Современные геополитические тенденции безапелляционно и настойчиво диктуют: жить, а тем более жить хорошо, без кардинального повышения научно-технического уровня экономики далее невозможно. В мире это поняли давно. Именно эффективная наука и внедрение новых технологий уже реально стали теми самыми китами, на которых держится экономическая состоятельность развитых стран. И нанотехнологии — чрезвычайно модное (без иронии) сегодня направление — играют здесь если не ведущую, то во всяком случае и не последнюю роль. Более того, по многочисленным прогнозам специалистов, облик XXI века будут определять именно они. Подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора во многом определили облик столетья минувшего.
Развитие нанотехнологий уже в ближайшие десятилетия станет одной из самых мощных движущих сил новой научно-технической революции, которая может привести к существенным переменам в самых разных секторах промышленности и энергетики, строительства и сельского хозяйства, медицины и экологии, ВПК и электроники… А следовательно, и нашего с вами быта.
Однако будущее время всегда таит в себе оттенок неопределенности. А уж уверенно планировать что-либо в нашей стране — почти утопия. Потому, держа «в уме» вопрос «что будет?», попытаемся проанализировать, что было и что есть.
Нанотехнология без грима
В пятом столетии до н.э. в светлую голову древнегреческого философа Демокрита пришла концептуальная мысль: все сущее в мире имеет в своей основе неделимую частицу – атом. Именно из этого первичного строительного материала воздвигнуто вселенское здание материи. Спустя века эта мысль получила развитие. Уж коль материя состоит из набора атомов-кирпичей, смекнули ученые умы, то почему бы, манипулируя первичным строительным материалом, не сотворить нечто совершенно новое? Так на свет и появилась Нанотехнология.
Теперь серьезно. Уменьшение размера частиц ниже некоторой пороговой величины может приводить к значительному изменению свойств твердых тел. Может, но не обязательно приводит. Такие эффекты проявляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм (нанометр — одна миллиардная метра).
С физической же точки зрения переход к наносотоянию связан с появлением размерных эффектов в свойствах твердых тел. Размерный эффект непосредственно связан с физической природой вещества. Если размеры элементов структуры твердого тела по одному, двум или трем направлениям соизмеримы или меньше характерного параметра с размерностью длины, используемого в теоретическом описании какого-либо свойства или процесса, то в соответствующих свойствах будут наблюдаться размерные эффекты.
Таким образом, вещество или материал можно назвать нанокристаллическим, когда размер частиц достигает в нем критического и совпадает с каким-либо характерным физическим параметром с размерностью длины. Только в этом случае можно обнаружить реальную разницу в свойствах, обусловленную размерными эффектами. Если же нет перехода вещества в качественно иное состояние с качественно иными свойствами, речь идет уже не о нанотехнологии. Такие вот «мудреные» вещи, дающие совершенно потрясающие эффекты.
Фактически нанотехнологии позволяют управлять физическими, химическими и биологическими процессами на атомарном и молекулярном уровнях. Именно это дает возможность создавать принципиально новые материалы, устройства, медицинские препараты, разрабатывать новые технологические процессы с невиданными ранее возможностями. Уже сегодня на основе нанотехнологий созданы новые лазеры и износоустойчивые головки магнитных дисков с покрытием нанометровой толщины, высокоселективные наноструктурные катализаторы, нанопокрытия лопастей вертолетов и эффективные присадки к ракетному топливу, новые лакокрасочные материалы и косметические товары. Нановещества и материалы уже нашли применение в энергетике (ультрадисперсное ядерное топливо, материалы для солнечной энергетики, новые химические источники питания, топливные элементы, нанотехнологии генерирования электроэнергии из любого органического топлива с КПД 60-70%). Разработаны технологии создания новых поколений авиационно-космических аппаратов (легкие, жаростойкие материалы и покрытия, элементы систем питания, ориентировки и управления, новые виды топлива). В этом же ряду — новейшие технологии способов наземной и спутниковой связи и информации (миниатюрные, энергоэкономичные, безопасные информационно высокоемкие элементы и системы), систем безопасности и обороны (новые способы обнаружения и разведки, коллективной и индивидуальной защиты, новые роботизированные системы вооружения). Благодаря применению нанотехнологий электроника стремительно приближается к такому уровню миниатюризации, когда рабочими элементами интегральных схем будут небольшие ансамбли атомов и молекул или отдельные специально синтезированные молекулы.Нанотехнологии коснулись даже нашего духовного мира: в Израиле уже создана нано-Библия. Специалисты из Техниона благодаря нанотехнологиям сумели уместить весь текст ТАНАХа – Ветхого завета Библии – на площади в 0,5 квадратных миллиметров. В результате весь текст уместился на площади меньше острия иглы. Правда, чтобы прочитать его, естественно, понадобится микроскоп. Эта работа была выполнена с помощью фокусированного пучка ионов, который выбивал ионы золота из слоя в 20 нанометров, которым была покрыта тончайшая силиконовая пластинка. Авторы намерены подать заявку на внесение своего изобретения в книгу рекордов Гиннеса, которая, может быть, тоже вскоре станет нано-.
