Направления развития науки и технологий

В Российской Федерации определены важнейшие направления в области развития науки и технологий, цели, задачи и пути их реализации, а также систему экономических и иных мер, стимулирующих научную и научно-техническую деятельность.

Электрохимия. Возникнув в предисторические времена, пройдя многовековой путь развития, химия заняла видное место среди естественных наук, которые представляют собой систему познания материального мира и играют выдающуюся роль в жизни общества.

Электрохимия, представляющая обширнейшую и важнейшую область химии, развивалась параллельно с наукой о веществах. Достижения электрохимии позволили изучить строение молекул, узнать о том, как они связаны между собой, как происходят окислительно-восстановительные реакции и многие другие закономерности превращения веществ.

Электрохимические методы лежат в основе многочисленных промышленных процессов, дающих необходимые человеку химические продукты: от простейшего электролиза воды с целью получения водорода и кислорода до электрохимического синтеза сложных органических соединений.

Благодаря достижениям электрохимии появилась возможность получения многих материалов, которые невозможно получить другими методами.

Электрохимия помогает людям бороться с коррозией, изготавливать сложнопрофильные, тонкостенные точные изделия, получать сверхчистые металлы.

Электрохимические процессы лежат в основе химических источников тока - элементов и аккумуляторов.

Немаловажна роль электрохимии в охране окружающей среды – очистке сточных вод и отработанных газов.

Не последнее место занимают и электрохимические методы количественного определения веществ в газообразных, жидких, твердых телах и даже в живых организмах.

Инженерная деятельность в области электрохимии отличается большим многообразием решения оригинальных инженерных задач, подходов, поисков. Усилиями коллективов ученых и инженеров появляются материалы, осваиваются электрохимические методы, дающие возможность получать сложные органические соединения и многое другое.

Электрохимия занимает важное место среди других естественных наук в жизни человека.

Биотехнологии. Биотехнологии – это процессы с использованием биологических систем живых организмов и компонентов живой клетки, основанные на достижениях науки. Создание новых биотехнологий – фундаментальные результаты целого комплекса наук, особенно биологии: расширение сферы исследования в области генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии и других.

Биотехнология объединяет новые достижения технической микробиологии, прикладной генетической, клеточной инженерии, имуннобиотехнологии. Этот раздел науки охватывает культивирование клеток растений, животных и людей, гибридов, водорослей, объектов генетической инженерии.

Большие перспективы имеет генная инженерия. С помощью генной инженерии решаются вопросы, связанные с охраной окружающей среды, в частности, получение биополимерных флокулянтов для очистки воды, получения ряда важных для медицины препаратов.

Развитие таких наук как генетика, прикладное накопление новых биологических дисциплин имеющих огромное значение для биотехнологии.

Возрождение биотехнологии на новом современном уровне это требование развитие общества.

Информатика. Длительное время совокупность научных направлений, на-

зываемых теперь информатикой, именовались по-разному. Сначала объединяющим был термин «кибернетика», затем общим названием той же области исследований стала «прикладная математика». Ясно одно, что кибернетика – интегральное научное направление и как таковое в значительной степени базируется на знаниях и идеях, накопленных в рамках большого числа различных дисциплин, развивающихся независимо друг от друга.

Известно, что термин «кибернетика» дал обозначение науке об управлении общественными системами, который использовали греческий философ Платон (428–348 гг. до н.э.), французский физик А. М. Ампер (1775–1836), польский ученый Ф. Бронислав Тренповский (1808–1869) – ученик Гегеля.

Термин происходит от греческого «кюбернетес», что первоначально значило «рулевой», «кормчий», но впоследствии стало обозначать и «правитель над людьми».

Термин «кибернетика» вскоре был забыт, и возрожден в 1948 г. Норбертом

Винером в качестве названия науки об управлении техническими, биологическими и социальными системами. Общепринятой датой рождения кибернетики, как самостоятельной науки, считается 1948 год – год публикации книги Н. Винера (1894–1964) «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Одна из основных идей книги – наличие аналогии в процессах управления и связи машин, живых организмов и сообществ, поскольку в них происходит передача, запоминание и преобразование информации, т.е. сигналов различной природы и назначения. Также в книге сформулированы две фундаментальные идеи: о едином подходе к различным процессам управления и об информации как одной из важнейших характеристик материи.

Создание кибернетики стало одним из наиболее впечатляющих проявлений тенденций к интеграции наук.

Среди дисциплин, достижения которых были использованы при формировании кибернетики, важное место занимает теория автоматического регулирования. Эта теория связана с именами Дж. Максвелла (1831–1879), И. А. Вышнеградского (1832–1895), А. М. Ляпунова (1875–1918), А. Стодолы (1859–1942) и других ученых.

Не менее важную роль в формировании кибернетики сыграло развитие ряда разделов физиологии, в частности, теории условных рефлексов и исследования механизма обратных связей в биологических системах.

