Концепции развития современных технологий
КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Естественнонаучные основы современных технологий
Понятие техники и технологии. Техника как умение создавать и применять искусственные орудия труда существует с тех пор, как существуют люди. Еще в древней Греции использовалось понятие «технэ», которое обозначало мастерство, искусство как умение нечто сформировать, создать из естественного материала, преобразовать природное в человеческое. Техника в отличие от природы не является естественным образованием, она создается искусственно. Произведенный человеком предмет, процесс называется артефактом (в переводе с лат. – искусственно сделанный). Техника есть совокупность артефактов. Фундаментальное свойство техники - это принцип преобразования. Иными словами, техника есть то, при помощи чего человек преобразует природу, самого себя, общество. Понятие «технология» выражает способ, алгоритм преобразования, то как именно он воздействует на объекты. Технологией называется совокупность операций по целенаправленному использованию техники. Эффективное использование техники требует ее включения в технологические цепи. Технология выступает как развитие техники, достижение ею стадии системности. Технологический этап в истории технического прогресса связан с возникновением индустриальной цивилизации, комплексной автоматизацией и превращением техники в технологию.
В развитии техники и технологий материализуются и опредмечиваются естественнонаучные знания о законах и явлениях природы. В своем техническом творчестве человек-изобретатель не просто копирует природу, а именно изобретает, то есть создает такие артефакты, которые не имеют аналогов в природе, начиная с колеса и кончая лазером.
В истории техники и технологии выделяются следующие этапы развития: - техника ручного труда (инструменты), - техника машинного производства (механизмы), - техника автоматизированного труда (автоматы), - техника компьютерная (робототехника), связанная с информационными технологиями.
Первоначально, на этапе ручного труда, техника имела в основном инструментальное значение: технические инструменты продолжали, расширяли возможности естественных органов человека, увеличивали его физическую мощь. На этапе машинизации техника становится самостоятельной силой, труд механизируется. Техника как бы отделяется от человека, который ее обслуживает и сам человек превращается в придаток машины, он дополняет ее возможности. На третьем этапе развития техники, в результате комплексного развития автоматизации и превращения техники в технологию, человек выступает ее организатором, творцом и контролером. Здесь на первый план выходят уже не физические возможности человека, а сила его интеллекта, реализуемая посредством технологии. Происходит объединение науки и технологии. Следствием которого является научно-технологический прогресс, называемый часто научно-технологической революцией. Имеется в виду кардинальная перестройка всего технико-технологического базиса общества. Причем разрыв во времени между следующими друг за другом технико-технологическими перестройками становится все меньше. Более того, идет параллельное развитие различных сторон научно-технологического прогресса. Если «революцию пара» от «революции электричества» отделяли сотни лет, то современные микроэлектроника, робототехника, информатика, энергетика, приборостроение, биотехнология в своем развитии дополняют друг друга, между ними вообще перестает существовать временной интервал. Подобное развитие техники стало возможным на основе научных достижений современного естествознания. Они открыли возможности, немыслимые в рамках прежней технической мысли, радикально изменили всю техническую сторону человеческой культуры.
Научно-технический прогресс как единое, взаимообусловленное, поступательное развитие науки и техники, производства и сферы потребления берет свое начало в эпохе Нового времени, когда дороги науки и техники стали перекрещиваться. До этого технический прогресс основывался на эмпирическом знании и опыте людей. Промышленная революция ХУ111 века и возникновение машинного производства стали реализацией европейского научного естествознания Нового времени. Они открыли новые, практически неограниченные возможности для технологического применения науки. С тех пор технологический прогресс во все большей степени определяется прогрессом естественных и технических наук. Наука и техника взаимно стимулируют развитие друг друга. Возникают специальные звенья научно-исследовательской деятельности, призванные доводить теоретические решения до технического воплощения: прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки, производственные исследования.
Современный этап научно-технического прогресса связан с научно-технической революцией. Под ее воздействием расширяется фронт научных дисциплин, ориентирующихся на развитие техники. В решении технических задач участвуют физики, химики, биологи, физиологи, психологи, лингвисты, логики, математики и др. Целые отрасли производства и новые типы технологий возникают вслед за новыми научными направлениями и открытиями: радиоэлектроника, атомная энергетика, химия синтетических материалов, производство ЭВМ, лазерные технологии и т.д.
