Нанотехнологии и перспективы их использования в станкостроении

Человечество уверенно вступило в XXI век, который, как мы часто слышим, будет проходить под знаком генетики, биотехнологий и информационных технологий. Мы также слышим, что ученые свои порой «сумасшедшие» идеи, прения подают под вывеской нанотехнологий.

С использованием нанотехнологий человек подошел к таким рубежам познания материи, которые позволят ему в ближайшее время изменять свойства материи в соответствии с нуждами потребителя. Речь идет о вмешательстве в строение материи на молекулярном и атомарном уровнях. Возможности нанотехнологии такие огромные, что они вдохновляют инженеров и ученых на подвиги, сближают людей в достижении реальной власти над природой и инженерная деятельность наполняется новым содержанием.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Нанотехнология пересекается с различными научными и инженерными дисциплинами, единое ее определение дать трудно, и под ней понимают близкие, но все же отличающиеся области. Вот лишь некоторые определения:

– миниатюризация технологии: проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин, запрограммированных на выполнение определенных задач;

– искусство манипулирования материалами в атомном и молекулярном масштабах, особенно для создания микроскопических устройств (роботов);

– способность производить объекты и структуры буквально атом за атомом, подобно процессам в клетках живых организмов.

Можно сказать, что когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

разработка и изготовление наномашин;

манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Основные положения нового направления НТР были намечены в хрестоматийной речи отца нанотехнологий Ричарда Феймана There’s Plenty of Room at the Bottom («Там внизу – море места») [14], произнесенной им в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) еще в 1959 году. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (подразумевается возможность опознать отдельный атом, взять его и поставить на другое место). Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM инженерами был разработан сканирующий туннельный микроскоп – прибор, чувствительный к изменениям туннельного тока между поверхностью материала и сверхтонкой иглой.

В 1981 г. в США была опубликована статья К. Э. Дрекслера, содержащая основы новой науки, в 1986 г. – его книга «Средства созидания. Грядущая эра нанотехнологии»[15], ставшая первым пособием по этому направлению.

К. Э. Дрекслер ввел новые понятия, которые стали широко использоваться. В его понимании молекулярная технология – создание функциональных структур и устройств путем их сборки атом за атомом или молекула за молекулой с помощью программированных роботов (ассемблеры), способных к самовоспроизведению (репликация).

Экспертной группой по тематическому направления "Лазерные, электронно - и ионно-лучевые технологии, гибридно-лучевые процессы. Нанотехнологии, функциональные материалы" руководитель направления - академик НАН Украины Скороход В.В. – директор Института проблем материаловедения НАН Украины, подготовлены прогнозные материалы оптимистичного и пессимистического вариантов развития в Украине материаловедения функциональных материалов на долгосрочный (15-20 лет) и краткосрочный (3-5 лет) периоды[16]. Представлены основные тематические направления научно-технологических исследований и конкретные технологии, которые будут содействовать инновационному развитию украинской экономики.

Экспертами по данному тематическому направлению подтверждено, что одним из главных факторов роста экономики в Украине должен стать научно-технологический прогресс и воплощение его результатов в инновационном развитии промышленности.

Они отмечают, что уже сегодня ученые Украины по ряду направлений фундаментальных исследований занимают ведущее место в мире. Среди таких направлений названо материаловедение.

Материаловедение является наиболее мощным направлением современной науки в Украине и весомой долей национального богатства, которая в ближайшую перспективу должна неуклонно расти. Гарантом этого выступает сконцентрированный во многих научных академических и отраслевых институтах и университетах интеллектуальный потенциал украинских ученых, который широко признается во всем мире.

Анализ результатов трех циклов опроса экспертов и обсуждения результатов опроса на заседании «круглого стола» подтверждают, что украинские ученые по ряду отраслей материаловедения имеют работы мирового уровня или могут выйти на него в ближайшее время.

В таких разработках, как сцинтилляционные, сегнетоелектрические, сенсорные, сверхтвердые, радиопоглощающие материалы, электронно-лучевые технологии, процессы выращивания монокристаллов и синтеза нанопорошков, украинские ученые занимают ведущее место в мире.

На мировом уровне украинские материаловеды работают над решением таких проблем как развитие технологии лазерной обработки материалов, технологии искусственных имплантатов и функциональной керамики.

Хотя в ближайшие 25-30 лет прогнозируется увеличение части неметаллических материалов, объем металлов среди всего массива конструкционных материалов сохранится на уровне 70-75%. На сегодня в странах СНГ из металлов (сталь, сплавы алюминия, титана) изготовляется 96-98% конструкций; в США, Японии, странах ЕС этот показатель составляет 85-90%. Аналитические исследования подтверждают прямую зависимость между увеличением потребления стали и общим экономическим уровнем стран, которые имеют высокие темпы роста валового внутреннего продукта. Прогресс в этом направлении заключается в расширении применения высокопрочных мало легированных, а также легированных и высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов, сплавов на основе титана и других конструкционных материалов. Доминирующие позиции при изготовлении металлических конструкций занимают технологии сварки.

Значительные перспективы имеет развитие технологий создания композитов, кер-метив и керамических материалов, что позволяет значительно уменьшить материалоемнисть конечных изделий, расширить температурный диапазон эксплуатации, открыть дорогу для широкого использования изделий из новейшей керамики за счет существенного повышения ее надежности. Важным направлением является развитие новых технологий получении материалов инструментального назначения.

Современные технологии изготовления композиционных и порошковых материалов позволяют получить новое поколение материалов фрикционного и антифрикционного назначения, обеспечить высокую удельную жесткость, демпфирующую способность и другие специальные свойства.

Современная промышленность требует от конструкционных, композитных и функциональных материалов и их соединений точного соблюдения форм и размеров, заданного уровня експлуатацийних свойств, а также специальных свойств поверхностей материалов.

Необходимость выделения данного приоритетного направления развития науки и техники диктуется наличием в Украине уникального, по крайней мере для Европы, научно-технического потенциала материаловедения и богатых природных ресурсов, необходимых для практической реализации его возможностей.

Исходя из этого, в среднесрочной перспективе предлагается признать приоритетными исследования в таких отраслях материаловедения:

· металлические конструкционные материалы, технологии их получения, соединения и обработки;

· нанотехнологии и новые материалы, созданные на их основе;

· функциональные материалы и методы их получения, технологии изготовления ударо- и износостойких композитов, сверхтвердых материалов;

· физико-химическая механика разрушения и прочности материалов и их неразъемных соединений;

· физические основы и технологии диагностирования свойств материалов;

· мониторинг технического состояния и определения остаточного ресурса
конструкций;

· новые высокоэффективные технологии обработки материалов и нанесения покрытий с особыми свойствами;

*Прогноз* Материалы функционального назначения в значительной мере определяют темпы развития материалоемких отраслей промышленности, к которым относят и станкостроение. Учитывая изложенные выше достижения украинской науки в этой сфере, следует предполагать быстрое развитие станкостроения и его высокую конкурентоспособность. Это касается не только проблемы обеспечения конструкционной прочности станков, но, в первую очередь, проблему обеспечения станков современными системами энергообеспечения и управления, т.е. материалами и оборудованием в сфере информационных технологий.

*Прогноз* Следует признать, что использование нанотехнологий в станкостроении дело далекой перспективы, но уже в ближайшем будущем можно ожидать успешное внедрение этого направления в стратегию миниатюризации и адресного управления в станкостроении

Уровень развития нанотехнологии в той или иной стране становится все более четким индикатором перспектив конкурентоспособности страны в об­ласти "хай-тек". В развитых странах с нанотехнологиями связывают новую индустриальную революцию и интенсивный рост ВВП.

Глобальный цикл развития бизнеса в области технологий материалов со­ставляет 50-60 лет. Технические инновации, привнесенные новыми материа­лами, влияют на экономическое развитие и промышленную революцию. Так, предыдущий период ознаменовался созданием материалов для ядерной энер­гетики и вооружений, космических и авиационных технологий, для электро­ники и компьютеров, металлургии, нефте- и газодобычи и другие. В ближай­шем будущем инновации в области материалов и технологий принадлежат наноматериалам и нанотехнологиям, и, как ожидается, они не только решат проблемы защиты окружающей среды, здоровья и продления жизни, но также послужат и движущей силой безопасного экономического развития.

Отношение к нанотехнологиям в странах мира сильно разнится. США, Китай, Япония и Германия стремятся к мировому лидерству в данной сфере, расходуя около 8 млрд. долларов в год (в 2005 г.) на исследования и создание новых технологий и рабочих мест.

Еще 2 млрд. расходуют страны остального мира. В США и Японии к государ­ственным ассигнованиям добавляются расходы из местных бюджетов и вкла­ды компаний, что увеличивает сумму в 2-2,5 раза. В США общая сумма фи­нансирования научных разработок по нанотехнологиям близка к 3 млрд. долларов (в 2005 г.) Европейский Союз тратит около 1,1 млрд. евро. Выгода от реализации этих инвестиций ожидается весьма внушительная. По американским прогнозам к 2015 году валовой продукт нанотехнологий соста­вит 1 трлн. долларов США, причем большая доля его будет приходиться на долю самих США. Ближайшими конкурентами США в последующие 10 лет будут Германия и Япония, поскольку фундаментальные разработки в этих странах быстро переходят в стадию коммерциализации, в том числе благодаря развитой индустрии нанотехнологического оборудования и хорошо налажен­ной системе подготовки специалистов с нанотехнологическим образованием.

Подготовка кадров средней, высокой и высшей квалификации имеет наи­больший приоритет среди всех задач нанотехнологий на этом этапе. Так, среди достижений Нанотехнологической инициативы (НТИ) США за пять лет наи­важнейшим названо создание системы образования и подготовки экспертов по нанотехнологиям.

Система подготовки предусматривает не только выпуск квалифицирован­ных ученых — разработчиков, но и экспертов, способных оценить опасность новых технологий и их продуктов для общества и окружающей среды.

В Украине, в частности в Национальной академии наук в 2003 году старто­вала ведомственная программа "Наносистемы, наноматериалы и нанотехнологии"

Общее финансирование достигло более 8,5 млн. гривен (~1,45 млн. Euro) в 2005 г., то есть, менее 1% от бюджета НАН Украины. Примерно равную до­бавку дает финансирование международных грантов в области нанотехноло­гий, которая составляет около 1,5 млн. Euro / год. Этих средств едва ли доста­точно для создания сколько-нибудь конкурентного продукта, учитывая трудности концентрации средств внутри Программы.