Нанотехнологии. Правда и вымысел

В настоящее время ПЗС-матрицы выпускают и широко применяют в своей продукции многие известные мировые компании: Canon, Kodak, Matsushita, Nikon, Sony, Fuji, Philips и др.

На основании этого следует заметить, что в ближайшие годы все Нобелевские премии по физике, а также частично по химии и биологии будут присуждаться за исследования и прикладные разработки, так или иначе связанные с нанотехнологическим направлением в науке и технике. Более того, еще раз необходимо подчеркнуть, что предпочтение будет отдаваться исследованиям, которые не просто находятся на стадии лабораторного образца, но уже нашли практическое применение и успешно продаются и применяются в повседневной практике.

Индустриализация нанотехнологий

Рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять триллионы долларов в мировом масштабе.

    Дэвид Берубе, профессор Университета Южной Каролины (2008 год)

Развитые страны мира при поддержке правительств и глав государств очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий, оценив перспективы, которые это может принести в будущем.

Первыми в гонку нанотехнологий включились США, которые в 1991 году начали разработку первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Практически одновременно по поручению правительства аналогичную программу начали разрабатывать в Японии. Была намечена серия проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

Э. Дрекслер в своей известной книге «Наносистемы» (“Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation’"), вышедшей в свет в 1992 году, на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий по существу в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц: нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т. д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным остается создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы Nanotechnology и Nanobiology, в которых публикуется множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам и их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создаются лаборатории и отделы наноструктур, возглавляемые известными учеными.

На пятой Форсайтовской конференции Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологии» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством – в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологии – квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также проекты, направленные на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них – Atom Craft Project и Aono Project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нанотехнологий – «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative, NNI) – в целях поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

Как считают авторы французской книги «Nanosciences: La revolution invisible»[1 - Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. М.: Колибри, 2009.] профессор Кристиан Жоаким (^ris^n Joachim) и журналистка Лоранс Плевер (Laurence Plevert), именно с NNI закончилось время фундаментально-научного, ресурсосберегающего и экологического аспектов нанотехнологий, началась эра их перевода на практические рельсы и создания наноиндустрии.

Следует отметить, что К. Жоаким является руководителем лаборатории по исследованиям Центра структурных исследований и разработки новых материалов (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) в Тулузе (Франция). Он известнейший специалист в области физики твердого тела и руководитель национальной группы Nanosciences.

В связи с прикладными задачами нанотехнологий надобность в романтике-гуру Эрике Дрекслере отпала. На должность руководителя программы NNI (председателя подкомитета по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологии Национального научного фонда США – National Science Foundation, NSF) был назначен профессор-прагматик Майкл Рокка (Michael Rocca), обладающий значительными коммерческими связями в промышленных кругах Америки.

В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций – участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нанотехнологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долларов) на 42 млн долларов. С 2001 года США инвестировали в данный проект более 8 млрд долларов, что составляет около 25 % всех мировых затрат на нанотехнологии.

В настоящее время в NNI вовлечено более пятисот университетов, частных институтов и правительственных лабораторий, а также около 2000 нанотехнологических компаний США, где разрабатываются более 5000 научно-исследовательских проектов.

С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21st Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.

В соответствии с этим документом пять государственных организаций – Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA) и Управление по охране окружающей среды – получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд долларов сроком на четыре года для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологии). Правительства и частный сектор все больше принимают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому сфера наноматериалов получает огромные фонды от частных предприятий и правительств.

Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе была создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA), основная цель которой – содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.

На первом учредительном совещании, организованном Институтом нанотехнологии (Institute of Nanotechnology) в мае 2006 года, впервые были рассмотрены многие вопросы, касающиеся производства и использования наночастиц в экономике государств Европы. Потребность предприятий в новых нанотехнологиях стремительно растет, но как для производителей, так и потребителей разработок остается множество нерешенных вопросов.

В последнее время значительные усилия предпринимаются руководством Китая. Так, например, о развитии в стране соответствующего сектора в целом в той или иной степени можно судить по количеству научных публикаций. До 2001 года Китай уступал по количеству публикаций и США, и Японии, и Германии, но в 2002 году он обошел Германию, а в 2003 году уже и Японию. Общее количество публикаций по нанотехнологической проблематике в Китае составило более 10 000 статей в 2007 году.

Лидером же по числу публикаций в 2007 году оставались США (около 15 000 статей), опережая всю Европу, где выходило чуть менее 12 000 публикаций.

Самыми цитируемыми изданиями (по данным Thomson ISI за 2001 год), публикующими научные статьи в области нанотехнологий, являются мультидисциплинарные журналы Science в США и Nature в Европе.

По официальной статистике, общее количество патентов в области нанотехнологий (более 3000), выданных американским компаниям, университетам и частным лицам, составляет около 40 % от всего количества патентов во всем мире.

