авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

Нанотехнологии в России и мире.

Сегодняшние черты нового

технологического уклада

Книга подготовлена в рамках государственного контракта № 16.647.12.2038 от

4

июля 2011 года, государтвенный заказчик Монобрнауки России за счет внебюджетного

финансирования.

1

Оглавление

Предисловие............................................................................................................. 3 Глава 1. Критерии отнесения продукции к нанотехнологической. Это важно 10 Глава 2. Нанотехнологической вектор развития............................................... 16 Глава 3. Нанотехнологии и мейнстрим технологическог развития................. 36 Глава 4. Развитие нанотехнологий в Российской Федерации: первые результаты и планы (Дорожные карты развития нанотехнологий)............ 44 Глава 5. Нанотехнологии в товарах широкого потребления............................ Глава 6. Перспективные наноматериалы (Обзор перспективных наноматерилов для промышленного использования)................................ Глава 7. Нанометрология.................................................................................... Глава 8. Обеспечение нанобезопасности.......................................................... Глава 9. Нанотехнологии и высокотехнологические индустрии (на примере аэрокосмической отрасли)............................................................................ Глава 10. Глобальная технологическая революция......................................... Глава 11. Конвергенция технологий................................................................. Глава 12. Молекулярные роботы....................................................................... Предисловие В стратегии научно-технического развития России особое место зани мает Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», под писанная Президентом РФ В.Путиным 24 апреля 2007. Тот факт, что для инициирования исследований и разработок в области нанотехнологий потре бовалось создание нормативного документа такого уровня, подчеркивает масштабность и значимость поставленной проблемы.

Решение о развитии наноиндустрии и формировании рынка соответст вующей продукции является своего рода заявкой на завоевание Россией ли дирующего положения в глобальном инновационном процессе и современ ной мировой экономике. Развитие наноиндустрии в перспективе создать «но вые материалы, приборы и устройства особого назначения с повышенным сроком службы, низкой материалоемкостью и весом конструкции, что, в свою очередь, будет способствовать укреплению национальной безопасно сти, повышению качества жизни, а также активизирует процессы импортоза мещения и выхода на внешние рынки».

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, за рубежом называют наноиндустриальной рево люцией. Одним из лидеров и пионеров освоения нанопространства стала Япония. Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером не сколько нанометров. Позже в 1980-х годах этот термин использовал Эрик К.

Дрекслер. В 1989 году была проведена международная конференция по ска нирующей туннельной микроскопии, а в 1992 году – элитная конференция по нанотехнологии. Тогда же был запущен проект «Angstrem Technology Projeсt» – самый крупный из серии японских проектов того времени, направ ленных на разработку приборов нанометрового размера, стоимостью млн. долларов и рассчитанный на 10 лет. В нем было задействовано 50- японских фирм. На основе выполнения данного проекта была проведена ре организация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследовани ям в области нанотехнологии.

Развитие нанотехнологий в Японии является одним из 4 приоритетных направлений развития научно-тенологического общества, стратегия чего по следовательно реализуется с 1995 года, когда был принят базовый закон в области науки и технологий утвердивший 15-летний «базовый план» разви тия науки и технологий в Японии.

Осознание стратегической важности проведения работ в области нано технологий и наноматериалов привело к тому, что в разных странах на уров не правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются про граммы работ по нанотехнологиям.

В США программа (синтез и обработка наночастиц) была профинанси рована Национальным научным фондом США (National Science Foundation) в 1991 г. В 1994 г. там была создана Национальная сеть нанопроизводства (National Nanofabrication Users Network, NNUN). С целью форсирования ра бот именно на данном направлении в 2000 году по решению правительства США работы по нанотехнологии получили высший приоритет (top priority), а в 2001 г. запущена масштабная Национальная нанотехнологическая инициа тива (National Nanotechnology Initiative, NNI), а в 2004 г. основана Нацио нальная нанотехнологическая инфраструктурная сеть (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN). Ежегодное бюджетное финан сирование американской программы Национальная Нанотехнологическая Инициатива (ННИ США) достигало в 2003 году около 1 млрд. долларов. Но это только половина всего бюджета развития американской наноиндустрии.

Такая же сумма инвестировалась частным бизнесом.

За период 2001- 2010 гг. государственные вложения США в развитие нанотехнологий через структуры, объединенные в Национальной Нанотех нологической Инициативе составили около $12,4 млрд. долларов. По оцен кам экспертов, правительства штатов и частные компании инвестировали в разитие нанонауки и нанотехнологий прмерно столько же. Президент США Обама запросил на 2011 финансовый год у Конгресса еще $1,8 млрд.

При этом выделено свыше тысячи направлений поиска, объединенных вокруг наноэлектроники, наноэнергетики, нанобиотехнологии, молекулярной электроники, наноэлектромеханики, оптоэлектроники, создания новых поко лений функциональных и конструктивных наноматериалов, наноматериалов для медицины, машиностроения и робототехники, компьютерных техноло гий, экологии, аэронавтики, систем безопасности и борьбы с терроризмом.

Число продуктов, произведенных в США с помощью нанотехнологий, к году достигло 5 тысяч. Более половины патентодержателей в этой области в мире составляют американские компании, университеты и частные лица.

Среди целей ННИ США надо выделить: создание сверхпрочных мате риалов и разработка на их основе новых транспортных средств;

развитие технологии обработки веществ и материалов на атомарном и молекулярном уровне;

создание солнечных батарей с повышенным КПД, топливных эле ментов и аккумуляторов водорода;

разработка генетических и лечебных про тивораковых препаратов;

создание миниатюрных запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти;

создание сверхминиатюрных транзи сторов и повышение быстродействия компьютеров в миллион раз;

разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды;

разработка новых методов очистки воды и воздуха.

Уже в 2006 – 2008 годах в соответствии с ННИ США была создана раз ветвленная сеть научно-исследовательских центров, средств удаленного дос тупа и связанная с ними инфраструктура на всей территории США. Так, На циональный научный фонд, Министерство обороны и НАСА создали 24 на учно-исследовательских центра. Пять объектов пользователей Министерства энергетики находились в процессе строительства, некоторые из этих объек тов уже имели промежуточные операционные возможности работы в сети.

Национальный научный фонд создал сеть объектов пользователей, объеди нившую 13 университетов, сеть Национальной нанотехнологической инфра структуры, а также Нанотехнологическую компьютерную сеть, включающую 7 университетов. Общее число пользователей созданных сетей составляло в 2006 – 2008 годах около 700 организаций.

Израиль, как и США, также определил нанотехнологии как решающий фактор развития страны, сделав упор на коммерциализацию нанотехнологий.

Сегодня число нанотехнологических компаний и исследовательских про мышленных центров в Израиле более чем в 10 раз превышает число универ ситетских центров и лабораторий.

В Европейском Союзе программе развития нанотехнологий также при дается большое значение. Европейская программа включает множество про ектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде крити ческих направлений, начиная с разработки микроантенн и микроустройств, и заканчивая разработкой микророботов, способных восстанавливать больные человеческие органы. Последние рамочные программы ЕС, начиная с года, отдают нанотехнологиям приоритет, предоставляя, начиная с этого времени более полутора миллиарда евро. Эти вложения возрастают. На 2007 2011 годы на реализацию программы «Сотрудничество», включающую 9 те матических приоритетов, выделено 32,3 миллиарда евро, в том числе на те матическое направление «Нанотехнологии и нанонауки, новые материалы и производственные процессы» выделено уже три с половиной миллиарда ев ро. В 2007 г. в мире было создано более 16 000 нанотехнологических компа ний, и их число удваивается каждые 1,5-2 года.

Согласно стратегической политике правительства Германии, нанотех нологии являются самым перспективным направлением технологического развития. По прогнозам не позднее 2015 года большая часть важнейших тех нологических нововведений будет относиться именно к этой области. В рам ках плана действий «Наноинициатива – 2010», обнародованного в 2006 году, впервые была разработана единая межотраслевая рамочная программа, в центре которой находится ответственное и безопасное использование нано материалов. Был запущен целый ряд проектов и программ с целью, выявить и взять под контроль токсический потенциал наноматериалов, которым они бесспорно обладают. Стержнем программы является комплекс проектов NanoCare, INOS и TRACER, объединяющих науку, промышленность и обще ственность;

бюджет программы, рассчитанный до 2009 года, составлял около 8 млн. евро.

Мировые тенденции таковы, что большинство развитых стран уделяют большое внимание развитию нанотехнологиям.

