Минимальные необходимые меры для реализации нанотехнологий в Украине
Ключевая двуединая задача: развить образование в области нанотехнологий и технически переоснастить лаборатории.
Создать Государственную Мультидисциплинарную Программу "Нанонауки и нанотехнологии" и через Фонд фундаментальных исследований локализовать средства в размере 150-170 млн. грн/год на ближайшие 5 лет. Часть средств направить на сотрудничество со странами-участниками 7 Рамочной Программы ЕС и на двухсторонние программы с Японией, Германией и США.
Программу увязать с другими глобальными приоритетными программами развития науки и технологии в Украине: здоровья нации, чистой окружающей среды, новых энергодобывающих и энергосберегающих технологий, обеспечения безопасности страны, биотехнологий в сельском хозяйстве.
В ведущих ВУЗах Украины организовать подготовку студентов по курсам "Наноматериа-лы", "Нанотехнологии" и создать 3-4 первоклассно оснащенных совместных (МОН-НАНУ) учебно-научных центра (например, в Киеве, Харькове, Донецке и Львове) для подготовки магистров, специализирующихся по материаловедению и нанотехнологиям.
Бюджет каждого центра положить не менее 20 млн. грн/год, из которого не менее 80% будет расходоваться на оборудование и обустройство обучения и научно-исследовательского дела.
Купить и выпустить учебники по специальности "Нанонауки и нанотехнологии".
Всемерно развивать международную кооперацию по нанотехнологиям и вести подготовку молодежи за рубежом.
Закупать исследовательское оборудование, создавать новую экспериментальную и технологическую аппаратуру в стандарте "High Tech". Привлекать средства министерств, местных бюджетов, национальных и зарубежных инвесторов, например, для нужд защиты экологии городов, медицинского обслуживания населения.
T. Kishi, Materials Science Outlook in 2005, NIMS, Tsukuba, JAPAN P. 2-10
Mid- and Long-term Research and Development Strategies for Nanotechnology/Materials Science Field in Japan. //Report to Nanotechnology/Materials Science Committee, Subdivision on R&D Planning and Evaluation, Council for Science and
Technology, MEXT - 2005.
Общество Макса Планка – «Белая книга»
В начале третьего тысячелетия человечеству для улучшения качества жизни, уменьшения зависимости от природных ресурсов, снижения негативного воздействия на окружающую среду требуется качественно новый, основанный на знаниях, подход к технологическим проблемам. Мир стоит на пороге революционных изменений в науке и технологии, которые повлияют на все аспекты человеческой жизни. Безусловно, эти изменения в значительной степени затронут материаловедение, а также все отрасли, связанные с технологией материалов и их использованием.
Человечество нуждается в успешном развитии материаловедческой науки, без которой невозможно решение таких сложных проблем, как экологическое загрязнение, сокращение природных ресурсов, перенаселение, борьба с болезнями.
Общество Макса Планка — одна из самых известных, авторитетнейших во всем мире материаловедческих организаций Западной Европы — подготовило Европейскую "Белую книгу по материаловедению" (European White Book on Fundamental Research in Materials Science), в которой были намечены основные направления и тенденции развития науки о материалах в ближней и отдаленной перспективах, сфокусировано внимание на потребностях общества в новых материалах, а также на современных возможностях их "конструирования" и разработки.
В создании этой книги приняли участие более 100 ведущих ученых-материаловедов, главным образом, из Европы, но были привлечены также эксперты из США и Японии. Координировал этот проект Институт металловедения Макса Планка (Max-Planck Institut fur Metallforschung, Штуттгарт, Германия).
Для успешного развития материаловедения, как показывает опыт, необходимы глубокие фундаментальные исследования в области физики, химии, механики, физической химии, биологии и других наук. Трудно переоценить влияние, которое оказали такие революционные результаты фундаментальных исследований в физике, как, например, открытие рентгеновских лучей, позволивших заглянуть внутрь атомной структуры вещества, раскрыть атомные механизмы, контролирующие его поведение в различных условиях, или открытие явления сверхпроводимости. Такие открытия становятся базой для развития последующих прикладных исследований.
К сожалению, одной из особенностей фундаментальных исследований есть их непредсказуемость результатов конкретных проектов и времени, которое потребуется для достижения положительных результатов.
Особенностью фундаментальных исследований, результаты которых обещают большой прогресс для материаловедения в ближайшем будущем, должен быть поиск неизвестных до сих пор физико-химических явлений и создание на этой основе новых многофункциональных, "разумных", био-, наноструктурных, сверхчистых и других материалов, столь необходимых для развития современной техники.
Если в прошлом основной задачей материаловедения было развитие теоретических представлений о механизмах процессов и их количественное описание, то сегодня необходимо аккумулировать и обобщить информацию о большом количестве электрических, магнитных, оптических, механических и термических явлений, описанных в терминах классических или квантовых представлений науки о конденсированных состояниях материи. Для материаловедения в ближайшие десятилетия будут характерными управление и контроль процессов на наноразмер-ном (10-9 м) и фемтосекундном (10-12 с) уровне.
Крайне необходимым для создания базовых технологий и для возможности управления механическими, термическими, химическими и другими свойствами многокомпонентных сплавов, керамики, композитов, материалов с наноразмер-ными компонентами является дальнейшее углубление наших представлений о строении материалов и природе процессов, которые в них происходят.
Приобретет еще большую актуальность изучение явлений, происходящих на поверхности и на межфазных границах, поскольку большинство процессов в материалах носят кооперативный характер и в значительной мере зависят как от размера самой системы, так и от наличия и состояния поверхности и межфазных границ.
Большой потенциал имеет создание и изучение малоразмерных систем, таких, например, как коллоидные, биомиметические (материалы, похожие по структуре на естественные биологические объекты) и биоматериалы (импланта-ты, биосенсоры и т. п.), которые найдут широкое применение как многофункциональные материалы. Значительный научный и технологический интерес для исследований имеет управление процессами, которые происходят в материалах при их обработке во временных интервалах порядка пикосекунды и менее. Так. сверхбыстрое переключение магнитных доменов в искусственных структурах планируется использовать в новых информационных технологиях.
Важным научным материаловедческим направлением является изучение поведения материалов в экстремальных условиях: при высоком давлении, высокой температуре, а также в больших электрических и магнитных полях.
Исследования в области синтеза и обработки материалов имеют целью усовершенствование или разработку новых методов изготовления материалов, существенное повышение их свойств, снижение стоимости их промышленного производства. Основными направлениями здесь прогнозируются:
сквозной по всему технологическому циклу контроль состава, структуры и свойств материала;
внедрение водорастворимых химических технологий для реализации недорогостоящих экологически чистых методов синтеза;
быстрое формование с использованием химических реакций для получения изделий из новых материалов;
конструирование материалов во всех размерных масштабах, от атомного до макроскопического;
компьютерное моделирование сложных явлений для изучения и управления процессами синтеза;
нанесение тонких пленок и покрытий для повышения свойств и увеличения жизненного цикла работы конструкций;
использование достояния химии сверхкритических жидкостей для изготовления новых материалов, в том числе и наноматериалов, таких как оксиды, нитриды и металлы с контролируемой формой и размером кристаллов в интервале от микро- до наноразмеров.
Базовые исследования будут проводиться в области выращивания кристаллов, осаждения из паровой фазы, спекания, фазовых превращений и реологии, будут разрабатываться оптимальные режимы и осуществляться сравнительные эксперименты разных методов синтеза.
При разработке методов синтеза и обработки материалов приоритетными являются:
их миниатюризация:
синтез и обработка биомиметиков;
создание комплексных структур из нано- и мезоблоков, в том числе и самоорганизующихся;
инженерия поверхности и границ как средство улучшения и оптимизации всех видов материалов;
дальнейшее распространение моделирования процессов синтеза и обработки, которое уже заменило традиционный метод "проб и ошибок";
автоматизация процессов синтеза и обработки, особенно наноматериалов, которые требуют высокой точности.
Прогресс в материаловедении тесно связан с достижениями передовых методов исследования атомного и электронного строения материалов на нано-уровне, а также с изучением, распознаванием и количественным анализом явлений и процессов в конденсированном состоянии.
В ближайшие десятилетия предполагается создание необходимых для таких исследований электронных микроскопов сверхангстремного и сверхэлек-тронвольтного разрешения; рентгеновских дифрактометров с пространственным разрешением 10 нм.
Для привлечения крупных инвестиций в материаловедение и мате-риалопроизводящую промышленность необходим комплекс мероприятий, направленных на то, чтобы помочь промышленности, общественности и политикам признать важность новых материалов для будущего технологического развития.
Тесный контакт университетских коллективов с промышленными коллективами является важным фактором успешного развития материаловедения в США. Этому успеху в значительной мере способствуют и превосходные лаборатории при таких крупных компаниях, как Du Pont, IBМ, AT&T, Coming, Exxon. Однако эта благотворная традиция, к сожалению, не развивалась в Европе. Более того, здесь не используются экономические стимулы для исследователей превращать свои научные результаты непосредственно в новую продукцию.
Еще недавно материаловедение было самостоятельной наукой, развивающейся по достаточно изолированным друг от друга направлениям, таким, например, как полупроводники, керамика, металлургия и др. Но ситуация непрерывно меняется, и сегодня оказьшается более плодотворным многодисциплинарный подход к исследованиям, когда в конечный результат вносят вклад ученые различных отраслей науки — физики, химики, биологи, а также инженеры разных специальностей.
Очень часто оригинальные плодотворные идеи возникают на стыках научных дисциплин. Например, интересные мысли нередки у молодых исследователей, у которых еще не установился образ мышления, ориентированный на определенную научную дисциплину, у опытных ученых, перешедших из одной научной дисциплины в другую либо при общении ученых разных научных профилей. Поэтому следует устранять административные барьеры, препятствующие перемещению ученых из одной научной дисциплины в другую или из одного учреждения в другое, из одной страны в другую.
При решении сложных материаловедческих задач большую роль должны играть центры материаловедения и технологии, в которых собраны научные коллективы из материаловедов, физикой, химиков, биологов, компьютерщиков и инженеров. Удачными примерами объединения усилий ученых различного профиля могут служить Международный исследовательский центр науки и технологии полимеров при университете в Ливерпуле и Международный исследовательский центр сверхпроводимости при университете в Кембридже.
Большие возможности для кооперирования ученых и специалистов различного профиля открывает Интернет. Целесообразно создать в этой системе специальный международный регистр ученых и инженеров, работающих в области материаловедения, для облегчения установления контактов и поиска экспертов и партнеров по любому направлению материаловедения. Для этого могут быть использованы и созданы новые сети (e-Networks), подобные той, которая была разработана Федерацией европейских материаловедческих обществ (Federation of European Materials Societies, FEMS).
Моделирование является эффективным средством междисциплинарного характера для: прогнозирования структуры и свойств новых материалов, в том числе нано- и биоматериалов; оптимизации решения проблем выбора материалов для конкретных применений; моделирования процессов синтеза, обработки и формирования структуры для получения необходимых свойств материалов; интегрирования многомерных подходов и концепций к материаловедческим проблемам на электронном, атомном, молекулярном и континуальном уровнях; исследования явлений, которые трудно поддаются экспериментальному изучению; решения проблем снижения стоимости и уменьшения времени разработки материалов и их внедрения в практику.
Для успешного развития этих работ потребуются суперкомпьютеры с большим объемом памяти, высоким быстродействием и с соответствующим программным обеспечением, размещенные в различных лабораториях, но объединенные в единую сеть. Уровень материаловедения сегодня позволяет "конструировать" структуру материала на атомном и молекулярном уровне для получения определенных свойств. Примером такого "конструирования" может быть создание фуллеренов, нанотрубок, различных биоматериалов. Области применения новых материалов весьма разнообразны (см. рис. 2).
Задания, стоящие перед исследователями всех классов матерналов, носят двойственный характер. С одной стороны, целесообразным является усовершенствование существующих материалов (таких, например, как стали) путем оптимизации микроструктуры и состава (например, с использованием микролегирования). С другой стороны, необходимо создание новых материалов, особенно для новых применений.
Кроме того, следует отметить, что промышленность чаще всего требует разработки материалов, отвечающих, как правило, только техническим требованиям, обусловленным их эксплуатацией, без достаточного внимания к вопросам экологии, экономики, безопасности и эффективности. В будущем при создании новых или усовершенствовании старых материалов должен осуществляться комплексный подход с учетом этих аспектов.
Дата добавления: 2020-02-05; просмотров: 430;