Конвергенция и наукоемкие технологии что это

Интернет-версия журнала запущена в мае 2009 г.

В настоящее время новый сайт журнала находится в стадии разработки. Выпуски с 2020 г. можно посмотреть на новом сайте редакции: https://pq.iph.ras.ru/index

ВНИМАНИЕ : Рукописи статей принимаются только по электронной почте Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script или через систему электронной редакции https://pq.iph.ras.ru/about/submissions

На старом сайте журнала опубликованы содержание номеров с 2009 по 2018 г. включительно, избранные статьи, а также рекомендации авторам, желающим прислать свои работы в журнал. Зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии к статьям.

Обращаем ваше внимание, что на старом сайте опубликованы электронные версии статей с 2009 по 2018 г. включительно, которые могут несколько отличаться от печатной версии. Это связано с особенностями подготовки журнала к печати.

Глубокоуважаемые авторы и подписчики журнала, дорогие коллеги!
Убедительно просим по всем вопросам обращаться только по адресу Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script или по телефону секретаря редакции Анны Владимировны: 8-926-3282351.
С 18.09.2018 редакция не размещается в здании издательства «Наука»!
Пожалуйста, не ищите нас там и не звоните по старым нашим номерам: по ним Вам не ответят.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

издается с июля 1947 года

МОСКВА Журнал издается под руководством «НАУКА»

Источник

19.4. Конвергенция технологий

Обсуждавшиеся выше этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий, приобретают все большую остроту из-за конвергенции наук и технологий, в результате чего новые технологии оказываются тесно связанными друг с другом. В ряде работ процесс слияния, или конвергенции, наук на нанометрическом уровне рассмотрен достаточно подробно и формально определен следующим образом:

Под термином «конвергенция технологий» следует понимать процесс объединения или слияния четырех наук и технологий, обозначаемых аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno), переживающих в настоящее время период стремительного развития. N означает нанонауку и нанотехнологию, B – биотехнологию и биомедицину (включая генную инженерию), I – информационные технологии (включая новейшие вычислительные и коммуникационные системы) и C – когнитивистику, объединяющую науки о познании, включая теорию нейронных сетей мозга. Характерной особенностью процесса слияния выступает отчетливо выраженный эффект синергизма (взаимодействия, влияния друг на друга и совместного действия) законов и возможностей перечисленных наук и технологий[151][152].

Особо стоит отметить, что такая конвергенция технологий не означает образования нескольких междисциплинарных, перекрывающихся наук, сложным образом связанных друг с другом. Речь идет о гораздо большем, а именно – о создании единой науки, объединяющей на новых принципах все теории и методы перечисленных дисциплин. Возможно, такое объединение приведет к гораздо более глубокому пониманию законов природы и возможностей их использования.

С наиболее общей точки зрения можно даже утверждать, что конвергенция технологий предоставляет человечеству уникальный шанс продлить технологический прогресс, которым было отмечено все двадцатое столетие. Дело в том, что воздействие научных открытий на общее состояние человечества постепенно уменьшается. Например, демографы давно отмечают, что бурное развитие медицины не приводит больше к заметному увеличению длительности жизни. Новые методы лечения оказываются недостаточно эффективными, а продолжительность жизни сокращается из-за возникновения новых болезней и ухудшения условий существования. Слияние биологии и медицины предоставляет возможность бороться не только с опасными заболеваниями (типа раковых), но и «отодвинуть» пределы биологического старения человеческого организма. С другой стороны, конвергенция нанотехнологий и информатики открывает перед человечеством возможность продлить действие знаменитого закона Мура, в соответствии с которым мощность вычислительных устройств за каждые полтора года возрастает примерно вдвое. Именно по этому закону развивались вычислительная техника (и связанная с ней гигантская полупроводниковая промышленность!) в течение последних десятилетий. Слияние в рамках концепции NBIC позволяет надеяться на то, что этот закон будет определять технический прогресс в кибернетике еще два десятилетия, в результате чего вычислительная мощность используемых нами компьютеров может возрасти еще в 8000 раз!

Некоторые исследователи считают, однако, что конвергенция нанотехнологий будет иметь иной характер, и в течение ближайших лет мы станем свидетелями появления множества новых изделий и процессов. Например, исследования в области оборонных технологий позволят создать следующее поколение датчиков, способных регистрировать совершенно ничтожные количества химических или биологических веществ в окружающей среде, что приведет к существенному изменению не только военных, но и гражданских отраслей науки и техники. Например, в медицине могут произойти существенные изменения, если врачи получат возможность немедленно и совершенно точно оценивать состояние пациента, идентифицировать присутствие любых инфекционных и патогенных агентов, а затем сразу назначать наиболее оптимальные методы лечения.

