СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

    Вторая половина ХХ в. ознаменовалась выдающимися научно-техническими достижениями. Бурное развитие технической базы, информационно-счетных систем, высокочастотной измерительной техники позволило сделать целый ряд фундаментальных открытий в различных областях естествознания.

Технология – способ материальной деятельности человека, направленной на преобразование природы с целью обеспечения себя материальными благами и создания комфортных условий существования; результат применения моделей естествознания на практике.

Научно-техническая революция (НТР) – процесс совершенствования существующих технологий и создание новых.

Этот процесс осуществляется по следующим направлениям:

1. Уменьшение энергоемкости и ресурсоемкости на единицу продукции.

2. Уменьшение трудоемкости на единицу продукции. Это достигается двумя путями: совершенствованием физико-химической основы технологии и внедрением средств автоматизации производства (микроэлектроники).

3. Увеличение производительности или количества продукции за единицу времени.

4. Повышение экологической безопасности, снижение вредного воздействия на окружающую среду и улучшение условий труда.

5. Получение новых возможностей, выпуск продукции с новыми свойствами.

Процесс внедрения новых технологий в промышленность связан с экономическим риском, т.к. иногда невозможно точно определить расходы по внедрению технологии и оценить ее конечную эффективность.

По мере развития промышленных технологий снижается доля населения, участвующего в производственном секторе, и увеличивается занятость в сфере услуг, науки, образования, здравоохранения и культуры. Среди трудовых навыков умение обрабатывать информацию становится первостепенным. Повышается значимость фундаментального образования. Такое общество называется информационным.

Переход к информационному обществу сопровождается увеличением стоимости промышленных технологий, что является следствием повышения их сложности, уменьшения стоимости информационной техники, результатом совершенствования промышленных технологий и увеличением стоимости человекочаса.

    Процесс познания природы не стоит на месте. Созданы искусственные кристаллы и материалы, не встречающиеся в природе, но обладающие требуемыми технологическими свойствами. На базе новых конструкционных материалов получили широкое развитие новые технологии, способные достичь высоких стандартов. К их числу относятся полупроводниковая электроника и оптоэлектроника, лазерная технология, вакуумная техника и др.

    В свою очередь открытие новых физических явлений позволило разработать новые методы исследования, обладающие рядом преимуществ по сравнению с существующими традиционными методиками. Новые виды спектроскопических исследований, электронная (растровая и просвечивающая) микроскопия, электронная и ионная дифракции на поверхностных структурах вещества, рентгеноструктурный анализ и т.д. относятся к неразрушающим методам. Они позволяют получить информацию о структуре исследуемых объектов, не изменяя ее. Благодаря широкому использованию вакуума получены сверхчистые вещества.

С развитием методов исследования расширился круг изучаемых явлений. Особое внимание ученых различных специальностей привлекают критические состояния вещества. Открыты новые эффекты в области низких (сверхпроводимость, сверхтекучесть и др.) и высоких (плазма) температур. Все эти и другие направления физических исследований вносят свой вклад в развитие современного естествознания и обеспечивают базу для создания техники и технологий будущего.

Отметим некоторые из направлений, оказывающих наиболее существенное влияние на развитие цивилизации на рубеже веков.

Микроэлектроника - направление технологии, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении и использованием интегральной технологии их изготовления.

Типичными устройствами микроэлектроники являются: микропроцессоры, запоминающие устройства, интерфейсы и др. На их базе создаются компьютеры, системы автоматизации и управления, контрольно-измерительные приборы, средства связи и передачи информации и т.п.

Микроэлектроника базируется на использовании физических эффектов в твердом теле и в первую очередь в полупроводниках.

Основа элементной базы микроэлектроники - интегральные схемы - создаются с помощью планарных технологий на монокристаллических подложках и представляют собой матрицу однотипных элементов, например транзисторов, способную выполнять логическую операцию любой сложности. Современные интегральные схемы содержат до 10⁷ элементов на кристалл.

Созданные на основе интегральных схем ЭВМ позволяют многократно усилить интеллектуальные способности человека, а в ряде случаев полностью заменить его как исполнителя не только в рутинных вопросах, но и в ситуациях, требующих высокого быстродействия, безошибочности, специфических знаний, или в экстремальных условиях.

Лазерная техника. Лазер (оптический квантовый генератор) - источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, действие которого основано на использовании вынужденного излучения атомов и ионов.

Слово «лазер» (LASER) - аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением.

В основе работы лазера лежит способность возбужденных атомов (молекул) под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда) может усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с так называемой инверсной населенностью, когда число атомов на возбужденном энергетическом уровне превышает число атомов на ниже расположенном уровне. В активной среде лазера, помещенной в оптический резонатор, образованный, например, двумя параллельными друг другу зеркалами, за счет усиления при многократном прохождении излучения между зеркалами формируется мощный когерентный пучок лазерного излучения, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Лазерное излучение выводится из резонатора через одно из зеркал, которое делают частично прозрачным.

