К вопросу о нанотехнологическом образовании: конвергентные технологии

Э. М. Муртазина, Г. Г. Амирова К ВОПРОСУ О НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ: КОНВЕРГЕНТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: изменения в образовании, междисциплинарные учебные программы, реконструкция образования.

Данная статья представляет собой обзор зарубежных публикаций, посвященных изменениям в образовании и подготовке нового поколения ученых, инженеров и высококвалифицированных рабочих с гибким подходом к научно-исследовательским и опытно-конструкторским разработкам (НИОКР), что необходимо для достижения прогресса в нанонауках и нанотехнологиях. Революционные и синергетические достижения на стыке ранее разделенных областей науки и техники готовы к нано-био-инфо преобразованиям. Должны быть разработаны междисциплинарные учебные программы, интегрирующие нанонауки и нанотехнологии. Это требует реконструкции образования, разработка новых курсов и учебных материалов и подготовки новых преподавателей. В анализируемых работах исследователи оценивают то, как революционные изменения в технологии могут повлиять на систему образования и приводят примеры этих изменений в ведущих университетах мира. Авторы использовали зарубежные англоязычные материалы, представленные в открытой печати в журналах Science, Nature, J.Nanobiotechnology, J.Biomaterials&Nanobiotechnology, а также статьи, выложенные в открытом доступе в Интернет.

Keywords: educational changes, interdisciplinary curricula, revamping the education.

This article is a review of foreign publications, devoted to the research of new educational changes in training a new generation of scientists, engineers, and skilled workers with the flexible R&D approach necessary for rapid progress in nanosciences and nanotechnology. Revolutionary and synergetic advances at the interfaces between previously separated fields of science, engineering and areas of relevance are ready to create nano-bio-info transforming tools. Interdisciplinary curricula relevant for nanoscience and nanotechnology need to be developed. This requires revamping the education, developing new courses and course materials and training new instructors. In the works under consideration the researchers appreciate how revolutionary changes in leading educational centers of the world. The authors used the materials presented in the journals Science, Nature, J.Nanobiotechnology, J.Biomaterials&Nanobiotechnology, as well as the articles from the Internet.

Конвергенция естественно-научных знаний, техники и гуманитарных дисциплин должна характеризовать знания, закладываемые в образовательные программы по нанонаукам и нанотехнологиям. Университеты должны готовить выпускников, способных работать на пересечении существующих границ между физикой, химией, биологией, медициной и техникой, сочетание которых представляет собой междисциплинарное исследование и развитие необходимых для продвижения нанотехнологий. Но проблемы обучения нанонаукам в университетах на фоне существующего ажиотажа не столь заметны, хотя в принципе их решение играет кардинальную роль. В то же время, с уменьшением численности населения в западных странах и, следовательно тех, кто работает в области науки и техники, а также в связи с быстрым прогрессом в нанонауках и нанотехнологиях, проблемы подготовки квалифицированных специалистов становятся чрезвычайно острыми.

Образование и профессиональная подготовка имеет важное значение для создания нового поколения ученых, инженеров и квалифицированных рабочих с гибким подходом в научноисследовательских и опытно-конструкторских разработках, необходимых для быстрого прогресса нанонауки и нанотехнологии. Каково же традиционное разделение учебных дисциплин в области физики, химии, биологии и различных инженерных дисциплин значимых на нано-уровне? Общие навыки и предпринимательство необходимы для перевода научного знания в нанотехнологические процессы и продукты. Требует ответа вопрос о том, как увеличить круг студентов, заинтересованных в науке и

технике. Кроме того, ученые и инженеры в сотрудничестве с соответствующими экспертами должны учитывать социальные, этические, политические последствия, а также последствия для здоровья и безопасности людей, их деятельности, а также для общества в целом.