Конечно, по словам сотрудника отдела нано– и конвергентных наук и технологий, генерального директората по научным исследованиям Европейской комиссии Ангелы Хульманн (Angela Hullmann), «в сфере нанотехнологий общеизвестно, что значительное число изобретателей, указавших адрес проживания в Азии, работали на американские компании, подавшие патентные заявки. Но огромное количество подобных несоответствий не может быть объяснено только мобильностью ученых. Следует также признать, что научно-исследовательские центры в Азии, принадлежащие американским компаниям, не подают заявки самостоятельно, а предоставляют это американским штаб-квартирам»[2 - Хульманн А. Экономическое развитие нанотехнологий: обзор индикаторов / Форсайт, 2009. 31– С. 30–47].

Рассматривая рынок наноматериалов и нанотехнологий, следует отметить разнонаправленность прогнозов и позиций различных экспертных организаций и государственных структур.

По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологии достигли 6 млрд долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (данные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Большая часть из них (около 10 %) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.

В целом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти (табл. 2).

Таблица 2. Прогноз рынка нанотехнологий (разные источники)

Как видите, прогнозы значительно отличаются: от роста до 1 трлн долларов США до заметного сокращения рынка нанотехнологий в мировом масштабе. Это связано не только с мировым экономическим кризисом, но и с позицией Европарламента по вопросу применения нанотехнологической продукции в косметической отрасли и медицине, где как раз наблюдаются наиболее высокие объемы производства и продаж (да и не только в этих областях).

Уже сейчас нанотехнологии используются в процессе изготовления (производства) более 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов конструкционных и сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. Практически все крупные высокотехнологичные корпорации, например IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW, Intel, химическая компания BASF, биотехнологическая Abraxis BioScience и др., активно инвестируют средства в развитие исследований по разработке и выпуску нанотехнологического оборудования и материалов. Ведь применение нанотехнологий способно изменить свойства традиционных изделий, а значит, сделать товар более конкурентоспособным.

Крупнейшими потребителями нанотехнологических товаров являются следующие отрасли (в процентах от общего объема рынка): предприятия, работающие в сфере охраны окружающей среды – 56 %, электроника – 20,8 %, энергетика – 14,1 %.

Сегодня, по оценкам экспертов, на полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится около 0,01 % мирового валового внутреннего продукта (ВВП), а в 2010 году этот показатель может составить уже 0,5 %.

В то же время, по словам Ричарда Аппельбаума (Richard Appelbaum) из Центра нанотехнологий при Университете Калифорнии (Center for Nanotechnology in Society, CNS), оборот рынка нанопродукции в 2014 году может достигнуть 14 трлн долларов, что равноценно 15 % общего выпуска товаров в мире.

Аналогичный прогноз высказывает автор известной книги ««Nano-Hype: The Truth behind the Nanotechnology Buzz», профессор Университета Южной Каролины Дэвид Берубе (David M. Berube) в интервью «Национальная корпорация – разумный подход к инвестициям»[3 - Коммерсантъ, 4 декабря 2008 г.]. По его мнению, рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять «…триллионы долларов в мировом масштабе».

Как отметил Президент России Д. А. Медведев на открытии Второго Международного форума и выставки по нанотехнологиям Rusnanotech-09, по прогнозам экспертов, буквально через пять лет (к 2015 году) рынок нанотехнологической продукции вырастет до 2–3 трлн долларов, что сделает его сопоставимым с мировым рынком энергоносителей.

Следует отметить, что, несмотря на мировой экономический кризис, рынок нанотехнологической продукции, по сравнению с другими отраслями, пострадал в значительно меньшей степени и продолжает стремительно развиваться.

В ближайшем будущем, по оценкам Research Techart, наибольшим спросом будут пользоваться не только простейшие наноматериалы (фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки, нанопористые материалы, наночастицы, наноструктурированные металлы), но и такие новые формы наноматериалов, как вискеры, дендримеры и квантовые точки.

Значительный скачок ожидается в разработке, изготовлении и продажах исследовательского и специального нанотехнологического оборудования, наноэлектромеханических систем для продукции наноэлектроники, а также бионанотехнологий для медицинской и косметической промышленности и производства пищевых продуктов.

Становление и развитие нанонауки в России

Сегодня создание и применение нанотехнологий и наноматериалов во многом определяет темпы научнотехнического прогресса, а значит, и перспективы социально-экономического развития России.

    Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На заседании Международной комиссии мер и весов 7 октября 1958 года было принято предложение известного отечественного метролога Григория Дмитриевича Бурдуна, который еще в 1956 году назвал миллиардную долю метра «нанометром». На этом же заседании было установлено, что в слове «нано» следует писать одну букву «н», как в греческом слове нанос – карлик, а не как в образовавшемся от него латинском слове nannus (океанология).

В 1960 году решением Генеральной конференции по мерам и весам была принята универсальная система единиц физических величин, получившая название Systeme internationale d’unites (Международная система единиц), или SI (СИ), которая и узаконила данные предложения.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский, занимаясь исследованиями аварий авиационной техники, в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой сервовитной пленки толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.