Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

– проявление нетрадиционных видов симметрии и особых видов

сопряжения границ раздела, конформаций (кластеров, частиц, ком-

плексов) с динамически перестраиваемой структурой;

– доминирование над процессами искусственного упорядочения

явлений самоупорядочения и самоорганизации, отражающих проявле-

ние эффектов матричного копирования и особенностей синтеза в усло-

виях, далеких от равновесных;

– высокая «полевая» (электрическая, магнитная) активность и

«каталитическая» (химическая) избирательность поверхностей ансамб-

лей на основе наночастиц, включая интегрированные композиции не-

органической и органической природы;

– особый характер протекания процессов передачи энергии, заря-

да и конформационных изменений, отличающихся низким энергопо-

треблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного

синергетического процесса.

Приоритеты шестого технологического уклада.

Конвергентные системы и бионические технологии

Определяя основные принципы столь бурного развития интегриро-

ванных систем на основе наноразмерных элементов, конвергентных (от

лат. сonvergere – сближение) систем на основе интеграции наноразмер-

ных элементов различной природы (органической, биоорганической, не-

органической), выделим ориентацию на среды и системы, обладающие

максимальной физиологической совместимостью с человеческим орга-

низмом и информационной адаптивностью к алгоритмам его работы.

Особую роль приобретает именно «интерфейс» между живой и

неживой природой. Современное состояние вопроса в области разра-

ботки и создания устройств на основе биосред и их аналогов характе-

ризуется следующими направлениями:

– использование биосред в традиционных приборах (например,

применение в качестве материалов затвора полевого транзистора или

оптического волновода);

– использование биосред в реализации прецезионных технологи-

ческих операций (например, биолитографии с наномолекулярным раз-

решением);

– создание биосенсоров и актюаторов инвазивного и неинвазив-

ного типов для диагностики и коррекции состояния организма;

– создание протезов, обеспечивающих замещение утраченных ор-

ганов или функций (слух, зрение и даже обоняние);

– попытка создания сверхмощных систем искусственного интел-

лекта на основе бионейрочипов и сред с нейроподобной структурой.

При рассмотрении биосред как одного из элементов базиса для

создания конвергентных искусственных интеллектуальных и сенсор-

ных наносистем будущего, в первую очередь, следует обращать вни-

мание на функционально-технологические особенности, определяемые

структурными конформационными свойствами биомолекул и компо-

зиций на их основе, в том числе с использованием неорганических

матриц. При этом следует учитывать, что конформация является ре-

зультатом энергетической адаптации на молекулярном уровне. Абстра-

гируясь от принципов обработки и анализируя только функционально-

вещественный базис трех наиболее перспективных направлений ис-

пользования биосред (биосенсоры, биопротезы и биокомпьютеры), не-

возможно не обратить внимание на следующие известные особенности

биосред, привлекательные для создания на их основе конвергентных

систем как в функциональном, так и в технологическом аспектах:

– «биофизическое» преобразование информации, характеризую-

щееся кооперативными нелинейными процессами, глубоким распарал-

леливанием информационных каналов и генерацией информации;

– «биохимическое» усиление, характеризующееся встроенными

источниками энергии и электрического потенциала в сочетании с пе-

реносом заряда и энергии практически без потерь;

– селективность по отношению к внешним информационным и

технологическим возмущениям, обеспечивающая локализацию и изби-

рательность воздействия;

– синтез сред и систем с использованием процессов матричного ко-

пирования, самосборки, самоорганизации, отбора и даже размножения.

Таким образом, биоорганические и конвергентные бионеоргани-

ческие надмолекулярные композиции за счет структурно-морфроло-

гического и химического многообразия, а также особенностей перено-

са в них энергии, заряда и проявления свойств, присущих биосредам,

могут рассматриваться как основа «функциональных» сред будущего,

характеризующихся сверхбольшой информационной емкостью, высо-

кой удельной энергонасыщенностью, селективностью к внешним воз-

действиям, ассоциативностью и распределенностью процессов обработки

информации. В них также могут сочетаться процессы функционирования

и самообновляющегося синтеза. Неорганический элемент надмолекуляр-

ной композиции может выполнять функции не только субстрата, но и ак-

тивной диагностирующей или исполнительной среды [10].

