Д. т. н. Огурцов А.П., к.т.н. Никулин А.В.

Днепродзержинский государственный технический университет

к. ф.-м. н. Наконечная Т. В.

Институт предпринимательства «Стратегия», г. Желтые Воды

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ВВЕДЕНИЕ В НАНОИНДУСТРИЮ

К настоящему времени в области нанотехнологий и наноматериалов получены результаты, позволяющие рассматривать их в качестве активаторов новой волны экономического развития с перспективой перехода к шестому технологическому укладу[1]. Основываясь на выводах наукометрических исследований развития наноиндустрии, ситуацию можно описать как промежуток между «научным толчком» и «давлением спроса», когда формируется соответствующий социальный заказ[1]. Опираясь на историю развития профессионального образования, естественно предположить, что перспективы наноиндустрии связаны со способностью высшей школы организовать подготовку кадров в области наноматериалов и наноиндустрии.

Если использовать кластерный анализ баз данных рейтингов высших учебных заведений, то в Украине можно выделить как ведущие несколько крупных вузов (университетов), расположенных в столице или наиболее крупных областных центрах, несколько десятков «середняков», а остальные условно можно отнести к аутсайдерам. Однако, по нашему мнению, для успешного решения задач, стоящих перед высшей школой, желательно сохранить всю или почти всю сложившуюся сеть вузов. Они решают задачи подготовки и переподготовки кадров для страны во взаимной связи и полноте, например, обеспечение кадрами нужных специальностей по всей территории, а не только в мегаполисах. Далее отмечаем, что вузы могут решать, и решают научно – образовательно – производственные задачи с учетом имеющихся ресурсов и возможностей. Нереально требовать, чтобы в КПИ и в небольшом периферийном вузе решались задачи одного или сравнимого уровня. В особенности это относится к развитию нанотехнологий и производству наноматериалов. В материальном отношении это невозможно сделать без уникального оборудования и соответствующего метрологического обеспечения, в частности, использования дорогостоящих сканирующих электронных микроскопов. По аналогии с развитием информационных технологий, когда достаточно четко различались и различаются разработчики программных продуктов и технологий с их пользователями, при разработке и освоении нанотехнологий, по-видимому, будет аналогичная ситуация. Можно ожидать, что студенты и выпускники большинства вузов (средних и небольших по бюджету), а также их научно – педагогические работники в скором времени составят заметный отряд пользователей наноматериалов и нанотехнологий. Соответственно, нужно откорректировать учебные планы и рабочие программы, разработать и ввести в процесс обучения методическое и другое обеспечение подготовки и переподготовки по наноиндустрии. Целесообразно начинать с решения образовательных задач. Например, в России реализован проект «НАНОТРАК», по которому создан передвижной класс – лаборатория[2]. В тех высших учебных заведениях инженерно – технического профиля, где еще не ведутся активные работы по нанотехнологиям, предлагается начинать с создания и использования классов – лабораторий наноиндустрии.

В структуре класса необходимо предусмотреть экспозицию по семи основным направлениям нанотехнологий:1) наноматериалам; 2) наноэлектронике; 3) нанофотонике; 4) нанобиотехнологиям; 5) наномедицине; 6) методам и инструментам исследования и спецификации наноматериалов и наноустройств; 7) технологиям и специальному оборудованию для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств.

Естественно начать со знакомства с углеродными наноматериалами (УНМ). Способность атомов углерода образовывать ковалентные связи с тремя другими атомами того же вещества приводит к возможности создания наноструктур различного типа: плоских (графен), цилиндрических (нанотрубки), сферических (фуллерены) и др. Графен (монослойный графит) является первым обнаруженным двумерным материалом, он оказывается прочнейшим из всех тестированных до сих пор материалов.

Углеродные наноматериалы обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов: способностью к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов; хорошей электропроводностью и адсорбционными свойствами; химической и термической стабильностью; большой прочностью в сочетании с высокими значениями упругой деформации.

Материалы, созданные на основе УНМ, могут успешно использоваться как структурные модификаторы конструкционных материалов; для аккумуляторов водорода; элементов электроники; добавок в смазочные материалы, лаки и краски; высокоэффективных адсорбентов; газораспределительных слоев топливных элементов. Широко обсуждается использование углеродных наноструктур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине.

Образование УНМ в дуговом разряде происходит в различных средах как с применением катализаторов, так и без них. Используя метод каталитического пиролиза углеводородов в аппарате с неподвижным слоем катализатора, в полунепрерывном режиме синтезируются многослойные нанотрубки, представляющие собой нитевидные, квазиодномерные образования поликристаллического графита с внутренней полостью. Например, для нанопродукта под маркой «Таунит» наружный диаметр трубок составляет в среднем 15-40 нм при длине – от 2 мкм и более. При исследовании возможных применений «Таунита» установлено, что при модификации пенобетонов специального назначения с добавкой 0,001…0,0001% массы УНМ достигнуто увеличение прочности на сжатие и изгиб не менее 20%, полимерных конструкционных материалов на основе эпоксидных смол повышение прочности не менее, чем в 1,2…1,5 раза; получение наномодифицированных гальванических покрытий с увеличением микротвердости до трех раз.

Формирование нанокристаллических структур при термической обработке конструкционных сталей происходит за счет управления размерами и кристаллографическими разориентировками фрагментов в аустените, феррите и бейните при пластической деформации, размером и расстоянием между дисперсными наночастицами специальных карбидов и карбонитридов при термической или термопластической обработке.

Для активизации процесса обучения предполагается использование мультимедийных средств и интерактивного режима на рабочих местах, оборудованных компьютерной техникой. В результате можно рассмотреть производство и использование тканей, гасящих радиоизлучения, гидрофильных и гидрофобных покрытий, зажимов с памятью формы для операций на сосудах, имплантатов с наноструктурным биосовместимым покрытием.

Предполагается, что совершенствование профессиональной подготовки кадров в области наноиндустрии не ограничится первоначальным знакомством, будет системным и непрерывным. Чрезвычайно важным является совершенствование образовательной инфраструктуры посредством создания учебно – производственно – инновационных комплексов в вузах с ориентацией на включение в национальную и международную сети нанотехнологий и их использования. В настоящее время представляется необходимым включения блока введения и освоения наноиндустрии в систему подготовки и переподготовки кадров, совершенствования профессионального образования.

Литература:

1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/ Н. Кобаяси. – Пер. с японск. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 134 с.

2. Сборник тезисов докладов участников Второго Международного форума по нанотехнологиям (6 – 8 октября 2009 г.) Rusnanotech’09, www. Rusnanoforum.ru