ВЕЩЕСТВО КАК ДВИЖУЩИЙ ПОТЕНЦИАЛ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИННОВАЦИЙ

Потапов Алексей Алексеевич

д-р. хим. наук, профессор, главный научный сотрудник ИДСТУ СО РАН, г. Иркутск

E-mail: aleksey.potapov.icc@gmail.com

В настоящей работе технологические инновации понимаются как творческая деятельность, направленная на создание совершенных технологий. В свою очередь, технологии – это совокупность эффективных приемов, методов, способов производства и получения продуктов и предметов потребления. Неотъемлемой составляющей любого технологического процесса является вещество. В этом процессе вещество выступает в роли поставщика строительного материала и энергии.

Вместе с этим вещество несет не менее важную функцию – функцию саморазвития и самоорганизации. Весь ход исторических событий иллюстрирует определяющую роль вещества в практической деятельности человека, в становлении и развитии цивилизации в целом. Взаимоотношения человека с природой носят опосредованный характер, который заключается в создании и применении человеком с помощью вещества предметов быта и орудий труда, средств защиты и нападения; при этом они находятся в процессе постоянного совершенствования, что фактически приводит к непрерывному процессу постижения вещества.

На первых порах познание вещества основывалось на сравнении свойств веществ, используемых в работе. Критерием отбора подходящего вещества при этом выступали непосредственные ощущения человека на качественном уровне по признаку лучше-хуже, больше-меньше, теплее-холоднее и т. д. Например, тепловые свойства сравнивались по признаку жаропрочности, способности гореть, плавиться при сильном нагревании, затвердевать при охлаждении, разлагаться и переходить в пар при определенных условиях и т. п.; механические свойства – по признаку ковкости, твердости, хрупкости и т. д. Поучаемый при этом опыт передавался от поколения к поколению в основном путем прямого обучения младших у старших и закреплялся в опыте и «технологиях» создания предметов быта и утвари. В процессе освоения вещества на уровне его свойств человек прошел огромный путь цивилизационного становления. По сути, это процесс непрерывного «внедрения» в повседневную практику различных новшеств (начиная от каменного топора, металлических и керамических изделий, колеса и т. д. до сложнейших технологий с применением огня, открывших эру земледелия, скотоводства, мануфактуры). На этом пути были заложены основы, химии, механики, биологии, медицины.

На последующих этапах для  исследования свойств веществ стали применяться средства измерения, что позволило получать данные по физическим величинам (таким как теплоемкость, диэлектрическая и магнитная проницаемости, постоянная упругости, коэффициент преломления) и тем самым перейти от качественных оценок свойств к количественным. Введение количественных критериев позволило систематизировать многочисленные эмпирические данные и с помощью аналитических уравнений сжимать их в удобной для хранения форме. Таким образом, вещество как хранитель и носитель информации на данном этапе распаковывается и актуализируется через посредство измеряемых физических величин. По сути, они (величины) представляют собой исходные знания, раскрывающие вещество на макроскопическом уровне. Эти знания становятся «овеществленной» информацией [7], сведенной в базах данных, обеспечивая тем самым формирование институтов проектирования и конструирования. Завершающим звеном в этой логической цепи стало создание обрабатывающей промышленности, включающей в себя металлургию, деревообработку, производство материалов и т. д. Это этап бурного роста инноваций, являющихся следствием широкого применения веществ в производственной практике. Развитие цивилизации на данном этапе можно представить следующей последовательностью: вещество как источник и носитель исходной не актуализированной информации – знания о свойствах вещества, представленные с помощью физических величин, – актуализированная информация, закрепленная в базах данных, – технологии экстремальных состояний – продукты, сырье – практика.

