Станом на сьогодні у нас: 141826 рефератів та курсових робіт
Правила Тор 100 Придбати абонемент Технічна підтримка
Скористайтеся пошуком, наприклад Реферат        Грубий пошук Точний пошук
Вхід в абонемент








Реферат на тему:

Новітні технології і проблеми гуманізації технічної освіти

 

Розвиток сучасної науки і на її базі новітніх технологій, які докорінно змінюють життя людей викликає важливу проблему надання освіті гуманістичного напрямку. Тепер замало бути гарним інженером, який має добрі знання із своєї спеціальності, а потрібно бути розвиненою особистістю готовою до виробничої суспільної і культурної діяльності передбачити негативні наслідки новітніх технологій і усувати їх. Це викликає радикальні зміни у вищій технічній освіті.

У ХХІ столітті в життя людей входять такі новітні науки і технології, як нанонаука і нанотехнологія. Ці терміни об’єднують різноманітні поняття і підходи, а також різні методи впливу на матерію. Назва нової науки виникла просто в результаті додання до загального поняття «технології» приставки «нано», яка означає зміну масштабу у 10-9 раз.

Область нанонауки виникла на перетині традиційної науки і техніки, квантової механіки та найбільш фундаментальних процесів самого життя. Нанотехнологія описує те, як ми використовуємо наші знання для створення матеріалів, машин і пристроїв, які фундаментально змінюють наші дії і саме життя.

Приставка «нано» відповідає розміру 10-9 м. Щоб відчути цей масштаб, скажемо, що товщина волосини людини складає 50.000 нанометрів, клітина бактерії вимірюється декількома сотнями нанометрів. Найменші елементи інтегральних схем мають розміри порядку 100 нанометрів. Один нанометр – це ряд всього з десяти атомів водню.

Нанонаука – це вивчення фундаментальних принципів молекул і структур, розміри яких складають від 1 до 100 нанометрів.

Нанотехнологія – це використання даних наноструктур в корисних наноскопічних пристроях.

Національний науковий фонд США так визначив поняття «нано» [1]: «Один нанометр (одна мільярдна частина метра) – це магічна точка на шкалі розмірів. Наноструктури містяться на перетині найменших зроблених людиною пристроїв і найбільших живих молекул. Наукою і технологією в наномасштабі визначаються як фундаментальне розуміння і отримані внаслідок цього технологічні переваги, які виникають при використанні нових фізичних, хімічних і біологічних властивостей систем, проміжкових по розмірах між окремими атомами і молекулами і масивними матеріалами, де можливо контролювати властивості, проміжкові між двома граничними станами».

Наномасштаб має унікальні властивості, оскільки це той масштаб розмірів, в якому знайомі повсякденні характеристики матеріалів, такі як провідність, міцність або точка плавлення, зустрічаються з такими характеристиками атомів і молекул, як корпускулярно-хвильовий дуалізм і квантові ефекти. В наносвіті найбільш фундаментальні властивості матеріалів і машин залежать від їх розмірів так, як не залежать при будь-якому іншому масштабі. Наприклад, нанорозмірний провід або компонент схеми не обов’язково підкорюються закону Ома. Зв'язок розміру з найбільш фундаментальними хімічними, електричними і фізичними властивостями матеріалів є ключовим для всіх наноструктур. Наноструктури знаходяться на стику найменших зроблених людиною пристроїв і найбільших молекул живих організмів [1].

Розглянемо напрямки, в яких нанотехнології у найближчому майбутньому дадуть фантастичні результати. В першу чергу необхідно пояснити які інструменти використовуються для вимірювання параметрів наноструктур. Одними з перших інструментів, які допомогли ініціювати нанотехнологічну революцію були так звані скануючі зонди. Такі зонди були запропоновані швейцарськими вченими Гердом Биннигом і Генріхом Рорером у 1980 році. За розробку і відкриття метода зондового сканування у 1986 році вони отримали Нобелевську премію. В чому суть цього метода? Якщо провести пальцем по поверхні, то легко відрізнити поверхню полірованого столу від поверхні ковдри або поверхні паперу. Різні матеріали з різною силою діють на палець. В даних експериментах палець діє як структура вимірювання сили. Дана ідея покладена в основу скануючого мікроскопа, одного з розповсюджених скануючих зондів. При вимірюванні за допомогою скануючого зонда сам зонд ковзає по поверхні так само, як це роблять пальці. Зонд має наноскопічний розмір всього один атом. При русі зонд виміряє декілька різних властивостей наноструктур. Найбільш поширеним є тунельний мікроскоп, за допомогою якого вимірюється величина електричного струму, що протікає між скануючим зондом і поверхнею. В залежності від того, як проводяться вимірювання, мікроскоп можна використовувати або для визначення локальної геометрії (наскільки поверхня локально виступає вперед), або для вимірювання локальних характеристик електропровідності [1].

