Бесплатный фрагмент - Технология информационно-управляемой самосборки

Введение

Данная книга содержит дополнительную информацию (Часть III) к книгам «Мировоззренческие основы технологической сингулярности» Часть I и Часть II (2019 г.).

В книге Часть I на базе диалектической методологии рассмотрены мировоззренческие основы технологической сингулярности (впервые в мировой практике). Приведены примеры конкретных областей приложения диалектической методологии в качестве матрицы научного поиска инновационных технологий.

В книге Часть II рассмотрена структура окружающего мира в рамках Западной и Восточной традиций. Показано, что предсказываемая в эзотерической доктрине трансформация окружающего мира может иметь непосредственное отношение к феномену технологической сингулярности. Рассмотрены принципиально новые закономерности актуальной реальности, открывающиеся в рамках новой картины мира.

В рамках принципиально новых закономерностей актуальной реальности в качестве одного из приоритетных направлений прикладных научно-исследовательских работ обозначена видимая на горизонте принципиально новая инновационная технология информационно управляемой самосборки. Данная книга посвящена анализу возможностей реализации такого рода технологии. Научно-исследовательские работы в этом направлении откроют путь к принципиально новым инновационным технологиям, в первую очередь, в области опто-, нано- и микроэлектроники, репликации наноструктур, записи, хранения и считывания информации.

Глава I Технология информационно управляемой самосборки

1.1 Взаимосвязь этапов развития естествознания и философии

В рамках новой картины мира открываются новые горизонты технологических возможностей по преобразованию окружающего мира. В качестве приоритетного направления прикладных научно-исследовательских работ можно обозначить видимую на горизонте принципиально новую инновационную технологию информационно управляемой самосборки наноструктурированных материалов.

Технология информационно управляемых процессов предполагает возможность управления процессами самосборки и самоорганизации физико-химических систем с использованием сверхслабых энергетических (информационных) сигналов и характеризуется переносом информации между объектами, приводящим к возбуждению и развитию процессов энергообмена, изменяющих состояния объектов в соответствии с заданными исходными требованиями. Базовой основой новой технологии являются мировоззренческие представления энергоинформационной картины мира.

История свидетельствует, что развитие естествознания шло бок о бок с развитием философских представлений человека об окружающем мире. Классики естествознания, вырабатывая новые фундаментальные теории и новые научные представления о мире, как правило, осознавали, что философские концепции и философские идеи входят как необходимый, всепроникающий в науку элемент во все времена ее существования (1,34). На важность и необходимость выбора правильных исходных общих посылок в изучении действительности указывали многие крупные ученые. Например, английский материалист ХVII века Ф. Бэкон сравнивал философский метод с фонарем, который способен осветить ученому направление его исследований. Аналогичной точки зрения придерживались выдающиеся исследователи Луи де-Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, И. Павлов, основоположник кибернетики Н. Винер и многие другие (3,35). Интересно высказывание на этот счет акад. А. Д. Александрова: — «Утверждение о ненужности диалектики, философии и прочее есть не более чем самодовольная некультурность, которую проявляет иной неразвитый „работяга“, чванящийся тем, что „все эти теории не нужны“» (4,258). Философские принципы имеют огромное методологическое значение, обладают большой эвристической силой, дают возможность более интенсивно развивать специальные науки (2,37).

История развития науки свидетельствует, что философские представления всегда опережали естественно-научные. На первом этапе формировались некие философские категории — универсальные формы научного мышления, которые являются итогом познания, обобщением опыта познания и практики. Это узловые пункты познания, «ступеньки» проникновения мышления в сущность явлений и процессов. На следующем этапе эти категории находили свое отражение в естествознании.

Первыми в естествознании нашли отражение философские категории «пространство» и «время». Однако вплоть до XV века «время» в философии понималось как протекающее циклически, философская категория «развитие» отсутствовала. Только в XV–XVI веках с возникновением экспериментальной науки в философии появилась идея направленности времени вместе с понятиями «развитие», «изменение». Натурфилософские концепции Дж. Бруно, И. Кеплера, Г. Галилея явились тем мировоззренческим фундаментом, опираясь на который Р. Декарт в XVII веке ввел в математическую теорию символ «переменная величина».

Дальнейшее развитие математического языка описания изменения, движения привело к созданию в XVII–XVIII веках И. Ньютоном и В. Лейбницем дифференциально-интегрального исчисления, которое базировалось на сформулированных Декартом представлениях о переменной величине. «Поворотным пунктом в математике, — замечает в связи с этим Ф. Энгельс, — была Декартова переменная величина. Благодаря этому в математику вошло движение…, и благодаря этому же стало немедленно необходимым дифференциальное и интегральное исчисление…» (5, 573).

Таким образом, становление понятий «изменение», «развитие» в философской науке привело к изобретению в XVII веке дифференциально-интегрального исчисления. Ну а далее, как известно, математика — язык науки. Данный математический аппарат стал активно использоваться в естествознании при исследовании процессов окружающего мира и, как следствие, при разработке инновационных технологий его преобразования.

1.2 Структурность (системность) — неотъемлемое свойство материи

Однако философия в своём развитии не остановилась на представлениях эпохи Возрождения. В XX веке появились новые фундаментальные базовые философские категории — «структура», «элемент» и их совокупность — «система». Современные представления позволяют говорить о мире как о бесконечной иерархической системе взаимодействующих друг с другом структурных уровней организации, находящихся на разных стадиях развития, на разных уровнях структурной иерархии. Таким образом, в настоящее время уже четыре фундаментальные категории характеризуют материю — «пространство», «время», «движение (изменение, развитие)», и новая базовая категория — «структурность (системность)». При этом математика и, соответственно, естествознание, до настоящего времени оперируют только с тремя — «пространство», «время», «движение».

Глубокую философскую проработку получил и сам механизм развития. Особенно в немецкой классической философии XVIII–XIX в.в., у Г. Гегеля, «открывшего», по словам К. Маркса, диалектику как учение о всеобщем развитии. Показана всеобщность, универсальность диалектики и диалектического механизма процессов изменения и развития. Однако до настоящего времени (ХХI век) эти философские разработки не нашли отражения в математическом аппарате, то есть не «переведены» на «язык науки» и, соответственно, недоступны современному естествознанию.

Таким образом, используя известный в методологии прием ассоциативной аналогии (6, 72), в ближайшее время следует ожидать появления в математической теории математических аналогов новой базовой философской категории «структурность (системность)». Далее, следует ожидать появление некоего аналога интегрально-дифференциального исчисления. Возможно, новая математическая теория будет называться «причинно-следственное (детерминальное)» исчисление, так как позволит описать математическим языком структурные переходы (развитие), движение по новой базовой координате структурности (системности) во времени и пространстве с учетом причинно-следственного диалектического характера процессов. Данный математический аппарат сделает процессы структурных переходов доступными для моделирования и исследования в области естествознания.

Как уже говорилось, естествознание до настоящего времени оперирует с тремя базовыми свойствами-координатами материи — «пространство», «время», «движение». С использованием данных координат описывается состояние материальных объектов в фазовом пространстве четырехмерного пространственно-временного континуума. С появлением на горизонте четвертого фундаментального базового свойства (структурность, системность) очевидно, что для описания состояния материальных объектов требуется привлечение еще одной, четвертой базовой координаты.

Прогностические способности энергоинформационной концепции дают основания предположить, что при движении материальных структур по новой базовой координате «структурность, системность» во времени и пространстве следует ожидать возможность регистрации принципиально новых физических явлений и процессов, неизвестных и не исследованных до настоящего времени в рамках современной ортодоксальной физической теории. А именно, исследование движения материи по новой базовой координате приведет к открытию принципиально нового класса информационно управляемых процессов взаимодействия материальных объектов, и, далее, принципиально новой технологии информационно управляемой (индуцированной сверхслабыми внешними энергетическими сигналами, несущими информационную компоненту) самосборки физико-химических систем.

1.3 Базовые основы технологии информационно управляемой самосборки

Ключ к принципиально новой технологии будущего — технологии информационно управляемых процессов — заложен в процессах самосборки и самоорганизации физико-химических систем. Под самоорганизацией понимают набор пересекающихся процессов самоассоциации, которая включает системы, способные к спонтанному возникновению порядка в пространстве и/или времени. Самосборка — более широкий термин. Он применим для описания эволюции системы в направлении пространственной замкнутости посредством спонтанного связывания компонентов с образованием дискретных либо протяженных частиц на молекулярном (ковалентном), либо на супрамолекулярном (нековалентном) уровне.

Технология информационно управляемых процессов предполагает возможность управления процессами самосборки и самоорганизации с использованием сверхслабых энергетических (информационных) сигналов. В основе технологии — перенос информации между объектами, приводящей к возбуждению и развитию процессов энергообмена, изменяющих состояния объектов в соответствии с заданными исходными требованиями.

Для приложения информационно управляемых процессов в технологии самосборки и самоорганизации одним из ключевых аспектов является способность физико-химических систем к восприятию внешней информации с регистрируемым изменением физико-химических свойств. Этим требованиям удовлетворяют так называемые «информационно открытые системы» или системы с «информационным поведением» (7). Определяющим фактором поведения указанных систем является выдвижение на передний план информационного аспекта поведения.

1.4 Информационный аспект в поведении макро- и микросистем

В классической механике и физике макромира информационный аспект поведения проявляется в нелинейных системах со стохастическим поведением, например, в неустойчивых системах, когда малое внешнее воздействие или незначительное изменение начальных значений координат может приводить к радикальному изменению траектории классической системы в фазовом пространстве. При этом особенностью сигнала информационного типа является не величина (может быть энергетически сверхслабым), а точное соответствие требованию перевода исходной траектории на нужную траекторию при условии максимального сближения (практически, слияния) траекторий на фазовом портрете, то есть определяющее значение приобретает информация о структуре фазового портрета.

Информационный аспект поведения известен и в квантовых микросистемах. Особенно выраженно он проявляется в процессах измерения, когда у квантового объекта происходит разрушение когерентности волновой функции, а во внешнем окружении появляется соответствующая информация. Как показано в монографии Б. Б. Кадомцева «Динамика и информация» (7), процесс измерения есть процесс информационного взаимодействия микрочастицы с предметами макромира, что приводит к разрушению когерентности (коллапсу, локализации, декогеррентности) волновой функции микрочастицы. Это вероятностный информационно открытый необратимый процесс, сопровождающийся возрастанием энтропии внешнего мира.

Именно потому, что постоянная информационная связь (измерение) характерна для всех предметов нашего окружения в макромире, все предметы нашего макроскопического окружения «схлопнули» свои волновые пакеты до размеров, значительно меньших их поперечных размеров, и представляются нам четко очерченными и допускающими описание в классических терминах твердых, жидких или газообразных физико-химических систем.

1.5 Информационный аспект в поведении химических систем

В области самоорганизации равновесных химических систем приоритет несомненно принадлежит новой междисциплинарной науке — супрамолекулярной химии — рассматривающей химические, физические, биологические и информационные аспекты поведения более сложных, чем молекулы, физико-химических систем, связанных в единое целое межмолекулярными нековалентными взаимодействиями (8). Супрамолекулярная химия исследует вопросы конструирования запрограммированных интеллектуальных самоорганизующихся систем с использованием информации, записанной на молекулярном и считываемой на супрамолекулярном уровне.

Самоорганизация, саморегуляция и способность к репликации супрамолекулярных систем приближают их к биологическим объектам. По замечанию «отца» супра-молекулярной химии, нобелевского лауреата Жан-Мари Лена, не исключено, что однажды в лаборатории будет создана жизнь, основанная на других принципах, чем созданная природой.

Однако в рамках существующей супрамолекулярной науки и технологии это трудно достижимо. В упомянутой технологии супрамолекулярные ансамбли самоорганизуются из большого числа комплементарных компонентов, хранящих информацию о конкретных селективных взаимодействиях на молекулярном уровне, и самосборка происходит на основе так называемого «молекулярного распознавания» (парадигма «инструктированных» систем).

С другой стороны, процессы самосборки биологических структур относятся к сильно неравновесным физико-химическим процессам. Особенностью сильно неравновесных процессов является высокая чувствительность систем к сверхслабым (информационным) внешним воздействиям, которые вносят существенные коррективы в результаты процессов. Информационный аспект поведения для биологических систем приобретает ключевое значение.

1.6 Информационный аспект в поведении физико-химических систем

Наиболее близко к идеологии информационного (сверхслабыми энергетическими сигналами) управления организацией и поведением физико-химических систем подошла междисциплинарная область науки — теория самоорганизации сильно неравновесных систем — синергетика (9). В простейшем случае неравновесная самоорганизация — это появление порядка в первоначально однородной сильно неравновесной среде, другими словами, спонтанное нарушение симметрии в неустойчивом однородном состоянии. Имеется масса примеров самоорганизации этого типа в физике, химии и других естественных науках.

Такие системы, для которых характерен обмен энергией, веществом и информацией с окружающей средой, принято называть открытыми физическими системами. Открытая система неравновесного типа называется диссипативной структурой (от лат. dissipatio — «рассеиваю, разрушаю»). Примерами таких систем являются лазеры, ячейки Бенара, циркуляция атмосферы, все биологические структуры и пр.. Последние исследования в области диссипативных структур показали, что процесс самоорганизации чувствителен к наличию в системе т.н. внешних и внутренних шумов (10). Именно эта особенность самоорганизации в перспективе может быть использована, так как шумы могут быть не чем иным, как искусственно созданными целевыми сверхслабыми информационными сигналами.

В этом аспекте системы с «информационным поведением» можно определить как открытые физико-химические системы, имеющие выбор между двумя и более альтернативами эволюционного поведения. Информационное поведение реализуется в так называемых «точках бифуркации» на фазовой диаграмме, когда законы физики и химии допускают неоднозначное развитие процесса и определяющим фактором поведения становится некая случайная непредсказуемая флуктуация. С другой стороны, случайная флуктуация, по определению, обладает сверхчувствительностью к энергетически сверхслабым внешним информационным сигналам (шумам), и, таким образом, может быть потенциально предсказуема и управляема внешним информационным сигналом. Внешний информационный сигнал, в свою очередь, может быть искусственно задан соответствующим образом для формирования целевой функциональной структуры. Здесь «информационный сигнал» — это сверхслабый энергетический сигнал, несущий информационную компоненту, модулированный управляющей информационной компонентой для формирования заданной целевой функциональной структуры посредством воздействия на внутренние флуктуации в среде.

1.7 Проблемы исследования информационного аспекта поведения физико-химических систем

Теоретической основой для исследования информационного аспекта поведения сложных равновесных и неравновесных физико-химических систем является об-ласть физики конденсированных сред. Именно с ней связаны надежды по созданию технологии формирования и модификации наноразмерных твердотельных структур как базовых объектов нанотехнологии. Однако развитие микроскопической теории наноразмерных процессов в конденсированных средах сдерживает ряд нерешенных проблем естествознания, связанных с пониманием физико-химических процессов на стыке областей макро- и микромира. В частности, до сих пор обсуждается вопрос о взаимоотношении между квантовым и классическим описанием физических процессов. Нет единой точки зрения по поводу таких основополагающих понятий, как волновая функция, редукция (коллапс) и т.д.. Наконец, является предметом дискуссий вопрос о необратимости на границе между классическими и квантовыми системами, а именно, при измерении квантовых систем. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение для таких диссипативных и необратимых во времени процессов, как запись и считывание информации.

Иными словами, можно утверждать, что современ-ное естествознание находится на начальном этапе изучения информационного аспекта поведения сложных физико-химических систем. Однако, не смотря на это, прикладные исследования в данной области могут далеко опережать фундаментальные и стимулировать развитие последних. Подобное известно в середине прошлого века, когда теория информации только зарождалась, однако это не помешало широкому использованию ее основных положений для решения проблем в области прикладной технологии связи и кибернетики.

Таким образом, подводя итоги, есть основания полагать, что теоретически не до конца объясненный, но экспериментально регистрируемый (см. главу IV) информационный аспект поведения и эффекты управления поведением с помощью информационных (сверхслабых энергетических) сигналов, имеющие место для систем с «информационным поведением» в макро-, микро- и мезомире (физико-химические системы), могут быть практически использованы для управления процессами организации функциональных физико-химических наноразмерных систем и лечь, таким образом, в основу будущих принципиально новых масштабных нанотехнологий супрамолекулярного зодчества. В пользу этого свидетельствуют результаты многочисленных и не достаточно объясненных, в разных терминах интерпретируемых, но по сути использующих информационное поведение экспериментов по управлению структурообразованием физико-химических и биологических систем с помощью внешних информационных сигналов.

Описание и анализ данных экспериментов, а также ориентировочные планы экспериментальных научно-исследовательских работ по исследованию процессов информационно управляемой самосборки физико-химических структур, изложены автором в главе II. Научно-исследовательские работы в этом направлении откроют путь к принципиально новым инновационным технологиям, в первую очередь, в области опто-, нано- и микроэлектроники, репликации наноструктур, записи, хранения и считывания информации, а также будут неоспоримым свидетельством адекватности гипотетической энергоинформационной картины мира реальной структуре окружающего мира.

Глава II К ПРОЕКТУ НИР — Разработка и исследование инновационной технологии информационно управляемой самосборки

2.1 Вводная информация

Наименование НИР: «Разработка и исследование инновационной технологии информационно управляемой самосборки наноструктурированных материалов для приложения в области опто-, нано- и микроэлектроники, репликации наноструктур, записи, хранения и считывания информации»

Цель и задачи работы:

Целью работы является разработка и исследование принципиально новой инновационной технологии информационно управляемой самосборки наноструктурированных материалов для приложения в области опто-, нано- и микроэлектроники, репликации нано-структур, записи, хранения и считывания информации.

Для достижения поставленной цели планируется решить следующие задачи:

— разработать и создать оборудование и технологическую оснастку;

— исследовать информационно управляемые процессы самосборки молекулярных и надмолекулярных систем, обусловленные переносом информации между системами, приводящим к возбуждению энергообмена и изменению состояния систем в процессах рацемического синтеза энантиомеров, обладающих высокой оптической активностью вращения плоскости поляризации для возможности обратной связи по процесу;

— исследовать информационно управляемые процессы самосборки на молекулярном и надмолекулярном уровнях при высоковакуумном и химическом парофазном осаждении тонких наноструктурированных пленок и композитов на их основе (структурообразование в приповерхностном межфазном слое);

— на базе полученных результатов и исследованных закономерностей разработать теоретические модели информационно управляемой самосборки физико-химических систем.

— сформулировать рекомендации по приложению процессов информационно управляемой (индуцированной сверхслабыми энергетическими сигналами, несущими информационную компоненту) самосборки физико-химических систем в области нанотехнологии, предложить новые эффективные методы и принципиально новые инновационные технологии опто-, нано- и микроэлектроники, репликации наноструктур, записи, хранения и считывания информации.

2.2 Актуальность решаемой проблемы; научная новизна предлагаемого задания

Научно-технологический фактор в настоящее время приобретает универсальное геополитическое значение. Его значение будет только усиливаться, он будет иметь прорывной характер, иметь решающее влияние на сферу политики и безопасности. Предыдущие геополитические факторы — размеры территории, ресурсы, военная мощь — утрачивают свое значение перед научно-технологическим фактором. В этом аспекте несомненный интерес представляют принципиально новые неожиданно появляющиеся направления исследований. Эти направления содержат в себе мощный потенциал для решения актуалных технологических проблем, которые могут коренным образом изменить традиционные современные технологии и стать прорывными революционными технологиями завтрашнего дня (future unexpectedly emerging technology). Одно из таких перспективных многообещающих направлений — технология информационно управляемой самосборки (управляемой сверхслабыми энергетическими сигналами, несущими информационную компоненту) наноструктурированных материалов.

2.3 «Тop-dawn» и «bottom-up»

В XXI веке наноэлектроника занимает достойное место в качестве стратегического индустриального сектора мировой экономики и одного из главных движителей научно-технологического прогресса, в связи с чем наблюдается чрезвычайный интерес научного сообщества к проблемам и путям решения в области разработки технологий формирования наноразмерных функциональных элементов. В соответствии с международной маршрутной картой для полупроводниковой промышленности (ITRS), характеристический размер функциональных элементов в ближайшее время должен приблизится к (5 ÷ 10) нм.

В бюллетене Европейской комиссии, посвященном видению трендов в микроэлектронике до 2020 года, обозначены два базовых направления исследований, ориентированных на производство такого рода наноэлементов: движение «сверху–вниз (top–down)» и «снизу–вверх (bottom–up)» (рис. 2.1, график). Первое направление, «top-dawn», ориентировано на миниатюризацию существующей кремниевой МОП–технологии. Однако резкое повышение затратности традиционных методов формирования элементов при переходе к наноразмерам, недостаточная гибкость формирования рисунков, невозможность контроля упорядоченно сти и размеров нанодоменов в рамках известных в настоящее время традиционных методов формирования наноструктур ограничивают возможности их применения и требуют поиска принципиально новых процессов и явлений для управления поведением наноразмерных объектов.

Второе направление, «bottom–up», ориентировано на использование широко распространенных в окружающем мире явлений самосборки и самоорганизации сложных структур из элементарного набора атомов и молекул, лежащих в основе формирования биологических организмов. В узком смысле слова под самосборкой можно понимать процессы объединения молекул и их фрагментов по принципу «молекулярного распознавания» вход-выход. В широком смысле самосборкой можно считать процессы вакуумного и CVD-осаждения, золь-гель метод, молекулярно-лучевую эпитаксию, технологию Лэнгмюра-Блоджетт и др. Возможности управления данными процессами пока ограничены и механизмы до конца не поняты. Не смотря на активные исследования, введение процессов самосборки и самоорганизации в технологию производства функциональных компонентов наноэлектроники считается далекой перспективой. Пример отличия подходов к созданию МЕМС-структуры «top-dawn» и «bottom-up» показан на рис. 2.2.