Нанотехнологии и продукция наноиндустрии

Общепризнанно, что благодаря развитию нанотехнологий мировая экономика находится на пороге новой технологической революции, которая неминуемо затронет в ближайшие десятилетия практически все области деятельности человека – от медицины и машиностроения до энергетики и космических исследований. Накопление знаний о наномире, опыта манипулирования нанообъектами и конструирования наноструктур ведут к формированию фактически нового типа технологии – универсальной технологии «полного контроля над веществом».

Овладение такой технологией позволит целенаправленно вмешиваться в процессы, идущие в живых организмах на клеточном и субклеточном уровнях (предупреждение и лечение болезней, управление воспроизводством и наследственностью, придание живым организмам новых свойств и возможностей, производство качественной и дешевой пищевой продукции), а также приведет к настоящей революции во всех сферах материального производства и потребления («поатомная» сборка материалов с нужными характеристиками, дальнейшая миниатюризация сложнейших приборов и систем – вплоть до невидимых невооруженным глазом размеров, новые виды компьютеров и систем связи, сложнейшие сетевые структуры, нанороботы). По многим прогнозам, именно развитие нанотехнологии определит облик XXI века и направления дальнейшего развития цивилизации на Земле.

В целом в мире в 2007 году продажи в секторе нанотехнологий в составили 50 миллиардов долларов США. Прогнозируемый объем продаж в этом году, учитывая продвижение технологий, составит около 150 миллиардов, а к 2010 году по оценкам международных экспертов нанотехнологии будут представлять 800-миллиардную индустрию. Также эксперты ожидают, что, к 2015 году рынок нанотехнологий перешагнет порог в два триллиона долларов[110].

В последние годы наблюдается устойчивая тенденция роста объема НИОКР в области нанотехнологий, а также все более широкое применение нанотехнологий и нанопродукции в различных областях науки и техники. Расходы на НИОКР по нанотехнологии в мире возрастают ежегодно на 10-15%. В 2005 г. вложения в нанотехнологии составили почти 9 млрд долл., из них 4,36 млрд долл. – инвестиции частных компаний.

До недавнего времени практически весь мировой объем инвестиций в НИОКР в области нанотехнологии (90%) был сконцентрирован в 14 странах: США, Японии, Великобритании, Австралии, Германии, Израиле, Индии, Китае, Канаде, Южной Корее, Франции, Финляндии, Сингапуре, Тайване.

Так, в частности, о наличии разработанных долгосрочных программ НИОКР в области было нано объявлено США (2000 г.) Японией (апрель 2001), Кореей (июль 2001), ЕС (март 2002), Германией (май 2002), Китаем (2002), и Тайванем (сентябрь 2002).

С момента принятия Россией в 2007 г. нанотехнологической инициативы картина принципиально изменилась: как в области организации НИР и НИОКР в области нано, в области внедрения их результатов, поддержки наноиндустрии, так и в области финансирования этих направлений становления наноиндустрии в России как национальной наносети.

Так, если в среднем США выделяют порядка 1,5 миллиардов долларов государственных средств в год на развитие нанотехнологичных проектов (соразмерное финансирование: ЕС – 1,2 млрд и Япония – 1,0 млрд долларов США), то только в рамках ГК «Роснанотех», на четыре ближайших года только на работы в сфере нанотехнологий и поддержку наноиндустрии выделены средства в размере четырех миллиардов долларов. Кроме этого, еще миллиард долларов планируется потратить на оснащение современным оборудованием научных лабораторий и внедренческих коллективов.

В настоящее время Россия по большинству позиций в области нанотехнологий имеет близкие стартовые позиции с ведущими странами мира и уже самым активным образом включилась в процесс освоения новых технологий. Так, уже сегодня в России производится и реализуется на рынке продукция нанотехнологий в объеме до 4 миллиардов рублей в год.

При этом, только две страны в мире – Россия и США – ведут исследования и разработки по всем направлениям нанотехнологий, так в этих работах в Российской Федерации участвуют более 500 научно-исследовательских институтов и организаций, объединяющих свыше 30 тысяч исследователей.

По мнению международных экспертов к 2015 году ожидается, что нанотехнологии позволят обеспечить более 2 млн. рабочих мест, а включая обеспечивающие индустрии – нанотехнологии потенциально обеспечат рабочими местами более 7 млн. человек. И, конечно, к этому времени на мировом рынке наверняка появится первое поколение нанструктурированных материалов, полимеров и керамики.

