Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата

Селективные технологии применялись в первую очередь для извлечения редких либо дорогостоящих химических соединений из растворов малых концентраций и загрязненных растворов различного происхождения. В медицине и фармацевтике они применялись для качественной очистки биологических растворов, как в лабораторных условиях, так и в составе живых организмов, что являлось перспективной новацией. Еще одной областью применения являлось извлечение из природных и искусственных растворов больших количеств полезных химических соединений массового применения. Себестоимость извлечения таких недорогих веществ была достаточно высока, однако быстро уменьшалась по мере распространения новых технологий. Для извлечения больших количеств полезных веществ конструировались специфические белки длительного использования, способные к регенерации своих свойств. Как правило, белковые молекулы крепились химическим путем к инертной керамической подложке, выполняющей конструкционные и защитные функции.

Большое внимание ученые уделяли изучению эволюционных наработок Природы. Так изучение морских организмов, концентрирующих в себе отдельные химические элементы и соединения, позволило расшифровать структуру нескольких десятков белков, избирательно связывающихся с теми либо иными компонентами, растворенными в морской воде. Оптимизация компьютерных моделей и конструирование оптимальных последовательностей нуклеотидов привели к созданию искусственных микроорганизмов, продуцирующих промышленные количества белковых молекул, способных селективно связывать некоторые полезные компоненты из водных растворов. Первыми кандидатами на извлечение из морской воды стали благородные и редкоземельные металлы. Значительный интерес также вызывала возможность добычи из природных и технологических водных растворов радиоактивных элементов с целью использования их в энергетических и военных установках. Эту задачу чрезвычайно сложно было реализовать на практике. Повышенная радиоактивность резко снижала эффективность функционирования белковых молекул и приводила к их быстрому разрушению из-за сильного радиохимического действия на атомы составляющих элементов. Применение белковых молекул для обогащения и концентрации радиоактивных элементов, требовало создания дополнительных систем ремонта и жизнеобеспечения этих белковых молекул. Выполнение новых дополнительных функций требовало перехода на следующий уровень сложности – уровень простейшего организма, который совмещал бы в себе технологические и поддерживающие собственное существование действия.

Казалось, что при помощи селективных технологий вот-вот станет возможным извлечение из неагрессивных растворов любых веществ. Однако такой заманчивый результат был делом завтрашнего дня. Реальностью дня сегодняшнего являлось конструирование белковых молекул с заданными свойствами, для этого существовали научные и технологические предпосылки. Трудности начинались при взаимной увязке последовательностей нуклеотидов, кодирующих синтез сложных белковых молекул, поскольку еще недостаточно было собрано данных о взаимосвязях вида «ген – белок», чтобы уверенно оперировать такими строительными блоками как гены. Поэтому при конструировании белковых молекул избирательного действия за основу часто приходилось брать расшифрованные природные последовательности нуклеотидов, кодирующих близкие аналоги конструируемых молекул.

Расцвет биохимии, цитологии, генной инженерии, каталитической химии и других наук, основанных на использовании свойств вещества, был предопределен небывалыми возможностями компьютерного моделирования, которые базировались на сверхмощных компьютерах и совершенном программном обеспечении. В ближайшей перспективе вырисовывались контуры новой интегральной технологии – компьютерного конструирования вещества с заданными свойствами. Под термином «вещество» следовало понимать как неорганические соединения, так и объекты органической химии, в том числе сложные и сверхсложные соединения, участвующие в биохимических реакциях живых организмов. Основной задачей такой интегральной технологии являлось улучшение, оптимизация химических процессов, создание новых совершенных веществ и реакций, за счет максимального использования свойств вещества. Конструирование новых химических соединений и реакций в виртуальной среде позволяло обойтись без сотен миллионов натурных опытов, экономя тем самым ресурсы и время всей планеты, сокращая сроки, необходимые для создания тех или иных материальных благ. Но это все еще во многом было делом будущего. А пока технологии компьютерного конструирования новых веществ отрабатывались на множестве отдельно существующих моделей (уровней единого пространства виртуального моделирования), используемых в генетике, фармацевтике, каталитической химии и других науках. Для объединения всего наработанного опыта в рамках одной технологии требовались компьютерные мощности в сотни миллионов терафлоп и универсальное программное обеспечение, позволяющее работать с различными базами данных, большинство из которых формировалось на основе специализированных и локальных программ.