Материальное единство природы на наноуровне и интеграция знаний о явлениях такого масштаба могут обеспечить новый фундамент для технологической интеграции и инноваций [1-3]. Цель состоит в том, чтобы использовать новые свойства, явления и процессы, получив контроль над материалами и устройствами на атомном, молекулярном и надмолекулярном уровне, а также научиться эффективно производить и использовать эти структуры и устройства. Знания естественных наук, инженерные технологии и медицины является чрезвычайно полезным для эффективного производства и использования результатов нанотехнологий. Революционные и синергетические достижения на стыке ранее разделенных областей науки и техники готовы к нано-био-инфо преобразованиям. Должны быть разработаны междисциплинарные учебные программы, интегрирующие нанонауки и нанотехнологии. Это требует реконструкции образования, разработки новых курсов и учебных материалов и подготовки новых преподавателей.

Историческое развитие технологий: смена парадигм

Люди, не имеющие отношения к науке и технике, иногда имеют необоснованно оптимистические представления о том, чего может достичь технология в ближайшем будущем. Говоря точнее, можно сказать, что мы все еще находимся на поло-

вине пути исторического преобразования мира, которое началось с европейского Возрождения. Историки сегодня, скорее всего, запускают часы современной цивилизации с еще более раннего периода.

Древние цивилизации

Закономерности взаимозависимости знаний признавались многими древними цивилизациями. Тем не менее, без когерентного понимания связей, концепции нашли свое отражение только в философии (без обоснования в точных науках). Греческий философ Аристотель (384 до н.э. - 322 до н.э.) разработал множество теорий о природе физики. Они включали то, что Аристотель называл пятью элементами: Земля, Вода, Воздух, Огонь и Эфир, которые легли в основу нашего понимания мира. Он говорил о тесных отношениях между этими элементами, их динамике и о том, как они во многих случаях притягиваются друг к другу неопределенными силами. Концепция, по существу, тех же пяти элементов возникла и в древней Индии. Подобные концепции существовали в Древнем Китае и Японии.

Эпоха Возрождения

Эпоха Возрождения воспринимается как величайший взрыв творческого гения в истории. Ренессанс признавал право человека на все доступные знания и видел "единство в природе". Высокое искусство Возрождения, как обычно считают, появилось в конце 1490-х годов, когда Леонардо да Винчи написал свою Тайную Вечерю в Милане. Три его работы, Мона Лиза, Тайная Вечеря, и рисунок Вит-рувианского человека (Рисунок и текст иногда называют каноническими пропорциями) считаются культурными иконами. Тем не менее, Леонардо почитается за его технологическую изобретательность. Он концептуально представил появление вертолета, танка, концентрированной солнечной энергии, калькулятора, судна с двойным корпусом и наметил основные положения теории тектоники геологических плит. Относительно немногие из его проектов были воплощены в жизнь, или были вообще возможны при его жизни, но некоторые из его меньших изобретений, такие как станок для автоматизированной катушечной намотки и машины для испытания прочности на разрыв провода, вошли в мировое производство безвестными. Как ученый, он значительно продвинул состояние знаний в области анатомии, гражданского строительства, оптики и гидродинамики.

Современная наука

Ренессанс видел "единство в природе", но за ним последовала специализация дисциплин вследствие ограниченности интегративных знаний. Пять элементов: Земля, Вода, Воздух, Огонь и Эфир, описанные Аристотелем, нашли новое воплощение в твердом, жидком, газообразном, плазменном состояниях вещества, а также в мире элементарных частиц. Единство в природе стало характеризоваться единством атомов, связанных различными видами связей [4].

В 1959 году физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию "Там достаточно места на дне" на заседании Американ-

ского физического общества и ввел понятие нанотехнологии, правда, не употребляя этого термина.

На самом деле, начало этой науки было положено почти за четыре десятилетия до этого. Латвийскому ученому, Вильгельму Оствальду (1888 -1932), нобелевскому лауреату приписывают многочисленные открытия в области катализа и синтетической химии. Уже в то время, будучи погруженным в свою основную научную деятельность, он часто размышлял о том, что он назвал "пренебрегаемым измерением", о коллоидном состоянии. Оствальд красноречиво описывал это состояние, которое находится где-то между отдельными молекулами и веществом в объеме, с частицами от 1 нм до 1 мкм, рассеянными в растворе. В этой сумеречной зоне такие материалы проявляли необычные механические, электрические и оптические свойства. Он

