектер табу және оларға қызмет көрсету қолжетімді келеді. Жергілікті өнім болғандықтан, құрылғыны да, интерфейсті жаңалауды да жылдам ауыстыруға немесе жетілдіруге болады.

Ғалым фуллерендердің тағы бір қасиетіне тоқталып өтті: оны майға қоспа ретінде де қолдануға болады.

– Мәселен, автокөліктің дөңгелегін алайық. Үнемі айналып тұрғандықтан, көліктің кейбір қосалқы бөлшектерін әлсін-әлсін ауыстыруға тура келеді. Себебі ол металл бір-бірімен түйіскенде қажалып, жүре-жүре тозады. Ал сол майға наноматериал деңгейіндегі қоспа қосатын болсақ, мысалы, металл майланып, оның кішкентай саңылаулары жабылады. Соның нәтижесінде дөңгелек пен көліктің қосалқы бөлшектерінің пайдалану мерзімі ұзарады, – дейді Данияр Исмаилов.

Ашық түрдегі ұлттық нанотехнологиялық зертхана мамандары лаборатория жағдайында фуллерендерді алу технологиясын жетілдіріп, шикізат өнім алған. «Фуллереннің пішіні футбол добы секілді. Оның қырларында көміртегі атомы орналасады. Фуллереннің түрлері көп: С60, С70, С80, С90. Мұндағы цифрлар фуллерендегі қырлардың санын көрсетеді. Бұл материалдың қолдану аясы да кең. Мәселен, көміртекті нанотүтікшелер жайлы естіген боларсыз. Міне, сол түтікшелер көміртектің бастапқы өнімі – графеннен жасалады», – деді жас ғалым.

Көміртек – бұл алтыбұрышты кристалды тор түзетін атомдардан тұрады. Ал графен – қалыңдығы бір ғана атом болатын осы тектес тордың бір қабаты. Демек, оның алғашқы ерекше қасиеті – ең жұқа материал болуында. Графен қағаз парағымен салыстырғанда 300 мың есе жұқа. Соған қарамастан, бұл ең берік материалдардың бірі. Өйткені көміртек атомдарының арасындағы байланыс берік. Енді сол атомдарды доп тәріздес шар формасына келтіргенде фуллерен шығады.

– Фуллерен алудың технологиясына тоқтала кетсек. Біз зертханадағы арнаулы құрылғылардың көмегімен графитті стерженьді жағып, одан күл аламыз. Процесс вакуум жағдайында жүзеге асырылады және жұмыс барысында инертті газ – гелийді пайдаланамыз. Күлдің де құрамы көміртектен тұрады. Ол кеуекті әрі микроматериал. Ал біз одан біртұтас және наноөлшемдегі материал шығарамыз. Жоғарыда айтып өткеніміздей, күлдің өзі емес, оның құрамындағы көміртекті нанотүтікшелер, графен мен фуллерен маңызды. Екінші деңгейде еріткіштердің көмегімен күлді тазалап, құрамындағы заттарды бөлеміз. Нәтижесінде бірнеше химиялық этаптардан кейін дайын өнім – фуллерен бөлініп шығады, – дейді Данияр мырза.

Қазіргі таңда өнім нарыққа ұсынылған. «Бірақ пандемия біздің де жоспарларымызға әсер етпей қоймады», – деген ғалым әзірге шикізатты көршілес елден алынатынын жеткізді. Қазіргі таңда ресейлік өндірушілерден сұраныстар түскен. Ішкі нарық әлі де мұндай өнімдерді пайдалануға толық әзір болмағандықтан, фуллереннің экспорты тиімдірек болар еді. Ол үшін алғашқы қадамдар да жасалған. Мәселен, Мәскеу мен Томск қалаларынан құрылыс материалдарына қолдану үшін ұсыныстар келгенін жеткізген ғалым жобаның болашағынан үміті зор екенін жасырмады.

Кәмила ДҮЙСЕН