Нанотехнологии и новые материалы
Во все времена используемые человеком материалы определяли уровень развития технологий. Даже исторические периоды получили названия по основным технологическим материалам — каменный век, бронзовый, железный... Если аналогичным образом подбирать название для настоящего времени, то мы живем на заре композитного века.
Композиты — искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более компонентов, которые существенно отличаются между собой по физическим или химическим свойствам. Сочетание таких компонентов приводит к появлению характеристик материала, которые не присущи ни одному из компонентов в отдельности.
Первыми композитными материалами можно назвать глиняные кирпичи с соломой. Наличие соломы позволило значительно повысить прочность кирпичей при том, что ни глина, ни солома по отдельности особой прочностью не отличаются. А на сегодняшний день, когда ученые научились собирать материалы буквально по молекулам, стали появляться материалы с невероятными свойствами. К примеру, фуллерит может оставлять царапины на поверхности самого твердого природного вещества — алмаза, графеновый аэрогель в 7,5 раз легче воздуха, карбид гафния выдерживает температуру до 3959 градусов Цельсия, а прозрачная графеновая пленка в 200 раз прочнее стали. И всё это только начало, поскольку наука лишь недавно начала осваивать подобные технологии получения материалов.
Помимо прочего, специалисты прогнозируют широкое распространение так называемых умных материалов, способных восстанавливать свою форму или изменять физические свойства в зависимости от внешних воздействий. Всё это даст мощный толчок к появлению и развитию принципиально новых технологий, делающих жизнь комфортнее, интереснее и лучше.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОФЕССИИ
Технолог композитных материалов
Глазир
Стекло является одним из самых древних известных человеку материалов. Скорее всего, еще первобытные люди заметили, что после особенно жаркого костра на кострище (так называется место, где горел костер) остаются кусочки твердого блестящего материала — стекла. А со временем они догадались, что при достаточно высокой температуре почва (особенно песок) плавится и превращается в тягучее вещество, которое после остывания затвердевает и может разбиваться, образуя острые осколки. Вулканическое стекло — обсидиан, образующееся в природе естественным путем после быстрого остывания лавы, широко использовалось первобытными людьми для изготовления ножей и наконечников копий. Поэтому этот материал необычайно ценился.
За тысячелетия люди научились многим секретам изготовления стекла, сформировав целую отдельную отрасль промышленности — стекловарение. Используя различные сырье и добавки, удалось получить стекла с совершенно разными свойствами.
На сегодняшний день трудно представить себе жизнь без стекла. Из него сделаны окна в домах, посуда, оптические приборы и многие-многие другие привычные всем нам вещи. Казалось бы, об этом материале всё давно известно и ничего принципиально нового придумать нельзя… Но развитие науки показало, что всё только начинается! Глазир (от немецкого glas — «стекло») — специалист, который будет заниматься разработкой стеклокомпозитных материалов. Такие материалы будут отличаться легкостью, исключительной прочностью и гибкостью. В различных условиях они будут менять свою прозрачность, электропроводность или цвет. Строительные стеклокомпозиты обеспечат отменную теплоизоляцию зданий или превратят обычные квартирные окна в интерактивные экраны с функциями планшетных компьютеров, благодаря встроенным в материал микроскопическим чипам.
Необходимые области знаний
Личные увлечения, влияющие на выбор профессии
Эта профессия именно для тебя, если ты любишь:
• проводить опыты по физике и химии;
• собирать коллекцию минералов и горных пород;
• исследовать свойства различных материалов.
Характеристики профессии
Связанные профессии
Технолог стекольного производства — специалист по процессам производства стекольного материала и готовой стеклянной продукции (оконного стекла, стеклотары, стеклосфер для обработки поверхностей и т. п.)
Стеклодув — специалист по изготовлению стеклянных изделий из разогретой стеклянной массы путем выдувания. Создает посуду, вазы, сувенирную продукцию, елочные игрушки, лабораторную посуду, неоновые лампы и прочее.
Витражист — специалист по созданию художественных композиций из цветного стекла. Разрабатывает дизайн и реализует проект, составляя разноцветные кусочки стекла и скрепляя их металлической оправой. Создает элементы интерьера, посуду, светильники, люстры, елочные украшения, фоторамки и прочее.