Характеризуя современное состояние в области создания интел-

лектуальных систем в интересах человека и общества (рис. 3), следует

определить два наиболее прогрессивных и динамично развивающихся

технологических направления:

Информационные

технологии

Бионические технологии

Персональные

мобильные

информационно-

коммуникационные

системы

«Умные»

сенсоры

и актюа-

торы

Гибкая,

интегри-

руемая

в одежду

и тело

электро-

ника

Биотехнические

и биомедицинские

микро- и наносистемы,

замещающие органы

и расширяющие

функциональные возможности

человека, методы контроля

его состояния

Рис. 3. Основные направления развития интеллектуальных систем

в интересах человека и общества

– информационные технологии;

– бионические технологии.

Известные междисциплинарные технологии («BIO-ICT», «MAS-

SIVE-ICT», «SMART-ICT») для создания информационно-коммуника-

ционных систем нового поколения используют объекты органической

природы и комбинации органических и неорганических структур, а

также ориентируются на присущие живым системам явления самоор-

ганизации, адаптации и обучения. Для их наиболее эффективного про-

явления создаются сверхбольшие (до 10

) массивы традиционных ба-

зовых электронных элементов на кристалле, которые в условиях влия-

ния наноразмерного фактора вступают в синергетическое взаимодей-

ствие. Последний факт связан с частым обращением в литературе по

нанотехнологии к парадигме: «Сверху-вниз или снизу-вверх?». Фор-

мально речь идет о двух возможных направлениях достижения конеч-

ного результата в условиях создания объектов индустрии наносистем.

Первое направление – это физический редукционизм типа «от

большого к малому путем многократного уменьшения исследуемого

(создаваемого) объекта». Так развивается классическая нанотехноло-

гия интегральных схем, которая уже давно преодолела 100-наномет-

ровый рубеж. Однако конструирование сложного, многоэлементного,

многоуровневого изделия (например, интегральной схемы) требует сис-

темной интеграции для придания системе целостности.

Второе направление реализуется в рамках целостного, так назы-

ваемого холического подхода, когда исследуют системные свойства

искусственно синтезируемого или самоорганизующегося объекта, в

основе которого лежат наноразмерные элементы, что наиболее типич-

но для технологии наноматериалов.

Второе направление имеет много общего с первым, так как в рамках

эволюционного развития первого направления технологически уже дос-

тигнуты элементы с такими размерами (например, 12 нм), при которых их

интеграция (самоорганизация) приведет к возникновению функциональ-

ных свойств, типичных для кооперативных целостных систем.

Положительным фактором, характеризующим их развитие, явля-

ется направленность на обеспечение индивидуальной комфортной и

безопасной жизнедеятельности человека. Для систем на базе вышеука-

занных технологий характерны миниатюрность, мобильность, интег-

рируемость, информационная емкость. Фактически это реальное про-

явление истинно адаптивного, «дружественного» интерфейса между

техническими системами и человеком для обеспечения жизнедеятель-

ности человека.

Социально-ориентированная наноинженерная деятельность

Во всех промышленно развитых странах национальные програм-

мы в области нанотехнологий не только ориентированы на научную,

производственную и военную сферы [11], но рассматриваются как

факторы социально-экономического развития применительно к повы-

шению образовательного уровня населения, созданию дополнительных

рабочих мест высокой квалификации, развитию сферы социальных ус-

луг с использованием новейших материалов и технологий.

В качестве одного из основных факторов экономического роста в

различных странах определено качество «человеческого капитала»,

т. е. фактически – качество человека как носителя генетического, тех-

нологического и культурно-исторического наследий.

Социально-ориентированная наукоемкая «нанопродукция» может

отличаться низкой материало- и энергоемкостью, умеренной ценой и

доступностью для индивидуального и группового потребления. В Рос-

сии она влияет на решение задач в нескольких базовых направлениях.

