Основы современной биотехпологии

Термин «биотехнология» возник в начале XX в., однако биотехнологические процессы человечество использует с глубокой древности. Это так называемая традиционная биотехнология, основанная на процессах брожения. К ней относятся хлебопечение, сыроварение, виноделие, силосование кормов и т.д.

В наши дни успехи биотехнологии наполнили это понятие новым содержанием.

Биотехнология — это новый этап современных биотехнологических знаний и технологического опыта. Возникнув на стыке различных наук — микробиологии, биохимии, биофизики, генетики и др., базируясь на достижениях фундаментальных исследований, биотехнология стала одним из важнейших факторов развития общественного производства. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

Современная биотехнология использует биологические процессы и системы для получения разнообразных продуктов. В настоящее время это многопрофильная и комплексная отрасль производства, которая включает в себя:

• промышленную биотехнологию (микробиологический
синтез);

«генетическую и клеточную инженерию;

• инженерную энзимологию (белковую инженерию).

Эти новые направления биотехнологии призваны способствовать решению насущных проблем медицины, сельского хозяйства, энергетики, рационального использования и охраны природных ресурсов.

Промышленная микробиология (микробиологический синтез) — наука, изучающая промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов.

В настоящее время микробиологическая индустрия выпускает около 200 видов разнообразной продукции, необходимой народному хозяйству. Промышленная микробиология производит сотни тысяч тонн кормовых дрожжей, тысячи тонн аминокислот, биологических средств защиты растений, антибиотики для сельскохозяйственных животных, витамины, органические растворители, этиловый спирт и другие продукты.

Дальнейшее развитие промышленной микробиологии будет способствовать повышению эффективности общественного производства. Резервы для развития у микробиологического синтеза есть: из 100 000 видов микроорганизмов, которые известны человечеству, используется в настоящее время не более ста.

Одна из важнейших проблем современности — восполнение дефицита белка на Земле. Потребность людей в животном белке удовлетворяется в настоящее время только частично. Чтобы получить необходимое количество белка, нужно повысить продуктивность растениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществ путем микробиологическо-

го синтеза. Эти задачи успешно решает промышленная микробиология.

Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза.

В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями. Это обусловлено заботой о защите сельскохозяйственной продукции, почвы, воды и воздуха от загрязнений пестицидами и рациональном, более эффективном использовании природных ресурсов.

Микроорганизмы стали союзником человека в решении проблемы охраны окружающей среды, так как в природе много таких веществ, которые они могут разложить или преобразовать.

Прогрессирующий дефицит ископаемого топлива ставит перед современной наукой задачи, связанные с разработкой новых процессов, ориентированных на возобновляемые сырьевые и энергетические источники. Возможность использования микробиологических методов для решения проблем энергетики способствовала появлению и развитию такого направления, как биоэнергетика. По прогнозам, к середине XXI в. удастся получать микробиологическим путем более 10 % необходимой энергии — в виде газообразного топлива из биомасс (биогаз).

Все шире используются возможности промышленной микробиологии в горнорудной и металлургической промышленности. Наибольший практический опыт накоплен в области использования микроорганизмов для извлечения цветных металлов, урана и золота путем бактериального выщелачивания их из бедных или труднообогащаемых другими способами руд. Такой способ обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, благоприятен для охраны окружающей среды. В частности, разработана опытная установка для получения меди из руды с использованием методов микробиологической металлургии при нормальных температуре и давлении и минимуме капитальных затрат. Извлечение меди с помощью микроорганизмов обходится в 3—4 раза дешевле, чем обычными металлургическими способами.

Генетическая инженерия — принципиально новое научное направление биотехнологии, позволяющее создавать искус -

ственные генетические структуры путем целенаправленного воздействия на материальные носители наследственности (молекулы ДНК). Применяя генноинженерные методы, в принципе возможно конструировать совершенно новые организмы по заранее заданному «чертежу».

Прикладное использование генетической инженерии привело к возникновению так называемой индустрии ДНК, к которой относится, например, производство физиологических активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд.

"Уже есть ряд уникальных достижений генетической инженерии — промышленное производство интерферона, инсулина, гормона роста человека и т.д.

Вполне возможно создание в обозримом будущем таких искусственных микроорганизмов, которые перерабатывают с большой эффективностью любые вещества и материалы, включая металлы, пластмассы и минералы, а также таких, которые вырабатывают полноценный пищевой белок.

