2 Август 2016

 

Ю.Д. ТРЕТЬЯКОВ, академик РАН, д-р техн. наук, заведующий кафедрой химической технологии, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

 
В настоящее время международное и российское научное сообщество переживает нанотехнологический бум, который формально во многом сродни буму, который это сообщество пережило почти 20 лет назад в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости.

 

18 октября 1986 г. публикация И. Беднорца и К. Мюллера в журнале «Zeitschrift fur physik» дала старт гонке, которая несколько месяцев спустя позволила исследователям Техасского университета под руководством профессора К. Чу создать керамические оксидные сверхпроводники с критической температурой, превышавшей точку кипения жидкого азота.

 

Вскоре были созданы первые образцы сверпроводящих пленок и покрытий, проволок и соленоидов, показавших, что высокотемпературная сверхпроводимость может стать технической реальностью, и сверхпроводимость из научной проблемы превратилась в государственную. В СССР была образована государственная комиссия, которую возглавил тогдашний Председатель Совета Министров Н.И. Рыжков, утверждена Государственная научно-техническая программа по высокотемпературной сверхпроводимости, финансирование которой с учетом инфляции в нынешних ценах составило около 500 млн USD в год. Это позволило достаточно быстро кардинально обновить приборный парк ведущих академических, отраслевых институтов и вузов и привлечь к работе над этой проблемой огромное число исследователей, многие из которых достигли определенного успеха.

 

Известно, что фронт работ в области высокотемпературных сверхпроводников в настоящее время значительно сузился, хотя продолжаются очень значимые по масштабам научно-технические проекты. Естественно, возникает вопрос, не разделит ли нынешнее нанотехнологическое оживление судьбу бума, последовавшего за открытием высокотемпературной сверхпроводимости.

 

Многие известные ученые и бизнесмены довольно скептически относятся к идее переустройства мира благодаря повсеместному внедрению нанотехнологий, но даже если оправдаются далеко не все оптимистические прогнозы, связанные с развитием этой области науки, то и тогда наша страна должна последовать примеру наиболее индустриально развитых стран и активно развивать рациональные направления нанотехнологии.

 

При этом следует учитывать, что квалифицированная активность в создании новых нанотехнологий и наноматериалов требует очень дорогого синтетического и диагностического оборудования, включая чистые комнаты, электронные и атомно-силовые микроскопы, рамановские и оже-спектрометры, источники синхротронного излучения и многое другое.

 

Понятие нанотехнологии впервые появилось в литературе в 1974 г. благодаря Н. Танигучи (Япония).

 

В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, т. е. материалы, функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

 

Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:

  • нанопористые структуры;
  • наночастицы;
  • нанотрубки и нановолокна;
  • нанодисперсии (коллоиды);
  • наноструктурированные поверхности и пленки;
  • нанокристаллы и нанокластеры.

 

Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов.

 

Наиболее важной отличительной особенностью наносистем является проявление в них эффекта размерного квантования. С классической точки зрения, по мере уменьшения размеров частиц в системе должно происходить увеличение удельной поверхности, а свойства объемной фазы должны оставаться неизменными. Значение удельной поверхности частиц резко возрастает по мере приближения их размера к атомарному, что связано со значительным увеличением числа атомов, составляющих поверхность частиц.

 

Важнейшей компонентой нанотехнологий является химический синтез нанопродуктов. Нобелевский лауреат Р. Хоффман, по образованию физик, в ответ на вопрос, что такое нанотехнология, остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название. Теперь у них появился стимул изучать то, что они не желали учить в школе. По сути дела химики занимались нанотехнологиями на протяжении двух с половиной столетий. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант химика-синтетика с мастерством инженера, и именно этот союз позволил создавать самые замысловатые структуры.

 

Отправной точкой развития нанотехнологии обычно считают легендарную лекцию Нобелевского лауреата Р. Фейнмана «Там, внизу еще много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom»), в которой он предлагал манипулировать отдельными атомами для создания очень малых объектов с необычными свойствами. Эта идея была реализована в дальнейшем благодаря созданию сканирующего туннельного микроскопа (Г. Биннинг, Г. Рорер, 1981 г.) и атомно-силового микроскопа (Цюрихское отделение IBM, 1986 г.).

