Страница:
В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.
Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК– и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.
Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук – Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем – академик РАН Ж. И. Алферов.
В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).
Главная цель НОР – развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.
В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией NT-MDT (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физикотехнического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Co. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 4).
24 апреля 2007 года Правительством Российской Федерации утверждена «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года». Ее цель – создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети (ННС) для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.
В настоящее время также реализуется Федеральная адресная инвестиционная программа, программы РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и ряд федеральных целевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации, предусматривающих развитие различных специализированных направлений наноиндустрии.
Рис. 4. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием АСМ (2,0x30 нм)
Основные направления работ в области нанотехнологий – это федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.
Федеральное государственное учреждение Российский научный центр (РНЦ) «Курчатовский институт» назначен головной организацией по нескольким основным направлениям: «Нанобиотехнологии», «Наноэнергетика» и «Нанотехнологии ТЭК». Он также является профильной организацией по направлениям «Наноэлектроника», «Наноинженерия», «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», «Функциональные наноматериалы для энергетики», «Функциональные наноматериалы для космической техники», «Конструкционные наноматериалы», «Композитные наноматериалы», «Нанотехнологии для систем безопасности».
В настоящее время в мире в общей сложности выдано более 10 000 патентов на изобретения в области нанотехнологий. Более 2030 патентов зарегистрировано в России, но из них отечественными патентообладателями являются не более 30 человек.
Конечно, следует отметить, что огромное количество отечественных патентов и заявок на изобретения просто проходят по другим классам и поэтому не отнесены к нанотехнологиям. Не случайно Европейское патентное ведомство (European Patent Office, EPO) выступило с инициативой идентификации патентов по нанотехнологиям и присвоению им специального кода.
Можно сослаться на исследования японских ученых[5], которые указывают, что «…отмечается активизация усилий стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай)» по темпам роста числа патентных заявок в сфере нанотехнологий.
В России накоплена обширная научная (теоретическая) база по нанотехнологиям. В мировом списке наиболее цитируемых работ в области нанотехнологий находятся труды более 50 российских ученых из 23 организаций. Из них чаще всего упоминаются именно научные коллективы нобелевского лауреата академика Ж. И. Алферова (ФТИ им. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р. З. Валиева (Уфимский авиационный институт). По данным Lux Research, в 2005 году на Россию приходилось около 5 % всего объема публикаций по нанопроблематике, и наши авторы занимали девятую позицию, вслед за США, Японией, Китаем, Германией, Южной Кореей, Францией, Великобританией и Италией.
Однако отечественные ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов не могут развивать свои исследования и внедрять их в производство.
Не мудрено, что многие из них для продолжения исследований и внедрения научных разработок уезжают в страны, где материальные возможности для их реализации значительно выше.
Аналогичная ситуация складывается и с сотрудниками Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), где на каждом шагу слышна русская речь.
Для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов по созданию перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех», с 20 августа 2008 года – «РОСНАНО»). В ее уставной капитал государством направлены огромные для российской науки средства – 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах.
Корпорация является некоммерческой организацией и действует в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, а также их внедрения в производство и сферу услуг.
В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вицепремьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом “нанотехнологии” – это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологии. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить.».
Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство не будет выделять деньги. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.
Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов.
«РОСНАНО» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Приоритетные направления инвестирования выбираются на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.
Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «РОСНАНО», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования. Они разработаны одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским.
На конец сентября 2009 года, по заявлению главы ГК «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, на конференции, посвященной итогам двухлетней работы корпорации, на рассмотрении в «РОСНАНО» находится более 1200 проектных заявок с общим бюджетом 1452,7 млрд рублей, в том числе с долей корпорации 928,5 млрд рублей. Всего одобрено 36 проектов (из них – 32 производственных), и продолжается процесс по экспертному отбору пяти заявок ежемесячно. Общий объем инвестиций по этим проектам составил почти 94 млрд рублей, из них более половины средств (52,4 млрд рублей) уже внесено корпорацией. На рассмотрение поступили также восемь проектов от зарубежных заявителей.