Формирование наноиндустрии – это не только развитие соответствующих нанотехнологий, но их активное применение. Динамику применения нанотехнологий в мире характеризует экспертная оценка, проведенная Национальным центром основ технологий (National Center for Manufacturing Sciences – NCMS, 2006), Так, если в США в 2000 году только незначительное число компаний проявляло интерес к нанотехнологиям (менее 1% от общего числа компаний, то к концу 2005 года 18% из рассмотренных в работе компаний уже торгуют нанопродуктами. Также вырос и спектр новых прикладных разработок: от передовых наночастиц и нанопокрытий, до бытовой электроники и медицинских продуктов. 80% рассмотренных в обзоре компаний планируют начать выпускать собственную нанопродукцию уже к 2010 году (через 5 лет), а на более поздние сроки доля таких компаний возрастет до 98%.

Нанотехнологии обещают значительно повысить эффективность традиционной промышленности и привнести в нее новые технологические процессы. Десять основных потенциальных направления развития до 2015 года могут выглядеть следующим образом:

При разработке новых материалов и производственных процессов как минимум в половине случаев ключевые компоненты новых систем будут построены на основе контролируемого воздействия на наномасштабном уровне. Будут созданы альтернативные технологии хранения информации с заменой носителей на основе электрического заряда носителями на основе спина электронов, фазы, поляризации квантовой и/или дипольной ориентации. Будут разработаны технологии управляемой самосборки нерегулярных иерархических структур и устройств, и созданы функциональные наномасштабные строительные блоки. Легкие композитные наноматериалы, более эффективные и менее загрязняющие виды топлива, инкорпорированные наночастицами, автоматические наноэлектронные системы получат широкое распространение в автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленности. Ожидается интеграция типа производства «сверху-вниз» с молекулярной самосборкой систем по типу «снизу-вверх». Разработанные на наноуровне катализаторы смогут осуществлять «точную» химическую сборку молекулярных ансамблей с минимумом отходов. Ожидается, что методы измерения в инженерии и биологии достигнут пространственного разрешения порядка размеров атомов, а временного разрешения, сопоставимого со скоростью течения химических реакций. Появится возможность визуализации и построения трехмерных моделей с нанометровым разрешением.

Значительный прогресс будет достигнут в лечении хронических заболеваний. Ожидается, что к 2015 году будет реализована возможность надежно обнаруживать наличие раковых опухолей и лечить их уже на первом году их развития. Это может существенно снизить заболеваемость и смертность от онкологических заболеваний. Синтез фармацевтических препаратов, процессы их доставки в половине случаев используют нанотехнологии, как один из ключевых компонентов. С помощью передовых наномасштабных методов измерения появилась возможность моделировать работу мозга на уровне межнейронных взаимодействий.

Конвергенция науки и инженерии в области наномасштабов создаст уникальный фундамент для интеграции нанотехнологий с таким областями, как биология, электроника, медицина, образование и рядом других областей. К этому направлению можно отнести гибридное производство, нейроморфическую инженерию (нейроморфические системы это реализация в кремнии систем, архитектура которых базируется на нейробиологии (дисциплина, изучающая физиологию, строение, развитие мозга и нервной системы)), создание искусственных органов, увеличение продолжительности жизни людей, улучшение органов восприятия человека и повышение его способности к обучению. Наука и инженерия нанобиосистем займет прочное место в системе здравоохранения и в биотехнологиях. Ожидается, что улучшение методов оценки деятельности мозга и нервной системы могут привести к созданию когнитивной инженерии.

При разработке новых продуктов, будет учитываться их безопасность в эксплуатации и биосовместимость. Развитие нанотехнологий приведет к созданию правил безопасности, которые снижают нежелательное воздействие наноструктур на окружающую среду и здоровье людей. Будет осуществляться повсеместный контроль содержания наночастиц в воздухе, воде и в почвах. Будут заключены международные соглашения о номенклатуре, стандартах и безопасности нанотехнологий.