 

Многие фундаментальные исследования, без которых было бы немыслимо развитие современных нанотехнологий, проводились на протяжении десятилетий научными школами академиков В.А. Каргина, П.А. Ребиндера, Б.В. Дерягина и нобелевского лауреата Ж.И. Алферова. Было бы несправедливо замалчивать пионерные работы В.Б. Алесковского по развитию методов химической сборки, т. е. послойного (layer-by-layer) синтеза, заложившие начало успешно работающей Санкт-Петербургской научной школы (С.И. Кольцов, А.А. Малыгин, И.В. Мурин, В.М. Смирнов, В.П. Толстой). Несомненным для своего времени достижением является создание и практическое внедрение в атомную энергетику оригинальных технологий получения ультрадисперсных (нано-) порошков, выполненное группой советских ученых под руководством И.Д. Морохова (И.Д. Морохов, Л.И. Трусов, С.П. Чижик, «Ультрадисперсные металлические среды», Атомиздат, Москва, 1977 г.). Примерно к тому же времени относятся фундаментальные исследования научной школы академика И.В. Тананаева, впервые предложившего дополнить классические диаграммы «состав — структура — свойство» координатой дисперсности («Физикохимия ультрадисперсных систем», под ред. И.В. Тананаева. Наука. Москва, 1987 г.), а также оригинальные исследования академиков И.И. Моисеева и М.Н. Варгафтика по созданию так называемых гигантских кластеров палладия, ядро которых насчитывает около 600 атомов металла.

 

По известным причинам активность российских ученых в области нанотехнологий и наноматериалов, равно как и в других научных направлениях, значительно сократилась в последнее десятилетие прошлого века.

 

В этот период за рубежом, в первую очередь в США и Японии, были сделаны важные открытия, включая создание объемных фотонных кристаллов с запрещенной оптической зоной (Яблонович, 1991 г.), синтез углеродных нанотрубок (Ижима, 1991 г.), а в дальнейшем и нанотрубок BN (Чопра, 1995 г.), MoS2 и WS2 (Тенне, 1995 г.), V2O5 (Ажайян, 1995 г.), TiO2 (Хойер, 1996 г.).

 

Примерно в то же время группа экспертов Национального научного фонда (NSF) США сделала заключение о безусловной приоритетности исследований в области нанотехнологий и наноматериалов, а в 2000 г. в США была принята долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой. В соответствии с этой программой объем бюджетного финансирования нанотехнологических исследований в США уже в 2001 г. составил 420 млн USD, в 2004 г. вырос до 900 млн USD, а в дальнейшем превысил 1 млрд USD в год. В Японии и странах Европейского союза государственная поддержка нанотехнологических исследований немногим уступала США.

 

Вместе с тем значительно возросла активность частного капитала. В 2002 г. число венчурных компаний, занимавшихся производством нанопродуктов, достигло 320 в мире, причем среди них на производстве нанопорошков специализировалось 160 компаний, нанотрубок — 55, нанопористых материалов —22, фуллеренов — 21, квантовых точек — 16, нановолокон — 9, нанокапсул — 8, нанопроволок — 6 и дендримеров — 5 компаний.

 

Производство нанопорошков является довольно масштабным и связано с изготовлением катализаторов дожита выхлопных газов автомобилей (11,5 тыс. т), абразивов (9,4 тыс. т), материалов для магнитной записи (3,1 тыс. т) и солнцезащитных материалов (1,5 тыс. т). Согласно прогнозам рынок нанопорошков, оцениваемый в 1 млрд USD, должен к 2010 г. возрасти до 11 млрд USD, тогда как мировой рынок нанотехнологий в целом к этому времени предположительно должен превысить 1 триллион USD.

 

Акт об исследованиях и развитии нанотехнологий в XXI веке, подписанный президентом Дж. Бушем в 2003 г. предполагает фронтальное решение проблем нанотехнологии как в фундаментальном, так и в прикладном направлениях с выделением свыше тысячи направлений поиска. Созданная в США инфраструктура включает ведущие университеты, национальные лаборатории и производственные структуры, функционирующие в составе венчурных компаний. Число продуктов, произведенных в США с помощью нанотехнологий, уже превысило три тысячи, а более половины патентодержателей составляют американские компании, университеты или частные лица.

 

По числу нанотехнологических публикаций в международных журналах лидируют шесть стран: США, Германия, Франция, Япония, Южная Корея, Китай. В 2004 г. на второе место вышел Китай, увеличивший за десятилетие число нанотехнологических публикаций в 21 раз и лишь на 25% уступивший США. Вместе с тем по числу полученных патентов Китай находится пока лишь на 20-м месте.

