Нанотехнологии: современное состояние и перспективы

Русская наноматрешка

23 октября в Государственном университете — Высшей школе экономики прошел очередной семинар «Научно-техническая и инновационная политика» Института статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) и Международного научно-образовательного Форсайт-центра ГУ-ВШЭ в рамках Инновационной образовательной программы (ИОП).

alfimov.jpg

Михаил Алфимов

В ходе него развернутый ответ о том, что же такое нанотехнологии, попытался дать директор Центра фотохимии РАН, руководитель рабочей группы «Индустрия наносистем и материалов» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» академик Михаил Алфимов.

Предваряя выступление уважаемого эксперта, организатор семинара, проректор Вышки, директор Института статистических исследований и экономики знаний Леонид Гохберг заметил, что возглавляемый им институт, пригласив академика Алфимова, решился на смелый ход — отвлечься от политико-экономических институциональных проблем и поговорить о содержательной стороне современной науки.

Выбор ИСИЭЗ понятен — пожалуй, в последние годы именно нанотехнологии смогли привлечь особое внимание как высшего руководства страны, так и простых граждан. В то же время по результатам опросов, сделанных Институтом, не более чем 19% респондентов считают, что нанотехнологии способны существенно улучшить жизнь людей.

Очевидно, этой области знания необходима профессиональная популяризация, чтобы превратиться в действительно значимую национальную инициативу. Обеспечить разъяснительную работу и был призван Михаил Алфимов, аттестованный Леонидом Гохбергом как «в прямом смысле крупнейший ученый, один из самых цитируемых российских исследователей».

Доклад г-на Алфимова назывался весьма интригующе: «Природа это уже сделала, мы хотим сделать быстрее и лучше».

Соответственно, сначала речь шла о нано в природе. Первым этапом эволюции того, что сейчас называется нанотехнологиями, стали обычные вирусы — простейшие доклеточные образования, некоторые из которых имеют размеры менее 100 нм. Затем появились диатомовые водоросли — одноклеточный планктон. Примером природного наноматериала стал перламутр, в котором наноструктурирование обеспечивается добавлением к 95% карбоната кальция 5% белка.

Более сложным этапом стало появление разнообразных зрительных систем, в которых возникновение наноуровня — в виде пигментов — позволило обеспечивать гибкость и удивительное разнообразие органов восприятия у живых существ. Наноуровень позволяет природе, меняя лишь размерность и тип пигмента, резко переключать основные параметры зрительного аппарата.

Таким образом, по мысли академика Алфимова, сложность строения, наличие наноуровня в иерархии связаны с необходимостью природы обеспечивать высокую изменчивость своих творений. «Наноробот» — человек — был создан ею за несколько миллионов лет, современная наука стремится пройти этот путь намного быстрее.

При этом человечество начало использовать нанотехнологии задолго до того, как само это слово стало почти обиходным: первые наночастицы красителей встречаются еще в древнейшей керамике. Примеров спонтанных нанопрозрений множество — так, витражи средневековых соборов сделаны из стекол с добавлением мельчайших частиц металлов, а знаменитая булатная сталь является одновременно гибкой и уникально прочной за счет наноструктурированния в процессе долгой ковки.

Однако осознанное исследование и применение нанотехнологий относится лишь к второй половине XX века, когда начали появляться первые потребности в новой технической культуре. Упрощая, академик Алфимов пояснил, что современной цивилизации просто-напросто больше не хватает материалов, полученных путем перебора и синтеза элементов таблицы Менделеева, нужны материалы, сочетающие в себе уникальные и одновременно разнообразные качества, например, прочность и гибкость «булата». Наиболее очевидно эти новые потребности человечества проявляются в медицине — там остро стоит вопрос об избирательности действия лечащих препаратов.

Нанотехнология — не просто сумма разработок и методик, но новая парадигма создания рукотворных материалов и объектов. В предшествовавшей ей электронике путь сотворения нового был «сверху вниз», заключался в дроблении и обтесывании некоей болванки, отсечении от нее всего лишнего. Природа, а вслед за ней и нанотех действуют по-другому — снизу вверх, составляя сложное из простого.

Однако речь не идет о прямой сборке новых материалов из атомов, как это часто представляется. Манипуляции остаются в рамках старых, прежде всего, химических методов, просто исследователям известно, какие именно химические взаимодействия приведут к самоорганизации наноструктур из атомов, молекул или их объединений-агрегатов.