Развитие системы знаний и образования будет смещаться с микрошкалы в сторону наномасштабов. Новая парадигма системы образования базируется не на изучении отдельных дисциплин, а на понимании единства природы как целого. Изменение научной и образовательной парадигмы приведет к таким же фундаментальным изменениям, какие произошли в науке и образовании при «переходе науки и техники к микромасштабам» в начале 1950-х годов, когда гонка космических исследований и цифровая революция стимулировали развитие микроанализа и научного анализа. Новый «переход науки и техники к наномасштабам» непременно приведет к смене аналитического фундамента и языка образования. Началом нового «перехода» можно считать начало третьего тысячелетия.

Организация нанотехнологического бизнеса будет реструктурироваться в сторону интеграции с другими технологиями, новому распределению продукции, и формированию взаимодополняющих видов деятельности. В этот процесс будут вовлечены как вновь возникающие, так и традиционные технологии. Значительным шагом в развитии станет создание нанотехнологических научно-технологических комплексов, которые будут одновременно решать как исследовательские задачи, так и вопросы производства.

Способности нанотехнологий по контролю и производству продукции на уровне наномасштабов можно разделить на четыре поколения, в зависимости от характера производимых нанотехнологических продуктов Появление каждого нового поколения продуктов характеризуется созданием первого коммерческого прототипа, произведенного с помощью использования характерных явлений и производственных процессов:

Первое поколение продуктов – «пассивные наноструктуры» обычно характеризуются макромасштабными свойствами и функциями. Стабильны во времени. Примерами являются наноструктурированные покрытия, дисперсные наночастицы, и вещества на основе сыпучих материалов: наноструктурированные металлы, полимеры, керамика.

Второе поколение продуктов – это «активные наноструктуры», обладающие механическими, электрическими, магнитными, фотонными, биологическими и другими свойствами. Такие структуры обычно бывают интегрированы в микромасштабные устройства или системы. Примерами могут быть новые транзисторы, компоненты наноэлектроники, усилители, лекарства с направленной доставкой, эффекторы, «искусственные мышцы», и адаптивные структуры.

Третье поколение – «системы из наносистем и трехмерные наносистемы», использующие различные технологии синтеза и сборки, такие как биологические самособирающиеся системы; роботы с самообучающимся поведением, а также эволюционирующие системы. Ключевым моментом для появления таких систем является организация связей в наномасштабе и создание иерархических архитектур. Для создания этих систем основное внимание в исследованиях должно уделяться гетерогенным наноструктурам и инженерии надмолекулярных систем. Примерами могут служить направленная многостадийная самосборка, искусственные ткани и сенсорные системы, квантовые взаимодействия внутри наномасштабных систем, обработка информации на базе фотонов или спинов электронов, комплексы наномасштабных электромеханических систем (NEMS) и конвергенция технологий (нано-био-инфо-когно).

Четвертое поколение – появление «гетерогенных молекулярных наносистем», в которых каждая молекула обладает специфичной структурой и играет свою собственную роль. В данных системах уже сами молекулы выступают как отдельные устройства, функции которых определяются их структурой и архитектурной организацией. Ожидается, что нахождение подходов к разработке новых атомных и молекулярных ансамблей позволит создавать макромолекулы «по заказу», собирать наномасштабные машины, управлять многостадийной самосборкой, использовать квантовый контроль, создавать биологические наносистемы для здравоохранения и разрабатывать интерфейсы взаимодействия человека и машины на уровне контроля с помощью нервной системы. Для осуществления этих задач необходимо проведение исследований в следующих областях: способы манипуляции атомами, молекулами и надмолекулярными комплексами, управление взаимодействием света с веществом, исследования механизмов квантового контроля и их использования для управления механико-химическими молекулярными процессами, получение биологических наносистем для медицины и сельского хозяйства, изучение возможностей создания интерфейсов взаимодействия человека и машины на уровне тканевого или прямого нервного контроля.

Преобразование энергии – является одним из приоритетных направлений развития нанотехнологий и исследовательских проектов в таких областях как фотоэлектрическая энергетика и прямая конверсия тепла в электроэнергию.

Очистка и опреснение воды – использование нанотехнологий в этой области может дать многообещающие результаты, хотя до настоящего времени в этом направлении не предпринималось серьезных усилий.

Нано-информатика – будут разработаны специальные базы данных и способы их использования по материалам и процессам мира наномасштабов. Эти базы данных будут иметь множество пересечений с уже существующими базами данных, такими как био-информационные базы данных по геному человека и геномам ряда растений.

Технологическое развитие по этим направлениям – основа формирования новых рынков, как наносырьевых, так и конечной продукции.