А российский Институт космического приборостроения уже сейчас создает серию наноспутников, управляемых через ноутбук и мобильный телефон с помощью SMS-сообщений. Уже создан и прошел летные испытания при ручном запуске с борта МКС космонавтом Салижаном Шариповым наноспутник ТНС-0 номер 1, на котором была впервые испытана новая технология управления полетом через спутниковую систему «Глобалстар». При этом Центр управления полетом состоял из ноутбука с подключенным мобильным телефоном системы «Глобалстар».
Вывод на орбиту наноспутника ТНС-0 номер 2 в кооперации с Бременским университетом (Германия) запланирован россиянами на 2008 год, а запуск следующих наноспутников планируется в конце 2008 и в 2009 годах.
Такие вот полуфантастические вещи. За которыми, естественно, — огромный труд и немалые деньги. Об этом — подробнее.
В соответствии с аналитическими данными Американского национального научного фонда (NSF), правительства и промышленные круги развитых стран ожидают в ближайшие 10-15 лет бурного роста объемов рынка нанотехнологических материалов, приборов и другой продукции. Объемы вырисовываются нешуточные: наноструктурные материалы и технологическое оборудование — $ 340 млрд в год; наноэлектроника — более $ 300 млрд в год; фармацевтические нанопрепараты — более $ 180 млрд в год; химическая продукция на основе нанотехнологий — $ 100 млрд в год; наноматериалы для аэрокосмической промышленности — $ 70 млрд в год.
Суммарно мировой рынок нанопродукции до 2015 года может достичь $ 1 триллиона.
Широкомасштабные нанотехнологические разработки начали осуществляться в большинстве развитых стран с начала 1990-х. Результатом признания их важности стало принятие и финансирование многих специальных программ. Информация из открытых источников свидетельствует, что сегодня такие программы имеют более 50 стран, а ежегодные мировые объемы инвестиций в нанотехнологии уже исчисляются миллиардами долларов и имеют стойкую тенденцию к росту. Практически весь мировой рынок таких инвестиций (примерно 90%) сконцентрирован в 15 странах: США, Японии, Великобритании, Австралии, Германии, Израиле, Индии, Китае, Канаде, Южной Корее, Франции, Финляндии, Сингапуре, Тайване и России. В большинстве из них часть государственных затрат на работы в отрасли нанонауки и нанотехнологий значительно превышает 50% от общего объема финансирования. Мировыми лидерами по объемам инвестиций в нанотехнологии в последние годы стабильно были США и Япония, а в минувшем году к ним присоединилась Россия. В этих странах сконцентрировано более половины мирового объема инвестиций.
Так, к примеру, только в рамках принятой конгрессом США в 2000 году государственной программы «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative) общий объем ассигнований, выделенных на реализацию первого этапа программы (2001-2004 гг.), составил почти $ 2,8 млрд. Запланированные бюджетные выплаты на реализацию второго этапа (2005-2008 гг.) составляют около $ 4,6 млрд, что в 1,7 раза превышает объемы финансирования первого.
В Японии бюджетное финансирование разработок в области нанотехнологий в 2004 году превышало $ 1 млрд, а общие выплаты на 2005-2008 гг. составят $ 3 млрд.
Европейские страны также своевременно поняли стратегическую важность развития нанотехнологий. В 6-й рамочной программе Евросоюза (2002-2006 гг.) исследования и разработки в области нанотехнологий были провозглашены приоритетными, и на их финансирование на протяжении пяти лет затрачено 1,3 млрд евро. В 7-й рамочной программе (2007-2013 гг.) на это направление предусмотрено уже 3,5 млрд евро.
