Тенденции развития современных направлений науки

Оглавление

Введение

1. Нанотехнологии

1.1 История и понятия нанотехнологий

1.2 Нанотехнологии в СМИ

2. Биофизика

2.1 Понятие и история

2.2 Области применения

3. Космическая биология

4. Астробиология

5. Геофизика

5.1 Понятие

5.2 Геофизическая разведка

Выводы

Введение

ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ были приняты президентом 20 марта 2002 года (на совместном заседании Совета безопасности, президиума Госсовета и Совета при президенте по науке и высоким технологиям) одновременно с Основами госполитики в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Цель выделения приоритетных направлений развития науки, технологий и техники - консолидировать финансовые, материальные и интеллектуальные ресурсы на стратегически значимых точках роста.

Принятый документ изначально включал 9 приоритетных направлений и перечень из 52 критических технологий. В течение 2004 г. по поручению правительства и Минобрнауки на основании комплексных научных исследований с привлечением ведущих ученых, экспертов и представителей бизнеса и при согласовании на межведомственном уровне перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники был сокращен до 7.

Основными критериями отбора были выбраны обеспечение национальной безопасности, снижение риска техногенных катастроф, ожидаемый вклад в ускорение роста ВВП и повышение конкурентоспособности экономики. Учитывались также имеющиеся условия для практической реализации технологий.

Новый вариант включает следующие приоритетные направления развития науки, технологий и техники:

1) Информационно-телекоммуникационные системы;

2) Индустрия наносистем и материалов;

3) Живые системы;

4) Рациональное природопользование;

5) Энергетика и энергосбережение;

6) Безопасность и противодействие терроризму;

7) Перспективные вооружения, военная и специальная техника.

Перечень критических технологий сократился до 33, охватывающих следующие перспективные области:

Перечень критических технологий Российской Федерации

· Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии

· Биоинформационные технологии

· Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии

· Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных

· Геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств

· Клеточные технологии

· Нанотехнологии и наноматериалы

· Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом

· Технологии биоинженерии

· Технологии водородной энергетики

· Технологии механотроники создания микросистемной техники

· Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы

· Технологии новых и возобновляемых источников энергии

· Технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений

· Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации

· Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы

· Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов

· Технологии производства программного обеспечения

· Технологии производства топлив и энергии из органического сырья

· Технологии распределенных вычислений и систем

· Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф

· Технологии создания биосовместимых материалов

· Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления

· Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов

· Технологии создания и обработки кристаллических материалов

· Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров

· Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем

· Технологии создания мембран и каталитических систем

· Технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники

· Технологии создания электронной компонентной базы

· Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии

· Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем

· Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания

· Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых

Только рынок наноиндустрии к 2015 г., по оценкам экспертов, достигнет $1 трлн. Аналогичная судьба ждет и остальные сегменты в рамках выбранных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. И у России есть реальная возможность получить на этих рынках значительную долю.

Уже сейчас под эгидой Минобрнауки идет работа по объединению усилий государства, ученых и предпринимателей по реализации приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. Сегодня из девяти важнейших инновационных проектов государственного значения, реализуемых Роснаукой, три связаны с освоением нанотехнологий. Причем бюджетные средства составляют 2,76 млрд. руб., а частные инвестиции уже превысили 3 млрд. руб. Эти проекты - конкретный пример успешного частногосударственного партнерства и хороший старт системы коммерциализации технологий.

На основании указанных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники сформирована новая структура Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 - 2006 годы, в соответствии с которой ведущие научные учреждения борются за государственное финансирование на конкурсной основе.

1. Нанотехнологии

1.1 История и понятия нанотехнологий

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана "Там внизу много места" (англ. "Theres Plenty of Room at the Bottom"), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-ваальсовые силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап-- полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макро вещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле-- таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы.

В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:

· знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

· использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

Согласно "Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года" (2004г.) нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм-- это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология-- новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.

Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология-- следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

График увеличения инвестиций в микроэлектронику и нанотехнологии в России.

1.2 Нанотехнологии в СМИ

Между гендиректором "Роснано" Анатолием Чубайсом и президентом ОАО РЖД Владимиром Якуниным было подписано соглашение о нанотехнологических инновациях на железнодорожном транспорте.

"Соглашение формирует отраслевой механизм внедрения и продвижения инновационной, в том числе нанотехнологической, продукции. Выполнение его положений позволит удовлетворить возросшие требования к качеству транспортных услуг, увеличить объемы перевозок, вес поездов и участковые скорости", -- отмечается в документе.

В соответствии с соглашением "Роснано" и РЖД определят наиболее перспективные области применения новой продукции, регионы и подразделения для внедрения комплексных проектов, а также создадут систему мониторинга эффективности нанотехнологий.

Физики из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) синтезировали наноматериал, который способен стать основой для электронных устройств будущего,-- соты из атомов углерода.

Сообщение о синтезе новой наноструктуры появилось в журнале Nature и сообщении университета. Важность открытия обусловлена тем, что углеродные наноструктуры проявляют свойства полупроводников и способны в перспективе заменить используемый сейчас в микроэлектронике кремний. Впрочем, электронные схемы на основе углеродных наносот и листов графена можно называть уже нано-, а не микроэлектронными.

Необходимо отметить, что приставка "нано" здесь действительно играет ключевую роль в физическом, а не только в рекламном смысле. Если взять частицу углерода в виде графита или алмаза (две известные по школьной программе формы этого элемента), то ее свойства будут кардинально отличаться от свойств тонкой пленки углерода толщиной всего в один атом. Листы из атомов углерода, называемые графеном, становятся полупроводниками, причем по ряду параметров в ряде случаев превосходящими обычный кремний. Если бы на их основе удалось наладить массовое производство микросхем, то такие чипы тоже работали бы быстрее обычных.

В предыдущем абзаце необходимо подчеркнуть два оборота: "в ряде случаев" и "если бы". Как пишут ученые в аннотации к своей статье, хорошие электрические характеристики появляются даже не просто у листа графена, а у упорядоченных "сот" из полосок углеродной одноатомной пленки. Которые вплоть до недавнего момента получить не удавалось.

Графеновые наносоты, полученные исследователями из США. Белая полоска - 500 нм, 0,5 мкм или 1/2000 миллиметра

Использованный физиками метод заключался не в том, что под микроскопом исследователи переносили наноструктуры в нужном направлении. Такой подход, кстати, не столь уж невозможен в принципе: в лабораториях IBM сотрудники вручную сложили название фирмы из атомов золота еще в начале 1990-х годов. Но для промышленного использования подобные методы, естественно, неприменимы. Упорядоченные поверхности, называемые также наноматериалами, растут сами, подобно кристаллам льда на стекле. В задачу ученых входит подобрать параметры химической реакции, приводящей к формированию нужной структуры.

Углеродные нанотрубки, длинные цилиндры из атомов углерода (толщина стенки -- один атом), тоже собираются за счет химических реакций. Причем в 2009 г. китайским исследователям удалось вырастить нанотрубки длиной 18 сантиметров. Это уже далеко не микроскопический масштаб.

Это непростое задание, так как предсказать поведение осаждаемых на поверхность молекул сложно. А решать задачу путем простого перебора всех возможных условий (состав смесей, температура и давление, используемые катализаторы) невозможно из-за большого числа вариантов. Исследователи, получившие в итоге наносоты, использовали метод, разработанный еще в 1990-х годах -- блоковую сополимерную литографию.

Эти точки -- отдельные атомы ксенона, перемещенные при помощи специального зонда под микроскопом. Апрель 1990 г., начало эры нанотехнологий

Блок-сополимеры -- это, как следует из названия, разновидность полимеров, то есть длинных цепочек молекул из одинаковых звеньев. Точнее, почти одинаковых, так как в отличие от, к примеру, полиэтилена, блок-сополимеры образованы сращиванием двух разных цепочек из звеньев разной структуры.

