Категории: ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Сущность и основные направления ускорения НТПНаучно-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. 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... |