книги / Наука о материалах и высокие технологии современные проблемы, прогноз развития в Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

В.Н. Анциферов

НАУКА О МАТЕРИАЛАХ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ: СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2009

Как только предок первобытного человека спустился с дерева и взял в руки палку или камень, одной из первых его мыслей стала мысль о функциональных возможностях орудия, появившегося в его руке. А функциональные возможности орудия определяются, прежде всего, свойствами материала, из которого оно сделано. Поэтому дальнейшее развитие человека стало невозможным без создания новых материалов, обладающих рядом специальных свойств, которые нужны человеку.

Сегодня конкуренция в создании и освоении новых материалов существует на международном уровне. Современные технологии приводят к расширению соответствующих отраслей промышленности, что, в свою очередь, создает потребность в новых материалах.

О значимости материалов и высоких технологий в современном мире свидетельствует то, что в США Национальный совет по новым материалам и технологиям возглавляет президент, в России совет по новым материалам, технологиям и образованию также возглавляет президент.

Основными областями применения новейших материалов в последнее время являются: энергосберегающие процессы, охрана окружающей среды, новые методы передачи информации, ядерная энергетика, космические аппараты, биотехнологии и т.д.

Все материалы можно разделить на две группы:

1)связанные с использованием специальных свойств и сфер применения – превращение и передача энергии или информации, ферромагнетики, фоторезисторы, материалы с высоким электрооптическим коэффициентом, сенсорные материалы, высокотемпературные материалы и т.д.;

2)конструкционные материалы и материалы потребительских товаров.

Материалы первой группы производятся в относительно малых количествах, цена их на единицу веса высока, области применения достаточно узкие. Материалы второй группы – материалы широкого рынка, производятся в больших количествах, относительно дешевы. Успешное применение новых материалов обеспечивается лишь бла-

3

годаря тесной связи производителя и потребителя, то есть согласованию фактических свойств, эксплуатационных условий и цены.

Развитие новых технологий, в том числе нанотехнологий и наноматериалов, определяет сегодня будущее стран, также как и наличие природных ресурсов (рис. 1) [1].

Рис. 1. Размеры объектов, создаваемых «сверху вниз» (top-down) и «снизу вверх» (bottom-up). Область перекрывания методик соответствует типичным размерам синтеза и функционирования наноструктур

Рассмотрим роль в обществе технологических процессов и материаловедения, для чего сделаем отступление в область общественную, но с позиции естественника.

Согласно закону сохранения энергии общество, получая энергию Е, расходует ее на прямое жизнеобеспечение (производство продуктов питания, воды, света, на транспорт, услуги и т.п.) и на непрямое, например, на военные расходы и другие непрямые нужды. Но каков общий коэффициент полезного использования энергии в обществе? Чтобы это узнать, надо построить зависимость ВНП = = f(E), где ВНП – валовой национальный продукт – величина сложная, вычислить которую без больших ошибок невозможно. С неко-

4

торыми допущениями вместо этой зависимости можно построить следующую:

D = f(E),

где D − среднегодовой энергетический доход на душу населения

(рис. 2) [2].

Рис. 2. Зависимость среднего энергетического дохода, приходящегося на человека в год (единицы условные)

Любопытно, что эта зависимость имеет общий универсальный характер.

На рис. 2 приведены данные для бывших СССР и НРБ на 1980 г., а также для других стран. Разумеется, эта зависимость меняется от года к году, но основная закономерность при этом сохраняется

(рис. 3) [2].

Конечно, во всех странах величина D прямо связана с ВНП. Поэтому существуют отклонения от кривой, изображенной на рис. 2, либо из-за сознательного занижения D (перекачка большей доли ВНП в непрямые расходы энергии – на военные нужды, расширение производства, резервирование производства и т.п.), либо, как в России, из-за теневой экономики.

Из кривой на рис. 2 видно, что для повышения уровня жизни общества есть два пути:

5

1.Всемерное увеличение производимой (или покупаемой) энергии (смещение вправо по оси E), разработка энергосберегающих технологий.

2.Большая отдача обществу за счет сокращения некоторых прямых расходов (в основном военных) либо за счет увеличения КПД используемых технологий (энергетический кризис, цены на нефть) (рис. 2, 3).