Действительно, в десятках стран и тысячах научных учреждений по всему миру нарабатывался исследовательский материал в области биотехнологий, генного и химического конструирования. Влияние субъективных факторов, таких как секретность, амбиции, стремление получить сверхприбыль приводило к тому, что многие уже имеющиеся научные данные не могли быть сведены в единую картину и охвачены универсальным программным обеспечением. А ведь зачастую открытия таились в мелочах, которые терялись в брешах и не состыковках полученных данных. Для дальнейшего движения вперед требовалось создать единую базу полученных данных и универсальное программное обеспечение, что позволило бы обозреть реальную картину знаний, наработанных учеными всего мира. Крупнейшие мировые производители мягкого товара взялись за эту колоссальную задачу. Они понимали что тот, кто первым сможет предложить универсальное программное обеспечение, получит хорошие шансы стать монополистом в ближайшем будущем, когда компьютерное моделирование и конструирование станут неотъемлемой частью всех промышленных, развлекательных и обучающих технологий. Программное обеспечение, объединившее сегодня разрозненные базы данных и компьютерные модели биологических и химических наук в единое целое, завтра объединит в единую картину все существующие науки о Природе, а несколько позже позволит оперировать в пространстве виртуального моделирования всеми знаниями, наработанными человечеством. Что и говорить, перспективы развития были очень впечатляющими, и это привело к тому, что конкуренция и отношения между предприятиями различных форм собственности, разрабатывающими программное обеспечение, стали максимально жесткими и прагматичными.

К концу второго десятилетия нового века мощность суперкомпьютеров достигла поразительных величин. В большинстве развитых стран мира успешно эксплуатировались десятки суперкомпьютеров, каждый мощностью один миллион Терафлоп. Столь разительное увеличение мощности компьютеров определялось совершенной элементной базой и внедрением новых технологий. На практике была реализована теоретическая возможность запоминания, и передачи одного бита информации с помощью одного электрона, причем сделано это было на традиционных плоских и объемных микросхемах. Быстрыми темпами развивались молекулярные и субмолекулярные технологии, позволяющие экспоненциально увеличить обрабатывающую мощность компьютеров. К ним можно было отнести технологии, использующие модифицированные нанотрубки, биологические молекулы, в том числе ДНК, а также квантовые технологии, основанные на использовании субатомных частиц в качестве рабочих элементов. Несколько особняком находились технологии, использующие фотоны вместо электронов для передачи и обработки информации.

На всех этих направлениях в последние годы произошел существенный прорыв. Результатом этого стало появление персональных компьютеров с обрабатывающей мощностью десять в четырнадцатой степени операций в секунду. Такие высококлассные машины имели высокую цену, но выгода от их применения многократно превышала затраты, поэтому новые компьютеры были приобретены многими научными учреждениями мира, как рабочий инструмент для ведущих специалистов. Эти вычислительные машины были включены круглосуточно. В нерабочее время они автоматически подключались к мировой компьютерной сети для решения сложных и актуальных задач современности. Общая мощность всепланетной вычислительной сети, которая теоретически могла быть задействована для решения сверхсложных задач, составила на конец 2019 года более миллиарда Терафлоп.

Значительные мощности персональных компьютеров, а также новое поколение систем объемной компьютерной визуализации способствовали созданию бытовых трехмерных дисплеев, формирующих динамичное объемное изображение непосредственно в воздухе. Использование такого оборудования увеличило эффективность труда специалистов самых разных профессий. Возможность визуального наблюдения за изменениями внутри моделируемого объекта или процесса была чрезвычайно важна как для инженеров и конструкторов технических профессий, так и для разработчиков новейших технологий в генетике, биологии, химии и т.п.