Инженер умных композитов
В сказках часто описываются волшебные предметы — шапка-невидимка, волшебный гребень, из которого вырастает лес, рубашка, которую невозможно порвать, скатерть-самобранка… Благодаря развитию науки и технологий уже совсем скоро все эти чудесные вещи могут стать реальностью. Секрет кроется в так называемых умных композитах — материалах, способных выполнять определенные действия при тех или иных условиях.
Умные композиты могут особым образом преломлять свет, скрывая предметы, как это делает, к примеру, плащ Quantum Stealth, разработанный канадскими учеными. Эти материалы также могут значительно увеличиваться в объеме, принимая определенную форму (чем не волшебный гребень?) или самовосстанавливаться (прямо как ткань волшебной рубашки). Особым образом встроенные в ткань нанороботы, запрограммированные собирать продукты питания из молекул воздуха, превратят обычную, на первый взгляд, скатерть в пищевую мини-фабрику. Все эти технологии войдут в нашу жизнь и станут ее привычной частью.
Не случайно второе название умных композитов — самоорганизующиеся системы. Словно живой организм, такой материал воспринимает внешнее воздействие (изменение освещения, температуры, давления, химического состава окружающей среды), после чего «принимает решение» и выполняет соответствующее действие. Оконное стекло под действием яркого солнечного света затемняется, мягкая защитная одежда мгновенно твердеет от удара, деформированные в дорожно-транспортном происшествии детали автомобиля принимают исходную форму от простого нагрева, не требуя сложного ремонта.
Разработкой подобных «магических» материалов будет заниматься особый специалист — инженер умных композитов. Именно он, ознакомившись с поставленной задачей, подберет необходимые для ее выполнения сенсорные и исполнительные наноустройства, а затем объединит их с функциональной основой в четкую структуру, различимую лишь под мощным микроскопом. Этот же специалист позаботится о том, чтобы технология производства умного композита была дешевой, а полученный материал широко использовался во всех возможных отраслях.
Необходимые области знаний
Личные увлечения, влияющие на выбор профессии
Эта профессия именно для тебя, если ты любишь:
• проводить опыты по физике и химии;
• собирать коллекцию минералов и горных пород;
• исследовать свойства различных материалов.
Характеристики профессии
Связанные профессии
Сенсорный инженер — специалист по созданию устройств, используемых для определения и измерения различных физических свойств — температуры, давления, движения, освещенности и т. п. Разрабатывает конструкцию сенсорного устройства (датчика) и технологию его производства.
Микроэлектронщик — специалист по разработке и производству микропроцессоров, интегральных схем, микроплат и прочих компонентов для управления машинами и механизмами. Отличительной особенностью разработок микроэлектронщика являются сверхкомпактные размеры электроники.
Инженер полупроводников — специалист, который занимается разработкой, тестированием и внедрением полупроводниковых устройств, которые являются неотъемлемой частью электронного оборудования и коммуникационных систем.
Наноакселератор
Материалы на основе синтетических полимеров, способных формироваться под действием давления или нагревания, а после охлаждения и затвердения сохранять заданную форму, получили название «пластмассы» (сокращение от «пластичные массы»), или просто «пластики». Их появление, которое пришлось на вторую половину XIX века, совершило настоящий переворот в промышленности. Еще бы! Такое дорогостоящее натуральное сырье, как слоновая кость, китовый ус, черепаховые панцири и перламутр, наконец-то удалось заменить дешевыми материалами, ничем не уступающими по своим свойствам природным аналогам. Теперь, для изготовления бильярдных шаров, рояльных клавиш, расчесок и пуговиц не требовалось истреблять животных до грани вымирания.
В период повсеместной электрификации пластики нашли свое применение в качестве материалов для изоляторов, а со временем и вовсе вошли во все сферы жизни человека. Во многом заменяя собой бумагу и древесину, пластмассы спасали леса от массовой вырубки. Казалось, что пластики решили все проблемы человечества… Но тут выяснилось, что долговечность и устойчивость пластиков к внешним воздействиям — это не всегда хорошо. Дело в том, что отходы из натуральных материалов в природных условиях довольно быстро разлагаются под воздействием бактерий, а пластиковый мусор способен храниться столетиями.
