НаноТехнологии: Шаг в будущее Сможем ли мы победить все болезни и придумать эликсир бессмертия? Сможем ли мы победить все болезни и придумать эликсир бессмертия? Научиться дышать под водой и овладеть телепатией? Конечно! Ведь все в наших руках. Наноруках.

Введение: Нанотехнология – бурно развивающаяся отрасль. Сообщения о новых открытиях в этой области появляются каждый день. Когда же начнется полномасштабное применение этих технологий? Обыватели будут лишь растерянно качать головами – оказывается, фантастика уже стала реальностью. С научной точки зрения, нанотехнология предлагает с помощью физических, химических и биологических подходов получить непосредственный контроль над каждой молекулой и атомом. Ученые смогут собирать невидимые глазу механизмы подобно тому, как ребенок собирает конструктор.

Но начнем с истории появления нанотехнологий: Ровно 100 лет назад знаменитый физик Макс Планк (Max Planck) впервые приоткрыл дверь в мир атомов и элементарных частиц. Его квантовая теория позволила предположить, что эта сфера подчинена новым, удивительным законам. Сегодня учёные и исследователи во всём мире свободно обращаются с этими законами, позволяя себе манипулировать "нанокосмосом". Они создают шарики диаметром в 1 нанометр одну миллиардную часть метра и создают надписи из отдельных атомов. Ещё в 1959 году, когда доработанная квантовая механика Планка уже сделала возможным появление атомной электростанции и уже была произведена первая ядерная бомбардировка, американский физик

Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявил: "Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа". И добавил: "Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле". Знаменитая лекция Фейнмана, известная под названием "Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение мира атомов и молекул. Лекцию Фейнмана можно было бы посчитать курьезом из прошлого, как и приз в $1000, который он назначил тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году. Но дальнейший прогресс так ускорил прорыв в "нанокосмос", что сегодня эта область исследований не может оставаться незамеченной. Само понятие же "нанотехника" было введено в 1974 году японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi). Первые средства для нанотехники были изобретены в швейцарских лабораториях фирмы IBM. В 1982 году был создан растровый туннельный микроскоп, за что его создатели четырьмя годами позже получили Нобелевскую премию, а в 1986 году атомный силовой микроскоп. В то время, как в электронный микроскоп атомарные размеры можно рассмотреть лишь при определённых условиях, новые зонды дают более точную картину. "Принцип атомного силового микроскопа напоминает обычный проигрыватель пластинок", говорит один из его создателей, Герд Бинниг. Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий: ему принадлежит новая формулировка квантовой механики, жидкий гелий, теория слабых взаимодействий и кварн-глюоная картина строения вещества…

То, что технизация наномира идёт так стремительно, зависит не только от неуёмного любопытства естествоиспытателей, которое рассматривалось Фейнманом как центральный мотив научного поиска. В первую очередь она зависит от развития информационного общества, порождающего огромные объёмы информации, которые должны всё быстрее обрабатываться. Поскольку информация существует в нераздельной связи с реальными запоминающими устройствами и процессорами, это рано или поздно приводит к огромной проблеме занимаемого ею места. Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в нанометров наступит конец. После этого предела наступает квантовомеханическая помеха: электроны пробивают разделительные слои в транзисторах, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. Есть уже лабораторные образцы первых молекулярных электронных деталей: транзистор из крохотной углеродной трубочки диаметром в один нанометр. Физики из города Делфт, Нидерланды, смогли превратить такие трубочки в необходимый для транзисторов контакт металл-полупроводник. "Нанотрубки", как ещё назвали этот открытый в 1991 году в Японии вид углерода, могут быть и тем, и другим. При надломе такой трубки посередине одна половинка получается с металлическими свойствами, а другая со свойствами полупроводника. Руководитель делфтской команды Сис Деккер (Cees Decker) считает, однако, что до промышленного производства таких "трубочных" транзисторов ещё далеко.