В основе практического применения лазерной техники лежит использование таких принципиальных отличий лазерного излучения от обычных источников света, как когерентность и монохроматичность, высокая направленность и яркость, возможность получения световых импульсов коротких длительностей. Можно сфокусировать лазерное излучение с помощью оптических систем на материалы с размерами зоны облучения примерно 1-10 мкм, так называемое бесконтактное локальное воздействие. Это широко используется в различных лазерных технологиях, например в машиностроении или в лазерной связи.

Катализ. Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называют катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называется катализом.

Катализатор снижает энергию активации реакции, она проходит через другие промежуточные стадии, энергетически более доступные. В результате молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, оказываются активными.

В живых организмах роль катализаторов играют ферменты. В организме человека находится около 30000 различных ферментов, каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.

Ферментные технологии. Ферменты, выделенные из бактерий, можно применять для получения важных в промышленности веществ (спиртов, кетонов, органических кислот, полимеров и др.). Громадное преимущество процессов, контролируемых ферментами, заключается в возможности получать при обычном давлении и температуре того же результата, что и при традиционных технологиях, но с меньшими затратами и без вредных экологических выбросов, связанных с необходимостью поддерживать очень высокое давление и температуру.

Промышленное производство белка. Белок одноклеточных - ценнейший источник пищи. Получение белка с помощью микроорганизмов имеет целый ряд преимуществ: не нужно больших площадей для посевов; микроорганизмы быстро размножаются на самых дешевых или побочных продуктах сельского хозяйства. Белок одноклеточных можно использовать для увеличения кормовой базы сельского хозяйства.

Генная инженерия - так называется совокупность методов введения в клетку желательной генетической информации. Появилась возможность контролировать генетическую структуру будущих популяций путем клонирования (создания генетических копий исходного индивида). На пути к трансплантации ядер у человека есть еще некоторые технические трудности, но готова ли общественная мораль к вечному скитанию периодически обновляемого материального носителя разных человеческих сознаний и какие могут быть последствия таких экспериментов?

Генная инженерия может оказаться и крайне опасной при разработке биологического оружия. Поэтому систематически звучат голоса, предлагающие запретить все исследования в этой области.

    Противоречия современной науки. Миг наибольшего торжества науки, свидетельствовавший о ее мощи, был в то же время началом ее кризиса, потому что создание и применение атомного оружия вело к разрушению и уничтожению человечества. Затем возникла экологическая проблема. Виновны в ней не столько сама наука, сколько цели, которые перед ней ставились, а также нормы, методы и средства, в соответствии с которыми она развивалась. Достижения НТР впечатляющи. Она вывела человека в космос, дала ему новый источник энергии – атомную, принципиально новые вещества и технические средства (лазер), новые средства массой коммуникации и информации и т.д. Но сам термин НТР возник в середине ХХ в., когда человек создал атомную бомбу и стало ясно, что наука может уничтожить нашу планету.

    Будущее науки в постиндустриальном обществе широко обсуждается, причем оно все более связывается с психологией и человеческими пристрастиями. Единство естествознания и стремление к нему открывают новые возможности познания мира и самого человека.

Контрольные вопросы

1.Поясните термины «технология» и «научно-техническая революция». Приведите примеры.

2.Прогресс науки определяется степенью взаимосвязи теории и эксперимента. Что, по вашему мнению, было доминирующим в прошлом и что будет играть большую роль в будущем?

    3.Изучение структуры вещества: а) спектроскопия (оптическая, ОЖЭ-спектроскопия, ИК-спектроскопия и др.); б) оптическая и электронная микроскопии: область применения, перспективы развития; в) рентгеноструктурный анализ; дифракционные методы исследования: электронная и ионная дифракции на поверхностных структурах вещества.

    4.Критические состояния вещества: а) сверхпроводимость и сверхтекучесть: перспективы практического применения; б) плазменное состояние вещества: природа, способы получения, область научного и технического применения.

    5.При каких условиях возможны усиления и генерация вынужденного излучения? Каковы свойства лазерного излучения? Практическое применение лазерного излучения.

    6.Создание новых материалов и технологий: а) полупроводниковая электроника (полупроводники, природа проводимости, принцип работы базовых полупродниковых устройств, особенности полупроводниковой технологии, ее преимущества и недостатки); б) жидкие кристаллы (природа, классификация, области применения); в) физический вакуум, вакуумные техника и технология.

    7.Оптоэлектроника (современные оптические системы, оптические источники и приемники, принцип действия и классификация основных оптоэлектронных устройств, области научного и технического использования).

    8.Какике технологии используются в современной химической промышленности?

    9.Генная инженерия - перспективы и проблемы в становлении и развитии этой науки.

    10.В чем заключается противоречивость современной науки? Приведите примеры.