Одним из направлений генной инженерии является клонирование. Термин «клон» происходит от греческого слова «klon», что означает «веточка», «побег», «черенок», и имеет отношение прежде всего к вегетативному размножению. В сельском хозяйстве, в частности в садоводстве, клонирование растений черенками, почками или клубнями известно уже более четырех тысяч лет.

Начиная с 70-х гг. XX в., для клонирования растений стали широко использовать небольшие группы клеток и даже отдельные соматические (неполовые) клетки. Дело в том, что у растений (в отличие от животных) по мере их роста в ходе клеточной специализации — дифференцировки — клетки не теряют так называемых тотипотентных свойств, т.е. своей способности ре-ализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившая в процессе дифференцировки свое ядро, может дать начало новому организму. Эта особенность растительных клеток лежит в основе многих методов генетики и селекции.

При вегетативном размножении и клонировании гены не распределяются по потомкам, как при половом размножении, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений. Клоны имеют одинаковый набор генов и фенотипически не различаются между собой.

Клетки животных, дифференцируясь, лишаются тотипо-тентности. В этом — одно из существенных их отличий от клеток растений. Именно эта особенность является главным препятствием для клонирования взрослых позвоночных живот-

ных. В лабораторных условиях его удалось преодолеть при клонировании мышей, овец, кроликов, коров, однако успешно родившиеся клоны имели целый ряд отклонений от нормального развития и отличались многочисленными генными мутациями. Кроме того, было зафиксировано ускоренное старение клонов по сравнению с их одногодками.

Наиболее перспективная сфера реализации клонирования — помощь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Клонирование органов и тканей — это задача номер один в трансплантологии, травматологии и других областях медицины.

Более скромная, но не менее важная задача клонирования — регулирование пола сельскохозяйственных животных и введение в них человеческих генов, «терапевтических белков», которые затем используются для лечения людей.

Технология клонирования в первую очередь сулит большие выгоды животноводству. В принципе с любого животного, имеющего ценные продуктивные качества, можно получить многочисленные генетически идентичные копии, обладающие теми же признаками. Важными областями применения клонирования будут создание и размножение клонов трансгенных сельскохозяйственных животных (овец, коров, свиней).

Хотя генная инженерия делает свои первые шаги, она по праву считается самой перспективной областью современной биотехнологии.

Клеточная инженерия. Клетки — это миниатюрные «фабрики», создающие необходимые организму вещества. Сегодня, благодаря методам клеточной инженерии, появилась возможность производить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма).

Методы клеточной инженерии успешно дополняют генно-инженерные. Используя клеточную инженерию, ученым удается выводить новые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды ценные для народного хозяйства растения. Уже существуют гибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используя данную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней, картофеля с томатом и т.д.

Не менее значительны успехи клеточной инженерии в работе с животными клетками. Создаются банки замороженных эмбрионов высокопородных животных с последующей их пересадкой обычным животным для выведения. Уже сейчас отработана технология получения за сезон от одной элитной коровы до 15—20 высокопородных телят посредством вживления на

основе ее клеточного материала искусственных эмбрионов низкопородным коровам.

Клеточная инженерия позволяет вырабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы.

В последнее время клеточная инженерия совершила поистине революционный прорыв в области иммунологии. Методами клеточной инженерии разработан способ соединения клеток лимфоцитов (которые являются одним из основных факторов иммунной защиты организма) с опухолевой клеткой для получения так называемых гибридом, начинающих производить противоопухолевые антитела. По чувствительности и избирательности они не имеют себе равных. Гибридомная технология открывает новую эру в иммунологии.

Хотя клеточная инженерия делает свои первые шаги, однако ее методы позволят уже в ближайшие годы начать изготовление большого количества ценных препаратов, необходимых народному хозяйству и медицине.

Инженерная энзимология — наука, разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленного использования, позволяющих многократно интенсифицировать технологические процессы при снижении их энер-го- и материалоемкости.

Создание так называемых иммобилизованных (неподвижно закрепленных) ферментов, закрепляемых на полимерных носителях, явилось значительным шагом вперед в развитии современной биотехнологии.

Иммобилизация ферментов повышает их устойчивость к нагреванию, изменению реакции среды, увеличивает срок их действия, облегчает отделение от продуктов реакции, дает возможность многократного использования.

