Prefiks C povećanje 9 puta. Nanotehnologija - što je to?

Višestruke jedinice- jedinice koje su cijeli broj puta veće od osnovne mjerne jedinice neke fizičke veličine. Međunarodni sustav jedinica (SI) preporučuje sljedeće decimalne prefikse za predstavljanje više jedinica:

Mnoštvo	Konzola		Oznaka		Primjer
Mnoštvo	ruski	međunarodni	ruski	međunarodni	Primjer
10 1	zvučna ploča				dali - dekalitra
10 2	hekto				hPa - hektopaskal
10 3	kilo				kN - kilonewton
10 6	mega				MPa - megapaskal
10 9	giga				GHz - gigaherca
10 12	tera				TV - teravolt
10 15	peta				Pflop - petaflop
10 18	exa				EB - eksabajt
10 21	zetta				ZeV - zetaelektronvolt
10 24	Yotta				IB - yottabyte

Primjena decimalnih prefiksa na mjerne jedinice u binarnom zapisu

Glavni članak: Binarni prefiksi

U programiranju i računalnoj industriji, isti prefiksi kilo-, mega-, giga-, tera-, itd., kada se primjenjuju na potencije dvojke (npr. bajt), može značiti da višestrukost nije 1000, već 1024 = 2 10. Koji se sustav koristi trebao bi biti jasan iz konteksta (npr. u odnosu na glasnoću RAM memorija koristi se višestrukost 1024, au odnosu na obujam diskovne memorije koju uvode proizvođači tvrdih diskova - višestrukost 1000).

1 kilobajt
1 megabajt			1.048.576 bajtova
1 gigabajt			1.073.741.824 bajtova
1 terabajt			1.099.511.627.776 bajtova
1 petabajt			1.125.899.906.842.624 bajtova
1 eksabajt			1.152.921.504.606.846.976 bajtova
1 zetabajt			1,180,591,620,717,411,303,424 bajtova
1 yottabyte			1 208 925 819 614 629 174 706 176 bajtova

Da ne bude zabune u travnju 1999. godine Međunarodna elektrotehnička komisija uveo novi standard o imenovanju binarnih brojeva (vidi Binarni prefiksi).

Prefiksi za višestruke jedinice

Podvišestruke jedinice, čine određeni udio (dio) utvrđene mjerne jedinice određene vrijednosti. Međunarodni sustav jedinica (SI) preporučuje sljedeće prefikse za označavanje višestrukih jedinica:

Duljina	Konzola		Oznaka		Primjer
Duljina	ruski	međunarodni	ruski	međunarodni	Primjer
10 −1	deci				dm - decimetar
10 −2	centi				cm - centimetar
10 −3	Mili				mH - milinuton
10 −6	mikro				µm - mikrometar, mikron
10 −9	nano				nm - nanometar
10 −12	piko				pF - pikofarad
10 −15	femto				fs - femtosekunda
10 −18	atto				ac - atosekunda
10 −21	zepto				zkl - zeptokulon
10 −24	yocto				ig - joktogram

Podrijetlo konzola

Većina prefiksa izvedena je iz grčki riječi Soundboard dolazi od riječi deca ili deka(δέκα) - “deset”, hekto - od hekaton(ἑκατόν) - "sto", kilogram - od chiloi(χίλιοι) - "tisuću", mega - od megas(μέγας), odnosno “veliki”, giga je divovi(γίγας) - "div", i tera - od teratos(τέρας), što znači "monstruozan". Peta (πέντε) i exa (ἕξ) odgovaraju pet i šest mjesta od tisuću i prevode se redom kao "pet" odnosno "šest". Lobed mikro (od mikroskopski, μικρός) i nano (od nanos, νᾶνος) prevode se kao "mali" i "patuljak". Od jedne riječi ὀκτώ ( okto), što znači "osam", nastaju prefiksi yotta (1000 8) i yokto (1/1000 8).

Kako se "tisuću" prevodi prefiksom milli, koji seže na lat. milja. Latinski korijeni također imaju prefikse centi - od centum(“sto”) i deci - od decimus("deseti"), zetta - od rujan("sedam"). Zepto ("sedam") dolazi iz lat. riječi rujan ili od fr. ruj.

Prefiks atto izveden je iz datum obratiti pažnju("osamnaest"). Femto se vraća na datum I norveški femten Ili do drugo-niti. fimmtan a znači "petnaest".

Prefiks pico dolazi od bilo kojeg fr. piko("kljun" ili "mala količina"), bilo iz talijanski pikolo, odnosno “mali”.

Pravila za korištenje konzola

Prefikse treba pisati zajedno s nazivom jedinice ili, prema tome, s njezinom oznakom.

Upotreba dva ili više prefiksa u nizu (npr. mikromilifarada) nije dopuštena.

Oznake višekratnika i dukratnika izvorne jedinice podignute na potenciju tvore se tako da se oznaci višekratnika ili dukratnika izvorne jedinice doda odgovarajući eksponent, pri čemu eksponent označava potenciranje višekratnika ili dukratnika (zajedno s prefiks). Primjer: 1 km² = (10³ m)² = 10 6 m² (ne 10³ m²). Imena takvih jedinica tvore se tako da se nazivu izvorne jedinice doda prefiks: četvorni kilometar (ne kilo-kvadratni metar).

Ako je jedinica umnožak ili omjer jedinica, prefiks ili njegova oznaka obično se dodaje uz naziv ili oznaku prve jedinice: kPa s/m (kilopaskal sekunda po metru). Dodavanje prefiksa drugom faktoru umnoška ili nazivniku dopušteno je samo u opravdanim slučajevima.

Primjenjivost prefiksa

Zbog činjenice da naziv jedinice za masu u SI- kilogram - sadrži prefiks "kilo"; za formiranje višestrukih i umnošnih jedinica mase koristi se umnožna jedinica mase - gram (0,001 kg).

Prefiksi se koriste u ograničenoj mjeri s jedinicama vremena: više prefiksa se uopće ne kombinira s njima - nitko ne koristi "kilosekundu", iako to nije formalno zabranjeno, međutim, postoji iznimka od ovog pravila: u kozmologija korištena jedinica je " gigagodina"(milijardi godina); pod-višestruki prefiksi se pridružuju samo drugi(milisekunda, mikrosekunda itd.). U skladu s GOST 8.417-2002, nije dopušteno koristiti nazive i oznake sljedećih SI jedinica s prefiksima: minuta, sat, dan (mjerne jedinice), stupanj, minuta, drugi(jedinice ravnog kuta), astronomska jedinica, dioptrija I jedinica atomske mase.

S metara od višestrukih prefiksa u praksi se koristi samo kilo-: umjesto megametara (Mm), gigametara (Gm) itd. pišu se “tisuće kilometara”, “milijuni kilometara” itd.; umjesto kvadratnih megametara (Mm²) pišu "milijuni kvadratnih kilometara".

Kapacitet kondenzatori tradicionalno se mjeri u mikrofaradima i pikofaradima, ali ne milifaradima ili nanofaradima [ izvor nije naveden 221 dan ] (oni pišu 60 000 pF, a ne 60 nF; 2000 µF, a ne 2 mF). Međutim, u radiotehnici je dopuštena uporaba jedinice nanofarad.

Ne preporučuju se prefiksi koji odgovaraju eksponentima koji nisu djeljivi s 3 (hekto-, deka-, deci-, centi-). Samo u širokoj upotrebi centimetar(kao osnovna jedinica u sustavu GHS) I decibel, u manjoj mjeri - decimetar i hektopaskal (in vremenska izvješća), i hektar. U nekim zemljama volumen osjećaj krivnje mjereno u dekalitrima.

Početkom dvadesetog stoljeća još nisu mogli "vidjeti" čestice ove veličine, jer su ležale ispod granica razlučivosti svjetlosnog mikroskopa. Stoga nije slučajno da se jednom od početnih prekretnica u nastanku nanotehnologije smatra izum elektronskog mikroskopa M. Knolla i E. Ruska 1931. godine. Tek nakon toga čovječanstvo je moglo "vidjeti" objekte submikronskih i nanometarskih veličina. I tada sve dolazi na svoje mjesto - glavni kriterij po kojem čovječanstvo prihvaća (ili ne prihvaća) bilo kakve nove činjenice i pojave izražen je u riječima Tome nevjernog: "Dok ne vidim, neću vjerovati."

Sljedeći korak učinjen je 1981. - G. Binnig i G. Rohrer stvorili su skenirajući tunelski mikroskop, koji je omogućio ne samo dobivanje slika pojedinačnih atoma, već i njihovu manipulaciju. Odnosno, stvorena je tehnologija o kojoj je R. Feynman govorio u svom predavanju. Tada je započela era nanotehnologije.

