Нанотехнологии: состояние, проблемы, перспективы

04 июля 2006 г.

В.К. Пустовалов,
зав. отделом ГУ «Белорусский институт системного анализа и информационного обеспечения научно-технической сферы», профессор

В настоящее время в социально-экономических приоритетах Республики Беларусь особая роль принадлежит развитию наукоемких отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости. На современном этапе развития мировой экономики таким направлением, безусловно, являются нанотехнологии. Нанотехнологии требуют малого количества затрат энергии, материалов, производ­ственных и складских помещений. С другой стороны, развитие нанотехнологий требует высокого уровня подготовки ученых, инженеров и технических работников, а также организации производства. Последние обстоятельства присущи состоя­нию развития экономики и науки в Беларуси и являются предпосылками для разработки и развития нанотехнологий в республике.

Проблемы, относящиеся к созданию наноматериалов и развитию нанотехнологий, занимают в настоящее время доминирующее положение практически во всех областях современной науки и техники. В основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании. Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не присущих макро— и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм. Многие из кардинально отличных свойств наноматериалов по отношению к объемным материалам того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов.

Смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов, происходят от греческих слов: микро — малый, нано — карлик.

Приведем некоторые определения (Лучинин В.В., 2005) [1]. Наноматериалы — вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и/или химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее не известных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро– и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов. Нанотехнологию можно также определить как науку и технику создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях.

Нанотехника — машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Ключевыми в развитии нанотехнологий стали открытия последней половины XX века, связанные с квантовыми свойствами микро– и нанообъектов, разработкой полупроводниковых транзисторов и лазеров, созданием методов диагностики с атомным разрешением (электронная и сканирующая туннельная микроскопия), открытием фуллеренов, развитием геномики и биотехнологий. По оценкам экспертов, нанотехнологии стали важнейшим направлением технологического развития лидирующих мировых держав XXI века. Будучи возведенными в ранг приоритетных национальных задач, эти принципиально новые технологии создают мощный импульс для развития других отраслей промышленности по пути существенного улучшения характеристик и миниатюризации изделий.

Что же сейчас понимают под нанотехнологиями? В сферу этой деятельности попадают объекты с размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов до их конгломератов и органических молекул, имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Такие системы не только способствуют миниатюризации изделий, снижению энергоемкости и материалоемкости, но и обладают еще одним важным свойством: в силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров уменьшается и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. В настоящее время в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, в ряде наноструктур его можно уменьшить на несколько порядков величины. Но существующие массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.

Отчасти нанотехнологии уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности в развитых странах. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся в настоящее время ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства.

Современные приложения нанотехнологий включают:

• создание высокопрочных нанокристаллических и аморфных материалов, негорючих нанокомпозитов на полимерной основе;
• элементы наноэлектроники и нанофотоники, полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др., тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы;
• устройства сверхплотной записи информации; телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров;
• молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
• нанолитографию и наноимпринтинг;
• устройства микро— и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы, интегрированные микроэлектромеханические устройства;
• нанохимию и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимию, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы),
• топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, устройства для хранения энергии;
• фармацевтику, целевую доставку лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническую и медицинскую диагностику, создание искусственных мускулов, костей, имплантацию живых органов; регистрацию и идентификацию канцерогенных тканей, патогенов, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты и многие другие.

О создании американскими учеными квантового суперкомпьютера стало известно сравнительно давно, особенно если учесть современные темпы развития в сфере высоких технологий. Как реальная альтернатива «кремниевой» электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника.

В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. Компания «Хьюлетт-Паккард» недавно официально объявила о наличии стратегии развития наноэлектронной базы, которая составит основу будущей электронно-вычислительной промышленности — производства компьютерных чипов на базе молекулярной наноэлектроники. Ученые из компании «Хьюлетт-Паккард» запатентовали технологию производства микропроцессоров, в основе которых лежат не кремниевые кристаллы, как в современных процессорах, а молекулярные цепочки. Молекулярная электроника является составной частью более крупной отрасли — нанобиотехнологии, занимающейся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и способствующей решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.

Нанотехнологии — одно из ключевых направлений развития промышленности и прогресса общества, путь к управляемому синтезу молекулярных структур, который призван обеспечить получение объектов любого назначения не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью машин-сборщиков, оборудованных системами искусственного интеллекта. На сегодняшний день государственные программы развития нанотехнологий реализуют более 50 государств. Глобальные инвестиции в НИОКР в сфере нанотехнологий, по отчетам государственных организаций, с 1997 по 2002 гг. возросли приблизительно в 5 раз. Объем финансирования работ в области нанотехнологий в мире в 2004 г. составлял 8,6 млрд долларов США (в 2003 г. — 7,5 млрд долларов США) (Асеев А.Л., 2005) [2]:

• в США правительственная поддержка составила 1,6 млрд долларов, финансирование компаниями — 1,7 млрд долларов;
• в странах Европы правительственная поддержка составила 1,3 млрд долларов США, финансирование компаниями — 0,7 млрд долларов;
• в странах Азии правительственная поддержка составила 1,6 млрд долларов США, финансирование компаниями — 1,4 млрд долларов.

Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. по 2004 г. составило 88 546, из них 64% принадлежат США. Ожидается, что к 2010 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит 1 трлн долларов США.

Расходы России на поддержку и развитие работ в области наноматериалов и нанотехнологий по различным каналам (Министерство промышленности и энергетики, Министерство образования и науки, РАН, РФФИ и др.) можно оценить в размере нескольких десятков миллионов долларов США, что значительно уступает расходам развитых стран и делает невозможным полноценное участие России в патентовании получаемых результатов. Расходы в Беларуси на развитие нанотехнологий в настоящее время намного меньше. Тем самым значительно ограничиваются возможности России и Беларуси в предстоящей масштабной коммерциализации результатов научных исследований.

Об интересе зарубежных стран к развитию нанотехнологий свидетельствуют следующие факты. В Японии действующая с 1999 г. Национальная программа работ по нанотехнологии имеет высший государственный приоритет. США до 2000 г. отставали от Японии по объему финансирования работ в этой области, что в свое время стало предметом государственного обсуждения. В результате объем финансирования только фундаментальных исследований каждый год стал удваиваться, и по решению правительства работы по нанотехнологии получили высший приоритет. В США разработана программа «Национальная нанотехническая инициатива», организован специальный комитет при президенте, координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и военных ведомствах. В 2004 г. сенат США одобрил законопроект, предусматривающий в течение последующих четырех лет ассигнования на исследования и разработки в сфере нанотехнологий в размере 3,7 млрд долларов. Страны ЕС пошли по пути развития научно-технологического потенциала путем интеграции усилий всех стран-участников ЕС и привлечения третьих стран. Особое внимание при этом уделяется сотрудничеству с учеными из бывшего СССР, особенно из России. В пределах 6-й Рамочной программы ЕС (РП-6) на нанотехнологическое направление на 2003–2006 гг. ассигновано 1,3 млрд евро. В последние годы в лидеры нанотехнологической сферы стремительно выходит Китай. В пятилетнем плане на 2001–2005 гг. правительство КНР выделило на становление нанонауки 300 млн долларов. В настоящий момент по ряду разработок в этой сфере Китай приблизился к мировому уровню или достиг его.

В России до настоящего времени нанотехнологии как самостоятельное научное направление не рассматривались, хотя перечень критических технологий (утвержден Президентом России 30 марта 2002 г.) предусматривает использование наноразмерных объектов и процессов в некоторых критических технологиях. Для укрепления позиций России в стратегически важной сфере нанотехнологий требуется осуществление комплекса организационно-технических, финансовых и других мер. Учитывая сложившуюся ситуацию, участники заседания Секции по научно-технологической и инновационной безопасности Научного совета при Совете безопасности Российской Федерации 30 сентября 2003 г. приняли решение об осуществлении ряда мер по активизации в течение 2004–2005 гг. работ по подготовке Концепции развития работ в области наноматериалов, нанотехнологии и наносистем на период до конца текущего десятилетия. В России в 2003 и 2004 гг. Министерством образования и науки были приняты решения о создании в вузах новых специальностей по нанотехнологиям.

В Беларуси с начала нового века активно ведутся работы в области нанотехнологий в рамках отраслевых научно-технических программ, программ фундаментальных исследований НАН Беларуси и грантов БРФФИ. Отметим некоторые работы, начавшиеся в 2000–2001 гг. при поддержке НАН Беларуси, отраслевых министерств и БРФФИ и обещающие интересные научные и технические решения и результаты:

• БГУИР — «Исследовать механизмы самоорганизации в анодируемых тонкопленочных композициях и разработать физико-технологические основы формирования наноразмерных электронных элементов с туннельным переносом носителей заряда на их основе»; «Разработка моделей и исследование физики приборов наноэлектроники на эффектах одноэлектронного, резонансного туннелирования и квантовой интерференции;
• БНТУ — «Исследование оптических свойств стекол, содержащих диспергированные наночастицы полупроводниковых соединений и ионы редкоземельных элементов»;
• БГУ — «Разработка физико-химических принципов получения нанокомпозитов с ионно-электронным типом электропроводности»;
• Гомельский государственный технологический университет — «Разработка и исследование функциональных элементов лазерных систем на основе золь-гель-матриц, содержащих наноразмерные полупроводниковые частицы»;
• Гродненский государственный университет — «Исследование механизма спонтанной поляризации полимеров, наполненных диэлектрическими наночастицами»;
• ГНУ ИМАФ НАНБ — «Образование наночастиц при лазерной абляции твердых тел в жидкостях».