В 2009 году ГК «РОСНАНО» было запланировано инвестировать в проекты в сфере нанотехнологий 30,3 млрд руб. Всего в 2009 году «РОСНАНО» планировала отобрать 50 проектов, прошедших квалифицированную многоуровневую экспертизу. Большая часть из них будет профинансирована в 2010 году.
Только от реализации данных проектов к 2015 году будет получено 155 млрд рублей выручки, а объем всей отечественной наноиндустрии, по планам главы «РОСНАНО», достигнет 900 млрд рублей.
Основными направлениями инвестиционной деятельности «РОСНАНО» являются следующие отрасли:
• солнечная энергетика и энергоснабжение;
• наноструктурированные материалы;
• медицина и биотехнологии;
• машиностроение и металлообработка;
• опто– и наноэлектроника;
• развитие нанотехнологической инфраструктуры.
«РОСНАНО» вкладывает значительные средства – около 3.3 млрд рублей – в четыре проекта по созданию композитных материалов (в том числе различные сверхвысокомолекулярные волокна) для аэрокосмической техники. В 2015 году объем реализации этой продукции достигнет 21,7 млрд рублей.
В оптическую и наноэлектронику вкладывается около 3.4 млрд рублей (из них средства корпорации – 1,8 млрд рублей). Выручка в этой области через шесть лет должна составить около 7,4 млрд рублей.
Особое место уделяется солнечной энергетике и медицине. В энергетику «РОСНАНО» инвестировала 3,6 млрд рублей, а в развитие нанотехнологической медицины – 1,3 млрд рублей. К рубежному 2015 году планируется уровень продаж 10,3 и 4,6 млрд рублей соответственно.
В целом, по планам российского правительства и научной общественности, в 2015 году Российская Федерация в общем объеме должна изготовить продукции с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов. Уже сейчас в России работают более 100 предприятий, выпускающих нанотехнологическую продукцию мирового качества (табл. 3).
Таблица 3. Некоторые наиболее известные отечественные производители нанотехнологической продукции
Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация – это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».
Государственная корпорация «РОСНАНО» выделяет следующие основные тематические направления создаваемой национальной наносети:
• конструкционные наноматериалы (углеродные материалы, металлы, сплавы, стекла, керамика, полимеры);
• композиционные наноматериалы;
• функциональные наноматериалы с особыми физическими свойствами и высокочистые вещества;
• функциональные наноматериалы для энергетики;
• функциональные наноматериалы для космической техники;
• нанобиотехнологии (наномедицина, нанофармакология, нанотехнологии для сельского хозяйства);
• нанотехнологии топливно-энергетического комплекса (ТЭК);
• наноэнергетика;
• наноэлектроника;
• наноинженерия;
• нанотехнологии для безопасности;
• метрология и стандартизация в области нанотехнологий.
Как уже отмечалось, поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, «РОСНАНО» развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.
С 3 по 5 декабря 2008 года в Москве был успешно проведен Первый Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech-2008), в рамках которого состоялись пленарные заседания с участием высших должностных лиц страны и организаторов науки, отвечающих за развитие этой научно-технологической сферы, прошли панельные дискуссии и научно-технические секции по различным областям нанотехнологий.
В общей сложности мероприятия форума посетили свыше 9000 человек. С докладами и презентациями в рамках форума выступили более 1400 представителей мировой наноиндустрии, государственной власти, бизнеса и науки из 33 стран. Научные доклады участников конференции опубликованы в трех сборниках, причем отдельным сборником вышли доклады молодых ученых, принявших участие в работе форума. В выставке приняли участие 309 российских и зарубежных компаний, продемонстрировавших свои самые последние достижения.
Второй Международный форум по нанотехнологиям прошел 6–8 октября 2009 года в Москве, также в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр» (рис. 5).