Необходимо отметить, что в текущем периоде в большинстве стран, которые запустили масштабные программы развития нанотехнологий в кон це 1990-х – начале 2000 переходят уже к качественно новому пониманию на нотехнологий, и несколько смещают акценты с развития непосредственно технологий к контролю их распространения, уделяя все большее внимания вопросам безопасности. Актуальными вопросами текущего времени стано вится исследования влияния нанотехнологий на сферы жизни – прямые и косвенные эффекты, вопросы безопасности применения технологий, вопросы доступа к нанотехнологиям и нанопродуктам (наносырью). Так, ключевыми положениями Национальной нанотехнологической инициативы США года становятся вопросы защиты окружающей среды, здоровья и безопасно сти. Исследователи приходят к пониманию необходимости соблюдения ба ланса между технологической, экономической выгоды и возможными риска ми.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нано технологии проводились с начала 1980 годов, когда были развернуты иссле дования по теме «ультрадисперсные материалы», целью которых было соз дание новых материалов для использования в народном хозяйстве.

К наиболее известным можно отнести программу «Физика нанострук тур» под руководством академика Ж.И. Алферова, благодаря которой оказа лась возможной работа высокого уровня по исследованию физических явле ний в полупроводниковых наноструктурах без массового выезда ведущих ученых за рубеж, и «Перспективные технологии и устройства в микро- и на ноэлектронике», руководимая академиком К.А. Валиевым. В 60-х годах ака демик К.А. Валиев проявил себя крупным организатором науки и производ ства в электронной промышленности, стал одним из основателей отечествен ной микроэлектроники, возглавляя НПО «Микрон» обеспечил разработку и серийное производство большой номенклатуры кремниевых интегральных схем, ставших элементной базой отечественной вычислительной техники третьего поколения – ЕС ЭВМ стран СЭВ, сверхпроизводительных вычисли тельных комплексов «Эльбрус», системы ЭВМ СМ, а также элементной базы оборонных систем, в том числе, системы ПВО.

В первом институте России по микроэлектронике и нанотехнологии – НИИ «Дельта» (руководитель направления – Н.П. Лускинович), до его лик видации, еще в 1995 г. были получены экспериментальные результаты по на носборке, которые долгое время не были повторены ни в одной из стран.

В 1996 г. в Перечень критических технологий федерального уровня впервые были включены «сверхбольшие интегральные схемы и наноэлек троника», «материалы для микро- и наноэлектроники», «керамические мате риалы и нанокерамика». Позже, в 2002 г, в перечень критических технологий вошли «материалы для микро- и наноэлектроники», «прецизионные и нано метрические технологии обработки, сборки, контроля»;

«элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров».

В 1999 году когда была инициирована Российско-украинская совмест ная научно-техническая программа «Нанофизика и наноэлектроника». На ко нец 2004 года совместная российско-украинская программа «Нанофизика и наноэлектроника» включала 32 научно-исследовательских и опытно конструкторских проекта, выполняемых в ведущих научных институтах обе их стран. За период 2000-2003 г.г. успешно завершены 12 совместных проек тов по наиболее перспективным направлениям исследований.

Кроме наноэлектроники, еще 10 лет назад было отмечено, что на осно ве применения нанотехнологий наиболее активно развиваются: микро- и на норобототехника, позволяющая создать миниатюрные исполнительные ме ханизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределёнными механическими устройствами: интегральная нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные элементы с КПД в 2 раза большим существующих (в соответстви ии с одним из разделов программы Национальной нанотехнологической инициативы США), светодиоды и лазеры с перестраиваемым от инфракрас ного до ультрафиолетового спектром излучения, высокоэффективные транс паранты и функциональные оптические приборы.

В декабре 2002 года нобелевский лауреат академик Ж.И. Алферов на научной сессии Общего собрания Российской Академии Наук обосновал не обходимость разработки масштабной отечественной программы развития ис следований по нанотехнологиям. В мае 2006 года развитие индустрии нано систем и наноматериалов вошло в перечень приоритетных направлений нау ки, технологий и техники, и чуть позже, в 2007 г. была подписана Президент ская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», ставшая основопола гающим документом развития сектора нанотехнологий в Российской Феде рации.

За время принятия Президентской инициативы в рамках развития на циональной наноиндустрии получены значимые результаты. Настоящая кни га содержит анализ ряда таких результатов, выявленных в ходе мониторинга национальной наноиндустрии, по мнению автора достаточно полно демонст рирующих ее развитие, а также демонстрирующих роль и место нанотехно логий в становлении нового технологического уклада.

Книга представляет собой сборник, в котором каждая из глав освещает отдельный аспект развития нанотехнологий и наноиндустрии.

Глава 1. Критерии отнесения продукции к нанотехнологической.

Это важно С развитием нанотехнологий связывают ни много ни мало – смену тех нологического уклада. А это означает, изменится если не все, то многое. Из менятся производственные процессы, с помощью которых производятся нужные нам продукты. Изменятся продукты как за счет улучшения уже при вычных нам качеств, но, что более важно, за счет приобретения новых. Из менятся наши потребности: нам будут нужны другие продукты.

Что же – все это – нано? Конечно, нет.

В то же время, если исходить из кажущегося понятным определения через размер (от 1 до 100 нм), то тоже много непонятного? Размер чего? Все и так состоит из атомов. А они даже меньше. И может ли автомобиль или то, что его заменит, быть нанопродуктом, когда самая его маленькая деталь за ведомо больше наноразмеров.

Когда мы в научной лаборатории, то мы все же понимаем, с нанотех нологиями мы имеем дело или нет? А вот в реальном производстве не всегда.

И ответить строго часто просто нельзя. Просто нужно заранее договориться, что и на основании чего мы считаем нанопродуктов. Но договориться так, чтобы наше определение было, что называется, конструктивным.

Вот для этого и были разработаны Критерии отнесения продукции к нанотехнологической.

Критерии, во-первых, различают первичную нанотехнологическую продукцию и наносодержащую продукцию. Также в состав нанотехнологи ческой продукции включены приборы и инструменты и базовое сырье нано технологий, а также нанотехнологические услуги.

Общим критерием принадлежности продукции к категории нанотехно логической является наличие принципиально нового потребительского каче ства, полученного за счет применения нанотехнологий. Нет нового качества – и наноразмер не выручает. Иначе нам бы пришлось включить в нанопро дукцию автомобильные шины, при производстве которых применяется сажа, разнообразные дезодоранты – на основании того, что это золи, и многое многое другое. Многие впрочем так и делают. И появляются чудо-наноноски, нанобетон, нанокирпичи и прочая «наноэкзотитка», к нано, отношения не имеющая.

Но вернемся к нашему критерию. Критерий может применяться прямо или косвенно. Косвенное применение критерия означает следующее: продук ция используется для производства нанотехнологической продукции (по прямому критерию) или содержит в своем составе нанотехнологическую продукцию (по прямому критерию).

Применение указанного критерия к следующим четырем категориям нанотехнологической продукции различно. Это:

I. Первичная нанотехнологическая продукция – нанотехнологическая продукция, созданная непосредственно с применением нанотехнологий. К этой категории общий критерий применяется прямо.

II. Приборы, инструменты и базовое сырье нанотехнологий – микроме ханическая, метрологическая и иная продукция, а также химическая продук ция (особо чистые вещества), используемая в производстве первичной нано технологической продукции или наносодержащей продукции с высокой сте пенью проникновения нанотехнологий и лежащая в основе нанотехнологий.

К этой категории указанный критерий может применяться прямо или косвен но. К этой категории общий критерий (п. 3.2.) применяется прямо и косвен но.

III. Нанотехнологические услуги – оказание услуг с использованием нанотехнологий, с применением и посредством нанотехнологической про дукции. К этой категории общий критерий применяется прямо и косвенно.

IV. Наносодержащая продукция – продукция, содержащая нанотехно логические компоненты. При этом нанотехнологические компоненты – это либо первичная нанотехнологическая продукция, либо наносодержащая про дукция с более высокой степенью проникновения нанотехнологий. К этой категории общий критерий (п. 3.2.) применяется косвенно.

Для указанных категорий устанавливаются дополнительные (уточ няющие) критерии отнесения продукции к нанотехнологической.

Для первой категории – первичная нанотехнологическая продукция – устанавливаются нижеследующие уточняющие критерии. Для отнесения продукции к нанотехнологической необходимо выполнение общего критерия и одного из дополнительных критериев.

– Критерий 1: наноразмер изделия или его функциональных частей (хотя бы в одном измерении). Наноразмер – от 1 до 100 нм (при условии воз никновения новых свойств, не наблюдавшихся при больших размерах), ис ключая нанобиотехнологии. Для последних верхняя граница может быть су щественно больше и определяется размерами белков, ДНК и др. биологиче ских молекул, для которых характерные размеры порядка 300 нм.

– Критерий 2: функциональное назначение изделий, создание которых основано на квантовых мезоскопических эффектах, а также изделий, создан ных с требуемой атомарной структурой, путем манипулирования отдельны ми атомами и молекулами.

