Специальности: физика, математика
Специализация в области моллекулярной физики и нанотехнологий
Требуемое образование (уровень образования, тип учебного заведения):
Высшее (научный сотрудник, инженер по специальности и специализации) – как у всех учёных физико-математического профиля, а также технические вузы по инженерным специальностям в области моллекулярной физики.
Далее аспирантура и докторантура.
Специфические способности, необходимые для успешного освоения профессии
[как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления]
Профилирующие предметы школьной программы:
[как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления]
Характер и содержание работы:
[как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления] с приборами, оборудованием и др. техникой, позволяющей экспериментировать и работать с объектами до 10-9 м.
Очевидные плюсы
Владение современными научными методами исследования и компьютерными инженерными технологиями, постоянное решение специальных творческих задач, высокий социальный престиж профессии, большая востребованность специалистов.
«Подводные камни», очевидные минусы
[как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления]
Возможные профессиональные заболевания: [как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления]
Вилка зарплаты (в рублях в среднем в месяц):
[как у физика, химика и другого ученого естественнонаучного направления]
Нанотехнологии – сегодня это становится модным. В Интернете уже полно анекдотов и пародий, в которых обыгрывается эта тема. Это – хорошо: раз общество начинает смеяться, значит, оно понимает, что нужно снизить пафосность ситуации, избежать романтики и просто разобраться в том, что предстоит всем нам. А ведь человечество не просто подошло к очередному научному и техническому рубежу, как это было с атомной энергией или с компьютерами, оно неудержимо мчится вперед.
С одной стороны – нанотехнологии – это те же самые физика, химия, биология, с другой стороны – на наноуровне, на уровне молекул и атомов, все материалы и вещества обладают свойствами и качествами, которые до сих пор не проявлялись на макроуровне. Ответов на вопрос, что такое нанотехнологии? – множество, вот два из числа самых коротких: нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне. Или – нанотехнология — совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность создания объектов и материалов из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм. К наноматериалам относятся наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна и наноплёнки.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как группировать молекулы определенным способом, заставить их самоорганизоваться, чтобы получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между ними. Уже сейчас существует метод синтеза, аналогичный действию молекулы ДНК.
Какие же новации сулят нанотехнологии человечеству? В прогнозах нет недостатка, вот только часть из них.
Основной проблемой в наноиндустрии на сегодняшний день является управляемый механосинтез, т.е. механическое составление молекул из атомов. Для этого необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и совершать с ними действия в радиусе до 100 нм. Как только будет получена система «нанокомпьютер – наноманипулятор» (прогноз экспертов – в 2010–2020 гг.), можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по снятой с реального объекта или разработанной трехмерной сетке расположения атомов (прогноз экспертов – 2020–2030 годы).
Современные комплексы фабрик, производящих продукцию с помощью «объемной» технологии окажутся ненужными, достаточно будет спроектировать в компьютеризированной системе любой продукт – и он будет собран и размножен таким сборочным комплексом. Это может привести к решению большинства глобальных проблем человечества: нехватки пищи, жилья и энергии. Будет решена и сырьевая проблема, так как для постройки большинства объектов будут использоваться самые распространенные вещества: углерод, водород, кремний, азот, кислород, сера и др., и самое главное, в гораздо меньшем количестве. Благодаря нанотехнологиям можно будет конструировать машины и механизмы, создание которых невозможно при помощи других технологий. Эти механизмы будут состоять, по сути дела, из одной очень сложной детали. Область материаловедения существенно изменится – появятся «умные» материалы, способные к мультимедиа-общению с пользователем. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида и других основ).
Станут возможными автоматическая сборка орбитальных систем, самособирающиеся колонии на Луне и Марсе, работа многозвенных роботов-амёб, строительство на дне мирового океана, на поверхности земли и в воздухе (прогноз экспертов – 2050 год).
С помощью нанотехнологий можно будет преобразовывать любые виды энергии и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Новые методы утилизации отходов и глобальный контроль за вторичными ресурсами позволят существенно увеличить сырьевые запасы человечества. Станут возможными глобальный экологический и погодный контроль.
Новое ускорение получат биотехнологии и компьютерная техника. С развитием наномедицинских роботов станет возможным значительное удлинение человеческой жизни. Также не будет проблем с перестройкой человеческого тела для качественного увеличения естественных способностей. Возможно также обеспечение организма энергией, независимо от употребления пищи. Нейроинтерфейсы обеспечат полноценное взаимодействие с компьютерами через нервную систему человека. Возникнет глобальная информационная сеть огромной производительности, в которой человек сам сможет быть терминалом с непосредственным доступом к головному мозгу и органам чувств.
Современные транзисторы достигли размеров 65 нанометров, благодаря нанотехнологиям будет достигнут предел в 11 нанометров. После этой «последней» границы, препятствующей дальнейшему уменьшению «традиционной» наноэлектроники, возможен шаг дальше: это квантовые компьютеры и спинтроника.
Средства отображения информации уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок. Через несколько лет с их помощью можно будет реализовать гибкие электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.
Серьезные перемены на основе нанотехнологий ожидаются и в военном деле. Военные уже увидели в нанотехнологиях возможности создать принципиально нового солдата. Военное ведомство США уже озвучило свои представления. Предполагается сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом — автономным, быстродействующим, выживаемым.