Организация формирования и реализации национальных и региональных программ по микросистемам и нанотехнологиям: Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям (микросистемная техника и нанотехнология) свидетельствует о наличии некоторых обязательных организационных элементов. К ним прежде всего относятся: · выявление и формирование потребностей общества в развитии новых научно- технических направлений, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и национальную безопасность; · обобщение этих потребностей и их оценка в форме национальной программы или совокупности программ другого уровня; · выбор способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования; · создание системы управления и поддержки выполнения и эволюции программы. Система должна быть гибкой и открытой; · последнее обеспечивается созданием информационной сети поддержки. Наиболее ответственный первый этап начинается с накопления результатов фундаментальных или демонстрационно-прикладных исследований, чаще всего в академических (университетских) исследовательских центрах.

Умение своевременно увидеть в первых ростках перспективу для развития экономики или роста безопасности страны служит мощным стимулом расширения исследований по новому направлению. Например, интерес правительства США к работам в области микронных механизмов способствовал становлению тематики развития МЭМС [1]. Важно наличие в госструктурах организаций, способных на определенный риск для вылавливания эффективных идей. К числу таких организаций относится, например, Агентство перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA), одним из пунктов стратегии которого являются инвестиции в высокорисковые, высокоэффективные (High-focus) проекты. Расширение числа участников и тем исследований позволяет на определенном этапе сформировать и официлизировать государственную (национальную) программу. Почему нужна государственная финансовая поддержка на первом этапе? Дело в том, что выход разработки на рынок требует 5-10 лет (см. таблицу). Если государство заинтересовано в быстрейшем развитии направления, оно должно взять на себя бремя первоначальных расходов на исследования и формирование инноваций. Чем шире фронт работ, тем более вероятен возврат средств за счет налогообложения производства и/или продаж нового продукта.

В зависимости от традиций развития национальной экономики, ее финансовой мощи и целей формируется содержание программы, методы ее финансирования и формы реализации. Не последнюю роль играют государственные амбиции. Южная Корея, например, увидела в микросистемной технологии способ войти в семерку стран высоких технологий (G7-проект) [2]. Еще в большей мере это проявилось в Национальной наноинициативе (NNI) США. Считая нанотехнологию основой новой индустриальной революции, правительство США в 2 раза увеличило финансирование нано-исследований и нанотехнологии с целью занять и закрепить лидирующее (первое) место в мире в ближайшие пять лет [3]. Однако никакие амбиции не приведут к результату без организационной основы их реализации в форме создания национальной системы управления и поддержки выполнения программы. Отдельные элементы этой системы направлены на реализацию различных этапов программы. Весьма схематично элементы системы отражены на рис. 1. Мы не ставим задачу детального анализа выбора и обоснования каждого элемента системы, отметим только, что в зависимости от уровня развития национальной программы меняются доля и число указанных элементов. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведена схема европейской сети поддержки Minanet. Важно еще раз отметить, что без организации национальной программы и сопровождающей ее четкой системы управления и поддержки невозможно освоение новой научно-технологической области. Важность развития инфраструктуры поддержки подчеркнута в NNI [3]. Авторы [4] считают, что с 2001 г. наблюдается четкая тенденция роста инвестиций в сфере микросистемной техники именно в инфраструктуру. В частности, увеличивается, например, не только число центров заказного производства (foudry) на базе кремниевой технологии (рис. 3) [4]), но и обновляется их производственная база. Если три года назад большинство заводов использовали подложки диаметром 100 мм, то в 2002 г. основная часть заводов использует пластины диаметром 150 мм.

Рис. 1. Элементы национальной системы управления и поддержки выполнения программы

Рис. 2. Замкнутая система программ по микросистемам в Европе

Перспективы использования нанотехнологий в России Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики. § В машиностроении увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости та кого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий. § В двигателестроении и автомобильной промышленности за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках. § В электронике и оптоэлектронике расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно- прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах. § В информатике многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

§ В энергетике (в том числе атомной) наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива. § В сельском хозяйстве применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза. § В здравоохранении нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер. § В экологии перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России: Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.