Napominjemo da je i ovdje riječ o istoj priči. Opet, jer općenito je uobičajeno da čovječanstvo ne obraća pažnju na ono što je, barem malo, ispred njegovog vremena. Dakle, na primjeru nanotehnologije ispada da ništa novo nije otkriveno, jednostavno su počeli bolje razumjeti što se događa okolo, što su čak iu davna vremena ljudi već radili, iako nesvjesno, ili bolje rečeno, svjesno (oni su znali što su želio dobiti), ali ne razumijevajući fenomene fizike i kemije. Drugo je pitanje da prisutnost tehnologije još ne znači razumijevanje suštine procesa. Davno su znali kuhati čelik, no razumijevanje fizikalnih i kemijskih temelja proizvodnje čelika došlo je mnogo kasnije. Ovdje se možete sjetiti da tajna Damask čelika još nije otkrivena. Ovdje imamo drugu hipostazu - znamo što trebamo dobiti, ali ne znamo kako. Dakle, odnos između znanosti i tehnologije nije uvijek jednostavan.

Tko je prvi proučavao nanomaterijale u njihovom modernom smislu? Godine 1981. američki znanstvenik G. Gleiter prvi je upotrijebio definiciju "nanokristalnog". Formulirao je koncept stvaranja nanomaterijala i razvio ga u nizu radova 1981.–1986., uvodeći pojmove „nanokristalni“, „nanostrukturirani“, „nanofazni“ i „nanokompozitni“ materijali. Glavni naglasak ovih radova bio je na kritičnoj ulozi višestrukih sučelja u nanomaterijalima kao osnovi za promjenu svojstava čvrstih tijela.

Jedan od najvažnijih događaja u povijesti nanotehnologije i razvoja ideologije nanočestica također je otkriće sredinom 80-ih – početkom 90-ih godina 20. stoljeća ugljikovih nanostruktura – fulerena i ugljikovih nanocijevi, kao i otkriće u 21. stoljeće metode za proizvodnju grafena.

No, vratimo se definicijama.

Prve definicije: sve je vrlo jednostavno

U početku je sve bilo vrlo jednostavno. Godine 2000. američki predsjednik B. Clinton potpisao je dokument “ Nacionalna nanotehnološka inicijativa"("Nacionalna nanotehnološka inicijativa"), koja daje sljedeću definiciju: nanotehnologija uključuje stvaranje tehnologija i istraživanja na atomskoj, molekularnoj i makromolekularnoj razini unutar približno od 1 do 100 nm kako bi razumjeli temeljne principe fenomena i svojstava materijala na razini nanoskala, kao i stvaranje i korištenje struktura, opreme i sustava koji imaju nova svojstva i funkcije određene svojom veličinom.

Godine 2003., britanska vlada se obratila kraljevsko društvo i Kraljevska inženjerska akademija sa zamolbom da se izjasne o potrebi razvoja nanotehnologije, ocijene prednosti i probleme koje njihov razvoj može izazvati. Takav izvještaj pod nazivom “ Nanoznanost i nanotehnologije: mogućnosti i neizvjesnosti“ pojavio se u srpnju 2004. godine, au njemu su, koliko nam je poznato, prvi put dane odvojene definicije nanoznanosti i nanotehnologije:

Nanoznanost je proučavanje pojava i objekata na atomskoj, molekularnoj i makromolekularnoj razini, čije se karakteristike značajno razlikuju od svojstava njihovih makroanaloga.

Nanotehnologija je dizajn, karakterizacija, proizvodnja i primjena struktura, uređaja i sustava čija su svojstva određena njihovim oblikom i veličinom na nanometarskoj razini.

Dakle, pod pojmom "nanotehnologija" odnosi se na skup tehnoloških tehnika koje omogućuju stvaranje nano-objekata i/ili manipuliranje njima. Ostaje samo definirati nanoobjekte. Ali ispada da to nije tako jednostavno, pa je većina članka posvećena ovoj definiciji.

Za početak, evo formalne definicije koja se danas najčešće koristi:

Nanoobjekti (nanočestice) su objekti (čestice) karakteristične veličine od 1-100 nanometara u barem jednoj dimenziji.

Čini se da je sve dobro i jasno, ali nije jasno zašto je dana tako stroga definicija donje i gornje granice od 1 i 100 nm? Čini se da je to voluntaristički odabrano, posebno je sumnjivo dodjeljivanje gornje granice. Zašto ne 70 ili 150 nm? Uostalom, uzimajući u obzir svu raznolikost nano-objekata u prirodi, granice nano-presjeka ljestvice veličine mogu i trebaju biti značajno zamagljene. I općenito, u prirodi je nemoguće povući precizne granice - neki objekti glatko prelaze u druge, a to se događa u određenom intervalu, a ne u točki.

Prije nego što govorimo o granicama, pokušajmo razumjeti koje je fizičko značenje sadržano u konceptu "nanoobjekta", zašto ga treba razlikovati posebnom definicijom?

Kao što je gore navedeno, tek se krajem 20. stoljeća počelo pojavljivati (ili bolje rečeno uvriježiti u svijesti) shvaćanje da nanometarski raspon strukture materije još uvijek ima svoje karakteristike, da na ovoj razini materija ima druga svojstva koja se ne očituju u makrokozmosu. Vrlo je teško prevesti neke engleske izraze na ruski, ali na engleskom postoji izraz " rasuti materijal“, što se grubo može prevesti kao „velika količina tvari“, „rasuta tvar“, „kontinuirani medij“. Evo nekih svojstava " rasuti materijali» kako se veličina njegovih sastavnih čestica smanjuje, one se mogu početi mijenjati kada dostignu određenu veličinu. U ovom slučaju kažu da postoji prijelaz u nanostanje tvari, nanomaterijala.

A to se događa jer kako se veličina čestica smanjuje, udio atoma smještenih na njihovoj površini i njihov doprinos svojstvima objekta postaju značajni i rastu s daljnjim smanjenjem veličine (slika 3).

Ali zašto povećanje udjela površinskih atoma značajno utječe na svojstva čestica?

Takozvani površinski fenomeni poznati su odavno - to su površinska napetost, kapilarni fenomeni, površinska aktivnost, vlaženje, adsorpcija, adhezija itd. Cijeli skup ovih fenomena posljedica je činjenice da sile međudjelovanja između čestice koje čine tijelo nisu kompenzirane na njegovoj površini (slika 4). Drugim riječima, atomi na površini (kristal ili tekućina - nije bitno) su unutra posebni uvjeti. Na primjer, u kristalima sile koje uzrokuju da budu u čvorovima kristalna rešetka, djelovati na njih samo odozdo. Stoga se svojstva ovih "površinskih" atoma razlikuju od svojstava istih atoma u masi.

Budući da se broj površinskih atoma u nanoobjektima naglo povećava (slika 3), njihov doprinos svojstvima nanoobjekta postaje odlučujući i raste s daljnjim smanjenjem veličine objekta. Upravo je to jedan od razloga ispoljavanja novih svojstava na nanorazini.

Drugi razlog razmatrane promjene svojstava je taj što se na ovoj dimenzionalnoj razini počinje očitovati djelovanje zakona kvantne mehanike, tj. razina nanoveličina je razina prijelaza, odnosno prijelaza, iz vladavine klasične mehanike u vladavine kvantne mehanike. A kao što je poznato, najnepredvidivija su upravo prijelazna stanja.

Do sredine 20. stoljeća ljudi su naučili raditi i s masom atoma i s jednim atomom.

Naknadno je postalo očito da je “mala hrpa atoma” nešto drugo, ne baš slično ni masi atoma ni pojedinačnom atomu.

Znanstvenici i tehnolozi vjerojatno su se prvi put susreli s ovim problemom u fizici poluvodiča. U svojoj potrazi za minijaturizacijom, dosegnuli su veličinu čestica (nekoliko desetaka nanometara ili manje) pri kojoj su se njihova optička i elektronička svojstva počela oštro razlikovati od onih čestica "normalne" veličine. Tada je konačno postalo jasno da je “nanoscale” skala posebno područje, različito od područja postojanja makročestica ili kontinuiranog medija.

Stoga je u gornjim definicijama nanoznanosti i nanotehnologije najznačajnija točka da "pravi nano" počinje s pojavom novih svojstava tvari povezanih s prijelazom na te skale i različitim od svojstava rasutih materijala. Odnosno, najznačajnija i najvažnija kvaliteta nanočestica, njihova glavna razlika od mikro- i makročestica, pojava je u njima fundamentalno novih svojstava koja se ne pojavljuju u drugim veličinama. Već smo dali literarne primjere, koristimo se ovom tehnikom ponovno kako bismo jasno prikazali i naglasili razlike između makro-, mikro- i nano-objekata.

Vratimo se književnim primjerima. Junak Leskovljeve priče, Levsha, često se spominje kao “rani” nanotehnolog. Međutim, ovo je pogrešno. Leftyjevo glavno postignuće je to što je kovao male čavle [ „Radio sam manje od ovih potkova: iskovao sam čavle kojima su potkove ispunjene, ne može ih tamo više primiti nikakav mali opseg."]. Ali ti čavli, iako vrlo mali, ostali su čavli i nisu izgubili svoju glavnu funkciju - držanje potkove. Dakle, primjer s Leftyjem je primjer minijaturizacije (mikrominijaturizacije, ako hoćete), tj. smanjenja veličine objekta bez promjene njegovih funkcionalnih i drugih svojstava.