Последующий этап в становлении цивилизации связан с установлением обусловленности свойств вещества его составом (числом и сортом составляющих его микрочастиц) [2]. Началом данного этапа послужило эмпирическое подтверждение дискретной структуры вещества. Выяснилось, что все вещества состоят из элементов, которые представляют строго регулярную систему, в последующем закрепленную в периодической таблице Менделеева. Это чрезвычайно важный шаг в становлении цивилизации; он  вскрыл причинную зависимость свойств вещества от составляющих его микрочастиц. Полученные знания о дискретном строении вещества в виде аналитических уравнений связи между соответствующим свойством вещества и его составом закреплены с помощью ряда эмпирических законов, которые в последующем легли в основу термодинамики и кинетической теории вещества. Полученные на этом этапе знания о составе вещества стали актуализированной информацией, сведенной в базах данных, как основы проектирования и конструирования паровых машин, турбин, двигателей внутреннего сгорания, реактивных двигателей, которые радикально изменили ход развития нашей цивилизации. Для данного этапа существенным представляется звено «состав» в логической цепи: свойства вещества – знания о дискретном строении вещества – состав вещества – информация о поведении вещества при различных термодинамических параметрах состояния – высокие технологии – практика. Этот этап характеризуется высоким уровнем новаторства и изобретательства, порожденных освоением новых знаний о веществе.

Следующий этап становления цивилизации был ознаменован открытиями в области электричества и электромагнетизма. Получены уравнения связи между величинами свойств (электрическая проводимость, показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости) и числом и сортом микрочастиц. Разработана фундаментальная теория электромагнетизма на основе уравнений Максвелла-Лорентца; она легла в основу научного обеспечения средств беспроводной связи, создания источников и приемников электромагнитных излучений. Эти новшества в очередной раз преобразовали лицо планеты. Существенным для данного этапа является установление электромагнитной природы вещества. Это звено является органичной составляющей логической цепи формирования знаний и информации: свойства вещества – физические величины, представляющие электромагнитную природу вещества, – актуализированная информация, представленная эмпирическими данными и теорией электромагнетизма, – технологии на основе электромагнитных воздействий – практика. На этом этапе сохраняется инновационный бум, обусловленный применением новых знаний об электромагнитной природе веществ.

Данный этап подготовил следующий этап исследований, направленных на установление строения вещества [2]. С помощью прецизионной аппаратуры были определены геометрические параметры веществ и отдельных молекул. Установлено различие веществ по структурному признаку. Заложены основы структурной химии. Установлена высокосимметричная структура металлических, ионных, ковалентных кристаллов. Сформулирована зонная теория твердого тела. Выделен и изучен класс полупроводниковых веществ. Структурные особенности вещества повлекли за собой дифференциацию науки. Сформировались самостоятельные разделы физики и химии. Знания, полученные на основе структурных исследований, предопределили современные представления о строении вещества и оказали огромное влияние на формирование научного мировоззрения. Знания о структуре вещества закреплены в учебной литературе, различных справочниках и энциклопедиях и служат исходной информацией для проведения дальнейших научных исследований и для применения их на практике. В этом отношении данный этап можно характеризовать как этап накопления и систематизации эмпирической информации. Дифференциация науки о веществе привела к делению производств по отраслевому признаку, что обеспечило ускоренное и масштабное развитие всей промышленности в целом. На данном этапе новаторство и изобретательство достигло наибольшего расцвета. Понимание атомно-молекулярного строения вещества привело в конечном итоге к всеобщей компьютеризации, глобальной интернетизации, выходу человека в космос.

В основе сегодняшних представлений о структурообразовании вещества лежит понятие химической связи. Количественной мерой химической связи является энергия связи атомов, образующих молекулу или вещество. Трудности построения теории химической связи обусловлены недостаточным уровнем понимания характера и механизмов структурообразования вещества в процессах его самоорганизации. Речь идет об основополагающих закономерностях формирования различных классов веществ, существенно различающихся по своим физико-химическим свойствам.

Практика выявила и обнажила недостатки сегодняшней науки о веществе. Она позволяет на качественном уровне объяснить наблюдаемые свойства веществ и их различные проявления. Известные теории вещества относятся к категории ad hoc и в этой связи имеют ограниченную область применения. Их прогностическая способность низка и ограничивается уровнем феноменологического описания. На данном этапе практика требует создания теории ab initio, вооружающей практику рецептом построения (синтеза) вещества с «наперед заданными свойствами» [5].