Очень привлекательной была возможность проведения постоянно действующих конференций по различным проблемам науки и техники, на которых информация и гипотезы представлялись в виде динамичных трехмерных изображений. Для одновременного участия в обсуждении таких проблем нескольких десятков человек, участников одного проекта, работающих в различных городах мира, разрабатывались большие системы объемной компьютерной визуализации. Термин дисплей для больших систем объемной компьютерной визуализации не применялся, поскольку сходство между такими системами и традиционным дисплеем компьютера было весьма отдаленным. Внедрение первых больших систем объемной компьютерной визуализации в ведущих научных центрах мира способствовало сокращению числа научных конференций и дискуссий, требующих личного присутствия ученых, а также уменьшило необходимость личных контактов между учеными. Действительно, что может быть более понятным и доходчивым, чем открытие, мнение либо замечание, изложенное в виде динамичного трехмерного изображения, в деталях отображающего исследуемый процесс или явление. Вместе с тем необходимость изложения разных мнений в единой, доступной для общего понимания форме динамичного трехмерного изображения, потребовала разработать единые стандарты на создание трехмерных изображений и компьютерных моделей. Это было осуществлено своевременно и оперативно. Единые стандарты устанавливали единый язык общения для ученых всего мира, унифицировали программное обеспечение, систематизировали информацию и в конечном итоге сокращали время, необходимое для новых разработок, исследований, проверки научных гипотез и предположений.

С позиций создания единого пространства виртуального моделирования (ЕПВМ), все, что происходило во втором десятилетии в области компьютерного моделирования, являлось первым этапом перевода накопленных знаний в виртуальную форму, разработкой простейших уровней, отображающих реалии окружающего материального мира. Эти первые уровни ЕПВМ являлись первыми кусочками небывалой мозаики, из множества которых в будущем будет слагаться единая компьютерная модель мироздания, оснащенная системами интерактивного доступа к каждому уровню и системами обновления и корректировки взаимосвязей между уровнями.

Интенсифицировалось изучение процессов запоминания и мышления, происходящих в мозгу человека. Итогом этих исследований стало понимание в целом физиологических и биохимических механизмов запоминания и мышления. Недостающие знания были получены при помощи томографов нового поколения, способных отслеживать изменения и распределение электрической активности, температуры и некоторых других параметров в участках головного мозга человека. Свою лепту в изучение внутримозговых процессов внесли и биохимики, которые расшифровали молекулярную структуру многих соединений, принимающих участие в процессах запоминания, и определили последовательности биохимических реакций, обслуживающих процессы запоминания.

Полученные знания создали хорошие предпосылки для разработки новых способов ввода информации в мозг человека, основанных на использовании традиционных информационных каналов (зрение, слух, обоняние, тактильные ощущения и др.), а также на новых оригинальных идеях. Основной подход базировался на доказанной возможности контролируемой перезаписи информации, хранящейся в подсознании человека, в те участки мозга, которые содержат информацию для осознанного повседневного использования.

Как известно, человеческий мозг хранит в подсознании практически всю информацию, полученную в течение жизни. Но подавляющая ее часть не может быть быстро извлечена и использована для решения возникшей проблемы или просто по желанию. Причина заключается в отсутствии природного механизма, который бы позволял подключать для оперативной работы головного мозга резервы информации, хранящиеся в подсознании. Отсутствие такого механизма является одним из элементов защиты человеческого мозга от информационных перегрузок, приобретенным в процессе эволюции. Значимость подобного механизма для современного человека, обладающего развитым интеллектом и повышенным самоконтролем, весьма сомнительна. С одной стороны излишне загромождать сознание человека постоянными заботами о правильном функционировании всех систем жизнеобеспечения организма, с другой стороны в жизни человека бывают моменты острой необходимости, когда ситуация требует выложиться на пределе собственных возможностей. И в таких случаях возможность ручного управления системами жизнеобеспечения организма может быть крайне желательна.

