Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №2
1Н.А. Горбатовская, С.Т. Жалкенова, Ж. Мусина
К вопросу обеспечения единства измерений в нанометровом диапазоне
( 1Таразский государственный университет им.М.Х. Дулати, г.Тараз, Казахстан) (Евразийскй национальный университет им. Л. Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан)
В статье рассматриваются вопросы наблюдения и измерений наноразмерных частиц при исследовании материалов, полученных по методу нанотехнологий "сверху - вниз"путем диспергирования. Представлены материалы по сверхтонкому измельчению зерновых культур. Предлагается разработать стандарты на научные и инженерные инструменты и стандарты измерений в области нанотехнологий.
Сегодня нанотехнология рассматривается как одна из наиболее многообещающих ветвей высокой технологии, которая является источником новых подходов к развитию всех сфер производства, сельского хозяйства, медицины, экологии, электроники, энергетики и др.
Нанотехнологии особенно активно развиваются в Японии, США, Южной Корее, Китае, Индии, ряде европейских стран, России. Национальный научный фонд США прогнозирует, что в 2015 г. рынок нанотехнологий достигнет величины 1 трлн. долларов. По планам российского Правительства и научной общественности уже в 2015 г. РФ должна изготовит продукцию с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн. долларов .
Свою роль в развитие нанотехнологий вносит и Казахстан, где с 2003г. исследования в области нанотехнологий являются одними из приоритетных направлений программ фундаментальных и прикладных исследований. В стране имеются научные коллективы, выполняющие подобные исследования и имеющие высокоэффективные научные разработки.
Лабораторные исследования проводились с использованием аналитического электронного микроскопа JSM - 7500F, производства японской фирмы "JEOL"; системы рентгеновского микроанализа (к электронному микроскопу) производства английской фирмы "Oxford In- struments Analytical"; пробоподготовительным оборудованием датской фирмы "Struers";
установкой CN-CVD-100 для выращивания углеродных нанотрубок, производства японской фирмы "ULVAC".
Целью данной работы было создание продуктов питания нового поколения повышенной пищевой ценности на основе использования наноструктурированного сырья растительного и животного происхождения.
Как известно, все научные исследования непосредственно связаны с измерениями и сравнениями. И для воспроизведения эксперимента или метода, предложенного другими исследователями, ученым необходимо использовать те же измерения. Лучше всего оставить один уровень - одну меру малой длины, которая обладала бы свойствами, связывающими ее с первичным эталоном и с рабочими средствами измерений.
В связи с этим, наблюдения и измерения являются ключевыми компонентами науки и техники.
При разработке и создании продуктов питания нового поколения используется наноструктурированное сырье растительного происхождения, в частности зерновых культур (овес, ячмень, просо и др.), полученное по методу нанотехнологий "сверху - вниз", основанный на последовательном уменьшении размеров путем диспергирования. Применяя метод Башкирцева А.А., зерновые культуры подвергались измельчению на планетарной мельнице - механоактиваторе, что позволяло получать сверхтонко измельченные порошки. Возможности нанотехнологии "сверхтонкого измельчения"позволяют нам использовать свойства различных химических веществ всех анатомических частей зерновых, бобовых, масличных культур при составлении композитных наноструктурированных пищевых материалов, на основе которых разрабатываются продукты питания, имеющие заданные свойства функционального или лечебно-профилактического назначения (хлеб, хлебобулочные, мучные, сахарные кондитерские изделия и другие с нанокомплексами витаминов, микроэлементов и антиоксидантов в природной, полностью доступной для усвоения организмом форме).
Учеными доказано, что в наномасштабе размер частиц имеет огромное значение, потому что свойства наночастиц существенно отличаются от свойств более крупных сплошных материалов,
138
Н.А.Горбатовская, С.Т.Жалкенова, Ж.Мусина
в том числе целого зерна и зерновых продуктов, полученных традиционными методами, то есть в наночастицах размером не более 100 нм наблюдаются качественные изменения свойств частиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Эта разница объясняется тем, что наночастицы имеют гораздо большую удельную площадь, т.е. величину площади частицы, которая приходится на единицу объема. Кроме того, частицы наноразмерных масштабов имеют совершенно иные физико-химические и биологические свойства. Именно с размерными эффектами связаны уникальные свойства наночастиц и наноматериалов. Для различных свойств критические размеры частиц могут быть различными, как и характер изменений этих свойств. Например, такие свойства, как усвояемость, питательная ценность, калорийность и другие начинают зависеть от размера частицы при уменьшении их размеров до 10. . . 20 нм.
Для глубокого научного обоснования, проводимых исследований, изучена микроструктура сырья и вводимых наноструктурированных добавок, а также полуфабрикатов в процессе хлебопечения , что позволило расширить научное представление о биохимическом процессе брожения и его результативности, имеющего большое практическое значение.
В результате исследований разработаны рецептуры, способы и технологии получения продуктов массового спроса и функционального назначения:
- хлеба, обогащенного высококачественным белком, аминокислотами, пищевыми волокнами и нутриентами;
- крупяных продуктов высокой питательной ценности.
Наночастицы относятся настолько к малым объектам, что определить их размерность обычными методами составляет существенную трудность. Но без определения их размеров сложно дать конкретную оценку объектов и научно обосновать процессы, происходящие в технологиях получения готовых изделий и их качестве.
