ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Новые горизонты из "Возможности химии сегодня и завтра" В настоящее время химическая промышленность претерпевает существенные изменения и все чаще занимается исследованием таких проблем, где перекрываются интересы различных областей наук. Современный химик должен обладать достаточно широким кругозором и ориентироваться в вопросах, связанных с родственными технологиями. Химия это ключ к обеспечению американской промышленности материалами и процессами. Она откликается на самые разнообразные нужды как традиционных производств (создание новых электродных материалов для производства алюминия, методов получения кофе без кофеина и заменителей сахара для пищевой промышленности), так и быстро развиваю-цщхся отраслей с высоким уровнем технологии (разработка композитов для самолетостроения, керамических материалов для электроники и производства двигателей, безбелковых лекарственных препаратов и т.д.). Все это требует создания химических продуктов, отвечающих запросам нехимического рынка. Рассмотрим некоторые типичные примеры. [c.130] Это отнюдь не новая область. Выпекать хлеб и сбраживать сусло люди научились тысячи лет назад. Процессы ферментации, разделения и очистки давно и хорошо известны. Но с появлением сведений о молекулярной структуре и основных аспектах химии генетического материала в биотехнологии началась новая эра. (см. разд. Ш-Е). Она ознаменовалась разработкой процедур сращивания генов, позволяющих химикам использовать бактерии для производства сложных биологически активных молекул. Были найдены ферменты, способные разрывать цепи ДНК в нужных местах и вводить в них чужеродную ДНК с новыми химическими связями. Модифицированная ДНК вырабатывает белки в соответствии с заложенным в нее измененным кодом. Этими белковыми продуктами могут быть гормоны, антитела или другие нужные нам сложные химические соединения со специфическими свойствами и функциями. Вырабатываемый бактериями с внедренным геном человека интерферон, по-видимому, окажется ценным средством лечения целого ряда болезней. Уже появился на рынке инсулин человека, производимый методом сращивания генов. Активность в этой области высока, и коммерческие предприятия возникают быстро. [c.130] Керамические материалы отличает высокая термостойкость и твердость, но обычно они хрупки, и им трудно придать нужную форму. В настоящее время они вызывают большой интерес в свете их возможного использования при изготовлении электрических приборов, двигателей, инструментов и т.д., т.е. в тех областях, где необходимы материалы с высокой твердостью и термостойкостью. В связи с разработкой новых химических составов и новых технологических приемов эта область будет, по-видимому, быстро развиваться. Веками керамические изделия делались из жидких взвесей мелких частиц (суспензий) или из массы тонко растертого природного минерала. Материал формовали или отливали, придавая ему нужную форму, и обжигали, т.е. нагревали до достаточно высокой температуры, чтобы выжечь из суспензий добавки и сплавить частицы минерала в точках соприкосновения. Теперь мы знаем, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность изделия. [c.131] Открытие сверхвысокопрочных волокон, основу которых составляет графит, внедренный в органический полимер, привело к разработке нового класса материалов — композитных материалов с улучшенными свойствами. Волокно, например графитовую углеродную цепь, мииеральное волокно или вытянутый углеводородный полимер, суспендируют в обычном высокомолекулярном полимере, например в эпоксидной смоле. Образующийся материал может не уступать конструкционной стали по пределу прочности при растяжении при значительно меньшей массе. Вследствие высокого соотношения прочность/ масса он находит широкое применение в аэрокосмических технологиях. Использование композитов для изготовления фюзеляжей и других деталей привело к значительному уменьшению массы изделий в военном и гражданском самолетостроении. Композитные материалы нашли применение в астронавтике, при изготовлении спортивного инвентаря, деталей автомобилей (например, ведущий вал, листовые рессоры), корпусов судов. [c.132] Разрабатываются и пластики, предназначенные для использования при высоких температурах, например в блоках автомобильных моторов. Прототип пластикового мотора, изготовленного на основе усиленного полиамида и полиамидных смол, демонстрировался в действующем гоночном автомобиле. Пластики позволяют уменьшить массу двигателя на 200 фунт ( 90 кг) с очевидным выигрышем для экономии топлива. [c.133] Все эти технологии быстро развиваются и завоевывают мировой рынок. В Японии достигло высокого уровня производство углеродных волокон, США лидируют в области производства высокопрочных полимерных материалов. Природа пограничной области, связывающей волокно с его композитным окружением, оказывает важное влияние на формирование конструкционных свойств материала. Химические аспекты этого влияния пока еще недостаточно выяснены, поэтому развитие данной области зависит от успехов в их изучении. [c.133] Целью фотографии является получение достоверных и долговечных образов объектов и событий. За 150 лет своего существования процесс фотографирования и обработки фотоснимков превратился из сложной процедуры, доступной лишь специалистам, в приятное занятие для широкого круга людей. Владелец фотоаппарата управляет хитроумной оптической системой и тонкими химическими процессами, обычно не имея ни малейшего представления о происходящем в камере и на пленке. Фиксируя мгновения жизни, фотография доставляет радость людям во всем мире. [c.133] В моментальной цветной фотографии эти этапы должны быть объединены и осуществлены на одном листе, обрабатываемом при естественном освещении без температурного контроля. Типичная пленка для моментальной съемки содержит более двенадцати отдельных слоев, толщина каждого из которых составляет около микрона. Решающую роль играют физико-химические свойства компонентов, такие как растворимость и диффузионная подвижность, а также химические реакции, протекающие в различных слоях в процессе обработки. Зная, насколько просто пользоваться фотоаппаратом, трудно поверить в сложность химии моментальной цветной фотографии. [c.134] В этой важной отрасли нашей экономики продолжают появляться технологические новинки, предназначенные как для любительской фотографии, так и для специальных областей. Например, разработана новая методика изготовления защитных покрытий (фоторезистов) для полупроводниковых технологий (см. ниже), достигнуты успехи в создании карт земных ресурсов методом инфракрасной фотографии со спутников. В течение многих лет США остаются лидером в фототехнологии, что несомненно является следствием традиционно высокого уровня проводимых в стране фотохимических исследований. [c.134] Микроэлектронная революция уже оказала и очевидно еще будет оказывать огромное влияние на индустриальный мир. Наиболее известное устройство — микропроцессор. Он представляет собой удивительно сложную и функционально интегрированную электрическую цепь, построенную на небольшом кусочке чистого кремния и называемую чипом. Некоторые микропроцессоры и наиболее современные чипы машинной памяти с высокой емкостью содержат сотни тысяч отдельных транзисторов или других твердотельных компонентов, втиснутых в кусочек кремния размером в четверть квадратного дюйма. [c.134] Чипы изготавливаются из кремния высокой чистоты, в который преднамеренно имплантируют добавки с целью создания отдельных устройств для выполнения определенных электронных функций, таких как усиление, выпрямление или переключение сигналов или хранение вводимой и выводимой логической информации. Эти миниатюрные устройства затем связывают друг с другом микроскопическими металлическими проволочками . Решающую роль в изготовлении таких сложнейших систем играют тонкие (менее микрона) чувствительные к излучению органические пленки. Технология получения таких пленок связана с органической химией, фотохимией и химией полимеров. [c.134] Назначение пленок — обеспечить избирательное введение легирующих примесей в кремний с образованием заданного рисунка электрической цепи. Легирование осуществляется при высоких температурах, и поэтому для защиты поверхности используется тонкая пленка диоксида кремния. От рисунка на этой пленке зависит, будет ли кремниевая подложка открыта для введения примесей. Для формирования рисунка и перенесения его на слой диоксида кремния применяются органические материалы, называемые фоторезистами. [c.134] КЛЮЧЕВЫЕ ЭТАПЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОРЕЗИСТОВ. [c.135] В фотолитографии химические изменения в фоторезисте инициируются светом. Эти изменения вызывают разрыв (или образование) ковалентных связей в светочувствительных химических группах, закрепленных на полимерной структуре. Изменения в связях приводят к локальному увеличению (или уменьшению) растворимости фоторезиста в подходящем растворителе. Воздействие света через маску приводит к формированию образа маски, который может быть проявлен простым промыванием. Обычно, однако, забывают, что эта простота достигается тщательным конструированием полимера с определенным фотохимическим поведением. [c.135] Сама маска в настоящее время изготавливается методом химического вытравливания нужного рисунка на тонкой пленке металлического хрома, нанесенной на стеклянную подложку. Рисунок впечатывается в резистную пленку с помощью управляемого компьютером электронного луча. Способы проявления органического резистного материала, предназначенного для переноса рисунка на объект, основываются на результатах сравнительно недавних изысканий. Используется много новых типов полимеров и химических реакций, без которых усложнение интегральных схем было бы невозможно. Фактически ни одного из этих полимеров в 1970 г, еще не существовало. Примерами новых электроннолучевых резистов могут служить продукты сополимеризации различных алкенов с диоксидом серы. Открытие способов синтеза и фоточувствительных свойств таких материалов относится к совсем недавнему времени. [c.136] Миниатюризация электрических устройств — один из важнейших факторов поразительно быстрых успехов, обеспечивших реализацию современного компьютера. В современных чипах компоненты цепей имеют размеры порядка микрона, т.е. в пределах 10 ООО А. Однако похоже, что изготовление микроскопических схем на основе кремния и с использованием других методов полупроводниковой технологии уже начинает наталкиваться на естественные барьеры, которые ограничивают возможности создания еще меньших устройств. Далее потребуются коренные перемены. К чему мы обратимся, когда будут исчерпаны возможности современных технологий Чтобы преодолеть барьер в 10 ООО А, нам неизбежно придется подумать о молекулярных элементах цепей. Мы подходим к мысли о компьютерном устройстве, в котором хранение и обработка информации осуществляется отдельными молекулами или молекулярными агрегатами, т.е. к идее молекулярного компьютера. [c.136] МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КОМПЬЮТЕР РАБОТАЕТ. [c.137] Фантастические проекты, естественно, всегда встречают резкую критику. Однако нападки самых изощренных противников идеи лишаются остроты (опровергаются ) тем обстоятельством, что сами их аргументы генерируются в человеческом мозге, т.е. реально работающем компьютере со структурой, которая ставится этой аргументацией под сомнение. В век машинного синтеза сегментов ДНК и лабораторного конструйрования искусственных ферментов было бы неоправданной робостью говорить о неосуществимости имитации тех элегантных цепей, которые позволяют нам читать и воспринимать эти печатные строки. Всего несколько десятилетий назад предположение, что человек когда-нибудь полетит на Луну, что воспроизводство можно контролировать, принимая пилюли, что структура ДНК будет разгадана, могло показаться научной фантастикой. И поскольку мы знаем, что молекулярные компьютеры — это обычные устройства, которыми наделены все животные от мыши до зебры, было бы разумно ставить вопрос не о том, появятся или не появятся изготовленные человеком аналоги этих устройств, а о том, когда они появятся и кто будет лидировать в их разработке. Когда Зависит от фундаментальных исследований в области химии. Кто Тот (та страна), кто вложит необходимые средста и изобретательность в поиск. [c.137] Для США развитие химии имеет громадное индустриальное и экономическое значение. Устойчивый положительный платежный баланс — признак определенной силы. Продолжающийся поток нововведений, приносящих общественную пользу, вселяет оптимизм. Университеты США относятся к числу лучших в мире, ежегодно они притягивают к себе студентов со всего света, которые стремятся завершить в них свое образование. Многое говорит в нашу пользу. [c.137] Вернуться к основной статье