– Критерий 3: принадлежность к продуктам нанобиотехнологий, осно ванных на биохимических технологиях геномики, протеомики и системной биологии, и продукция используемая для манипуляции живой материей на молекулярном уровне, а также, служащая для такой манипуляции.

Первичная нанопродукция представляет собой продукцию, которая яв ляется как самостоятельным товаром, так и компонентами для получения ко нечной наносодержащей продукции.

Для второй категории – приборы, инструменты и базовое сырье нано технологий, устанавливаются другие дополнительные (уточняющие) крите рии, а именно:

– Критерий 1: принадлежность к продукции микромеханики для нано манипуляций и нанометрии.

– Критерий 2: принадлежность продукции к классу особо чистых ве ществ, предназначенных для производства наноматериалов и анализа мате рии на наноуровне.

– Критерий 3: принадлежность продукции к устройствам и приборам нижеследующих классов, применяемых для производства нанотехнологиче ской продукции:

– устройства и приборы для молекулярной, ионной имплантации, эпи таксии;

– устройства и приборы для плазменно-кластерной технологии нанесе ния покрытий;

– устройства и приборы для СПАРК-метода (искровое плазменное спе кание);

– устройства и приборы для импульсного электромагнитного компак тирования;

– устройства и приборы, основанные на методах физического и хими ческого осаждения атомов и ионов;

– устройства и приборы нанолитографии;

– устройства и приборы зондовой, силовой, ренгеновской микроско пии;

– устройства и приборы лазерной, магнитооптической и иной микро скопии;

– устройства и приборы дифрактометрии;

– устройства и приборы нанометрии;

– устройства и приборы нанодизайна, включая механохимический син тез, манипулирование единичными объектами, а также нанодизайн с приме нением нанобиотехнологий.

Для третьей категории – нанотехнологические услуги – устанавливает ся один дополнительный (уточняющий) критерий:

– Критерий 1: принадлежность к следующему классу услуг:

– услуги нанометрии (включая контроль качества и сертификацию ка чества нанопродукции);

– услуги по контролю сред с применением нанодатчиков (включая эко логический контроль, обеспечение ядерной безопасности, наркобезопасно сти);

– услуги с применением наноматериалов и нанотехнологий в медицине.

Но как быть с условно «автомобилем»? Если в нем что-то «нано», а что-то нет, как быть? Вот именно для такой группы продуктов устанавлива ется критерий на основании применения коэффициента проникновения нано технологий.

Коэффициент проникновения – нормативно установленная доля стои мости изделия, приходящаяся на наносоставляющую для данной товарной группы. Для каждой группы наносодержащей продукции (товарная группа), определенной статистическими классификаторами, Росстатом по представ лению головных организаций направлений наноиндустрии устанавливаются и на ежегодной основе корректируются коэффициенты проникновения нано технологий для каждой товарной группы. Степень детализации товарных групп в целях ведения статистического учета с применением коэффициентов проникновения устанавливается Росстатом.

Сложно? Да. Неудобно? Да. Достаточно произвольно? Да. Но лучше ничего не придумать. Лучше сложный и «плохой» критерий, чем никакой.

Вот смотрите. Во первых. Мы освободились от формального требова ния «попадания в размер». Глобула белка имеет диаметр около 300 нм. Мы этот белок используем как наномашину, производящую нужную нам молеку лу. Проверяем наши критерии – работает.

Мы создали метаматериал, основным рабочим эффектом которого яв ляются спиновые волны. Какой там характерный размер? Меньше 1 нм? Да.

Но эффект – мезоскопическиий. Критерий опять работает.

Мы прстроили самолет, крылья и фюзеляж котолого, а заодно и сопла двигателей содержат материал, который мы ужу определили как нано. Явля ется ли самолет нанопродукцией. Да. Но не весь, а с коэффициентом. С ко эффициентом проникновения, соответствующей той части стоимости, что рихходится на крылья, фюзеляж и двигатели.

Для нас здесь важны не, пусть очень важные, детали, а сам подход.

Именно с помощью него мы можем отделить мимикрирующие под нано кир пичи, бетон, фильтры для очистки воды и многое другое – как полезное, так и бесполезное – от действительно нано.

Глава 2. Нанотехнологической вектор развития.

Несмотря на почти атомные размеры, лежащие в определении области наноисследований и нанотехнологий, неверно говорить, что нанотехнологии существуют в недрах ядерной физики. Основная черта нанотехнологий – это их междисциплинарность, а вернее, их наддисциплинарность. Определения по модели «очень маленький», какой бы «научный» характер они не носили не представляются сколь-нибудь конструктивно содержательными. В самом деле, сажа, применяемая в процессе вулканизации резины, имеет т.н. нано размеры, – размеры, определяемые как десятки и единицы нанометра и часто применяемые как родовое отличие нанотехнологий. Однако, процесс вулка низации резины справедливо не рассматривают как нанотехнологический.

Не давая исчерпывающего определения нанотехнологий как направле ния развивающегося, междисциплинарного и уже по каждой из оснований в отдельности, не имеющего четко означенной предметной области, необходи мо определить ряд принципиальных моментов, такое видение составляющих.

По факту – т.е. можно утверждать, что так уже сложилось в реальной жизни – есть два рода нанотехнологий, условно здесь названные «традици онные» и «квантовые». Конечно, такое разделение не следует рассматривать как категорическое, вполне точное. Как показано далее, имеют место и т.н.

«промежуточные» нанотехнологии, которым одновременно присущи некото рые системные черты и тех и других. Также следует не забывать об «обеспе чивающих» нанотехнологиях, ярким представителям которых являются тех нологии метрологии в наноисследованиях и в наноиндустрии в целом.

Итак. Под «традиционными» технологиями можно и следует понимать технологии, лежащие в русле эволюционного развития, т.е. такого развития, которое не требует вовсе или не требует быстрого, а потому сложного, изме нения наших базовых представлений.

Во многом такие представления уже сложились. Мы если не знаем точ но, то в целом понимаем, зачем нам необходимы изменения свойств мате риалов и сред, применяемых нами в нашей технологической деятельности.

Зачем и почему нужны материалы более крепкие, более долговечные, спо собные работать в агрессивных средах, обладающие низкими коэффициента ми трения, надлежащей адгезией… список может продолжать.

Также и с электроникой в различных ее аспектах: зачем нужна миниа тюризация, ведущая к высочайшему быстродействию, колоссальным объе мам памяти (как оперативной, так и «архивной»), наконец, ведущая к сниже нию энергопотребления (что среди прочего, делает эти электронные устрой ства возможными, купируя проблему «отвода» рассеиваемой мощности).

В самом деле, в обоих означенных аспектах, как и многих других, не затронутых здесь, мы имеем существенный опыт, включая технологические «привычки», стандарты мышления и пр.

Так, человечество в области металлургии давно и с успехом (ранее – опытным путем, впоследствии – на строгой научной основе) создает и массо во производит материалы с желаемыми свойствами. При этом, как физик в области твердого тела, так и металлург-технолог оперируют понятиями о строении вещества на уровне малых размеров, когда говорят о дислокациях, доменах, когда изучают фононную и иные «квазичастичные» структуры ма териала. И все это уже давно представлено в нашей практической жизни:

прочные и надежные конструкционные материалы, инструментальные мате риалы, включая и материалы, применяемые для медицинского протезирова ния и многое, многое другое.

И если наступает, а во многом наступил предел такого технологическо го развития, основанного на традиционных для 20-го века технологиях, то нанотехнологии «подхватывают» эстафету, которую вполне можно охаракте ризовать, перефразировав олимпийский призыв: «прочней, легче, практич ней».

Да, нанотехнологии, часто требуют иного инструментария, иных тех нологических принципов для реализации и этих, вполне традиционных, «улучшений». Но не всегда. Примером тому – нанопорошки, получение ко торых может, а часто и основывается на вполне традиционных технологиях.

При этом, полезные свойства таких нанопорошков имеют широкий спектр применения: от доставки лекарств, до создания поверхностей материалов с заданными свойствами.

Полезна аналогия: кусок льда, кристалл кварца, «сахарная голова» как материал обладают не теми же свойствами, что их порошки. Так сахар-песок уже не прозрачен, распыленная сахарная пудра – взрывается.

Таким же образом, мельчайшие частицы разных материалов, чаще ме таллов, таких как золото, обладают неожиданными свойствами.

В оценках перспектив данного технологического направления, при всей кажущейся простоте, имеет место неразрешенная на сегодня проблема – будут ли не отдельные, но агрегированные в макроматериал наночастицы со хранять желаемые наносвойства? Следует ожидать, что ответ будет получен уже в краткосрочной перспективе при развитии соответствующих техноло гий, причем, как можно обоснованно предположить, различный в разных случаях.

Но наибольшего эффекта от применения «традиционных» нанотехно логий следует ожидать в создании материалов на основе нанотехнологий, но сящих инструментально не нанотехнологический характер.

