Исследование состояния и перспектив развития разработок в области наннотехнологических процессов

ИССЛЕДОВАНИЕ  СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

    Слава нанонаука, нанотехнология стали уже  привычными в нашей жизни. Много  говориться о том, сколь огромные средства вкладываются в нанотехнологические  исследования. И ученые рисуют грандиозные перспективы о будущей полезности внедрений результатов таких исследований в жизнь человека. Научно-технических прогресс никогда не стоял на месте. А скорость его всегда увеличивалась, что приводило к резким технологическим скачкам вперед – к научным революциям. Последним грандиозным шагом на пути к прогрессу стала компьютеризация деятельности человека. Нанотехнологическая же революция будет нести в себе еще более радикальные перемены.

    Подчеркивает  понимание государством важности нанотехнологических разработок принятая 18 ноября 2004 года Правительством Российской Федерации «Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года». В ней определены приоритетные направления развития работ в области нанотехнологий.

    В соответствии с концепцией важным направлением реализации государственной политики в области инновационного развития наноиндустрии является материально-техническое  обеспечение работ с учетом возможности  кооперации при использовании уникального дорогостоящего научного оборудования в целях создания сбалансированной и гибкой инфраструктуры, обеспечивающей ускоренное развитие основ наноиндустрии и освоение внутреннего и внешнего рынков наукоемкой продукции.

    На  основе этой концепции была 25 августа 2006 года была принята «Программа координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации». Она определила перспективными направлениями развития нанотехнологий и наноматериалов в России: создание научно-технологической и метрологической базы наноиндустрии; разработка наноинженерии и наносистемной техники; создание функциональных и конструкционных наноматериалов; разработка нанобиотехнологии; осуществление подготовки и переподготовки кадров для наноиндустрии.

    Для изучения темы для начала дадим определение, что представляют из себя нанотехнологии. Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

    Диапазон объектов, рассматриваемых нанотехнологиями простирается от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры более 1 мкм в одном или двух измерениях. В таких частицах в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и квантовые закономерности его поведения.

    На  выгодность использование нанотехнологических процессов стоит взглянуть с экономической точки зрения - нанотехнологии способствуют снижению энергоемкости и материалоемкости. В силу своих физических свойств и размеров частиц время протекания процессов в системе сокращается, иными словами быстродействие системы возрастает.

    Как мы уже отметили в определении  нанотехнологии, она является междисциплинарной  областью и находится в тесной неразрывной взаимосвязи с фундаментальными науками. На основе взаимодействий наук и рождается нанонаука и нанотехнология, которая рождает плоды своего научно-технологического процесса.

    На  данный момент разработаны сотни  наноструктурированных продуктов  конструкционного и функционального  назначения, которые можно активно  применять в промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

    К таким продуктам относятся: высокопрочные  нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные  компоненты микроэлектроники и оптотроники  следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

    Достижения  нанонауки стоит рассматривать  под углом их приложимости к информационным технологиям. Здесь выделяются такие основные направления: различные устройства на углеродных нанотрубках;  одноэлектроника, спинтроника и джозефсоновская электроника, квантовые компьютеры; молекулярная электроника, в частности, с использованием фрагментов ДНК; сканирующие зондовые методы.

    Углеродные  нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, состоящие из одних лишь атомов углерода. Внешне выглядят как  свёрнутая в цилиндр графитовая плоскость. Благодаря тому, что удельная проводимость соизмерима с проводимостью металла, а максимальная плотность тока - в десятки раз выше, чем у металла, углеродные нанотрубки рассматриваются как замена металлическим проводникам в микросхемах новых поколений. Получают полупроводниковые нанотрубки с помощью принц-технологии.

    Спинтроника (Спиновая электроника) представляет из себя раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник. Переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое (например, воздействуя магнитным полем) – то, чем занимается спинтроника. Современные технологические системы сейчас затрачивают сотни и тысячи электронов на одну операцию. При реализации идеи одноэлектронного устройства будут выполняться функции тысяч электронов одним в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле - перейти с одного атома на другой). Так мы получим хорошо знакомую нам двоичную систему кодирования информации. При работе такого устройства можно достигнуть быстродействия порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, это число радикально превосходит достигнутые на данный момент показатели, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. Имея такую плотность записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы разместить библиотеку планетарного масштаба, фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей нашей планеты.

    Нанотехнологии  глубоко изучают свойства каждого  атома и каждой частицы и используют силы притяжения между ними в нанометровых расстояниях. Конфигурации таких частиц напрямую зависят от типа и прочности  внутренних связей между ними, абсолютной температурой и характером окружения.

    Мир нанотехнологий – это мир самый  мельчайших частиц, их взаимодействий и связей. Изучение нанотехнологических  процессов – это изучение на основе физических законов мира элементарных частиц, которые складываются в группы, из чего в последствии складываются все более сложные материалы и конфигурации.

    Так и частички складываются в атомы, атомы в молекулы, молекулы в клетки, клетки в сложные клеточные структуры  самых разных типов, которые объединяются в одно очень сложное целое, которое мы зовем «Человек». Человек – это сложнейший механизм, нарушение в строении одной частички может приводит к страшнейшим последствиям. Но человек это не просто сбор клеток для физиологического функционирования. От каждой частички зависит внутренний мир человека.

    Возьмем за основу рассмотрения человеческого  существования основные физические законы нанотехнолигий и нанонауки. Мы уже знаем, что чем меньше расстояние между частицами, тем выше быстродействие системы, состоящей из данных частиц, тем быстрее протекают процессы в системе, увеличивается скорость усваивания и переработки информации, увеличивается объем выработанной полезной информации.

    В человеческой системе взаимоотношений  происходит аналогичным образом. Чем меньше расстояние в системе человеческих индивидов, чем в большем контакте они находятся друг с другом – тем продуктивнее идет их совместная деятельность. Если рассматривать с экономической точки зрения к примеру систему управления материальным потоком на предприятии. Существует традиционная система, где каждый занимается своим этапом материалооборота и вынужден выполнять множество различных функций и планирования, и управления, и анализа. Гораздо более эффективной является логистичекая система управления материалопотоком – здесь за каждую функцию отвечает свой отдел на протяжении всего процесса производства. В такой системе к плюсам, помимо высокой степени спецификации, что ведет к более квалифицированному подходу, мы также относим высокую степень кооперации работников и отделов предприятия. Это ведет за собой высокую осведомленность об экономическом состоянии всего предприятия в целом, а не только отдела, находящегося в ответственности работника. В связи с этим экономические решения, принимаемые работником становятся более осмысленными и глубже ориентированные на состояние окружающей среды и на внутренние свойства работы предприятия.

    Что такое технология? Это описание действия. Таким образом основные принципы нанотехнологии можно перенести  на функционирование деятельности нашей планеты. В масштабах планеты можно представить себе предприятие как наночастицу. К чему сейчас приводит конкуренция, соперничество, борьба за ресурсы, за прибыль, за власть? Как мы видим ни к чему хорошему. Мировые конфликты, экономические кризисы, войны…

    Если  допустить, что одна наночастица, т.е. предприятие – пришло к а внутреннему  состоянию и функционирует безукоризненно, почему же предприятие все равно  может разориться и прекратить свое существование? Потому как одна частичка не может давать полезного результата для всего миро. Таким частицам нужно складываться в конфигурации, т.е. сотрудничать друг с другом, а не соперничать и пытаться уничтожить.

    И вот когда это сотрудничество достигнуто, из такого высококачественного  наноматериала можно строить уникальные продукты нанотехнологий. Такая революция человеческого сознания начиная с малого – с одного человека, способна привести к изменению всего человеческого мира. И возможно тогда начиная с одной маленькой наночастицы, сложенный из нее нанопродукт в виде развитой человеческой цивилизации обнаружит, что он не единичный продукт, что он долго шел к обнаружению не едеиничности своего разума в огромной вселенной.

    Ключевые  технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

    СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

    1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии  / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса.  М., 2006.

    2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2006.

    3. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века // Природа. 2007. №11. С.23-30.

    4. Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам // Природа. 2006. №12. С.28-36.