Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие

Валитов Ш.М., Азимов Ю.И., Павлова В.А.

Возрастное ограничение: 12+ Жанр: Экономика Издательство: Проспект Дата размещения: 12.04.2015 ISBN: 9785392186150 Язык: Объем текста: 377 стр. Формат: epub

Оглавление

Введение

Раздел 1. Технологическое развитие как фактор экономического роста России

Раздел 2. Системы технологий: понятия, термины, основные факторы и признаки современных технологий

Раздел 3. Производственный и технологический процессы в отраслях экономики

Раздел 4. Технологические принципы управления качеством промышленной продукции

Раздел 5. Современные термохимические технологические процессы управления качеством конструкционных материалов

Раздел 6. Теоретические основы технологии машиностроения

Раздел 7. Современные технологии получения заготовок деталей в машиностроении

Раздел 8. Обработка металлов резанием (ОМР)

Раздел 9. Современные технологические процессы сборки машин

Раздел 10. Химико-технологические производства в инновационном развитии экономики

Раздел 11. Инновационные технологии в аграрном производстве

Раздел 12. Современная мировая энергетика

Раздел 13. Биотехнология

Раздел 14. Нанотехнологии в современной экономике

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

Раздел 14.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОЙ ЭКОНОМИКЕ

14.1. Понятие нанообъекта и его характеристика

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра (10-9м). Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Переход к «нано» размерам означает коренное изменение условий структурного взаимодействия в твердых системах. Если в «микро»-системах состояние вещества определяется внутренними связями вплоть до молекулярного уровня взаимодействия, а связь между частицами достаточно слабая, то в «нано»-системах связи частиц многократно усиливаются пропорционально уменьшению размеров частиц и возрастанию суммарной поверхности вещества.

Понятие «нанотехнология» было введено в обиход в 1974 г. японцем Норио Танигучи. Долгое время термин не получал широкого распространения среди специалистов, работавших в связанных областях, т. к. Танигучи использовал понятие «нано» только для обозначения точности обработки поверхностей, например в технологиях, позволяющих контролировать шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т.п.

Будем в дальнейшем исходить из следующего понимания НАНОТЕХНОЛОГИИ – это любые технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами.

«Наноразмерный объект» – атом, молекула, надмолекулярное образование.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

1) Изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; 2) Разработка и изготовление наномашин; 3) Манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 г. был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

На данный момент можно наметить следующие перспективы нанотехнологий.

1. Информатика. Разработка ультрамикрочипов хранения и обработки информации.

2. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.

3. Геронтология. Увеличение жизни людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма.

4. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул (катализаторы, сверхпрочные материалы, ультрамелкие изделия и др.).

5. Сельское хозяйство. 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 – молоко» будут удалены «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.

6. Биология. 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.

7. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье (сорбенты, фильтры очистки воды), а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

8. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком 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.

9. Кибернетика. 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.

10. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека.

Очертим кратко основные этапы в развитии нанотехнологии:

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинингом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа – прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982–85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Однако принято считать, что нанотехнология «началась» когда 70 лет назад Г.А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра – основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г.А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ «Пульсар», предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров.

Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электроннолучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решение которой было найдено в 1981 г. вместе с созданием туннельного микроскопа.

В 1981 г. кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных – с точностью до отдельных атомов – низкоэнсргетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 г. были удостоены Нобелевской премии.

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. Сравнительным недостатком – наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, т. к. полупроводниковая микроэлектроника фактически так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я.А. Федотовым «тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

Рис. 14.1. Шкала размеров, примерные величины различных объектов и методы их визуализации

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х – начале 90-х годов XX века наноструктур углерода – фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.

Но вернемся к определениям. Для начала приведем формальное определение, наиболее широко используемое в настоящее время: НАНООБЪЕКТАМИ (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению (рис. 14.1).

Вроде бы все хорошо и понятно, неясно только, почему дано столь жесткое определение нижнего и верхнего пределов в 1 и 100 нм? Похоже, что выбрано это волюнтаристски, особенно подозрительно назначение верхнего предела. Почему не 70 или 150 нм? Ведь если учитывать все многообразие нанообъектов в природе, станет очевидным, что границы наноучастка размерной шкалы могут и должны быть существенно размыты. И вообще в природе проведение любых точных границ невозможно: одни объекты плавно перетекают в другие, и происходит это в определенном интервале, а не в точке.

Экономика Валитов Ш.М., Азимов Ю.И., Павлова В.А. Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие

Экономика Валитов Ш.М., Азимов Ю.И., Павлова В.А. Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие

В учебном пособии рассматриваются принципы управления современными технологическими системами в отраслях экономики, основанные на использовании информационного подхода в анализе производства. Книга учит принимать экономически оптимальные решения с точки зрения организации эффективного производственного процесса и обеспечения конкурентоспособности производимой продукции.<br /> Предназначается для студентов вузов, обучающихся по специальностям экономического профиля на уровне бакалавров. Может также быть полезна для магистрантов, аспирантов и преподавателей.

Внимание! Авторские права на книгу "Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие" (Валитов Ш.М., Азимов Ю.И., Павлова В.А.) охраняются законодательством!