В океанах образуются целые острова из пластиковых отходов, а пыль из микроскопических частиц пластмассы может парить в воздухе неделями, разносясь на огромные расстояния и загрязняя собой почву и водоемы. Кроме того, многие пластики, распадаясь, выбрасывают в окружающую среду токсичные химические вещества. Животные, случайно проглатывая пластик или запутываясь в нем, получают тяжелые травмы или погибают.
Решением глобальной проблемы пластикового загрязнения планеты могут стать нанотехнологии. Наноакселератор — это специалист, который будет заниматься ускорением процессов распада материалов на молекулярном уровне. В этом ему будут помогать рои из тысяч нанороботов, которые смогут разбирать полимерные молекулы пластика на отдельные составляющие, безвредные для окружающей среды.
Представьте себе легкое облачко пара… Именно так для человека будет выглядеть скопление нанороботов-утилизаторов, каждый из которых по отдельности виден только в микроскоп. Такое облачко, управляемое человеком, оставляет после себя чистую от смятых пластиковых стаканчиков и полиэтиленовых пакетов почву с зеленеющей травкой. Микроскопические «мусорщики» разрушают только пластики, не трогая никакие другие материалы. Благодаря работе наноакселератора, из океанов исчезнут «пластиковые острова», размерами с Францию, а природа очистится от несметного количества остатков пластиковых бутылок, ватных палочек, коктейльных трубочек, пакетов и прочего мусора.
Необходимые области знаний
Личные увлечения, влияющие на выбор профессии
Эта профессия для тебя, если ты любишь:
• работать с микроскопом;
• проводить опыты по физике и химии;
• долго сидеть на одном месте, занимаясь увлекательным занятием.
Характеристики профессии
Связанные профессии
Инженер по охране окружающей среды — специалист по организации комплекса мер, направленных на обеспечение экологической безопасности и минимизации негативного воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду.
Эколог — специалист, занимающийся анализом ситуации в биосфере планеты и разработкой мер для уменьшения существующего и возможного вреда природе. Выявляет причины природных катаклизмов и разрабатывает методы снижения вредного воздействия человеческой деятельности на окружающую среду.
Технолог зеленой химии — специалист, который разрабатывает продукты и процессы химического и биотехнологического производства, минимизирующие или исключающие использование и образование опасных веществ. Предотвращает саму возможность загрязнения окружающей среды путем создания экологически чистого химического производства и нетоксичных материалов.
Наноинженер
В 1959 году нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман высказал идею о том, что отдельные атомы вещества можно перемещать, как кирпичики, с помощью механической руки соответствующего размера — манипулятора. А для того чтобы создать такой манипулятор, он предлагал использовать набор точных инструментов для создания и управления уменьшенной копии этих самых инструментов, а те в свою очередь — для создания и управления следующей уменьшенной копией. Таким образом, последние инструменты собирали бы свою копию просто из атомов. А в итоге с их помощью можно было бы собирать из отдельных атомов, словно из кирпичиков конструктора Lego, новые материалы или даже отдельные предметы. Считается, что именно Фейнман заложил идеи нанотехнологий — направления научно-промышленной деятельности, связанной с микромиром на уровне атомов и молекул, возникшего в конце XX века.
Даже сегодня, спустя четыре десятилетия с момента создания сканирующего туннельного микроскопа, позволившего воочию разглядеть атомы вещества, нанотехнологии не являются чем-то привычным и широкоприменяемым. Однако, вне всякого сомнения, в будущем технологии микромира войдут во все возможные сферы человеческой жизни.
Наноинженер — специалист, который будет заниматься повседневными практическими задачами, так или иначе решаемыми на молекулярном уровне. Другими словами, это не ученый-исследователь, делающий открытия и разрабатывающий новые способы получения необходимых результатов, а технический работник, выбирающий и использующий наиболее подходящую нанотехнологию для решения бытовых или промышленных проблем. Например, создает для деревянного здания — памятника архитектуры — специальное покрытие, благодаря которому древесине становятся не страшны никакие внешние воздействия; или использует специальные составы, восстанавливающие изношенные детали машин до состояния новых; или программирует нанороботов на очистку воды от всех видов загрязнений. Кроме того, важной задачей наноинженера будет обеспечить надлежащую утилизацию материалов и изделий, содержащих активные наночастицы, чтобы не допустить их непредвиденного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.