С помощью аналитического микроскопа JSM - 7500F нами были установлены структура и размеры частиц наноструктурированных материалов, полученных из овса, ячменя, размеры гранул крахмала, белков, а также микроструктура полуфабрикатов на разных стадиях приготовления теста при выпечке хлеба. Это позволило установить поведение и влияние наночастиц структурированного зерна, вносимого как добавку в определенных процентных соотношениях к основному сырью, и сделать выводы об эффективности использования наноструктурированного сырья как для технологии, так и для качества готовой продукции.
Как показали микроснимки, основой наноструктурируемой муки овса, ячменя является субмикроскопический наноразмерный блок, представляющий собой компакт наноразмерных частиц, свойства которых формируются в пространстве на уровне размеров молекул, атомов.
При получении таких изделий, очень трудно сохранить малый размер наночастиц, так как чем мельче частицы, тем сильнее они склонны к агрегации, т.е. слипанию друг с другом. Работа с наноразмерными порошками требует соблюдения особых мер безопасности при работе с ними, при их хранении и применении в связи с их высокой взрыво- и пожароопасностью.
Однако, все ученые в научных исследованиях проводят измерения на основе установленных единиц измерения. Для выполнения точных измерений используются общепринятые стандарты длины, массы, времени, температуры и других величин. Научные и инженерные инструменты и измерения должны иметь строгие стандарты и должны быть точные единицы измерений.
Как сравнить полученные результаты, какой должна быть градация наночастиц по размерам, отталкиваясь от определенного названия "нанометр", равный одной миллиардной части метра? Необходима градация, узаконенная стандартом, относящаяся к частицам, измеряемых в электронном микроскопе при многократном увеличении в нанометрах и именуемых
"наночастицами". Поэтому острой необходимостью является создание методов и средств линейных измерений в нанометровом диапазоне и обеспечения единства таких измерений с абсолютной привязкой к первичному эталону длины - метру.
Существует единая система мер весов, которая позволяет ученым точно сравнивать результаты своих исследований с высокой надежностью и достоверностью. В настоящее время аналогичные стандарты необходимо использовать и в области нанотехнологий.
139
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2012, №2
Метрическая система единиц измерения уже используется, но ученым предстоит разработать стандарты безопасного использования нанотехнологий на производстве, быту, предельно допустимых уровней распространения наноразмерных частиц в пищевой промышленности, окружающей среде и в других сферах.
Бурное развитие нанотехнологии, имеющей дело с объектами, размеры которых порядка атомных, уже сейчас требует решения проблемы обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.
Специфика нанотехнологий привела к развитию нового направления - нанометрологии, с которой связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обеспечения единства измерений на наноразмерном уровне.
Для достижения развития нанометрологии в Республике Казахстан необходимо:
- Совершенствование законодательства в области обеспечения единства измерений в области нанометрии;
- Совершенствование эталонной базы для метрологического обеспечения единства измерений в нанометрическом диапазоне;
- Рассмотреть основные вопросы метрологического обеспечения нанометрии, испытаний и калибровки средств измерений для нанотехнологий, с целью обеспечения безопасности продукции, процессов для жизни и здоровья человека, окружающей среды.
Стремительное развитие нанотехнологии в научном, техническом и прикладном направлении предопределяет необходимость системного подхода как в организации научных исследований в данной области, так и во внедрении их результатов в различные сферы жизни общества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн / Л.Уильямс, У. Адамс; /пер. с англ. Ю.Г.
Гордиенко/. - М.: Эксмо, 2009. - 368 с.
2. Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Материалы конференции и семинара/Под ред. проф.
Л.В. Кожитова. - М.: Интерконтакт Наука; Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2008. - 840 с.
3. Башкирцев А. А. Способ сверхтонкого измельчения материалов в многофазной среде.
Комитет по правам интеллектуальной собственности МЮ РК. Предварительный патент
№18836 от 02.08.2007 .
4. Орынбасаров А.С., Башкирцев А. А. Формирование и развитие в Республике Казахстан системы обеспечния единства измерений в области нанодиапазона и стандартизации инновационных технологий // Метрология. Астана. 2008. №3. С. 8-11.
Горбатовская Н.А., Жалкенова С.Т., Мусина Ж.
Нанометрлiк диапазонында өлшеу бiрлiгiн қамтамасызету мәселесiне қатысты
Мақалада нанотехнологияның "жоғарыдан - төмен"атты әдiспен ұсақтау арқылы алынған материалдарды зерттеу кезiндегi наноөлшемдегi бөлшектердi бақылау мен өлшемдерiн жасау мәселелерi қарастырылған. Дәндi дақылдардың жоғары деңгейдегi ұсақталған жекелеген материалдары келтiрiлген. Ғылыми және инженерлiк құралдарға, сондай-ақ нанотехнология саласындағы өлшемдердiң стандарттарын жасап дайындау ұсынылады.
Gorbatovskaya N.A., Zhalkenova S.T., Musina Zh.
To the question of ensuring unity of measurements in the nanometer range
In article considered questions of the observation and measurements of nanoscale particles at studies material, got on by method of nanotechnology "from top-to bottom", by way of pulverizing. Presented the materials of corn cultures, got on the over thin pulverizing method.
It is offered develop the standards on scientific and engineering instruments and standards of the measurements in the field of nanotechnology.
Поступила в редакцию 10.01.12 Рекомендована к печати 25.01.12
140