Сегодня влияние техники и новых технологий распространяется на органическую и неорганическую природу, на самые различные сферы общественной жизни. В области неорганической материи – это строительная техника, физико-химическая техника и технологии, энергетическая техника, электротехника, теплотехника, компьютерные и информационные технологии и т.д. В области органической, живой природы – это техника и технологии сельского хозяйства, а также биотехнологии, позволяющие включать в предметное поле техники всю биологию. В последнее время особое внимание уделяется развитию современных социальных технологий, которые связаны с техникой как умением, искусством руководства людьми, государством, общественными отношениями, политическими процессами и т.п. В то же время существует «техника» мышления, речи, дискутирования, памяти («мнемотехника»), техника рисунка, живописи, вязания, игры на музыкальных инструментах и т. д.
Поэтому в современном понимании техника и технология в широком их смысле представляют собой:
- область знания, выступающего в качестве связующего звена между практической деятельностью и теоретическим знанием;
- область человеческой деятельности (включая все возможные средства и процедуры), направленную на изменение природы и общества в соответствии с потребностями человека;
- совокупность умений и навыков, составляющих профессиональные особенности того или иного вида человеческой деятельности; искусство и мастерство человека, занимающегося этой деятельностью.
Техника и технология выражают стремление человека к преобразованию внутреннего и внешнего мира, природы для осуществления своих целей. А это требует знания и понимания процессов, происходящих в мире, в природе.
В последнее время пристальное внимание уделяется разработке большого спектра наукоемких технологий - это биотехнологии, информационные технологии, лазерные и микроэлектонные технологии, - которым принадлежит революционизирующая роль на пути человечества от индустриальной (техногенной) цивилизации к постиндустриальной как антропогенной, информационно-компьютерной. Рассмотрим естественнонаучные основы современных технологий.
Современные биотехнологии. Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессах в промышленном производстве. На базе биотехнологии освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развиваются микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т.д. Представляет практический интерес синтез других биологически активных веществ – гормональных препаратов и соединений, стимулирующих иммунитет – с применением современных методов генной инженерии и естественных биологических материалов.
Для увеличения продуктов питания весьма важны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится в промышленных масштабах целая гамма искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.
Современные методы биотехнологии позволяют превратить огромные количества отходов древесины, соломы и других остатков растительных продуктов в ценные питательные белки. Такие методы включают процесс гидролизации промежуточного продукта – целлюлозы – с последующей нейтрализацией образующейся глюкозы и введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло–коричневый порошок – высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка–сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как, например, паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы. Для получения пищевых дрожжей в бывшем СССР в 1980 г. было переработано около 3 миллионов тонн древесных отходов.
Определенные виды грибков могут превращать нефть, мазут, природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Из 100 т неочищенного мазута с помощью грибков можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Такое же количество дрожжей может быть получено из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м. кв. природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 1000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель.
Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и скорость роста дрожжевых культур в тысячи раз выше, чем крупного рогатого скота. 1 т пищевых дрожжей позволяет произвести около 800 кг свинины, 1,5 – 2,5 т птицы или 15–30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
Искусственные белковые питательные вещества – продукция бурно развивающейся микробиологической промышленности. Эпохальным событием микробиологии можно считать разработку в 1947 году промышленного производства пенициллина. Двумя годами позже в Японии на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза были впервые получены аминокислоты. Затем стали производится антибиотики, витаминно-белковые добавки к продуктам питания, препараты ферментов, ростовые вещества (например, гибберелин), бактериологические удобрения, средства защиты растений, к сожалению, стало возможным производство бактериологического оружия.
Биологам удалось расшифровать механизм рекомбинации ДНК в ходе синтеза ферментов, тем самым биотехнологи получили возможность производить многие ферменты при сравнительно их невысокой себестоимости. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе. К примеру, кукурузный, пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу, и далее в более сладкую продукцию – фруктозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (метан, ацетон, уксусную кислоту, молочную и акриловую кислоты и т.д.). Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного производства.
Генные технологии. Основываются на методах молекулярной биологии и генетики, связаны с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии, часто называемые генной инженерией, родились в начале 70–х годов ХХ столетия под названием технологии рекомбинированных, ДНК. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. На начальной стадии развития генных технологий получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства. Основная цель генных технологий – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которую введена нужная ДНК. С их помощью целенаправленно осуществляются химические операции над биологическими объектами, что и составляет основу генных технологий. Генные технологии привели к разработке мощных методов анализа генов геномов, а они, в свою очередь, – к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.
К 1996 году установлены нуклеиновые последовательности 11 различных микроорганизмов, начиная от самой маленькой автономно размножающейся микроплазмы, содержащей всего 580 тысяч нуклеиновых пар. Среди них – и промышленные штаммы, и те, геном которых особо интересен для науки, в частности для обнаружения ранее неизвестных принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи в свою очередь убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Одним из самых современных и перспективных методов генной инженерии для получения новых микробных штаммов является генетическое копирование (клонирование). Уже в начале 70–х годов ХХ столетия ученые в лабораторных условиях начали получать и клонировать рекомбинантные молекулы ДНК, культивировать в пробирках клетки и ткани растений и животных, в последние годы достигнут огромный прогресс в клонировании полноценных животных (даже способных приносить потомство) из соматических (т.е. неполовых) клеток. Особенно большой резонанс у мировой общественности получили работы шотландских ученых из Рослинского Университета, которым удалось из клетки молочной железы беременной овцы получить генетически точную ее копию. Клонированная овца по кличке Долли нормально развивалась и произвела на свет сначала одного, а затем еще трех нормальных ягнят. Вслед за этим появился ряд новых сообщений о воспроизведении генетических близнецов коров, мышей, коз, свиней, обезьяны из соматических клеток этих животных. В 2000 году появились сведения о клональном размножении потомства приматов путем деления зародыша. Американским исследователям удалось получить генетически идентичные эмбрионы обезьяны резус путем разделения бластомеров зародыша на стадии деления. Из эмбриона родилась вполне нормальная обезьянка Тетра – генетический близнец первоначально зачатой особи. Такой тип клонирования обеспечивает генетически идентичное потомство и в результате можно получить двойню, тройню и более генетических близнецов, а следовательно, есть возможность повторять сложные научные эксперименты на абсолютно генетически идентичном материале, имплантируя последовательно зародыш одной и той же суррогатной матери можно изучить влияние ее организма на развитие плода. Разработанные методы клонирования животных пока еще далеки от совершенства. В процессе экспериментирования наблюдается высокая смертность и большой процент уродств новорожденных (из 226 опытов, проведенных в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте, удачным оказался лишь один – на свет появилась овца Долли). Еще не ясны многие механизмы клонирования и развития животных из соматической клетки. Тем не менее, успех, достигнутый на данный момент, показал теоретическую возможность создания генетических копий даже человека из отдельной клетки, взятой из какого-либо органа. Многие ученые с энтузиазмом восприняли идею клонирования человека. Например, «отец» первого ребенка «из пробирки» Л. Эдвардс, заявил, что этот метод можно использовать для получения «запасных» органов, которые пересаживались бы больному человеку. Опрос общественного мнения в США 2000 года показал, что 7% американцев готовы подвергнуться клонированию. Вместе с тем, многие ученые и общественные деятели озабочены потенциальной опасностью (в том числе моральной) и, высказываются против клонирования человеческих особей. Существует и биологическая проблема. Известно, что в процессе культивирования клеток в пробирках и получения соматоклонов могут возникать различного рода мутации в геноме, вредные для организма. К тому же, как установлено, клональные особи имеют особенность быстрого старения и угнетения многих жизненных функций за короткий промежуток времени. Следовательно, клонирование людей может привести к возрастанию в человеческой популяции генетически неполноценных, в т.ч. психически больных людей. Кроме того, возникает целый ряд моральных, этических и даже юридических проблем, связанных с манипуляциями над эмбрионом человека.
Учитывая достижения генетической инженерии и реальную возможность создания генетически измененных не только животных, но и человека, 29–я сессия Генеральной Конференции ЮНЕСКО в 1997 году приняла «Всеобщую декларацию о геноме человека и правах человека». В статье 11–ой этого документа говорится, что не следует допускать практику, противоречащую достоинству человека, в т.ч. практику клонирования в целях воспроизводства человеческой особи, «цель прикладного использования результатов научных исследований по геному человека, в т.ч. в области биологии, генетики и медицины, должна заключаться в уменьшении страданий людей и в улучшении состояния здоровья отдельного человека и всех людей». Совет Европы так же внес дополнения в Европейскую конвенцию о правах человека и биомедицине, которая гласит: «Запретить всякое вмешательство, преследующее цель создать человеческую особь, идентичную другой – живой или мертвой». Таким образом, современные генно-инженерные исследования все больше затрагивают интересы общества, а этические проблемы науки становятся важным компонентом научной деятельности не только биомедиков, но и этиков, философов, политиков и т.д.
