221
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-
222
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
223
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
224
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
225
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