Ali već spomenuta priča B. Žitkova upravo opisuje promjenu svojstava:

Citat:
“Trebao sam izvući tanku žicu - dakle, debljine koja bi bila kao kosa za moje žive ruke. Radio sam i gledao kroz mikroskop dok su mikro ruke pružale bakar. Sve tanje, tanje - ostalo je još pet dionica - a onda je žica pukla. Nije se čak ni potrgalo - smrvilo se kao da je od gline. Raspao se u sitni pijesak. Ovo je crveni bakar, poznat po svojoj rastegljivosti.”

Imajte na umu da u Wikipedia u članku o nanotehnologiji povećanje tvrdoće bakra navodi se kao jedan od primjera promjene svojstava sa smanjenjem veličine. (Pitam se gdje je B. Zhitkov saznao za ovo 1931.?)

Nanoobjekti: kvantne ravnine, niti i točke. Ugljikove nanostrukture

Krajem 20. stoljeća konačno je postalo očito postojanje određenog područja veličina čestica materije - područja nanoveličina. Fizičari, pojašnjavajući definiciju nano-objekata, tvrde da se gornja granica nano-presjeka ljestvice veličine naizgled podudara s veličinom manifestacije takozvanih niskodimenzionalnih učinaka ili učinka smanjenja dimenzionalnosti.

Pokušajmo obrnuto prevesti posljednju tvrdnju s jezika fizičara na uobičajeni ljudski jezik.

Živimo u trodimenzionalnom svijetu. Svi stvarni objekti oko nas imaju određene dimenzije u sve tri dimenzije ili, kako kažu fizičari, imaju dimenziju 3.

Provedimo sljedeći misaoni eksperiment. Izaberimo trodimenzionalni, volumen, uzorak nekog materijala, po mogućnosti homogenog kristala. Neka to bude kocka s duljinom brida 1 cm. Ovaj uzorak ima određena fizikalna svojstva koja ne ovise o njegovoj veličini. U blizini vanjske površine našeg uzorka, svojstva se mogu razlikovati od onih u masi. Međutim, relativni udio površinskih atoma je mali, pa se stoga može zanemariti doprinos površinskih promjena svojstava (ovaj zahtjev jezikom fizičara znači da uzorak volumen). Podijelimo sada kocku na pola - dvije njezine karakteristične dimenzije ostat će iste, a jedna neka bude visina d, smanjit će se 2 puta. Što će se dogoditi sa svojstvima uzorka? Neće se promijeniti. Ponovimo ponovno ovaj eksperiment i izmjerimo svojstvo koje nas zanima. Dobit ćemo isti rezultat. Ponavljajući eksperiment mnogo puta, konačno ćemo postići određenu kritičnu veličinu d*, ispod kojeg će svojstvo koje mjerimo početi ovisiti o veličini d. Zašto? Na d ≤ d* udio doprinosa površinskih atoma svojstvima postaje značajan i dalje će se povećavati s daljnjim smanjenjem d.

Fizičari kažu da kada d ≤ d* u našem uzorku postoji kvantni učinak veličine u jednoj dimenziji. Za njih naš uzorak više nije trodimenzionalan (što za svakog običnog čovjeka zvuči apsurdno, jer naš d iako je malen, nije jednak nuli!), it dimenzija smanjena na dvije. A sam uzorak se zove kvantna ravan, ili kvantni bunar, po analogiji s izrazom "potencijalni bunar" koji se često koristi u fizici.

Ako u nekom uzorku d ≤ d* u dvije dimenzije, zove se jednodimenzionalni kvantni objekt, ili kvantna nit, ili kvantna žica. U objekti nulte dimenzije, ili kvantne točke, d ≤ d* u sve tri dimenzije.

Naravno, kritična veličina d* nije konstantna vrijednost za različitih materijala pa čak i za jedan materijal može značajno varirati ovisno o tome koje smo od svojstava mjerili u našem eksperimentu, ili, drugim riječima, koja od kritičnih dimenzionalnih karakteristika fizikalnih pojava određuje to svojstvo (slobodni put elektrona fonona, de Broglieva valna duljina, difuzija, dubina prodiranja vanjskog elektromagnetskog polja ili akustičnih valova itd.).

Međutim, pokazalo se da uz svu raznolikost pojava koje se događaju u organskim i anorganskim materijalima u živoj i neživoj prirodi, vrijednost d* nalazi se otprilike u rasponu 1-100 nm. Dakle, "nanoobjekt" ("nanostruktura", "nanočestica") je jednostavno još jedna varijanta pojma "kvantno-dimenzionalna struktura". Ovo je objekt koji d ≤ d* Po barem u jednoj dimenziji. To su čestice smanjene dimenzionalnosti, čestice s povećanim udjelom površinskih atoma. To znači da ih je najlogičnije klasificirati prema stupnju redukcije dimenzionalnosti: 2D - kvantne ravnine, 1D - kvantne niti, 0D - kvantne točke.

Cijeli spektar smanjenih dimenzija može se jednostavno objasniti i, što je najvažnije, eksperimentalno promatrati na primjeru ugljikovih nanočestica.

Otkriće ugljikovih nanostruktura bila je vrlo važna prekretnica u razvoju koncepta nanočestica.

Ugljik je tek jedanaesti najzastupljeniji element u prirodi, ali zahvaljujući jedinstvenoj sposobnosti njegovih atoma da se međusobno spajaju i tvore dugačke molekule koje uključuju druge elemente kao supstituente, nastao je veliki izbor organskih spojeva, pa čak i sam život. Ali čak i kada se povezuje samo sa sobom, ugljik je sposoban stvarati veliki set različite strukture s vrlo različitim svojstvima – takozvane alotropske modifikacije. Dijamant je, primjerice, etalon prozirnosti i tvrdoće, dielektrik i toplinski izolator. Međutim, grafit je idealan “upijač” svjetlosti, ultra mekan materijal (u određenom smjeru), jedan od najbolji vodiči topline i električne energije (u ravnini okomitoj na gornji pravac). Ali oba se materijala sastoje samo od atoma ugljika!

Ali sve je to na makrorazini. A prijelaz na nanorazinu otvara nova jedinstvena svojstva ugljika. Pokazalo se da je "ljubav" atoma ugljika jedni prema drugima toliko velika da mogu, bez sudjelovanja drugih elemenata, formirati cijeli skup nanostruktura koje se međusobno razlikuju, uključujući i veličinu. To uključuje fulerene, grafen, nanocijevi, nanokone itd. (slika 5).

Napomenimo da se ugljikove nanostrukture mogu nazvati "pravim" nanočesticama, jer u njima, kao što se jasno može vidjeti na Sl. 5, svi njihovi sastavni atomi leže na površini.

No, vratimo se samom grafitu. Dakle, grafit je najčešća i termodinamički stabilna modifikacija elementarnog ugljika s trodimenzionalnom kristalnom strukturom koja se sastoji od paralelnih atomskih slojeva, od kojih je svaki gusto pakiranje šesterokuta (slika 6). Na vrhovima svakog takvog šesterokuta nalazi se atom ugljika, a stranice šesterokuta grafički odražavaju jake kovalentne veze između atoma ugljika, čija je duljina 0,142 nm. Ali udaljenost između slojeva je prilično velika (0,334 nm), pa je veza između slojeva prilično slaba (u ovom slučaju govore o van der Waalsovoj interakciji).

Ova kristalna struktura objašnjava osobitosti fizičkih svojstava grafita. Prvo, niska tvrdoća i sposobnost lakog odvajanja u sitne ljuskice. Tako, na primjer, pišu olovkama čije grafitne ljuskice, oljuštivši se, ostaju na papiru. Drugo, već spomenuta izrazita anizotropija fizikalnih svojstava grafita i prije svega njegove električne vodljivosti i toplinske vodljivosti.

Bilo koji od slojeva trodimenzionalne strukture grafita može se smatrati divovskom planarnom strukturom koja ima 2D dimenziju. Ova dvodimenzionalna struktura, izgrađena samo od ugljikovih atoma, naziva se "grafen". Dobivanje takve strukture je "relativno" lako, barem u misaonom eksperimentu. Uzmimo grafitnu olovku i počnemo pisati. Visina olova d smanjit će se. Ako imate dovoljno strpljenja, onda u nekom trenutku vrijednost d bit će jednako d*, te dobivamo kvantnu ravninu (2D).