Как пример такого – процесс создания волокон на основе фулереновых трубок. Фулереновая трубка – нанотехнологический объект, но допускающий над собой традиционные манипуляции. Это возможный «шелк» будущего – на основе фулереновых волокон возможно создание материалов и устройств различного назначения. И если космический лифт, (создание которого благо даря свойствам новых материалов – фулереновых нитей: прочных и легких, представляется возможным), все же скорее либо далекая перспектива, либо из разряда нереализуемых гипотез, то применение этих же свойств в более земных целях – создания легких и чрезвычайно прочных материалов: нитей, полотна и на их основе композитов, вполне вероятно уже в среднесрочной перспективе.

Такие материалы и композиты – основа многих будущих технических решений от создания броней и бронежилетов, до развития авиа-, автомобиле и судостроения.

Применение новых конструкционных материалов – основа качествен ного изменения самих конструкционных решений высокотехнологической продукции, при этом, не исключено, что те или иные решения, представляю щиеся неэффективными или даже технически невозможными и не предста вимыми сегодня, получат существенный импульс к развитию и станут нор мой технологий недалекого будущего.

Не только фуллерены и структуры, основанные на них, являются пер спективными направления технологического развития. Так, образование на поверхности материалов нанопленок с заданными свойствами, как путем их нанесения, так и путем обработки поверхностей, – принципиальное направ ление развития «традиционных» нанотехнологий, продолжающее такие тех нологические приемы «со стажем», как оцинковка кровельного металла.

Вместе с тем, задачи, которые решаются на наноэтапе этого технологи ческого вектора много серьезнее. Так, речь идет о создании покрытий, обес печивающих длительное и надежное функционирование материалов в крити ческих условиях. Решая одновременно задачи надежности и сроков эксплуа тации – что объединяется термином ресурс, – принципиально важном в таких областях как авиадвигателестроение, энергомашиностроение, двигатели и генераторные агрегаты в целом, нанопокрытия решают и вопросы повыше ния эффективности, технически понимаемой как КПД, и с этим вопросы энергетической эффективности.

Так, покрытие лопастей газовой турбины ТЭЦ нанопленкой позволяет существенно поднять рабочую температуру, что в соответствии со «школь ной» формулой тепловой машины, позволяет существенно поднять КПД электрогенерации.

С вопросами КПД, долговечности и надежности также тесно связаны вопросы, решаемые в рамках нанотехнологического вектора развития по снижению трения в различных агрегатах, в том числе двигателях. Снижение трения за счет нанопокрытия на порядок – ближайшая технологическая пер спектива.

В этом контексте следует отметить и упоминавшиеся нанопрошки как основу смазочных материалов, применяемых с обычными – без нанопокры тий – агрегатами как способа продления их ресурса. Впрочем, нанопрошки, но уже на иной основе, как специально созданные по модели фуллеренов структуры, найдут свое применение и как абразивные материалы, применяе мые в том числе в таких традиционных сферах, как бурение нефтяных и га зовых скважин. В целом, это направление также справедливо рассматривать как традиционное, начатое технологиями по созданию искусственных техно логических алмазов и производством уже полностью искусственного – т.е. не существующего в природе – фианита. При этом, твердость созданного инст румента – причем не только бурового, но и иного – могут быть выше или со размерна твердости алмаза, а прочностные свойства в целом, за счет сниже ния хрупкости – выше.

Традиционные области применения технологического развития, тре буют от нанотехнологического вектора и ряда «простых» решений, таких как повышение надежности и качества соединений. Так, приобретающее прин ципиальную актуальность ввиду подводного характера строящихся газопро водов качество сварных швов уже решается в рамках нанотехнологий.

В этом же решение проблемы сродства различных материалов сборных конструкций, актуальной в частности в авиастроении – так, отсутствие над лежащих материалов при проектировании в целом удачного воздушного суд на ТУ-134/154 не позволило найти решения, исключающие процедуры тех нического обслуживания самолета, требующего периодическую частичную разборку фюзеляжа для проверки состояния стрингеров в местах соединений с корпусом.

В этом же ряду задача обеспечения необходимой адгезии поверхно стей, имеющей место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения по крытий, решение которой в частности позволит «склеивать» разнородные материалы, например, керамическую пластину с металлической.

Итак, отчетливо просматривается перспектива «традиционных» нано технологий как продолжение уже сформировавшихся технологических по требностей и трендов технологического развития, но уже на новой техноло гической базе. При этом, принципиальным является то, что конечный про дукт данных технологий, как правило, привычное нам изделие промышлен ности – от горных лыж, достаточно прочных и эластичных, обеспечивающих скольжение по любому снегу, а возможно и асфальту, до летательных аппа ратов. Конечно, новые материалы дают нам перспективу новых конструктив ных решений, позволяющих получить «новое качество», такое как в свое время имело в развитии авиации как принципиально нового вида техники и транспорта. Но данное технологическое развитие будет основано на тех же базовых представлениях, опирающихся на уже развитые модели, «привыч ную» математику.

Здесь уместно сделать важное замечание. В основе развития данных технологий во многом в основе лежит традиционная математика в форме инженерного дела, мат. методов численного счета на основе рядов и разност ных уравнений, хорошо развитых разделов материаловедения и классической физики. Развитие этих направлений принципиально не обусловлено и не со пряжено с развитием иных моделей, как это имеет место для «квантовых»

нанотехнологий. Таким образом, в части моделирования, проектирования и конструирования изделий, с применением вышеописанных «традиционных»

нанотехнологий возможно сформулировать ограничительный закон. Счетные возможности для этих технологий определяются тенденциями, определяе мыми «законом» Мура, понимаемого одновременно как гипотеза и как тен денция. Данный закон утверждает, что наши счетные возможности растут темпами «вдвое за 18 месяцев», и следовательно эти счетные возможности на сегодня не являются принципиальным ограничивающим фактором в разви тии такого рода технологий. Однако в случае «замедления» тенденции, обо значаемой «законом Мура» такое ограничение вполне возможно.

Интересным аспектом проблемы является то, что данное ограничение, как представляется, снимается также нанотехнологиями, но уже в иной их части, применительно к электронике, о чем речь будет несколько ниже.

Возвращаясь к «традиционным» нанотехнологиям в области материа лов следует отметить и наметившуюся тенденцию по возможному измене нию их классического характера.

Ярким примером здесь могло бы стать создание материала, обеспечи вающего обтекание крыла без образования турбулентности – т.е. завихрений потока, принципиально приводящим к повышению сопротивления движению в разы и на порядки. Такой ламинарный – т.е. не турбулентный – поток по обтеканию «классического материала» демонстрирует нам природа в «лице», а точнее в «теле» дельфина. Казалось бы создание «дельфиньей кожи» на основе классических, пусть и нанотехнологий ожидать сложно. Однако, на учные лаборатории дают нам и иные сигналы. Так, разработанная в ИФП СО РАН технология создания фулереновых нанотрубок позволила совместно создать датчик термоанемометра, который имеет в сто раз лучшие частотные характеристики по сравнению с существующими. Полученные результаты позволили построить массивы микродатчиков на достаточно большой по верхности, что позволяет переходить к созданию «думающей» поверхности летательного аппарата, которая будет подстраиваться под аэродинамический поток, затягивая ламинарно-турбулентный переход и уменьшая сопротивле ние. Говорить о практическом применении этой технологии в крыле и фюзе ляже самолета, корпусе надводных и подводных судов и кораблей еще рано.

В том числе и по экономическим причинам – единица поверхности, покрытая фулереновыми нанотрубками слишком дорога, возможные объемы «произ водства», носящего принципиально лабораторный характер, измеряются квадратными микронами. Но как о принципиальной технологической воз можности, как о примере возможного неожиданного хода развития техноло гий – говорить вполне возможно.

Следует обратить внимание, что здесь новые технологии впервые стал киваются с ограничением по сложности, обусловленном нашим неумением, носящим на сегодня фундаментальный знаниевый характер, моделировать и рассчитывать ряд процессов. Наши концепции, наша математика не готовы к решению задач, связанных с анализом турбулентности, в целом сложных не линейных задач поведения сред. Возможно сам подход как нелинейное уточ нение линейных моделей нашего «линейного мира» подлежит пересмотру.

К «переходному» направлению развития нанотехнологий следует отне сти и развитие электроники, соответствующих устройств и материалов на нанотехнологической основе.

Здесь принципиально подчеркнуть, что развитие обобщенно понимае мой «электроники», обозначаемой терминами фотоника и спинтроника вы ходят за рамки собственно классических технологий и во многом основыва ются на квантовых представлениях. Однако справедливо и то, что и традици онная электроника – феномен во многом квантовый. Достаточно упомянуть туннельный транзистор – тот самый транзистор, который в таком изобилии «представлен» в уже ставших нам привычными чипах: от высокопроизводи тельных процессоров суперкомпьютеров до чипов в наручных часах и мо бильных телефонах. Поэтому и электроника в целом, и ее «квантовые» про должения хоть и в меньшей степени можно отнести к пограничным техноло гиям, обладающим системными свойствами как «классических» технологий, так и «квантовых».