По словам главы государства Д. А. Медведева, рынок российской наноиндустрии к 2015 году должен достигнуть объема в 900 млрд рублей. При этом четверть произведенных в отрасли товаров пойдет на экспорт, что позволит снизить зависимость экономики страны от продажи энергетических ресурсов. В ближайшие пять лет государство планирует вложить в развитие нанотехнологий 318 млрд рублей.
В рамках открытия Rusnanotech-2009 прошло награждение первой Международной премией в области нанотехнологий (Rusnanoprize-2009) российского физика-теоретика академика РАН Леонида Вениаминовича Келдыша и американского профессора Альфреда Чо за разработку «Полупроводниковые сверхрешетки и технология молекулярно-лучевой эпитаксии».
Рис. 5. ««Нанотехнологическая деревня» корпорации ««РОСНАНО» на Втором Международном форуме и выставке по нанотехнологиям Rusnanotech 09
В 1962 году академик Леонид Келдыш опубликовал первые теоретические работы, в которых предсказал уникальные свойства периодических (слоистых) полупроводниковых наноструктур – гетероструктур. Эти работы послужили отправной точкой для разработки технологии, позволяющей выращивать наноструктуры с атомной точностью, и последующего ее применения в электронике и оптоэлектронике.
В конце 60 – начале 70-х годов прошлого века ведущий сотрудник Bell Laboratories, профессор Альфред Чо разработал основы технологии, получившей название «молекулярно-лучевая эпитаксия», за что и получил столь высокую награду. Уже в 1978 году французская компания Riber S.A. выпустила первые промышленные установки, работающие по данному принципу.
В настоящее время наногетероструктуры, полученные методами молекулярно-лучевой эпитаксии, практически незаменимы при производстве оборудования сотовой телефонии и развития Интернета, полупроводниковых источников света (светодиодов, лазеров), фотоприемных устройств различного назначения, фотовольтаики, разработке сенсоров для интеллектуальных систем управления и развития робототехники.
На форуме были проведены научно-практические конференции, комплекс панельных дискуссий, а также докладов деловой части и научно-технологических секций, презентаций компаний, приборов и оборудования. Важнейшей частью форума снова стала специализированная выставка, на которой были представлены современные образцы отечественной и зарубежной нанотехнологической продукции, новейшие разработки в области нанотехнологий, оборудование для наноиндустрии.
Для решения задач в области развития нанотехнологий (нанонауки, наноиндустрии) необходим комплекс мер по подготовке, привлечению и закреплению кадров, прежде всего молодых специалистов, работающих в области нанотехнологий и наноматериалов, а также дальнейшее повышение их квалификации.
По расчетам ГК «РОСНАНО», для выполнения только проектов, инвестируемых госкорпорацией, необходимо около 150 000 специалистов. При этом 100 000 из них должны иметь высшее образование. Во многих учебных заведениях нашей страны начата подготовка кадров в области нанотехнологии.
В целях популяризации научных и прикладных исследований в области нанотехнологий особое место уделяется широкой пропагандистской кампании в печатных и электронных средствах массовой информации. С этой целью в России выпускается около десятка специализированных печатных журналов: «Российские нанотехнологии», «Нанотехника», «Нанотехнологии и наноматериалы», «Наноиндустрия», «Нано– и микро-системная техника», «Нанотехнология», «Наноструктурное материаловедение», «Нанотехнологии. Экология. Производство», «Форсайт» и др.
Очень активную позицию занимают в русскоязычных ресурсах интернет-издания Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» (http://www.portalnano.ru), «Нанометр» (http://www.nanometr.ru), «Нано Дайджест» (http://nanodigest.ru), «Российский электронный наножурнал» (http://www.nanojornal.ru), «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России» (http://www.nanonewsnet.ru), «Официальный сайт потребителей нанотоваров» (http://www.nanowere.ru) и др.
Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.
Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.
Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».
Природные нанообъекты и наноэффекты
В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.
После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.
В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».
С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.
Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.
На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин – нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.
Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.
Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.
Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов – всего от 10 до 200 нм (табл. 4).
Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).
Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов
Вирусы – это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) – гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.
Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)
До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.
Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов – их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.
Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК– и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.
Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук – Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем – академик РАН Ж. И. Алферов.
В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).
Главная цель НОР – развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.
В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией NT-MDT (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физикотехнического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Co. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 4).
24 апреля 2007 года Правительством Российской Федерации утверждена «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года». Ее цель – создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети (ННС) для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.
В настоящее время также реализуется Федеральная адресная инвестиционная программа, программы РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и ряд федеральных целевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации, предусматривающих развитие различных специализированных направлений наноиндустрии.
Рис. 4. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием АСМ (2,0x30 нм)
Основные направления работ в области нанотехнологий – это федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.
Федеральное государственное учреждение Российский научный центр (РНЦ) «Курчатовский институт» назначен головной организацией по нескольким основным направлениям: «Нанобиотехнологии», «Наноэнергетика» и «Нанотехнологии ТЭК». Он также является профильной организацией по направлениям «Наноэлектроника», «Наноинженерия», «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», «Функциональные наноматериалы для энергетики», «Функциональные наноматериалы для космической техники», «Конструкционные наноматериалы», «Композитные наноматериалы», «Нанотехнологии для систем безопасности».
В настоящее время в мире в общей сложности выдано более 10 000 патентов на изобретения в области нанотехнологий. Более 2030 патентов зарегистрировано в России, но из них отечественными патентообладателями являются не более 30 человек.
Конечно, следует отметить, что огромное количество отечественных патентов и заявок на изобретения просто проходят по другим классам и поэтому не отнесены к нанотехнологиям. Не случайно Европейское патентное ведомство (European Patent Office, EPO) выступило с инициативой идентификации патентов по нанотехнологиям и присвоению им специального кода.
Можно сослаться на исследования японских ученых[5], которые указывают, что «…отмечается активизация усилий стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай)» по темпам роста числа патентных заявок в сфере нанотехнологий.
В России накоплена обширная научная (теоретическая) база по нанотехнологиям. В мировом списке наиболее цитируемых работ в области нанотехнологий находятся труды более 50 российских ученых из 23 организаций. Из них чаще всего упоминаются именно научные коллективы нобелевского лауреата академика Ж. И. Алферова (ФТИ им. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р. З. Валиева (Уфимский авиационный институт). По данным Lux Research, в 2005 году на Россию приходилось около 5 % всего объема публикаций по нанопроблематике, и наши авторы занимали девятую позицию, вслед за США, Японией, Китаем, Германией, Южной Кореей, Францией, Великобританией и Италией.
Однако отечественные ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов не могут развивать свои исследования и внедрять их в производство.
Не мудрено, что многие из них для продолжения исследований и внедрения научных разработок уезжают в страны, где материальные возможности для их реализации значительно выше.
Аналогичная ситуация складывается и с сотрудниками Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), где на каждом шагу слышна русская речь.
Для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов по созданию перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех», с 20 августа 2008 года – «РОСНАНО»). В ее уставной капитал государством направлены огромные для российской науки средства – 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах.
Корпорация является некоммерческой организацией и действует в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, а также их внедрения в производство и сферу услуг.
В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вицепремьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом “нанотехнологии” – это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологии. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить.».
Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство не будет выделять деньги. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.
Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов.
«РОСНАНО» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Приоритетные направления инвестирования выбираются на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.
Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «РОСНАНО», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования. Они разработаны одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским.
На конец сентября 2009 года, по заявлению главы ГК «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, на конференции, посвященной итогам двухлетней работы корпорации, на рассмотрении в «РОСНАНО» находится более 1200 проектных заявок с общим бюджетом 1452,7 млрд рублей, в том числе с долей корпорации 928,5 млрд рублей. Всего одобрено 36 проектов (из них – 32 производственных), и продолжается процесс по экспертному отбору пяти заявок ежемесячно. Общий объем инвестиций по этим проектам составил почти 94 млрд рублей, из них более половины средств (52,4 млрд рублей) уже внесено корпорацией. На рассмотрение поступили также восемь проектов от зарубежных заявителей.