Слияние био-, нано– и информационных технологий позволяет (возможно, впервые в истории человечества) практически использовать некоторые особенности и закономерности когнитивных технологий, относящихся к процессам познания. Революционные изменения, связанные с новыми технологиями, возможно, приведут в будущем к серьезным преобразованиям не только в отношении этических представлений (связанных с правами собственности, справедливостью и другими важнейшими представлениями), но и к фундаментальным изменениям в принципах человеческого поведения вообще.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Соответствие программы класса конвергенции и наукоёмких технологий заявленной

Вопрос: Добрый день, уважаемая Екатерина Геннадьевна. Обращается к Вам Голубева Алла Борисовна, мама Захарова Т., ученика 8 класса «Конвергенции и наукоемких технологий». Дело в том, что в ходе изучения расписания уроков, курсов и факультативов на осенний семестр мной было обнаружено, что в программе обучения указанного класса в указанном периоде отсутствуют какие–либо курсы и факультативы, направленные на углубленное изучение химии и биологии. Я понимаю, что класс «Конвергенции и наукоемких технологий» был создан на физ-мат платформе, однако на днях открытых дверей и в буклете, размещенном на официальном сайте гимназии (https://abiturient.spbu.ru/files/2016/AG/Buklet_AG_2016.pdf), указано, что учебными планами «Класса Конвергенции» предусматривается не только углубленное изучении математики и физики (что, безусловно, необходимо), но и углубленное изучение биологии и химии, как неотъемлемых частей самой идеи конвергенции научных знаний. Источники, из которых родители и дети узнали о создании указанного класса и его специфике, являются официальными источниками СПбГУ, а значит, фактически, являются публичной офертой, ориентируясь на которую мы сделали свой выбор школы для последующего обучения. Результаты вступительных испытаний свидетельствуют о том, что многие абитуриенты, поступающие в 8 классы АГ СПбГУ, руководствовались именно возможностью получения комплексного образования с углубленным изучением не только физики и математики, но и химии с биологией. Приведу факты: 1. Конкурс в «класс Конвергенции» был значительно выше, чем в 8 «Физ-Мат» класс. Минимальный бал поступившего в «класс Конвергенции» составляет 76 баллов, тогда как соответствующий показатель в 8 «Физ-Мат» класс составляет 63 балла; 2. Все дети, поступившие в оба восьмых класса (и мой сын в том числе), пошли обучаться в «Конвергенцию». 3. В СПб нет альтернативной школы, где дети бы имели возможность углубленно изучать физику, математику, химию и биологию. По этой причине все наши надежды были связаны с АГ СПбГУ и классом «Конвергенции». Дети приложили все усилия, чтобы поступить в вожделенный класс. Что же мы имеем в результате этих усилий, исходя из расписания осеннего семестра?! Ответ: расписание на осенний семестр «Физ-мат» класса и класса «Конвергенции» фактически идентичны. Единственный спецкурс, который оправдывает официально заявленную программу обучения в классе «Конвергенции» — это «Междисциплинарная лабораторная работа», а факультативы по решению олимпиадных задач предложены только по физике и математике. Прекрасно, что дети имеют возможность готовится к олимпиадам по указанным предметам, но где же факультативы по химии и биологии. Где возможность комплексного углубленного обучения по четырем предметам, которую дети должны были получить в честной и жесткой конкурентной борьбе? Получается, что взрослые ввели их в заблуждение? Я задавала данные вопросы сотрудникам АГ СПбГУ. Мне ответили, что ребенок может посещать спецкурсы по химии и биологии совместно с 9 естественнонаучным классом. Мне не кажется данное предложение приемлемым и корректным, тем более, что часы спецкурсов по биологии 9 класса совпадают по времени со спецкурсами по физике и математике нашего класса.
На основании вышеизложенного прошу Вас добавить в расписание осеннего семестра «Класса Конвергенции» факультативы по углубленному изучению химии и биологии, как и было заявлено в официальных источниках СПбГУ. Данные факультативы желающие дети смогут посещать сразу после уроков (прошу не делать длительных перерывов между основными уроками и факультативами, только перерыв на обед – 40 минут) в дни, свободные от факультативов и спецкурсов по физике и математике, а именно: четверг, пятница, суббота.
С признательностью, А.Б. Голубева.

Ответ Первого проректора по учебной, внеучебной и учебно-методической работе СПбГУ Бабелюк Екатерины Геннадьевны:

Глубокоуважаемая Алла Борисовна!

Cпасибо за Ваше письмо и за активный интерес к программам обучения Санкт-Петербургского государственного университета. В ответ на Ваше обращение сообщаю следующее.

Решение задачи подготовки квалифицированных специалистов для современной экономики возможно только при внедрении метапредметного и междисциплинарного подходов на этапе предпрофильного обучения. С этой целью в 2016 году в Санкт-Петербургском государственном университете были введена программа основного общего образования по физико-математическому профилю «Конвергенция и наукоёмкие технологии». Главное отличие данной программы от других программ основного общего образования по физико-математическому профилю — в содержании и технологии образования.

Обучающиеся занимаются по программе, максимально приближенной к программе физико-математической школы. Так, на изучение алгебры, математического анализа и геометрии отводится 8 часов в неделю, на изучение физики — 2 часа в неделю в 8 классе и 4 часа в неделю — в 9 классе. Такой подход обусловлен существенной ролью этих предметов для интеллектуального развития ребенка. Изучение других дисциплин (а именно — химии, биологии) ведётся в соответствии с примерным учебным планом основного общего образования, который принят федеральным методическим объединением по общему образованию 15.04.2015 и является в значительной мере условием достижения зафиксированных в ФГОС требований к результатам обучения. Чтобы реализовать междисциплинарный подход и обеспечить углублённую подготовку обучающихся по информатике, химии и биологии к основным часам учебного плана добавляются часы внеучебной деятельности, которые могут быть направлены на дополнительные занятия с профессорско-преподавательским составом университета, индивидуальную работу по подготовке к олимпиадам, конкурсам, исследования и проекты, спецкурсы и кружки.

В 8 классе предусмотрены углублённые курсы по физике, информатике, биологии, алгебре и геометрии. В 9 классе — по физике, биологии, информатике и химии.

