Наука Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания

Концепции современного естествознания

Возрастное ограничение: 12+
Жанр: Наука
Издательство: Проспект
Дата размещения: 21.02.2013
ISBN: 9785392103546
Язык:
Объем текста: 561 стр.
Формат:
epub

Оглавление

Введение

Глава 1. Наука как форма духовного освоения действительности

Глава 2. Историческое развитие наук о природе

Глава 3. Современная научная космология и космогония

Глава 4. Образы современного физического мира. Концепции современной химии

Глава 5. Сущность живого и проблема происхождения

Глава 6. Системный подход в современной науке

Глава 7. Концепция эволюционизма в современной науке

Глава 8. Природа и общество: естественно-научные аспекты экологической и демографической проблем

Глава 9. Концепция происхождения человека

Глава 10. Соотношение биологического и социального в концепциях социобиологии и биополитике

Глава 11. Индивидуальность человека: генно-средовая парадигма в современной науке

Глава 12. Ценностные регулятивы развития естествознания: проблемы развития биотехнологии и генной инженерии

Глава 13. Нанотехнологии в ХХ веке

Глава 14. Ценность человеческой жизни и современные биоэтические проблемы

Заключение

Словарь по концепции современного естествознания



Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу



ГЛАВА 13.
Нанотехнологии в ХХ веке


В литературе при попытках реконструировать историю нанотехнологии наиболее часто упоминается лекция известного физика Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» , в которой автор рассуждает о возможности миниатюризировать информационные устройства для изучения субмикроскопического мира. Иногда в качестве источника идей, значимых для становления нанотехнологии, приводится работа Дж. фон Неймана «Общая и логическая теория автоматов», в которой обсуждается объединение физики, инженерных знаний и информационных технологий, хотя и не в наномасштабе. Однако указанные авторы не использовали термин «нанотехнология». Это было сделано Эриком Дрекслером в книге «Машины созидания» для описания мира, в котором молекулярное производство позволит людям производить все необходимое. Отходы будут помещаться людьми в некий ящик (автономные наномашины), который будет в наномасштабе преобразовывать ненужные материалы в нужные формы. Дрекслер предупреждал, что развитие нанотехнологии надо оградить от случайного освобождения из-под контроля человека этих самовоспроизводящихся наномашин, которые могут начать без связи с человеческими целями трансформировать естественные и искусственные объекты, превращая планету в массу необитаемой «серой слизи». Дрекслер организовал институт по изучению научных и социальных последствий нанотехнологии (институт научного прогнозирования), он был обвинен в том, что не имел надежного научного обоснования для развиваемой им картины будущего, некоторые указывали, что картина, нарисованная Дрекслером, просто «запугивает детей».


Необходимо разобраться в том, какие реальные научные и инженерные достижения обеспечили преобразование старых технологичных проблем в новые нанотехнологические задачи, а также определить факторы развития нанотехнологий, указав на специфику этого остромодного направления исследований.


Название новой науки возникло в результате добавления к понятию «технология» приставки «нано», которая имеет древнегреческие корни и означает «карлик». В латыни «нано» означает «маленький» или «крошечный». Приставка «нано» указывает на изменение масштаба в 10–9 (миллиард) раз, то есть 1 нанометр = 1 нм = 10–9 м (одна миллионная миллиметра). Для наглядности можно представить, что 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, а волосы человека растут со скоростью 10 нм/с.


К предмету нанонауки принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемых в полупроводниковой и компьютерной технике. С такими объектами физика, химия, биология имеют дело примерно 100 лет, а обсуждения их состава и структуры идут еще более долгий период (1 нм почти точно соответствует характерному размеру белковых молекул, в частности, радиус двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм, многие вирусы имеют размер 10 нм). Однако о современном понимании нанонауки и нанотехнологии следует говорить с момента появления возможностей манипулирования и создания нанообъектов.


Нанонаука – междисциплинарная наука, относящаяся к фундаментальным физико-химическим исследованиям объектов и процессов с масштабами в несколько нанометров (1нм = 10–9 м).


Нанотехнология – совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических применений в создании и использовании материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть фрагментами от 1 до 100 нм.


Королевское общество Великобритании разделяет нанонауку и нанотехнологию следующим образом: нанонаука связана с исследованием наномасштабных частиц и манипулированием ими, а нанотехнология разрабатывает, описывает и изготавливает структуры, устройства и системы в наномасштабе.


В литературе большую распространенность имеет понятие «нанотехнология», что можно объяснить, в частности, тем, что объекты исследования нанонауки сами требуют использования инструментов, практических приемов и методов, которые, по сути, относятся к сфере технологии.