В 2009 году ГК «РОСНАНО» было запланировано инвестировать в проекты в сфере нанотехнологий 30,3 млрд руб. Всего в 2009 году «РОСНАНО» планировала отобрать 50 проектов, прошедших квалифицированную многоуровневую экспертизу. Большая часть из них будет профинансирована в 2010 году.
Только от реализации данных проектов к 2015 году будет получено 155 млрд рублей выручки, а объем всей отечественной наноиндустрии, по планам главы «РОСНАНО», достигнет 900 млрд рублей.
Основными направлениями инвестиционной деятельности «РОСНАНО» являются следующие отрасли:
• солнечная энергетика и энергоснабжение;
• наноструктурированные материалы;
• медицина и биотехнологии;
• машиностроение и металлообработка;
• опто– и наноэлектроника;
• развитие нанотехнологической инфраструктуры.
«РОСНАНО» вкладывает значительные средства – около 3.3 млрд рублей – в четыре проекта по созданию композитных материалов (в том числе различные сверхвысокомолекулярные волокна) для аэрокосмической техники. В 2015 году объем реализации этой продукции достигнет 21,7 млрд рублей.
В оптическую и наноэлектронику вкладывается около 3.4 млрд рублей (из них средства корпорации – 1,8 млрд рублей). Выручка в этой области через шесть лет должна составить около 7,4 млрд рублей.
Особое место уделяется солнечной энергетике и медицине. В энергетику «РОСНАНО» инвестировала 3,6 млрд рублей, а в развитие нанотехнологической медицины – 1,3 млрд рублей. К рубежному 2015 году планируется уровень продаж 10,3 и 4,6 млрд рублей соответственно.
В целом, по планам российского правительства и научной общественности, в 2015 году Российская Федерация в общем объеме должна изготовить продукции с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов. Уже сейчас в России работают более 100 предприятий, выпускающих нанотехнологическую продукцию мирового качества (табл. 3).
Таблица 3. Некоторые наиболее известные отечественные производители нанотехнологической продукции
Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация – это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».
Государственная корпорация «РОСНАНО» выделяет следующие основные тематические направления создаваемой национальной наносети:
• конструкционные наноматериалы (углеродные материалы, металлы, сплавы, стекла, керамика, полимеры);
• композиционные наноматериалы;
• функциональные наноматериалы с особыми физическими свойствами и высокочистые вещества;
• функциональные наноматериалы для энергетики;
• функциональные наноматериалы для космической техники;
• нанобиотехнологии (наномедицина, нанофармакология, нанотехнологии для сельского хозяйства);
• нанотехнологии топливно-энергетического комплекса (ТЭК);
• наноэнергетика;
• наноэлектроника;
• наноинженерия;
• нанотехнологии для безопасности;
• метрология и стандартизация в области нанотехнологий.
Как уже отмечалось, поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, «РОСНАНО» развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.
С 3 по 5 декабря 2008 года в Москве был успешно проведен Первый Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech-2008), в рамках которого состоялись пленарные заседания с участием высших должностных лиц страны и организаторов науки, отвечающих за развитие этой научно-технологической сферы, прошли панельные дискуссии и научно-технические секции по различным областям нанотехнологий.
В общей сложности мероприятия форума посетили свыше 9000 человек. С докладами и презентациями в рамках форума выступили более 1400 представителей мировой наноиндустрии, государственной власти, бизнеса и науки из 33 стран. Научные доклады участников конференции опубликованы в трех сборниках, причем отдельным сборником вышли доклады молодых ученых, принявших участие в работе форума. В выставке приняли участие 309 российских и зарубежных компаний, продемонстрировавших свои самые последние достижения.
Второй Международный форум по нанотехнологиям прошел 6–8 октября 2009 года в Москве, также в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр» (рис. 5).
По словам главы государства Д. А. Медведева, рынок российской наноиндустрии к 2015 году должен достигнуть объема в 900 млрд рублей. При этом четверть произведенных в отрасли товаров пойдет на экспорт, что позволит снизить зависимость экономики страны от продажи энергетических ресурсов. В ближайшие пять лет государство планирует вложить в развитие нанотехнологий 318 млрд рублей.