Если обычный полимер выглядит как цепочка вида "А-А-...-А-А", то блок-сополимер устроен как "А-А-...-А-Б-...-Б-Б".

Так как цепочки неоднородны, то они могут, например, слипаться определенными участками и формировать упорядоченную структуру. Варьируя состав цепочек блок-сополимеров и меняя условия эксперимента, можно добиться того, что из них соберется интересующая ученых структура. Правда, пока что не те самые графеновые наносоты. Для получения наносот полимер потребуется еще и испарить.

На получении графеновых наносот исследователи не остановились. Из этого материала были изготовлены экспериментальные полупроводниковые устройства, непригодные пока что для промышленного производства, но позволившие убедиться в том, что наносоты все-таки ведут себя именно так, как и ожидали ученые.

Число деталей

Процессор ноутбука, на котором была написана эта статья, имеет 47 млн транзисторов, которые потребовалось соединить определенным образом друг с другом внутри кристалла площадью 26 квадратных миллиметров.

Указанные числа -- далеко не предел. Внутри высокопроизводительного настольного компьютера суммарное число транзисторов в процессоре и видеокарте может перевалить и за миллиард. Поэтому говорить о том, что графеновые транзисторы в ближайшие годы заменят кремниевые, все-таки не приходится. Исследователям во всем мире предстоит еще разработать технологии, позволяющие получать не просто отдельные транзисторы, а сложные схемы, и не в единичных экземплярах, а в условиях поточного производства. Впрочем, если вспомнить что первый транзистор как таковой появился лишь во второй половине XX века -- это не кажется столь уж нереальным.

2. Биофизика

2.1 Понятие и история

Биофимзика (от др. греч. ?i?s -- жизнь, др. греч. ????? -- природа):

· раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;

· это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества.

"Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям"^[1].

По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406^[2].

Биофизика -- наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских.

В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.

Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.

2.2 Области применения

Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.

В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.

Также разрабатываются специальные методики с использованием эффектов при восприятии некоторых воздействий на биологическую форму материи.

3. Космическая биология

Космическая биология (космобиология, астробиология)-- наука, изучающая возможности жизни и существования живых организмов в космосе. Рассматривает отсутствие влияния на организм силы тяжести, возможность существования организмов в вакууме ит.п.

Ксенобиология-- частный вид космической биологии, занимается изучением возможности разумной жизни в космосе; название происходит от греческого "ксенос"-- чужой, чужеродный. Ксенобиология (от др. греч. ?????-- чужой и -?????-- наука) -- наука о формах жизни внеземного происхождения. Часто используется в качестве синонима астробиологии. Однако, в отличие от астробиологии, которая занимается поисками жизни на основе классических органических соединений, Ксенобиология ищет более необычные формы жизни. Она включает в себя жизнь на неземлеподобных планетах, и на других небесных телах.

Концепт был широко принят в восьмидесятых годах (Например, гипотеза о существовании богатой биосферы в верхних частях атмосферы Юпитера). Тем не менее, с 1990 года главной целью NASA стали поиски воды и только той жизни, которая базируется на ней. Главная причина для такой перемены, это неизвестность, что нужно искать и где. Формы жизни, предсказываемые ксенобиологами, трудны для обнаружения вследствие отсутствия известных маркеров жизни (озон, метан, вода). Также довольно сложной задачей является организация экспедиций для поиска такой жизни. Примером такой жизни могут служить организмы, которые не используют ДНК или РНК в качестве генетического кода. Биология таких организмов сильно отличается.

4. Астробиология

АСТРОБИОЛОГИЯ - научная дисциплина, посвященная поиску жизни за пределом Земли и изучению возможности ее существования в условиях отличных от земных. Термин "астробиология" широко распространен, но не общепринят: наряду с ним нередко используется термин "экзобиология", предложенный в 1960 нобелевским лауреатом, генетиком Джошуа Ледербергом. В русскоязычной литературе под "экзобиологией" обычно понимают экспериментальный поиск жизни в пределах Солнечной системы. Изредка в научной литературе употребляется также термин "биоастрономия" как синоним поиска внеземной жизни. Однако именно понятие "астробиология" охватывает наиболее широкий спектр направлений исследований в этой области: изучение жизни в экстремальных условиях на Земле, поведение биологических объектов в условиях космического полета (космическая биология), особенности функционирования человеческого организма в космосе (космическая медицина), исследование условий на объектах Солнечной системы и поиск возможных проявлений жизни на них, поиск планетных систем у иных звезд, проблема происхождения жизни на Земле, поиск внеземного разума (SETI) и т.п.

5. Геофизика

5.1 Понятие

Геофизика-- комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

5.2 Геофизическая разведка

Исследование земных недр физическими методами. Геофизическая разведка проводится прежде всего при поисках нефти и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Она отличается от геологической разведки тем, что вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации инструментальных измерений, а не путём непосредственных наблюдений. Геофизические методы основаны на изучении физических свойств пород. Они используются либо для выявления месторождений полезных ископаемых (например, магнитные свойства исследуют для поиска железных руд), либо для картографирования таких геологических структур, как соляные купола и антиклинали (где аккумулируется нефть), а также для картографирования рельефа дна океана, структуры океанической и континентальной земной коры, определения генезиса и мощности рыхлых отложений и коренных пород, толщины ледниковых покровов и плавающих в океанах льдов, при археологических исследованиях ит.п. Геофизические методы делятся на две категории. К первой относятся методы измерения естественных земных полей-- гравитационного, магнитного и электрического, ко второй-- искусственно создаваемых полей. Геофизические методы дают наилучшие результаты, когда физические свойства исследуемых и картографируемых пород существенно отличаются от свойств граничащих с ними пород. Геофизические исследования всех типов включают сбор первичного материала в полевых условиях, обработку и геологическую интерпретацию полученных данных. На всех этапах применяются компьютеры. Зарождение геофизических методов разведки связано с началом использования магнитных компасов для поиска железных руд и электрических измерений для выявления сульфидных руд. Применение геофизических методов расширилось в 1920-х годах, когда гравиметрические и сейсмические исследования доказали свою эффективность в обнаружении соляных куполов и связанных с ними нефтяных залежей на побережье Мексиканского залива в США и Мексике.

Выводы

Итак, основные направления современной науки можно представить с помощью следующей таблицы:

Или с помощью схемы:

В современном мире все больший вес набирают именно инновационные науки, в частности нанотехнологии. Во всем мире предпочтение отдается именно им. На их развитие тратятся миллиарды долларов.

Россия, в силу застойности развития науки в последние несколько лет, отстает от Европы и США в этом направлении, однако уже сейчас российская наука может представить миру свои последние достижения в этих отраслях, причем некоторые новинки вызывают серьезный научный интерес Запада.

В последнее десятилетие в российскую науку вновь стали поступать инвестиции, многие молодые люди сейчас выбирают карьеру ученого, потому как отечественной науке необходим приток новых кадров. А инвестирование в науку стало приоритетной статьей в графе расходов бюджета РФ.

Поэтому уже сейчас можно предположить, что российская наука будет развиваться быстрыми темпами и вскоре мы сможем догнать Запад в этом отношении.

Список литературы

1. ФЗ "о приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации"от 21 мая 2006 г.

2. К. Жоаким, Л. Плевер. Нанонауки. Невидимая революция.-- М.: КоЛибри, 2009.

3. Малинецкий Г. Г. Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше// Интеграл. 2007, №5, с.4-5.

4. Рубин А.Б. Биофизика (учебник) в 2х томах.-- М., 1999.

5. www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/ASTROBIOLOGIYA.html

6. www.rusnano.com