Действительно, по причине технической ошибки в электронном расписании не был указан спецкурс по биологии. Данная ошибка исправлена. Все спецкурсы начинаются с 1 октября 2016 года. Дополнительные главы по химии будут преподаваться в 9 классе, в соответствии с учебным планом.

Также сообщаю Вам, что в рамках обучения по данной образовательной программе обучающиеся выполняют индивидуальный научный проект на протяжении каждого года обучения. Целью индивидуального проекта является развитие навыков системного мышления, формирование представлений о межпредметных связях и междисциплинарных исследованиях в передовых направлениях современных научных исследований; их не ограничивают в выборе тем исследования, однако предлагают ряд общих направлений (макронаправления). Конкретные темы исследований определяются обучающимися самостоятельно либо в рамках предложенных макронаправлений. Каждому определяется научный руководитель из числа профессорско-преподавательского состава университета, предоставляется научно-технический потенциал для выполнения проекта. В случае заинтересованности обучающегося данный проект может иметь биологический или химический уклон. В дальнейшем обучающиеся, выполнившие данные проекты, участвуют в российских и международных конференциях, конкурсах и интеллектуальных соревнованиях. Это позволит обучающимся уже в 8 классе попробовать себя в различных видах деятельности или предметных областях, осмыслить свои предпочтения и осознанно выбрать образовательную программу среднего общего образования.

Обращаем Ваше внимание на то, что ответы на вопросы, размещённые в Виртуальной приёмной, подготовлены на основании нормативных актов, действующих на день размещения ответа. При ознакомлении с ответами просим Вас учитывать данное обстоятельство и принимать во внимание возможность изменения действующего законодательства Российской Федерации и локальных нормативных актов СПбГУ.

Источник

Эта статья посвящена тому, как трансформировалась наука, менялась ее парадигма по мере развития цивилизации и как новая научно-технологическая ситуация должна обеспечить прорывное развитие человечества в XXI веке. Речь пойдет о конвергенции – объединении, взаимопроникновении наук и технологий. Этот новый научно-технологический уклад базируется на так называемых НБИК-технологиях, где Н – это нано, Б – био, И – информационные технологии, К – когнитивные технологии, основанные на изучении сознания, поведения живых существ, и человека в первую очередь.

Почему же сегодня стала актуальной тема конвергенции наук и технологий и как мы к ней подошли?

Рис. 1.

Сегодня наиболее злободневная тема в мировом масштабе – финансовый кризис. Как заклинание повторяется набор слов: деньги, ипотека, финансовые схемы, падение курса валют, безработица и прочее. По сути же, кризис сегодня – это одна из волн, обострение, последствие процесса, начавшегося сразу после Второй мировой войны. В конце 1960-х годов вышла книга французских писателей Веркора и Коронеля под названием «Квота, или «Сторонники изобилия». По сюжету и композиции это остросатирический и в то же время необычайно глубокий психологический роман. Основной его смысл состоит в том, что авторы наглядно показывают тупиковый путь развития общества потребления в США и в мире в целом. Оправившись после потрясений Второй мировой войны, человечество запустило новую экономическую модель развития общества под условным названием «расширенное воспроизводство и потребление». В погоне за комфортом человечество включило индустриальную машину по истреблению ресурсов, которая набирает обороты год от года. При условии, что эта машина будет обслуживать «золотой миллиард» земной цивилизации, ее хватит надолго. Но как только хотя бы одна гигантская страна третьего мира, например Индия или Китай, выйдет на уровень потребления энергии, какой был в Соединенных Штатах в 1960-м году, фактически наступит ресурсный коллапс, что мы сегодня с вами уже видим.

Глобальный кризис начался полвека назад, а сегодня он обострился, дал «метастазы». Но мы пока продолжаем обсуждать последствия, вместо того чтобы пытаться понять причины. По моему мнению, в процессе приближения энергетического коллапса не последнюю роль сыграло то, что развитые страны, в первую очередь США, целенаправленно, на протяжении десятилетий, перебрасывали затратные, в основном устаревшие производства в Индию и Китай. Они «разбудили» эти страны, активно включив их в модель расширенного воспроизводства и потребления. Напомню, что Китай и Индия занимают 1 и 2 места по численности населения в мире (соответственно это порядка 2.5 миллиарда человек в обеих странах), и все это население за последние 30–40 лет включилось в активное промышленное производство и потребление, а фактически в «истребление» ресурсов – формально объемы мирового производства за счет этих стран колоссально возросли, но при этом использование дешевой и зачастую неквалифицированной рабочей силы затормозило научно-технический прогресс. Ведь за последние десятилетия человечество, по сути, не совершило никакого принципиального технологического прорыва. Технический прогресс развивался линейно, путем модификации, усовершенствования уже изобретенного, как, например, увеличение числа элементов на электронном чипе. Никаких глобальных открытий сделано не было, собственно, они и не требовались.

Во времена паритета США – СССР был главный стимул – сохранить равновесие путем наращивания военных мощностей, развития военно-промышленного комплекса (ВПК). До сегодняшнего дня практически все технологические новшества окружающего нас бытового мира выросли именно из ВПК. В США процесс перетока военных нововведений в сферу потребления был отлажен естественным образом и шел бесперебойно, у нас же мощная инновационная экономика со всеми ее составляющими была изолирована и ориентирована исключительно на военную сферу. Когда распался СССР, соревновательность между нашими странами (пресловутое «догоним и перегоним Америку») исчезла, США по праву почивали на лаврах, но это в итоге тоже затормозило научно-технический прогресс.