 

Вклад российских ученых в мировую нанотехнологическую науку за последние 5—6 лет заметно снизился и составляет сейчас 1,5% против 6% в 2000 г. Еще в большей степени это касается числа международных патентов, полученных россиянами, и особенно лицензионных выплат, которые в пересчете на 1 млн жителей оказались в 100 раз меньше, чем в США. О скромности российского нанотехнологического вклада свидетельствует и наше участие в международных встречах-конференциях и конгрессах по нанотехнологии. Например, в 9-й Международной конференции по нанонауке и технологии (9th Internatianal Conference on Nanoscience and Technology), прошедшей летом 2006 г. в Базеле (Швейцария), участвовало свыше 5 тыс. человек, включая четырех нобелевских лауреатов. Из 600 с лишним устных докладов, представленных на конференции учеными 30 стран, 40 докладов имели российских соавторов, которые в большинстве случаев представляли зарубежные организации. Лишь в девяти докладах соавторами выступали ученые, представлявшие российские университеты и академические институты, и только один доклад из 600 был сделан учеными РФ без иностранного участия (его авторы — сотрудники Института физики полупроводников из Новосибирска и Института микроэлектроники и информатики из Ярославля).

 

Научное сообщество России потеряло для интенсивной творческой работы почти целое десятилетие, последовавшее после распада СССР. Разумеется, это касалось не только развития нанотехнологий, но прежде всего именно их, поскольку визуализация и контролируемое создание нанопродуктов требовало крайне дорогостоящего оборудования, которым наши исследователи в большинстве своем не располагали. Исключение составляли лишь те, кто сотрудничал с зарубежными коллегами, имевшими такое оборудование. В этой связи заслуживает одобрения инициатива РФФИ по поддержке международных грантов, позволивших эффективно использовать уникальное диагностическое оборудование научных центров ФРГ, Франции, Италии, Бельгии, Голландии, Японии, а в последнее время также и США. Достаточно вспомнить, что 8 лет назад в Москве не было ни одного функционирующего сквидмагнетометра и молодым исследователям Московского университета пришлось да и по сей день приходится проводить измерения синтезированных ими магнитных нанокомпозитов в Йене (ФРГ). И все-таки в 90-е гг. фундаментальные исследования, вносившие несомненный вклад в развитие нанотехнологий, не прекращались в России. Достаточно назвать научные группы, которые возглавляли М.В. Алфимов, Р.А. Андриевский, В.В. Болдырев, А.Л. Бучаченко, Р.З. Валиев, С.П. Губин, Б.В. Дерягин, А.Л. Ивановский, Ю.А. Котов, И.В. Мелихов, И.И. Минкин, А.Д. Помогайло, А.И. Русанов, И.П. Суздалев, А.Ю. Цивадзе и многие другие. В 1996 г. М.А. Ананяном был организован институт нанотехнологий, а в 2001 г. — концерн «Наноиндустрия». Созданные В.А. Быковым с сотрудниками сканирующие зондо-вые микроскопы получили международное признание и оказались востребованными научным сообществом многих зарубежных стран.

 

Справедливости ради надо отметить, что после 2000 г. отечественные исследования в области нанотехнологий и наноматериалов оживились. Этому способствовал ряд факторов, среди которых немаловажным было плодотворное обсуждение этой проблемы в 2002 г. на заседании Президиума РАН, которому предшествовал постановочный научный доклад чл.-корр. РАН И.В. Мелихова «Физикохимия наносистем — успехи и проблемы». В 2002 г. был создан Научный совет по наноматериалам при Президиуме РАН (председатель академик Н.П. Лякишев), а в программе фундаментальных исследований РАН выделено некоторое финансирование работ по разделу «Фундаментальные проблемы физикохимии наноматериалов». Примерно в это же время началось финансирование инициативных проектов РФФИ по нанотехнологиям и наноматериалам, а также по отраслевым программам Минобороны, Минатома (Росатома), Роскосмоса, Минпромэнерго в размере 20—25 млн USD в год, что в 30 раз меньше государственной поддержки нанотехнологий в США.

 

Тем не менее некоторые академические, вузовские и отраслевые лаборатории были переориентированы на исследования в области нанотехнологий и наноматериалов, хотя большинство из них по-прежнему не располагало необходимым современным оборудованием. Достаточно сказать, что электронный микроскоп высокого разрешения HREM TECHNAI стоит около 4 млн USD, а чистая комната достаточно высокого класса еще дороже.

 

Ситуация несколько улучшилась, когда в соответствии с постановлением Правительства РФ № 540 от 12.10.2004 г. в Федеральную целевую научно-техническую программу (ФЦНТП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002—2006 годы» были внесены существенные изменения, а в перечне приоритетов появилось направление «Индустрия наносистем и материалы», на поддержку которого было предусмотрено выделить из средств федерального бюджета в 2005 г. 2 млрд р., а в 2006 г. — 2,12 млрд р. Рабочая группа экспертов, возглавляемая академиком М.В. Алфимовым, определила следующие приоритеты.