Одним із величезних досягнень нанотехнології на теперішній час є створення нових матеріалів. Наноструктури будуються на основі великих компоновочних блоків або молекул. На молекулярному рівні графіт сформовано з шарів вуглецю. Дані шари вуглецю складаються з атомів вуглецю, які зв’язані шестикутною стекою. При скручуванні у трубку такі сітки мають дивовижні властивості. Дані циліндри графіту отримали назву вуглецевих нанотрубок. Якщо товщина трубки дорівнює одному шару атомів вуглецю, то вона отримала назву одношарової вуглецевої нанотрубки. Нанотрубки – це одні з перших нанорозмірних структур, побудованих на молекулярному рівні, які демонструють захоплюючі фізичні і електричні властивості. Лабораторні дослідження показали, що їх межа міцності при розтягу може у 60 разів перевищувати значення для високоякісної сталі. Багато учених стверджують, що нанотрубки – це не тільки міцні матеріали коли-небудь створені, вони входять у число найміцніших матеріалів, які взагалі можливо створити. По деяким оцінкам на волокно з нанотрубки, яке тонше волосини людини можна підвісити вантажну автомашину. Нанотрубки не тільки мають вказану міцність, вони до того ж легкі і гнучкі. Нанотрубки повинні вивести технології на наступний рівень, але їх виробництво все ще знаходиться у початковому стані. На сьогоднішній день великі фабрики виготовляють лише грами нанотрубок за тиждень.

Фізичні властивості нанотрубок достатньо разючі, але їх електричні властивості можуть бути ще більш захоплюючими. Учені пророкували, що електрони можуть протікати по трубці, як по провіднику. Проте досліди показали, що нанотрубки ведуть себе подібно надпровідникам, тобто електричний струм проходить через них без опору. Дослідження інших показали, що нанотрубки подібні напівпровідникам. Існуюча теорія довела, що нанотрубки мають властивості надпровідників, напівпровідників в залежності від того, які матеріали і в якій пропорції, окрім вуглецю, введені в матрицю трубки.

Не всі нанотрубки зроблені з вуглецю, існують нанотрубки з кремнію, які отримали назву нанопроводів. Розміри нанотрубок складають приблизно 1% розмірів з’єднуючих елементів сучасних ультравеликих інтегральних схем. Заміна з'єднуючих елементів на надпровідні нанотрубки в інтегральних схемах дозволить вирішити одну із найскладніших проблем інтегральної мікроелектроніки – усунути тепло, що виділяється, за рахунок проходження електронів по металічним проводам. Нанотрубки також можна використати для створення транзисторів, властивості яких значно кращі кремнієвих транзисторів.

Сонячна енергія залишається ключовим напрямком досліджень в нанотехнології, оскільки чиста, відновлена енергія, яку вона обіцяє є привабливою з економічної, політичної, екологічної і соціальної точок зору. Слід підкреслити, що людство використовує всього менше ніж 0,2% сонячного потенціалу. Основними перетворювачами сонячної енергії на електричну є напівпровідникові фоточутливі прилади. Природний фотосинтез виконується без участі кремнієвих кристалів – він відбувається за допомогою молекул. Отож, одним основним наноскопічним підходом до описаної задачі є практичне покращення перетворення сонячної енергії. У процесі, що отримав назву штучного фотосинтезу, з використанням молекулярних наноструктур для поглинання світла і розподілу позитивних і негативних зарядів. Молекулярні наноструктури мають декілька переваг у порівнянні з напівпровідниковими структурами, включаючи низьку вартість, малу вагу. У гібридному підході до наноскопічних фотоелектричних матеріалів органічна молекула (краска, яка поглинає світло) об’єднується з наноструктурним електродом, який зроблений з диоксиду титану (напівпровідник). Це дозволяє отримати ефективний розподіл зарядів. Тільки такі гібридні структури, які містяться між м’якими (молекули) і твердими (напівпровідник) наноструктурами, можуть дати значні переваги з точки зору стійкості, ефективності і вартості [1, 2, 3].