Интеграция биологического и социо-гуманитарного знания. Естествознание и нравственность. Связи между естествознанием и нравственностью многочисленны и двусторонни. Естествознание, как и вся наука в целом, оказывает сильное влияние на общественную мораль, испытывая на себе ее обратное воздействие. Общество не может не ограничивать научный поиск, если сам поиск или его результаты могут входить в противоречие с актуальными нормами нравственности или представлениями о гуманности. Вопрос, можно ли запрещать истину во имя спасения морали, ответа не имеет. Те, кто находят у истины приоритет перед моралью, основывают это на том соображении, что мораль относительна и изменчива, а истина абсолютна и вечна. Их оппоненты считают, что не всякие истины людям нужны. Немецкий философ А. Шопенгауэр (1788- 1860) однажды заметил: “Вы превозносите достоверность и точность математики, но зачем мне с достоверностью и точностью знать то, что мне знать не нужно?”
Так или иначе, ставятся под сомнение или ограничиваются некоторые виды этнографических исследований, эксперименты над человеческими зародышами и многое другое. До сих пор бунтуют противники вивисекции - операции на живом животном с целью изучения функций организма, действия на него различных веществ, разработки методов лечения и т.п. До сих пор спорят, нравственна ли пересадка органов.
Остается спорной правомерность евгеники - теории о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Прогрессивные ученые ставили перед евгеникой гуманные цели. Однако ее идеи использовались и для оправдания расизма. В современной науке многие проблемы евгеники, особенно борьба с наследственными заболеваниями, решаются в рамках генетики человека, в том числе и медицинской генетики.
Сказанное определяет лишь внешнюю, грубую форму воздействия морали на науку. В обществе, в котором преобладает рациональный, практический склад ума, и наука будет развиваться иначе, чем в обществе, где больше идеалистов и романтиков. Запрещающие барьеры при этом проходят в головах ученых, несущих в себе национальные или сословные следы.
Влияние науки на мораль в обществе огромно, однако в нем никогда не было единогласия в вопросе об оценке этого влияния. С одной стороны, расширение горизонтов знания, разрушение унизительных предрассудков, обеспечение доступа к науке и культуре широчайшим кругам населения - все это имеет положительный нравственный оттенок. С другой - главный полигон науки испокон века до наших дней - война. Многие видели в науке воплощение зла и школу безнравственности. Сторонники науки в прошлых веках надеялись, что она поможет решить и нравственные проблемы. Противники же считали, что она уводит от религии, от духовности, иссушает души, порождает цинизм. Но, кажется, уже окончательно понятно, что из науки и особенно из естествознания трудно извлечь выводы о том, как надо и как не надо поступать. Взаимосвязь и сочетание естествознания как науки о природе и морали как правил нравственности - безусловно, сложный и многофакторный вопрос, в решении которого остается огромное поле деятельности. Ясно одно: естествознание вряд ли сможет претендовать на замещение морали.
