Нанотехнологии: взгляд в будущее в начале XXI века

НАНОТЕХНОЛОГИЯ: Взгляд в будущее в начале XXI века

В настоящее время мы являемся свидетелями возникновения новой бурно развивающейся отрасли - технологии нанодисперсных систем. Учеными ведущих зарубежных стран мира интенсивно разрабатывается и развивается нанонаука и нанотехнология. Экономически завитые страны мира уже создали национальные программы по развитию нанотехнологии и интенсивно субсидируют по их выполнению.

Нанотехнологией называют технику манипуляции над веществами на атомарном и атомно-структурном уровне с целью придать им заданную разработчиком свойства.

На основе нанотехнологии исследователи и инженеры смогут придавать материалам, системам и устройствам принципиально новые улучшенные качества и функциональные возможности. При этом обеспечивается прогресс практически во всех существующих областях человеческой деятельности и даже возможно, появления совершенно новых направлений. Поэтому можно с уверенностью сказать, что в XXI веке нанонаука станет стратегическим направлением и движущей силой развития техники и технологии. Это потребует коренной перестройки существующих промышленных технологий производства разнообразных материалов, изделий и продуктов, компьютерно-коммуникационной, военно-космической техники, систем вооружения и т. д. Необходимо осуществить также, глубокие преобразования в организации систем и комплексов наноэнергетики, охраны окружающей среды, транспорта, информационной системы, лекарственных препаратов, медицины и технологии лечения, медицинской техники, образовательной системы, основы знания и другие.

На основе новых знаний о строении и функционировании природных и искусственных веществ, материалов и систем исследователи разрабатывают технологии получения и использования материалов с наноразмерной структурой. Это открывает возможность создания материалов, свойства которых изменяются не только путем изменения химического состава компонентов, а в результате регулирования их размеров, формы и методов фиксирования атомов, манипулирования и активизации отдельных молекул и молекулярных объектов в пределах одной интегрированной наноструктуры. Поэтому утверждение, что нанотехнология окажет огромное влияние на общечеловеческую жизнь на Земле в ближайшие 10-50 лет, представляется явно недостаточным при рассмотрении вопроса о последствиях развития нанонауки. Отметим, что за последние 20 лет появился ряд действительно новых объектов класса «нано-» (например, фуллерены, нанотрубки, квантовые точки и т. п.).

Известно, что развитие микроэлектроники и компьютерной техники открыли перед человечеством фантастические возможности, но и эти достижения могут показаться незначительными по сравнению с теми изменениями, которые можно ожидать от развития нанотехнологии.

Прогнозирование будущего (Форсайт) нанонауки - представляется трудной задачей. Однако, учитывая основные направления развития нанотехнологии предлагаем перечень возможных перемен в отдельных отраслях человеческой деятельности в ближайшие 10-20 лет:

1. Новая экономика (мировой бизнес), основанная на взаимодействия нанотехнологии, компьютерной техники и Интернета преобразуется сначала в глобальный электронный бизнес, а потом превратиться в «нанобизнес», в результате чего измениться глобальная экономическая ситуация спроса и предложения;

2. Потребительские предметы, материалы и изделия окружающие нас становятся совершенно «интеллектуальными». Например, разработанные электронные чипы внедряются в состав бумаги (нанобумага) и текстильных материалов. Вследствие чего, на основе нанобумаги будут разработаны новые методы печати и защиты ценных бумаг, трансплантация клеток в сетчатку, фильтра для молекулярного транспорта, а волокнистые интеллектуальные материалы позволяют создать «интеллектуальные» одежды и текстильные изделия. С применением нанотехнологии появится возможность изготавливать легкие и безопасные автомобили, другие транспортные средства способные производить энергию для собственного передвижения.;

3. В области медицины реально становятся возможным предотвращение многих болезней, замена внутренних органов, увеличение продолжительности жизни, расшифровка генетических кодов. Будут созданы искусственные ткани, органы (биосовместимые имплантаты) и новые методы лечения, осуществляющиеся избирательной и направленной доставки новых лечебных препаратов в нужные органы и ткани. Разрабатываемые сенсорные системы сигнализируют возникновения болезней внутри организма, которые позволяют врачам заниматься диагностикой и предупреждением заболеваний и дистанционным управлением устройств, работающих внутри живых организмов. В первой половине XXI в. будут созданы молекулярные роботы - врачи. Они устанавливаются внутри человеческого организма для предотвращения и устранения возникающих в организме человека различных отклонений.

