Общепризнанно, что благодаря развитию
нанотехнологий мировая экономика находится на пороге новой технологической
революции, которая неминуемо затронет в ближайшие десятилетия практически все
области деятельности человека – от медицины и машиностроения до энергетики и
космических исследований. Накопление знаний о наномире, опыта манипулирования
нанообъектами и конструирования наноструктур ведут к формированию фактически
нового типа технологии – универсальной технологии «полного контроля над
веществом».
Овладение такой технологией позволит
целенаправленно вмешиваться в процессы, идущие в живых организмах на клеточном
и субклеточном уровнях (предупреждение и лечение болезней, управление воспроизводством
и наследственностью, придание живым организмам новых свойств и возможностей,
производство качественной и дешевой пищевой продукции), а также приведет к
настоящей революции во всех сферах материального производства и потребления
(«поатомная» сборка материалов с нужными характеристиками, дальнейшая
миниатюризация сложнейших приборов и систем – вплоть до невидимых невооруженным
глазом размеров, новые виды компьютеров и систем связи, сложнейшие сетевые
структуры, нанороботы). По многим прогнозам, именно развитие нанотехнологии
определит облик XXI века и направления дальнейшего развития цивилизации на
Земле.
В целом в мире в 2007 году продажи в
секторе нанотехнологий в составили 50 миллиардов долларов США.
Прогнозируемый объем продаж в этом году, учитывая продвижение технологий,
составит около 150 миллиардов, а к 2010 году по оценкам международных
экспертов нанотехнологии будут представлять 800-миллиардную индустрию. Также
эксперты ожидают, что, к 2015 году рынок нанотехнологий перешагнет порог в
два триллиона долларов[110].
В последние годы наблюдается устойчивая
тенденция роста объема НИОКР в области нанотехнологий, а также все более
широкое применение нанотехнологий и нанопродукции в различных областях науки и
техники. Расходы на НИОКР по нанотехнологии в мире возрастают ежегодно на
10-15%. В 2005 г. вложения в нанотехнологии составили почти 9 млрд долл., из
них 4,36 млрд долл. – инвестиции частных компаний.
До недавнего времени практически весь
мировой объем инвестиций в НИОКР в области нанотехнологии (90%) был
сконцентрирован в 14 странах: США, Японии, Великобритании, Австралии, Германии,
Израиле, Индии, Китае, Канаде, Южной Корее, Франции, Финляндии, Сингапуре,
Тайване.
Так, в частности, о наличии разработанных
долгосрочных программ НИОКР в области было нано объявлено США (2000 г.) Японией
(апрель 2001), Кореей (июль 2001), ЕС (март 2002), Германией (май 2002), Китаем
(2002), и Тайванем (сентябрь 2002).
С момента принятия Россией в 2007 г.
нанотехнологической инициативы картина принципиально изменилась: как в области
организации НИР и НИОКР в области нано, в области внедрения их результатов,
поддержки наноиндустрии, так и в области финансирования этих направлений
становления наноиндустрии в России как национальной наносети.
Так, если в среднем США выделяют порядка
1,5 миллиардов долларов государственных средств в год на развитие
нанотехнологичных проектов (соразмерное финансирование: ЕС – 1,2 млрд и Япония
– 1,0 млрд долларов США), то только в рамках ГК «Роснанотех», на четыре
ближайших года только на работы в сфере нанотехнологий и поддержку
наноиндустрии выделены средства в размере четырех миллиардов долларов. Кроме
этого, еще миллиард долларов планируется потратить на оснащение современным
оборудованием научных лабораторий и внедренческих коллективов.
В настоящее время Россия по большинству
позиций в области нанотехнологий имеет близкие стартовые позиции с ведущими
странами мира и уже самым активным образом включилась в процесс освоения новых
технологий. Так, уже сегодня в России производится и реализуется на рынке
продукция нанотехнологий в объеме до 4 миллиардов рублей в год.
При этом, только две страны в мире –
Россия и США – ведут исследования и разработки по всем направлениям
нанотехнологий, так в этих работах в Российской Федерации участвуют более 500
научно-исследовательских институтов и организаций, объединяющих свыше 30 тысяч
исследователей.
По мнению международных экспертов к 2015
году ожидается, что нанотехнологии позволят обеспечить более 2 млн. рабочих
мест, а включая обеспечивающие индустрии – нанотехнологии потенциально обеспечат рабочими местами
более 7 млн. человек. И, конечно, к этому времени на мировом рынке наверняка
появится первое поколение нанструктурированных материалов, полимеров и керамики.