А что же у наших ближайших соседей? До недавнего времени в России наноисследования и разработки поддерживались бюджетным финансированием через ряд фондов, целевые программы РАН, Минпромэнерго, Росатома и другие федеральные программы. Общий объем бюджетных выплат до 2006 года составил, по оценкам специалистов, около 6 млрд рублей (около $ 200 млн). С целью реализации президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» 9.06.2007 года создан государственный Совет по нанотехнологиям во главе с первым вице-премьером РФ Сергеем Ивановым. Совет, состоящий из 38 членов правительства, ученых, предпринимателей и парламентариев, — это совещательный орган для взаимодействия власти с предпринимателями и учеными с целью эффективной реализации государственной политики в сфере нанотехнологий и наноиндустрии. На него возложены также формирование рынка нанопродукции и наноуслуг и координация вложения бюджетных и частных средств в конкретные проекты. На первом заседании совета 21 июня 2007 года Сергей Иванов сообщил, что на развитие наноиндустрии в России до 2015 года планируется выделить 200 млрд рублей. Реализации государственной политики РФ в этой сфере будет содействовать Российская корпорация нанотехнологий («Роснанотех»), закон о создании которой принят думой 4.07.2007 г. и подписан Владимиром Путиным 19.07. 2007 г. Уже в 2007 году «Роснанотех» получил из федерального бюджета около $ 1 млрд.
По словам президента Российской академии наук Юрия Осипова, каждый четвертый институт РАН занимается сегодня исследованиями в области нанотехнологий [1]. А лауреат Нобелевской премии, академик РАН Жорес Алферов назвал развитие нанотехнологий «самым важным вопросом для страны».
Есть ли порох в украинских нанопороховницах?
Украинские ученые тоже не могут остаться в стороне от современного нанобума.— В Национальной академии наук Украины на протяжении многих лет ведутся фундаментальные и прикладные исследования, имеющие непосредственное отношение к сегодняшним разработкам в области нанотехнологий, — говорит заместитель директора Института металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАНУ, доктор физико-математических наук профессор Виктор Уваров. — Это работы в сфере микроэлектроники, физики и химии поверхностей, тонкопленочных и порошковых технологий, атомных и молекулярных моношаров, соединения и сваривания элементов конструкций, катализа, физики и химии коллоидов и атомных кластеров, сорбентов разнообразного назначения, физики металлов и сплавов с наноразмерной структурой…
С целью координации и целенаправленной поддержки этих работ Президиумом НАНУ в 2003 году была создана Комплексная программа фундаментальных исследований «Наноструктурные системы, наноматериалы, нанотехнологии». В настоящий момент в ее реализации принимают участие более 30 институтов НАНУ. Исследования проводятся по 14 важнейшим направлениям теоретического и экспериментального изучения наносистем, а также разработки методов и технологий их создания.
Суммарное финансирование программы за период 2003-2006 гг. составило 33 млн. грн. Его можно признать, выражаясь деликатно, достаточно ограниченным, если учесть сложность и масштаб решаемых задач.
Что же удалось сделать в рамках украинской программы?
Одна из интереснейших отечественных разработок — оригинальные наноструктурные композиты для новых технологий сварки перспективных конструкционных металлических материалов, не поддающихся сварке в обычных условиях.
— В Институте сварки им. Е.О.Патона уже применяют электронно-лучевую технологию получения материалов с многослойной наноструктурой для сварки неорганических материалов, — рассказывает Виктор Уваров. — По очереди «пылятся» слои алюминия (70 нм) и никеля (50 нм). С помощью таких слоистых структур можно сваривать самые экзотические материалы: к примеру, алюминий сваривается со сталью, а медь — с никелем. Любые комбинации! А раньше алюминий не могли сваривать ни с чем. Это настоящий прорыв!
Дальше — конспективно. Образцы жароустойчивого нанодисперсного алюмокомпозита — перспективного материала для авиационной и космической техники; технологии получения покрытий в наноструктурном состоянии, которые значительно повышают стойкость и прочность лопаток газовых турбин и конструкционных материалов; серия магнитомягких нанокристаллических сплавов и на их основе — образцы сердечников для высокоэкономичных трансформаторов различного назначения (телекоммуникационные системы, электротехника, силовые приспособления в электровозах); методы получения металлических и металлооксидных нанопленок для создания датчиков магнитного поля и защитных фильтров в системах мобильной связи; образцы композитов с углеродными нанотрубками и наночастями, эффективно поглощающие излучение радио- и СВЧ-диапазона.
— Очень интересная разработка, — говорит Виктор Николаевич, — образцы материалов с квантовыми точками германия на кремнии для создания неохлаждающихся приборов ночного видения. На основе квантовых точек создаются и новейшие системы записи информации, лазеры для ее передачи по оптическим волоконным системам связи. Это направление разрабатывается в Институте физики полупроводников. Перспективы — огромные!
