Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

Современный научно-технический прорыв, обеспечиваемый про-

мышленно развитыми странами, реализуется через использование ранее

неизвестных свойств и возможностей материальных систем при переходе

к наномасштабам, определяющим особенности процессов переноса и

распределения заряда, энергии и информации при наноструктурировании.

Традиции кафедры основаны и далее будут базироваться на высо-

ком уровне материаловедческой культуры с динамикой обращения к «ин-

терфейсу» между материалами неорганической и органической природы.

В. В. Лучинин

НАНОИНЖЕНЕРИЯ – ОСНОВА ШЕСТОГО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА

Введение

Наноинженерию можно определить как деятельность, направлен-

ную на создание интеллектуальной и материальной нанопродукции, т. е.

такой продукции, отличительными особенностями которой являются:

– использование нетрадиционных наноразмерно зависимых свойств

материалов и систем при переходе к наномасштабам;

– обеспечение ранее недостижимых технико-экономических по-

казателей и областей применения;

– достижение высокого уровня интеллектуально добавленной стои-

мости, определяемой доминирующим вкладом «человеческого капитала».

Анализ общественно-экономической системы с позиций эффек-

тивности создания и использования продукции с высоким уровнем ин-

теллектуально добавленной стоимости предполагает обращение к тако-

му «модному» сейчас понятию, как «технологический уклад» [1]–[4].

На современном этапе лидерами мировой экономики в качестве

«локомотива», обеспечивающего переход в так называемый шестой

технологический уклад, определена технология с приставкой «нано»,

характеризующей область приложения усилий в отношении исполь-

зуемых процессов и создаваемых объектов.

В основе прогнозируемого технического прорыва на наноуровне,

форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использова-

ние ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей ма-

териальных систем при переходе к наномасштабам, определяющих

особенности процессов переноса и распределения заряда, энергии и

информации при наноструктурировании.

Следует также отметить, что на наноразмерном уровне появля-

ются новые возможности в плане создания и использования «интер-

фейса» между объектами неорганической и органической природы,

возникают предпосылки для синтеза систем, ранее неизвестных не

только по составу и (или) структуре, но и по свойствам, а значит – по

функциональным возможностям.

Таким образом, можно выделить две важнейших особенности на-

ноинженерной деятельности:

– междисциплинарный характер знаний и исследований;

– межотраслевой характер научно-производственной деятельности.

Все это предопределяет направление и особенности формирова-

ния естественно-научного базиса и профессионально-ориентирован-

ного кадрового обеспечения наноиндустрии.

Учитывая ранее изложенное представим основные тенденции

развития научно-образовательного базиса наноинженерной деятельно-

сти, определяющие перспективы и сроки достижения нового техноло-

гического уклада.

В основе далее развиваемых представлений лежат следующие

положения:

– приставка «нано» – это скорее обобщенное отражение объектов

исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их опи-

сания, чем простая характеристика протяженности базового элемента,

которая формально определена от единиц до ста нанометров;

– базовые термины с приставкой «нано» должны наиболее полно от-

ражать именно проявление функционально-системных свойств материа-

лов, процессов и явлений, а не просто геометрические параметры объектов;

– под технологическим укладом следует понимать уровень про-

изводства, характеризующийся совокупностью базовых технологий,

опирающихся на достигнутый ресурсный, научно-технологический и

кадровый потенциалы;

– основными факторами, определяющими динамику становления

и развития нового технологического уклада, являются не только эко-

номические стимулы, но и ряд базовых приоритетов государства, таких

как национальная и технологическая безопасность, а также социальная

востребованность продукции и предоставляемых услуг.

Понятие о технологическом укладе

Понятие о технологическом укладе формируется из теоретиче-

ских представлений о циклической динамике процессов в экономике,

развитых русским ученым-экономистом Н. Д. Кондратьевым [1]. В ос-

нове его теории лежит представление о существовании длительных

(около 50 лет) экономических циклов, по которым осуществляется пе-

реход производительных сил на следующий, более высокий уровень

развития. Считается [2], что термин «технологический уклад» («вол-

на») введен российскими учеными-экономистами Д. С. Львовым и

С. Ю. Глазьевым. (Согласно толковому словарю «уклад» – это обустрой-

ство, установившийся порядок жизни.)

В соответствии с представлениями Н. Д. Кондратьева временная ди-

намика научно-технических революций опосредованно определяет пере-

ход к новому технологическому укладу. В [3] указывают на пять так назы-

ваемых волн, соответствующих во времени определенным технологиче-

ским укладам, и на зарождение шестого технологического уклада в ряде

наиболее развивающихся стран: США, Японии, КНР. В табл. 1 представ-

лены результаты нашего анализа данных волн, ориентированные на выяв-

ление базовых технологий, определяющих становление технологического

уклада и его особенности, т. е. признаки, характеризующие его несомнен-

ную новизну. Представлен также наш прогноз развития базовых техноло-

гий шестого технологического уклада, который начнет оформляться в

2010–2020 годах, а в фазу зрелости вступит в 2040-е годы [4].