Dugo vremena problem stabilnosti ravnih dvodimenzionalnih struktura u slobodnom stanju (bez supstrata) općenito, a posebno grafena, kao i elektronska svojstva grafena, bili su predmet samo teorijskih istraživanja. U novije vrijeme, 2004., skupina fizičara predvođena A. Geimom i K. Novoselovim dobila je prve uzorke grafena, koji su revolucionirali ovo područje, budući da se pokazalo da su takve dvodimenzionalne strukture posebno sposobne prikazati nevjerojatne elektroničke svojstva, kvalitativno različita od svega što je prethodno promatrano. Stoga danas stotine eksperimentalnih skupina proučava elektronska svojstva grafena.

Smotamo li sloj grafena, monoatomske debljine, u cilindar tako da je heksagonalna mreža ugljikovih atoma zatvorena bez šavova, tada ćemo “konstruirati” ugljikova nanocijev s jednom stijenkom. Eksperimentalno je moguće dobiti nanocijevi s jednom stijenkom promjera od 0,43 do 5 nm. Karakteristične značajke geometrije nanocijevi su rekordne vrijednosti specifične površine (u prosjeku ~1600 m 2 /g za cijevi s jednom stijenkom) i omjer duljine i promjera (100 000 i više). Dakle, nanocijevi su 1D nanoobjekti – kvantne niti.

U pokusima su također uočene višeslojne ugljikove nanocijevi (slika 7). Sastoje se od koaksijalnih cilindara umetnutih jedan u drugi, čije su stijenke na udaljenosti (oko 3,5 Å) bliskoj međuplanarnoj udaljenosti u grafitu (0,334 nm). Broj zidova može varirati od 2 do 50.

Ako stavimo komad grafita u atmosferu inertnog plina (helija ili argona) i zatim ga osvijetlimo snopom snažnog pulsirajućeg lasera ili koncentrirane sunčeve svjetlosti, možemo ispariti materijal naše grafitne mete (imajte na umu da za ovo ciljna površinska temperatura mora biti najmanje 2700 °C). U takvim uvjetima se iznad ciljne površine stvara plazma koja se sastoji od pojedinačnih atoma ugljika, koji su povučeni protokom hladnog plina, što dovodi do hlađenja plazme i stvaranja klastera ugljika. Dakle, pokazalo se da su pod određenim uvjetima klasteriranja atomi ugljika zatvoreni i tvore okvirnu sferičnu molekulu C 60 s dimenzijom 0D (tj. kvantna točka), već prikazanu na slici. 1.

Takvo spontano stvaranje molekule C 60 u ugljičnoj plazmi otkriveno je u zajedničkom pokusu G. Krotoa, R. Curla i R. Smoleya, koji su provodili deset dana u rujnu 1985. godine. Radoznalog čitatelja uputit ćemo na knjigu E. A. Katz "Fulereni, ugljikove nanocijevi i nanoklasteri: Genealogija oblika i ideja", detaljno opisujući fascinantnu povijest ovog otkrića i događaje koji su mu prethodili (s kratkim izletima u povijest znanosti do renesanse, pa čak i antike), kao kao i objašnjenje motivacije za na prvi (i samo na prvi pogled) čudan naziv nove molekule - buckminsterfuleren - u čast arhitekta R. Buckminstera Fullera (vidi i knjigu [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Naknadno je otkriveno da postoji cijela obitelj molekula ugljika - fulereni - u obliku konveksnih poliedara, koji se sastoje samo od šesterokutnih i peterokutnih lica (slika 8).

Upravo je otkriće fulerena bilo neka vrsta magičnog "zlatnog ključa". Novi svijet nanometarske strukture napravljene od čistog ugljika izazvale su eksploziju rada u ovom području. Do danas je otkriven veliki broj različitih klastera ugljika s fantastičnom (u doslovnom smislu riječi!) raznolikošću strukture i svojstava.

No, vratimo se nanomaterijalima.

Nanomaterijali su materijali čije su strukturne jedinice nanoobjekti (nanočestice). Slikovito rečeno, zgrada nanomaterijala izgrađena je od cigli-nanoobjekata. Stoga je najproduktivnije klasificirati nanomaterijale prema dimenzijama i samog uzorka nanomaterijala (vanjske dimenzije matrice) i prema dimenzijama njegovih sastavnih nanoobjekata. U radu je dana najdetaljnija klasifikacija ove vrste. 36 klasa nanostruktura predstavljenih u ovom radu opisuje cjelokupnu raznolikost nanomaterijala, od kojih su neki (poput gore spomenutih fulerena ili ugljikovih nanopeja) već uspješno sintetizirani, a neki još uvijek čekaju svoju eksperimentalnu primjenu.

Zašto nije tako jednostavno?

Dakle, pojmove „nanoznanosti“, „nanotehnologije“ i „nanomaterijala“ koji nas zanimaju možemo strogo definirati samo ako razumijemo što je „nanoobjekt“.

"Nanoobjekt" pak ima dvije definicije. Prvi, jednostavniji (tehnološki): to su objekti (čestice) karakteristične veličine približno 1–100 nanometara u barem jednoj dimenziji. Druga definicija, više znanstvena, fizička: objekt smanjene dimenzije (koji d ≤ d* u barem jednoj dimenziji).

Koliko znamo, nema drugih definicija.

Međutim, ne može se ne primijetiti činjenica da znanstvena definicija ima i ozbiljan nedostatak. Naime: u njemu je, za razliku od tehnološkog, određena samo gornja granica nanoveličina. Treba li postojati donja granica? Po našem mišljenju, naravno da bi trebalo. Prvi razlog za postojanje donje granice izravno proizlazi iz fizikalne suštine znanstvene definicije nanoobjekta, budući da je većina gore raspravljenih učinaka smanjenja dimenzionalnosti učinak kvantnog ograničenja, odnosno fenomena rezonantne prirode. Drugim riječima, opažaju se kada se karakteristične duljine efekta i dimenzije objekta podudaraju, tj. ne samo za d ≤ d*, o čemu je već bilo riječi, ali u isto vrijeme samo ako je veličina d prelazi određenu donju granicu d** (d** ≤ d ≤ d*). Očito je da vrijednost d* može varirati za različite pojave, ali mora premašiti veličinu atoma.

Ilustrirajmo to na primjeru ugljikovih spojeva. Policiklički aromatski ugljikovodici (PAH) kao što su naftalen, benzopiren, krizen itd. formalno su analozi grafena. Štoviše, najveći poznati PAH ima opću formulu C222H44 i sadrži 10 dijagonalnih benzenskih prstenova. Međutim, oni nemaju nevjerojatna svojstva koja ima grafen i ne mogu se smatrati nanočesticama. Isto vrijedi i za nanodijamante: do ~ 4–5 nm to su nanodijamanti, ali blizu ovih granica, pa čak i izvan njih, prikladni su viši dijamandoidi (analozi adamantana, koji imaju kondenzirane dijamantne ćelije kao osnovu strukture).

Dakle: ako je u granici veličina objekta u sve tri dimenzije jednaka veličini atoma, tada, na primjer, kristal sastavljen od takvih 0-dimenzionalnih objekata neće biti nanomaterijal, već običan atomski kristal. Očito je. Također je očito da broj atoma u nanoobjektu ipak mora biti veći od jedan. Ako nanoobjekt ima sve tri vrijednosti d manje od d**, on prestaje biti jedan. Takav objekt mora biti opisan jezikom opisa pojedinačnih atoma.

Što ako ne sve tri veličine, nego samo jednu, na primjer? Ostaje li takav objekt nanoobjekt? Naravno da. Takav objekt je, primjerice, već spomenuti grafen. Činjenica da je karakteristična veličina grafena u jednoj dimenziji jednaka promjeru atoma ugljika ne oduzima mu svojstva nanomaterijala. A ta svojstva su apsolutno jedinstvena. Mjerena je vodljivost, Shubnikov-de Haasov efekt i kvantni Hallov efekt u grafenskim filmovima atomske debljine. Eksperimenti su potvrdili da je grafen poluvodič s nultim zabranjenim pojasom, dok je na mjestima dodira valentnog i vodljivog pojasa energetski spektar elektrona i šupljina linearan u funkciji valnog vektora. Čestice s nultom efektivnom masom, posebno fotoni, neutrini i relativističke čestice, imaju ovu vrstu spektra. Razlika između fotona i nositelja bez mase u grafenu je u tome što su potonji fermioni i nabijeni su. Trenutno nema analoga za ove bezmasene nabijene Diracove fermione među poznatim elementarnim česticama. Danas je grafen od velikog interesa kako za testiranje mnogih teorijskih postavki iz područja kvantne elektrodinamike i teorije relativnosti, tako i za stvaranje novih nanoelektroničkih uređaja, posebice balističkih i jednoelektronskih tranzistora.

Za našu raspravu vrlo je važno da je najbliže konceptu nanoobjekta dimenzionalno područje u kojem se ostvaruju tzv. mezoskopski fenomeni. To je minimalno dimenzionalno područje za koje je razumno govoriti ne o svojstvima pojedinačnih atoma ili molekula, već o svojstvima materijala u cjelini (na primjer, kada se određuje temperatura, gustoća ili vodljivost materijala). Mezoskopske dimenzije su točno u rasponu od 1-100 nm. (Prefiks "mezo-" dolazi od grčke riječi za "prosječan", srednji - između atomske i makroskopske dimenzije.)

Svima je poznato da se psihologija bavi ponašanjem pojedinaca, a sociologija ponašanjem velikih grupa ljudi. Dakle, odnosi u grupi od 3-4 osobe mogu se analogijom okarakterizirati kao mezofenomeni. Na isti način, kao što je gore spomenuto, mala hrpa atoma je nešto što nije ni poput "hrpe" atoma ni kao pojedinačni atom.

Ovdje treba istaknuti još jednu važnu značajku svojstava nanoobjekata. Unatoč činjenici da su, za razliku od grafena, ugljikove nanocijevi i fulereni formalno 1- odnosno 0-dimenzionalni objekti, u biti to nije sasvim točno. Ili bolje rečeno, ne u isto vrijeme. Činjenica je da je nanocijev isti 2D monoatomski sloj grafena smotan u cilindar. Fulleren je 2D sloj ugljika monoatomske debljine, zatvoren preko površine kugle. Odnosno, svojstva nanoobjekata značajno ovise ne samo o njihovoj veličini, već io topološkim karakteristikama - jednostavno rečeno, o njihovom obliku.

Dakle, ispravna znanstvena definicija nanoobjekta trebala bi biti sljedeća:

Citat:
je objekt s barem jednom od dimenzija ≤ d*, a najmanje jedna od dimenzija prelazi d**. Drugim riječima, objekt je dovoljno velik da ima makrosvojstva tvari, ali ga istovremeno karakterizira smanjena dimenzija, tj. u barem jednoj dimenziji dovoljno je malen da vrijednosti tih Svojstva se uvelike razlikuju od odgovarajućih svojstava makroobjekata iz iste tvari, bitno ovise o veličini i obliku predmeta. U ovom slučaju, točne vrijednosti dimenzija d*i d** može varirati ne samo od tvari do tvari, već i za različita svojstva iste tvari.

Činjenica da ova razmatranja nipošto nisu skolastička (poput "s koliko zrna pijeska počinje hrpa?"), već imaju duboko značenje za razumijevanje jedinstva znanosti i kontinuiteta svijeta oko nas, postaje očita ako usmjeravamo pažnju na nano-objekte organskog podrijetla.

Nanoobjekti organske prirode - supramolekularne strukture

Gore smo razmatrali samo anorganske, relativno homogene materijale, a već tamo sve nije bilo tako jednostavno. Ali na Zemlji postoji ogromna količina materije koja ne samo da je teško, već se ne može nazvati homogenom. Riječ je o biološkim strukturama i općenito o živoj tvari.

Nacionalna nanotehnološka inicijativa kao jedan od razloga posebnog interesa za područje nanorazmjera navodi sljedeće:

Citat:
budući da je sustavna organizacija materije na nanorazini Glavna značajka biološki sustavi, nanoznanost i tehnologija omogućit će ugradnju umjetnih komponenti i sklopova u stanice, čime će se stvoriti novi strukturno organizirani materijali temeljeni na oponašanju metoda samosastavljanja u prirodi.

Pokušajmo sada razumjeti kakvo značenje koncept "nanoveličine" ima u svojoj primjeni na biologiju, imajući na umu da se pri prelasku na ovaj raspon veličina svojstva moraju fundamentalno ili dramatično promijeniti. Ali prvo, podsjetimo se da se nanoregiji može pristupiti na dva načina: "odozgo prema dolje" (fragmentacija) ili "odozdo prema gore" (sinteza). Dakle, pokret "odozdo prema gore" za biologiju nije ništa drugo nego stvaranje biološki aktivnih kompleksa iz pojedinačnih molekula.

Razmotrimo ukratko kemijske veze koje određuju strukturu i oblik molekule. Prva i najjača je kovalentna veza koju karakterizira strogi smjer (samo od jednog atoma do drugog) i određena duljina, koja ovisi o vrsti veze (jednostruka, dvostruka, trostruka itd.). Upravo kovalentne veze između atoma određuju "primarnu strukturu" svake molekule, odnosno koji su atomi međusobno povezani i kojim redoslijedom.

Ali postoje i druge vrste veza koje određuju ono što se naziva sekundarna struktura molekule, njezin oblik. To je prvenstveno vodikova veza - veza između polarnog atoma i atoma vodika. Najbliža je kovalentnoj vezi, jer je također karakterizirana određenom duljinom i smjerom. Međutim, ta je veza slaba, njena energija je za red veličine niža od energije kovalentne veze. Preostale vrste interakcija su neusmjerene i karakterizirane su ne duljinom formiranih veza, već brzinom opadanja energije veze s povećanjem udaljenosti između atoma u interakciji (interakcija velikog dometa). Ionska veza je interakcija dugog dometa; van der Waalsova interakcija je kratkog dometa. Dakle, ako se udaljenost između dviju čestica poveća za r puta, tada će se u slučaju ionske veze privlačnost smanjiti na 1/ r 2 od početne vrijednosti, u slučaju već spomenute van der Waalsove interakcije - na 1/ r 3 ili više (do 1/ r 12). Sve te interakcije općenito se mogu definirati kao međumolekularne interakcije.

Razmotrimo sada takav koncept kao "biološki aktivna molekula". Treba priznati da je molekula tvari sama po sebi od interesa samo za kemičare i fizičare. Zanima ih njegova struktura ("primarna struktura"), njen oblik ("sekundarna struktura"), makroskopski pokazatelji kao što su, na primjer, stanje agregacije, topljivost, talište i vrelište itd., i mikroskopski (elektronski učinci i međusobni utjecaj atoma u određenoj molekuli, spektralna svojstva kao manifestacija tih međudjelovanja). Drugim riječima, govorimo o proučavanju svojstava koja u principu pokazuje jedna molekula. Podsjetimo se, po definiciji, molekula je najmanja čestica tvari koja nosi njezina kemijska svojstva.

Sa stajališta biologije, “izolirana” molekula (u ovom slučaju nije važno radi li se o jednoj molekuli ili više identičnih molekula) nije sposobna pokazati nikakva biološka svojstva. Ova teza zvuči prilično paradoksalno, ali pokušajmo je potkrijepiti.

Razmotrimo to na primjeru enzima - proteinskih molekula koje su biokemijski katalizatori. Na primjer, enzim hemoglobin, koji osigurava prijenos kisika u tkiva, sastoji se od četiri proteinske molekule (podjedinice) i jedne takozvane prostetske skupine - hema, koja sadrži atom željeza nekovalentno vezan na proteinske podjedinice hemoglobina.

Glavni, odnosno odlučujući doprinos međudjelovanju proteinskih podjedinica i hema, međudjelovanju koje dovodi do stvaranja i stabilnosti supramolekularnog kompleksa, koji se naziva hemoglobin, daju sile koje se ponekad nazivaju hidrofobnim interakcijama, ali koje predstavljaju sile međumolekularnih interakcija. Veze koje stvaraju te sile mnogo su slabije od kovalentnih. Ali u komplementarnoj interakciji, kada se dvije površine približe jedna drugoj, broj tih slabih veza je velik, i stoga je ukupna energija interakcije molekula prilično visoka, a rezultirajući kompleks je prilično stabilan. Ali dok se te veze ne stvore između četiriju podjedinica, dok se ne doda prostetička skupina (gem) (opet zbog nekovalentnih veza), ni pod kojim uvjetima pojedini dijelovi hemoglobina ne mogu vezati kisik, a još manje ga bilo gdje transportirati. I, stoga, nemaju tu biološku aktivnost. (Isto razmišljanje može se proširiti na sve enzime općenito.)

Štoviše, sam proces katalize podrazumijeva stvaranje tijekom reakcije kompleksa od najmanje dvije komponente - samog katalizatora i molekule (molekula), nazvanih supstrati, koji prolaze kroz neku vrstu kemijske transformacije pod utjecajem katalizatora. . Drugim riječima, mora nastati kompleks od najmanje dvije molekule, tj. supramolekulski (supramolekulski) kompleks.

Ideju komplementarne interakcije prvi je predložio E. Fischer kako bi objasnio interakciju lijekova s njihovom metom u tijelu i nazvana je interakcija "ključ za zaključavanje". Iako lijekovi (i druge biološke tvari) nisu u svim slučajevima enzimi, oni također mogu izazvati bilo kakav biološki učinak tek nakon interakcije s odgovarajućom biološkom metom. A takva interakcija, opet, nije ništa drugo nego stvaranje supramolekularnog kompleksa.

