СИСТЕМЫ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.Сущность высоких технологий и их критерии

2. Микроэлектроника и перспективы ее развития

3. Лазерные технологии

4. Альтернативная энергетика и ее роль в топливно-энергетическом комплексе

5. Биотехнологии – САМ. РАБ.

6. Нанотехнологии как новое направление развития современного общества. Междисциплинарный характер нанотехнологий

1. Высокие технологии можно определить как технологии, базирую­щиеся на но­вейших научных достижениях и на ноу-хау, производящие про­дукцию с характеристи­ками, превосходящими лучшие мировые аналоги и успешно конкурирующую с ними на рынке.

Основными критериями высоких технологий являются: наукоемко­кость, систем­ность, физическое и математическое моделирование, компью­терная технологическая среда, автоматизация всех этапов, устойчи­вость, на­дежность, экологическая чистота. При соответствующем техниче­ском и кад­ровом обеспечении данные технологии гарантируют получение изделий, об­ладающих новым уровнем функциональных, эстетических и эко­логических свойств.

Примеры технологий, которые по праву могут быть отнесены к высо­ким: микроэлек­троника; информационные технологии; лазерные технологии; альтернативная энергетика; оборонные технологии и технологии двойного назначения (самолетостроение, ракетостроение, космическая техника); системы безопасности, контроля и автоматизации; биотехнологии; нанотехнологии.

Задачей менеджмента высоких технологий является усиление роли научного управления экономикой и производством, которые обеспечивают гармоничное совместное развитие человека, общества и природы.

2. Обширной, наиболее динамично развивающейся областью человече­ской деятельно­сти, без которой невозможно представить современную тех­ническую цивили­зацию, является электроника, физическую основу которой составляет движение элек­тронов и законы этого движения. Электронные приборы и устройства сегодня применя­ются в самых различных областях – в технических средствах связи, автоматики, телеме­ханики, вычислительной и измерительной техники, в бытовых устройствах и приборах.

Прогресс электроники связан с развитием микроэлектро­ники (начало 60-х гг. XX в.) – на­правления электроники, связанного с созданием приборов и устройств в миниа­тюрном исполнении с использованием групповой (интеграль­ной) технологии их изготов­ления (с использованием микросхем).

Интегральные схемы широко используются в вычислительной (компью­терной) тех­нике, контрольно-измерительной аппаратуре, приборах связи, датчиках, бы­товых прибо­рах.

Микроэлектроника развивается в на­правлении уменьшения элементов, содержа­щихся в интегральных схемах, повышения их интеграции, плотности упаковки, а также использования различных по прин­ципу действия приборов.

Последние 40 лет характеризуются небывалым прогрессом в миниатюри­зации прибо­ров микроэлектроники. В эти годы размер элементов микросхем уменьшался в среднем в 2 раза через каж­дые 2 года.

Т.е. работает известный закон Мура, рис.1, сформулированный в 1965 г. и ставший своеобразным метрономом развития микроэлектроники.

Рисунок 1 - Динамика уменьшения размеров элементов интегральных схем

В данный момент дос­тигнута технология 22 нм.

Ожидается, что к 2015…2020 гг. микроэлектроника должна достичь физического предела, когда отдельный элемент микросхемы будет состоять из нескольких атомов, а его размер будет ~ 1 нм.

3. Под лазерными технологиями понимают совокупность способов обра­ботки, изготовления, изменения состояния, свойств и формы мате­риала или полуфабриката по­средством лазерного излучения, т.е. интенсивного кон­центрированного светового луча, получаемого с помо­щью лазеров. В лазер­ных технологиях в основном используется тер­мическое действие лазерного луча на обрабатываемые материалы.

Се­годня ла­зерные технологии являются неотъемлемой частью современ­ного промыш­ленного производства и стали своего рода символом высоких тех­нологий.

Лазерные технологии позволяют в большей мере, чем традицион­ные технологии, локализовать и минимизировать подвод энергии к обраба­тывае­мому материалу и тем самым выйти на недостижимые ранее результаты.

Отличительные черты применения лазерных технологий в различных ви­дах производств – высокое качество получаемых изделий, высокая произ­водительность про­цессов, экономия материальных ресурсов, экологическая чистота, повышение культуры про­изводства.

Лазерная обработка может быть применена для самых разнообразных ма­териалов (ме­таллов, твердых сплавов, керамики, стекла, пластмасс, резин, полупроводниковых ма­териалов, драгоценных камней, биологических мате­риалов) во многих отраслях промыш­ленности – в микроэлектронике, в ма­шиностроении, в промышленности строительных материалов, в медицине, в сельском хозяйстве, в ювелирной промышленности и т.д.