  1. Углеродные наноматериалы.
  2. Новые материалы и технологии для наноэлектроники, оптоэлектроники и спинтроники.
  3. Органические и гибридные наноматериалы.
  4. Полимеры и эластомеры.
  5. Кристаллические материалы со специальными свойствами.
  6. Мехатроника и микросистемная техника.
  7. Композиционные и керамические материалы.
  8. Мембраны и каталитические системы.
  9. Биосовместимые материалы.
  10. Нанодиагностика и зондовые методы.

 

Очевидно, что направление «Индустрия наносистем и материалы» объединяет две не вполне совместимые составляющие, из которых вторая включает многотоннажные продукты, такие как полимеры и эластомеры, композиты и керамика, кристаллические материалы на основе металлов и сплавов, а в определенной мере также мембраны и каталитические системы. Их технология помимо всего прочего базируется на использовании методологии макрокинетики, гидродинамики, тепло-и массопереноса, которые, как правило, не являются определяющими в процессе получения наноматериалов. Следовательно, указанное выше финансирование лишь частично относится к нанотехнологиям.

 

Другая особенность, нередко вызывающая непонимание и недовольство научного сообщества, состоит в том, что оно воспринимает возможность получить финансовую поддержку в рамках ФЦНТП как конкурс на получение гранта, тогда как в действительности необходимо работать в рамках Закона о госзакупках и скрупулезно выполнять требования заключенного контракта. Несомненный оптимизм вызывает то обстоятельство, что Правительство Российской Федерации 6 июля 2006 г. утвердило концепцию ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007—2012 годы», установив объем финансирования за счет федерального бюджета в размере 134 млрд р. Есть основания полагать, что в рамках этой суммы значительно возрастает господдержка приоритетного направления «Индустрия наносистем и материалы».

 

Минобрнауки с участием представителей заинтересованных ведомств в 2005 г. была разработана концепция развития нанотехнологий в России, подготовлена «Программа развития в РФ работ в области нанотехнологий и наноматериалов до 2015 года (национальная технологическая инициатива по развитию наноиндустрии)», составлен проект Федеральной целевой программы «Развитие исследовательской и технологической инфраструктуры для наноиндустрии РФ на 2007—2009 годы». Реализация этой программы была бы наиболее важным шагом, способным в достаточно короткий срок вооружить наше нанотехнологическое сообщество современным научным и технологическим оборудованием и выковать новое поколение исследователей в результате национального образовательного прорыва. Успешная реализация нанотехнологического проекта невозможна ни в одной стране, если ей не удастся подготовить или привлечь со стороны специалистов, хорошо владеющих одновременно знаниями в области математики, физики, химии, механики, биологии. Лишь междисциплинарные образовательные программы способны обеспечить нанотехнологический прорыв.

 

Очень важно понимать, что при создании материалов с разнообразными свойствами наноразмерные особенности структуры не всегда являются определяющим фактором. Для большинства материалов, особенно объемных, целесообразно рассматривать различные уровни структуры от нанометровых до миллиметровых и понимать, что они тесно взаимосвязаны. В некоторых случаях определяющими являются фрагменты не нано-, а микрометровых размеров, и поэтому в общем следует стремиться к созданию материалов с оптимальным размером фрагментов их структуры, определяющим функциональные или конструкционные свойства.

 

Если удастся сохранить то лучшее, что было заложено в отечественной системе университетского образования, прежде всего его фундаментальность, и пополнить последнее междисциплинарностью и способностью владеть современным синтетическим и диагностическим инструментарием, то появится надежда на возможность преодоления нашей страной нанотехнологического отставания.

 

Нанотехнология в отличие от обычных технологий, как справедливо отметил И.В. Мелихов, отличается повышенной наукоемкостью и затратностью, в ней мала вероятность решения задач методом проб и ошибок, который традиционно используется в прикладных разработках. Поэтому путь от лаборатории к наноиндустрии несомненно более сложен, чем при промышленном создании обычных продуктов.

 

Кроме того, есть основания сомневаться в том, что до тех пор, пока сверхприбыли будут обеспечиваться в нашей стране за счет нефтяного, газового и строительного бизнеса, кто-то предпочтет инвестировать средства в развитие наноиндустрии. В этом смысле ситуация за рубежом кажется несомненно более благоприятной. В США, Японии и Южной Корее частный бизнес инвестирует наноразработки в объеме, не уступающем бюджетной поддержке, причем за 5 лет — с 1999 по 2004 г. размеры частных инвестиций в наноиндустрию выросли в 10 раз. Возможно, одобренное Правительством РФ создание венчурных компаний на основе государственно-частного партнерства станет шагом вперед в развитии наноиндустрии.

 

Российский опыт преодоления барьеров на пути от нанонауки к промышленному созданию и коммерческому сбыту нанопродуктов пока невелик. Несколько проектов реализовал концерн «Наноиндустрия». Созданы журналы «Нанотехника», «Наноструктурное материаловедение». В июле 2006 г. вышел первый номер информационного бюллетеня «Нанометр», издаваемого в МГУ. В ближайшее время стартуют журналы «Российские нанотехнологии» и «Российский электронный наножурнал», в которых в роли учредителя выступает Федеральное агентство по науке и инновациям.

 

Среди проблем, связанных с развитием нанотехнологий, реализуемая в США программа «Национальная нанотехнологическая инициатива» считает приоритетным анализ социальных последствий так называемой нанотехнологической революции. Речь идет о доступе к благам, которые возникают в результате развития наноиндустрии, ее позитивном влиянии на рынок труда и на прогресс медицины, а также о возможных негативных последствиях накопления нанопродуктов для здоровья человека и для окружающей его среды.

 

Позитивные аспекты развития нанотехнологии уже сейчас широко рекламируются в печати и на телевидении. Для 120 млн человек, ежегодно посещающих научные музеи США, предлагается экспозиция, посвященная развитию нанотехнологии. Передвижную выставку «Это — наномир» в 2004 г. увидели почти 800 тыс. посетителей, большинство из которых 8—13-летние дети. Разнообразные направления развития наномедицины включают биосенсорную нанодиагностику, наночастицы как средство доставки лекарств и новые формы лекарственных препаратов, создание нанороботов, наноинструментов и наноманипуляторов для медицинских целей и многое другое.

 

Не меньшее внимание в США и странах Европейского союза уделяется изучению потенциального ущерба, который наноматериалы могут нанести здоровью человека и окружающей среде. Речь идет прежде всего о респираторных и легочных заболеваниях, включая рак легких. Любопытно, что в Белой книге, подготовленной под редакцией акад. В.Я. Шевченко по результатам Всероссийского опроса ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий, среди многочисленных направлений наноисследований, проводимых в России, отсутствует даже упоминание о возможных рисках и негативных социальных последствиях развития нанотехнологий и применения наноматериалов.

 

Перечень первостепенных действий, которые надо совершить, чтобы заметно продвинуться вперед

  1. Осуществить выбор приоритетных направлений нанотехнологических разработок с учетом перспектив их дальнейшей коммерциализации, конкурентоспособности и востребованности, в первую очередь на внутреннем рынке, а также учитывая невозможность осуществления фронтального подхода, ориентированного на одновременное решение всех проблем нанотехнологии (как это делается в США).
  2. В кратчайший срок оснастить отечественных исследователей новейшим оборудованием, необходимым для синтеза и диагностики нанопродуктов, создать национальную нанотехнологическую сеть, включая национальную лабораторию, научно-исследовательские центры и ЦКП.
  3. Создать целостную образовательную систему подготовки нового поколения исследователей, материаловедов и технологов, обладающих междисциплинарными фундаментальными знаниями и владеющих новейшим синтетическим и диагностическим оборудованием. По приближенным оценкам в ближайшее десятилетие миру потребуется не менее 2—3 млн специалистов, а следовательно, по самым скромным масштабам в России их должно быть не менее 30 тысяч.
  4. Организовать независимую сертификационную службу для выработки стандартов, метрологии и сертификации, способную объективно оценивать качество нанопродуктов.
  5. Создать и реализовать целостную систему подготовки всего российского общества к переменам, связанным с фронтальным развитием нанотехнологий и использованием нанопродуктов.
  6. Разработать систему мер, обеспечивающих развитие нанобизнеса, в том числе устранение таможенных сборов на импорт нанотехнологического оборудования и введение льгот для потребителей и производителей нанопродукции.

 

Аналитическое агентство Nanotechnology News Network предлагает новейшую информацию по нанотехнологиям для российских (www.nanonewsnet.ru) и зарубежных (www.nanonewsnet.com) читателей. Дополнительную информацию также можно получить на сайтах концерна «Наноиндустрия» (www.nanotech.ru), журнала «Нанотехника» (www.nanotech.ru/journal), журнала МГУ «Нанометр» (www.hsms.msu.ru/inno.html; www.nanometr.ru)

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»