предложил множество интересных приложений для этих коллоидных систем, начиная от мягких материалов, флокулянтов и диспергаторов до более совершенных пигментов и систем высвобождения лекарственных средств, предвосхищая некоторые широко рекламируется сегодня достижения нанотехнологии. Он не знал, "ни одной другой отрасли науки, которая затрагивает столь много различных областей знания, как это делает коллоидная химия ..." Так или иначе, нанотехнологии можно на самом деле рассматривать как расширение коллоидной химии, особенно в ее способности объединять различные дисциплины [5]. Пять элементов: Земля, Вода, Воздух, Огонь и Эфир, описанные Аристотелем, имеют свое вторичное отражение в системе коллоидных частиц в твердом, жидком и дисперсном состояниях. Единство в природе характеризуется единством коллоидных частиц, которые состоят примерно из 104 атомов и связаны различными видами связей. Например, коллоидные частицы сажи в твердом, жидком и парообразном состояниях [6] рассматриваются для двух видов взаимодействий, ван-дер-Ваальсовского притяжения и сил электростатического отталкивания.

Технологическая конвергенция на нано-масштабном уровне

Концепции наноразмерности были созданы и обновлялись по мере развития новых методов измерения, контроля и манипулирования инструментами в течение последних двадцати лет. Эти основы приводят к синергетическому сочетанию трех основных областей науки и техники, каждая из которых в настоящее время развивается быстрыми темпами: нанонауки и нанотехнологии, биотехнологии и биомедицина, информационные технологии, в том числе вычислительные, телекоммуникационные и когнитивные науки. Нанотехнологии могут преобразовать мир, но, вероятно, не с помощью какого-либо одного приложения, такого как наноструктурные материалы, наноразмерные устройства и даже мифические нанороботы. Несмотря на то, что нанонауки и нанотехнологии, как правило, понимаются как отдельные области, их основное историческое предназначение, скорее всего, состоит в централизующей роли, которую они играют в объединении большинства отраслей науки и техники в одно целое,

объединенное общим набором концепций, теорий, научно-исследовательских инструментов и принципов проектирования. Уже сейчас нанотехнологии формируют прочные партнерские связи с биотехнологией и информационными технологиями.

В ближайшие двадцать лет целенаправленные усилия со стороны ряда дисциплин, вероятно, приведут к большему единству наук как отражению единства мира природы. При должном внимании к этическим проблемам и потребностям общества, нано-био-инфо технологии могли бы привести к значительному совершенствованию человеческих способностей, социальных результатов, производительности труда, и улучшению качества жизни. Интеграция нано-био-инфо инструментов, как ожидается, приведет к принципиально новым продуктам и услугам, таким как совершенно новые виды материалов, устройств и систем для использования в промышленности, строительстве, транспорте, медицине, новейших технологиях и научных исследованиях.

Фундаментальные исследования будут проводиться на стыке физики, химии, биологии, математики и инженерии. Нанотехнологии, биотехнологии и информационные технологии будут играть важную роль в этих исследованиях, проектировании и производстве. Промышленность все шире будет использовать биологические процессы в производстве с применением наноматериалов и нанотехнологий. Примерами являются фармацевтическая геномика, нейроморфические технологии восстановительной медицины, биочипы со сложными функциями, молекулярные системы с многомасштабной архитектурой, электронные устройства с трехмерной иерархической архитектурой, программное обеспечение и т.д.

Совместное развитие нанотехнологий и человеческого потенциала

Конвергенция в сфере образования, науки и техники требует развития новых огромных ресурсов учебных программ. Современное образование и подготовка кадров с мобильностью, выходящей за границы дисциплин, а также со связями научных учреждений и промышленности, играют решающую роль для успеха нанотехнологии, особенно с учетом междисциплинарного характера самой нанотехнологии. При разработке нового учебного курса всегда требуется проведение серьезного анализа того, что следует включить и опустить из содержания данного курса.