Первая проблема формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства. Вторая проблема повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций. Третья проблема собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве. Четвертая проблема обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики. Пятая проблема широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.

Шестая проблема создание исследовательской инфраструктуры, включая: · организацию центров коллективного пользования уникальным технологическим и диагностическим оборудованием; · современное приборное оснащение научных и производственных организаций инструментами и приборами для проведения работ в области нанотехнологий; · обеспечение доступа научно-технического персонала к синхротронным и нейтронным источникам (как российским, так и зарубежным), к сверхпроизводительным вычислительным комплексам; · разработку специальной метрологии и государственных стандартов в области нанотехнологий; · развитие физических и аппаратурно-методических основ адекватной диагностики наноматериалов на базе электронной микроскопии высокого разрешения, сканирующей электронной и туннельной микроскопии, поверхностно-чувствительных рентгеновских методик с использованием синхротронного излучения, электронной микроскопии для химического анализа, электронной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии. Седьмая проблема создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях от выполнения научно- технических разработок до реализации высокотехнологической продукции. Восьмая проблема привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.

Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться как часть государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов. К таким мерам прежде всего необходимо отнести: · разработку и реализацию материально-технического обеспечения работ в области нанотехнологий с максимальным учетом возможностей кооперации в использовании уникального сверхдорогостоящего научного и экспериментально- исследовательского оборудования; · подготовку, повышение квалификации, привлечение и закрепление кадров (прежде всего молодых специалистов) в области нанотехнологий для их использования в научной и промышленной сферах; · изучение рынка наукоемкой продукции в части нанотехнологий с использованием методов прогнозирования и технико-экономической оценки; · анализ современного состояния научно-исследовательских работ фундаментального и прикладного профиля в соответствии с общими отечественными и мировыми тенденциями в развитии данного направления, а также результативности законченных исследовании и их дальнейшей перспективности;

· определение приоритетных ориентированных направлений в области нанотехнологий, результаты которых могут быть использованы в ближайшее время, среднесрочной и дальней перспективе, а также в фундаментальных и поисковых исследованиях; · разработку и использование системы координации и кооперации проводимых исследований в области нанотехнологий; · создание и использование экспертных систем и баз данных как информационного возобновляемого ресурса в области последних достижений, связанных с разработкой и применением нанотехнологий в стране и за рубежом; · отработку систем взаимодействия государства с предпринимательским сектором экономики в целях формирования рынка нанотехнологий, привлечения внебюджетных средств для проведения исследований и организации соответствующих производств; разработку мер по активизации участия бюджетных и внебюджетных фондов и частных инвесторов на всех стадиях разработки и освоения нанотехнологий; · разработку системы мер по организации эффективного взаимовыгодного международного сотрудничества в области исследований и практического использования нанотехнологий.

Подводя итоги: К концу девяностых правительства ведущих стран мира начали «гонку нановооружений». США запустили в 2000 году «национальную нанотехнологическую инициативу». Федеральный бюджет страны стал ежегодно выделять крупные суммы на исследования, в 2004 эта цифра составила 3,7 млрд.долларов. Такая активность объясняется просто: кто в 21 веке добьется успехов в нанотехнологии, тот и станет мировым лидером, как минимум до конца столетия. Сегодня в нанотехнологиях лидируют Япония и Южная Корея. За ними гонятся США, в спину дышат Франция, германия, Англия и, конечно же, Россия. В активе изобретателей полным-полно молекулярных двигателей и роботов, которые работают от света и броуновского движения, нанотранзисторов и дисплеев, невероятно клейких полимеров, позволяющих ходить по потолку, и устройств хранения информации. Большнство разработок имеют скорее научный интерес, но до их применения остаются считанные десятилетия, а может, и годы. А там, глядишь, аппетитный бутерброд будет синтезироваться мысленным приказом прямо из воздуха. Или так: любой человек сможет без скафандра летать в космосе, питаться астероидами и купаться в солнечных протуберанцах.

Немного об авторе: Работу подготовила Студентка 2 курса Группы ГИП-105 Михайлова Александра