Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Сущность и основные направления ускорения НТП

Научно-технический прогресс (НТП) — это процесс совер­шенствования средств труда, являющийся исходной основой развития производительных сил общества. НТП в своем исто­рическом развитии выступает в двух формах — эволюционной и революционной. Если эволюционная форма предполагает постепенное развитие и изменение техники, то революцион­ная — качественный скачок, переход к новому типу средств труда, базирующийся на принципиально новых открытиях науки. Революционная форма НТП — это научно-техническая революция (НТР), которая обусловлена общественными по­требностями и уровнем развития производительных сил круп­ного машинного производства. Одной из разновидностей качественных скачков в ходе последовательно сменяющих друг друга этапов НТР является технологическая революция.

Технологическая революция - это качественный скачок в развитии технологии переработки и преобразования инфор­мации, энергии и вещества, базирующийся на освоении новых структурных уровней организации материи, форм ее движения. Среди таких базовых технологий можно выделить следующие: механическую, физическую, химическую и био­технологическую. Вся предшествующая история технологий может быть рассмотрена как с позиции совершенствования механической технологии, так и ее последовательной замены другими видами технологии. В ходе научного прогресса уси­ливается взаимосвязь научного, технического и технологического процессов.

Из всего многообразия направлений научно-технического прогресса на различных этапах развития общества принято выделять приоритетные, которые имеют первостепенное зна­чение и получают первоочередное внимание ввиду социальной значимости разрабатываемых проблем. Такие направления отличаются более высокими темпами развития, большей кон­центрацией кадров и материальных ресурсов. Приоритетные направления могут быть национальными (отдельных стран), региональными (международных экономических объединений и организаций) и глобальными. По сути своей они обусловли­ваются типом организации общества и его экономическими отношениями. Выделение приоритетных направлений НТП - принципиальная особенность стратегии научно-технического развития в передовых в научном и экономическом отношениях странах. Приоритетные направления, ускоренное развитие которых является определяющим фактором интенсификации экономики и достижения наивысшего уровня научно-техни­ческого развития на современном этапе:

- электронизация народного хозяйства;

- комплексная автоматизация;

- атомная энергетика;

- новые материалы и технология их производства и обработки;

- биотехнология.

Электронизация народного хозяйства позволяет обеспе­чить все сферы производства наиболее передовыми средства­ми вычислительной техники. В результате электронизации кардинально повышается производительность труда, происхо­дит экономия ресурсов, материалов и энергии, ускорение на­учно-технического прогресса в народном хозяйстве, резкое сокращение сроков научных исследований, качественная перестройка непроизводственной сферы. Электронизация на­родного хозяйства включает:

1. Создание супер-ЭВМ нового поколения с быстродейст­вием более десяти миллиардов операций в секунду, с исполь­зованием принципов искусственного интеллекта. Это стало возможным при переходе к качественным методам проекти­рования компьютеров - параллельной обработке данных, т.е. переход от шаговой работы одного процессора к парал­лельной работе нескольких процессоров, решающих одну за­дачу. Традиционная схема ЭВМ позволяет обеспечить быстродействие (с использованием современной элементной базы) до 60 млн. операций в секунду, а возможности многопроцессорной машины теоретически значительно выше. Кроме того, использование большого числа процессоров вмес­то одного позволяет делать их проще и надежнее. В ЭВМ но­вого поколения используются сверхбольшие интегральные схемы с плотностью интеграции 10 на логический элемент, волоконно-оптические средства связи и другие нововведения. В результате созданы ЭВМ пятого поколения с искусствен­ным интеллектом, которые могут не только хранить данные, но и оценивать их по степени важности и связывать с другой информацией; могут оценивать поступающую информацию, сравнивая с уже имеющейся, сокращая время на ее ввод; могут воспринимать человеческую речь, различать голоса, буквы и другую образную информацию и, используя ее, вести естественный диалог с оператором.

2.Создание массовых средств вычислительной техники, персональных ЭВМ с развитым программным обеспечением для широкого насыщения отраслей народного хозяйства, на­учно-исследовательских и конструкторских организаций, компьютеризация сферы образования и быта. При создании новых персональных ЭВМ предусматривается увеличение объема памяти, расширение возможностей при выводе графи­ки на экран дисплея и введение цвета, обеспечение програм­мной совместимости с другими моделями, увеличение быстродействия машины и т.д. Персональная ЭВМ должна удовлетворять следующим требованиям: иметь небольшие размеры и автономность функционирования, аппаратные средства на базе микропроцессорной техники, универсаль­ность, простоту освоения и эксплуатации.

3.Создание единой системы передачи цифровой информа­ции, обеспечивающей резкое повышение пропускной способ­ности и надежности системы связи и унификации применя­емых технических систем. Внедрение цифровой видео- и зву­козаписывающей техники значительно повышает качество воспроизведения и возможности обработки информации, практически ликвидирует помехи и сбои при передаче инфор­мации на большие расстояния.

4.Создание широкой гаммы разнообразных приборов, датчиков, контрольно-измерительных средств на основе пере­довых достижений микроэлектроники для неразрушающего контроля деталей машин и строительных конструкций, изме­рения состава и структуры материалов, ускоренного проведе­ния научных исследований, позволяющих повысить эффек­тивность производства, надежность и качество продукции. Микропроцессоры, которые расположены в различных частях технологических систем, позволяют автоматизировать и оп­тимизировать сложнейшие процессы, управление которыми от одного процессора потребовало бы чрезмерного усложне­ния систем.

5. Создание единой унифицированной системы изделий электронной техники и, в первую очередь, нового поколения сверхбольших интегральных схем и оборудования для их про­изводства, различных новых видов изделий. Сверхбольшая схема содержит до миллиона транзисторов при собственной массе около 100 мг. Она может быть встроена в более слож­ную систему или выполнять функции самостоятельно. В одной сверхбольшой интегральной схеме, выполненной в виде крис­талла, могут быть объединены несколько процессоров с нейроподобными связями. Кроме выполнения основных функций, такие кристаллы могут осуществлять самодиагностику и саморемонт, обучаться и распознавать образы. Новым типом ин­тегральных схем является высоковольтная интегральная схема, которая при малых размерах, низкой стоимости и про­стоте обслуживания может совмещать свойства компьютера и способности выполнения операций, связанных с перемещени­ем и подачей электрического тока, для чего до сих пор требо­валось множество транзисторов и других компонентов.

Реализация этих и других задач по данному приоритетно­му направлению НТП позволит значительно увеличить темпы роста национального дохода, снизить материалоемкость, энергоемкость продукции в 1,5—2 раза, сократить в 2—3 раза сроки разработки и реализации научных программ и технических проектов, повысить качество продукции и сни­зить производственные затраты.

Широкомасштабная комплексная автоматизация от­раслей народного хозяйства включает:

1. Применение быстро перестраиваемых и гибких произ­водственных систем различного назначения, а также органи­зацию полностью автоматизированных цехов и заводов. Наиболее актуально внедрение гибких производственных сис­тем при автоматизации многономенклатурного производства, на которое приходится подавляющая часть общего объема производства в самых различных отраслях промышленности. Применение гибких производственных систем в народном хо­зяйстве значительно повысит эффективность производства, позволит сократить сроки и затраты при освоении новых видов изделий в 1,5 — 2 раза, повысит производительность труда в 2—5 раз, сократится численность работающих, улуч­шатся и условия труда. Быстро перестраиваемые системы в настоящее время создаются и на базе роторных линий за счет перехода к роторно-конвейерным линиям. Собственно ротор­ная линия представляет собой автоматическое устройство, действие которого основано на совместном движении по ок­ружности инструмента и обрабатываемого предмета. В одну автоматическую линию можно объединить несколько рото­ров, включая роторы с захватами для передачи деталей от одного ротора другому. Роторный принцип обработки универ­сален, при этом обеспечиваются надежность работы, точ­ность и высокая (тысячи деталей в минуту) производитель­ность. Гибкость обеспечивается в роторно-конвейерных ли­ниях, в которых инструментальные блоки находятся не на дисках роторов, а на огибающем их конвейере, что позволяет автоматически заменять инструмент при переналадке линии.

2.Применение систем автоматизированного проектирова­ния (САПР) и технологической подготовки производства (АСУ ТПП), автоматизации и ускорения исследований и экс­периментов (АСНИ), автоматизированных систем управле­ния производством (АСУП) и управления технологическими процессами (АСУ ТП), интегрированных систем управления (ИАСУ). Внедрение таких систем позволило сократить затра­ты на проектирование и изготовление деталей, повысить ка­чество планирования, учета, контроля и организации произ­водства, сократить сроки его технологической подготовки. Сочетание гибких производственных систем с системами ма­шинной научно-технической и организационной подготовки производства позволит создавать гибкие автоматизированные производства.

3. Применение промышленных роботов и манипуляторов в отраслях народного хозяйства. Современные роботы имеют манипуляторы с большим числом степеней свободы, т.е. воз­можностью перемещения в самых различных направлениях. Информационно-вычислительный комплекс, встроенный в раз­личные узлы робота, существенно расширяет его возможности.

Осуществление данного приоритетного направления при­ведет к кардинальному повышению производительности тру­да в базовых отраслях народного хозяйства, надежности, качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, существенно поднимет общий технологический уровень и эф­фективность производства, резко сократит ручной и малоква­лифицированный труд.

Главная цель ускоренного развития атомной энергети­ки - глубокая качественная перестройка энергетических хозяйств, повышение эффективности и надежности электроснабжения, сокращение использования органичес­кого топлива, охрана окружающей среды и рациональное использование энергии. Достижение поставленной цели свя­зано с решением следующих проблем.

1.Создание новых, эффективных методов и средств обра­ботки, транспортировки и захоронения радиоактивных отхо­дов, использование природного урана.

2. Совершенствование и дальнейшее сооружение атомных электростанций с реакторами повышен­ной технико-экономической эффективностью, высокой степе­нью стандартизации и унификации оборудования и качественно новыми высоконадежными системами управле­ния, контроля и автоматизации технологических процессов.

3. Разработка оборудования для реакторов на быстрых нейтронах, воспроизводящих в процессе работы ядерное топ­ливо. Основным преимуществом этих реакторов является ис­пользование более распространенного в природе урана-238.Применение подобных реакторов позволит в десятки раз по­высить эффективность использования ядерных ресурсов. Более того, в процессе работы такого реактора образуется плутоний-239, который со временем можно будет использо­вать как топливо ядерных реакторов.

Осуществление поставленной задачи по данному приори­тетному направлению позволит обеспечить наращивание энергетического потенциала страны, снизит капиталовложе­ния в топливодобывающие отрасли промышленности, высво­бодит значительное количество топлива для других нужд, расширит ресурсную базу ядерной энергетики, повысит на­дежность и безопасность АЭС.

Следует отметить, что ускоренное развитие атомной энер­гетики необходимо сочетать с расширением использования альтернативных или нетрадиционных источников энергии - солнечной, геотермальной, ветровой, приливной. Такие ис­точники являются возобновляемыми: они не загрязняют окружающую среду, экономически эффективны, позволяют создавать комплексные производства (использование геотер­мальных вод для получения энергии будет сочетаться с извле­чением содержащихся в них полезных ископаемых).

Применение в народном хозяйстве принципиально новых видов материалов, обладающих различными ценными свойст­вами, а также создание промышленных технологий их произ­водства и обработки связано с решением следующих проблем:

1. Создание промышленного производства новых высокоп­рочных, коррозионно-стойких и жаропрочных композицион­ных и керамических материалов и широкое использование их в электротехнике и электронике, металлургии, химии и ме­дицине. Внедрение новых материалов дает возможность переходить к принципиально новым технологическим процес­сам. Например, создание материалов, обладающих сверхпро­водимостью при достаточно высоких температурах, позво­ляет подойти к революционному перевороту в технике. Уже сейчас имеются материалы с уникальными свойствами - па­мять формы, отсутствие звука при ударе или трении, сочета­ние сверхпрочности и сверхлегкости и др.

2. Применение новых пластических масс, способных заме­нить металлы и сплавы и улучшить качество и долговечность машин. Такие пластмассы обладают большей теплостойкос­тью, чем большинство конструкционных материалов, прочны и легки, что позволяет их использовать вместо традиционных материалов с большей эффективностью. Например, 1 т термопластов освобождает в народном хозяйстве до 10 т цвет­ных металлов и легированных сталей.

3. Создание новых износостойких и других материалов из черных и цветных металлов с использованием методов по­рошковой металлургии. Наиболее эффективна порошковая металлургия из-за резкого снижения отходов при изготовле­нии деталей, сокращения числа технологических операций и трудоемкости при одновременном повышении качества про­дукции, возможности создания принципиально новых матери­алов, которые нельзя получить никаким другим способом. В числе таких композитов - углепластики - углеродные волокна, покрытые алюминием. Стойкость композиции вольфрам - медь при изготовлении из нее электродов в несколько раз выше, чем у материалов, традиционно применяемых для электроэрозионной обработки или контактной сварки.

Не менее важно использование порошков для напыления на поверхность детали прочного покрытия, что позволяет практически полностью восстанавливать изношенные детали.

4. Создание новых полупроводниковых материалов, ме­таллов и их соединений высокой чистоты с особыми физичес­кими свойствами; новых аморфных и микрокристаллических материалов, обладающих уникальными свойствами.

5. Совершенствование технологии непрерывной разливки стали и применение технологии внепечной обработки для по­вышения ее качества. В настоящее время разработан принци­пиально новый метод разливки стали - непрерывное литье с горизонтально расположенным кристаллизатором. Схема с двусторонним вытягиванием слитка позволяет значительно снизить капитальные затраты на строительство цехов по срав­нению с традиционными схемами (вертикальной и радиаль­ной), повысить производительность труда и улучшить его условия.

Традиционные способы внепечной обработки стали - продувка аргоном и последующее вакуумирование в ковше, порционное вакуумирование — имеют серьезный недостаток: металл охлаждается во время вакуумирования и соответст­венно появляется необходимость его предварительно подогревать, что сказывается на затратах и качестве металла. Кроме того, последующая разливка открытой струей снижает эф­фект вакуумирования. Представляет несомненный интерес объединение двух технологических систем - непрерывной разливки стали и вакуумирования — в одну: вакуумирование стали непосредственно над машиной непрерывного литья за­готовок. Пробные испытания такой системы показали суще­ственное увеличение качества получаемого металла, сниже­ние количества вредных примесей, улучшение структуры ме­талла и технологического процесса.

6.Создание серии технологических лазеров и их внедре­ние для термической и размерной обработки, сварки и рас­кроя; оборудования для плазменной, вакуумной и дето­национной технологии нанесения различных покрытий; тех­нологий с применением высоких давлений, импульсных воз­действий, вакуума для синтеза новых материалов и формооб­разования изделий. Область применения лазеров постоянно расширяется. Например, только в термообработке с помощью лазеров осуществляют поверхностную закалку металлов, отжиг, упрочнение сварных швов, поверхностное легирова­ние, а еще и создание защитных покрытий и остеклений. С помощью сверхвысоких давлений получают алмазы и сверх­твердые материалы, металлокерамические изделия сверх­проводники, осуществляют сварку и резку, брикетирование и очистку отливок, формообразование, сборку и многое другое.

7.Ускоренное развитие биотехнологии позволит резко увеличить запасы продовольственных ресурсов, освоить новые возобновляемые источники энергии, обеспечить пред­упреждение и эффективное лечение тяжелых болезней, даль­нейшее развитие безотходных производств и сокращение вредных воздействий на окружающую среду.

Прогрессивные виды технологий

Необходимость постоянного обновления продукции в соот­ветствии с требованиями рынка, решение экологических про­блем и потребность в высокоэффективном производстве обусловливают не только постоянное совершенствование тра­диционных технологических процессов, но и создание принци­пиально новых технологий. Список принципиально новых технологий обширен. Возможно также сочетание в одном тех­нологическом процессе сразу несколько технологий. В ряде случаев элементы принципиально новых технологий удачно дополняют традиционные технологические процессы. Таковы, например, комбинированные технологии: магнитно-абразив­ная, плазменно-механическая, лазерно-механическая и др.

К прогрессивным и наиболее значимым современным тех­нологическим процессам относятся: электронно-лучевая, ла­зерная, мембранная технология, а также порошковая металлургия.

Среди множества принципиально новых технологий лазер­ная технология является одной из самых перспективных. Благодаря направленности и высокой концентрации лазерно­го луча удается выполнять технологические операции, вооб­ще невыполнимые каким-либо другим способом. С помощью лазера можно вырезать из любого материала детали сложнейшей конфигурации, причем с точностью до сотых долей мил­лиметра, раскраивать композитные и керамические материа­лы, тугоплавкие сплавы, которые вообще не поддаются резке каким-либо другим способом. Лазерный инструмент все чаще применяют вместо алмазного. Он дешевле и во многих случа­ях может заменять алмаз.

Весьма эффективным и экономичным процессом является лазерная сварка. Прочность сварных швов при лазерной сварке в несколько раз выше обычной, это очень важно для многих отраслей, например, атомной энергетики, химии и др. Лазерная сварка дает возможность избежать деформации свариваемых деталей; производительность агрегатов лазер­ной сварки в 5-8 раз выше, чем у современных сварочных автоматов. Лазерные технологии более производительны и благодаря поверхностному упрочнению деталей позволяют увеличить срок службы изделий в 3—10 раз. Применение ла­зерной технологии дает большой эффект при изготовлении деталей с особо высокими требованиями к качеству и точнос­ти и с особыми характеристиками.

С помощью лазерного излучения можно получать отверстия диаметром 0,03-3 мм и глубиной в несколько миллиметров, высокой точности, с производительностью до 60 отверстий в минуту в твердых сплавах, керамике, алмазах и т.п. Лазерным лучом можно упрочнить поверхность металла. При этом стой­кость штамповой оснастки увеличивается в 2-5 раз.

Если раньше доминировали методы холодной обработки металлов резанием, то сейчас можно использовать химичес­кий и электрохимические процессы, применяемые к металли­ческим материалам и позволяющие получать изделия высо­кой точности размеров и качества поверхности. Это такие методы обработки, как: электрохимическая и анодно-механическая; электроконтактная, электроимпульсная и ультразву­ковая, плазменно-механическая (ПМО), которая является одним из новых методов обдирки слитков и поковок весом до 50 т и заключающаяся в обработке резанием материалов, предварительно разупрочненных плазменной дугой в актив­ных средах. В результате такой обработки нагрузка на резец снижается в 1,5-1,8 раза, а его стойкость повышается в 6—8 раз. В несколько раз увеличивается скорость резания.

Применение новых технологических процессов дает воз­можность получить значительный экономический эффект. Так, применение лазера для сверления и резки металла по­зволит в 3 — 4 раза повысить производительность труда. Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся металл уносится сжатым воздухом. Лазером можно резать высокопрочные металлы и сплавы.

Для обработки сверхтвердых, износостойких и труднооб­рабатываемых материалов можно применять высокопроизво­дительный метод -электроконтактная обработка, сущность которого заключается в том, что вращающийся диск-ин­струмент, выполненный из токопроводящего материала, и об­рабатываемая заготовка включаются последовательно в элек­трическую цепь. Процесс может проходить в жидкой среде и на воздухе. Жидкую среду применяют в тех случаях, когда необходимо повысить качество обрабатываемой поверхности. Обработка на воздухе дает возможность увеличить произво­дительность процесса.

В настоящее время еще продолжается процесс совершен­ствования инструмента для традиционных способов обработ­ки металлов резанием как за счет внедрения новых матери­алов режущей части инструмента, таких как синтетические алмазы, эльбор (кубический нитрид бора), керметы (керами-ко-металлические инструментальные материалы), так и путем совершенствования геометрии режущего лезвия.

Соединение деталей и узлов машины методом клепки за­менено сваркой и пайкой-сложными физико-химическими процессами с привлечением высококонцентрированных ис­точников энергии (электронного луча, лазеров и др.).

Особенно широко применяются физико-химические про­цессы обработки металлов и других материалов в приборо­строении для создания миниатюрных и микроминиатюрных схем, которые другими способами не могут быть изготовле­ны. Более совершенными стали и такие классические методы обработки металлов, как прокатка, штамповка, ковка, литье. Так, например, литье деталей из тугоплавких метал­лов, обладающих при высоких температурах повышенной хи­мической активностью (W, Mo, Re, Та), проводят в вакууме, удерживая металл в магнитном поле.

При сохранении традиционного технологического процес­са получения песчано-глинистых форм с уплотнением приме­няются импульсный и взрывной методы уплотнения смеси, которые являются малоэнергоемкими и бесшумными.

Проблема качества поверхности деталей после закалки решается введением в охлаждающую среду полимеров (вод­ный раствор полиакриламида). Применив полимерных охлаж­дающих сред при высокочастотной поверхностной закалке дает почти полное отсутствие коррозии стальных деталей.

Принципиально новым способом нагрева деталей при тер­мообработке является нагрев в кипящем слое, представляю­щем собой частицы корунда с размером зерен 100 — 400 мкм, через который пропускают газ. Нагрев в кипящем слое явля­ется безокислительным нагревом, увеличивает производи­тельность труда и сокращает время нагрева.

В современной технике широко применяются металличес­кие материалы, полученные методом порошковой металлур­гии. В качестве конструкционных материалов наряду с металлами применяются и неметаллы — синтетический гра­фит, более прочный при высоких температурах; керамика на базе корунда (А120з) или кварца (Si02), синтетические поли­мерные материалы на основе органических и неорганических соединений.

При изготовлении различных деталей машин ме­тодом порошковой металлургии получают значительный эко­номический эффект, выражающийся в резком сокращении удельного расхода материала, себестоимости и трудоемкости по сравнению с традиционными методами изготовления.

Большие возможности у порошковой металлургии. Это - новая технология, которая практически не дает отходов. Вы­сококачественные мелкодисперсные металлические порошки заданного состава тщательно перемешивают, прессуют и спе­кают в формах, соответствующих форме изделия, при темпе­ратуре несколько ниже температуры плавления. Иногда для получения деталей из металлических порошков применяют гид­равлический удар или же взрыв. При этом частицы порошка также надежно соединяются за счет огромного контактного давления.

Промышленностью освоен выпуск большого ассортимента металлических порошков, позволяющих составлять разнооб­разные композиции. При этом оказалось возможным полу­чать материалы, которые нельзя произвести методами пла­вления, например, спекать порошки металлов с труднораст­воримыми в них легирующими добавками. Можно изготовить турбинный диск из двух сортов порошков в зависимости от характера нагрузки при его эксплуатации: обод - из порош­кового сплава, стойкого к ползучести, а внутреннюю часть - из сплава повышенной прочности.

При производстве изделий с использованием порошковой металлургии могут применяться порошки различного эле­ментного и гранулометрического состава, могут варьировать­ся режимы прессования и спекания для управления микро­структурой материала, в результате чего технолог имеет ог­ромные возможности управлять свойствами материала и ко­нечного продукта.

Специфика технологии прессования и спекания такова, что порошковая технология тяготеет к изделиям небольших размеров, а тенденция к миниатюризации расширяет возмож­ности ее использования.

Особый эффект получается тогда, когда металлические порошки изготовлены распылением расплава металла с особо быстрым охлаждением капель. Иногда для охлаждения при­меняют атмосферу азота глубокого холода. Сверхбыстрое ох­лаждение частиц, со скоростью более 1 млн. градусов в секунду, приводит к тому, что для зародышеобразования и роста зерен не хватает времени. Получается так называемый аморфный металл или своеобразное металлическое стекло. Амор­фные металлы обладают высокой химостойкостью и стабильнос­тью, уникальными механическими и магнитными свойствами.

Развитие нанотехнологий

Нанотехнология является системообразующим фактором экономики 21 века – экономики, основанной на знаниях, а не только на использовании природных ресурсов или их переработке.

Нанотехнология – это искусство использования в соответствующих целях структур веществ размером от одного до ста нанометров, обладающих полезными функциями. Один нанометр равен миллионной части одного миллиметра, для сравнения: атомы всего лишь в десять раз меньше одного нанометра.

Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, термических и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Объекты нанометровых размеров: наночастицы или нанокластеры, двумерные тонкие пленки кристаллы для оптики, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). Наночастицы – это, по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии), размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 106 или меньшего количества атомов. Наночастицу принято рассматривать как агрегат, являющийся частью объемного материала.

Технология наночастиц ограничивается использованием искусственно полученных наночастиц. В сфере экономики им придается на данный момент чрезвычайно большое значение.

Как правило, наночастицы обладают другими свойствами, чем тот же материал в более крупном масштабе. Наночастицы уже по геометрическим законам обладают большей реакционной способностью, так как доля поверхностных атомов растет по мере уменьшения размера частицы. Поверхностные атомы склонны к образованию соединений.

Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др.

По прогнозам на ближайшие 10-15 лет, нанотехнологическая продукция будет занимать ведущее место.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов.
Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровне и создавать материалы с новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малым размерам элементов их структуры. Таким образом, наноматериалы – это контролируемое упорядочение нанообъектов. Изучая нанообъекты, исследователи накапливают знания и опыт для целенаправленного усовершенствованием свойств материалов и производства новых материалов с заданными свойствами.

Развитие нанонауки и нанотехнологии придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства.

Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др.

Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.

Весь круг проблем делится специалистами на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения ощутимых результатов.

Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.

Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.

Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов. Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70% с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.

Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом.

Охрана окружающей среды. Для очистки газовых выбросов разрабатываются фильтрующие мембраны из наноструктурированных материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или оксида железа. Пористость таких мембран регулируется размером составляющих ее наночастиц с размером 10-500 нм. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов. Использование благородных металлов и РЗЭ в виде наноструктурных покрытий монолитных блоков может обеспечить высокую степень очистки выхлопных газов от монооксида углерода и оксидов азота, углеводородов и альдегидов, которой требуют Евро-стандарты (Евро-3 и -4). В данном случае know how заключается в способе получения высокодисперсных (5-7 нм) частиц дорогих металлов, чтобы не слишком повышать себестоимость нейтрализаторов и, в целом, автомобилей.

Электроника. Широкое использование наноматериалов мож<

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-29

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...