книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России
..pdfфизико-химические признаки: гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных свойств дисперсных систем, и прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивости (агрегативная устойчивость – устойчивость к коагуляции, то есть слипанию частиц дисперсных фаз, седиментационная устойчивость – устойчивость к их осаждению), становится более существенной по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно увеличивается и свободная (избыточная) межфазная энергия, которая, как следует из принципа Гиббса-Гельмгольца, в дисперсных системах стремится самопроизвольно уменьшиться.
Процесс уменьшения межфазной энергии реализуется в результате коагуляции – укрупнения слипания частиц, сопровождающегося снижением свободной поверхностной энергии ∆F за счет уменьшения удельной поверхности дисперсных фаз при возникновении контактов между частицами в соответствии с соотношением
∆F = σ ∆S = ∆U − T∆S*,
где σ – поверхностное натяжение, S – удельная поверхность системы, ∆U – изменение полной поверхностной энергии системы, T – абсолютная температура, S* – энтропия системы.
Таким образом, дисперсные системы могут укрупняться и могут переводиться в наносостояние и, соответственно, использоваться для получения наноматериалов (рис. 13).
141
Рис. 13. Перспективы развития новых материалов
Глава 5
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЖИЗНЬ ОБЩЕСТВА
В 2006 году американская корпорация RAND опубликовала прогноз развития науки и технологий в мире до 2020 года
«The Global Technoligy Revolution 2020, ln – Depth Analyses. Bio/Nano/Materials/Information Trends, Drivers, Barriers, and Social Implications».
Новые технологии могут найти свое место в различных сферах жизни общества – здравоохранении, пищевой промышленности, транспорте, в новых системах коммуникации, вычислительной технике и т.д. Одной из основных задач настоящего обзора является описание технологий, которые могут выйти из стен лабораторий к 2020 году, исследование возможности их применения, а также анализ потенциального влияния новых технологий на жизнь общества.
Биотехнологии
Биологическая наука, способная направленно модифицировать живые организмы и управлять их работой, приводит к существенному улучшению качества здравоохранения – систем контроля инфекционных заболеваний, мониторинга, терапевтических методов:
–интегрированные биоанализаторы в медицине и криминологии, способные быстро идентифицировать и анализировать мельчайшие количества вещества;
–персональная медицина на основе больших баз данных
осостоянии пациентов и возможности быстрой и надежной дешифровки их ДНК;
–генетически модифицированные насекомые, производящие стерильное потомство и/или не участвующие в переносе болезнетворных организмов;
142
–широкое распространение генетически модифицированных базовых агрокультур;
–вычислительные системы дизайна и тестирования новых лекарственных препаратов «in silico» (методом компьютерного моделирования); тестирование опасных побочных эффектов лекарств с помощью модельных систем «lab-on-a chip»;
–точечная доставка лекарственных препаратов к органам или опухолям на основе молекулярного распознавания;
–имплантаты и протезы, имитирующие или даже расши-
ряющие биологические функции соответствующих органов и тканей.
Нанотехнологии
Понимание межатомных и межмолекулярных взаимодействий, способность влиять на эти силы и управлять ими могут привести к появлению совершенно новых технологических средств и возможностей – «умных» мультифункциональных материалов, лекарственных препаратов, информационных и коммуникационных систем следующего поколения.
Наверное, первой отраслью, в которой были внедрены нанотехнологические подходы и методы, можно считать полупроводниковую промышленность. С хорошей степенью точности можно предположить, что до 2015 года объем нетрадиционных методик в производстве электроники будет пренебрежимо малым, однако для выполнения принципиальных планов развития в более далекой перспективе потребуется создание альтернативных подходов.
Принимая во внимание бурное развитие отрасли, большой коммерческий интерес и экстраполируя в будущее современные объемы исследований, можно предположить, что к 2020 году станут доступными для широкого использования следующие продукты нанотехнологий:
– новые поколения миниатюризованных, высокочувствительных и селективных химических и биологических сенсоров;
143
–мощные, долгоживущие аккумуляторы и суперконденсаторы большой емкости;
–индивидуальные сенсоры, например, для применения военным персоналом или работниками служб экстренного реагирования;
–вычислительные приборы, интегрированные с различными промышленными товарами (уже начинающие выходить на рынок, они, вероятно, получат более широкое распространение в будущем);
–портативные персональные приборы для мониторинга физического состояния пациента, способные сохранять данные
ипередавать их в соответствующие базы данных;
–функциональные наноструктуры, используемые для контролируемой доставки лекарственных препаратов и производства более качественных имплантатов и протезов.
Материаловедение
Материаловедение – междисциплинарный раздел науки, объединивший в себе в течение последних десятилетий физику, химию, металлургию, полимерную науку и науку о керамике, и в последнее время все более тесно переплетающийся с биологией. Фактически большинство сфер приложения, перечисленных выше в разделах «биотехнологии» и «нанотехнологии», связано с разработкой новых материалов, включая наночастицы, углеродные нанотрубки, полупроводящие и металлические нановолокна, нанокомпозиты, искусственные самоорганизующиеся структуры.
К 2020 году можно ожидать появления следующих важных типов материалов и технологий:
–ткани, интегрированные с источниками энергии, электронными приборами или оптическими волокнами;
–одежда, изменяющая свойства в ответ на воздействие внешних стимулов;
144
–широкое распространение «зеленых» методов производства, не требующих (или сводящих к минимуму) участия опасных материалов и побочных продуктов;
–наноструктурированные покрытия, существенно улучшающие механические свойства изделий – прочность, жесткость, износоустойчивость и устойчивость к коррозии;
–органические компоненты электроники;
–массовое производство солнечных батарей на основе наноструктурированных композиционных, органических или биоимитирующих материалов;
–системы очистки воды на основе наноструктурированных активных мембран и фильтров;
–направленный дизайн новых поколений катализаторов;
–искусственные многофункциональные ткани, выращенные in vivo на биоразлагаемой основе.
Информационные и вычислительные технологии
Стремительное увеличение объемов информации и облегчение доступа к ней – основные факторы глобализации в XX
иXXI веках. В этой области ожидается:
–беспроводной Интернет, доступный для представителей среднего класса по всему миру, включая развивающиеся страны и удаленные сельские области;
–переносные компьютеры, интегрированные с индивидуальными медицинскими сенсорами, домашними приборами и т.д.;
–объемные базы данных (хотелось бы надеяться, хорошо защищенные), содержащие персональную информацию того или иного рода (истории болезней, геном);
–небольшие дешевые приборы для хранения больших объемов данных (звуковые файлы, веб-страницы);
145
– новые технологии поиска, способные распознавать не только текстовые фразы, но и семантические фразы, изображения, видеоролики;
–радиометки коммерческих товаров;
–биометрика (отпечатки пальцев, картина радужной оболочки глаза), широко распространенная в целях безопасности мест общественного пользования и компьютерных систем того или иного рода;
–широкое распространение небольших малозаметных камер слежения и сенсоров;
–компьютерные интерфейсы и системы ввода данных «hands – free» (например, свет, считываемый непосредственно
срадужной оболочки глаза).
Кроме того, возможно появление:
–роботов, выглядящих и передвигающихся, как живые
люди;
–имплантатов, соединенных и управляемых непосредственно нервной системой человека.
Учитывая вышеизложенное, можно предположить, что в 2020 году произойдет интеграция различных ветвей технологического развития (табл. 25).
Руководствуясь амбициозными планами создания к 2015 году не только самоокупаемой, но и приносящей прибыль внутренней высокотехнологичной индустрии. Правительство РФ уже вложило в развитие нанотехнологий 94 млрд руб. за последние 2 года.
Таким образом, Россия не отстает от мировых лидеров: по объему государственных инвестиций в нанотехнологии Россия на третьем месте после США и стран Европы. Но по уровню собственного производства российским компаниям еще рано соревноваться в экономической эффективности новых технологий.
По словам эксперта по эконометрике Высшей школы экономики в Москве Леонида Гохберга, нанотехнологическими
146
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 25 |
|
|
|
Интеграция различных ветвей технологического развития |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Область |
|
|
|
Технологии |
|
|
|
|
|
|
Междисциплинарная |
Междисциплинарная |
|
|
||
|
применения |
Одиночная |
Конечные пользовате- |
|||||
|
(частичная интеграция) |
(полная интеграция) |
||||||
|
технологий |
(традиционная) |
ли /сфера приложения |
|||||
|
|
|
|
(переходная) |
(развитая) |
|
|
|
|
Разработка |
Физика / химия |
Физика / химия твердо- |
Физика, химия, инженерия |
Инженеры и конструк- |
|||
147 |
новых |
твердого тела |
го тела в приложении |
сложных материалов |
торы / дизайн катализа- |
|||
материалов |
|
|
к сложным материалам |
|
|
торов, био- и конструк- |
||
|
|
|
|
|
|
|
ционных материалов |
|
|
Массовое |
Полупровод- |
Органические полупро- |
Хромофоры, |
дендримеры, |
Потребители / массовое |
||
|
производство |
ники |
|
водники |
наноструктурированные ор- |
производство |
доступ- |
|
|
солнечных |
|
|
|
ганические полупроводни- |
ных по цене солнечных |
||
|
батарей |
|
|
|
ки |
|
элементов |
|
|
Фармацевтика |
Дизайн |
лекар- |
Лекарственные препа- |
Инкапсулированные лекар- |
Пациенты / менее инва- |
||
|
|
ственных |
пре- |
раты с контролируе- |
ственные препараты точеч- |
зионные методы лече- |
||
|
|
паратов |
|
мым по времени высво- |
ной доставки |
с самопод- |
ния, меньшее |
количе- |
|
|
|
|
бождением дозы |
держкой необходимой кон- |
ство побочных эффек- |
||
|
|
|
|
|
центрации |
|
тов |
|
147
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Область |
|
|
Технологии |
|
|
|
|
|
Междисциплинарная |
Междисциплинарная |
|
|
||
|
применения |
Одиночная |
Конечные пользовате- |
||||
|
(частичная интеграция) |
(полная интеграция) |
|||||
|
технологий |
(традиционная) |
ли /сфера приложения |
||||
|
|
|
(переходная) |
(развитая) |
|
|
|
|
Системы |
Фильтры и ка- |
Каталитические мем- |
Функционализированные |
Население планеты в |
||
148 |
очистки воды |
тализаторы |
браны |
селективные |
каталитиче- |
целом / |
более чистая |
|
|
|
ские фильтры и мембраны |
вода |
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
Использова- |
Генетически |
Адаптированные к кон- |
Адаптивные |
генетически |
Сельское |
хозяйство / |
|
ние генетиче- |
модифициро- |
кретному климату гене- |
модифицированные расте- |
более высокие урожаи, |
||
|
ской модифи- |
ванные расте- |
тически модифициро- |
ния |
|
доступная пища, высо- |
|
|
кации в сель- |
ния |
ванные растения |
|
|
кое качество питания |
|
|
ском хозяйст- |
|
|
|
|
|
|
|
ве |
|
|
|
|
|
|
148
разработками в России занимается около 400 академических научных организаций и около 200 коммерческих компаний. Основной барьер к переходу теоретических разработок в технологии заключается в слабости российской научной системы, которая препятствует получению финансирования исследований и не стимулирует предпринимательскую деятельность.
При этом международные эксперты предупреждают о завышенных ожиданиях России, которые могут не оправдаться. «Россия бросает много денег и мозгов в нанотехнологии»,– комментирует Ян Миль, эксперт по технологическим инновациям Манчестерского университета (Великобритания). «Но на фоне благоприятных и льготных условий, которые повсеместно создаются для развития приоритетных проектов, в том числе и в области нанотехнологий, выйти на международный рынок и занять там уверенную позицию для России будет не легко».
149