На сегодня минитюаризация в электронике достигла значительных ре зультатов и, возможно, близка к своему пределу. Современные транзисторы уже выполняются по технологическому процессу 65 нанометров, а впереди еще несколько переходов до границы в 11 нанометров. Но даже после этой «последней» границы, препятствующей дальнейшему уменьшению нано электроники, есть путь еще ниже: это квантовые компьютеры и спинтроника.

Последнее означает, что следующие принципиальные параметры: бы стродействие;

емкость оперативной памяти и емкость «архивной» памяти (последняя определяется плотностью записи на оптический диск или иной носитель), не будут развиваться стремительными темпами, формулируемыми как «закон Мура» без развития соответствующих нанотехнологий. И это об стоятельство следовало бы учитывать как принципиальный ограничивающий фактор технологического развития в целом.

Однако, просто переход к размерам «нано» в традиционной электрони ке (еще не рассматривая ни спинтронику, ни фотонику) – реальная возмож ность снятия этого ограничения.

Вполне традиционная технология по созданию электронных структур на кристалле, представляющих собой элементы радиосхемы (возможно рас пределенные), такие как транзисторы, резисторы, индуктивности и емкости – литография, также имеет свое нанопродолжение. Это означает на переход к более коротким волнам, к более жесткому излучению при соответствующем процессе. И соответствующие структуры лабораторно уже получены.

В области «электроники» также лежит полуклассическая область про водников: включая сверхпроводники и просто хорошие проводники, способ ные эффективно заменить медь. Решение проблемы прочных, тонких, спо собных без больших потерь проводить ток большой мощности не менее важ на, чем проблема эффективных сверхпроводников.

Возвращаясь к наноэлектронике, следует отметить, что не только ми ниатюризация (с вытекающими последствиями для производительности, ем кости памяти и уменьшения предела по рассеиваемой мощности) может яв ляться ее следствием. Так уже просматриваются как минимум два направле ния развития электроники, обусловленные нанотехнологическим вектором.

Первое – построение электронных схем на принципиально иных эле ментах. Так в частности уже анонсирован, созданный в лабораторных усло виях промышленной корпорации (HP Labs) мемристор – элемент энергонеза висимой памяти со временами переключения менее 50 нс, на основе которой уже планируется создание резисторной оперативной памяти RRAM. Также, создан прототип элемента (за счет принципиально квантовых эффектов), способного заменить транзистор в электронных схемах, в том числе опера тивных: как в оперативной памяти, так и в процессорах, имеющий, в отличие от транзистора не три, а два контакта. Переход к построению электронных схем из двухконтактных элементов существенно упростит топологию схем, что открывает дополнительные возможности их развития.

Второе – также связанное с топологией схем. Возможный и ожидаемый переход на полностью трехмерную топологию – за счет применения нанот рубок как основы создания электронного «чипа» или иных технологий в об ласти нано. При этом достигаются и «дополнительные» преимущества. Так исследования показали практическую возможность создания на основе угле родных нанотрубок, гибких интегральных схем, причем дальнейшая оптими зация технологии их изготовления позволит добиться существенного увели чения производительности, вплоть до возможности замены не только «мед ленных» полимерных транзисторов, но и довольно «скоростных» кремние вых.

Аналогичные преимущества: в виде гнущихся мониторов, устройств в виде «листа бумаги» – неотъемлемое свойство нанотехнологий, сочетающих в себе подходы электроники и материаловедения, что называется «по по строению». Представьте себе: в недалеком будущем телевизор можно будет свернуть в трубку, как обычный постер, и легко транспортировать в любое место. Если конечно, свернутое будет телевизором.

Здесь важно отметить, что задача «построения» таких электронных схем распадается на две, принципиальные подходы к которым могут в ряде случаев кардинально различаться. Если мы понимаем – из модельного расче та, из теории, из эксперимента – как работают элементы наших разрабаты ваемых схем, то мы оказываемся в сфере привычных нам технологий, разви тых моделей и комфортных представлений. Электронные схемы из элемен тов, свойства которых нам известны, моделировать и проектировать мы уме ем – соответствующие «расчетные» технологии в наличии, вопрос лишь в возрастающей топологической сложности, как из-за перехода к трехмерным схемам, так и в силу роста числа элементов схем. Однако, задача по созда нию самих элементов в рамках наноструктуры может быть решена по разно му. Если речь идет о создании малых элементов в привычной нам топологии и на привычной основе, и если мы знаем, как работает отдельный элемент лишь эмпирически, а наши объяснительные модели носят сугубо приблизи тельный характер, проблемы – как проблемы технологической – не возника ет. Однако, если речь идет о создании элементов в сложных наноструктурах, таких как, например, нанотрубки, то задача моделирования, принципиально предшествующая их созданию, – счетная задача высочайшей сложности. Так в только что приведенном примере при создании 100 транзисторов на базе нанотрубок математическое моделирование системы осуществлялось на Ин тернет-кластере nanoHUB. При этом автор сообщил, что моделирование бы ло очень сложным и заняло достаточно много ресурсов, поэтому было реше но воспользоваться глобальным вычислительным кластером, объединяющем многие компьютеры в сети Интернет.

Таким образом, здесь мы также приближаемся к пределу сложности, возможное преодоление которого лежит в области развития иных модельных представлений, отличных от привычных нам сегодня.

К направлению развития электроники по нанотехнологическому векто ру также следует отнести создание эффективных элементов «солнечных» ба тарей (что примечательно: слово «солнечных» благодаря нанотехнологиям пора ставить в кавычки). В настоящее время неконкурентоспособность сол нечной энергетики обусловлена низкой эффективностью преобразования энергии (~20%), отсутствием возможности получения электроэнергии ночью и в облачную погоду и отсутствием эффективных и экологически безопасных источников накопления энергии. Однако, в рамках наноисследований полу чены боле чем обнадеживающие результаты по решению названных про блем. Так, разработанная американскими учеными батарея на основе решёт ки из наноантенн, отпечатанных на тонкой и гибкой подложке, работающая в ИК-диапазоне по предварительным расчетам имеет КПД не менее 36%.

Главная особенность батареи в том, что она может вырабатывать ток даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает ночью Земля, а также зда ния, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Данные подходы развиваются и в России. Так, в 2006 году ученые Объеди нённого института ядерных исследований (Дубна) представили сенсацион ную разработку – «звездную батарею», названную так за способностью рабо тать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные свето вые потоки. Особенностью метаматериала этой батареи на основе наноча стиц золота и серебра в том, что он «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи (эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию – 54%, инфракрасного света в электроэнергию – 31%.). Но он также пред ставляет собой (конструктивно совмещенный с батареей!) накапливающий энергию конденсатор огромной емкости при малом объеме.

Все это – свидетельство того, что нанотехнологии успешно решают за дачи, поставленные еще в рамках «традиционного» технологического разви тия и являются их логическим продолжением.

Таким же продолжением, постепенно переводящим нас к рассмотре нию фотоники (нанофотоники) как перспективного нанотехнологического направления, являются технологии создания и применения светодиодов на нанопринципах или наноразмеров.

Прогресс в области светодиодов, что называется, на лицо. Уже созданы высокоэффективные источники света, в том числе когерентного (лазерное излучение), применяемые в различных областях – вплоть до детских игру шек. Вместе с тем, перспективой этого направления являются оптические из лучатели и сенсоры, сопрягающие мир чипов электроники с световыми сиг налами, в т.ч. и в каналах передачи информации на световодах.

Вместе с тем, нанофотоника отнюдь не ограничена использованием света как способа передачи информации на расстояние. Речь идет о развитии эквивалента электроники, «рабочим телом» которой будут не электроны, а фотоны. То обстоятельство, что фотон, в отличие от фермиона-электрона яв ляется бозоном, то, что скорости его передачи в среде близки к скорости све та в вакууме дают основания надеяться, что ключевые параметры данного эквивалента электроники – быстродействие, малость энергопотребления, компактность – будут принципиально лучше, чем у ее прототипа даже в его предполагаемом нанованианте. Все это требует разработки новых оптиче ских сред материалов, наноструктур, выполняющих функции элементов этой новой «электроники». Следует отметить, что теоретическая база такого под хода имеет серьезные заделы, в т.ч. в работах фундаментальной физики в об ласти теории лазерного излучения.

Теоретическая проработанность другого нанонаправления, претен дующего на замещение электроники, спинтроники, не столь очевидна.

Уже на сегодня в качестве первых результатов спинтроники можно на звать считывающие головки жестких дисков компьютера или сенсоры маг нитного поля. Подобные устройства были бы невозможны без развития спинтроники – направления по использованию квантовых эффектов в, как ожидается, сверхэкономичных и сверхбыстрых спиновых устройствах неда лекого будущего. Именно спинтроника – тот переходный мостик между при вычным нам миром и, во многом неожиданным, миром квантовых эффектов.


Спин-спиновое взаимодействие, лежащее в основе данного технологи ческого направления, явление не получившее до сих пор однозначного пони мания. Это взаимодействие предполагает дальнодействие, отсутствующее в используемых ныне электромагнитных взаимодействиях. Предельной мыс лимой на сегодня конструкцией, развивающей эти принципы, является т.н.

квантовый компьютер, само существование которого представляет серьез ную философскую и шире, мировоззренческую проблему. Мир может ока заться не таким, каким мы его привыкли видеть. Или еще хуже, мы сами сде лаем мир иным, чем мы его привыкли видеть.

Однако спинтроника в ее текущем состоянии – вполне «классическая»

дисциплина. Ее приложения безопасны и технологически необходимы.

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС), открытый в году, в магнитных наноструктурах (несколько слоев общей толщиной около 100 нм) лежит в основании таких устройств, как высокоточные сенсоры маг нитного поля, датчики углового вращения и, самое главное, считывающие головки жестких дисков. Первые считывающие ГМС-головки были выпуще ны в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практиче ски во всех жестких дисках.

Спинтроника также обеспечивает требуемое развитие «электроники» в ее широком определении. В спинтронных устройствах переворот спина прак тически не требует затрата энергии, Скорость «переворота» – несколько пи косекунд, тепла при «перевороте» практически не выделяется.

На базе спинтроники уже массово производятся модули памяти MRAM (магниторезистивная память с произвольной выборкой), отличительной осо бенностью которой является то, что записанная информация не пропадает при отключении питания сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах, в военных приложениях. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и меха низмах – например, в антиблокировочной тормозной системе, известной во дителям как ABS.

Эксперты выделяют три главных направления развития спинтроники в среднесрочной перспективе: квантовый компьютер (по прогнозам: работо способная версия нового типа компьютеров будет реализована уже к году!), спиновый полевой транзистор и дальнейшее развитие спиновой памя ти.

Научно-технологическая революция нашего времени связана с возник новением и развитием нанотехнологий. Как и всякая другая, нанотехнологи ческая революция – процесс весьма длительный, а смена одних технологий более современными займет десятилетия.

В долгосрочной перспективе «Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией»1. Нанотехнологии обещают радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним техноло гий, так и человеческой жизни в целом. И этот главный нанотехнологический «приз» (вместе со всеми рисками, с ним связанными) ожидается в области «квантовых» нанотехнологий. По экспертному мнению директора РНЦ «Курчатовский институт» М.В. Ковальчука принципиальная особенность нынешней нанотехнологической революции состоит в том, что в ее ходе происходит смена парадигмы развития науки. Раньше мы шли «сверху вниз», то есть двигались в сторону миниатюризации создаваемых предметов. Сей час мы идем «снизу», с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами. В этом суть нанотех нологий. Атомно-молекулярное конструирование материалов с необходимы ми свойствами принесет ощутимые выгоды и в экономии энергетических и материальных ресурсов.

Атомно-молекулярное конструирование означает становление индуст рии в целом на иных, непривычных, и во многом не понятых на сегодня нами принципах. За этими словами скрыта необходимость повторения того, что делало человечество для достижения своей индустриальной фазы развития, схематически: для того чтобы выплавить сталь, надо было добыть коксую щийся уголь, температура горения которого достаточно высока;

чтобы доб раться до угля, нужны были металлические инструменты, пусть медные, ко торые можно было выплавить с применением дров, и так далее, до самого первого знакомства человека с огнем. В «квантовых» нанотехнологиях мы прогноз Ralph Merkle, (Xerox, Palo Alto) только зажгли первую спичку. Инструменты наши примитивны. Но не они будут определять лицо «квантовой» наноиндустрии в долгосрочной перспек тиве, как не определяет кремневое огниво пещерного человека современное производство. Содержательным аспектом «квантовых» технологий являются наномеханизмы, в т.ч. наноактюаторы и наносенсоры, образующие особую группу механизмов, основанных на нанопринципах.

Микроразмеры определяют не только чрезвычайно разнообразные, но и принципиально новые области применения наномеханизмов – вплоть до гло бального контроля сред. В перспективе нас ожидает мир, в котором не только производство конечного продукта, привычного нам, будет осуществляться на нанопринципах, но и новым конечным продуктом будут наноустройства, не представимые сегодня. «Конечным пунктом» такой «квантовой» наноинду стрии можно назвать нанорепликацию – когда наноустройства, совмещенные с наносенсорами по предложенной и «помещенной» в них программе будут производить – собирая атомы в нужном порядке – письменные столы, про дукты питания, биопротезы и органы для имплантации, и даже то, что сего дня мы представить не можем. Не фантазийный характер мира наносенсоров и активных наноустройств демонстрирует ситуация и перспективы в «смеж ном» направлении – биотехнологиях, для которых наличие такого рода нано объектов: РНК- и ДНК-машин – непреложный факт.

Развитие как «классических» так и «квантовых» нанотехнологий не возможно без комплементарных «обеспечивающих» нанотехнологий, наиме нование которых вытекает из их функции обеспечения нанопроизводства – метрологии, контроля качества, контроля процессов, в т.ч. и на основе чис ленного моделирования, а также создания и применения устройств, обеспе чивающих наноиндустрию, таких как наноманипуляторы и утройства микро техники. Развитие этой части нанотехнологий представляется принципиаль но важным – именно она представляет собой технологический «водораздел»

между нанотехнологиями как возможностью и наноиндустрией как фактом экономической жизни. Временные горизонты реализации «обеспечивающих»

нанотехнологий различны для различных аспектов, носят поэтапный харак тер (одни устройства сменяют другие), но именно они, в конечном счете, оп ределяют темпы и сроки всего нанотехнологического развития.

Среди «обеспечивающих» технологий – по состоянию на сегодня – можно выделить ряд направлений, имеющих различающийся инструмента рий.

Это, прежде всего, обеспечение нанотехнологий «первого порядка», опирающееся на текущие технологические возможности. Это своего рода «химия» нанотехнологических материалов в широком ее понимании: от тех нологий измельчения (получения нанопорошков), до «выращивания» фуле реновых трубок.

Вместе с тем, уже эта «компонента» нуждается в соответствующем метрологическом оборудовании, позволяющем контролировать наноразмер ные объекты. В этом направлении в мире достигнуты существенные резуль таты. Двумерная «наноскопия» – практическая реальность не только научных лабораторий. Соответствующее оборудование выпускается промышленно. И эта технологическая область успешно развивается. Так на эксперименталь ном уровне осуществлена трехмерная визуализация нанообъектов (общий размер рассматриваемого нанообъекта – 90 нм) с использованием магнитно резонансной техники, что является важным этапом на пути к созданию мик роскопа, позволяющего разглядеть отдельные атомы в трёх измерениях.

Контроль и манипуляция с материей на наноуровне связан и с техноло гиями, использующими синхротронное излучение. Это и «традиционная» ли тография, но на длинах волн, менее 21 нм, это и более «продвинутые» техно логии. Так, с учетом того, что технологии «короткого» времени также дос тигли значительного развития, в перспективе станет возможным определять структуру молекул в растворах и даже наблюдать за ходом реакций в реаль ном времени. Успехи, достигнутые в спектроскопии благодаря применению импульсных лазеров, позволят изучать ход химических реакций в фемтосе кундной шкале (10-15 секунды), позволяющим видеть движение реальных атомов.

Вместе с тем, развиваются и технологии по непостедственной манипу ляции нанообъектами. По оценкам экспертов до развития технологий, лежа щих в основе нанофабрик, основной проблемой развития по «квантовому»

нанотехнологическому вектору на перспективу является управляемый меха носинтез, т.е. составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие хими ческие связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нанометров. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо (в перспективе существования нанофабрик) «нано компьютером», встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором.

На сегодня подобные манипуляторы не существуют. Зондовая микро скопия, с помощью которой в настоящее время производят перемещение от дельных молекул и атомов, ограничена в диапазоне действия, и сама проце дура сборки объектов из молекул из-за наличия интерфейса «человек – ком пьютер – манипулятор» не может быть автоматизирована на наноуровне.

Вместе с тем, эксперты относят перспективу создания первой системы «на нокомпьютер-наноманипулятор», способной воспроизвести себя по заданной программе без «ручного» вмешательства человека к 2010–2020 гг. О принци пиальной возможности этого как минимум свидетельствуют результаты в области биотехнологий, для которых «репликация» не только реальность, но носит сложный характер и в целом именуется наследованием.


«Биологическая» инструментальная составляющая нанотехнологий может получить и неожиданное развития. Так, в частности речь идет о ис пользовании и создании колоний микроорганизмов, результатом деятельно сти которых являются регулярные наноструктуры, пригодные для производ ства на их основе наноматериалов. Примыкает к этому область химии, удач но названная Питером Эткинсом «агрохимией», по выращиванию на биоло гической основе специфических, с заданными свойствами и необходимых для наноиндустрии молекул.

Создание нанообъектов как манипулирование молекулами, как «персо нальная» химия, где объектом превращения является не среда, состоящая из молекул, но отдельная молекулярная структура, также стоит в повестке дня «обеспечивающих» нанотехнологий. Так, в 2008 г., используя вычислитель ные методы квантовой химии, учёные за три года интенсивного моделирова ния и внимательного анализа химических реакций смоделировали работу «минимального» набора из девяти молекулярных инструментов, составлен ных только из атомов углерода, водорода и германия, для механосинтеза раз нообразных наноструктур. По словам разработчиков, эти инструменты до вольно просты, но достаточно гибки для того, чтобы открыть широкий диа пазон возможностей.

Технологии моделирования наноструктур – принципиальный аспект не только на стадии их разработки, но и как одна из основ нанотехнологической метрологии. Особенности нанообъектов определяют возможный расчетный характер метрологического обеспечения контроля свойств продукции с при менением нанотехнологий. Иными словами, мы будем знать, что что-то на дежно работает, не потому, что мы эту надежность измерили, а потому – что мы ее рассчитали.

Это делает принципиально важным нано моделирование во всех его аспектах. И, как было ранее показано, наиболее «больным» вопросом здесь – не счетные возможности, предположительно растущие по закону Мура, а слабость самих модельных представлений. На сегодня мы имеем «разорван ную» картину мира: мы хорошо знаем, что происходит в масштабах галактик, планет и яблок (хотя и здесь есть проблемы), думаем, что многое знаем в масштабах кварков, электронов, и даже тяжелых бозонов. Но между этим – «дырка». То квантово-механическое описание наномира, которое есть в на шем распоряжении – по-видимому, недостаточно, в частности мы не знаем возможности того, на что надеемся: самой возможности «перенесения» кван товых свойств в наш неквантовый мир. И дело не в недостаточной развито сти собственно квантовой механики и квантовой химии. Просто, задачи, стоящие перед нанотехнологиями ставят иные вопросы, требующие допол нительных понятийных инструментов. Так, полезно вспомнить, что появле ние второго начала термодинамики, понятия энтропии, не отменяя классиче ской физики – как механики, так и электродинамики, – кардинально измени ло нашу физическую картину мира.

Глава 3. Нанотехнологии и мейнстрим технологическог развития Принципиальным является то, что нанотехнологии – неотъемлемая часть мейнстрима технологического развития, который часто обозначают по нятием «конвергенция технологий». В настоящее время четко выделяются следующие направления, которые можно отнести к технологическому мейн стриму:

– информационные технологии – биотехнологии – нанотехнологии – экологические технологии (технологии природопользования) – когнитивные технологии как новый технологический интерфейс мир человек Развитие именно этих направлений задают вектора технологического развития и его высокие скорости, присущие современному этапу.

При этом следует иметь в виду следующее принципиальное обстоя тельство. Технологическое развитие в традиционных областях, таких как «классические»: материаловедение, химические технологии, технологии ме ханической, термической, лазерной обработки и многие, многие другие, – не остановлено. Но в этих технологических направлениях имеют место сле дующие процессы: инерционного развития, деградации и технологического «переноса».

Во-первых, в ряде направлений имеет место инерционное развитие, т.е.

такое развитие, которое имеет относительно медленный, «непрерывный» ха рактер, обусловленный общим ходом технологического развития. Это – путь «малых изменений», таких, как выведение новых сортов в сельском хозяйст ве, имеющих более высокую урожайность – процентов на 10%.

В целом, такое направление развития на длительных периодах развития может и дает существенный эффект. Примером тому – развитие газо- и неф тедобычи в временном горизонте 70-ти лет. Не только выросли объемы до бычи, но и современные технологии позволяют добывать углеродное сырье с больших глубин, худшего качества с последующей очисткой (серный газ, га зоконденсат, попутный газ и пр.). В перспективе – добыча углеводородного сырья из нефтесодержащих песков и пр. Но в целом, базовая технология – бурение, транспортировка по трубам и пр. – не претерпевает принципиаль ных изменений.

Во-вторых, ряд технологических направлений «деградирует» в связи с появлением «замещающих» технологий (как в свое время деградировала пер вобытная технология обработки кремниевых наконечников и лезвий). Речь идет не о частичной замене одних технологий другими при производстве тех же продуктов. Речь идет об изменениях, делающих технологии ненужными, невостребованными. Как не востребованы на сегодня технологии производ ства и воспроизведения виниловых аудиопластинок.

И, в-третьих, традиционные технологии, развиваются за счет техноло гического «переноса». Развитие «нетрадиционных» технологий ведет к при обретению «традиционными» технологиями нового качества. Так, техноло гии связи в связи с развитием информационных технологий получили разви тие за счет принципиального технологического изменения. Интернет как принадлежность почтового отделения – сегодняшняя реальность.

Как деградация традиционных технологий, так и их развитие за счет технологического переноса обусловлено развитием технологий мейнстрима, носящим характер быстрых качественных изменений.

Таким образом, именно вышеперечисленные технологии мейнстрима определяют процессы быстрого технологического изменения во всем техно логическом пространстве.

Информационные технологии – наиболее развитые из всех. По состоя нию на сегодня они включают в себя собственно технологии, связанные с или опосредованные компьютером, производство программного обеспече ния, а также стремительно развивающиеся средства связи, в т.ч. беспровод ной.

Можно сказать, что развитие информационных технологий – основа технологического развития сегодняшнего дня: бурный прогресс в области информационных технологий во многом определяет не только текущую тех нологическую, но и текущую «бытовую» картины мира.

Вместе с тем, информационные технологии (в их текущем состоянии) вошли в стадию насыщения S-образной кривой своей эволюции как системы, т.е. на стадию отнюдь не быстрого развития. Развитие нанотехнологий, кон вергенция нанотехнологий и ИТК2 – новая основа развития информационных технологий.

Так, известно, что базовой технологией информационных технологий является производство кремниевых микрочипов и шире, микроэлектроники.

Развитие же последней принципиально связано с новыми возможностями, открываемыми нанотехнологиями.

Развитие информационных технологий на новой основе приведет к глобальному характеру информационно-коммуникационного пространства.

В целом, развитие информационных технологий как технологической основы будущего экономического уклада, как ожидается – когнитивного, включает в себя развитие «трех глобальностей»:

«Глобальная связь», позволяющая поддерживать информационный кон такт между любыми точками в пределах Земли и околоземного космиче ского пространства;

«Глобальная навигация», позволяющая с точностью до метров определять свое положение в пределах Земли и околоземного космического про странства;

«Глобальная информация», во-первых, позволяющая из любой точки Зем ли или околоземного космического пространства получать доступ к ин формационным сетям и архивам, хранящим накопленные социосистемой знаниям, во-вторых, позволяющая получать информацию в реальном вре Конвергенция или конвергенция технологий – взаимное проникновение или поглощение (путем проникновения) технологий, принадлежащих различным технологическим направ лениям), например нанотехнологий и информационно-коммуникационных технологий.

мени о любых наблюдаемых объектах или явлениях («аннотированный мир»).

Развитие биотехнлогиий (как и их отвлетвлений: нанобиотехнологий и бионанотехнологий) также напрамую связано с развитием нанотехнологий.

Имеет место «парадокс»: биотехнологии «умеют» то, что для нанотехноло гий представляет относительно далекую перспективу. Наследственный меха низм ДНК (РНК), созданный самой природой есть факт биотехнологий, в то время как нанотехнологическое репредуцирование – лишь цель нанотехноло гического развития.

Биотехнологии на сегодня устойчиво ассоциируются с наиболее пере довыми исследованиями и разработками в области системной биологии в це лом, геномикой (а в просторечии – генной инженерии) в частности. Для обо значения этого – основного на сегодня – вектора развития биотехнологий часто используют отдельный термин: живые системы.

Между тем, устойчивым фоном (в общедоступных источниках) для достижений биотехнологий в области живых систем, в части ли стволовых клеток, декодирования протеинов и многого другого, является связь совре менного этапа развития биологических технологий с созданием генномоди фицированных продуктов (причем подразумевается, что генномодифициро ванная продукция «неестественна» и может обладать рядом неизвестных и опасных свойств).

Тем самым, биотехнологическое направление можно рассматривать как более «старое», для которого произошло «смещение» как области приложе ния, так и основного «инструментария». Генетически биотехнологии можно представить, как «прямую сумму» традиционных сельскохозяйственных и им аналогичных технологий и достижений современной биологии. В действи тельности, мутационные процессы в растительном мире происходят посто янно, и все одомашненные растения являются «генномодифицированными»:

в процессе одомашнивания менялся не только фенотип, но и геном, и даже число хромосом. В этом смысле «традиционное сельское хозяйство» на про тяжении тысячелетий занималось генной модификацией растений, причем во второй половине ХХ столетия этот процесс ускорился, а в настоящее время появились принципиально новые техники работы с геномом.

Таким образом, следует говорить о «традиционной» части биотехноло гий, имея в виду не только их текущую «периферийность» по отношению к основному вектору развития биотехнологий (живые системы), но и возмож ное последующее развитие на новых основаниях, складывающихся в основ ном векторе развития биотехнологий.

Основным стержнем развития биотехнологий является совокупность исследований и технологий, которую справедливо назвать как «моделирова ние жизни». Биотехнологии неразрывно связаны с феноменом жизни, с на шим пониманием соответствующих механизмов и закономерностей, с соот ветствующей инженерией.

Наиболее «продвинутой» в этом направлении является такая часть мо лекулярной биологии как геномика. Как отметил Ричард Докинз3 «революция в молекулярной генетике, безусловно, была одним из грандиозных достиже ний науки двадцатого века, а значит, и всей науки вообще». Геномика – раз дел молекулярной генетики, посвященный изучению генома и генов живых организмов4.

Принципиально, что развитие геномики стало возможно не только бла годаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появле нию более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований. Например, объем генома че ловека составляет порядка 3 млрд. пар оснований, или 3 000 Mb, а самые Ричард Докинз – биолог-эвалюционист, член Королевского общества.

Геномика сформировалась как особое направление в 1980-1990-х гг. вместе с возникно вением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организ мов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага -X174;

(5 368 kb) в г. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1.8 Mb) (1995). После этого были полностью секвенированы геномы еще не скольких видов, включая геном человека (2001 – первый черновой вариант, 2003 – завер шение проекта).

крупный из известных геномов (у одного из видов амёб) – 6.71011 пар осно ваний.

Успехи геномики имеют как минимум следующие основания.

Системная биология и ее методы, такие как секвенирование5 белков и нуклеиновых кислот – ДНК и РНК а также биоинформатика, которая скреп ляет все крупные проекты системной биологии.

Темпы развития биоинформатики – требующей огромных вычисли тельных мощностей – принципиально связаны с темпами развития информа ционных технологий и их нанотехнологической базы, т.е. с так называемым «Законном Мура»6. Если тенденция, определенная как закон Мура будет на рушена, то развитие многих биотехнологических перспектив будет под во просом.

Среди таких перспектив – как принципиальный пример – прогноз по темпам снижения стоимости анализа структуры ДНК (секвенирования). Тем пы снижения вдвое цены секвенирования, приходящуюся на одну «букву»

геномной последовательности, определяемые как 27 месяцев7. Как следствие этого прогноза – расшифровать индивидуальный геном человека за долларов буде возможно к 2041 году, а к 2050 г. за 60 долларов.

Следует отметить, что наши ожидания от результатов расшифровки ге нома как расшифровки последовательности его «букв» сильно завышены.

Если речь идет о живом, то надо помнить, что первичным объектом изучения являются свойства, а не «буквы», эти свойства кодирующие. К сожалению (или к счастью) жизнь устроена сложнее и прямое соотнесение «букв» и свойств не имеет место. Лишь в отдельных случаях мы можем говорить: вот ген, отвечающий за «голубизну глаз», «предрасположенность к раковым за Секвенирование – определение первичной аминокислотной или нуклеотидной последо вательности ДНК и РНК (от англ. sequence – последовательность). В результате получает ся линейное символьное описание, которое cжато резюмирует атомную структуру моле кулы.

Закон Мура в т.ч. определяет, что производительность компьютеров увеличивается тем пом вдвое за 18 месяцев.

По данным Джонатана Ходжинга, профессора генетики Оксфордского университета.

болеваниям» и пр. Как правило, за свойство отвечают сразу несколько генов, ген несет с собой несколько свойств. Задача «понимания» связи свойств с ге нами – «понимания» не в общеконцептуальном смысле, но в виде примени мой на практике «таблицы» – задача, по видимому, далекой перспективы.

Именно здесь приходит понимание, что системная биология – нечто большее, чем биоинформатика – при всей ее «мощности» и принципиальной необходимости. И если на данный момент акцентируют внимание на ее ин струментальной части, такой как био-чипы, то в перспективе акцент может сместиться на «теоретическую» часть, обеспечивающую наше понимание всей огромной массы информации, не сложенной на сегодня в четкую карти ну жизни.

В этом контексте следует также ожидать большего внимания к «смеж ным» к геномике и генетике областям. Изучение клетки как целого, изучение наследственного механизма не как набора генов, но как механизма, реаги рующего на условия (например близость других клеток, определяющей вы бор клеткой одной из нескольких программ своего развития), изучение дру гих феноменов жизни (ферменты, протеомика в целом и др.) – возможный вектор развития системной биологии в перспективе.

Данные технологии есть технологии манипулирования малым. Это – по существу – нанотехнологии живой материи. С нанотехноллогическим аспек том биотехнологий связана и фармакогенетика8, способная дать медицине такой инструмент лечения человека как подбор лекарств и средств воздейст вия в зависимости от его генетической предрасположенности, а также конст руирование лекарств направленного действия.

Вместе с тем, сегодняшнее технологическое развитие в целом пока оп ределяется успехами геномики и связанной с ней биоинформатики.

При этом следует отметить, что кроме технологий секвенирования ДНК, имеют место и востребованы технологии рекомбинации ДНК (генная Фармакогенетика – изучение взаимосвязей между болезнями, генами, протеинами и фармацевтическими средствами инженерия). Эти технологии позволяют как модифицировать уже сущест вующие наборы хромосом, так и конструировать произвольные геномы, не связанные генетически с каким-либо природным прототипом.

Первые практические результаты этих технологий, такие как генномо дифицированные продукты – реалии сегодняшней экономической жизни.

В этой связи, следует отметить, что исследования генов животного и растительного миров опираются во многом на различные технологии секве нирования. Данное обстоятельство связано с существенными различиями между структурами геномов животных и растений. Для последних характер но многократное повторение «кодов», что затрудняет или делает невозмож ным применение ряда технологий, используемых для анализа ДНК или РНК не-растительного типа.

Здесь следует отметить следующий принципиальный аспект. Пред ставляется, что под влиянием успехов, даваемых существующими методами (био-чипы), не осознается необходимость иных – возможно прямых – мето дов анализа молекулярного строения ДНК и РНК. Вполне возможно, что на нотехнологии в своей «квантовой» составляющей дадут нам инструменты такого анализа. В качестве (пока не обоснованной) гипотезы вида такого ин струмента можно предложить реплицированную с РНК последовательность наносенсоров – наноактюаторов, позволяющую считывать информацию по модели прибора с зарядовой связью.

Технологии мейнстрима будут определять как мировое, так и россий ское технологическое развитие. Учитывая их принципиальную связность и взаимное проникновение (технологическая конвергенция и взаимная синер гия) следует рассматривать данные технологические направления как целое, как единое целое.

Глава 4. Развитие нанотехнологий в Российской Федерации: пер вые результаты и планы (Дорожные карты развития нанотехно логий) В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нано технологии проводились с начала 1980 годов, когда были развернуты иссле дования по теме «ультрадисперсные материалы», целью которых было соз дание новых материалов для использования в народном хозяйстве.

К наиболее известным можно отнести программу «Физика наноструктур»

под руководством академика Ж.И. Алферова, благодаря которой оказалась возможной работа высокого уровня по исследованию физических явлений в полупроводниковых наноструктурах без массового выезда ведущих ученых за рубеж, и «Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлек тронике», руководимая академиком К.А. Валиевым. В 60-х годах академик К.А. Валиев проявил себя крупным организатором науки и производства в электронной промышленности, стал одним из основателей отечественной микроэлектроники, возглавляя НПО «Микрон» обеспечил разработку и се рийное производство большой номенклатуры кремниевых интегральных схем, ставших элементной базой отечественной вычислительной техники третьего поколения – ЕС ЭВМ стран СЭВ, сверхпроизводительных вычисли тельных комплексов «Эльбрус», системы ЭВМ СМ, а также элементной базы оборонных систем, в том числе, системы ПВО.

В первом институте России по микроэлектронике и нанотехнологии – НИИ «Дельта» (руководитель направления – Н.П. Лускинович), до его лик видации, еще в 1995 г. были получены экспериментальные результаты по на носборке, которые долгое время не были повторены ни в одной из стран.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.