Вместе с этим, сделан важный шаг в осознании необходимости построения прогностической теории вещества в полном соответствии с технологической эволюцией, движущим фактором которой выступают насущные потребности человека, выраженные в стремлении к созданию комфортных условий его жизнедеятельности и в стремлении к освобождению человечества от стихий и капризов неуправляемой природы. Именно потребности человека диктуют необходимость поиска новых знаний, которые изначально хранятся в электронном устройстве атомов и молекул. Образуется обратная связь взаимодействия человека с веществом, замыкающая цикл поступательного технологического развития. При этом источником всех технологических знаний является вещество:

 Рисунок 1. Наука о веществе

История развития естествознания и техники продемонстрировала тот факт, что наибольших высот в прошлом достигли те технологии, которые имели на своем вооружении соответствующее научно-теоретическое обоснование и обеспечение. Благодаря термодинамике были созданы совершенные паровые машины, двигатели и турбины внутреннего сгорания. Теория электричества обеспечила повсеместную электрификацию. Электродинамика, ставшая основой беспроводной связи, радикальным образом преобразовала информационную сферу общества. Электроника, положившая начало практическому освоению микромира.

От современных технологий также ждут революционных преобразований. Эти ожидания связаны с вновь открывшимися перед человечеством возможностями создания искусственных веществ и материалов путем атомно-молекулярной сборки. Созданы первые нанофабрики и нанопроизводства на основе атомно-молекулярных наноманипуляторов. Тем самым продемонстрирована принципиальная возможность решения технической стороны проблемы [3].

Из приведенного выше анализа следует, что готовность общества к инновациям находится в прямой зависимости от достигнутого уровня теории электронного строения вещества. История становления науки и техники подтверждает тот факт, что пик технической активности каждый раз совпадал с очередным скачком в постижении вещества. Сегодня возможности технологий, в основе которых остаются феноменологические теории и практический опыт, по большому счету, исчерпаны. Инновации носят фрагментарный, экстенсивный характер. Исследования в области химических и физических технологий, включая нанотехнологии, по сути, ведутся вслепую без достаточного понимания механизмов структурообразования. Это предопределяет уровень и сегодняшнее состояние в области создания ТАТ и ПАТ (технологий  и производств атомно-молекулярной сборки) как основы будущих нанофабрик и нанопроизводств.

С одной стороны, практика давно ощущает острую потребность в теоретическом обеспечении и сопровождении ТАТ и ПАТ и даже сформулирована социальный заказ на создание прогностической теории вещества [1]. С другой стороны, создается впечатление, что ситуация не созрела и научное сообщество еще не готово к пересмотру основ науки о веществе. В создавшейся ситуации трудно ожидать инновационной активности в области создания нанофабрик и нанопроизводств, когда творческий поиск ограничен рамками  практического опыта и интуиции.

Решение проблемы видится в создании прогностической теории вещества как основы построения алгоритма и математического описания атомно-молекулярной сборки и компьютерного нанопроектирования. Ее можно сформулировать как поиск и установление корректных связей между макро- и микро уровнями вещества. Макроскопический уровень вещества характеризуется совокупностью свойств χ, которые причинно обусловлены надмолекулярной структурой S вещества. В свою очередь, структура S определяется энергией сцепления составляющих вещество микрочастиц, которые непосредственно обусловлены их свойствами α и внутренней структурой s, так что  χ ® α ® S ® s. Это прямая задача теории вещества. Для ее решения необходимо знать электронное строение атомов. Единственный способ получения искомой информации заключается в экстраполяции макроскопических свойств вещества на микроуровень в рамках решения обратной задачи. Предварительные результаты в этой области обобщены в работах [4, 6].

В настоящее время имеются достоверные эмпирические данные (потенциалы ионизации и электрические поляризуемости атомов и ионов),  которые были приняты для анализа и установления электронного строения атомов [5, 8]. В результате этих исследований получена информация о внутриатомном строении, которая  обеспечила саму возможность  постановки и решения прямой задачи теории вещества. Установлена двуединая роль атома. С одной стороны, он выступает в роли строительного элемента вещества, а с другой, - в качестве элемента генетической  информации о структурообразовании вещества. Сегодня эту информацию удалось расшифровать [5, 9]. Наиболее существенным и характерным аспектом электронного строения атомов является их диполь-оболочечная структура, которая, собственно, и предопределяет саму возможность понимания природы и механизмов структурообразования вещества. Настоящие исследования позволили установить основополагающие закономерности атомно-молекулярной сборки в цепи причинно обусловленных звеньев: электронное строение атомов ® природа и механизм парного связывания атомов и молекул ® сборка пар атомов и молекул в многоатомные и многомолекулярные системы. Исходным звеном и ключом к построению атомно-молекулярной сборки выступают атомы. Автором предложена диполь-оболочечная (ДО) модель атома, которая восполняет недостающее для теории звено и которая стала основой прогностической теории вещества [5, 10].