Posljedično, manifestacija temeljno novih svojstava "običnih" molekula (u ovom slučaju, biološke aktivnosti) povezana je s stvaranjem supramolekularnih (supramolekularnih) kompleksa s drugim molekulama zbog sila međumolekularne interakcije. Upravo tako je strukturirana većina enzima i sustava u tijelu (receptori, membrane itd.), uključujući i tako složene strukture koje se ponekad nazivaju biološkim “strojevima” (ribosomi, ATPaza itd.). I to se događa upravo na razini nanometarske veličine - od jednog do nekoliko desetaka nanometara.

S daljnjom složenošću i povećanjem veličine (više od 100 nm), tj. kada se prijeđe na drugu dimenzionalnu razinu (mikrorazinu), nastaju mnogo složeniji sustavi, sposobni ne samo za neovisno postojanje i interakciju (osobito razmjenu energije) s okolinom, njihovoj okolini, ali i samoreprodukciji. Odnosno, opet se mijenjaju svojstva cijelog sustava - on postaje toliko složen da je već sposoban za samoreprodukciju i nastaje ono što nazivamo živim strukturama.

Mnogi su mislioci opetovano pokušavali definirati Život. Ne ulazeći u filozofske rasprave, napominjemo da je, po našem mišljenju, život postojanje samoreproduktivnih struktura, a žive strukture počinju s jednom stanicom. Život je mikro i makroskopski fenomen, ali glavni procesi koji osiguravaju funkcioniranje živih sustava odvijaju se na razini nanoskala.

Funkcioniranje žive stanice kao integriranog samoregulirajućeg uređaja s izraženom strukturnom hijerarhijom osigurano je minijaturizacijom na razini nanoskala. Očito je da je minijaturizacija na razini nanoskala temeljni atribut biokemije, pa se stoga evolucija života sastoji od pojave i integracije različitih oblika nanostrukturiranih objekata. Upravo je dio strukturne hijerarhije na nanomjeri, ograničen u veličini i iznad i ispod (!), koji je kritičan za izgled i sposobnost postojanja stanica. Odnosno, nanorazina je ta koja predstavlja prijelaz s molekularne razine na živuću razinu.

Međutim, zbog činjenice da je minijaturizacija na razini nanoskala temeljni atribut biokemije, još uvijek je nemoguće bilo kakve biokemijske manipulacije smatrati nanotehnološkim – nanotehnologija još uvijek uključuje dizajn, a ne banalnu upotrebu molekula i čestica.

Zaključak

Na početku članka već smo pokušali nekako klasificirati objekte raznih prirodnih znanosti prema načelu karakterističnih veličina predmeta koje proučavaju. Vratimo se na ovo ponovno i, primjenjujući ovu klasifikaciju, nalazimo da je atomska fizika, koja proučava interakcije unutar atoma, veličine subangstroma (femto- i piko-).

"Obična" anorganska i organska kemija su veličine angstrema, razina pojedinačnih molekula ili veza unutar kristala anorganskih tvari. Ali biokemija je razina nanoveličine, razina postojanja i funkcioniranja supramolekularnih struktura stabiliziranih nekovalentnim međumolekularnim silama.

Ali biokemijske strukture su još uvijek relativno jednostavne i mogu funkcionirati relativno neovisno ( in vitro, ako ti se sviđa). Daljnje kompliciranje, formiranje složenih ansambala supramolekularnih struktura - to je prijelaz na samoreproducirajuće strukture, prijelaz u Živo. I ovdje su to na razini stanica mikroveličine, a na razini organizama makroveličine. Ovo je već biologija i fiziologija.

Nanorazina je prijelazno područje od molekularne razine, koja čini osnovu postojanja svih živih bića, koja se sastoji od molekula, do razine Živog, razine postojanja samoreproduktivnih struktura i nanočestica, koje su supramolekularne. strukture stabilizirane silama međumolekularnog međudjelovanja, predstavljaju prijelazni oblik od pojedinačnih molekula do složenih funkcionalnih sustava. To se može odraziti na dijagram koji posebno naglašava kontinuitet Prirode (slika 9). U shemi se svijet nanorazmjera nalazi između atomsko-molekularnog svijeta i svijeta Živog, koji se sastoji od istih atoma i molekula, ali organiziranih u složene samoreproduktivne strukture, a prijelaz iz jednog svijeta u drugi nije određen. samo (i ne toliko) veličinom struktura, već njihovom složenošću . Priroda je odavno izumila i koristi supramolekularne strukture u živim sustavima. Daleko od toga da smo uvijek u stanju razumjeti, a još manje ponavljati, što Priroda čini lako i prirodno. Ali od nje ne možete očekivati usluge, morate učiti od nje.

Levon Borisovič Piotrovski,
Istraživački institut za eksperimentalnu medicinu Sjeverozapadne podružnice Ruske akademije medicinskih znanosti, St. Petersburg
Evgenij Adolfovich Kats,
Sveučilište nazvano po Ben Gurion u Negevu, Izrael

Pretvarač duljine i udaljenosti Pretvarač mase Pretvarač mjera volumena rasutih proizvoda i prehrambenih proizvoda Pretvarač površine Pretvarač obujma i mjernih jedinica u kulinarskim receptima Pretvarač temperature Pretvarač tlaka, mehaničkog naprezanja, Youngovog modula Pretvarač energije i rada Pretvarač snage Pretvarač sile Pretvarač vremena Pretvarač linearne brzine Pretvarač ravnog kuta Pretvarač toplinske učinkovitosti i iskoristivosti goriva Pretvarač brojeva u različitim brojevnim sustavima Pretvarač mjernih jedinica količine informacija Tečaj valuta Veličine ženske odjeće i obuće Veličine muške odjeće i obuće Pretvarač kutne brzine i frekvencije vrtnje Pretvarač ubrzanja Pretvarač kutnog ubrzanja Pretvarač gustoće Pretvarač specifičnog volumena Pretvarač momenta tromosti Pretvarač momenta sile Pretvarač momenta Pretvarač specifične topline izgaranja (prema masi) Pretvarač gustoće energije i specifične topline izgaranja (prema volumenu) Pretvarač temperaturne razlike Pretvarač koeficijenta toplinske ekspanzije Pretvarač toplinskog otpora Pretvarač toplinske vodljivosti Pretvarač specifičnog toplinskog kapaciteta Pretvarač snage izloženosti energiji i toplinskom zračenju Pretvarač gustoće toplinskog toka Pretvarač koeficijenta prijenosa topline Pretvarač volumenskog protoka Pretvarač masenog protoka Pretvarač molarnog protoka Pretvarač masenog protoka Pretvarač molarne koncentracije Pretvarač masene koncentracije u otopini Pretvarač dinamički (apsolutni) pretvarač viskoznosti Pretvarač kinematičke viskoznosti Pretvarač površinske napetosti Pretvarač paropropusnosti Pretvarač paropropusnosti i brzine prijenosa pare Pretvarač razine zvuka Pretvarač osjetljivosti mikrofona Pretvarač razine zvučnog tlaka (SPL) Pretvarač razine zvučnog tlaka s odabirom referentnog tlaka Pretvarač svjetline Pretvarač svjetlosnog intenziteta Pretvarač osvjetljenja Pretvarač rezolucije računalna grafika Pretvarač frekvencije i valne duljine Pretvarač jačine dioptrije i žarišne duljine Pretvarač jačine dioptrije i povećanja objektiva (×) električno punjenje Pretvarač linearne gustoće naboja Pretvarač gustoće površinskog naboja Pretvarač gustoće volumena Pretvarač gustoće naboja električna struja Pretvarač linearne gustoće struje Pretvarač površinske gustoće struje Pretvarač jakosti električnog polja Pretvarač elektrostatskog potencijala i napona Pretvarač električnog otpora Pretvarač električnog otpora Pretvarač električne vodljivosti Pretvarač električne vodljivosti Pretvarač električnog kapaciteta Pretvarač induktiviteta Američki pretvarač žica Razine u dBm (dBm ili dBm), dBV ( dBV ), vati i druge jedinice Pretvarač magnetske sile Pretvarač jakosti magnetskog polja Pretvarač magnetskog toka Pretvarač magnetske indukcije Zračenje. Pretvarač brzine apsorbirane doze ionizirajućeg zračenja Radioaktivnost. Pretvarač radioaktivnog raspada Zračenje. Pretvarač doze izloženosti Zračenje. Pretvarač apsorbirane doze Pretvarač decimalnog prefiksa Prijenos podataka Tipografija i obrada slike Pretvarač jedinica Pretvarač jedinica Volumen drva Pretvarač jedinica Izračun molekulska masa Periodni sustav kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva

1 mili [m] = 1000 mikro [μ]

Početna vrijednost

Pretvorena vrijednost

bez prefiksa yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yocto

Metrički sustav i Međunarodni sustav jedinica (SI)

Uvod

U ovom ćemo članku govoriti o metričkom sustavu i njegovoj povijesti. Vidjet ćemo kako je i zašto počelo i kako se postupno razvilo u ovo što imamo danas. Također ćemo se osvrnuti na SI sustav, koji se razvio iz metričkog sustava mjera.