4. В сельском хозяйстве предполагается замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва - углекислый газ - фотосинтез -трава-корова-молоко» удаляет лишние звенья оставляя «почва-углекислый газ-молоко». Подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий, нуждаться в тяжелом физическом труде, а его производительность позволит навсегда решить продовольственную проблему. По разным оценкам первые такие комплексы могут быть созданы в середине XXI века. Для того, чтобы наноеда стала реальностью, в настоящее время инвесторы уже вложили 3 млрд. долларов. Запланировано, что к концу 2010 года субсидия в этот проект достигнет до 20 млрд. долл. В пищевой промышленности нанотехнология позволит создать разнообразные новые пищевые продукты, не имеющие аналогов в современной пищевой отрасли и кулинарии;

5. Наноэнергетика позволяет более эффективно использовать энергоресурсы, значительно повысить эффективность преобразования и аккумулирования солнечной и других видов возобновляемой энергии. Разработка более легких, прочных и «умных» конструкционных, керамических и высокоэнергетических наноструктурных материалов, армированные нанопорошками и волокнами позволяет создать новые типы топливных элементов. Они могут быть использованы при создании двигателей транспортных средств, дешевых, высокоэффективных, экологически безопасных и энергоемких материалов нового поколения для разнообразных нужд человечества;

6. Использование нанотехнологических методов для конвергенции неорганических, органических и биологических систем позволяет получить новых веществ и создать различных типов дисперсий, порошков и макроскопических объектов с уникальными физико-химическими, биологическими, технологическими, структурными и другими свойствами. Эти материалы приводит к революционным изменениям методов защиты окружающей среды, средств печати, оптической связи, антикоррозионных покрытий, красок и смазочных материалов, различных конструкций микропроцессорных устройств и систем. Применение нанотехнологий сделает мир цветным. Дешевые и микроскопические светодиоды, лазеры, светоприводы, наномодифицированные пластики и нанотехнолгические краски стойких цветов будут выполнят разные функции. Например, цветной асфальт - контролирующий скорость движения, цветные стены - впитывающие и перерабатывающие ядовитые выхлопы, электронные движущие картинки - от оберток чипсов до наноскребов, не оставят в большом городе будущего ни единого серого уголка;

7. Околоземная орбита со временем станет зоной активной жизни, где люди могут развлекаться или проводит научных исследований. Огромную армию роботов-молекул выпустят в околоземное космическое пространство, и она подготовит его для заселения людьми, т. е. сделает пригодными для обитания Луну и ближайших планет. Необходимо отметить, что разработанная углеродная электроника и новые конструкционные материалы позволяют с каждым запуском удешевлять полеты в космос.

8. Развитие нанопромышленности потребует коренных изменений в системе образования (содержание, технологии обучения, методы приобретения знаний и др.). Молодым поколениям нужны знания по различным областям нанонауки, вследствие чего необходимо пересмотреть образовательные программы многих фундаментальных и прикладных направлений. Дальнейшее развитие нанонауки должно привести к изменению инфраструктур среднетехнического и высшего образования. В принципе нанотехнология способна изменить все аспекты человеческого существования, поскольку она позволяет регулировать процессы, происходящие на фундаментальном уровне.

В связи с этим студентам и всем желающим следует предоставит выбор образовательных программ позволяющих заниматься нанотехнологическими проблемами, поскольку, в ближайшие десятилетия нанотехнология будет представлять собой одним из важнейших движущих сил, определяющих развитие общества.

Ошский государственный университет

Ташполотов Ы., д.ф._м.н., профессор,

Кенжаев И.Г., д.т.н., профессор