Формирование наноиндустрии – это не только
развитие соответствующих нанотехнологий, но их активное применение. Динамику
применения нанотехнологий в мире характеризует экспертная оценка, проведенная
Национальным центром основ технологий (National Center for Manufacturing
Sciences – NCMS, 2006), Так, если в США
в 2000 году только незначительное число компаний проявляло интерес к
нанотехнологиям (менее 1% от общего числа компаний, то к концу 2005 года 18% из
рассмотренных в работе компаний уже торгуют нанопродуктами. Также вырос и
спектр новых прикладных разработок: от передовых наночастиц и нанопокрытий, до
бытовой электроники и медицинских продуктов. 80% рассмотренных в обзоре
компаний планируют начать выпускать собственную нанопродукцию уже к 2010 году
(через 5 лет), а на более поздние сроки доля таких компаний возрастет до 98%.
Нанотехнологии обещают значительно
повысить эффективность традиционной промышленности и привнести в нее новые
технологические процессы. Десять основных потенциальных направления развития до
2015 года могут выглядеть следующим образом:
При разработке новых материалов и
производственных процессов как минимум в половине случаев ключевые компоненты
новых систем будут построены на основе контролируемого воздействия на
наномасштабном уровне. Будут созданы альтернативные технологии хранения
информации с заменой носителей на основе электрического заряда носителями на
основе спина электронов, фазы, поляризации квантовой и/или дипольной
ориентации. Будут разработаны технологии управляемой самосборки нерегулярных
иерархических структур и устройств, и созданы функциональные наномасштабные
строительные блоки. Легкие композитные наноматериалы, более эффективные и менее
загрязняющие виды топлива, инкорпорированные наночастицами, автоматические
наноэлектронные системы получат широкое распространение в автомобильной,
авиационной и аэрокосмической промышленности. Ожидается интеграция типа
производства «сверху-вниз» с молекулярной самосборкой систем по типу
«снизу-вверх». Разработанные на наноуровне катализаторы смогут осуществлять
«точную» химическую сборку молекулярных ансамблей с минимумом отходов.
Ожидается, что методы измерения в инженерии и биологии достигнут
пространственного разрешения порядка размеров атомов, а временного разрешения,
сопоставимого со скоростью течения химических реакций. Появится возможность
визуализации и построения трехмерных моделей с нанометровым разрешением.
Значительный прогресс будет достигнут в
лечении хронических заболеваний. Ожидается, что к 2015 году будет реализована
возможность надежно обнаруживать наличие раковых опухолей и лечить их уже на
первом году их развития. Это может существенно снизить заболеваемость и
смертность от онкологических заболеваний. Синтез фармацевтических препаратов,
процессы их доставки в половине случаев используют нанотехнологии, как один из
ключевых компонентов. С помощью передовых наномасштабных методов измерения
появилась возможность моделировать работу мозга на уровне межнейронных
взаимодействий.
Конвергенция науки и инженерии в области
наномасштабов создаст уникальный фундамент для интеграции нанотехнологий с
таким областями, как биология, электроника, медицина, образование и рядом
других областей. К этому направлению можно отнести гибридное производство,
нейроморфическую инженерию (нейроморфические системы это реализация в кремнии
систем, архитектура которых базируется на нейробиологии (дисциплина, изучающая
физиологию, строение, развитие мозга и нервной системы)), создание
искусственных органов, увеличение продолжительности жизни людей, улучшение
органов восприятия человека и повышение его способности к обучению. Наука и
инженерия нанобиосистем займет прочное место в системе здравоохранения и в
биотехнологиях. Ожидается, что улучшение методов оценки деятельности мозга и
нервной системы могут привести к созданию когнитивной инженерии.
При разработке новых продуктов, будет
учитываться их безопасность в
эксплуатации и биосовместимость. Развитие нанотехнологий приведет к созданию
правил безопасности, которые снижают нежелательное воздействие наноструктур на
окружающую среду и здоровье людей. Будет осуществляться повсеместный
контроль содержания наночастиц в
воздухе, воде и в почвах. Будут заключены международные соглашения о
номенклатуре, стандартах и безопасности нанотехнологий.
Развитие системы знаний и образования
будет смещаться с микрошкалы в сторону наномасштабов. Новая парадигма системы
образования базируется не на изучении отдельных дисциплин, а на понимании
единства природы как целого. Изменение научной и образовательной парадигмы
приведет к таким же фундаментальным изменениям, какие произошли в науке и
образовании при «переходе науки и техники к микромасштабам» в начале 1950-х
годов, когда гонка космических исследований и цифровая революция стимулировали
развитие микроанализа и научного анализа. Новый «переход науки и техники к
наномасштабам» непременно приведет к смене аналитического фундамента и языка
образования. Началом нового «перехода» можно считать начало третьего
тысячелетия.
Организация нанотехнологического бизнеса
будет реструктурироваться в сторону интеграции с другими технологиями, новому распределению
продукции, и формированию взаимодополняющих видов деятельности. В этот процесс
будут вовлечены как вновь возникающие, так и традиционные технологии.
Значительным шагом в развитии станет создание нанотехнологических
научно-технологических комплексов, которые будут одновременно решать как
исследовательские задачи, так и вопросы производства.
Способности нанотехнологий по контролю и
производству продукции на уровне наномасштабов можно разделить на четыре
поколения, в зависимости от характера производимых нанотехнологических
продуктов Появление каждого нового
поколения продуктов характеризуется созданием первого коммерческого прототипа,
произведенного с помощью использования характерных явлений и производственных процессов:
Первое поколение продуктов – «пассивные
наноструктуры» обычно характеризуются макромасштабными свойствами и функциями.
Стабильны во времени. Примерами являются наноструктурированные покрытия,
дисперсные наночастицы, и вещества на основе сыпучих материалов:
наноструктурированные металлы, полимеры, керамика.
Второе поколение продуктов – это «активные
наноструктуры», обладающие механическими, электрическими, магнитными,
фотонными, биологическими и другими свойствами. Такие структуры обычно бывают
интегрированы в микромасштабные устройства или системы. Примерами могут быть
новые транзисторы, компоненты наноэлектроники, усилители, лекарства с
направленной доставкой, эффекторы, «искусственные мышцы», и адаптивные
структуры.
Третье поколение – «системы из наносистем
и трехмерные наносистемы», использующие различные технологии синтеза и сборки,
такие как биологические самособирающиеся системы; роботы с самообучающимся
поведением, а также эволюционирующие системы. Ключевым моментом для появления
таких систем является организация связей в наномасштабе и создание
иерархических архитектур. Для создания этих систем основное внимание в
исследованиях должно уделяться гетерогенным наноструктурам и инженерии
надмолекулярных систем. Примерами могут служить направленная многостадийная
самосборка, искусственные ткани и сенсорные системы, квантовые взаимодействия
внутри наномасштабных систем, обработка информации на базе фотонов или спинов
электронов, комплексы наномасштабных электромеханических систем (NEMS) и конвергенция
технологий (нано-био-инфо-когно).
Четвертое поколение – появление
«гетерогенных молекулярных наносистем», в которых каждая молекула обладает
специфичной структурой и играет свою собственную роль. В данных системах уже
сами молекулы выступают как отдельные устройства, функции которых определяются
их структурой и архитектурной организацией. Ожидается, что нахождение подходов
к разработке новых атомных и молекулярных ансамблей позволит создавать
макромолекулы «по заказу», собирать наномасштабные машины, управлять
многостадийной самосборкой, использовать квантовый контроль, создавать
биологические наносистемы для здравоохранения и разрабатывать интерфейсы
взаимодействия человека и машины на уровне контроля с помощью нервной системы.
Для осуществления этих задач необходимо проведение исследований в следующих
областях: способы манипуляции атомами, молекулами и надмолекулярными
комплексами, управление взаимодействием света с веществом, исследования
механизмов квантового контроля и их использования для управления
механико-химическими молекулярными процессами, получение биологических
наносистем для медицины и сельского хозяйства, изучение возможностей создания
интерфейсов взаимодействия человека и машины на уровне тканевого или прямого
нервного контроля.
Преобразование энергии – является одним из
приоритетных направлений развития нанотехнологий и исследовательских проектов в
таких областях как фотоэлектрическая энергетика и прямая конверсия тепла в
электроэнергию.
Очистка и опреснение воды – использование
нанотехнологий в этой области может дать многообещающие результаты, хотя до
настоящего времени в этом направлении не предпринималось серьезных усилий.
Нано-информатика – будут разработаны
специальные базы данных и способы их использования по материалам и процессам
мира наномасштабов. Эти базы данных будут иметь множество пересечений с уже
существующими базами данных, такими как био-информационные базы данных по
геному человека и геномам ряда растений.
Технологическое развитие по этим
направлениям – основа формирования новых рынков, как наносырьевых, так и
конечной продукции.
Оглавление.
Долгосрочный прогноз научно-технологического развития России