Более двадцати лет назад в калифорнийском Стенфордском университете двум ученым впервые удалось заменить у бактерии ее наследственный материал на чужеродный, взятый у бактерии-донора. Этот метод переделки живой природы назвали генной инженерией. По разным направлениям распространялся стенфордский успех. Обратили на него внимание и в пищевой промышленности. Молочное, сыроваренное производства, выпечка хлеба, изготовление колбас, пивоварение и многое другое основано на жизнедеятельности микроорганизмов. Крупные пищевые концерны издавна имели лаборатории, где вели отбор, селекцию наиболее действенных производительных штаммов бактерий, придающих желательный вкус продукту. Лучшие разновидности невидимых тружеников фирма-хозяин строго засекречивала. Бактерии-мутанты, защищенные патентами, использовались для того, чтобы получать самоконсервирующееся молоко, быстрые в приготовлении сыры, хороший хлеб, глюкозу, сиропы и многое другое. Ферменты - микроскопические белковые “топоры” для разрубания длинных молекул - были так усовершенствованы генной инженерией, что перевернули технологию производства многих продуктов. Так, в 1991 г. фирма “Магги”, известная своими бульонными кубиками, отказалась от старого способа их получения с участием соляной кислоты. В новой, более безопасной, технологии действуют высокоактивные ферменты. В США стали получать сахар из кукурузы и пшеницы. Особый микроб превращает это сырье в сироп, который затем поступает на рафинадный завод. Сироп обходится на треть дешевле, нежели из тростника, который поставляли в США Филиппины. По сведениям журнала “Шпигель”, сейчас в мире действуют более 3 тысяч лабораторий, работающих с генами. Биотехнологические фирмы рассчитывали к 2000 г. в 16 раз увеличить свои обороты. От генной инженерии можно ожидать и более масштабных, скажем, даже глобальных, результатов.
Но генная инженерия не ограничивается миром невидимых организмов. Она вторгается в наследственный материал растений и животных, прежде всего сельскохозяйственных. Например, картофель претерпел несколько полезных превращений. Получены клубни, не боящиеся падений, ударов - важное качество при транспортировке и хранении. Другой сорт - для стола, содержит мало крахмала, но много высокоценных протеинов. Третий сорт дает много крахмала.
Томаты, подвергнутые генетическим операциям, дали две разновидности. У одного вида из молекулы наследственности был удален ген, определяющий способность плода к быстрому загниванию. Новый помидор, уже хорошо созревший, можно хранить без холодильника до двадцати дней. Другая разновидность томатов содержит вдвое меньше воды. Это выгодно при транспортировке и переработке. С помощью генной инженерии получены не боящиеся заболеваний растения какао, стойкая к заморозкам клубника, кофейные зерна без кофеина. Пятьдесят сельскохозяйственных культур уже улучшены благодаря вмешательству человека в их наследственность. Достигнуты первые успехи и в животноводстве. Корректировка наследственности у свиньи позволила вывести новую породу животных, лишенных такого недостатка, как излишняя жирность, свинина становится диетическим мясом. Другое новшество: корова дает молоко, не скисающее в тот же или на следующий день, как обычно, потому что это молоко уже включает в себя консервирующие вещества, вырабатываемые самим организмом животного.
Лаборатории, занимающиеся генной инженерией, воодушевлены первыми удачами. Ученые уверены, что в недалеком времени они смогут передать сельскому хозяйству такое разнообразие растений и животных, улучшенных их методами, что можно будет удовлетворить все человечество продуктами питания. При этом речь идет не только о количестве, но и о качестве. Уже сегодняшние успехи генной инженерии убеждают, что люди в XXI в. не столкнутся с голодом. В конце 90-х годов ХХ столетия зашла речь о генетическом вмешательстве в структуры наследственной информации человека, его геном. Говорят не только о модификациях (изменениях) генома человека, но и о создании его точных копий (методы клонирования животных и человека).
Достижения биологии и медицины последних лет с еще большей остротой поднимают вопрос о нравственных пределах познания живого. В связи с этим в 70-80-хх годах ХХ столетия возникает новое междисциплинарное направление биологическая этика (биоэтика), уделяющая внимание нравственным вопросам биологического познания. Это направление возникает на стыке естественнонаучных (биология, медицина, генетика, экология) и социогуманитарных дисциплин (философия, этика, право), в последние годы в решение биоэтических проблем вовлечена даже церковь. Принципиальной основой их понимания и решения должно служить гуманистическое измерение научно-технического прогресса, ибо «все прогрессы реакционны, если рушится человек».
Перспективные материалы и технологии
естественнонаучный технический прогресс биотехнология
Обновление технической базы энергосистем и практически всех важнейших отраслей промышленности во многом связано с внедрением перспективных материалов и новейших технологий. В настоящее время во всем мире признаны перспективнымикерамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы.
Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструмента, различного рода машин. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые методы, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Так, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металло-органических соединений. При выжигании полимерного скелета в металло-органическом полимере, скрученном в нить, образуется высоко термостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония ZrO2 существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия. Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами.
Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например в эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно высокому показателю прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т.п.