Našim precima, koji su živjeli u svijetu punom opasnosti, mogućnost mjerenja različitih veličina u njihovom prirodnom staništu omogućila je približavanje razumijevanju suštine prirodnih pojava, poznavanju okoline i sposobnosti da nekako utječu na ono što ih okružuje. . Zbog toga su ljudi pokušavali izmisliti i poboljšati razne mjerne sustave. U zoru ljudskog razvoja, posjedovanje mjernog sustava nije bilo ništa manje važno nego što je sada. Ispuniti različita mjerenja bilo je potrebno pri izgradnji stanova, šivanju odjeće različitih veličina, kuhanju i, naravno, trgovini i razmjeni nije moglo bez mjerenja! Mnogi smatraju da je stvaranje i usvajanje Međunarodnog sustava SI jedinica najozbiljnije postignuće ne samo znanosti i tehnologije, već i ljudskog razvoja općenito.

Rani mjerni sustavi

U ranim mjernim i brojevnim sustavima ljudi su koristili tradicionalne predmete za mjerenje i usporedbu. Na primjer, vjeruje se da se decimalni sustav pojavio zbog činjenice da imamo deset prstiju na rukama i nogama. Ruke su uvijek s nama - zato su ljudi od davnina koristili (i još uvijek koriste) prste za brojanje. Ipak, nismo uvijek koristili sustav s bazom 10 za brojanje, a metrički sustav je relativno nov izum. Svaka je regija razvila svoje vlastite sustave jedinica i, iako ovi sustavi imaju mnogo toga zajedničkog, većina sustava je još uvijek toliko različita da je pretvaranje mjernih jedinica iz jednog sustava u drugi uvijek predstavljalo problem. Taj je problem postajao sve ozbiljniji kako se razvijala trgovina između različitih naroda.

Točnost prvih sustava mjera i utega izravno je ovisila o veličini predmeta koji su okruživali ljude koji su razvili te sustave. Jasno je da su mjerenja bila netočna, jer “mjerni uređaji” nisu imali točne dimenzije. Na primjer, dijelovi tijela obično su se koristili kao mjera duljine; masa i volumen mjereni su korištenjem volumena i mase sjemenki i drugih malih predmeta čije su dimenzije bile više-manje iste. U nastavku ćemo pobliže pogledati takve jedinice.

Dužinske mjere

U starom Egiptu duljina se prvi put mjerila jednostavno laktovima, a kasnije s kraljevskim laktovima. Duljina lakta određena je kao udaljenost od pregiba lakta do kraja ispruženog srednjeg prsta. Stoga je kraljevski lakat definiran kao lakat vladajućeg faraona. Izrađen je model lakta i dostupan široj javnosti kako bi svatko mogao izraditi vlastite mjere za duljinu. Ovo je, naravno, bila proizvoljna jedinica koja se mijenjala kada bi nova vladajuća osoba preuzela prijestolje. Drevni Babilon koristio je sličan sustav, ali s manjim razlikama.

Lakat je bio podijeljen na manje jedinice: dlan, ruka, zerets(ft), i vas(prst), koji su predstavljeni širinom dlana, ruke (s palcem), stopala i prsta. Ujedno su se odlučili dogovoriti koliko prstiju ima u dlanu (4), u šaci (5) i u laktu (28 u Egiptu i 30 u Babilonu). Bilo je praktičnije i točnije od mjerenja omjera svaki put.

Mjere za masu i težinu

Mjere težine također su se temeljile na parametrima različitih objekata. Sjemenke, žitarice, grah i slični predmeti korišteni su kao mjere težine. Klasičan primjer jedinice za masu koja se i danas koristi je karat. Danas se težina dragog kamenja i bisera mjeri u karatima, a nekada se težina sjemenki rogača, inače nazivanog rogačem, određivala kao karat. Drvo se uzgaja u Sredozemlju, a njegove se sjemenke odlikuju konstantnom masom, pa su bile zgodne za mjeru težine i mase. Različita su mjesta koristila različite sjemenke kao male jedinice težine, a veće jedinice su obično bile višekratnici manjih jedinica. Arheolozi često nalaze slične velike utege, obično izrađene od kamena. Sastojali su se od 60, 100 i drugih brojeva malih jedinica. Budući da nije postojao jedinstven standard za broj malih jedinica, kao ni za njihovu težinu, dolazilo je do sukoba kada su se susretali prodavači i kupci koji su živjeli na različitim mjestima.

Mjere za volumen

U početku se volumen mjerio i malim predmetima. Na primjer, volumen lonca ili vrča određen je punjenjem do vrha malim predmetima u odnosu na standardni volumen - poput sjemenki. Međutim, nedostatak standardizacije doveo je do istih problema kod mjerenja volumena kao i kod mjerenja mase.

Evolucija raznih sustava mjera

Starogrčki sustav mjera temeljio se na staroegipatskom i babilonskom, a Rimljani su stvorili svoj sustav na temelju starogrčkog. Zatim su se ognjem i mačem i, naravno, trgovinom ti sustavi proširili po cijeloj Europi. Treba napomenuti da ovdje govorimo samo o najčešćim sustavima. Ali postojali su mnogi drugi sustavi mjera i utega, jer su razmjena i trgovina bili potrebni apsolutno svima. Ako na tom području nije bilo pisanog jezika ili nije bilo uobičajeno bilježiti rezultate razmjene, onda možemo samo nagađati kako su ti ljudi mjerili volumen i težinu.

Postoje mnoge regionalne varijacije u sustavima mjera i utega. To je zbog njihovog samostalnog razvoja i utjecaja drugih sustava na njih kao rezultat trgovine i osvajanja. Razni sustavi nisu bili samo u različitim zemljama, nego često i unutar iste zemlje, gdje je svaki trgovački grad imao svoj, jer lokalni vladari nisu željeli ujedinjenje kako bi zadržali svoju moć. Kako su se putovanja, trgovina, industrija i znanost razvijali, mnoge su zemlje nastojale unificirati sustave utega i mjera, barem unutar svojih zemalja.

Već u 13. stoljeću, a možda i ranije, znanstvenici i filozofi raspravljali su o stvaranju jedinstveni sustav mjerenja. Međutim, tek nakon Francuske revolucije i kasnije kolonizacije raznih regija svijeta od strane Francuske i drugih europskih zemalja, koje su već imale vlastite sustave utega i mjera, razvijen je novi sustav, usvojen u većini zemalja svijeta. svijet. Ovaj novi sustav bio je decimalni metrički sustav. Temeljio se na bazi 10, odnosno za bilo koju fizikalnu veličinu postojala je jedna osnovna jedinica, a sve ostale jedinice mogle su se formirati na standardan način pomoću decimalnih prefiksa. Svaka takva frakcijska ili višestruka jedinica može se podijeliti na deset manjih jedinica, a te manje jedinice mogu se pak podijeliti na 10 još manjih jedinica, i tako dalje.

Kao što znamo, većina ranih mjernih sustava nije se temeljila na bazi 10. Pogodnost sustava s bazom 10 je u tome što brojevni sustav koji nam je poznat ima istu bazu, što nam omogućuje da brzo i praktično, koristeći jednostavna i poznata pravila , pretvarati iz manjih jedinica u velike i obrnuto. Mnogi znanstvenici smatraju da je izbor desetice kao osnove brojevnog sustava proizvoljan i povezan samo s činjenicom da imamo deset prstiju i da imamo drugačiji broj prstiju, tada bismo vjerojatno koristili drugačiji brojevni sustav.

Metrički sustav

U ranim danima metričkog sustava, prototipovi koje je napravio čovjek koristili su se kao mjere za duljinu i težinu, kao u prethodni sustavi. Metrički sustav je evoluirao od sustava koji se temelji na materijalnim standardima i ovisnosti o njihovoj točnosti u sustav koji se temelji na prirodnim pojavama i temeljnim fizikalnim konstantama. Na primjer, vremenska jedinica sekunda u početku je definirana kao dio tropske 1900. godine. Nedostatak ove definicije bila je nemogućnost eksperimentalne provjere ove konstante u narednim godinama. Stoga je sekunda redefinirana kao određeni broj perioda zračenja koji odgovaraju prijelazu između dvije hiperfine razine osnovnog stanja radioaktivnog atoma cezija-133, koji miruje pri 0 K. Jedinica udaljenosti, metar , bio je povezan s valnom duljinom linije spektra zračenja izotopa kriptona-86, no kasnije je metar redefiniran kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u vremenskom razdoblju jednakom 1/299,792,458 sekunde.

Međunarodni sustav jedinica (SI) nastao je na temelju metričkog sustava. Treba napomenuti da tradicionalno metrički sustav uključuje jedinice za masu, duljinu i vrijeme, ali u SI sustavu broj osnovnih jedinica je proširen na sedam. O njima ćemo raspravljati u nastavku.

Međunarodni sustav jedinica (SI)

Međunarodni sustav jedinica (SI) ima sedam osnovnih jedinica za mjerenje osnovnih veličina (masa, vrijeme, duljina, jakost svjetlosti, količina tvari, električna struja, termodinamička temperatura). Ovaj kilogram(kg) za mjerenje mase, drugi(c) za mjerenje vremena, metar(m) za mjerenje udaljenosti, kandela(cd) za mjerenje intenziteta svjetlosti, madež(skraćenica mol) za mjerenje količine tvari, amper(A) za mjerenje električne struje, i kelvin(K) za mjerenje temperature.

Trenutno još samo kilogram ima standard koji je izradio čovjek, dok se ostale jedinice temelje na univerzalnim fizikalnim konstantama ili prirodnim fenomenima. To je zgodno jer se fizičke konstante ili prirodni fenomeni na kojima se temelje mjerne jedinice mogu lako provjeriti u bilo kojem trenutku; Osim toga, ne postoji opasnost od gubitka ili oštećenja standarda. Također nema potrebe za stvaranjem kopija standarda kako bi se osigurala njihova dostupnost u različitim dijelovima svijeta. Time se eliminiraju pogreške povezane s točnošću izrade kopija fizičkih objekata i time se postiže veća točnost.

Decimalni prefiksi

Za formiranje višekratnika i podvišekratnika koji se razlikuju od osnovnih jedinica SI sustava određenim cijelim brojem puta, što je potencija broja deset, koristi prefikse pridružene nazivu osnovne jedinice. Slijedi popis svih trenutno korištenih prefiksa i decimalnih faktora koje predstavljaju:

Konzola	Simbol	Numerička vrijednost; Zarezi ovdje odvajaju grupe znamenki, a decimalni razdjelnik je točka.	Eksponencijalni zapis
Yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
exa	E	1 000 000 000 000 000 000	10 18
peta	P	1 000 000 000 000 000	10 15
tera	T	1 000 000 000 000	10 12
giga	G	1 000 000 000	10 9
mega	M	1 000 000	10 6
kilo	Do	1 000	10 3
hekto	G	100	10 2
zvučna ploča	Da	10	10 1
bez prefiksa		1	10 0
deci	d	0,1	10 -1
centi	S	0,01	10 -2
Mili	m	0,001	10 -3
mikro	mk	0,000001	10 -6
nano	n	0,000000001	10 -9
piko	P	0,000000000001	10 -12
femto	f	0,000000000000001	10 -15
atto	A	0,000000000000000001	10 -18
zepto	h	0,000000000000000000001	10 -21
yocto	I	0,000000000000000000000001	10 -24

Na primjer, 5 gigametara jednako je 5 000 000 000 metara, dok su 3 mikrokandele jednaka 0,000003 kandela. Zanimljivo je primijetiti da je, unatoč prisutnosti prefiksa u jedinici kilogram, to osnovna jedinica SI-ja. Stoga se gornji prefiksi primjenjuju s gramom kao da je osnovna jedinica.

U vrijeme pisanja ovog članka, samo tri zemlje nisu usvojile SI sustav: Sjedinjene Države, Liberija i Mianmar. U Kanadi i Ujedinjenom Kraljevstvu tradicionalne jedinice još uvijek se široko koriste, iako je SI sustav službeni sustav jedinica u tim zemljama. Dovoljno je ući u trgovinu i vidjeti cjenike po kilogramu robe (ispada jeftinije!), Ili pokušati kupiti građevinski materijal mjeren u metrima i kilogramima. Neće raditi! Da ne govorimo o pakiranju robe, gdje je sve označeno u gramima, kilogramima i litrama, ali ne cijelim brojevima, već preračunato iz funti, unci, pinti i kvarti. Mliječni prostor u hladnjačama također se računa po pola galona ili galona, a ne po litarskoj kutiji mlijeka.

Je li vam teško prevoditi mjerne jedinice s jednog jezika na drugi? Kolege su vam spremne pomoći. Postavite pitanje u TCTerms i u roku od nekoliko minuta dobit ćete odgovor.

Izračuni za pretvaranje jedinica u pretvaraču " Pretvornik decimalnih prefiksa" izvode se pomoću funkcija unitconversion.org.

Pretvarač duljine i udaljenosti Pretvarač mase Pretvarač mjera volumena rasutih proizvoda i prehrambenih proizvoda Pretvarač površine Pretvarač obujma i mjernih jedinica u kulinarskim receptima Pretvarač temperature Pretvarač tlaka, mehaničkog naprezanja, Youngovog modula Pretvarač energije i rada Pretvarač snage Pretvarač sile Pretvarač vremena Pretvarač linearne brzine Pretvarač ravnog kuta Pretvarač toplinske učinkovitosti i iskoristivosti goriva Pretvarač brojeva u različitim brojevnim sustavima Pretvarač mjernih jedinica količine informacija Tečaj valuta Veličine ženske odjeće i obuće Veličine muške odjeće i obuće Pretvarač kutne brzine i frekvencije vrtnje Pretvarač ubrzanja Pretvarač kutnog ubrzanja Pretvarač gustoće Pretvarač specifičnog volumena Pretvarač momenta tromosti Pretvarač momenta sile Pretvarač momenta Pretvarač specifične topline izgaranja (prema masi) Pretvarač gustoće energije i specifične topline izgaranja (prema volumenu) Pretvarač temperaturne razlike Pretvarač koeficijenta toplinske ekspanzije Pretvarač toplinskog otpora Pretvarač toplinske vodljivosti Pretvarač specifičnog toplinskog kapaciteta Pretvarač snage izloženosti energiji i toplinskom zračenju Pretvarač gustoće toplinskog toka Pretvarač koeficijenta prijenosa topline Pretvarač volumenskog protoka Pretvarač masenog protoka Pretvarač molarnog protoka Pretvarač masenog protoka Pretvarač molarne koncentracije Pretvarač masene koncentracije u otopini Pretvarač dinamički (apsolutni) pretvarač viskoznosti Pretvarač kinematske viskoznosti Pretvarač površinske napetosti Pretvarač propusnosti pare Pretvarač propusnosti pare i brzine prijenosa pare Pretvarač razine zvuka Pretvarač osjetljivosti mikrofona Pretvarač razine zvučnog tlaka (SPL) Pretvarač razine zvučnog tlaka s izborom referentnog tlaka Pretvarač osvijetljenosti Pretvarač svjetlosnog intenziteta Pretvarač osvjetljenja Pretvarač rezolucije računalne grafike Pretvarač frekvencije i valne duljine Dioptrijska snaga i žarišna duljina Dioptrijska snaga i povećanje leće (×) Pretvarač električnog naboja Pretvarač gustoće linearnog naboja Pretvarač gustoće površinskog naboja Pretvarač gustoće volumena Pretvarač električne struje Pretvarač linearne gustoće struje Pretvarač gustoće površinske struje Pretvarač jakosti električnog polja Elektrostatski potencijal i pretvarač napona Pretvarač električnog otpora Pretvarač električnog otpora Pretvarač električne vodljivosti Pretvarač električne vodljivosti Električni kapacitet Pretvarač induktiviteta Američki pretvarač promjera žice Razine u dBm (dBm ili dBm), dBV (dBV), vatima itd. jedinice Pretvarač magnetomotorne sile Pretvarač jakosti magnetskog polja Pretvarač magnetskog toka Pretvarač magnetske indukcije Zračenje. Pretvarač brzine apsorbirane doze ionizirajućeg zračenja Radioaktivnost. Pretvarač radioaktivnog raspada Zračenje. Pretvarač doze izloženosti Zračenje. Pretvarač apsorbirane doze Pretvarač decimalnog prefiksa Prijenos podataka Pretvarač jedinica tipografije i obrade slike Pretvarač jedinica volumena drveta Izračun molarne mase Periodni sustav kemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva

1 mikro [μ] = 1000 nano [n]

Početna vrijednost

Pretvorena vrijednost

bez prefiksa yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yocto

Valna duljina i frekvencija

Metrički sustav i Međunarodni sustav jedinica (SI)

Uvod

Našim precima, koji su živjeli u svijetu punom opasnosti, mogućnost mjerenja različitih veličina u njihovom prirodnom staništu omogućila je približavanje razumijevanju suštine prirodnih pojava, poznavanju okoline i sposobnosti da nekako utječu na ono što ih okružuje. . Zbog toga su ljudi pokušavali izmisliti i poboljšati razne mjerne sustave. U zoru ljudskog razvoja, posjedovanje mjernog sustava nije bilo ništa manje važno nego što je sada. Bilo je potrebno provoditi razna mjerenja pri gradnji stanova, šivanju odjeće različitih veličina, pripremanju hrane i, naravno, trgovina i razmjena nisu mogle bez mjerenja! Mnogi smatraju da je stvaranje i usvajanje Međunarodnog sustava SI jedinica najozbiljnije postignuće ne samo znanosti i tehnologije, već i ljudskog razvoja općenito.