С 2003 по 2005 гг. выполнялась Государственная программа ориентированных фундаментальных исследований (ГПОФИ) «Наноматериалы и нанотехнологии». Государственным заказчиком программы выступает НАН Беларуси, головным исполнителем — Государственное научное учреждение «Институт тепло— и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси». Научным руководителем ГПОФИ является академик НАНБ П.А. Витязь. Финансирование заданий программы осуществлялось из средств государственного бюджета Республики Беларусь, в рамках соответствующих ведомств, собственных средств участников программы и потребителей разрабатываемой продукции. Срок выполнения проектов — 2–3 года. К участию в программе были допущены проекты, выполняемые учеными и специалистами Беларуси и имеющие большое научное и практическое значение.

При реализации программы предполагалось создание и широкое внедрение в промышленность наукоемких технологий, новых материалов, объединение в рамках программы наиболее квалифицированных ученых, инженерных и технических кадров НАН Беларуси, Министерства образования, Министерства промышленности и других ведомств и организаций.

Основной целью программы являлось накопление знаний и использование научно-технического потенциала Республики Беларусь для создания новых углеродных, сверхтвердых, тугоплавких, магнитных, керамических, композиционных наноматериалов и изделий на их основе, а также наноструктур и микросистем, которые по своим функциональным характеристикам отвечают мировому уровню или превышают его, применение их в ряде отраслей народного хозяйства для повышения конкурентоспособности, расширения экспорта и решения вопроса по импортозамещению.

Структура программы включала 5 разделов:

1. Углеродные нанотрубки и фуллерены.
2. Сверхтвердые и тугоплавкие наноматериалы.
3. Магнитные наноматериалы.
4. Наноэлектроника и микросистемы.
5. Композиционные наноматериалы и сертификация продукции.

Среди заданий программы можно отметить следующие:

• ГНУ ИТМО НАНБ — «Исследование механизмов образования углеродных наноматериалов за ударными и детонационными волнами»; «Исследование механизмов формирования углеродных наноструктур методами физической кинетики, молекулярной динамики и квантовой химии»; «Исследование эффектов автоэлектронной эмиссии углеродных наноматериалов с перспективой создания полевых эмиттеров нового поколения»;
• ГНУ ИФ НАНБ — «Разработка и исследование новых наноструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками на основе диэлектриков, полупроводников и металлов для использования в микрооптоэлектронных устройствах обработки, передачи и отображения информации».

В 2004 г. в Минске была проведена конференция по наноматериалам и нанотехнологиям, на которой были представлены результаты последних исследований в Республике Беларусь. Обзор представленных докладов показал, что исследования по нанотехнологиям в Беларуси соответствуют мировому уровню.

С 2006 г. начала выполняться Комплексная программа прикладных научных исследований «Наноматериалы и нанотехнологии», которая должна существенно продвинуть вперед исследования по нанотехнологиям к проведению НИОКР и созданию оборудования для нанотехнологий. Таким образом, в Беларуси будут созданы предпосылки для разработки основ создания новых наноматериалов и нанотехнологий с целью участия в международном разделении труда в этой перспективной отрасли.

Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями — атомами и молекулами, — по прогнозам специалистов, уже в ближайшем будущем откроют перед цивилизацией беспрецедентные перспективы и станут ключом к будущему жизнеобеспечению человечества во всех сферах его деятельности. Новые технологии могут в корне изменить медицину, энергетику, биотехнологии, электронику и другие отрасли.

В медицине «золотые наночастицы» — маленькие частицы кремния, покрытые золотом, или золотые частицы, введенные в раковую опухоль, — при воздействии на них лазерного или микроволнового излучения могут находить и уничтожать раковые клетки. Были проведены успешные тесты на материале рака груди человека. Оболочки этих частиц абсорбируют энергию излучения и затем преобразовывают ее в тепловую энергию. Эти оболочки имеют маркеры раковых клеток, чтобы наночастица присоединилась только к больным клеткам. Нагревая затем раковые клетки до 50–55° С можно разрушить их мембрану, вызывая гибель клетки. Главным преимуществом новой технологии станет лечение раковых опухолей с помощью лазерного излучения, без хирургического вмешательства. Новые наночастицы безвредны для здоровых тканей человека. Специалисты уверены, что благодаря этому можно будет лечить даже очень маленькие метастазы, которые на сегодняшний день нельзя определить медицинскими методами.

Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизации, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает приобрести всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств. Сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах, электронно-информационный бизнес уступит лидирующие позиции нанотехнологическому бизнесу. Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях.

Необходимо уделять значительное внимание индустрии наносистем как приоритетному направлению развития науки и техники, определяющему повышение роли высоких технологий в экономике государства, способствующему сохранению и развитию человеческого капитала — носителя генетического, культурного и технологического наследий.

Литература:

1. Лучинин В.В. Введение в индустрию наносистем // «Нано— и микросистемная техника». — 2005. — № 5. — С. 2–10.
2. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии //«Нано— и микросистемная техника». — 2005. — № 3. — С. 2–9.

Ссылки по теме:

• Оглавление № 1(4) 2006 журнала «Новости науки и технологий»
  
  
• Архив журнала «Новости науки и технологий»
  
  
• Другие издания  БелИСА