Это особенно важно в области технологий, которые действительно являются междисциплинарными и быстро развивающимися в новых тематических направлениях, таких как нанотехнологии. Многие страны и университеты уже запустили образовательные программы по нанонаукам и нанотехнологиям. Как же должны разрабатываться эти программы и для кого? Что промышленности и обществу необходимо сегодня, и в чем мы будем нуждаться через пять или двадцать лет? Кроме того, нанотехнологии бросают вызов разделению естественных наук на классические дисциплины, такие как физика, химия, биология, науки о материалах, элек-

троника, информатика и медицина. Междисциплинарный характер нанонауки и нанотехнологии может, следовательно, поставить под сомнение традиционную структуру образовательных программ, когда дело доходит до обучения и воспитания в области нанонауки и нанотехнологии.

Во всяком случае, мы можем суммировать функции ответственного образования в области нанотехнологий в следующих дисциплинах:

а) общие курсы: математика, физика, химия, материаловедение и технологии, биология, медицинская анатомия, физиология и неврология, информатика, электроника, механическая, структурная, электрическая и общая инженерия;

б) специальные курсы в области нанонауки и нанотехнологий:

- Нанотехнологии (наноматериалы, коллоидная теория, фракталы, квантовая физика и т.д.),

- Характеристики наноструктур (просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, сканирующая электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, спектроскопия и т. д.),

- Наноструктуры и их свойства (функциональные наноматериалы и биологические системы), Нанопроизводства (синтез, кристаллизация, процессы «сверху вниз» и «снизу вверх», самосборка),

- Применение новых наноструктур (материалы, электроника, медицина и т.д.);

- Ответственные нанотехнологические исследования (риски для окружающей среды, здоровья и безопасности человека, этические, правовые и социальные вопросы);

в) последующие серии учебных курсов, таких как аспирантские, промышленные исследования для конкретных отраслей.

Можно надеяться, что конвергенция фактически упростит основные принципы в ближайшие годы, даже в более обширной информационнотехнологической базе данных, используемых профессиональными учеными и инженерами, чтобы применить эти принципы к конкретным приложениям. В результате даже частичного успеха в конвергентном научном образовании будущих поколений будут получены интеллектуальные лидеры, способные полностью преобразовать образовательные структуры. Обширная область знания в области нанотехнологий создает значительные проблемы в области проектирования, разработки и доставки учебных программ как на уровне бакалавра, магистранта, так и аспиранта. Но эти проблемы постепенно решаются. Например, европейские университеты решили преподавать нанотехнологии при подготовке магистрантов [7-10]. Соответствующие программы действуют в Университете Антверпена (Бельгия), Университете Фурье (Франция), Университете Кайзершлаутерна (Германия), Университетском Колледже Дублина (Ирландия), Университетах Падуи, Венеции и Вероны (Италия), Твентском Университете (Нидерланды), Университетах Барселоны и Сарагосы (Испания), в ряде университетов Великобритании (Бангор, Гренфилд, Лидс, Кембридж, Ланкастер, Суррей, Шеффилд, Нотингем и т.д.).

В качестве примеров инженерных курсов европейских образовательных программ по подготовке магистрантов в области нанотехнологий называются:

- расширенные экспериментальные методы;

- био-усовершенствованные датчики и биочипы;

- био-механика жидкостей;

- биоматериалы;

- биоимитация,

- биомолекулярные машины;

- бионанотехнология;

- биофизические методы медицинской химии, биофизики;

- биосенсоры;

- хаотические процессы атомно-силовой микроскопии;

- характеристика методов II (микроскопия TEM, SEM, AFM, STM), вычислительной биофизики вычислительной нанофизики;

- компьютерное моделирование и симуляция физики сплошных электронных и фотонных молекулярных материалов и приборов;

- изготовление и характеристика наноструктур;

- границы Нанотехнологии функциональных материалов;

- методология Генерики и бионанотехнологии;

- общая методология нанотехнологий неорганических полупроводниковых наноструктур; -

лабораторная практика экспериментов в биологии;

- микроскопия макро молекул на границе раздела фаз и структурированные органические пленки;

- мезоскопическая физика микро-струйной технологии;

- микросистемы молекулярной электроники и молекулярной техники супрамолекул;

- наноматериалы и интерфейсы нано магнетизма и спинтроники;

- напо структуры полупроводников, нанобиотехнологии, нано-электроники, наноэлектроники и приборов;

- наножидкости;

- нанопроизводство и нанообработка: сверху вниз, наномеханика, нано-оптика;

- нанооптика и биофотоника наночастиц для терапевтического переноса лекарств и диагностики;

- физика материалов;

- физика микро-и нано-электроники;

- физика наноматериалов;

- физика полупроводниковых наноустройств;

- зондирование на наноуровне;

- обработка и свойства неорганических наноматериалов;

- обработка керамики и композитов и их применение;

- обработка покрытий и их применение;

- компьютерные методы моделирования;

- квантовая электроника и квантовая оптика;

- скрининг методы в биологии;

- технологии самосборки нанострук-турированных молекулярных материалов и устройство единичной молекулы;

- биофизика: теория и практика; оптика единичной молекулы;

- мягкие нанотехнологии.

Таким образом, нанотехнологии в своем развитии объединяют целый ряд различных дисциплин, таких как физика, материаловедение и биотехнология, для достижения общей цели, достижение которой невозможно без проведения кардинальных преобразований в подготовке кадров.

Литература

1. Handbook of Nanotechnology, ed. by Bhushan B. Introduction, p.8. Springer 2007 .

2. Rocco, Mihail C., Montemagno, Carlo D. The Coevolution of Human Potential and Converging Technologies. New York: The New York Academy of Science, 2004, p. 1-16.

3. Montemagno, Carlo D. Integrative Technology for the Twenty-First Century. New York: The New York Academy of Science, 2004, p. 38-49.

4. Bundy, F.P. The P,T Phase and Reaction diagram for elemental Carbon. J. Geophys. Res. 85 (B 12) (2010) p. 30-69.

5. Rajagopalan, S. Lessons from the past. J. Materials Study, November 2006, Vol.9, No. 11, p. 17-22.

6. Bouda, V. Evolution of Carbon Self-Assembly in Colloidal Phase Diagram. Material Research Society Symposium Proceedings. Vol.7, No.3, pp. 16-24 .

7. Rudquist, P. Teaching Across Scientific and Geographical Borders. Chalmers University of Technology. Prague: Euro-nanoforum 2009, Proceedings. pp. 95-102.

8. Bennink, M.L. Interdisciplinary Nanotechnology Education at MESA - University of Twente: Euronanoforum 2009, Proceedings. pp. 62-70.

9. Gradimir, M.et al. European PhD School on Nanoanalysis -Gimmune, Zug, Switzerland - Universite du Luxembourg: Euroforum 2011, Proceedings. pp. 16-24.

10. Dunn, S., Singh, K.A. Analysis of M-Level modules in Interdisciplinary Nanotechnology. Nanotechnology Education in Europe. Institute of Nanotechnology, Glasgow, 2009.

11. Sasaki, E.; Suemizu, H.; Shimada, A.; Hanazawa, K.; Oiwa, R.; Kamioka, M.; Tomioka, I.; Sotomaru, Y. et al (2009). "Generation of transgenic non-human primates with germline transmission". Nature 459 (7246): 523-527.

12. Windbichler, N.; Menichelli, M.; Papathanos, P. A.; Thyme, S. B.; Li, H.; Ulge, U. Y.; Hovde, B. T.;

13. Baker, D. et al (2011). "A synthetic homing endonuclease-based gene drive system ". Nature 473 (7346).

14. Invernizzi N, Foladori G and Maclurcan D "Nanotechnology's Controversial Role". Science Technology and Society 13, 1: 123-148 (2008).

15. Э.М. Муртазина, Нанокомпозиты в контнксте зарубежных публикаций , Вестник Казан. технол ун-та.-2010.- № 9. - С. 728-731.

16. Э.М. Муртазина, Г.Г. Амирова, Р.В. Батыршина. Биотехнология: проблемы самосборки. Вестник Казан. технол ун-та.- 2011.- Т. 14, № 15. - С. 161-165.

© Э. М. Муртазина - канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, ти-rel@inbox.ru; Г. Г. Амирова - канд. пед. наук, доц.каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, amirova_guzel@mail.ru.