Ферменты наиболее широко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, используемых в медицине.

Весьма перспективно применение ферментов в химической промышленности, при получении тканей, кож, бумаги, других синтетических материалов. При этом использование ферментов не только позволит качественно усовершенствовать технологию, но и будет способствовать решению проблемы очистки окружающей среды.

Ферменты успешно используются в технологических процессах пищевой промышленности, в частности, для вырабаты-

вания глюкозно-фруктозного сиропа, глюкозы из крахмала, улучшения качества молока, в ряде других производств.

Иммобилизованные ферменты в лабораторных условиях применялись для получения полимеров из целлюлозы, водорода из воды, в других технологических процессах тонкого органического синтеза. Данные разработки открывают пути к внедрению безотходных и низкотемпературных процессов, повышению экономии сырья и энергии.

В настоящее время разработана и проходит промышленную проверку технология переработки целлюлозы в глюкозу с использованием методов инженерной энзимологии.

В медицине применение иммобилизованных ферментов наиболее перспективно в борьбе с опухолями, тромбами и другими длительными поражениями, требующими постоянного поступления лекарств в организм.

15.10. Общие сведения о панотехнологии

С самого начала зарождения промышленного производства сырье и оборудование, используемые человеком, были соизмеримы с его антропометрическими характеристиками. Таким образом, окружающий нас мир вещей и механизмов в преобладающем большинстве является продуктом так называемой метро вой технологии. Широкомасштабный переход к миллиметровой технологии состоялся в середине XX в. и был обусловлен появлением промышленной электроники. Последующее сокращение размеров оперируемого пространства в 1000 раз привело к созданию твердотельной микротехнологии. Ее развитие к началу XXI в. легло в основу поразительного прогресса вычислительной техники. Микротехнологии позволили размещать свыше миллиона твердотельных транзисторов в интегральной схеме площадью всего в 1 см². Кристаллы кремния явились основой интегральных микросхем, миниатюризация которых и обусловила экспоненциально быстрый рост эффективности и быстродействия на единицу стоимости (и массы) вычислительных машин.

При этом все вышеперечисленные технологии, используемые в настоящее время в промышленном производстве, можно назвать классическими, так как они базируются на ставших классическими законах современного естествознания.

Однако действие классических законов начинает нарушаться при размерах, составляющих десятые доли микрометра. За этой гранью начинается территория, подвластная квантовым законам, в которых проявляет себя волновая природа электро-

на. И это именно та территория, на которой осуществляются на-нотехно л огии.

Нано- (от гр. nanos — карлик) — приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных, например 1 нм = 10^-9 м.

Иа уровне таких размеров происходит переход от сплошных веществ к атомно-структурным построениям квантовой нано-технологии. При этом человечество вступает в «производственную» область, в которой исчезает грань между живой и неживой природой. Поэтому переход от «микро» к «нано» — не количественный, а качественный скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами.

Области характерных размеров для ряда наноразмерных образований приведены на рис. 15.9.

Нанотехнологии — это технология, основанная на манипуляции отдельными атомами и молекулами для построения сложных структур различных веществ и создания миниатюрных технических устройств.

Таким образом, нанотехнология находится на стыке квантовой техники, материаловедения и молекулярной биологии и является ключевой областью научно-технической революции в промышленности.

Считается, что история нанотехнологии началась в 1959 г., когда лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман сказал пророческую фразу: «Принципы физики, насколько я их знаю, не запрещают манипулирование отдельными атомами».

В 1981 г. Г. Бинингом и Г. Рорером, учеными из швейцарского отделения IBM, был изобретен сканирующий туннельный микроскоп — прибор, дающий возможность воздействовать на вещество на атомарном уровне. Базовой концепцией разработки нанотехнологии послужило предложение американского ученого К.Э. Дрекслера в 1985 г. сознательного (практического)

манипулирования атомами и молекулами, когда каждая из них занимает в конечной структуре то место, которое ей определено человеком.

В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, в отличие от туннельного позволяющий осуществлять взаимодействие не только с электропроводящими, но и с любыми материалами. При помощи атомно-силового микроскопа стало возможным «подцепить» атом и поместить его в нужное место, т.е. манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любой объект, любое вещество.