Перечислить даже все основное, что удалось сделать украинским ученым в нанообласти, в рамках одной газетной публикации уже невозможно. Назовем еще несколько разработок. Образцы нанокомпозитов на основе оксидов титана, имеющие обратный фотохромный эффект, для устройств оптической записи информации; технология получения и спекания нанопорошков титана бария для многошаровых конденсаторов на основе керамик; твердые, радиационно устойчивые, электропроводящие смазочные материалы для космического и наземного использования на основе наносистем; нанокомпозиты для светоизлучающих диодов, материалы для литиевых аккумуляторов высокой емкости, систем записи информации и преобразования солнечной энергии в другие виды энергии; наноструктурированные катализаторы для сжигания метана в процессах газовой очистки, а также обезвреживания промышленных и автотранспортных выбросов…
Отдельно хотелось бы сказать о разработках в области бионаносистем, потому что с медицинскими проблемами так или иначе приходится сталкиваться каждому из нас.
Украинскими учеными созданы наноструктурированные биосовместимые с костной тканью человека керамические композиты на основе гидроксоапатита кальция и биоактивных фаз.
— Титановые зубные протезы, вкручиваемые в челюсть традиционно, очень плохо приживаются, — комментирует Виктор Николаевич Уваров. — Организм отторгает инородное тело, прочностные характеристики кости падают, она как бы уходит от соприкосновения. И протез выпадает очень быстро. Гидроксоапатиты — минералы, структура которых очень близка к структуре костной ткани. Созданные в институте монокристаллов биопокрытия обеспечивают высокую приживаемость. Костная ткань прорастает в такое покрытие и укрепляет протез. Биосовместимость — великая вещь.
Очень перспективные разработки ведутся в области онкологии. К примеру, в институте биоколлоидной химии созданы наночастицы золота, используемые в качестве противоопухолевого препарата. Ведь давно замечено, что женщины, которые носят золото, реже болеют раком молочной железы. Так вот, наночастицы золота способны проникать внутрь опухолевых клеток и уничтожать их.
Есть и другая методика. Ряд окислов (к примеру, Fe2O3) при измельчении их до размеров около 50 нм приобретают очень интересные свойства. Если поместить их в переменное магнитное поле, они разогреваются. На этом эффекте и основана новая методика лечения опухоли. Раствор этих наночастиц вводится в вену. Они осаждаются на клетки: как на здоровые, так и на больные. Затем включается магнитное поле, наночастицы разогреваются. И оказывается, при 42 0С клетка начинает погибать. При этом иммунитет здоровых клеток достаточно высок, что позволяет им уцелевать. А подверженные делению раковые клетки, иммунитет которых ослаблен, погибают.
Исследователи пытаются идти и по другому пути. Опухоль, существующая в организме, естественно, пронизана кровеносными сосудами. С помощью нанопорошков возможно закупорить их, лишив тем самым опухоль питания. Сейчас эта методика апробируется в институте онкологии им. Р. Кавецкого.
Еще одно весьма перспективное направление — магнитоуправляемые наноносители лекарственных препаратов для прицельной терапии в медицине.
— Если частицы окисла Fe3O4 довести до наноразмеров, можно использовать очень интересную методику, — говорит Виктор Уваров. — Такой окисел обладает магнетизмом, и можно «вешать» на него лекарственные препараты. Они вводятся в кровь, а в месте локализации опухоли помещается магнит. И лекарства действуют прицельно. Это так называемая магнитоуправляемая терапия.
Созданы и нанобиоматериалы для лечения ожогов, болезней желудочно-кишечного тракта, авитаминозов и туберкулеза, и низкотемпературный экологически чистый метод нанесения на поверхность медицинских имплантатов из титана и монокристаллического сапфира биосовместимых кальциево-фосфатных покрытий…
Повторимся: это далеко не все украинские наноразработки. Так что порох в наших нанопорховницах, несомненно, есть. Тем более, что наноновации, имеющие огромное прикладное значение, не повисают в воздухе в виде солидных академических трудов. Вот лишь несколько примеров их внедрения в производство.
В днепропетровском КБ «Южное» уже работают наномодификации эпоксидных олигомеров для изготовления стекло-, базальто- и углепластиков, внедрена ультразвуковая технология изготовления изделий из наномодифицированного углепластика, разработанные в Институте электросварки им. Е.О. Патона.
На Киевской гидроаккумулирующей электростанции НАК «Укргидроэнерго» внедрены разработанные в том же институте высоконаполненные клеевые нанокомпозиции типа «Мультиметалл» для устранения кавитационных повреждений гидроагрегатов методом «холодной молекулярной сварки».
На нескольких предприятиях (винницком ОАО «Энерготерм», днепропетровском заводе «Электровозостроение», ОАО «Киевский завод автоматики им. Г.И. Петровского», запорожском ООО «Импульс», молдавском ЗАО «Тираспольский электроаппаратный завод») используются магнитопроводы трансформаторов, телекоммуникационных сетей, сердечников измерительной аппаратуры. Технология дуплексной обработки порошковых покрытий на основе никеля потоками плазмы и электронным излучением для защиты от коррозии кранов в кислой среде в условиях абразивного износа внедрена на Мариупольском коксохимзаводе. Авторами этих разработок являются ученые Института металлофизики им. Г.В. Курдюмова.
В черновицком ЦКБ «Ритм» успешно используют синтез кальциевых гидроксоапатита и фторапатита в качестве бионаноматериалов для медицины (организация-разработчик — Физико-химический институт им. А. В. Богатского НАНУ).
На Мариупольском меткомбинате им. Ильича и шахте им. А.Ф. Засядько уже «работает» технология получения нанодисперсного диоксида циркония для износостойких сопл гидросбивателей окалины, плунжеров шахтных гидронасосов и маслостанций, разработанная в Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина НАНУ.
— На шахте им. А.Ф. Засядько активно применяются шахтные гидронансосы для откачки вредных жидкостей, — рассказывает Виктор Николаевич. — Плунжеры — это толкатели, используемые в гидросистемах. Так вот, если делать их из стали, они работают 1-3 месяца. Изготовленные же по новой технологии работают 54 (!) месяца. Более того, на шахте мне рассказали, что через этот срок их просто вытащили, чтобы проверить.
Зарегистрирован в Госкомитете стандартизации, метрологии и сертификации и уже поступил в продажу новый лекарственный препарат — пробиотик с наноразмерными частицами золота «Окарін-Аu». Медицинские показания: сальмонеллез, энтероколиты, онкология, туберкулез, авитаминоз (В, С, К).
Список можно продолжить. Вопрос в другом. В инвестировании, в помощи и заинтересованности государства. Ведь цифра в 33 млн грн на фоне вышесказанного выглядит просто смешной.
Кроме выполнения Программы НАНУ, исследования в нанообласти проводятся в Украине также в рамках Межведомственной научно-технической программы «Нанофизика и наноэлектроника», которой руководит Министерство образования и науки. Исследования и разработки по этой программе ведутся совместно специалистами Украины и России. В ней задействован ряд учреждений НАНУ, ведущие университеты Украины, научно-производственные объединения Минпромполитики и другие организации. Некоторые работы в области нанотематики поддерживаются также Государственным фондом фундаментальных исследований Украины.
И все же, достаточно ли этого? Ответ очевиден.
В туманной дали…
Приведенный выше далеко не полный перечень достижений украинских ученых в изучении наноразмерных объектов и систем и разработке нанотехнологий бесспорно подтверждает: в нашей стране есть мощный интеллектуальный потенциал, способный при создании необходимых условий обеспечить на высоком уровне фундаментальные и прикладные исследования, технологические и конструкторские разработки и организацию производства инновационной конкурентоспособной продукции на основе нанотехнологий.
Но дальнейшее развитие науки о наносистемах и создание на этой основе наноиндустрии в Украине требует создания соответствующей национальной программы развития наноисследований и нанотехнологий. Ученые предлагают включить в нее следующие концептуальные разделы:
Однако утвердить программу — лишь часть дела, причем не основная. Реализация столь масштабных задач возможна только при условии резкого, не менее чем десятикратного в сравнении с нынешним, увеличения финансирования наноразработок. Значительные финансовые ресурсы необходимы для закупки соответствующего современного оборудования, которое в Украине не производится.
Не менее важный вопрос — разработка системы подготовки квалифицированных кадров. Сегодня она полностью отсутствует. А ведь уже назрела (и перезрела) необходимость создания специализированных кафедр в высших учебных заведениях и институтах НАНУ и подготовки специалистов соответствующих специальностей.
Коротко резюмируем. Наша страна имеет все необходимые предпосылки для того, чтобы стать достойным участником мирового процесса развития наноисследований и нанотехнологий и, соответственно — становления общества знаний. Ибо только тот, кому это действительно «нано», будет определять облик грядущей цивилизации. А тот, кому «не нано», обречен на отставание в одном из важнейших направлений современного научно-технического прогресса и автоматически лишается возможности преобразовывать экономику на основе высокотехнологических инноваций.
Наш «нанопарус» пока — в туманной дали…
Марина Савинова, г.Киев, 2009г.
Ссылки:
[1] http://www.polit.ru/science/2007/12/19/nanoras.html