Принцип действия лазера (оптического квантового генератора – ОКГ) заложен в на­звании: laser - аббре­виа­тура от L ight A mplification by S imulated E mission of R adiation – усиле­ние света в результатете вынужденного излуче­ния.

Лазеры разнообразны по параметрам излучения, конструкции, назначе­нию, габари­там.

В зависимости от активного элемента, т.е. основного узла лазера, гене­рирующего излучение, различают лазеры твердотельные (активный эле­мент выполняется из диэлек­трических кристаллов, стекол, полупроводни­ков), газовые лазеры (активный элемент из CO₂), жидкостные.

Каждая из групп имеет свои особенности, силь­ные и слабые стороны. Так, мощ­ность твердотельных лазеров 2…10 кВт, пятно фокусировки – менее 10 мкм; мощность газовых – 50…70 кВт, пятно фокусировки – 30 мкм; стоимость газовых лазеров выше стоимости твердо­тельных, их габариты больше (типичная длина активного элемента со­став­ляет ~ 1м).

Для обработки металлов более эффективны твердотельные лазеры; для неметаллов предпочтительнее газовые лазеры.

Развитие лазерной техники идет в направлении повышения их мощ­но­сти, повыше­ния КПД, уменьшения длины волны получаемого излу­чения и длительности импульсов, возможности компьютерного управления, пере­дачи световой энергии на большие рас­стояния, уменьшения габаритов оборудова­ния, снижения его стоимости.

Основные области применения лазерных технологий.

♦ Раскрой и резка металлических и неметаллических материалов.

♦ Упрочняющая поверхностная обработка.

♦ Поверхностная очистка материалов.

♦ Лазерная сварка.

♦ Маркирование, гравирование, нанесение и считывание кодирован­ных информаци­онных знаков.

♦ Носители информации в компьютерной технике.

♦ Лазерная связь и локация.

♦ Сельское хозяйство.

♦ Медицина.

♦ Индустрия развлечений.

4. Все системы технологий материальной сферы производства связаны с потребле­нием энергии или взаимным превращением одного вида энергии в другой. Основой функ­ционирования всего общественного производства является топливно-энергетический ком­плекс.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) состоит из группы отрас­лей и подотрас­лей промышленного производства, которые специализи­ру­ются на добыче, обо­гащении, переработке и потреблении твердого мине­рального, жидкого и газового топ­лива; производстве, передаче и использо­вании электроэнергии и теплоты. В состав ТЭК входят газовая, нефтяная и угольная промышленность, электроэнергетика.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) играет важнейшую роль в мировой эконо­мике, т. к. без его продукции невозможно функционирование всех без исключения отраслей.

В сырьевом секторе мирового хозяйства топливно-энергетические ресурсы – нефть, нефтепродукты, природный газ, каменный уголь, атомная энергия, гидроэнергия и т.д.) играют ведущую роль. Эта группа товаров сохраняет роль лидера среди прочих то­варных групп в международной торговле, уступая лишь группе машин и оборудования.

Структура ТЭК в мировом хозяйстве определяется видами используемой первич­ной энергии и балансом между ними.

Особенности топливно-энергетического баланса Украины: высокий удельный вес|вага| природного газа и каменного угля, атомной энергии, незначительное использова­ние|употребление| таких пер­вичных| энергетических ресурсов, как гидроэнергия, нефть и про­дукты ее пере­ра­ботки|.

По прогнозам специалистов, общее мировое потребление всех видов первичных энергоресурсов (ПЭР) – нефти, угля, газа – может возрасти примерно на 50 % до 2030 г.

Объективная реальность такова, что потребности в энергии народ­ного хозяйства, в т.ч. промышленности, постянно возрастают, в то время как запасы природных ресурсов небезграничны, исчерпаемы, добыча их услож­няется, использование все более загрязняет окружающую среду.

В связи с этим возникла проблема поиска и технологического освоения новых нетра­диционных (альтернативных, возобновляемых) источников энергии. Этот поиск направлен на ра­зработку систем, которые не нарушали бы экологию Земли. Большинство ра­звитых стран усиленно занимается технологией возоб­новляемых источников энергии –Солнца, ветра, приливов, тепла Земли, би­омассы и т.д.

Суммарная мощность существующих в мире энергоустановок на возобновляемых источниках энергии составляет сегодня ~ 2 % от мощности всей энергогенерации. По су­ществующим прогнозам в ближайшие 10 лет использова­ние альтернативных источников увеличится до 10…15 %.

Развитие нетрадиционной энергетики должно стать отдельным направлением государ­ственной энергетической политики Украины.