Теоретически потребление энергии – термодинамический процесс, в котором энергия природного источника преобразуется в полезную форму, а затем рассеивается в виде низкотемпературного тепла. Коэффициент полезного действия любого термодинамического процесса не может превысить теоретический предел, определяемый вторым законом термодинамики.

Рис. 3. Прогноз энергопотребления и душевого потребления энергии

В частности, максимальная доля энергии, которую можно превратить в работу, зависит исключительно от двух температур – на выходе Т2 и входе Т1 энергетического преобразовательного устройства:

КПД = 1 – Т2 /Т1.

6

Отсюда следует необходимость всемерного повышения Т1. Величина Т1 определяется рабочей температурой материала.

Таким образом, в данном примере усилия, затрачиваемые на материаловедческие работы, должны быть направлены на создание материалов, способных работать при высоких температурах.

Из рис. 4 [2] видно, что еще далеко не исчерпан и тривиальный подход к увеличению дохода в обществе – рост потребляемой энергии. Однако путь беспощадной эксплуатации внутриземных источников энергии неэкологичен. Безусловно, перспективны поиск и разработка новых источников энергии. К ним в первую очередь относятся ядерная энергия и преобразование солнечной энергии с помощью полупроводниковых преобразователей, термоядерная энергия.

Рис. 4. Динамика производства энергоресурсов в России: 1 – инновационный сценарий развития энергетики;

2 – экологический сценарий

7

Использование ядерной энергии сдерживается не столько соображениями недостаточной надежности ядерных реакторов, сколько проблемой захоронения радиоактивных отходов. Она, в свою очередь, требует абсолютно надежных материалов, устойчивых к радиации и к любым разрушающим воздействиям, да еще и чрезвычайно долговечных при разных условиях, включая маловероятные, экстремальные.

Перспективно прямое преобразование солнечной энергии с помощью полупроводниковых устройств. Однако сегодня полупроводниковые материалы для солнечных преобразователей обладают низким КПД, составляющим 11–16 % для Si и 22–28 % для GaAs.

Полупроводниковые материалы дороги. Они требуют глубокой очистки от химических примесей, производства монокристаллов с совершенной кристаллической структурой.

Понимание электронной структуры полупроводников и ее связи с реальной структурой и свойствами вещества привели к созданию солнечных батарей на аморфном кремнии, что сразу снизило в 100 раз стоимость производства электроэнергии с помощью полупроводниковых преобразователей.

Полупроводники, по-видимому, не единственные материалы

и других материалов должны найтись проводящие и фоточувствительные.

Из сказанного следует, что и повышение КПД, и освоение новых источников энергии определяется усовершенствованием известных и созданием новых материалов, например, сверхпроводящих при различных температурах. Таким образом, разработка новых материалов объективно необходима для нормального развития общества.

Однако кроме технологической стороны развития человечества, которой уделено слишком много внимания (рис. 5) [3], существуют социально-эколого-экономические проблемы, во многом определяющие будущее человека.

8

отдаленном будущем человечество неминуемо изменит ход развития. Но как, в каком направлении – вот основной вопрос.

Теория развития сложных систем разработана в последние десятилетия. Многовариантность, непредсказуемость характерны не только для неживой природы, но и для человеческого общества. В период, когда сложная система не может существовать по старым законам, она переходит в состояние нестабильности, хаоса. «Хаос порождает порядок, новый порядок» – сказал И. Пригожин, нобелевский лауреат, автор теории нестабильности. На будущий сценарий развития могут повлиять и экономические кризисы, и действия отдельных людей, и научные открытия, и различные катастрофы. Среди версий нашего будущего – стабилизация численности населения и продолжение роста с широким выходом в космос. С каким числом людей может справиться планета, зависит от уровня потребления. По мере развития наших знаний и успехов технологии количество людей, комфортная жизнь которых не истощает природу, может составить несколько миллиардов. Не исключена и другая, худшая версия − всемирный конфликт применения оружия массового поражения (ОМП). И здесь могут быть разные варианты: или часть людей сохранится и цивилизация возродится, или генофонд человека будет безнадежно испорчен (рис. 6).

Рис. 6. Рост населения и некоторые возможные варианты будущего

10