Однако Природа все же предусмотрела существование механизмов частичного избирательного перевода информации из подсознания в сознание человека, что подтверждается существованием таких явлений как вспоминание во сне и интуиция. Эти механизмы стали основой технологии запоминания больших объемов информации. Реализуемый подход базировался на совершенствовании и улучшении природных механизмов избирательного перевода информации из подсознания в сознание, и целью своей ставил оперирование большими объемами информации. Перевод информации из подсознания в сознание человека осуществлялся в два этапа. На первом этапе информационные массивы вводились в подсознание человека в то время, когда человеческий мозг находился в особом психическом состоянии (под гипнозом, в состоянии медитации, под действием психотропных препаратов). После этого на втором этапе осуществлялось «проявление» полученной информации или перезапись информации в сознание человека и ее закрепление там. Для этого использовались методы комбинированного воздействия на отдельные участки головного мозга и нервные окончания всего организма переменными электромагнитными полями и фармацевтическими препаратами.

Первые опыты были обнадеживающими. Главная трудность заключалась в том, что для перевода информации в подсознание требовалась высокая точность избирательного воздействия физических и химических методов на определенные участки человеческого мозга. С увеличением числа экспериментов необходимая точность была достигнута. И если первые опыты касались «проявления» полученной подсознанием информации, то в ближайшей перспективе просматривались возможности введения в мозг человека нужных поведенческих программ, алгоритмов мышления, профессиональных навыков. При этом сроки запоминания необходимых объемов информации составляли бы, как ожидалось, считанные часы и дни вместо многих лет традиционного обучения.

Совершенствовались нанотехнологии создания материалов с заданными свойствами. Подобные материалы были предназначены для применения в различных отраслях мирового хозяйства. Изначально технологии молекулярной сборки материалов были ориентированы на потребности электронной промышленности, где требовалась особая чистота применяемых материалов, высокая точность взаимного расположения составляющих элементов и сверхточная дозировка вносимых примесей. Подобные требования ставились перед электронной промышленностью прежде и выполнялись известными физическими и химическими способами. Уменьшение количества вносимых примесей до нескольких атомов, переход к производству трехмерных микросхем, колоссальное уменьшение размеров всех активных элементов, повышенные требования к надежности привели к появлению новых технологических решений. При производстве объемных микросхем каждого типа стал применяться индивидуальный набор каталитических и абсорбционных матриц, которые последовательно осуществляли формирование объемной структуры микросхемы, присоединяя необходимые молекулы и атомы к основе микросхемы. Питательной средой, если уместно в данном случае применить биологический термин, несущей в себе необходимые элементы являлись особо чистые растворы и газовые смеси.

Технологии каталитических и абсорбционных матриц базировались на принципах избирательного выделения из растворов и газовых смесей необходимых химических соединений и избирательного присоединении этих химических соединений к определенным молекулам строящегося объекта. С успехом использовались и обратные принципы – избирательного отъема атомов и молекул из строящегося объекта. В общем случае, нанотехнологии разбудили фантазию ученых и техников многих специальностей, и это привело к появлению множества удачных технологических решений. Новые технологии постепенно приближались к природным технологиям строительства элементов биологических систем. Поэтому в ходе многочисленных исследований, направленных на совершенствование нанотехнологий, зачастую использовались биологические объекты, такие как антитела, ферменты, природные и искусственные катализаторы, а также их комбинации с неорганическими соединениями.

Как всегда, массированная атака очередной проблемы профессионалами разных специальностей привела к положительным результатам. Методами молекулярной сборки вещества были получены качественные объемные микросхемы. Первые успешно работающие образцы многослойных микросхем сделали реальной перспективу производства микросхем неограниченных размеров (на практике пока существовали технологические ограничения). Иными словами в ближайшем будущем ожидалось массовое производство «компьютерного» вещества, на основе которого можно будет изготавливать процессоры требуемой мощности. Как тут не вспомнить о сером веществе человеческого мозга. Таким образом, производство объемных микросхем методами молекулярной сборки открыло новую эру производства сложно структурированных материалов с заданными свойствами.

