Перспективные материалы и технологии

Обновление технической базы различных энергосистем и промышленных предприятий требует внедрения перспективных материалов и новейших технологий, которые прямо или косвенно способствуют увеличению эффективности производства и сохранению качества окружающей среды. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы, производство которых основано на современных технологиях.

Основным направлением НТР в области технологии является переход от механической обработки материалов к использованию форм движения материи на молекулярном, атомном, субатомном уровнях, благодаря чему изменилась сама структура вещества.

Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Эти свойства предопределяют использование керамики в различных отраслях – при изготовлении двигателей, инструментов, машин. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые технологии, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с определенными свойствами.

Синтез сверхпрочных материалов 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 в обычный высокомолекулярный полимер (например, эпоксидную смолу). Используемое волокно, помимо графитовых углеродных цепей, может состоять из минеральных или углеводородных полимерных нитей. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно большому отношению прочность/масса такие материалы находят широкое применение при изготовлении деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей (углепластик), судов и т.д.

В последние десятилетия уделяется большое внимание разработке новых тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя такого материала может колебаться в широких пределах – от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. Широкое применение находят тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микроэлектроники.

Материалы с уникальными свойствами можно создать только на основе применения новейших технологий производства. Среди перспективных технологий, которые станут основой хозяйственной деятельности человека в текущем столетии, ученые называют нанотехнологии, биотехнологии, технологии обновления производства энергии и ряд других.

В настоящее время среди социально-экономических приоритетов Республики Беларусь значится развитие наукоемких отраслей производства, к которым однозначно относят нанотехнологии(от греч. нано – карлик). Нанотехнология представляет собой науку и технику создания материалов и устройств с размерами от 1 до 100 нм (1 нм=10^-9м). Данные размеры определены особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноконструировании. Такие изделия миниатюрны, их производство характеризуется сниженной энерго- и материалоемкостью. Вместе с уменьшением размеров уменьшается и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. С технической точки зрения развитие электроники определяется возможностями наноэлектроники. Ученые из компании «Хьюлетт-Паккард» уже запатентовали технологию производства микропроцессоров, в основе которых лежат не кремниевые кристаллы, как в современных процессорах, а молекулярные цепочки.

Таким образом, нанотехнологии представляют собой одно из ключевых направлений развития промышленности и прогресса общества, путь к управляемому синтезу молекулярных структур. Развитие этого направления обеспечит получение объектов любого назначения не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью машин-сборщиков, оборудованных системами искусственного интеллекта.

К технологиям будущего следует отнести также биотехнологии, становление которых было связано с успехами биологии в познании особенностей организации молекулярных структур живого. Это позволило ученым контролировать основные процессы биосинтеза в клетке и дало начало биологизации производства – новому этапу научно-технического прогресса. На этом этапе наука о живом превращается в своеобразную производительную силу общества, и ее достижения используются для создания промышленных технологий. Например, в химии активно ведутся разработки новых видов катализаторов, действующих по принципу ферментов, т.е. катализаторов биологического происхождения. Кроме того, биотехнологии активно используются и в ряде других отраслей науки и техники.

Таблица 2. Основные направления развития и сферы применения продуктов биотехнологий

Обязательным условием устойчивого развития любой страны, в том числе Республики Беларусь, является широкое использование альтернативной энергетики, основанной на возобновляемой энергии Солнца, ветра, воды и биоресурсов. В настоящее время в мире наблюдается стойкая тенденция увеличения доли нетрадиционной энергетики в общем энергобалансе. Однако говорить о полном замещении традиционных источников энергии альтернативными пока преждевременно. Причиной тому, по мнению экспертов, является высокая удельная стоимость получаемой электро- и теплоэнергии. С другой стороны, ежегодно эта стоимость снижается, пусть и не так быстро, как того хотелось бы защитникам окружающей среды. И когда угроза нефтяного голода будет не в некоторой отдаленной перспективе, а станет реальностью, альтернативная энергетика позволит человечеству преодолеть энергетический кризис.