Благодаря исследованиям полимерного механизма взаимодействия поверхностных слоев, сопряженных на границе раздела между различными полимерами, удалось разработать комбинированный полимерный материал, называемый иногда полимерным сплавом, с высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относится, например, нейлон, усиленный эластичным углеводородным полимером.
В последние десятилетия уделяется все больше внимания разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т.п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в пределах от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени налажена технология формирования микроэлектронного элемента с размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.
Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно внедряется биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК (сшивание нитями ДНК и т.д.). В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только полдела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как удачно могут сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.
Микроэлектронные технологии. Микроэлектронные технологии оказали и будут оказывать огромное влияние на индустриальный мир и общество в целом. Наиболее широко известная продукция, изготавливаемая на основе микроэлектронной технологии– микропроцессор, представляющий собой устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Эта удивительно сложная и функционально интегрированная электрическая цепь построена на небольшой пластине, называемой чипом. Некоторые современные микропроцессоры, в том числе и отдельные чипы машинной памяти большой емкости, содержат миллионы транзисторов или других электронных компонентов, расположенных на кремниевой пластине площадью в несколько квадратных сантиметров.
Чипы изготавливаются из кремния высокой чистоты, в них целенаправленно имплантируют различные добавки для формирования элементов отдельных устройств, выполняющих вполне определенные функции: усиление, выпрямление или переключение сигналов, запоминание или воспроизведение информации. Решающую роль в изготовлении таких сложнейших систем играет тонкопленочная технология, включающая ряд последовательных операций
С помощью тонкопленочных органических слоев, чувствительных к излучению, в кремний избирательно вводятся легирующие примеси с образованием заданного рисунка электрической цепи. Легирование производится при высокой температуре, поэтому для защиты поверхности используется тонкая пленка диоксида кремния. Рисунок формируется с помощью органического материала – фоторезиста, в котором химические изменения инициируются световым потоком. Такие изменения приводят к разрыву (или образованию) ковалентных связей в светочувствительных химических группах, закрепленных на полимерной структуре. В результате происходит локальное увеличение (или уменьшение) растворимости фоторезиста в заданном растворителе. При пропускании света через маску засвечиваются лишь определенные области фоторезиста, которые удаляются (или остаются) после промывания растворителем. Затем производят вытравливание рисунка с последующим удалением фоторезиста.
С применением излучения в видимой части спектра и специального высокочувствительного фоторезиста можно формировать рисунок электронной схемы с линейным размером 1-2 мкм. Однако при изготовлении элементов схемы, близких по размеру к длине волны света, равной 0,4 (для коротковолновой части спектра), начинают сказываться дифракционные эффекты. Их можно ослабить, пользуясь более коротковолновым излучением и чувствительными к нему резистивными материалами. Это означает, что дальнейший прогресс в микроэлектронике и ее трансформация в наноэлек-тронику возможны только с применением коротковолнового ультрафиолетового, рентгеновского излучения и даже электронных лучей, что, естественно, влечет за собой принципиальное техническое переоснащение сложного микроэлектронного технологического процесса.
Миниатюризация электронных устройств – характерная черта современной микроэлектроники. Миниатюрный размер электронного элемента современной схемы составляет около 1 мкм. Дальнейшее его уменьшение, как отмечалось, требует перехода к гораздо более сложной коротковолновой технологии. Возникает вопрос: нельзя ли найти другой путь решения данной проблемы? Один из таких путей предложен. Он основан на идее хранения и обработки информации с помощью отдельных молекул или молекулярных агрегатов, т.е. на идее создания молекулярного компьютера.
При трехмерной архитектуре применение молекулярных компонентов цепей с промежутком около 0,01 мкм обеспечило бы в миллионы раз большую плотность элементов, чем та, что реализуется в настоящее время. Такие цепи можно было создать из разнообразных молекул – от полностью синтетических электропроводящих полимеров до природных белков. Основные элементы памяти молекулярных компьютеров могли бы функционировать по принципу переменного заряда в полиэтилене или молекулярной ориентации в твердом теле. Молекулярный компьютер по своему устройству и функциям напоминает систему памяти, которой наделены многие живые существа. Создание молекулярного компьютера может показаться фантастической идеей. Но в свое время и полет на Луну, и расшифровка структуры ДНК, и многое другое было предметом научной фантастики.