6. Одной из характерных особенностей современной науки, промышлен­ности и жизни вообще стало немыслимое ранее ускорение темпов развития, обусловленное науч­ным прогрессом, техническими и технологиче­скими инновациями. Развитие многих сфер деятельности достигло уровня, который еще пару поколений тому назад казался фанта­стическим.

В наши дни наука вплотную подошла к возможности прямого воздейст­вия на отдель­ные атомы и молекулы, что создало новое направление развития, получившее общее название нанотехнологии (нано- означает масштаб 10 ^-9 м, соизмеримый с разме­ром одного атома) и имеющее огромное значение как для самой науки в целом, так и для промышленного примене­ния.

В некоторых конкретных, наиболее передовых областях (компьютерная техника, биотехнология, материаловедение) использование нанотехнологий позволяет уже в бли­жайшем будущем надеяться на результаты, сопостави­мые с тем, что было достигнуто за несколько последних десятилетий. На­пример, нанотехнологии делают вполне реальным создание сверхмощных миниатюрных компью­теров, легких и прочных материалов для машиностроения, авиации, новых лекарственных препаратов и методов диагностики са­мых опасных болезней, высокоэффективных преобразователей солнечной энергии, высо­кочувстви­тельных датчиков контроля состояния окружающей среды и т.д.

Речь идет о множестве достижений самого разного масштаба в разнообразных об­ластях науки и техники, то есть о каскаде или волне открытий и применений, а не об од­ном открытии сверхкрупного масштаба.

На рис. 2 представлена схема, отражающая фундаментальные ос­новы нанонауки, направления ее развития и области применения.

Рисунок 2 - Фундаментальные основы и области применения нанонауки, нанотехнологий и нанотехники

Нанотехнологию можно, таким образом, рассматривать как техноло­гию общего назначения, которая, возможно, приведет к радикальному из­ме­нению и промышленности, и всей человеческой жизни в целом.

Принци­пиальной особенностью нанотехнологии является междис-цип­ли­нар­ность, и во всех своих проявлениях нанонаука высту­пает в каче­стве объединяющего на­чала в физике, химии, биологии, мате­риаловеде­нии, вычислительной тех­нике, ин­форма­ционных технологиях, электронике и т.д.

Нанотехнологии, безусловно, сегодня являются «передовой линией» развития цивили­зации, ключевым понятием начала XXI века, символом но­вой, невиданной по своим масштабам, научно-технической (наноиндустриаль­ной) революции, ре­зультаты кото­рой обе­щают в будущем преобразовать окружающий мир.

Некоторые понятия нанотехнологии.

Нано - десятичная приставка (в переводе с греческого nanos – «кар­лик»), означаю­щая одну миллиардную часть какой-либо величины.

Наномасштаб подразумевает порядок размеров между 1 и 100 на­нометрами (1 нм = 10^-9 м = 10^-6 мм = 10^-3 мкм).

Нанотехнология – междисциплинарная область науки, в кото­рой изучаются за­кономерности процессов в простран­ст­венных областях нанометровых размеров с целью управления отдель­ными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании но­вых мо­лекул, устройств и материалов со специальными свойствами (физи­ческими, хи­мическими, биологическими).

Предыстория современных нанотехнологий связана с многовеко­выми исследова­тельскими усилиями ученых многих стран мира.

Среди важнейших открытий, способствовавших развитию нового направления, можно назвать следующие.

¨ 1959 г. Выступлениеамериканского физика, Нобелевского лауреата Р. Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте с лекцией «Там, внизу, еще много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom»), в котрой он высказал идеи управле­ния строением вещества на атомарном уровне. Эта лекция стала в определенном смысле стартовой площад­кой для наноисследований.

¨ 1974 г. Впервые термин «нанотехнология» предложен японским фи­зиком Н. Та­нигучи в докладе «Об основных принципах нанотехноло­гии» («On the Basic Concept of Nanotechnology») на международной конфе­ренции задолго до начала масштабных работ в этой области.

¨ 1981 г. Немецкие физики Г. Биннинг и Г. Рорер, сотрудники компа­нии IBM, создали ска­ни­рующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 г.) – первый прибор, позволяющий не только получать трехмерное изображение струк­туры из электропроводного материала с разрешением порядка размеров отдельных атомов, но и осуществлять воздействие на вещество на атомар­ном уровне, т.е. манипулировать ато­мами, а, следовательно, непосредст­венно собирать из них любое вещество.