В настоящее время существует множество определений нанотехнологии, ни одно из них не имеет безусловной поддержки среди общественности. Определения в значительной степени носят политический характер, зависят от национальных интересов и состава социальных агентов, заинтересованных в развитии этого направления. Китай, Корея и Япония делают упор на материалы, связанные в первую очередь с электроникой, тогда как исследователи в Африке и Латинской Америке интересуются в большей степени медицинскими и экологическими аспектами. Применение определений в разных странах зависит во многом от того, в какой области страна достигла наибольших успехов. Например, в рамках программы «Национальная нанотехнологическая инициатива» США используют следующее официальное определение нанотехнологии: «Проведение научных исследований и развитие технологии на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровнях в пространственной шкале приблизительно от 1 до 100 нм в целях фундаментального изучения явлений и материалов в наномасштабе, а также создания и использования различных структур, устройств и систем, имеющих новые свойства и функции в силу своего малого и/или промежуточного размера».


Определение Национального научного фонда США предполагает, что нанотехнология есть новый вид науки, которая возникает на стыке биологии, информационной технологии и когнитивной науки и изучает явления в наномасштабе: «конвергенция технологий нанобио-инфо-когно (НБИК)» . Это определение требует совместной работы ученых разных специальностей, что отражает особенности современного этапа развития науки и технологии.


Существование нескольких определений является свидетельством того, что формирование новых дисциплин, таких как биотехнология и нанотехнология, стирает границы между фундаментальными и прикладными исследованиями, теми исследованиями, в которых заинтересованы государственные структуры, и интересами частных инвесторов. В результате наблюдается смешение представлений о фактически достигнутых учеными результатах, о нынешнем состоянии исследований и представлений о практических приложениях, имеющих потенциальную пользу и потенциальные риски.


Глаз, позволяющий человеку изучать окружающий мир, представляет собой довольно простую оптическую систему, главным элементом которого является хрусталик – фактически линза из жидкокристаллического вещества. Минимальные объекты, которые можно разглядеть при помощи такой оптической системы, имеют размеры около 0,1 мм, длительное время в науке для изучения более мелких предметов применяли оптические микроскопы.


Независимо от используемых линз и способа их соединения разрешающая способность таких приборов ограничена основным правилом оптической техники (сформулировано в 1873 г.). В соответствии с этим правилом минимальные объекты различаемых деталей рассматриваемого объекта не могут быть меньше, чем длина света, используемого для освещения. Если самые короткие длины волн диапазона соответствуют примерно 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов принципиально ограничена половиной этой величины, то есть составляет около 200 нм.


Для преодоления основного правила оптической техники стали создаваться приборы, основанные на использовании волновых излучений с меньшей длиной волны, то есть излучений несветовой природы.


В квантовой механике электрон может рассматриваться в качестве волны, на которую можно воздействовать электрическими или магнитными линзами. На этом основан принцип действия электронных микроскопов, в нем вместо стеклянных линз применяются электронные линзы (поля соответствующей конфигурации). Электронные пучки не могут распространяться без рассеивания даже в газовых средах, поэтому внутри электронного микроскопа, вдоль всей траектории электронов, должен поддерживаться высокий вакуум. Электронные микроскопы разделяются на два больших класса по методике применения: просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и сканирующие (СЭМ). Основное отличие состоит в том, что в ПЭМ электронный пучок пропускается через тонкие слои исследуемого вещества толщиной не менее 1 мкм (условно говоря, просвечивает эти слои насквозь), а в СЭМ электронный пучок последовательно отражается от маленьких участков поверхности (структура поверхности и ее характерные особенности могут быть определены при этом регистрацией отраженных электронов или вторичных электронов, возникающих при взаимодействии пучка с поверхностью). Идея состоит в том, что поверхность тела сканируется электронным пучком, создаваемым внешним источником под напряжением порядка нескольких десятков киловольт. Облучаемая при таком сканировании поверхность кристалла начинает излучать либо так называемые вторичные электроны, либо кванты света, которые регистрируются, усиливаются, преобразуются по интенсивности и т. п., после чего подаются на экран электронно-лучевой трубки, создавая видимое изображение поверхности.


Работа с электронными микроскопами является достаточно сложной из-за необходимости тщательной подготовки образцов и обеспечения высокого вакуума внутри всей экспериментальной установки. Этих недостатков лишены сканирующие электронно-зондовые микроскопы (СЭЗМ). Характерной чертой этих микроскопов является то, что они сканируют поверхность исследуемого образца при помощи зонда или щупа в виде крошечной металлической иголки. Зонд, по сути, – это микроскопический, крайне чувствительный щуп, который пробегает, сканирует шероховатости поверхности атомарного размера. Атомы острия щупа «чувствуют» атомы, находящиеся на поверхности, тем сильнее, чем ближе они находятся друг к другу. Возникающие силы межатомного взаимодействия немного изменяют положение щупа, изменение можно обнаружить чувствительным детектором.


Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный эффект. Туннельным эффектом называется преодоление частицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия (остающаяся при этом неизменной) меньше высоты барьера. Это явление имеет квантовую природу, так как подразумевает прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в котором запрещено классической механикой. Примером может служить «перескок» электрона сквозь тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника. В классической механике частица не может оказаться в области такого барьера и тем более пройти через него, так как это нарушает закон сохранения энергии. Но в квантовой физике ситуация иная. Квантовая частица не движется по какой-то определенной траектории. Состояние частицы (ее координата и импульс) описывается волновой функцией. С увеличением высоты и ширины барьера, а также массы частицы вероятность туннельного эффекта экспонентально падает. Вспомните принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно точно определить положение и импульс частицы одновременно. Малая неопределенность координаты частицы (с точностью до толщины барьера) приводит к неопределенности ее импульса, а следовательно, к кинетической энергии. Соответственно появляется некоторая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер.


Величина туннельного тока позволяет фиксировать неоднородности или иные особенности исследуемой поверхности. При этом зонд находится на расстоянии 1 мкм (10–6 м) от образца, что является условием возникновения и поддержания туннельного тока (при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, при больших – туннельный ток становится ничтожно малым). Туннельный ток имеет квантовую природу.


Для устранения возможного контакта иглы с поверхностью образца или ее выхода из области протекания туннельного тока используют систему обратной связи. Эта система постоянно регистрирует туннельный ток, корректируя высоту зависания зонда над образцом в соответствии с заданной величиной туннельного тока в каждой точке сканирования. При этом зонд остается на одном и том же расстоянии от поверхности, что позволяет определить распределение электронной плотности над образцом, а траектория зонда отражает рельеф поверхности образца. Таким образом, сканируя поверхность образца, можно получить распределение атомного потенциала, а также информацию о расположении атомов в структуре с атомным разрешением. При идеальной остроте зонда (когда на его острие будет находиться один-единственный атом) точность измерения будет соответствовать отдельным атомам. Небольшие изменения величины туннельного тока будут означать изменения ориентации атома на поверхности. В 1986 г. за разработку сканирующего туннельного микроскопа швейцарский ученый Г. Рорер и немецкий ученый Г. Биннинг были удостоены Нобелевской премии по физике.




Концепции современного естествознания

Цель данного учебника – помочь студентам овладеть содержанием курса «Концепции современного естествознания», посвященного фундаментальной сфере современной культуры – науке. Учебник ориентирует на формирование у студентов компетенций, предусмотренных ФГОС ВПО по социогуманитарным направлениям подготовки. Учебник знакомит студентов с особенностями естественно-научной картины мира, основаниями противопоставления естественно-научной и гуманитарной культуры и необходимостью их синтеза на основе целостного взгляда на окружающий мир. В учебнике анализируются ключевые этапы развития естествознания, указывается на преемственность и непрерывность в изучении природы. Учебник освещает основной комплекс проблем естествознания конца ХХ – начала ХХI века. Для изучения предлагаются те концепции и проблемы, которые определяют облик современного естествознания и задают место научного подхода в культуре. Для студента – будущего специалиста в области социогуманитарного знания особенно принципиально осознание основных концепций и законов естествознания в их связи с проблемами общественной жизни, осмысление общих тенденций и взаимовлияний естественно-научного и социогуманитарного знания. Предлагаемый учебник представляет собой не просто совокупность актуальных вопросов из традиционных курсов физики, химии, биологии, экологии, антропологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского и культурологического подходов. Учебник адресован студентам, получающим образование по социогуманитарным направлениям, всем интересующимся тенденциями развития современной науки. <br><br> <h3><a href="https://litgid.com/read/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya1/page-1.php">Читать фрагмент...</a></h3>

279
Наука Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания

Наука Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания

Наука Брызгалина Е.В. Концепции современного естествознания

Цель данного учебника – помочь студентам овладеть содержанием курса «Концепции современного естествознания», посвященного фундаментальной сфере современной культуры – науке. Учебник ориентирует на формирование у студентов компетенций, предусмотренных ФГОС ВПО по социогуманитарным направлениям подготовки. Учебник знакомит студентов с особенностями естественно-научной картины мира, основаниями противопоставления естественно-научной и гуманитарной культуры и необходимостью их синтеза на основе целостного взгляда на окружающий мир. В учебнике анализируются ключевые этапы развития естествознания, указывается на преемственность и непрерывность в изучении природы. Учебник освещает основной комплекс проблем естествознания конца ХХ – начала ХХI века. Для изучения предлагаются те концепции и проблемы, которые определяют облик современного естествознания и задают место научного подхода в культуре. Для студента – будущего специалиста в области социогуманитарного знания особенно принципиально осознание основных концепций и законов естествознания в их связи с проблемами общественной жизни, осмысление общих тенденций и взаимовлияний естественно-научного и социогуманитарного знания. Предлагаемый учебник представляет собой не просто совокупность актуальных вопросов из традиционных курсов физики, химии, биологии, экологии, антропологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского и культурологического подходов. Учебник адресован студентам, получающим образование по социогуманитарным направлениям, всем интересующимся тенденциями развития современной науки. <br><br> <h3><a href="https://litgid.com/read/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya1/page-1.php">Читать фрагмент...</a></h3>

Внимание! Авторские права на книгу "Концепции современного естествознания" (Брызгалина Е.В.) охраняются законодательством!