Лекции по "Концепция современного естествознания"

Перспективные материалы и технологии

Обновление технической базы энергосистем и практически всех важнейших отраслей промышленности во многом связано с внедрением перспективных материалов и новейших технологий. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы.

Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструмента, различного рода машин.Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые методы, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Так, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металло-органическихсоединений. При выжигании полимерного скелета в металло-органическом полимере, скрученном в нить, образуется высоко термостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония ZrO2 существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия. Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами.

Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например в эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно высокому показателю прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т.п.

Благодаря исследованиям полимерного механизма взаимодействия поверхностных слоев, сопряженных на границе раздела между различными полимерами, удалось разработать комбинированный полимерный материал, называемый иногда полимерным сплавом, с высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относится, например, нейлон, усиленный эластичным углеводородным полимером.

В последние десятилетия уделяется все больше внимания разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т.п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в пределах от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени налажена технология формирования микроэлектронного элемента с размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.

Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно внедряется биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК (сшивание нитями ДНК и т.д.). В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только полдела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как удачно могут сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.

Микроэлектронные технологии. Микроэлектронные технологии оказали и будут оказывать огромноевлияние на индустриальный мир и общество в целом. Наиболее широко известная продукция, изготавливаемая на основе микроэлектронной технологии – микропроцессор, представляющий собой устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Эта удивительно сложная и функционально интегрированная электрическая цепь построена на небольшой пластине, называемой чипом. Некоторые современные микропроцессоры, в том числе и отдельные чипы машинной памяти большой емкости, содержат миллионы транзисторов или других электронных компонентов, расположенных на кремниевой пластине площадью в несколько квадратных сантиметров.

Чипы изготавливаются из кремния высокой чистоты, в них целенаправленно имплантируют различные добавки для формирования элементов отдельных устройств, выполняющих вполне определенные функции: усиление,выпрямление или переключение сигналов, запоминание или воспроизведение информации. Решающую роль в изготовлении таких сложнейших систем играет тонкопленочная технология, включающая ряд последовательных операций

С помощью тонкопленочных органических слоев, чувствительных к излучению, в кремний избирательно вводятся легирующие примеси с образованием заданного рисунка электрической цепи. Легирование производится при высокой температуре, поэтому для защиты поверхности используется тонкая пленка диоксида кремния. Рисунок формируется с помощью органического материала – фоторезиста, в котором химические изменения инициируются световым потоком. Такие изменения приводят к разрыву (или образованию) ковалентных связей в светочувствительных химических группах, закрепленных на полимерной структуре. В результате происходит локальное увеличение (или уменьшение) растворимости фоторезиста в заданном растворителе. При пропускании света через маску засвечиваются лишь определенные области фоторезиста, которые удаляются (или остаются) после промывания растворителем. Затем производят вытравливание рисунка с последующим удалением фоторезиста.

С применением излучения в видимой части спектра и специального высокочувствительного фоторезиста можно формировать рисунок электронной схемы с линейным размером 1-2 мкм. Однако при изготовлении элементов схемы, близких по размеру к длине волны света, равной 0,4 (для коротковолновой части спектра), начинают сказываться дифракционные эффекты. Их можно ослабить, пользуясь более коротковолновым излучением и чувствительными к нему резистивными материалами. Это означает, что дальнейший прогресс в микроэлектронике и ее трансформация в наноэлек-тронику возможны только с применением коротковолнового ультрафиолетового, рентгеновского излучения и даже электронных лучей, что, естественно, влечет за собой принципиальное техническое переоснащение сложногомикроэлектронного технологического процесса.

Миниатюризация электронных устройств – характерная черта современной микроэлектроники. Миниатюрный размер электронного элемента современной схемы составляет около 1 мкм. Дальнейшее его уменьшение, как отмечалось, требует перехода к гораздо более сложной коротковолновой технологии. Возникает вопрос: нельзя ли найти другой путь решения данной проблемы? Один из таких путей предложен. Он основан на идее хранения и обработки информации с помощью отдельных молекул или молекулярных агрегатов, т.е. на идее создания молекулярного компьютера.

При трехмерной архитектуре применение молекулярных компонентов цепей с промежутком около 0,01 мкм обеспечило бы в миллионы раз большую плотность элементов, чем та, что реализуется в настоящее время. Такие цепи можно было создать из разнообразных молекул – от полностью синтетических электропроводящих полимеров до природных белков. Основные элементы памяти молекулярных компьютеров могли бы функционировать по принципу переменного заряда в полиэтилене или молекулярной ориентации в твердом теле. Молекулярный компьютер по своему устройству и функциям напоминает систему памяти, которой наделены многие живые существа. Создание молекулярного компьютера может показаться фантастической идеей. Но в свое время и полет на Луну, и расшифровка структуры ДНК, и многое другое было предметом научной фантастики. 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА  

 

1.  Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007 – 208 с.

2.  Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2007. – 383 с.

3.  Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания: Учебн. пособие для вузов.-М.:Аспект Пресс, 2007. –256 с.

4.  Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Уч. пособие.-М. «Маркетинг», 2007. – 160 с.

5.  Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник.-М. Высшая школа. 2007. - 334 с.

6.  Концепции современного естествознания. - Под ред. В.Н.Лавриненко.: М.ЮНИТИ, 2008.- 303 с.

7.  Концепции современного естествознания.: учебник для вузов под ред.С.И.Самыгина.- Ростов-н-Д.: Феникс, 2008, 2003.-576 с.

8.  Липовко П.О. Практикум по естествознанию – Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с.

9.  Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. – 192 с.

10.  Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.

11.  Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.-М.:ЮНИТИ,2009.-287 с.

12.  Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.:Высшая школа, 2009.- 208 с.

13. Касперович Г.И. Концепции современного  естествознания: Учеб. пособие / Г.И. Касперович, О.С. Павлова. – Беларусь, 2002. – 160 с. 

 

Дополнительная литература 

 

1.  Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания: Курс лекций / А.Н. Бабушкин. – СПб.:Издательство «Лань», М.: ООО Издательство «Омега–Л», 2004. – 224 с.

2.  Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / Т.Я. Дубнищева. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 608 с.

3.  Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / под ред. В.Н. Лавриненко, В.П.Ратникова. – М.: ЮНИТИ–ДАНА, 2006. – 317 с.

4.  Свиридов, В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / В.В. Свиридов. –СПб.:Питер, 2005. – 349 с.

5.  Салогуб, Е.В.Строение вещества : учеб.пособие. Ч.1 / Салогуб Елена Викторовна. - Чита :ЧитГУ, 2009. - 101с.

6.  Электронный ресурс. – Режим доступа:http://www.humanities.edu.ru/

7.  Электронный ресурс. – Режим доступа: http://school-collection.edu.ru/

ГЛОССАРИЙ 

 

Абиотические факторы среды  – совокупность условий неорганической среды, влияющих на организмы. Делятся на химические, физические, космические, геолого-географические, климатические и др.

Абиогенез  – теория возникновения живых существ из веществ неорганической природы.

Автогенез  – учение, пытающееся объяснить эволюцию организмов действием только внутренних факторов.

Автотрофы  – организмы, синтезирующие из неорганического вещества необходимые для жизни органические вещества за счет солнечной энергии (фотосинтез) и за счет энергии некоторых химических реакций (хемосинтез). К автотрофам относятся высшие растения (кроме паразитных и сапрофитных), водоросли и некоторые бактерии.

Адаптация  – процесс приспособления строения и функций организмов (особей, популяций, видов) и их органов к условиям среды.

Адроны  – общее название семейства элементарных частиц, обладающих сильным взаимодействием. Семейство адронов включает в себя барионы и мезоны (мезонные резонансы и соответствующие античастицы).

Астрономическая единица длины  – мера расстояний до космических объектов, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца.

Барионы  – общее название адронов с полуцелым спином. К барионам относятся нуклоны, гипероны, барионные резонансы. Барионы состоят из 3 кварков, связь между которыми осуществляется глюоннымполем.

Биогенез: 1) процесс возникновения, зарождения живого; 2) теории, отрицающие появление жизни на Земле в результате возникновения живых существ из неживой материи (см.: абиогенез).

Биогенетический закон  – закономерность развития живой природы, состоящая в том, что индивидуальное развитие особи (онтогенез) является коротким и быстрым повторением важнейших этапов эволюции вида (филогенез).

Биогеоценоз  – взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменов вещества и энергии; одна из наиболее сложных природных систем.

Биосфера  – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые связаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биохимической активности.

Биоценоз  – совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих часть суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами.

Бифуркация (от лат. bifurcus  – раздвоенный)  – 1) (в биологии) раздвоение, вилообразное разделение чего-либо на две ветви; 2) (в механике, динамике) разветвление в траектории движения системы в определенной точке либо приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров.

Большой взрыв, согласно современным космогоническим представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (около 13-18 млрд лет назад), когда вся Вселенная составляла некоторую небольшую космологическую сингулярную (особую по физическим свойствам) область и по каким-то (неизвестным пока) причинам взорвалась. Образовавшееся вещество, составляющее ныне все вещество Вселенной, в первые несколько сот секунд стало разлетаться (расширяться) с колоссальной скоростью, что наблюдается согласно открытию Хаббла до сих пор. Наблюдаемым свидетельством происшедшего «большого взрыва» является предсказанное Гамовым реликтовое излучение, а также определенные концентрации водорода, гелия, некоторых других легких элементов и неоднородности в распределении галактик.