Боевой бронежилет толщиной всего несколько миллиметров, названный исследователями «динамическая броня», будет облегать его наподобие водолазного костюма. При этом в его тонком слое будут содержаться довольно сложные молекулярные компоненты, с помощью которых новая форма будет и бронежилетом, и универсальным медицинским диагностическим инструментом, и экзоскелетом толщиной всего в несколько миллиметров из нитей «полиуритана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче ее». Обмундирование 2010 года будет весить 20 килограмм. При этом броня сама будет носить солдата, она будет Ряд полимерных актюаторов, из которых будет состоять костюм, по сигналу от медицинского компьютера будут делать определенные его участки жестче или мягче. Если солдат сломает ногу, экзоскелет возьмет перелом в искусственные шины, сформированные тканью костюма.
Шлем солдата будет оснащен сенсорами, детектирующими вибрации костей черепа и челюстей. Эта система заменяет обычный микрофон, использовавшийся ранее. Весь обмен информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. Так у солдата появится ряд «операционных окон» – которые будут информировать солдата о приказах, о противнике, заменят бинокль и приборы ночного видения, а также будут отображать состояние организма. По «видимым» размерам экран будет сопоставим с 17″ монитором.
Датчиком безопасности станет чип в виде двух ультратонких пластин из кремния, разделенные рядом микроканалов. На поверхности одной из пластин помещаются живые клетки печени в ячейках микронных размеров. Через чип постоянно циркулирует вода, снабжая клетки питательными веществами. Как только к клеткам поступят вещества, вредные для человека, они выработают определенный химический ответ, который будет интерпретирован медицинским компьютером, и солдат получит сообщение об опасности. Искусственная печень может обнаружить вредные вещества в очень малых концентрациях, что поможет солдату заблаговременно узнать о химической или биологической угрозе.
Нанотехнологии обещают радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним технологий, так и человеческой жизни в целом. Как сказал один из ведущих специалистов в этой сфере, Ральф Меркль, «нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией».
В России сейчас идет серьёзная перестройка, направленная на создание научный и государственных структур, развивающих нанотехнологии. Появились первые научные журналы по вопросам развития нанотехнологий, созывываются международные научные конференции. Принят ряд общефедеральных программ, в их числе – Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы» утверждена Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 № 498. Цель программы: создание в Российской Федерации современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии. Объём финансирования в рамках программы – 27,7 млрд.руб. В настоящее время (2008 год) финансирование России на развитие нанотехнологий достигло уровня США. Образовано специальное отделение Российской Академии Наук по этой тематике, создана огромная государственная корпорация «Нанотехнологии»; на ее деятельность в 2007 году было выделено 130 млрд рублей. Уже принято решение, что первым инвестиционным проектом ГК «Роснанотех» станет производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов – штампованных линз и зеркал, профессиональной фото-, видео- и проекционной аппаратуры, специализированных устройств на асферической оптике (измерительные объективы, кинематографические и проекционные сегменты, системы сканирования, стационарные и спутниковые системы наблюдения, литографические системы) – и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции, авторами которых являются российские ученые. В ходе научно-технической экспертизы проект получил одобрение ведущих специалистов оптической промышленности. По их мнению, реализация проекта позволит преодолеть наметившуюся сейчас технологическую зависимость России от ведущих оптических держав мира.
Россия находится в начале этого пути. Поэтому сейчас еще нет специального пути в область нанотехнологий.
Чтобы заниматься нанотехнологиями, сегодня нужно начинать со стандартного пути математика, физика, химика или биолога. В школе это – углубленный интерес к предмету и активное участие во всех возможностях, которые предоставляет школа: индивидуальный интерес, работа в школьном кружке, участие в олимпиадах. Заранее необходимо определиться с учебным заведением и с перспективами занятия нанотехнологиями в его стенах. Это зависит от состава преподавателей и их научной деятельности, связи вуза с каким-либо научным институтом, фондом или научным журналом в области нанотехнологий. Именно в студенческие годы можно заложить основу своей будущей научной и технической деятельности.
Информацию о возможной связи вуза с работами по нанотехнологиям можно почерпнуть их Интернета, из правительственные документов по вопросам нанотехнологий – как правило, в них приводятся списки организаций, участвующих в реализации тех или иных проектов, из публикаций в научно-популярных и научных журналах. Оттуда же можно узнать и о людях, которые участвуют в научной работе по нанотехнологиям.
Если вуз выбран правильно, то уже со второго курса нужно найти возможность познакомиться с людьми, которые работают над нанотехнологическими проблемами, принять участие в научных семинарах и обсуждениях в соответствующих лабораториях. найти возможность практического участия в их работе – в качестве лаборанта или помощника, готовить рефераты по статьям и монографиям, участвовать в студенческих и научных конференциях.
Это – первый шаг в науку. Китайская поговорка гласит: «Дорога даже в десять тысяч ли начинается с первого шага». Первый шаг зависит только от нас, как и то, насколько далеко удастся пройти по своему пути.
Судя по прогнозам, перспективы направления долгосрочные и интересные. Нанотехнологии – это не только анекдоты, уже сейчас это – серьезные моральные и этические проблемы, сложные вопросы понимания себя и людей на пути объединения человека и машины, угроза создания новых орудий уничтожения человека, от которых – внезапных, тайных, незаметных, микроскопических – может уже не найтись никаких путей спасения.