Пока что наноструктурированные материалы присутствуют в простейших формах — ультрадисперсных порошках (именно под таким названием они изучались еще в СССР), пленках и присадках. Но тактика подражания природе дает свои плоды: так, уже широко применяются т.н. «пластиковые стали» — сверхпрочные полимерные нанокомпозиты, подобные по строению раковинам моллюсков.

Еще одно популярное направление — разнообразные наносенсоры, чувствительные к химическим соединениям. Это, в частности, тот самый «электронный нанонос», который недавно демонстрировали первому вице-премьеру Сергею Иванову в инженерно-физическом университете (МИФИ). По словам Михаила Алфимова, этот нос «не болеет, не устает, не отвлекается на интересные запахи». Так называемые хемосенсоры копируют иерархическую наноструктуру, присутствующую в носах, созданных природой.

Важнейшим вопросом в развитии нанотехнологий является наличие современной научно-исследовательской инфраструктуры. В первую очередь, — приборной базы, и особенно микроскопов.

«Когда мы начинаем что-то видеть, через какое-то время мы неминуемо учимся этим управлять», — пояснил г-н Алфимов.

Бурный скачок в нанотехе связан с распространением двух типов микроскопов — сканирующих туннельных (STM) и атомно-силовых (AFM). STM дают возможность, в частности, наблюдать непосредственно атомы и молекулы во время химических реакций, а также изучать нанокристаллы. AFM позволяют визуально изучать строение человеческих хромосом.

Заметим, что в производстве микроскопов и исследовательских комплексов для нанотеха на их основе Россия занимает одно из первых мест в мире благодаря компании NT MDT.

bykov.jpg

Виктор Александрович Быков, генеральный директор ЗАО НТ-МДТ

Одно из самых известных практических нанодостижений — открытые в 1991 г. углеродные нанотрубки, обладающие огромной прочностью. В 2003 году были изобретены светящиеся нанотрубки, на примере которых академик Алфимов, наконец, пояснил, почему для нанотеха значение имеет не предмет исследований (как информация в IT или проявления жизни в биологии), а размерность.

Оказывается, в наномире простое изменение размера дает изменение функциональных характеристик. Так, цвет (длина волны) свечения нанотрубок зависит исключительно от их диаметра.

«Меняем размер — меняются свойства» — вот краткое определение специфики нано от г-на Алфимова.

Еще один известный поп-термин — квантовые точки. Как пояснил докладчик, это кристаллы полупроводников наноразмера, спектр излучения которых также зависит от их величины. Такие кристаллы удобны для диагностики, так как накапливаются в определенных областях организма.

Еще одно наноизобретение — фотонные кристаллы — было подсмотрено у африканских бабочек, крылья которых имеют удивительно яркую окраску. Оказалось, что нанокристаллы, которыми они покрыты, отражают свет только одного цвета, а остальные оттенки спектра рассеивают.

Выступая в Высшей школе экономики, Михаил Алфимов не мог обойти вниманием экономическую (коммерческую) сторону нановопроса, и оказалось, что в ней он разбирается не меньше, чем в научной. Весь процесс распространения нанотеха в промышленности он разделил на несколько этапов.

В ходе первого из них, продолжающегося до 2015 года, особой популярностью станут пользоваться уже производящиеся ныне нанопорошки, наноприсадки к традиционным материалам, сенсоры. Далее, через 10—15 лет появятся более сложные объекты, в частности, ткани и органы для медицинского применения. Они будут уже многокомпонентными, наноструктурированные материалы будут сочетаться и вкладываться один в другой «как русская матрешка».

Сегодня на полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится около 0,01% мирового ВВП, уже к 2010 эта доля возрастет до 0,5%, в 2015 достигнет 2%, а в 2030, как прогнозирует г-н Алфимов, составит 40%.

«Рост, как и в природе, будет происходить экспоненциально» — пояснил он оптимистичные данные своего прогноза.

Однако готова ли воспринять нанодостижения российская промышленность? Американская — да.

Согласно опросу представителей бизнеса в США 52% руководителей компаний считают, что в ближайшие 5 лет перспективы развития их бизнеса будут связаны с нанотехом. В США уже сегодня есть около 1000 «дорожных карт» (популярный термин, означающий комплекс мероприятий, которые необходимо осуществить для достижения той или иной цели), связанных с нано. Примерно столько же в Европе. А Россия? Академик Алфимов высказался осторожно: «мы готовимся к тому, чтобы включиться в гонку, которая предстоит».

Читая недавний выпуск возглавляемого учеными Вышки Леонидом Гохбергом и Александром Соколовым журнала «Форсайт», Михаил Алфимов «с удовлетворением отметил, что в России сохраняется редкая специфика: развиты физика, химия и математика», т.е. именно те специальности, что необходимы для развития нанотеха.

Есть и серьезные научные традиции — оба наших последних нобелевских лауреата (Виталий Гинзбург и Жорес Алферов) работали в нано и смежных областях физики. Более того, есть даже и готовые к внедрению технологии. Например, метод нанесения наночастиц серебра на ткань для придания ей бактерицидных свойств.

Кстати, только через рабочую группу академика Алфимова при ФЦП по науке и технике прошли десятки таких готовых к внедрению разработок.

Вопросы тех, кто принял участие в семинаре ИСИЭЗ, были весьма любопытны — аудиторию заполняли «гуманитарии», которых интересовали больше институциональные, организационные и управленческие проблемы, связанные с темой обсуждения.

Первый вопрос касался госкорпорации — Роснанотеха

Михаил Алфимов сразу оговорился, что является лишь экспертом, но признал, что принимал участие во всех важнейших мероприятиях нового органа. По его словам, изначально при оформлении наноинициативы боролись две группы, обладавшие примерно равными возможностями лоббирования.

Одна из них ратовала за оформление под нанопроект новой гигантской целевой программы, создание вертикально интегрированной научно-организационной структуры, подобной советскому космическому проекту.

Вторая группа, одержавшая в итоге победу, выступала за максимальную диверсификацию нанотехнологического направления, развитие сетевой инфраструктуры. Академик Алфимов выразил уверенность, что Роснанотех станет ориентирован, прежде всего, на гражданские, социально значимые проекты, и решит главную проблему развития российских нанотехнологий — проблему масштабирования, перехода от опытных образцов к промышленному производству.

«Ученые за 15 лет разучились работать над крупными проектами, теперь надо наверстывать упущенное», — заметил он.

Важный вопрос касался того, будут ли в рамках Роснанотеха закупаться готовые иностранные технологии. Г-н Алфимов ответил утвердительно — без покупки готовых производственных линий мы не сможем воспитать столь необходимых квалифицированных инженеров и рабочих.

По поводу научно-технических приоритетов Михаил Алфимов был предельно конкретен:

«Нужно посадить за стол переговоров [по поводу выработки приоритетов] всех, в т.ч. и домохозяек, а потом погнать [разработчиков] вперед рублем».

Международные эксперты? Да, будут привлекаться, если своих квалифицированных специалистов не найдется. Деньги на это есть.

Наноэтика и вопросы безопасности? Соответствующая комиссия уже формируется небезызвестным г-ном Онищенко.

onishchenko3.jpg

Консолидация всех активных сил общества? Нанопрограмма способна решить и эту задачу: «без социологов, философов, экономистов мы не достигнем успеха». Понимание того, что такое нанотехнологии, должно формироваться еще со школы.

Поблагодарив гостя, Леонид Гохберг рассказал о своем видении роли наноинициативы в развитии российской науки. По его мнению, речь идет о попытке создания «параллельной системы» организации научных исследований, отличной от Академии наук. За пределами РАН, по его мнению, есть множество сильных институтов — Курчатовский центр, НИИ Росатома, Роскосмоса и других ведомств.

Роснанотех и профильные федеральные целевые программы — это попытка объединить их в новую научную инфраструктуру, привить новые, адекватные современным вызовам проектные модели финансирования. Впервые в рамках наноинициативы будет реализована идеология поддержки лучших, создания так называемых «центров превосходства».

Можно надеяться, что многие институциональные «пробки», сегодня препятствующие какому-то заметному инновационному развитию страны, будут выбиты именно с помощью нанотехнологий.

Иван Стерлигов

http://www.opec.ru/…/article.asp?…

Вот настоящий эксперт!.. Может рассказать и об истории, и о физической сути вопроса, и об экономических аспектах проблемы, и выстроить приоритеты, и дать прогноз на перспективу… Знает о современном состоянии науки и техники в стране и за рубежом, может дать оценку возможностей и необходимых ресурсов… Почаще бы встречаться и беседовать/слушать с такими людьми…