Согласно ДО-модели атом представляет систему вложенных оболочек, каждая из которых представляет одну из правильных геометрических фигур с равноудалёнными электронами в вершинах этих фигур (таких как точка, отрезки линии, равносторонний треугольник, тетраэдр, гексаэдр, октаэдр и ряд пирамид). Каждый из электронов атома находится в центральном поле ядра (остова атома), которое обусловливает формирование эллиптических орбит. Все орбиты имеют общий центр на ядре. Каждый валентный электрон образует с ядром (остовом) локальный дипольный момент. Совокупность локальных дипольных моментов формирует результирующий дипольный момент, который обусловливает электрическую и соответственно химическую активность атомов [5, 9].Существенным представляется то, что электронная конфигурация атомов несёт собой генетическую информацию о структурообразовании вещества на разных уровнях его организации. При этом способность атомов к связыванию и образованию устойчивых атомных соединений определяется величиной дипольного момента атомов (на относительно больших межатомных расстояниях) и эффективным зарядом остова (на внутриатомных расстояниях). Дипольные моменты атомов обеспечивают их взаимное притяжение благодаря силам диполь-зарядового взаимодействия (на межатомных расстояниях). Эффективные заряды остовов обеспечивают условие связывания атомов благодаря кулоновским силам взаимодействия между зарядами остовов и валентных электронов (на внутриатомных расстояниях) [5, 9].

Данный подход к построению теории электронного строения вещества основан на установлении причинно-следственных связей между микро- и макро- уровнями вещества. Это означает, что макроскопические свойства вещества могут быть выведены на основании свойств составляющих его атомов, а связь между микро- и макроскопическими уровнями вещества становится взаимообратимой. В результате создаваемая теория вещества принимает статус прогностической теории, т. е. теории, предсказывающей свойства проектируемой атомно-молекулярной конструкции на основании данных о строении атомов и молекул [5, 10].

Таким образом, в полном соответствии с историческим ходом событий технический прогресс в конечном итоге обусловлен уровнем понимания электронного строения вещества. Сегодня человечество вплотную подошло к решению глобальной проблемы, которая видится в переходе к заключительной стадии формирования техносферы, особенностью которой является создание искусственных материалов, продуктов питания и предметов народного потребления, освобождающих людей от непредсказуемых капризов и стихий природы. Сегодня можно с уверенностью предсказать очередной и завершающий для данного этапа развития цивилизации скачок инновационной активности, который наступит после того, как техника и инженерия примет на свое вооружение прогностическую теорию вещества.

Список литературы:

1.«Производственные наносистемы. Обзор технологических перспектив», – дорожная карта, разработанная по заказу Министерства энергетики США; Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. – М.: 2008).

2.Кузнецов В.И. Общая химия: тенденции развития. – М.: Высш. Школа, 1989. – 288 с.

3.Нанотехнологические комплексы на базе платформы НАНОФАБ 100. Информационная брошюра. Зеленоград, ЗАО НТ-МДТ, 2009

4.Потапов А.А. Ориентационная поляризация: поиск оптимальных моделей.– Новосибирск: Наука, 2000. – 336 с.

5.Потапов А.А. Ренессанс классического атома. – М., Издательский Дом «Наука», 2011. – 444 с.

6.Потапов А.А. Деформационная поляризация: поиск оптимальных моделей. Новосибирск: Наука, 2004. – 511 с.

7.Шемакин Ю.И., Ломако Е.И. Основы системантики. – М.: Изд-во РАГС., 2009. .- 352 с.

8.Potapov A.A.  Science of substance: state of research. Butlerov communications. 2011,Vol.24.№ 1. P. 1-15; Потапов А.А.   Наука о веществе: состояние исследований. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. № 1. С. 1-15.

9.Potapov A.A. Theory of matter: fundamentals of the electronic structure of atoms. Butlerov communications. 2011,Vol.24. № 1.P. 16-30; Потапов А. А.   Наука о веществе: основы электронного строения атомов. Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 24. № 1. С. 16-30.

10.Potapov A.A. Theory of matter: perspectives for development of the predictive theory. Butlerov communications. 2011,Vol.24. № 1. P. 36-45; Потапов А. А.  Наука о веществе: перспективы построения прогностической теории.Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. № 1. С. 31-45.