Необходимые области знаний
Личные увлечения, влияющие на выбор профессии
Эта профессия для тебя, если ты любишь:
• работать с микроскопом;
• проводить опыты по физике и химии;
• долго сидеть на одном месте, занимаясь увлекательным занятием;
• придумывать идеи, как изменить мир к лучшему.
Характеристики профессии
Связанные профессии
Нанотехнолог — специалист по исследованию свойств наноразмерных систем, обладающих специфическими свойствами, вызванными квантово-механическими эффектами. Создает новые материалы на молекулярном и атомарном уровнях, занимается внедрением этих материалов на практике.
Нанобиолог — специалист, занимающийся разработкой процессов получения биологических форм на молекулярном и атомарном уровнях. Создает методы определения различных молекул (токсинов, лекарственных препаратов и т.п.) Разрабатывает способы синтеза белковых молекул и отдельных клеточных компонентов, анализирует биохимические составляющие микромира для осуществления управляемых терапевтических воздействий.
Инспектор безопасности наноиндустрии — специалист, контролирующий безопасность нанотехнологий на производстве и в быту, а также принимающий меры по снижению рисков негативных воздействий нанопродукции на окружающую среду и здоровье человека.
Технолог композитных материалов
Композиционные материалы, или композиты — это смесь, состоящая из двух или более разнородных материалов с разными физическими свойствами. Дополняя друг друга, эти материалы образуют структуру, которая объединяет в себе положительные качества всех отдельных составляющих.
Главной особенностью композитов является их неоднородный состав. Например, строительный бетон, состоящий из смеси песка, цемента и воды, не является композитным материалом, поскольку все его компоненты смешиваются в одну общую массу. Бетон хорошо противостоит сжатию, выдерживая большие нагрузки, но при этом быстро разрушается при растяжении. Если же в бетонную конструкцию добавить каркас из железных стержней — арматуры, то получится новый материал — железобетон, которому не страшны ни сжатия, ни растяжения. И как раз железобетон — это пример композитного материала, поскольку в нем железные стержни не смешиваются с остальным материалом, а только дополняют его.
Появление полимерных материалов — пластмасс, эпоксидных смол, резин — привело к созданию так называемых полимерных композитов, в которых углеродные или стеклянные волокна связываются синтетическими смолами. На сегодняшний день именно эти материалы чаще всего подразумеваются под понятием «композиционные материалы». Очень легкие, но в то же время неимоверно прочные и термостойкие, такие композиты широко используются в строительстве, автомобилестроении, авиации и космонавтике.
Однако история развития композитных материалов на этом не заканчивается, а, скорее, наоборот — только начинается. Развитие нанотехнологий приводит к появлению принципиально новых материалов с особыми свойствами. А использование таких материалов в композитных составах позволит получать структуры с совершенно фантастическими характеристиками. В будущем технолог композитных материалов сможет создавать нанокомпозиты, с помощью которых станет возможным проникнуть в ядро Земли или поддерживать термоядерную реакцию с температурой в миллионы градусов, строить города на дне океанов или создавать вечные инструменты, не подверженные износу.
Необходимые области знаний
Личные увлечения, влияющие на выбор профессии
Эта профессия для тебя, если ты любишь:
• экспериментировать над созданием новых материалов;
• проводить опыты по физике и химии;
• долго сидеть на одном месте, занимаясь увлекательным занятием;
• придумывать идеи, как изменить мир к лучшему.
Характеристики профессии
Связанные профессии
Материаловед — специалист по изучению, использованию и созданию натуральных и синтетических материалов. Разрабатывает материалы с заданными физическими и химическими свойствами, а также технологию их получения.
Химик-материаловед — специалист по изменению свойств материалов в различных условиях (при температурной обработке, под экстремальными нагрузками, при регулярном использовании в нормальных условиях, в процессе переработки и утилизации).
Технолог металлов — специалист по изучению металлов и разработке сплавов с предзаданными или изменяющимися из-за условий эксплуатации свойствами (упругость, плавкость, проводимость и т.п.). Назначает способы обработки (механический, термический, химический и пр.) металлических заготовок, устанавливает ограничения по эксплуатации готовых металлоконструкций.
Эта статья из крутого проекта «Умный плакат «Навыки и профессии будущего»! Хочешь узнать о нем подробнее? Тогда жми сюда!
А еще у нас есть невероятно увлекательный комлект умных плакатов «Мир вокруг».
1632