Огромный вклад в эти направления был сделан И. П. Павловым (1849–1936) исследованиями в области условных рефлексов, Н. А. Бертейном (1929) и П. К. Анохиным (1935) работами в области обратных связей.

Можно считать, что «основы» кибернетики были заложены во второй половине ХІХ в и существовали сравнительно самостоятельно до конца первой половины ХХ в. Они представляют собой как элементы чисто инженерного знания, так и некоторые локальные обобщения – результат развития теоретического знания в отдельных естественно-научных и научно-технических дисциплинах. К ним относятся:

● системы автоматического регулирования и управления, теория автоматического регулирования;

● элементы моделирования и локальные теории моделей для различных областей техники;

● счетно-решающие машины и математические инструменты;

● цифровые вычислительные машины;

● элементы программирования для ЦВМ;

● релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

● средства связи и некоторые вопросы теории связи;

● биомедицинские исследования - биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

● вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

● элементы психологии труда и инженерной технологии;

● математическая логика как часть математики.

Современный компьютер – это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации еще очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Пока еще ни одно государство на Земле не создало информационного общества. Еще существует множество потоков информации, не вовлеченных в сферу действия компьютеров.

Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые, докомпьютерные технологии обработки информации. Текущий этап завершится построением в индустриально развитых странах глобальных всемирных сетей для хранения и обмена информацией, доступных каждой организации и каждому члену общества. Надо только помнить, что компьютерам следует поручать то, что они могут делать лучше человека, и не употреблять во вред человеку, обществу.

Нанотехнологии. История нанотехнологий не имеет четкого временного значения. Она достаточно старая, и в то же время молодая.

400 лет до н. э. грек Демокрит вводит термин «атом» (неделимый), и это уже начало «наномира». Впервые же промышленность воспользовалась преимуществами нанотехнологии в 1902 г., когда для вулканизации были использованы мелкие частички (размером несколько нанометров) сажи с чрезвычайно развитой поверхностью.

Интересен и такой факт. В развитии нанотехнологий принимали участие едва не все выдающиеся ученые XX века. К примеру, Альберту Эйнштейну в докторской диссертации впервые удалось обсчитать размеры характерной представительницы наномира – молекулы сахара. Тогда выяснилось, что ее диаметр составляет приблизительно один нанометр.

Значительный вклад сделал Эрнст Резерфорд, который еще в 1912 г. в серии тонких опытов доказал, что атом похож на солнечную систему, в центре которой массивное ядро, а вокруг него вращаются легкие электроны. Так появилась планетарная модель атома, а уже в 1918 году Владимир Иванович Вернадский высказывал мнение о бесконечных возможностях атомных технологий.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров

1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, одной миллионной доле миллиметра). Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров.

Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения- нанотехнологиями.

И так нанотехноло́ гия — 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В настоящее время при помощи нанотехнологий производят:

· наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

· нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);

· наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

Нанотехнологические методы, позволяют создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы.

Микроэлектроника является первой отраслью, где " атомная сборка" будет осуществлена в промышленных масштабах.

В настоящее время существующих технологий уже достаточно, чтобы создать из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы (рис. 2.1).

Нанотехнологии — это технологии глобального действия, применимые во всех областях человеческой деятельности. В частности, в настоящее время разрабатываются легкие сверхпрочные материалы для космической, авиационной и военной техники.

В электронной промышленности уже началось использование нанотрубок. Создаются поверхности и материалы с заданными свойствами для применения в быту (например, не мнущаяся одежда, антибликовые покрытия, антипригарные покрытия, чистящие салфетки и т.п.).

Многие из продуктов нанотехнологий уже стали привычными и воспринимаются как часть повседневной жизни.

Но потенциал молекулярных нанотехнологий неизмеримо больше, поэтому и интерес к ним столь высок. Это стало ясно, когда в 1986 году «крестный отец нанотехнологии» Эрик Дрекслер издал первую научно-популярную книгу о нанотехнологиях «Машины творения». В 1991 г он же первым среди ученых получил научную степень в области молекулярной нанотехнологии. А в 1992 г выпустил научную монографию «Наносистемы: молекулярные машины, производство и вычисления», книгу, равной которой по полноте и глубине нет до сих пор.

Нанотехнологии имеют существенные отличия от традиционных технологий. На наноуровне привычные физически законы проявляются иначе: становятся заметными квантовые эффекты и взаимодействие между молекулами, тогда как сила тяжести и трение играют небольшую роль. Этим, в частности, обусловлены сложности проектирования и построения наноразмерных объектов.

На сегодняшний день в нанотехнологиях можно выделить три направления:

· создание наноматериалов (материалов с наноразмерными элементами) с помощью традиционных химических методов, (так называемые «наномасштабные технологии»);

· создание активных наноструктур с использованием белков, ДНК и других

органических молекул;

· наномеханический подход, также называемый «молекулярное производство», в рамках которого создаются наноразмерные устройства, в т. ч. наномашины.

Первое направление наименее амбициозно и является продолжением тради-

ционных химических и микроэлектронных технологий. Первоначально его во-

обще не относили к нанотехнологиям.

Создание наноструктур на основе органики привлекательно кажущейся простотой использования существующих в живой природе образцов, но, в то же время, это направление изначально декларирует собственную ограниченность, связанную с использованием определенного класса «строительного материала».

Поэтому эти два направления привлекательны, в относительно краткосрочной перспективе, а затем вероятно их замещение номеханическим подходом,

как потенциально более совершенным.

В основе наномеханического подхода лежит идея создания искусственных конструкций наноразмеров, которые были бы приспособлены для выполнения необходимых действий.

Со временем, писал Дрекслер, промышленные средства молекулярной сборки разовьются до уровня, когда станет возможным создавать нанороботов – устройства размеров порядка сотен нанометров, выполняющие любые манипуляции с атомами вещества (в т. ч. сборку и разборку) по заданным программам.

Нанороботов, способных конструировать предметы из отдельных атомов или простых молекул, Дрекслер назвал ассемблерами. Если подобная сборка осуществляется в рамках единой системы, а не отдельными нанороботами, то речь идёт о нанофабрике. В любом случае, для работы с атомами, а затем с собранными из них блоками все больших размеров, будут использоваться наноманипуляторы. Из-за сверхмалых размеров каждый манипулятор наноробота сможет работать с частотой до миллиона операций в секунду. За счёт этой скорости и параллельной работы миллионов наноманипуляторов (либо в нанофабрике, либо у множества отдельных наноассемблеров) практически любой материальный объект можно будет произвести быстро и недорого в неограниченных количествах. В качестве сырья для работы нанофабрик или наноассемблеров можно будет использовать практически любые вещества: землю, химические и бытовые отходы; главное условие для сырья – наличие в нем в достаточном количестве всех химических элементов, входящих в состав производимого объекта.

Перспективными направлениями использования нанотехнологий являются:

· в промышленности - замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул;

· в сельском хозяйстве - замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функциональными 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 – молока» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий, и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда;

· в биологии - станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов;

· в экологии - полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы;

· освоению космоса будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов;

· в кибернетике произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер;

· в разумной среде обитания, за счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека.

· Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе

развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией. В развитых странах активно ведутся такие работы.

Машиноведение - наука о машинах, включающая: исследование свойств машин и механизмов; конструирование и расчет на прочность деталей машин; изучение трения и износа в машинах.

В настоящее время машиноведение России представляет собой комплекс отраслей промышленности, а также интеллектуальный потенциал работников отрасли, изготавливающих средства производства.

В ходе развития в области машиноведения сформировались три больших отдельных отрасли: энерготехника, техника сигнализации, соответственно, информационная техника и технология, и материаловедение.

Технические устройства в этих областях называются машинами, приборами и аппаратами.

Соответственно этому приняты следующие определения:

· машины - это технические системы, которые главным образом характеризуются потоком и превращением энергии;

· приборы - это технические системы, которые характеризуются потоком и обменом информации;

· аппараты - это технические системы, которые характеризуются потоком и превращением веществ.

Разделение машиноведения, на три области: машиностроение, приборостроение и аппаратостроение дает представление о многообразии изделий в области машиноведения (рис. 2.2.)

 

Машиностроение

Машиностроительный комплекс – это совокупность отраслей промышленности, производящих разнообразные машины.

Он ведущий среди межотраслевых комплексов. Это обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, машиностроительный комплекс – крупнейший из промышлен-

ных комплексов, на его долю приходится почти 20% производимой продукции и всех, работающих в хозяйстве России. Машиностроение и металлообработка характеризуются более крупными размерами предприятий, чем промышленность в целом (средний размер предприятия в отрасли составляет по численности рабочих около 1700 человек, по сравнению с менее чем 850 по промышленности в целом), большей фондоёмкостью, капиталоёмкостью и трудоёмкостью продукции; конструктивно- технологическая сложность продукции машиностроения требует разнообразной по профессиям и квалифицированной рабочей силы.

Во-вторых, машиностроение создает машины и оборудование, применяемые

повсеместно: в промышленности, сельском хозяйстве, в быту, на транспорте.

Следовательно, научно-технический прогресс во всех отраслях общественного производства материализуется через продукцию машиностроения, в особенности таких ее приоритетных отраслей как станкостроение, электротехническая и электронная промышленность, приборостроение, производство транспортных машин и механизмов для строительства и строительства дрог.

Машиностроение, таким образом, представляет собой катализатор научно-технического прогресса, на основе которого осуществляется техническое перевооружение всех отраслей общественного производства. Поэтому основное экономическое назначение продукции машиностроения – облегчить труд и повысить его производительность путем насыщения всех отраслей промышленности основными фондами высокого технического уровня

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: