Перспективные материалы, технологии и окружающая среда

Обновление технической базы различных энергосистем и промышленных предприятий требует внедрения перспективных материалов и новейших технологий, которые прямо или косвенно способствуют сохранению окружающей среды. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы, производство которых основано на современных технологиях.

Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструментов, различного рода машин и т. п. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые технологии, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Например, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металлоорганических соединений. При выжигании полимерного скелета в металлоорганическом полимере, скрученном в нить, образуется высокотермостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия.

Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами. Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего, например, из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно большому отношению прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т. п.

В последние десятилетия уделяется большое внимание разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т. п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в широких пределах – от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени уже налажена технология формирования микроэлектронного элемента с минимальным размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.

Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно развивается биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК. В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только пол дела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как могут удачно сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.

Более двадцати лет назад в калифорнийском Стенфордском университете двум ученым впервые удалось заменить у бактерии ее наследственный материал на чужеродный, взятый у бактерии-донора. Такой метод перестройки живого организма назвали генной инженерией. Он лежит в основе современных генных технологий. По разным направлениям распространялся стенфордский опыт. Обратили на него внимание и в пищевой промышленности. Молочное, сыроваренное производства, выпечка хлеба, изготовление колбас, пивоварение и многое другое основано на жизнедеятельности микроорганизмов. Крупные пищевые концерны издавна имели лаборатории, где вели отбор, селекцию наиболее действенных производительных штаммов бактерий, придающих желательный вкус продукту. Лучшие разновидности невидимых тружеников фирма-хозяин строго засекречивала.

Производительные бактерии использовались для того, чтобы получать самоконсервирующееся молоко, быстрые в приготовлении сыры, хороший хлеб, глюкозу, сиропы и многое другое. Ферменты были так усовершенствованы генной инженерией, что перевернули технологию производства многих продуктов. Так. в 1991 г. фирма, изготавливающая бульонные кубики, отказалась от старого способа их получения с участием соляной кислоты. В новой, более безопасной, технологии действуют высокоактивные ферменты. В США стали получать сахар из кукурузы и пшеницы. Особый микроб превращает это сырье в сироп, который затем поступает на рафинадный завод. Сироп обходится на треть дешевле, нежели из тростника, который поставляли в США Филиппины.

Сейчас в мире действуют более 3 тыс. лабораторий, работающих с генами. Биотехнологические фирмы рассчитывают в ближайшее время в 16 раз увеличить свои обороты. Генная технология вторгается в наследственный материал растений и животных прежде всего сельскохозяйственных. Например, картофель претерпел несколько полезных превращений. Получены клубни, не боящиеся падений, ударов – важное качество при транспортировке и хранении. Другой сорт – для стола, содержит мало крахмала, но много высокоценных протеинов. Третий сорт дает много крахмала.

С применением генетических операций, выведен два сорта помидоров. Один из них не подвержен быстрому загниванию, а другой – содержит сравнительно мало воды. С помощью генных технологий получены не подверженные заболеваниям растение какао, стойкая к заморозкам клубника, кофейные зерна без кофеина. Благодаря вмешательству человека в их наследственность улучшены качества десятков сельскохозяйственных культур. Достигнуты первые успехи и в животноводстве. Корректировка наследственности, например у свиньи, позволила вывести новую породу животных, лишенных такого недостатка, как излишняя жирность: свинина становится диетическим мясом. Другое новшество: корова дает молоко, не скисающее в тот же или на следующий день, как обычно, потому что это молоко уже включает в себя консервирующие вещества, вырабатываемые самим организмом животного.

Лаборатории, занимающиеся разработкой генных технологий, воодушевлены первыми удачами. Ученые уверены, что в недалеком времени они смогут передать сельскому хозяйству такое разнообразие растений и животных, улучшенных их методами, что можно будет удовлетворить все человечество продуктами питания. При этом речь идет не только о количестве, но и о качестве. Уже сегодняшние успехи генных технологий убеждают, что люди в XXI в. не столкнутся с голодом.

Примерно треть выращенного урожая обычно гибнет от вредителей полей, огородов и садов. Человек давно ищет средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями. После Второй мировой войны появился дуст (ДДТ) и казалось, что победа над ними одержана. Однако этот легкий порошок вовсе не безвреден для человека. Начались новые поиски. Очень перспективным оказался биологический метод борьбы с сельскохозяйственными вредителями, в частности, использование насекомых – трихограмм, которые откладывают свои яйца в яйца вредителей и тем губят их. Сейчас в 93 странах работают с этими насекомыми, стараясь приспособить их к различным условиям – климату и виду вредителей. Есть попытки применять трихограммы против плодожорок и листоверток. Однако применять их возможно лишь в крупных хозяйствах, поскольку растения надо обрабатывать сверху, рассыпая с самолета выведенных в лаборатории насекомых.

Другой, менее распространенный способ биологической борьбы – применение бактериальных токсинов. Но и здесь есть свои сложности. Насекомые-вредители обладают способностью вырабатывать устойчивость к пестицидам. Ученым каждый раз приходится варьировать бактериальный токсин, получая его от разных штаммов бактерий. Последняя надежда – ввести токсин в наследственный материал защищаемого растения, т. е. на помощь приходят генные технологии. Пока что в лаборатории удалось внедрить ген, управляющий синтезом яда, в хлопчатник. Уже выращены первые кусты, сумевшие противостоять вредителям. Через некоторое время специалисты рассчитывают внедрить новый хлопчатник на производственных площадях. Хлопок – культура важная, но не продовольственная. А как будет вести себя токсин в картофеле или яблоке? Современные средства защиты растений могут действовать на вредных насекомых, например тлей, и при этом не травить полезных, таких, как златоглазка.

Изучение свойств вещества на молекулярном уровне дает свои плоды. Химические предприятия сегодня, по крайней мере те, что создаются на основе новых технологий, не отравляют, как раньше, атмосферу своими выбросами и не заваливают землю ядовитыми отходами. Их современная продукция не содержит вредных для природы и человека компонентов. Вот несколько примеров. Известно, что долгое время основой моющих средств были соединения фосфора, которые после того, как они отработают, попадали со стоком воды в водоемы, фосфор стимулировал бурный рост водорослей, которые выбирали из воды весь кислород, и вода становилась мертвой. Новые моющие вещества делаются уже не на фосфорной основе, а потому их сбросы не несут смертельной опасности водоемам.

Другой пример. Для окружающей среды опасны хлорорганические соединения, которые широко используются в производстве целлюлозы. Но вот недавно германский популярный еженедельник «Штерн» напечатал весь свой тираж на бумаге шведской фирмы, производство которой обошлось без хлора. Тонны бумаги, потребовавшейся для тиража, – это первый шаг к облегчению нагрузки на природу, который уже сделан гигантской целлюлозно-бумажной промышленностью – главным в мире потребителем хлора.

Наконец, третий пример нового подхода так называемой, «мягкой» химии к важнейшему своему продукту – инсектицидам. Химики Японии, Англии, США, следуя законам живой природы, синтезировали аналог действующего натурального вещества, входящего в состав давно известного людям пиретрума, выделяемого из далматской ромашки. А потому группу синтезированных соединений назвали пиретроидами. Уже применяют несколько препаратов, изготовленных на этой основе. Ими были обработаны поля картофеля и томатов. Итоговые анализы показали, что в плодах обработанных культур не содержится сколько-нибудь заметных остатков испытываемых препаратов, которые могли бы представлять какую-либо опасность для человека.

Обширный фактический материал, взятый из практики и научных разработок, говорит о том, что ростки нового обещают человечеству безбоязненное вступление в наступающий век. Новейшие технологии получает простор для своих действий, направленных на решение одной из важнейших задач – сохранения среды нашего обитания.

Контрольные вопросы

1. Как изменяется потребление природных энергетических и сырьевых ресурсов с течением времени?

2. Чем обусловливается рост цен природного газа и нефти?

3. Каковы перспективы использования угля в качестве энергетических и сырьевых ресурсов?

4. Какую часть добываемой нефти потребляет химическая промышленность?

5. В чем заключается обновление технологии производства энергии?

6. Какие требования предъявляются к современным энергосистемам?

7. Чем обусловливается необходимость модернизации технической базы промышленности?

8. Охарактеризуйте основные направления модернизации технической базы одной из отраслей промышленности.

9. Какими качествами должен обладать современный автомобиль?

10. Чем обусловливается низкая эффективность использования автотранспорта?

11. Как можно повысить эффективность использования автотранспорта?

12. В чем заключаются экологические проблемы городов?

13. Чем отличаются современные города от древних?

14. Каковы экологические особенности мегаполисов?

15. Охарактеризуйте способы утилизации вредных газов.

16. Какова технология утилизации бытовых отходов?

17. Как производят захоронение радиоактивных отходов?

18. Результаты каких наблюдений в естественных условиях вселяют уверенность о надежности захоронения радиоактивных отходов под землей?

19. Возможна ли утилизация радиоактивных отходов?

20. Назовите перспективные материалы и технологию их производства.

21. Какими свойствами обладают композитные материалы?

22. Как получают тонкопленочные материалы?

23. Приведите пример сочетания микроэлектронной технологии и биотехнологии.

24. Каковы возможности генных технологий?

25. Какова роль генных технологий в обеспечении населения питанием?

26. Назовите пути оздоровления среды нашего обитания?

Заключение

Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями – зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественно-научным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития естественно-научного познания окружающего мира.

О природе как о предмете естествознания можно говорить строгим научным языком. Про нее же можно сказать и простые слова, несущие глубокий смысл, как это сделал немецкий мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Гете:

«Природа! Окруженные и охваченные ею, мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть... Захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее.

Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти.

Она – единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения, без малейшего усилия, с величайшим совершенством и на все кладет какое-то нежное покрывало. Она беспрерывно думала и мыслит постоянно, но не как человек, а как природа, У нее собственный всеобъемлющий смысл...

Нет числа ее детям. Ко всем она равно щедра, но у нее есть любимицы, которым много она расточает, много приносит в жертву. Великое она принимает под свой покров.

Жизнь – ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для большей жизни.

Она окружает человека мраком и гонит его к свету. Всякое ее деяние – благо, ибо всякое необходимо; она медлит, чтобы к ней стремились; она спешит, чтобы ею не насытились.

У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует. Венец ее – любовь. Любовью только приближаются к ней. Одним прикосновением уст к чаше любви искупает она целую жизнь страданий.

Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща. Не вырвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добровольно она подарит. Как она творит, так можно творить вечно».