Технологические решения, используемые при производстве объемных микросхем, а именно применение каталитических и абсорбционных матриц для создания материалов с заданными свойствами, начали широко применяться в различных отраслях промышленности. Сам термин «материалы с заданными свойствами» был довольно емким по своему содержанию. Он включал в себя как особо чистые химические элементы и соединения, так и материалы со сложной структурой, полученные на их основе. Этим термином определялись также и функциональные органические ткани, производство которых методами молекулярной сборки являлось делом ближайших десятилетий. Различные комбинации требований к материалам с заданными свойствами, определяли сложность их трехмерной структуры, химический состав, чистоту используемых химических элементов и соединений, а также технологические нюансы. На фоне множества подобных задач производство «компьютерного» вещества не являлось особо сложной задачей, как не являлось и чрезмерно легкой. При производстве целого ряда материалов с заданными свойствами использовались более сложные технологии, чем при производстве «компьютерного» вещества. И напротив некоторые материалы с заданными свойствами, например, ряд конструкционных материалов, могли быть получены быстро и в промышленных масштабах.

Самое пристальное внимание было обращено учеными и технологами на улучшение и разработку новых керамических материалов. Перспективным являлось как получение чистых керамических порошков для последующего спекания, так и производство готовых деталей и заготовок. Интерес к керамике был обусловлен большим разнообразием керамических материалов (металлокерамика, стеклокерамика, полимерная керамика и т.п.), широким диапазоном их химико-физических свойств, и соответственно широкой областью применения. Одним из основных направлений являлось производство керамических проводников, обладающих эффектом сверхпроводимости при комнатной температуре. Получить такие свойства можно было за счет упорядочения внутренней структуры керамических материалов, введения дополнительных расчетных химических соединений, обеспечения особой чистоты компонентов и т.п. Вторым направлением являлось производство керамик с заданными свойствами для применения в качестве конструкционных материалов в машиностроении, авиации, космическом машиностроении, военном деле. Для этих отраслей промышленности требовался большой спектр керамических материалов, обладающих различными сочетаниями физико-механических свойств. К числу таких свойств относились предельная жаропрочность, износостойкость, химическая инертность, твердость, пластичность, долговечность и многие другие. Еще одним важным потребителем, нуждающимся в специализированных керамиках, являлась медицина. Именно для потребностей здравоохранения необходимы были долговечные и биологически инертные материалы для имплантации, заменители зубов и костей, а также конструкционные материалы для искусственных органов, совместимые с механическими и кибернетическими устройствами.

С особым пристрастием, которое объяснялось угрозой исчерпания не возобновляемых энергоресурсов, учеными многих стран разрабатывались способы промышленного получения молекулярного водорода. Наиболее перспективным казался подход, реализуемый в природе как первая стадия фотосинтеза, то есть разложение молекул воды под действием солнечной даровой энергии. Весьма многообещающим на этом пути являлось создание искусственных катализаторов, способных расщеплять молекулы воды, используя энергию окружающей среды. К концу десятилетия исследования ознаменовались первыми значительными успехами. Изучение механизмов природных фотокаталитических реакций, более известных нам как реакции фотосинтеза, способствовало созданию десятка различных по строению фотосенсибилизаторов – веществ повторяющих первую стадию фотосинтеза, а именно осуществляющих разложение воды на молекулярный водород и кислород. Применение в лабораторных установках некоторых из них позволило осуществить фотокаталитическое разложение воды в условиях естественного дневного освещения. Отдельные образцы фотосенсибилизаторов имели высокую стойкость и не требовали обновления в течение двух-трех недель. Коэффициент полезного действия искусственных фотокаталитических систем разложения воды, посчитанный как отношение теплоты сгорания полученного водорода к величине использованной солнечной энергии, в отдельных случаях достигал пятнадцати процентов, что являлось очень высоким результатом, и позволяло перейти к промышленному получению молекулярного водорода.