Таблица 1

Характеристики технологических укладов

Техн

ло

гические

уклады

Временные

интервалы

Базовые

технологии

(производства)

Характерные

особенности

I 1785–1835 гг.

Текстильное

производство

Становление промы

ленного

производства. Использование

энергии воды

II 1830–1890 гг.

Механическое

производство

Развитие железнодорожн

го

и водного транспорта.

Использование пара

III 1880–1940 гг.

Металлургия

Машиностроение.

Электротехника

Тяжелое и энергетич

ское

машиностроение.

Автомобилестроение.

Радиосвязь. Использование

электрической энергии

IV 1930–1990 гг.

Химические

технологии.

Точное машиностр-е.

Радиоэлектронные

технологии.

Авиакосмические

технологии

Радиоэлектроника.

Компьютерные технологии.

Массовое производство

различных транспортных

средств. Конвейерные

технологии. Использование

нефти, газа, атомной энергии

Окончание табл. 1

Техн

ло

гические

уклады

Временные

интервалы

Базовые

технологии

(производства)

Характерные

особенности

V 1985–2035 гг.

Материаловедение.

Микро-

и наноэлектроника.

Информационные

технологии.

Биотехнологии

Интернет

технологии.

Высокоскоростные

транспортные сети.

Биомедицинские технологии.

Развитие энергосберегающих

технологий

Атомно

молекулярная

инженерия.

Бионическая инженерия

и робототехника.

Биоинформационные

и сетевые технологии.

Микро-

и наноэнергетика.

Космические

технологии

Глобальные информ

ционные

коммуникационные сети.

Системы искусственного

интеллекта и искусственные

органы.

Комплексная роботизация.

Нетрадиционная энергетика.

Освоение труднодоступного

земного и внеземного

пространства

Для анализа всего комплекса технологий, определяющих форми-

рование шестого технологического уклада, обратимся лишь к направ-

лениям микро- и наноинженерии.

Базовые понятия наноинженерной деятельности

Приставки, идентифицирующие инженерную деятельность по

характеристическим геометрическим размерам, имеют следующие ис-

ходные значения:

– микро – малый (от греческого MIKROS);

– нано – карлик (от греческого NANNOS).

Применительно к наноиндустрии границы геометрического фактора

в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не прису-

щих макро- и микросистемам, формально определены от единиц до

100 нанометров [5]. Однако вполне очевидно, что некоторый характери-

стический размер, идентифицирующий изучаемый объект по геометриче-

скому параметру (толщина пленки, диаметр кластера или нанотрубки и

т. п.), должен рассматриваться не просто как абсолютная величина, а в

отношении к определенным фундаментальным параметрам материалов,

имеющим аналогичную метрическую размерность. Особенно сложно оп-

ределить границы геометрического фактора применительно к биообъек-

там, обладающим многообразием связей и конформаций.

Развивая и обобщая наши представления об инженерной деятель-

ности в области индустрии наносистем, а также анализируя ранее

опубликованные работы [5]–[8], определим ряд базовых терминов с

приставкой «нано», наиболее полно отражающих проявление именно

функционально-системных свойств, а не просто геометрических осо-

бенностей (параметров) объектов.

Наносистема – материальный объект в виде совокупности упо-

рядоченных или самоупорядоченных, взаимосвязанных элементов с

нанометрическими характеристическими размерами, кооперация кото-

рых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств в виде кван-

тово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» эффек-

тов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномас-

штабных факторов.

Наноматериалы – вещества, представляющие собой искусственно

или естественно упорядоченные или неупорядоченные системы базовых

элементов с нанометрическими характеристическими размерами и осо-

бым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при

кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение

у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических,

химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других

свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии – деятельность по использованию совокупности

методов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения,

удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний,

навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологиче-

ское, информационное обеспечение процессов и технологических опе-

раций, направленных на создание материалов и систем с новыми свой-

ствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанодиагностика – совокупность специализированных методов ис-

следований, направленных на изучение структурных, морфолого-топо-

логических, механических, электрофизических, оптических, биологиче-

ских характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств

вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наносистемотехника – совокупность методов моделирования,

проектирования и конструирования изделий различного функциональ-

ного назначения, в том числе – наноматериалов, микро- и наносистем,

с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синер-

гетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, про-

являющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими

характеристическими размерами элементов.

Наряду с определением данных терминов, основой которых, в

первую очередь, является естественно-научный базис, попытаемся оп-

ределить широко используемые в литературе, но неоднозначно пони-

маемые термины.

Нанонаука – система знаний, основанная на описании, объясне-

нии и предсказании закономерностей свойств материальных объектов

с нанометрическими характеристическими размерами или систем бо-

лее высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядо-

ченных на основе наноразмерных элементов.

Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, создан-

ные с использованием новых свойств и функциональных возможностей

систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижи-

мыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-эко-

номическими параметрами и функциональными возможностями.

Таким образом, базисом наноинженерной деятельности являет-

ся система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказа-

нии закономерностей поведения и свойств материальных объектов с

нанометрическими характеристическими размерами или объектов

более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупоря-

доченных на основе наноразмерных элементов, т. е. наука о «нано».

Формально нанотехнология – это деятельность на основе систе-

мы знаний, умений и аппаратурно-информационного обеспечения, в

рамках которой реализуется совокупность действий для материализа-

ции идей нанонауки в виде изделий нанотехники.

Естественно-научный базис наноинженерной деятельности

Представим базовые тенденции развития естественно-научного

базиса наноинженерии для формирования шестого технологического

уклада в рамках материаловедческого, технологического и информа-

ционного направлений (табл. 2).

Таблица 2

Естественно-научный базис шестого технологического уклада

1. Материаловедческий базис.

Конвергентные системы

2. Технологический базис.

Самоорганизация,

самоформирование

3. Информационный базис

3.1. Новые принципы

передачи информации.

Беззарядовая логика

75 мэВ

60 мкэВ

Изменение спин-поляризации

Перемещение заряда

Электрон

Исток

Затвор

Сток

Электрон

3.2. Новые методы

обработки информации.

Бионическая логика

Out

Следует особо отметить, что основным системным, стратегиче-

ским направлением, по-видимому, будет являться активное использо-

вание ранее неизвестных свойств материалов и композиций, возни-

кающих при переходе к таким объектам,

– свойства которых зависят от размерного и конформационного

факторов;

– которые представляют собой интеграцию искусственно и есте-

ственно упорядоченных систем;

– которые интегрируют материаловедческий базис неорганиче-

ской и органической природы;

– в основе структурной организации которых лежат неравновес-

ные процессы;

– в основе действия которых лежит комплекс кооперативно-си-

нергетических процессов и явлений.

В рамках решения задач по изготовлению и использованию объ-

ектов с вышеуказанными свойствами необходимо определить возмож-

ные приоритетные направления фундаментально-поисковых исследо-

ваний для обеспечения интеллектуального базиса инноваций шестого

технологического уклада, в их числе:

– зависимость свойств материалов и систем от характеристиче-

ских размеров;

– нетрадиционные виды симметрии и конформации с динамиче-

ски перестраиваемой структурой;

– передача энергии, заряда и информации на основе кооператив-

ных синергетических процессов;

– молекулярное распознавание как базис селективности и избира-

тельности процессов;

– процессы самоформирования (рис. 1), самоупорядочения и са-

моорганизации;

а б

Рис. 1. Механическая мембрана с искусственно создаваемыми

концентрическими (а) и самоформирующимися радиальными (б) гофрами

– конвергентные системы, пред-

ставляющие собой интеграцию соз-

даваемых человеком искусственных

неорганических систем и объектов

биоорганической природы (рис. 2).

В качестве основных направ-

лений исследований, определяющих

продуктовую модель развития нано-

инженерии в рамках шестого техно-

логического уклада, можно выделить:

– распределенные самооргани-

зующиеся рефлексивные информа-

ционные сети;

– полифункциональный адаптивный человеко-машинный интерфейс;

– искусственные органы;

– робототехнические системы;

– бионические принципы конструирования;

– бионические, в том числе когнитивные, алгоритмы и принципы

функционирования;

– искусственное модифицирование на генетическом, клеточном и ор-

ганном уровнях;

– искусственное модифицирование на психофизиологическом уровне.

В технологическую практику должен широко войти новый тер-

минологический базис: конвергентные системы, бионические и когни-

тивные технологии.

Следует обратить внимание на тот факт, что человек, оценивая кон-

структивно-функциональные, энергетические и информационные досто-

инства объектов органической природы, пытался наделить искусственно

создаваемые технические системы отдельными свойствами биосистем.

Бурное освоение «наномира» позволило выявить ряд его особенностей,

которые ранее (особенно у объектов неорганической природы) не наблю-

дались и тем более не использовались. Наиболее характерными проявле-

ниями «наномира» следует признать [9]:

Рис. 2. Графический монтаж

сопоставления поперечного сечения

кристалла интегральной схемы

с наноразмерными топологическими

нормами и вируса

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.