книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

физико-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

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

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