В рамках открытия Rusnanotech-2009 прошло награждение первой Международной премией в области нанотехнологий (Rusnanoprize-2009) российского физика-теоретика академика РАН Леонида Вениаминовича Келдыша и американского профессора Альфреда Чо за разработку «Полупроводниковые сверхрешетки и технология молекулярно-лучевой эпитаксии».
Рис. 5. ««Нанотехнологическая деревня» корпорации ««РОСНАНО» на Втором Международном форуме и выставке по нанотехнологиям Rusnanotech 09
В 1962 году академик Леонид Келдыш опубликовал первые теоретические работы, в которых предсказал уникальные свойства периодических (слоистых) полупроводниковых наноструктур – гетероструктур. Эти работы послужили отправной точкой для разработки технологии, позволяющей выращивать наноструктуры с атомной точностью, и последующего ее применения в электронике и оптоэлектронике.
В конце 60 – начале 70-х годов прошлого века ведущий сотрудник Bell Laboratories, профессор Альфред Чо разработал основы технологии, получившей название «молекулярно-лучевая эпитаксия», за что и получил столь высокую награду. Уже в 1978 году французская компания Riber S.A. выпустила первые промышленные установки, работающие по данному принципу.
В настоящее время наногетероструктуры, полученные методами молекулярно-лучевой эпитаксии, практически незаменимы при производстве оборудования сотовой телефонии и развития Интернета, полупроводниковых источников света (светодиодов, лазеров), фотоприемных устройств различного назначения, фотовольтаики, разработке сенсоров для интеллектуальных систем управления и развития робототехники.
На форуме были проведены научно-практические конференции, комплекс панельных дискуссий, а также докладов деловой части и научно-технологических секций, презентаций компаний, приборов и оборудования. Важнейшей частью форума снова стала специализированная выставка, на которой были представлены современные образцы отечественной и зарубежной нанотехнологической продукции, новейшие разработки в области нанотехнологий, оборудование для наноиндустрии.
Для решения задач в области развития нанотехнологий (нанонауки, наноиндустрии) необходим комплекс мер по подготовке, привлечению и закреплению кадров, прежде всего молодых специалистов, работающих в области нанотехнологий и наноматериалов, а также дальнейшее повышение их квалификации.
По расчетам ГК «РОСНАНО», для выполнения только проектов, инвестируемых госкорпорацией, необходимо около 150 000 специалистов. При этом 100 000 из них должны иметь высшее образование. Во многих учебных заведениях нашей страны начата подготовка кадров в области нанотехнологии.
В целях популяризации научных и прикладных исследований в области нанотехнологий особое место уделяется широкой пропагандистской кампании в печатных и электронных средствах массовой информации. С этой целью в России выпускается около десятка специализированных печатных журналов: «Российские нанотехнологии», «Нанотехника», «Нанотехнологии и наноматериалы», «Наноиндустрия», «Нано– и микро-системная техника», «Нанотехнология», «Наноструктурное материаловедение», «Нанотехнологии. Экология. Производство», «Форсайт» и др.
Очень активную позицию занимают в русскоязычных ресурсах интернет-издания Федеральный интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы» (http://www.portalnano.ru), «Нанометр» (http://www.nanometr.ru), «Нано Дайджест» (http://nanodigest.ru), «Российский электронный наножурнал» (http://www.nanojornal.ru), «Сайт о нанотехнологиях № 1 в России» (http://www.nanonewsnet.ru), «Официальный сайт потребителей нанотоваров» (http://www.nanowere.ru) и др.
Несмотря на достаточно насыщенный и плодотворный путь, пройденный нанонаукой, все же стоит отметить, что мы все еще находимся в начале пути ее развития.
Как указывает академик РАН Ю. А. Третьяков, в своем отношении ко всему новому, в том числе к нанотехнологиям, человечество переживает две основные стадии. Необоснованные ожидания через «положительную», а затем «отрицательную» гиперболизацию представляющихся возможностей. В Японии, например, уже выдвигаются «анти-» или «постнанотехнологические» инициативы.
Важно, чтобы своеобразный «нанотехнологический бум» не прошел стороной, не сумев породить в душах и помыслах людей, особенно в сердцах ученых и политиков, ни малейшего желания и энтузиазма для успешного развития нанонауки и наноиндустрии. Однако важно также, чтобы он не захлестнул их с головой, не бросил в пучину спекуляций и ненужного ажиотажа, получившего полууголовное определение «нанопурга».
Природные нанообъекты и наноэффекты
Как великий художник, природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.
Генрих Гейне, немецкий поэт, публицист, критик
В 1665 году сын английского священника Роберт Гук (Robert Hooke) в своей работе Micrographia первым опубликовал рисунки обнаруженных им микроорганизмов, за которыми наблюдал через простейший микроскоп собственного изготовления.
После того как голландский торговец и изобретатель Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek) создал свой первый микроскоп с увеличением уже в более чем 200 раз, появилась возможность заглянуть на уровень микрообъектов вооруженным глазом. Оказалось, что окружающий нас мир наполнен разнообразными микроскопическими биологическими созданиями.
В 1683 году Левенгук написал письмо в Королевское научное общество в Лондоне, где описал бактерии «как невероятно большое собрание крошечных организмов». Именно эти биологические наблюдения Левенгука принято считать одними из первых научных исследований в мире. Как заметил еще в I веке до н. э. древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, «изучение и наблюдение природы породило науку».
С развитием науки оказалось, что о нанометрической сущности многих на первый взгляд простых объектов, материалов и эффектов мы порой даже и не подозреваем.
Как уже отмечалось, сам термин «нано» изначально появился именно применительно к биологическим объектам.
На семинаре в Германии в 1909 году в Берлинском экологическом обществе известный немецкий биолог Ганс Ломанн (Hans Lohmann) предложил новый термин – нанопланктон. Этим термином он назвал разнородные карликовые (размером менее 5 мкм) микроорганизмы, которые отделяются от воды только с помощью центрифуги, не способны сопротивляться течениям и свободно дрейфуют в толще воды.
Наполнением планктона, который наблюдал ученый только через оптический микроскоп, служат диатомеи, кокколитофориды, бактерии, некоторые простейшие, а также водные растения группы кремниевых жгутиконосцев.
Более того, в настоящее время различают еще и пикопланктон, состоящий из бактерий и наиболее мелких одноклеточных водорослей размером 0,2–2 мкм, а также фемтопланктон из океанических вирусов величиной менее 0,2 мкм. Как видим, их реальные размеры не имеют ничего общего с размерностью системы СИ, но широко используются океанологами всего мира.
Если реальные размеры бактерий исчисляются микрометрами, то белки занимают размерную нишу в диапазоне 4-50 нм. Аминокислоты имеют величину около 1 нм, а размер большинства вирусов – всего от 10 до 200 нм (табл. 4).
Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли 1–4 млн человек, представляет собой сферу диаметром 80-120 нм (рис. 6).
Таблица 4. Размеры некоторых биологических нанообъектов
Вирусы – это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) – гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.
Рис. 6. Вирус гриппа H2N2 (диаметр около 100 нм)
До конца XIX века в медицине «вирусом» называли любой инфекционный объект, вызывающий заболевание. Современное определение термин получил только после 1892 года, когда русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский обнаружил «фильтруемость» возбудителя мозаичной болезни табака (табачной мозаики). Он установил, что какие-то вещества клеточного сока из пораженных этой болезнью растений даже после фильтрации от бактерий вызывают то же заболевание у здоровых растений. Так были открыты вирусы.
Отличительная особенность этих и других биологических и биогенных объектов – их способность к агрегации (объединению элементов в одну систему) и самоорганизации. Данные свойства активно используются в нанобиотехнологиях при создании искусственных наноконструкций, обладающих некоторыми свойствами реальных биологических структур.