¨ 1985 г. Коллектив ученых в составеГ. Крото (Англия), Р. Керла, Р. Смолли (США) и др. открыл новую форму существования уг­лерода в при­роде – фулллерен и исследовал его свойства (Нобелев­ская премия 1996 г.).

¨ 1986 г. Создан сканирующий атомно-силовой микроскоп (авторы Г. Биннинг, К. Куатт, К. Гербер, сотрудники IBM, Нобелевская премия 1992 г.), позволивший, в отличие от сканирующего туннельного микро­скопа, изучать атомарную структуру не только про­водящих, но и любых материалов, в том числе органических молекул, биологических объектов и т.д.

Нанотехнологии стали известны широкой публике. Базовая систем­ная концепция, осмыслившая предыдущие достиже­ния, сформулирована в книге американского футуро­лога, сотрудника лаборатории искусствен­ного ин­теллекта Массачусетсского технологиче­ского института Э. Дрекс­лера «Дви­гатели созидания: наступающая эра нанотехнологии» («En­gines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology»). Автор предсказал актив­ное развитие и практическое применение на­нотехнологий. Этот прогноз, рас­считанный на многие десятилетия, оправды­вается шаг за шагом с суще­ст­венным опережением по вре­мени.

¨ 1991 г. Японский ученый С. Ииджима открыл новую форму углеродных образо­ваний – углеродные нанотрубки, которые проявляют уникальные свойства (например, вы­сочайшую среди известных материалов прочность) и являются основой для революцион­ных преобразований в материаловедении и электронике.

¨ 2000 г. В США приступили к реализации широкомасштабной про­граммы иссле­дований в области нанотехнологий, названной Националь­ной нанотехнологической ини­циативой (NNI).

Приведенные и другие исследования, открытия, изобретения дали мощный толчок примене­нию нанотехнологических методов в промышлен­ности. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

Появились первые коммерческие наноматериалы; созданы первые электронные устройства, датчики раз­личного назначения на базе нанотехнологий; разработаны много­численные методы получения наноматериалов.

Многие страны мира активно включились в исследования по про­блемам нанотех­нологий на уровне правительств и глав государств, оценив перспективы в будущем. В ве­дущих университетах и институтах мира (США, Германия, Япония, Россия, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Китай, Израиль и т.д.) созданы лаборатории и отделы на­ноструктур, кото­рые возглавили известные ученые.

Область нанотехнологий является самым финансируемым и наиболее динамично развивающимся видом научно-исследовательской деятельности в мире. Объемы капита­ловложений в развитие нанотехнологий в промыш­ленно развитых странах ежегодно уве­личиваются, в ряде стран и ре­гионов (США, Япония, Германия Россия, Китай, Европей­ский союз) созда­ны при­оритетные целе­вые про­граммы.

Нанотехнологии уже используются в наиболее значимых областях человеческой деятельности – радиоэлектронике, инфор­мационной сфере, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине, обор­онной промыш­ленности.

За уникальные результаты исследований в этой области присуждено 8 Но­белевских премий.

Предполагается, что основными секторами рынка продукции нанотех­но­логий в ближайшее время станут следующие: наноматериалы, наноэлек­троника, фармацевтика и ме­дицина, химическая промышленность, экология, транспорт, рис. 3.

Рисунок 3 – Основные секторы рынка продукции нанотех­но­логий (милли­ардов долларов в

бли­жай­шие 10 лет

Быстрый рост вложений в на­нотехно­логии за последние годы обу­слов­лен осозна­нием фактического про­гресса в этой области исследований и раз­работок.

Уже сегодня мировая промышленность использует нанотехнологии в процессе произ­водства как минимум 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырье­вых материалов, комплектующих изделий и про­мыш­ленного оборудования; в обороте находится бо­лее 5 тысяч товаров – продук­тов наноиндустрии.

По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, в ближайшие 10…15 лет мировой рынок наноматериалов и нанотехно­ло­гий превысит 1 триллион дол­ларов, около 50 % ВВП будет получено с по­мо­щью на­нопродукции.

Нанотехнологии превратились в товар, новую общую ценность. Проис­ходит ком­мерциализация нанотехнологий.

Междисциплинарный характер нанотехнологий, ее объединяющие и интегрирую­щие функции привели к неожиданно новым и непривычным комбинациям в бизнесе и со­циальных отношениях. Поскольку нанотехноло­гические товары и изделия имеют самое разное назначение, происходит активиза­ция и появление новых связей между специали­стами по маркетингу, распре­делению и продаже в достаточно далеких друг от друга об­ластях. Расшире­ние таких связей практически всегда оказывает благотворное воздейст­вие на участников, создавая возможности для обмена знаниями и методами.

Поиск по сайту: