Глава 12. Высокотехнологичные и наукоемкие производства

1. О преимуществах высокотехнологичного и наукоемкого производства

Для всех очевидно, что ориентация на сырьевую экономику - тупиковый путь развития. Тем не менее, происходит постепенное «утяжеление» российского экспорта. Все возрастающую роль в нем составляет минеральное сырье (в целом 64,4%). Продукция наиболее прогрессивных и высокотехнологичных отраслей (например, в машиностроении) составляет в экспорте непропорциональную долю для экономики страны - всего 4,7%. Для сравнения этот показатель в последние годы СССР составлял 10,2% [38].

Значение наукоемких и высокотехнологичных отраслей для экономики страны наглядно демонстрирует таблица в Приложении 3, в которой показаны различия отдельных видов промышленной продукции по материалоемкости, отраженной в величине стоимости товара на единицу веса. Данное обстоятельство особенно убедительно показывают последние строчки таблицы (сотовые телефоны, компьютерная техника)

12.2 Нанотехнологии

Нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра (10 ^-9). Переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Объект изучения в данном случае – отдельные атомы, молекулы и их взаимодействие. По крупному нанотехнологии включают в себя три направления:

1. Изготовление электронных схем с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами атомов и молекул.

2. Разработка и изготовление наномашин.

3. Манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

К числу объектов изучаемых данной наукой, относятся нанопорошки (три характеристики размера не более 100 нм), нанотрубки (две характеристики размера до 100 нм), нанопленки (одна характеристика размера до 100 нм).

Работа может проводиться и с «крупными» объектами, воздействия на которые оказывается на атомарном уровне.

В настоящее время нанотехнологии все еще находятся на начальной стадии развития и индустрия во многом работает на себя, производя материалы для дальнейших фундаментальных исследований. Однако ситуация должна меняться уже в ближайшее десятилетие. Ниже приводится перечень базовых нанотехнологий в которых могут появиться значительные прикладные результаты [33].

Области применения нанотехнологий

1. Устройства сверхплотной записи информации

2. Элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы)

3. Видеотехника – плоские экраны, мониторы, видеопроекторы

4. Телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры

5. Молекулярные электронные устройства, в том числе электронные схемы на молекулярном уровне

6. Топливные элементы и устройства хранения энергии

7. Устройства наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы

8. Нанолитография и наноимпринтинг

9. Нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармация

10. «Тонкая» химия (дозировки в тысячные доли процентов при создании микросмесей различных веществ. Например, при производстве нового качественного пороха)

11. Извлечение золота, содержащегося в микроскопических сростках других минералов. Это позволит извлекать золото из «хвостов» горных пород, оставшихся после обычной переработки руд.

12. Авиационные, космические и оборонные технологии

13. Устройства для мониторинга окружающей среды

14. Целевая доставка в организмы лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, элементов скелета, имплантация живых организмов

15. Регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность при производстве пищевых продуктов.

16. Установки по опреснению морской воды.

Практической реализацией нанотехнологий стало создание в 2007 году государственной корпорации «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»). Данная корпорация была создана для того чтобы консолидировать научно-технический потенциал Российской Федерации в области нанотехнологий, выявить и подержать перспективные проекты, которые имеют хорошие перспективы коммерцианализации.

Наибольшая ответственность данного предприятия сосредоточена в области финансирования инноваций. На 2009 год было подано 455 заявок на финансирование, суммарный объем запрашиваемых инвестиций превысил 300 млрд. рублей. Серьезному анализу подверглось лишь 17 проектов, а профинансирован лишь один для высокоточной резки материалов повышенной хрупкости.

В настоящий момент Россия пока не на передовых позициях в части распространения нанотехнологий. Об этом можно судить по количеству патентов на изобретения в данной отрасли. В условиях развития интеграционных процессов в мировой экономике патент становится значимым элементом торговой кооперации, использование которого позволит российским предприятиям занимать твердую позицию в переговорах с зарубежными партнерами.

Примеры реализации нанотехнологий в авиационной промышленности и Росавиации

В первом случае нанотехнологии применили для изготовления композитных элементов³⁹⁾ для самолета пятого поколения Т-50. В частности в обнинском НПП «Технология» разработали уникальное покрытие, которое защищает стеклянную кабину пилота от радиоволн и солнечного излучения.

Для нанесения покрытия самолетный фонарь помещают в специальный автоклав, из которого откачивают воздух. Затем электромагнитной пушкой, испаряющей металл, «рисуют» покрытие, равномерно накладывая на поверхность независимо от ее кривизны. Напыление делают многослойным из металлов – золота, индия и олова. Толщина одного слоя не превышает 20 нанометров, а всей пленки – 90 нанометров. Благодаря этому покрытию

сигнал от радара систем ПВО противника не отражается от кабины самолета, а радиозаметность внутрикабинного оборудования снижается в 250 раз [22] .

Новые покрытия для взлетных полос в Росавиации

Региональные аэропорты России не могут обеспечить бесперебойной работы: для них сильный дождь – серьезное препятствие для посадки самолетов. В 100 российских аэропортах либо примитивные системы водоотвода, либо их вообще нет. Между тем лужи на взлетных полосах приводят к опасным инцидентам⁴⁰⁾.

В московском НПО «Стройполимер» и серпуховском НИИ нетканых материалов испытывают новую систему осушения для региональных

39) Композиты изготовляются путем соединения двух или нескольких материалов, что усиливает их полезные свойства.

40) В мае 2011 года в Якутске самолет на 50 метров выехал за пределы полосы. В июле аналогичный инцидент случился в Ростов-на-Дону.

аэродромов – дренажную трубу с напылением защитного слоя наноматериала. Труба будет располагаться по краям взлетной полосы на

глубине 1,5 метра. Стоимость трубы – около 7 рублей за метр. В первую очередь трубами с нанонапылением собираются оборудовать аэропорты

Омска, Волгограда, Орла и Липецка [47].

Магнитные жидкости как продукт нанотехнологий

Способ сообщения воде магнитных свойств прибавлением мелких частиц известен примерно 150 лет. Однако полученные таким способом магнитные жидкости были очень нестойкими. Предотвратить слипание и оседание частиц магнитной жидкости впервые удалось специалистам НАСА (патент на феррожидкость, 1965 года).

В современном состоянии магнитные жидкости – стабильные дисперсные системы, содержащие магнитные наночастицы в жидкости-носителе. Частицы имеют почти сферическую форму диаметром от 2 до 20 нм. В присутствии вешнего магнитного поля частицы ориентируются вдоль силовых линий. В большинстве случаев магнитные частицы состоят из магнетита (Fe₂O₄), но используются также соединения кобальта и никеля, а также металлические частицы (Fe, Co, FeCo). В качестве жидкого носителя применяются водные растворы, углеводороды (октан, керосин и т.д.) и их производные (например, фторуглероды).

Практическое применения магнитных жидкостей многообразно. Например, они используются на горно-обогатительных фабриках. При перемещении магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле в ней создается градиент плотности, благодаря чему удается разделять немагнитные частицы высокой плотности – медные, свинцовые, золотые. Магнитные жидкости успешно используются в высокотехнологичных устройствах и приборах:

• в системах герметизации ввода вращающихся валов;

• антифрикционных узлах и демпферах;

• в ультразвуковой дефектоскопии;

• в магнитных сепараторах редких элементов;

• в микроманометрах и исполнительных механизмах роботов;

• в датчиках наклона и высокочувствительных измерителях ускорений.

Способы получения магнитных жидкостей разнообразны. Их получение возможно путем измельчения железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда. Противоположным способом является химический путь от более мелких частиц – ионов к частицам дисперсной фазы. Российскими учеными М.А. Луниной, Е.Е. Бибик, Н.П. Матусевич разработана технология получения магнитных частиц путем осаждения гидроксидов из растворов солей железа (2 ⁺) и (3 ⁺).