· Демография – преодоление тенденции снижения численности

населения (в первую очередь, трудоспособного), определяемой сокра-

щением продолжительности жизни, нарастанием бытового и производ-

ственного травматизма, низким качеством воды и пищи, экологиче-

ским состоянием окружающей среды, катастрофами, терроризмом и

низкой рождаемостью (критерием эффективности проводимых меро-

приятий является рост продолжительности жизни).

· Здравоохранение – устранение отсталости аппаратурно-методи-

ческой базы медицинских услуг, предоставляемых широким слоям на-

селения; создание эффективной системы профилактики болезней за

счет внедрения в практику (в первую очередь, для сельских жителей)

новых недорогих (индивидуальных и групповых) приборов [12] и ме-

тодов мониторинга здоровья населения, санитарно-эпидемиологиче-

ского надзора и лекарственного обеспечения (критерием эффективно-

сти проводимых мероприятий является проявление тенденций умень-

шения доли медпомощи, оказываемой населению в условиях стацио-

наров, и замедления темпов снижения численности населения).

· Образование – устранение тенденций к усилению дифференциа-

ции качества и количества образовательных услуг, оказываемых различ-

ным слоям и территориальным группам населения за счет оснащения об-

разовательных учреждений различных уровней недорогой современной

лабораторной базой, необходимой для преподавания фундаментальных

дисциплин как базиса высокого образовательного уровня населения и

гибкости при индивидуальной профессиональной ориентации.

· Культура – преодоление негативных тенденций по необрати-

мой утрате памятников культуры, музейных, архивных и библиотеч-

ных фондов в условиях их старения и увеличения затрат на их рестав-

рацию за счет применения наукоемких нанотехнологий в области вос-

становления и профилактики культурного наследия.

· Труд – решение задач по обеспечению современных требований

к условиям труда, профилактике профессиональных заболеваний и трав-

матизма за счет применения современных оперативных средств кон-

троля производственных процессов и мониторинга техногенных сред

на основе следующего поколения сенсорных систем.

· Социальная поддержка нетрудоспособных групп населения – необ-

ходимость уменьшения сроков включения в социальную и трудовую среду

части трудоспособного населения, находящегося на медицинской реабили-

тации, или инвалидов за счет широкого использования современных тех-

нических средств протезирования и замещения органов, индивидуальной

диагностики на дому, вспомогательных средств, облегчающих труд и быт.

Наноинженерная деятельность. Угрозы и риски для биосферы

Особого внимания заслуживают проблемы обеспечения меди-

цинской, биологической, экологической и продовольственной безопас-

ности, то есть безопасности жизнедеятельности человека (рис. 4) [13].

Естественные эпидемии:

– малярия;

– туберкулез;

– гепатит;

– СПИД;

–

«птичий грипп»

· Медико-биологический

мониторинг.

· Медико-биологическая

коррекция

Биотерроризм

(искусственные эпидемии)

Медицина.

Биотехнология.

Сельское хозяйство

· Замещение органов

и функций.

· Фундаментальные

и прикладные

биомедицинские

исследования

Конфликты

Демография Экономика

Улучшение качества жизни Улучшение наследственности Улучшение продолжительности жизни

Медицинская, биологическая, экологическая, продовольственная безопасность

Человеческий капитал

Рис. 4. Роль биомедицинских технологий

в обеспечении безопасности жизнедеятельности человека

Следует предположить, что наиболее значимыми факторами по-

явления новых угроз в условиях «наномира» являются [13], [14]:

– малые характеристические размеры частиц и особый характер

их упорядочения, обеспечивающие энергетическую и пространствен-

ную доступность транспорта заряда, энергии и конформационных из-

менений;

– энергетическая, полевая и «вещественная» неравновесность по-

верхности, охватывающая значительные объемы наночастиц и нано-

композиций (рис. 5, 6);

– усиление роли различных видов размерных эффектов из-за зна-

чительной площади границ раздела в условиях нанокомпозиций;

– проявление в условиях больших коллективов энергетически ак-

тивных наночастиц нетрадиционных механизмов упорядочения, пере-

носа энергии и заряда.

Рис. 5. Искусственно синтезированная нанослоевая

интерметаллическая композиция с высоким уровнем

аккумуляции энергии (экспериментальные образцы

синтезированы в. н. с. А. П. Сазановым)

а б

Рис. 6. Массив топологически упорядоченных ориентированных

углеродных нанотрубок (экспериментальные образцы

синтезированы н. с. А. А. Романовым):

а – фрагмент топологии 3D-композиции;

б – фрагмент ориентированного массива

В качестве возможных причин возникновения «наноугроз» сле-

дует особо выделить:

– малые геометрические размеры наночастиц и, как следствие, их

высокая проникающая способность, реакционная и адсорбционная ак-

тивность при отсутствии у человека, животных и растений эволюцион-

но выработанных защитных механизмов противодействия;

– многообразие структур и составов наночастиц и нанокомпози-

ций и, как следствие, сложность их идентификации и количественной

характеризации;

– развитие междисциплинарных исследований, стимулирующих соз-

дание конвергентных систем, основанных на искусственной интеграции

объектов органической (в том числе, живой) и неорганической природы в

отсутствии надежной информации о механизмах их взаимодействия и па-

тогенных проявлениях, в том числе при длительной аккумуляции;

– экономически стимулированное ускорение технологической

эволюции в области процессов нанотехнологии, наноматериалов и

производства продукции на их основе в отсутствии необходимой нано-

технологической культуры у разработчиков, производителей, органов

сертификации и санитарно-эпидемиологического контроля;

– новизна продукции наноиндустрии при возможной высокой эко-

номической эффективности финансовых вложений, что создает у некото-

рых компаний (как правило, молодых и мобильных) соблазн достижения

быстрого результата без оценки риска и последствий;

– малые массогабаритные и энергетические показатели ряда на-

нотехнологических процессов и возможность их «скрытной» реализа-

ции, что стимулирует возникновение тенденций к использованию на-

нотехнологий и наноматериалов в террористических целях.

Все эти факторы свидетельствует о том, что наноматериалы мо-

гут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и био-

логическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обыч-

ном состоянии, поэтому они должны быть отнесены к новым видам ма-

териалов. При этом характеристика потенциального риска для здоровья

человека и состояния среды обитания становится обязательной.

При оценке безопасности наноматериалов в первую очередь сле-

дует учитывать их воздействие на такие важнейшие биологические ха-

рактеристики, как проницаемость биомембран, генотоксичность, ак-

тивность окислительно-восстановительных процессов, включая пере-

кисное окисление липидов, биотрансформация и элиминация.

Определяющим моментом в оценке риска является установление

возможной токсичности наноматериалов. Считается, что существует

три основных пути поступления наноматериалов в организм человека:

респираторно, через кожу и перорально. В настоящее время нет на-

дежных и убедительных данных по распределению наночастиц и на-

номатериалов по органам и тканям.

Наиболее изучен респираторный путь поступления наноматериа-

лов. Установлено, что некоторые наноматериалы, поступающие с воз-

духом в легкие, в дальнейшем могут проникать в другие органы (в том

числе – в мозг).

Имеющееся в настоящее время незначительное количество ис-

следований в этом направлении указывает на то, что наноматерналы

могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в

этой же концентрации безопасен. Показано, что даже однократная ин-

галяция углеродных нанотрубок и наночастиц некоторых других типов

вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в

легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза,

что, способно привести к канцерогенезу. Наноматериалы обладают

нейротоксичностью (в том числе, по-видимому, за счет прохождения

через гематоэнцефалический барьер), вызывая окислительный стресс в

клетках мозга. Кардиотоксичность и гепатотоксичность наноматериа-

лов также определяется развитием окислительного стресса и воспали-

тельной реакции. Имеются сведения, что наночастицы могут неблаго-

приятно влиять на систему свертывания крови. В отношении геноток-

сичности, эмбриотоксичности, мутагенности, канцерогенности, аллер-

генности, влияния на гормональный и иммунный статус, достоверные

данные в литературе отсутствуют.

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

Подождите немного. Документ загружается.