Таким образом, мы стали современниками ресурсного коллапса, зародившегося 50 лет назад. Что теперь? Перед человечеством стоит дилемма: мы либо, двигаясь линейно, как сегодня, в обозримом будущем исчерпаем все ресурсы и должны будем, по сути, вернуться к первобытному строю, сохранив скотоводство, земледелие, огонь, передвигаться на лодке, велосипеде. В чем-то это гротеск, и это может произойти не через 10, а скажем, через 30–50 лет, но неизбежность этого очевидна. Но есть и второй путь – суть его в том, что мы технологически должны стать частью природы, жить за счет принципиально новых, неистощимых ресурсов и технологий, созданных по образцу живой природы, но с использованием самых совершенных технологических достижений. И сегодня человечество подошло к этому вплотную.

Этапы научного развития

Позвольте некий исторический экскурс на 300 с лишним лет назад – во времена Ньютона. Тогда была, фактически, только одна научная специальность – натурфилософия, естествознание, и только один «тип» ученого – натурфилософ, естествоиспытатель, (рис. 2) который изучал мир, единую и неделимую природу, непонятую на том уровне знаний и, в частности, поэтому обожествленную.

Рис. 2.

Затем, по мере роста наших знаний о природе, развития исследовательского инструментария человечество начало искусственно делить единую природу на сегменты для их более легкого понимания, изучения. Так возникли физика, химия, биология, геология и т.д. В результате этих процессов человечество постепенно сформировало узкоспециализированную систему науки и образования, которая существует и успешно функционирует до сегодняшних дней. Такой принцип устройства науки привел в том числе и к отраслевому принципу организации промышленности (рис. 3).

Рис. 3.

На начальном этапе это была примитивная деревообработка, камнеобработка, добыча полезных ископаемых и др. Отраслевые технологии усложнялись с развитием цивилизации. В ХХ веке возникли еще более сложные, интегрированные, межотраслевые технологии для создания самолетов, кораблей, космических ракет. Но эти сложнейшие объекты сегодняшней промышленности создавались в рамках отраслевой экономики и синергетического эффекта, взаимопроникновения технологий не происходило – было лишь аддитивное сложение успехов и результатов различных технологических отраслей.

Надотраслевые технологии: информационные и нанотехнологии

Всего несколько десятилетий назад появились информационные технологии, которые поначалу рассматривались в прежней отраслевой парадигме: появилась еще одна отрасль, еще одна новая технология. Но в действительности в лице информационных технологий впервые появилась технология, имеющая НАДотраслевой характер. Сегодня очевидно, что ни в одной из известных отраслей нет прогресса без использования информационных технологий – это и телемедицина, и дистанционное обучение, и числовые управляемые станки, автоматическая система пилотирования автомобилей, самолетов, кораблей и т.д. Таким образом, информационные технологии стали неким «обручем», который объединил все науки и технологии (рис. 4). Информационные технологии стали принципиально новыми с методологической точки зрения – они не добавились еще одним звеном к существующему ряду дисциплин, а объединили их, став их общей методологической базой.

Рис. 4.

И уже вслед за информационными технологиями появились нанотехнологии, внутренняя логика развития которых призвана соединить существующую узкоспециализированную науку и отраслевую экономику в единую картину естествознания, но уже на новом уровне развития цивилизации, новом укладе промышленного производства, основанном на использовании отдельных атомов и молекул. Играя столь же важную надотраслевую роль, как информационные технологии, нанотехнологии, в отличие от первых, материальны, так как они прежде всего дают принципиально новый способ конструирования материалов. А любая область знаний, любая отрасль промышленности предполагает в первую очередь создание материалов. Так вот,

Рис. 5.

Основные черты современного этапа развития научно-технической сферы

Попытаемся сформулировать основные черты современного этапа развития научно-технической сферы (рис. 6).

Рис. 6.

Во-первых, переходя к **наномасштабу, мы получаем возможность манипулировать атомами и молекулами, составляющими любое вещество. Сто лет назад главная цель науки заключалась в стремлении проанализировать и понять, каким образом устроен окружающий мир. В ХХ веке, используя электромагнитное излучение и частицы, человечество двигалось по пути анализа в область микромира, последовательно открывая молекулы, атомы ядра и элементарные частицы. В середине прошлого столетия, благодаря открытию рентгеновского излучения, рентгеновской дифракции, стали видны молекулы и атомы, появилась возможность видеть их, а позднее и манипулировать ими. Соединяя отдельные атомы и молекулы, стало возможным конструировать из них новые вещества.

Таким образом, появились искусственные материалы, хорошо известные нам сегодня: полупроводниковые кристаллы (кремний, германий, арсенид галлия), диэлектрические кристаллы, лазерные и т.д. Большие успехи были достигнуты и в органическом материаловедении – был создан синтетический каучук, целый ряд полимеров и других биоорганических объектов.

Таким образом, в середине прошлого столетия, наряду с основной линией развития науки – анализом, начала формироваться новая линия – линия синтеза, когда человечество руками и разумом ученых начало синтезировать искусственные материалы, даже такие, которых нет в природе и которые обладают свойствами, не существующими у природных веществ. Парадигма развития науки стала меняться от процесса познавания мира, его устройства к тому, чтобы целенаправленно и оптимальным путем самим создавать какие-то его элементы (рис. 7). Но если еще 50 лет назад конструирование таких новых материалов шло во многом эмпирически, то сейчас, с появлением качественно новой исследовательско-технологической базы, мы можем контролировать процессы, которые происходят на атомно-молекулярном уровне, смоделировать и запрограммировать результат с помощью суперкомпьютера.

Рис. 7.

Вторая характерная черта научного развития на данном этапе – это сближение органического мира, мира живой природы, с неорганическим, в чем мы достигли больших у спехов в последние десятилетия. Как следствие – принципиально меняется подход к организации исследовательской работы – от узкоспециального мы должны перейти к междисциплинарному методу проведения научных исследований. Ученый, манипулирующий атомами, создающий из них новые вещества, не может назвать себя физиком, химиком или биологом. Этот ученый – тоже естествоиспытатель, каким был Ньютон 300 лет назад, но уже на качественно новом уровне, «уровне знаний».

Нанотехнологии: два пути развития

Раньше мы шли «сверху», то есть двигались в сторону уменьшения размеров создаваемых предметов: рубили дерево, обтесывали бревно, распиливали его на доски, делали вагонку или же добывали руду, выплавляли ее, делали болванку, обтачивали на станке и т.д. – т. е. отрезали все лишнее. В итоге мы получали доску или металлическую деталь, но большая часть наших усилий – материальных и технологических – шла на создание отходов и на загрязнение окружающей среды. Сейчас мы начинаем идти «снизу», с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, материалы и системы с заданными свойствами. Фактически речь идет о создании технологий и оборудования для атомно-молекулярного конструирования любых материалов (кстати, это возможно лишь при создании адекватных методов диагностики с атомарным разрешением). Если двигаться по этому пути, то переход к нанотехнологиям, к атомарному конструированию дает важнейший результат – дематериализацию производства и резкое качественное уменьшение энерго- и ресурсоемкости. При этом развитие нанотехнологий подразумевает развитие двух самостоятельных направлений (рис. 8).

Рис. 8.

Что я имею в виду? С одной стороны, нанотехнологии – это новая технологическая культура, основанная на конструировании макроматериалов путем направленного манипулирования атомами и молекулами, размер которых порядка миллиардной доли метра, то есть нанометра. Но главное – наноподход, а не наноразмер. Миниатюризация и нанотехнологии не имеют знака равенства. Новая технологическая нанокультура состоит в том, что создаются новые материалы, необходимые практически для всех отраслей промышленности, и, следовательно, речь идет о формировании рынка принципиально новой продукции в рамках существующего экономического уклада. Уже сегодня мы можем создавать разнообразные наноструктуры с разными свойствами, например, используя полупроводниковые изолирующие, электропроводящие слои, углеродные материалы, в частности, область применения которых очень широка. Таким же образом мы можем создавать качественно новые сплавы для трубопроводов или платформ для добычи нефти, корпусов атомных реакторов, новые материалы для строительства или дорожного покрытия и многое другое. Такие новые материалы с качественно новыми, улучшенными характеристиками востребованы во всех сферах – от медицины до строительства, от информатики до легкой промышленности и т.д. Естественным результатом этого станет эволюционное изменение технологического и, как следствие, социально-экономического уклада общества.

Парадигма развития науки в конце ХХ века изменилась от изучения того, как устроен мир, к тому, чтобы целенаправленно и оптимальным путем самим создавать какие-то его элементы. Этот путь развития четко определен – наука достигла определенного уровня, и новейшие достижения нанотехнологий должны плавно и естественно перетекать в сферу производства, создавать новые продукты, формировать новые рынки и улучшать старые. Это процесс линейный, и на сегодняшний день можно сказать, что в России впервые после долгого перерыва создана для этого и необходимая инфраструктура, а главное – возникла идеология развития научного проекта.

В президентской инициативе развития нанотехнологий в Российской Федерации речь идет о решении двух принципиально различных задач. Первая задача развития нанотехнологий, как уже говорилось выше, состоит в совершенствовании технологий атомно-молекулярного конструирования и создания этим путем макроматериалов. Эта задача понятная, она сегодня основана на модернизации существующих производств путем введения нанотехнологических решений, материалов и дальнейшего совершенствования и перевода экономики на новые рельсы – более экономичные. Это уже стало государственной политикой, определена головная научная организация – РНЦ «Курчатовский институт», под его эгидой формируется национальная нанотехнологическая сеть.

Госкорпорация «Роснанотех» создана для внедрения научных разработок в промышленность, их коммерциализации и поддержки инфраструктуры. Кроме того, в России есть ряд федеральных целевых программ, одна из них – «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», направленная на создание и развитие научно-технологической инфраструктуры. На НИОКР в области наносистем и живых систем выделены значительные бюджетные средства.

Важно отметить, что мы снова производим «средства производства» для развития нанотехнологий: строим источники синхротронного излучения, нейтронов, установки молекулярно-лучевой эпитаксии, атомно-силовые микроскопы и крупные технологические комплексы на их базе, проводим модернизацию действующих «машин», активно участвуем в международных проектах, таких как CERN, международный термоядерный реактор ITER, уникальный Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL. В последних проектах финансовый и интеллектуальный вклад России составляет существенную часть.

«Запуск будущего»

Но вернемся ко второй составляющей нанотехнологий, в основе которой лежит сближение и взаимопроникновение «неорганики» и биоорганического мира живой природы. Это направление развития нанотехнологий называется «запуск будущего» и состоит в соединении возможностей современных технологий, в первую очередь твердотельной микроэлектроники как наивысшего технологического достижения современности, с «конструкциями», созданными живой природой (рис. 9).

Рис. 9.

Бесспорно, что самое сложное создание, уникальное во всех смыслах, – это человек: самосогласованная и единая система, в которой нет по отдельности ни физики, ни химии, ни биологии, ни математики. В нас есть все эти компоненты, которые составляют замкнутую самоорганизованную систему, и, чтобы понять, мы должны оценивать ее целиком. Стремление человечества в развитии научно-технического прогресса – достичь в технологических приборах того совершенства, которое заложено в каждом из нас.

Рис. 10.

Уникальные технологии микроэлектроники позволяют нам сегодня, сочетая литографию и последовательные совмещения, делать где угодно одну и ту же интегральную схему, то есть фактически мы имеем технологию, воспроизводимую в любой точке мира. Благодаря достижениям фундаментальной науки, использующей в первую очередь рентгеновскую физику, рассеяние синхротронного излучения и нейтронов, ядерно-магнитный резонанс, суперкомпьютеры, стала очевидна структура биологических объектов. Мы определили их сложную трехмерную пространственную структуру, изучили механизмы функционирования этих биологических молекул. Сегодня мы подошли к технологическим решениям, в основе которых лежат базовые принципы живой природы, – начинается новый этап развития, когда от технического, модельного копирования «устройства человека» на основе относительно простых неорганических материалов мы готовы перейти к воспроизведению систем живой природы на основе нанобиотехнологий (рис. 11).

Рис. 11.

Междисциплинарность — основа новой системы организации науки и образования

Развитие этих направлений, создание гибридных материалов и систем на их основе требует принципиально новых подходов и формирования принципиально нового научного уклада. Готово ли к этому сегодня научное сообщество? Одно из главных условий – наличие специалистов междисциплинарной направленности.

Представьте, что вы хотите создать с помощью нанотехнологий устройство, подобное человеческому глазу. С одной стороны, глаз – это уникальный оптический прибор, а с другой – это биологический объект, фоточувствительный белок, в котором протекают сложные биохимические процессы. Так что моделирование глаза – это задача для большой команды специалистов из разных научных областей: физиков и математиков, химиков и биологов, медиков и физиологов, инженеров, прибористов, схемотехников и др., работающих в рамках единого подхода на общий результат, на основе единой инфраструктуры.

Серьезный фактор, препятствующий развитию такого единого подхода, – действующая сегодня во всем мире система финансирования и организации науки. Она построена по узкоспециальному принципу и затрудняет организацию междисциплинарных исследований. Чтобы перейти к «запуску будущего», необходимо в корне изменить нынешнюю организацию науки, причем в мировом масштабе. Те страны, которые смогут быстро и эффективно перестроить систему научных исследований и образования, нацелить их на междисциплинарные исследования, обеспечат себе достойное место в глобальном мире. Перед человечеством сегодня стоит задача формирования и развития принципиально нового подхода, и речь идет в первую очередь о конвергентных технологиях НБИК.

Сама логика развития науки привела нас от узкой специализации к междисциплинарности, затем наддисциплинарности, а теперь фактически к необходимости объединения наук. Но не к простому геометрическому сложению результатов, а к их синергетическому эффекту, взаимопроникновению (рис. 12).

Рис. 12.

Нано-, био-, инфо-, когно- (НБИК) технологии и курчатовский НБИК-центр

На первом этапе это касается объединения четырех глобальных направлений сегодняшней науки и технологий НБИК: Н – это нано, новый подход к конструированию материалов «под заказ» путем атомно-молекулярного конструирования, Б – это био, что позволит вводить в конструирование неорганических материалов биологическую часть и таким образом получать гибридные материалы, И – информационные технологии, которые дадут возможность в такой гибридный материал или систему «подсадить» интегральную схему и в итоге получить принципиально новую интеллектуальную систему, а К – это когнитивные технологии, основанные на изучении сознания, познания, мыслительного процесса, поведения живых существ, и человека в первую очередь, как с нейрофизиологической и молекулярно-биологической точек зрения, так и с помощью гуманитарных подходов. Присоединение когнитивных технологий даст возможность, основываясь на изучении функций мозга, механизмах сознания, поведения живых существ, разрабатывать алгоритмы, которые фактически и будут «одушевлять» создаваемые нами системы, наделяя их неким подобием мыслительных функций.

Смысл создания НБИК-центра в Курчатовском институте состоял в том, чтобы сформировать инфраструктурную базу этой конвергенции наук и технологий. Ядро, вокруг которого развивается Курчатовский НБИК-центр, – уникальная комбинация МЕГА-установок мирового класса – источников синхротронного излучения и нейтронов. Курчатовский НБИК-центр включает в себя новый нанотехнологический корпус, модернизированный и реконструированный источник синхротронного излучения, исследовательский нейтронный реактор ИР-8, центр обработки и хранения данных на основе суперкомпьютера (рис. 13). В Курчатовском НБИК-центре сосредоточено уникальное рентгеновское оборудование, атомно-силовые и электронные микроскопы, различные технологические приборы для нанобиотехнологий и микроэлектроники, зоны чистых комнат и многое другое. Хочу отметить, что существенная часть этого уникального оборудования разработана и изготовлена отечественными компаниями.

Рис. 13.

Исследовательско-технологические платформы курчатовского НБИК-центра

Основная цель конвергенции четырех направлений – формирование новой технологической культуры, нацеленной в первую очередь на создание гибридных материалов и систем на их основе. Причем речь идет о принципиально новом поколении антропоморфных систем бионического типа, воспроизводящих в конечном итоге конструкции живой природы – биоробототехнические системы. Для этого в Курчатовском НБИК-центре мы создали научно-технологическую платформу с условным названием «ГИБРИД». На ее примере поясню принцип построения платформы для конвергентных НБИК-технологий.

В подразделении НБИК-центра под условным названием «гибридные приборы» работают специалисты, хорошо разбирающиеся в устройстве, эксплуатации приборов определенного типа и назначения (оптических, акустических и др.). Они создают техническое задание на проектируемый прибор или устройство. Следующее подразделение, также под условным названием «инженерно-технологический центр», имеет необходимые средства и технологии для практической реализации подготовленного техзадания. Но главная проблема при разработке «гибридного» материала и прибора связана с соединением технологических возможностей микроэлектроники с биоорганическими элементами – основой живой природы.

В рамках Курчатовского НБИК-центра нами было сформировано мощное подразделение нанобиотехнологий, которое включает в себя: генно-инженерную и иммунологическую лаборатории, лаборатории стволовых клеток и клеточных технологий и др. Важную связующую роль между биологией и микроэлектроникой играет кристаллографическое отделение, которое включает в себя синхротронно-нейтронный центр, комплекс для физико-химических, механических и других исследований различных материалов, кристаллизации белков, а «мостиком» между биологическим и кристаллографическим подразделениями служит созданная нами «белковая фабрика».

Рассмотрим схематично работу этой части НБИК-инфраструктуры. Например, мы хотим создать оптический сенсор, имитирующий глаз живого организма. Сегодня любой оптический прибор состоит из детектирующей части, как правило, кристаллической, обладающей определенным набором свойств, например спектральной чувствительностью, радиационной стойкостью и т.д., и считывающего устройства (интегральной схемы), которое обрабатывает сигнал (изображение), фиксируемое детектирующей частью. На первом этапе наша задача состоит в том, чтобы заменить эту детектирующую часть, как правило, неорганической природы, на материал биоорганического происхождения. Последовательность технологических операций может быть такова: для использования в качестве детектора конкретного фоточувствительного белка в первую очередь необходимо выделить ген, который клонирует этот определенный белок, и затем «вставить» этот ген в некую конструкцию (например E-coli), для того чтобы экспрессировать (наработать) нужное количество этого белка. Затем наработанный белок проходит стадии различной обработки, очистки и т.д. и далее поступает в конечный сегмент белковой фабрики на кристаллизацию.

На этой стадии белок превращается в трехмерный (или двумерный) кристалл. При этом кристаллизация может проводиться как в лабораторных условиях, так и в условиях микрогравитации на космической станции. Затем атомную структуру полученного белкового кристалла расшифровывают с использованием синхротронного излучения (рис. 14), нейтронов и др.

Рис. 14.

Полученные данные обрабатываются с использованием суперкомпьютера – также части НБИК-инфраструктуры. Фоточувствительный белок с хорошо изученной структурой, свойствами и функциями необходимо соединить с твердотельной подложкой, которая в свою очередь должна быть превращена в некий прообраз электронной схемы. Это очень приблизительное, схематическое, но понятное описание использования НБИК-инфраструктуры для получения гибридных материалов и систем на их основе.

Социогуманитарные науки — новый этап в конвергенции НБИКС-технологий

Помимо перечисленных подразделений в НБИК-инфраструктуру входит: суперкомпьютерный центр, медико-биологическое подразделение, подразделение когнитивных исследований и технологий, состоящее из нейрофизиологического блока и гуманитарной части.

Развивая когнитивные исследования, мы пытаемся реализовать принципиально новый подход. С одной стороны, мы изучаем процессы сознания с помощью нейронаук, физиологии и молекулярной биологии, а с другой стороны, одновременно привлекаем гуманитариев различных специальностей: философов, психологов, социологов, лингвистов, этнографов и др. Поясню, что, изучая поведение человека или животного в момент принятия решения, мы смотрим на распространение сигнала по нейронным сетям, возбуждение различных отделов мозга с нейрофизиологических позиций, далее опускаясь на молекулярный уровень. С другой стороны, одновременно мы можем исследовать этот же процесс с помощью гуманитарных технологий, например, изучая поведенческие, речевые, психологические и другие особенности.

Привлечение гуманитарных технологий дает нам право говорить о создании новой конвергентной НБИКC-технологии, где «С» – это социальные гуманитарные технологии.

Напомню, что при создании НБИК-инфаструктуры, ставя перед собой цель создания гибридных материалов, мы опирались на экспериментальную базу Курчатовского института, состоящую из МЕГА-установок – специализированного источника СИ и нейтронного реактора, стоимость которых составляет миллионы долларов. Но уникальность этого комплекса, дополненного большим количеством исследовательских методик и приборов, позволила нам сформировать «попутно», без специальных затрат, целый ряд принципиально новых современных исследовательско-технологических платформ, крайне важных для прорыва на ключевых направлениях научно-технологического развития.

Приведу ниже эти платформы.

Исследовательско-технологические платформы для создания:

Технологий изотопного материаловедения и ядерной медицины – развитие нейтронной и нейтрон-захватной терапии, инновационные радиофармпрепараты, новые материалы (ИЗОТОП), влияние излучений и частиц на живые организмы (БИОРАДИАЦИЯ);

Многоуровневого компьютерного моделирования и конструирования (суперЭВМ).

Конвергентное образование

В настоящее время в Курчатовском НБИК-центре мы создаем прообраз производства будущего, включающий в себя уникальное нанобиотехнологическое производство; исследовательско-диагностические и технологические возможности на базе МЕГА-установок – источников синхротронного излучения и нейтронов и космической станции; основные элементы и технологии полупроводниковой микроэлектроники; подразделение когнитивных исследований и разработок, состоящее из нейрофизиологической и гуманитарной частей.

Все эти чрезвычайно сложные технологии требуют специалистов принципиально нового класса, подготовленных уже на междисциплинарной основе. При этом таких междисциплинарно образованных специалистов не должно быть много, на сегодняшний день это, можно сказать, элита научного сообщества (рис. 15). Наш первый опыт подготовки таких ученых – совместная кафедра физики наносистем на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова и РНЦ «КИ», которая успешно работает с 2005 года. Студент, получив степень бакалавра по одной специальности, затем поступает в магистратуру, где уже нет разделения по специальностям, а производится «интегрированное» обучение. Поскольку количество читаемых курсов формально превышает учебный план, у студентов есть возможность выбора индивидуальной траектории. Студенты нашей кафедры могут работать на уникальном оборудовании и в МГУ, и в РНЦ «Курчатовский институт», и в ряде академических институтов, в первую очередь в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН.

Рис. 15.

Следующий наш образовательный проект – созданный в мае 2009 года в Московском физико-техническом институте факультет нано-, био-, информационных и когнитивных технологий (ФНБИК), не имеющий на сегодня мировых аналогов (рис. 16). В новой структуре мы постарались наиболее полно реализовать идею непрерывной междисциплинарной подготовки специалистов в области нанотехнологий, конвергентных технологий. Для этого у РНЦ «КИ» есть четыре базовые школы, где занятия по физике и математике ведут наши ученые. На новом факультете уже с первого курса идет преподавание химии, биологии, когнитивных наук. Студенты факультета имеют возможность не просто прийти посмотреть на НБИК-центр, но и начать здесь работу. Но главное, у них есть возможность получать навыки работы на самом современном оборудовании, работая бок о бок с ведущими учеными, участвуя в творческом процессе.

Рис. 16.

Я думаю, сегодня можно уже с уверенностью сказать, что Курчатовский НБИК-центр конвергентных наук и технологий по праву занимает лидирующие позиции среди ведущих научных центров мира, а для всей российской науки создан серьезный задел, заложены основы для прорыва.

НБИКС-технологии — основа природоподобной энергетики XXI века

В заключение я хотел бы снова вернуться к мировому кризису, связанному с конечностью используемых ресурсов, в первую очередь энергетических. Напомню, что устойчивое развитие цивилизации прежде всего связано с достаточным энергообеспечением.

Качество жизни в конечном итоге определяется количеством потребляемой энергии. Именно поэтому сегодня в мире самое пристальное внимание уделяется вопросам развития энергетики. Наряду с традиционной углеводородной энергетикой активно развиваются новые энерготехнологии, переживает ренессанс атомная энергетика, большинство развитых стран реализуют глобальный проект по созданию международного термоядерного реактора ИТЭР – прообраза энергетики будущего (рис. 17).

Рис. 17.

При этом большое внимание уделяется так называемым возобновляемым источникам энергии, среди которых особое место занимает солнечная энергетика.

Несмотря на то что возобновляемая солнечная энергетика технологически развивается уже многие десятилетия и эффективность солнечных элементов существенно выросла, все же солнечная энергетика так и не смогла стать мощным энергетическим ресурсом. Почему же солнечная энергетика до сих пор не может стать мощной, адекватной современности энерготехнологией? Природа использует и запасает солнечную энергию через процесс фотосинтеза. В солнечной энергетике мы моделируем этот природный процесс переработки солнечной энергии, но вместо недоступной пока для воспроизведения сложной биоорганической структуры зеленого листа используем модельную полупроводниковую структуру.

Но живая природа сама по себе – очень «экономный» пользователь энергии, она правильно самоорганизована, и ей с лихвой хватает «маломощной энергетики фотосинтеза». В нашей современной жизни мы используем искусственно созданные нами машины и механизмы, потребляющие колоссальное количество энергии. Для их энергоснабжения в принципе не может хватить возможностей экономичных, «природоподобных» энерготехнологий.

Наряду с развитием и совершенствованием существующих технологий перед человечеством стоит сложная и амбициозная задача – создание принципиально новых технологий и систем использования энергии, то есть замена сегодняшнего конечного энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы.

Сегодня уже очевидно, что это можно сделать, «запуская будущее» на базе конвергентных нано-, био-, инфо-, когно-, социогуманитарных (НБИКС) технологий.

Список литературы

1. Bainbridge M.S., Roco M.C. // Managing nano-bio infocogno innovations: converging technologies in society. Springer. 2005. Веркор, Коронель // «Квота или «Сторонники изобилия». М: Прогресс, 1970.

2. Ковальчук М.В. // Кристаллография на рубеже веков: итоги и перспективы. Кристаллография. № 44 (6). 1999.

3. Ковальчук М.В. // Органические наноматериалы, наноструктуры и нанодиагностика. Вестник Российской академии наук. № 73 (5). 2003.

4. Ковальчук М.В. // Нанотехнологии как новая технологическая революция. Индустрия наносистем и материалы. Сборник Министерства образования и науки РФ. 2008.

Автор: М.В. Ковальчук, Журнал «Российские нанотехнологии» № 1–2 2011 год.

Источник

Конвергенция и наукоемкие технологии что это