Ідея створення квантового комп’ютера народилась у фірмі ІБМ, коли її співробітники Рольф Ландауєр і Чарльз Х. Бернетт запропоновували відмовитись від застосування електричних сіток в процесах обробки інформації до використання законів квантової механіки. В квантовому комп’ютері один біт інформації представляється спінами електронів, які мають значення +Ѕ – Ѕ, що відповідає 0 і 1 в двійковій системі. Існуючі комп’ютери обробляють інформацію тільки на основі представлення про один біт інформації. На відміну від них квантові комп’ютери можуть переробляти інформацію, виходячи із представлення про так званий квантовий біт (кубит), що дозволяє наприклад, здійснювати одночасно чотири логічні операції (типа: 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=2). У зв’язку з цим п’ять кубітів відповідає числу 25=32, а десять кубітів – числу 210 = 1024, що дозволяє обчислювачам працювати з дуже великими числами (з числами у вигляді показової функції) і значно підвищити швидкість переробки інформації.

Нанотехнології дозволяють розробити транзистори, електричний струм в яких відповідає руху невеликої кількості електронів (від десятків до декількох тисяч), внаслідок чого перемикання типу «ввімкнуто – вимкнуто» стане за рахунок поведінки декількох електронів. Практично це буде означати можливість зменшення електричних кіл (і великих обчислювальних систем) до гранично малих розмірів, а також використання в їх роботі фізичні закономірності мікросвіту, тобто квантової механіки [2].

Використовуючи наноструктури, можна значно скоротити розмір бітів пам’яті, а отже збільшити щільність магнітної пам’яті, підвищити її ефективність і знизити вартість. Компанія ІБМ запропонувала зберігати біти як магнітні наноточки. Ці точки можна зробити дуже точно і зменшити їх розмір до суперпарамагнітної межі. Використання нанолітографії дозволяє скоротити елементи до розмірів декількох нанометрів. Сучасні магнітні і запам’ятовуючі пристрої фактично двомірні. Їх робота базується на поверхні. Голографічні і фоторефрактивні запам’ятовуючі пристрої працюють на взаємодії світла з речовиною. В таких пристроях інформація записується шляхом зміни молекулярних станів за допомогою лазерних полів високої інтенсивності. Лазери використовуються для запису інформації у пам’ять, а потім цю інформацію можна змінити або зняти за допомогою лазерного випромінювання. Одним з дивовижних переваг таких наноскопічних оптичних структур є те, що вони можуть існувати у трьох вимірах, оскільки зчитується не тільки поверхня але і товща матеріалу. Це дозволяє отримати більш ефективні оптичні запам’ятовуючі пристрої [1].

Дослідження в області нанотехнології показали, що зхрещені провода, які виготовлені з напівпровідників з наноскопічними розмірами, можуть бути використані як світловипромінюючі структури. Дані випромінювачі є найменшими існуючими джерелами світла. Вони досить потужні, окрім того їх колір можна вибирати. Як і інші світлодіоди, наноскопічні джерела мають широке коло застосування: від кімнатного освітлення до дисплеїв з великим дозволом. Плоскі екрани, значна яскравість і ефективність світлодіодів дозволила їм знайти використання у військових відеосистемах, у дисплеї сотових телефонів, а також як приладні панелі автомобілів. Розглянемо ще один напрямок нанотехнології, який пов’язаний із створенням наноскопічних сенсорів. Дія сучасних біологічних сенсорів заснована на специфічних реакціях з участю кисню, внаслідок чого відбуваються хімічні реакції, яким відповідають певні електричні сигнали. Проте біологічні молекули зовсім не витрачають кисень на реєстрацію змін, які сприймаються. Нанотехнології дозволяють створити «штучні» молекули, реакції яких не будуть пов'язані із окисними процесами [1, 2].

Розглянемо ще одну фантастичну ідею, яку в майбутньому може вирішити нанотехнологія. Ця тема пов'язана з нейроелектричними інтерфейсами – ідею створення нанопристроїв, які дозволяють об’єднати комп’ютери з нервовою системою. Побудова нейроелектричного інтерфейсу потребує створення молекулярної структури, яка дозволить детектувати нервові імпульси за допомогою зовнішнього комп'ютера і керувати ними. Головна складність міститься в тому, що необхідно об'єднати обчислювальні нанотехнології і біонанотехнології. Наноструктури, які забезпечують інтерфейс повинні бути сумісними з імунною системою людини, так щоб вони були стійкими у тілі довгий час. Вони також повинні чути іонні струми і примушувати їх текти так, щоб мускульну систему можна було проінструктувати для виконання певних рухів. Очевидно, подібними структурами будуть молекулярні провідники – молекули, власні процеси провідності яких (іонні або електронні) можна зв'язати з іонним рухом у нервових волокнах. Побудувати провід з таких структур дуже складна проблема, оскільки молекулярні провідники не тільки повинні надати електронний канал зв'язку, але і розташуватися точно у нервовій системі для слідкування за нервовими сигналами і реагувати на них. За допомогою таких структур можна ліквідувати багаточисельні різновиди склерозу і порушення функціонування нервової системи [1].

Значна кількість хвороб зумовлена генетичними факторами. Зараз вже очевидно, що за досить короткий час будуть створені і вдосконалені так звані ДНК-чіпи, які дозволять легко здійснювати аналіз генетичної інформації людини і проводити лікувальний курс, який відповідає генетичному типу конкретного пацієнта. На теперішній час стало принципово можливим «зчитування» генетичної інформації людини. Це зразу дозволяє поставити задачу створення індивідуальних ліків. Таким чином, виникає медицина, яка заснована на індивідуальному підході до пацієнта [1].

Швидке зростання населення Землі приводить до глобальної проблеми забезпечення людей продовольством. Окрім того, зростання населення викликає і інші негативні наслідки, такі як урбанізація, знищення лісних масивів, збільшення площі пустель, постійне зменшення площі орних земель. Розвиток нанотехнологій обіцяє створювати нові і перспективні можливості для розв’язання вказаних проблем. В першу чергу, це можливо зробити за рахунок використання генної технології, яка дозволяє генетично модифікувати багато сільськогосподарських культур, що не тільки підвищує її врожайність, але робить їх більш стійкими до бур’янів і шкідників. Отримання максимальної врожайності з кожного гектара Землі дозволило б реально вирішити проблему відсутності продовольства в багатьох країнах [2].

Окрім позитивного докорінного впливу нанотехнологій на життя суспільства у ХХІ столітті вони також можуть внести багато негативних тенденцій у життя людства, про що необхідно наголошувати у всіх лекційних курсах, особливо стосовно революційних змін в електроніці. Створення чипів для зчитування генної інформації людства несе в собі негативні наслідки, оскільки цю інформацію можна використати проти людства. На теперішній час немає чіткого уявлення у сфері клонування людини та тварин. Постає етичне питання, чи можна вбивати дозародишеве життя, щоб створювати ліки, які можуть продовжити життя або вилікувати людей з хворобою Альцгеймера, Паркінсона та інших.

Іншим прикладом може бути те, що певні організації можуть створити віруси, які вбивають людей тільки із специфічними генетичними характеристиками, або настроїти вірус на конкретну людину. Потенційно дослідник може створювати подібні віруси практично з нічого, оскільки сировина для виробництва наноматеріалів не є складною [2, 3].

Можливо, деякі форми нанообчислень (квантові комп’ютери, наноелектронні комп’ютери, ДНК-комп’ютери) можуть дати істинний штучний інтелект, до того ж самопродукований. Накінець, якщо різниця між людиною і комп’ютером стане настільки тонкою, що її неможливо буде розділити, то що це буде означати для людської цивілізації.

Висновки

Розвиток нанотехнологій приводить до суттєвих змін як в системі освіти, так і в підготовці наукових кадрів. Впровадження ненотехнологій слід розглядати як широку і дуже важливу подію, яка має революційний вплив на всю історію розвитку людства у ХХІ столітті. При викладанні технічних дисциплін для студентів електронного напрямку необхідно обов’язково включати гуманістичні ідеї для вдосконалення особистості випускників, оскільки впровадження нанотехнологій несе в собі як позитивні, так і негативні явища для людства.

 

Література

М. Ратнер, Д. Ратнер. –М.: Вильямс. 2004. –234с.

Н. Кобояси. Введение в нанотехнологию. –М.: Бином. Лаборатория знаний. 2005. – 134с.

М. Сидоров. Магия «нано» Эволюция современной электроники от нанонауки – к нанобизнесу. –М.: Спутник. 2005. –119с.