Этим было положено начало так называемому программируемому атомному письму, явившемуся прообразом первого нано-технологического процесса собирания атомов в наноразмерные «кучки» и выстраивания этих «кучек» в соответствии с заданным рисунком (рис. 15.10).

Одиночные квантовые точки, образованные группой атомов и локализованные в заданном месте основной матрицы, могут быть собраны с образованием так называемой проволоки. Элементы проволоки, в свою очередь также сгруппированные заданным образом, образуют более сложные замкнутые молекулярные пространственные структуры — микрокластеры.

Микрокластеры — это новая фаза твердого тела с необычными химическими и физическими свойствами, среди которых главным является повышенная реакционная активность. Микрокластеры легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На основе этих структур возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Наука ближе подошла к познанию сущности многих активных процессов на молекулярном уровне и выходит на качественно иной уровень понимания свойств материального мира и использования их в интересах современной техногенной цивилизации.

Самый распространенный вид микрокластеров — фуллере-ны. Свое название они получили в честь архитектора Б. Фулле-ра, создавшего геодезические дома-купола из пяти- и шестиугольников.

Фуллерены — полиморфные модификации углерода со структурой, построенной из кластерных частиц. Наиболее известный из фуллеренов С₆₀ (в индексе обозначено число атомов углерода) по форме очень похож на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. К настоящему времени обнаружена целая семья фуллеренов — от С₂₈ до С₂₄₀-

Фуллерен представляет собой полую внутри симметричную углеродную структуру, замкнутая поверхность которой образована правильными многоугольниками из атомов (рис. 15.11).

Возможность существования фуллеренов еще в начале 70-х гг. XX в. независимо друг от друга предсказали советские химики Д. Бочвар и Е. Гальперин и японский физик Е. Осава. В 1985 г. данные структуры были экспериментально обнаружены Р. Керлом, Р. Смолли (США) и Г. Крото (Великобритания). В 1996 г. за открытие фуллеренов эти исследователи получили Нобелевскую премию. Уже к 1990 г. были предложены способы получения фуллеренов в макроколичествах. Фуллерены С₆₀, С₇₀ и другие получают в основном в межэлектродном промежутке графитовой дуги в токе инертного газа. С этого момента начался «фуллереновый бум». Ноток открытий об их удивительных свойствах все возрастает.

Поскольку углерод является основным элементом структуры живой материи, открытие его новой формы имеет особое значение и заставляет пересмотреть представления о фундаментальных процессах, происходящих с участием углерода в живой и неживой природе. В то же время применение фуллеренов означает наступление технологической революции, результаты которой трудно предвидеть.

Формированием разнообразных углеродных каркасных структур нанотехнология не ограничилась. В 1991 г. были созданы длинные цилиндрические углеродные образования, получившие название нанотрубки (НТ). Визуально структуру НТ можно представить так: берется графитовая плоскость, из нее вырезается полоска и «склеивается» в цилиндр (рис. 15.12).

Такое сворачивание графитовой плоскости — это лишь способ представить себе структуру НТ; реально НТ формируются совсем по-другому. При этом до экспериментального открытия НТ никто из теоретиков их создание не предсказывал.

Для нанотрубок характерно большое многообразие форм: они могут быть большими и маленькими, однослойными и многослойными, прямыми и спиральными. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, НТ оказались материалом, на редкость прочным как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, НТ также ведут себя необычно: они не «рвутся» и не «ломаются», а просто перестраиваются. НТ демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости НТ могут быть и проводниками, и полупроводниками.

Уже сейчас широкое использование фуллеренов и нанотрубок очень перспективно. Высокая активность фуллеренов поз-

воляет применять их в технологических процессах, связанных с выращиванием кристаллов, проведением селективных каталитических превращений, но прежде всего — получением совершенно новых материалов с искусственно упорядоченными электронными, магнитными и оптическими свойствами (например, полимерных материалов, обладающих заданными величиной проводимости или магнитными свойствами, новых катализаторов, высокоселективных абсорбентов, классов сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектри-ков, нелинейных оптических материалов). Реальностью становится создание материалов, которые будут в 200 раз прочнее стали. Фуллерены с характерным размером кластеров около 10 ангстрем (ангстрем — единица длины, равная одной десятимиллиардной доле метра) могут быть использованы как «нано-кирпичики» для изготовления новых материалов, в том числе применяемых для сверхплотной записи информации. Пленки, полученные на основе фуллеренов, могут решить проблему очистки загрязненных поверхностей. Подавление отражения покрытой фуллереном поверхности при облучении ее лазером позволяет делать самолеты практически невидимыми для лазерных радаров. Создаются новые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости.

Одно из очевидных прямых следствий использования фуллеренов — уменьшение размеров, энергоемкости, материалоемкости самых разнообразных технических устройств и технологических процессов. Это позволит улучшить характеристики таких устройств, как лазеры, фотопленки, люминофоры, магнитные диски и компьютеры, создать экологически чистые источники тока. Самая поразительная возможность применения фуллеренов — в целенаправленном выращивании химическими методами микрочипов размеров, сопоставимых с нейронами. В перспективе это приведет к созданию карманных суперкомпьютеров, одновременно с которым увеличатся возможности исследователей, что позволяет предсказать поток новых открытий и изобретений в любых областях, в том числе и самых неожиданных.

Эндофуллерены — один из самых экзотических и замечательных классов химических соединений, созданных нанохи-мией. Они образуются в результате внедрения атомов или ионов внутрь фуллереновой сферы и «пленения» их. Однако уникальность эндофуллеренов состоит не в том, что атомы или ионы внедряются внутрь фуллереновой сферы, а в том, что их «пленение» является практически необратимым процессом, что приводит к созданию стабильных материалов с новыми уни-

кальными свойствами. Уже синтезировано огромное количество эндофуллеренов: Т@С₆₀ (символ @ означает помещение атома или иона в сферу фуллерена), (³Не, ⁴Не)@ С₆₀ и т.д. Получены эндофуллерены с двумя и даже тремя плененными атомами (например, Не₂@С₇₀, L а₂@(С₇₂, С₇₄, С₈₂) и др.).

Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е. внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник.

Значительным событием в нанохимии фуллеренов явилось открытие и направленный синтез ониевых («луковичных») фуллеренов, например, таких как С₆₀@С₂₄₀@С₅₄₀... представляющих собой несколько сферических молекул, вложенных одна в другую (как слои шелухи на луковице) с расстоянием между поверхностями сфер >0,34 нм. Это новый класс эндофуллеренов. Внутренние сферы испытывают огромное давление внешних, и это является причиной того, что даже при слабом фото- или радиационном воздействии внутренние сферы превращаются в алмаз. Таким образом, исследователи приближаются к пониманию механизма синтеза искусственных алмазов.

В связи с очень высокой ценой фуллеренов (цена 1 г экстракта — от 40 дол. США за С₆₀ и С₇₀ до 65 000 дол. США за C₈₄) их широкое промышленное применение в технике — вопрос не самого ближайшего будущего. Но зато весьма перспективно применение фуллеренов в медицине. Использование фуллеренов как основы лекарственных препаратов базируется на значительной химической активности молекулы фуллерена, имеющей большое число свободных связей, придающих ей способность присоединять различные радикалы, в том числе биологически активные. Главное препятствие для быстрого внедре ния фуллеренов в медицинскую практику — нерастворимость молекул фуллеренов в воде, затрудняющая их введение в живой организм. Самая сенсационная возможность использования фуллеренов в медицине — лечение вирусных заболева ний, вызываемых ВИЧ-инфекцией. Сегодня ведущей причиной смертности стал атеросклероз. Большое развитие получило его лечение методом гемосорбции. Поэтому разработка средств для гемосорбции — плазмосорбентов на основе фуллеренов стала одним из главных достижений экспериментальной медицины.

Потенциальные области применения нанотрубок также обширны. Малые размеры и уникальная структура НТ определяют их необычные механические и электронные свойства, при-

чем последние можно целенаправленно изменять в широком диапазоне. В отличие от графита ЫТ химически инертны. Высокая жесткость НТ сочетается с упругостью и способностью обратимо вспучиваться (коробиться) и складываться (сжиматься, сплющиваться).

Области применения НТ можно условно разделить на две группы — в сравнительно массивных изделях и деталях (работает множество НТ) и в миниатюрных изделиях и устройствах (работают индивидуальные НТ). В первом случае это наполнители для различных композитов (легких, прочных, при необходимости электропроводных и поглощающих энергию удара), материалы для химических источников тока и аккумуляторы газов, во втором — электронные приборы и устройства, включая сверхмалые и сверхбыстрые компьютеры, катоды полевых эмиттеров электронов, а также неразрушающиеся нанозонды в сканирующих микроскопах, высокочастотные резонаторы, на-нопипетки, предназначенные для введения в клетки живых организмов с целью изучения их химической природы.

Для реализации нанотехнологии в промышленных масштабах необходимо иметь несколько базовых устройств.

Первым таким устройством является посредник, размером сравнимый с атомами. Он называется сборщиком, или ассемблером. Сборщик способен по заранее заданной программе перемещать отдельные атомы или молекулы, обеспечивать химические связи между ними и поддерживать стабильность незавершенных структур до окончания сборки. Для выполнения этих операций он снабжен манипуляторами, набором механических устройств, их перемещающих, а также источником энергии. Сборщик состоит примерно из миллиона атомов, т.е. его размер — приблизительно 150 нанометров. Он способен работать по крайней мере с миллионом атомов в секунду, что близко к производительности биологических систем. Для того, чтобы сборщик знал, какую молекулу надо ловить манипулятором и куда ее помещать, у него есть второе базовое устройство — нанокомпъютер. Третьим базовым устройством нанотехнологии является разборщик. Он послойно разбирает или изучает объект, записывает в память нанокомпьютера информацию о нем, подготавливая к работе четвертое базовое устройство — созидателя, или репликатора. Последний осуществляет сборку других сборщиков, а также себе подобных созидателей, т.е. занимается размножением.

Таким образом, в развитии нанотехнологии имеется несколько направлений, на которых в настоящее время сосредоточено внимание исследователей:

• разработка технологии молекулярного синтеза пространственных структур с заданными свойствами; при такой «сборке» материалов из отдельных атомов и молекул почти не остается отходов, сырья же расходуется значительно меньше;

• создание многоторрабитных (10¹² бит информации) устройств памяти;

• увеличение скорости работы компьютеров, эффективности транзисторов и емкости устройств памяти в миллион раз;

• разработка систем доставки генов и лекарственных препаратов к канцерогенным клеткам, нанотехнологических контрастных агентов для томографии и прицельного воздействия на человеческие органы;

• удаление мельчайших загрязнений из воды и воздуха и обеспечение чистоты среды обитания человека;

• создание нанотехнологических установок с управляемой рабочей средой для исследовательских и промышленных целей;

• создание микрореакторов для самосборки и самоорганизации систем;

• разработка молекулярной технологии для нанооптики, обеспечивающей создание малогабаритных излучателей с перестраиваемым спектром, высокоэффективных индикаторов, цветовых экранов, динамических голографических устройств, датчиков излучения и другого специального оборудования;

• создание микро- и нанороботов;

• разработка молекулярной технологии для нанобиологии, позволяющей выполнять операции на клеточно-мембранном уровне, на отдельных генах, создавать биосенсоры и другие системы;

• создание молекулярной технологии для построения высокоэффективных топливных элементов, преобразователей солнечной энергии и термопреобразователей.

Контрольные вопросы

1. Какие основные компоненты входят в состав любого композитного материала? Какие функции выполняет матрица? Какие функции выполняет арматура?

2. Какие технологические методы используют при производстве полимерных композитных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

3. Какие методы используют при производстве металлических
композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

4. Какие методы используют при производстве керамических ком
позиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

5. Какие методы используют при производстве углерод-углеродных композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них.

6. Назовите сферы использования основных композитных материалов.

7. Какие основные стадии включает в себя технологический процесс изготовления изделий методом порошковой металлургии? Охарактеризуйте важнейшие из них.

8. Каково основное достоинство изделий, полученных методом порошковой металлургии? В каких сферах наиболее перспективно использование изделий, полученных данным методом?

9. В чем заключается сущность электрических методов обработки изделий?

10. В чем заключается сущность технологии электроэрозионной обработки деталей?

11. Перечислите и кратко охарактеризуйте важнейшие процессы электрохимической обработки.

12. В чем заключаются достоинства и недостатки электрохимических и электрофизических методов обработки?

13. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной термообработки?

14. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной сварки?

15. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной размерной обработки?

16. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки измерительной лазерной технологии?

17. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерного легирования?

18. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной наплавки?

19. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной резки?

20. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки ультразвуковой технологии?

21. Назовите и охарактеризуйте основные сферы использования ультразвуковых колебаний в технологии.

22. Перечислите и охарактеризуйте основные процессы радиаци-онно-химической технологии.

23. В чем заключается сущность мембранной технологии? Чем она принципиально отличается от фильтрации? Каковы ее достоинства и недостатки?

24. Какие основные виды мембранных процессов вам известны? Охарактеризуйте их.

25. В чем заключаются сущность, преимущества и недостатки ра-диационно-химической технологии?

26. В чем заключается сущность плазменной технологии?
Назовите и охарактеризуйте сферы ее применения.

27. Каковы достоинств» и недостатки плазменной технологии? Какие причины препятствуют ее широкому внедрению?

28. Охарактеризуйте важнейшие направления современной биотехнологии.

29. Что представляет собой промышленная микробиология? По каким направлениям она развивается?

30. Что представляе-1 собой генетическая инженерия? По каким направлениям она развивается?

31. Что представляет гобой клеточная инженерия? По каким направлениям она развивается?

32. Что представляет собой инженерная энзимология?

33. Охарактеризуйте нанотехиологию. Назовите ее достоинства и недостатки.

ЛИТЕРАТУРА

Общая

Национальная экономика Беларуси: Потенциалы. Хозяйственные комплексы. Направления развития. Механизмы управления: учеб. пособие / В.Н. Шимов [и др.]; под общ. ред. В.Н. Шимова. — Минск: БГЭУ, 2005.

Основы отраслевых технологий и организации производства: учебник / под ред В.К. Федюкина. — СПб.: Политехника, 2004.

Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учеб. пособие: в 2 ч. / под ред. И.В. Ченцова. — Минск: Вы-шэйш. шк., 1989.

Производственные технологии: учеб. пособие / В.В. Садовский [и др.]; под общ. ред. В.В. Садовского. — Минск: Дизайн ПРО, 2002.

К разделу «Теоретические основы производственных технологий»

Кохно, Н.П. Общая экономическая теория технологического развития производства / Н.П. Кохно. — Минск: БГЭУ, 2003.

Поликарпов, B.C. История науки и техники: учеб. пособие для вузов / B.C. Поликарпов. — Ростов н/Д.: Феникс, 1999.

Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч. / М.В. Самойлов [и др.]. — 4.1. — Минск: БГЭУ, 2003.

К разделу «Практические основы производственных технологий»

Жолик, ГЛ. Технология переработки растительного сырья: учеб. пособие для вузов: в 2 ч. / Г.А. Жолик. — Горки: БГСХА, 2004.

Кутепов, А.М. Общая химическая технология: учебник для вузов по спец. хим.-технологич. профиля / A.M. Кутепов. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.

Миронович И.М. Производственные технологии. Основы технологии производства продукции химического комплекса / И.М. Миронович. — Минск: Равноденствие, 2005.

Никифоров, В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов: учебник для техникумов / В.М. Никифоров. — СПб.: Политехника, 2003.

Соколовский, Р.С. Химическая технология: учеб. пособие для студентов вузов: в 2 т. / Р.С. Соколовский. — М.: Гуманитарный изд. центр ВЛАДОС, 2003.

Сулименко, Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: учебник для строит, и хим.-технологич. снец. вузов / Л.М. Сулименко. — М.: Высш. шк., 2005.

Теличенко, В.И. Технология строительных процессов: учебник для вузов по спец. «Пром. и гражд. строительство»: в 2 ч. / В.И. Теличенко. — М.: Высш. шк., 2005.

Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроит. вузов / под общ. ред. A.M. Дальско-го. — М.: Машиностроение, 2005.

Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов: учеб. пособие / под ред. Л.А. Трисвятского. — М.: Агропромиз-дат, 1991.

К разделу «Научные основы производственных технологий»

Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч./ М.В. Самойлов [и др.]. — 4.2. — Минск: БГЭУ, 2005.

Самойлов М.В. Производственные технологии: учеб. пособие для подготовки к экзаменам /М.В. Самойлов, Н.П. Кохно, А.Н. Ковалев. — Минск: Книжный Дом; Мисанта, 2006.

О создании и использовании передовых производственных технологий в 2003 году. — Минск: М-во статистики и анализа Респ. Беларусь, 2004.

Поиск по сайту: