Системное качество – определяющий параметр нанотехнологий и наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системное качество - определяющий параметр нанотехнологий и наноматериалов

нанотехнология системный наноматериал

Нанотехнологии, наноматериалы, устройства, производимые либо эксплуатируемые посредством нанотехнологий или с применением наноматериалов, широко, пусть и неосознанно, использовали тысячелетиями в разных областях жизнедеятельности человека.

По мере развития науки целостное восприятие мира дробилось на все более частные, локальные направления. Зачастую это влекло потерю взаимозависимости материального и виртуального восприятия мира, некоторые вполне реальные явления, данные нам в ощущениях и осмыслении, до сих пор относят к экзотерическим. Иногда уже и специалисты близких направлений, в том числе естественных наук, переставали понимать друг друга.

Мышление, менталитет, культура и образование не только разных народов, но и отдельных лиц при увеличении объема информации и нарастании темпов накопления знаний, ускорении изменения морально-этических принципов их использования количественно все более теряли связность, что влекло к снижению качества восприятия разрозненной информации. Это было и продолжает оставаться базисом создания новых целостных парадигм как на теологической, так и научной основе.

Осмысление совокупности научных подходов не могло не привести к формированию следующего, основанного на знаниях, понимания единства всего сущего - материального и мысленного, совмещенного по временнуй шкале цивилизационной динамики с нано-, био-, инфо- и когнитивными процессами, связанными прямыми и обратными связями с социально-экономическим развитием общества.

В качестве примера рассмотрим номинации и присвоение Нобелевских премий по наименее политизированным наукам: физике и химии, медицине и физиологии за последние годы. При прорывном характере решенных и вновь поставленных проблем, по крайней мере в последнее время, включая и 2009 год, они NBIC-междисциплинарны.

Нанотехнологии и нанопродукция в разнообразных сферах деятельности человечества, его структурных образований разного рода, обладают общим параметром, определенным авторами как «системное качество».

Традиционно используемую меру качества характеризуют следующие свойства и зависимости:

- возможность улучшения качества продукции и услуг на различных стадиях их жизненного цикла;

- выражение требований потребителей продукции и услуг и целей их производителей на одном языке;

- соотношения «затраты-качество», связанные прямыми и обратными линейными и нелинейными связями.

В отличие от привычной человеку меры качества на макро и даже микро уровнях в режиме «сверху вниз», основанной преимущественно на статистических данных, системное качество нанотехнологий и нанопродукции базируется на производстве и использовании «тождественных по качеству» наноматериалов и / или наноустройств.

В идеальном случае, для выполняющих репликации наноустройств, включая и само воспроизводство реплицирующего нанооборудования, гистограмма распределения «тождественности по качеству» сжимается до обобщенной д-функции, с обязательным учетом вероятностных квантовых, тепловых и размерных ограничений.

В настоящее время, пока таких устройств не создано, того же эффекта для ряда устройств достигают способами самосборки или самоорганизации разномерных и разномасштабных структур и кластеров на наноуровне.

Погрешность их получения на наноуровне не должна превышать 1-3%, а «тождественность по качеству» пока приходится представлять традиционными для оценки качества способами, например, через функцию потерь, зависящую от характеристик качества услуг и продукции.

К ним относят, в частности:

• качество сертифицированного оборудования;

• качество спецоборудования и инструментов;

• качество метрологических программ (методик);

• качество программного обеспечения;

• качество моделирования нанопроцессов;

• качество человеческого капитала.

Моделирование физических и биологических нанопроцессов и объектов, включая создание оригинального оборудования, ускоряет и удешевляет процессы НИОКР, а также позволяет выявить новые эффекты, характерные для наноуровня. Такое моделирование охватывает четыре представленных позиции, а также само качество самого моделирования.

Человеческий капитал, в расширенном представлении - человеческий потенциал, будучи неотъемлемой характеристикой качества, объединяет все вышеприведенные характеристики и одновременно определяет их, поскольку без творческого начала и качественного исполнения, сопряженных с законодательными ограничениями законами, актами, постановлениями, включая технологические регламенты и рекомендации национальных стандартов, реализовать требования к указанным позициям невозможно.

Кроме того, в отличие от технико-технологического и методического обеспечения, развитие человеческого потенциала и человеческого капитала требует создания должных социально-экономических условий и надлежащей мотивации деятельности творческих лиц и исполнительного персонала.

Повышение качества нанопродукции

В частности, используя метод повышения качества и снижения затрат, разработанный Генити Тагути, получим для потерь заказчика при N произведенных единиц нанопродукции (нанотехнологий, наноматериалов, наноустройств):

i = N

У L(y_i) = k N [у + (м - y₀)²], (1)

i = 1

где: k - экономический коэффициент, определяемый финансовыми потерями вследствие поставки или приобретения некачественной продукции; y₀ - целевое значение рассматриваемой функциональной характеристики; i = N

y_i - ущерб заказчика для i-й характеристики качества; м = 1/N Уy_i - среднее арифметическое совокупности; i = 1

i = N

у² = 1/N У (y_i - м)² - дисперсия совокупности N единиц нанопродукции.

i = 1

Средний квадрат отклонения i-й функциональной характеристики y от цели, определяющий уровень качества данной совокупности единиц продукции:

д² = у + (м - y₀)². (2)

Данное исследование выполняют для j характеристик качества нанопродукции в диапазоне 1 ? j ? M, что позволяет достичь требуемого либо возможно достижимого в соответствии с приведенными выше позициями - видами качества - интегрального уровня качества.

Для этого суммируют среднеквадратичные отклонения i-й характеристики y_ij качества нанопродукции по видам качества j:

j = M i = N

У У L(y_ij) = k_j N_j [у_j + (м_j - y_0j)²], (3)

j = 1 i = 1

В общем случае вместо неизвестного истинного среднего квадрата отклонения д² каждой характеристики y_i от цели, используя тот же подход, оценивают выборочное среднее и выборочную дисперсию генеральной совокупности.

Качество генеральной совокупности определяется преимущественно положением истинного среднего, и лишь в незначительной мере - фактором ошибки, представляющим разброс значений y_i относительно y₀.

Общий анализ характеристик качества нанопродукции выполняют по формуле, аналогичной формуле (3), на основе оценки выборочного среднего m и выборочной дисперсии S² генеральной совокупности по всем рассматриваемым характеристикам качества нанопродукции и по видам качества.

Данный подход применим для оценок качества как детерминистических, так и стохастических, неопределенно-вероятностных процессов, в том числе для смешанных нано-, микро- и макропроцессов и продукции соответствующих технологий.

Исключение - качество человеческого потенциала и, особенно, человеческого капитала, в настоящее время определяемого преимущественно не биологической, а принципиально отличной от нее социальной эволюцией человечества. Ее модель описывается нелинейными уравнениями и характеризуется бифуркациями в областях сингулярности.

Особо выделим непосредственно связанные с качеством проблему безопасности нанотехнологий, наноматериалов и наноустройств и культуру обращения с ними, чему в России пока уделяют явно недостаточно внимания.

Специфика обеспечения качества нанопродукции

Для нанопроцессов, отличных не только от ядерных, но и от простейших атомно-молекулярных взаимодействий, с одной стороны, и макроскопических процессов, с другой, необходимо качественно новое представление физических, химических, биологических и когнитивных принципов строительства нанопродукции «снизу вверх», объединенных синергетической парадигмой и соответствующим моделированием.

Технологическая, конструкторско-проектная и контрольно-измерительная система обеспечения качества NBIC-продукции сложна и не вполне отлажена во всех государствах, полномерно занятых развитием ее производства.

Среди основных аспектов проблемы - гармонизация между точностью и надежностью моделирования, производства и контроля, причем все указанные аспекты адаптивно замкнуты на принятие критически важных решений.

Для производства наноматериалов и наноустройств требуется, в частности:

¦ повышение качества наноуровневого моделирования путем:

- уточнения физических процессов взаимодействия разномерных кластеров и структур,

- использования суперкопьютеров и компьютерных сетей большой мощности,

- моделирования оригинального, включая прорывное, оборудования, и его взаимодействия с наноструктурами;

¦ повышение качества оборудования и инструментов посредством:

- использования тождественного оборудования и инструментов,

- использования аналогичного оборудования и инструментов,

- переналадки оборудования с дополнительной его сертификацией,

- замены технологического оборудования и инструментов,

- технологического перевооружения производства;

¦ повышение качества метрологического обеспечения, включая программы и методики, за счет:

- минимизации / устранения системных погрешностей оборудования и / или инструментов,

- устранения / минимизации системных погрешностей улучшением метрологических программ;

¦ повышение качества программного обеспечения путем:

- узкого гауссова распределения измеряемых значений со значительным отклонением от цели,

- широкого гауссова распределения, настроенного на цель;

¦ подготовки специалистов с качественно новыми представлениями о NBIC-технологиях и NBIC-продукции;

¦ обеспечение качественно новых требований к безопасности нанотехнологий, производству, использованию и утилизации наноматериалов и наноустройств;

¦ соблюдение «наноуровневой» культуры обращения с нанотехнологиями, наноматериалами и наноустройствами на всех этапах их жизненного цикла.

В настоящее время единственный реальный способ достичь должного уровня «тождественности по качеству» - инициация процессов самоорганизации наноструктур путем создания существенно неравновесных состояний исходных систем.

Принципиальное значение для развития нанотехнологий и получения нанопродукции имеет адаптивное управление системным качеством нанотехнологий с использованием сетевых подходов.

Особую роль играет системно-качественного моделирования физических и биологических процессов на наноуровне, без чего процесс внедрения безопасных NBIC-технологий затянется.

Оценка качества нанотехнологий и наноматериалов невозможна без учета размерных и квантовых эффектов, проявляющихся, как правило, на структурах размерностью от единиц до сотен нанометров, - порядка десятков-сотен структурированных атомов, но иногда - и на существенно бульших структурах, таких, как ДНК, РНК, мембраны клеточного масштаба, клетки, фуллерены и т.д.

Детерминистическое распределение нанорепликационных процессов невозможно в принципе, однако вероятностное распределение с учетом вышеуказанных требований достижимо и является актуальной задачей. Более того, необходимо интегральное представление систем, в том числе оценка их системного качества, даже для решения частных задач в NBIC-интегрированных структурах.

Системное качество - определяющий параметр развития нанотехнологий и наноматериалов.

В ближайшем будущем этот параметр NBIC-структур будет основан на физико-химической и биологической самосборке и самоорганизации.

В перспективе, возможно - не столь далекой, системное качество будет реализовано посредством репликации тождественных по качеству наноматериалов и наноустройств самого разного рода.

В настоящее время повышение качества и снижение затрат на развитие нанотехнологий, производство наноматериалов и наноустройств осуществляют преимущественно в части улучшения:

- качества молекулярного моделирования;

- качества оборудования и инструмента;

- качества метрологического обеспечения;

- качества программного обеспечения;

Помимо этого, требуется достичь:

- качественно нового, «нано», уровня безопасности производства и применения нанотехнологий и нанопродукции;

- создать нанокультуру производства и эксплуатации;

- выработать новые, прорывные менталитетные представления о нанотехнологиях и нанопродукции.

NBIC-прорыв в самых разных областях деятельности человека, в том числе в области медицины и сельского хозяйства, необходим для достижения существенно более высокого уровня качества жизни населения, включая длительность эффективной трудовой деятельности и общую продолжительность жизни.

Его достижение требует создания производственных сил наномасштабного уровня - реплицирующих наноустройств, как изготавливающих нанопродукцию, так и создающих производственное нанооборудование.

В настоящее время должного уровня качества массово производимой нанопродукции можно достичь только посредством отладки процессов самоорганизации наноструктур.

NBIC-подход - одновременно и вектор и перспектива стабильного развития общества и государства России и других государств в настоящее время и на обозримый период цивилизационного развития человечества.

Создание нанокультуры требует качественного изменения, эволюционного, но достаточно быстрого, менталитета не только специалистов, непосредственно связанных с разработкой нанотехнологий и нанопродукции и обращением с ними, но и всего населения, поскольку уже сейчас практически все, зачастую не зная того, в той или иной мере потребляют нанопродукцию.

Размещено на Allbest.ru