Интенсивно осуществлялась разработка улучшенных фотокатализаторов, воплощающая в натуральном виде результаты компьютерного моделирования и конструирования. Построенные на расчетных принципах, эти химические соединения осуществляли разложение воды на основе не существующих в природе фотохимических реакций. Создание эффективных искусственных фотокатализаторов для производства водорода из воды требовало множества сложных вычислений, и являлось достаточно трудоемким делом. В конце десятилетия произошел качественный скачок в технологиях компьютерного конструирования, что привело к созданию целого семейства эффективных фотокатализаторов. Искусственные химические соединения представляли собой сложные молекулы с развитой пространственной структурой, которые максимально эффективно осуществляли отрыв атома водорода от молекулы воды. Эффект отрыва основывался на создании вокруг атома водорода локального пространства с расчетным распределением электронной плотности и на использовании энергии фотонов. Новые фотокатализаторы имели коэффициент полезного действия всего несколько процентов, что было явно недостаточно, однако они имели и существенные достоинства, такие как инертность к большинству химических соединений, долговечность, возможность использования энергии низкоэнергетических фотонов (красного света). Дальнейшее совершенствование таких фотокатализаторов имело хорошие перспективы для производства промышленных количеств водорода в холодное время года, а также в утренние и вечерние часы, когда солнечный свет теряет свою интенсивность и высокоэнергетическую составляющую.

В результате научных и технических достижений последних лет сырьевая база мировой энергетики начала менять свою структуру и смещаться в сторону использования молекулярного водорода. Фотокаталитический способ получения молекулярного водорода из воды имел кроме известного экологического преимущества (продуктом горения водорода в кислороде является вода) еще один важный положительный аспект. При использовании свежеполученного водородного горючего солнечная энергия, запасенная в молекулах водорода, аккумулировалась и выделялась в окружающую среду в реальном времени. Напротив использование таких энергоресурсов как газ, нефть, уголь, торф приводило к выделению в окружающую среду тепловой энергии, аккумулированной миллионы лет назад, что нарушало сложившийся тепловой баланс планеты. Таким образом, массовое использование водорода в энергетике исключало дополнительный нагрев окружающей среды, как это было в случае использования природных энергоносителей, и приводило лишь к незначительному перераспределению солнечной энергии в пространстве и времени.

Использование водорода в энергетике было в целом оправдано с экологической точки зрения. Однако существовали и некоторые негативные моменты. Одним из них являлось неизбежное загрязнение атмосферы окислами азота, как следствие применения в качестве окислителя не чистого кислорода, а неподготовленного воздуха. Для решения этой проблемы требовалось разработать дополнительные системы обеспечения водородных энергетических установок очищенным кислородом. В свою очередь это требовало разработки новых и совершенствования существующих мембранных технологий.

Кроме этого требовалось разработать и создать множество новых машин, механизмов и технологий, решить проблемы безопасности при хранении, транспортировке и использовании водородного горючего. Нельзя сказать, что это были неисследованные темы и направления. Давно уже велись работы по переводу транспорта, авиации, энергетики на водородное горючее. Появление возможности производить дешевый водород ускорило эти исследования и работы. В краткие сроки учеными были предложены несколько новых технологий хранения водорода. В качестве базовой была принята технология хранения водорода в межмолекулярных пространствах химических соединений. Для этого использовались как природные цеолиты, подвергнутые улучшению, так и новые пористые материалы молекулярной сборки. Данные материалы были химически нейтральны по отношению к водороду и одновременно являлись сосудом, препятствующим самопроизвольному выходу легкого газа в окружающую среду. Также для хранения водорода в химически связанном виде использовались сплавы на основе лантана, титана, никеля и других металлов.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: индия реферат, учебный реферат.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата