Разработка и внедрение нанотехнологий
Опубликованные многочисленные прогнозы технологического развития указывают на то, что в пределах ближайших 10—20 лет самые крупные инновационные прорывы могут быть связаны с формирующимся в настоящее время новым междисциплинарным направлением, которое опирается на применение нанотехнологий.
Термин «нанотехнологии» характеризует в первую очередь характерные размеры взаимодействующих между собой объектов и расстояния между ними. Нанометр — одна миллиардная часть метра. Для сравнения: расстояние между атомами кислорода и водорода в молекуле воды равно примерно 0,1 нм, диаметр атома золота 0,3 нм, диаметр вируса гриппа составляет приблизительно 70 нм, длина волны видимого света — примерно 500 нм. Нанотехнологии имеют дело с характерными длинами порядка размеров крупных молекул или расстояний между отдельными атомами в молекулах.
Теоретически возможность крупного технологического прорыва при переходе на наноуровень была предсказана нобелевским лауреатом Р. Фейнманом в 1959 г. Первым заметным шагом в этом направлении стало изобретение в 1981 г. сканирующего туннельного микроскопа учеными из швейцарского отделения корпорации ИБМ. Практическое применение нанотехнологий в промышленности началось в середине 90-х годов. Сегодня основанные на них методы контроля качества поверхности используются, например, при производстве БУБ-дисков и контактных линз. Активно разрабатываются нанотехнологические системы обнаружения различных биологических агентов. Специалисты широко обсуждают многие другие приложения, которые могут оказать в перспективе сильное влияние на развитие экономики и других сфер деятельности и служат основанием для выделения крупных государственных ассигнований на проведение фундаментальных и поисковых исследований.
По мнению отечественных и зарубежных экспертов, особый интерес представляют следующие перспективы11.
В обрабатывающей промышленности появится возможность синтезировать из молекул промежуточные конструкционные блоки определенного размера и использовать их для сборки более крупных структур с заданными свойствами и функциями. Это приведет к революции в производстве различных материалов, в том числе не имеющих до сих пор аналогов. Диапазон их возможного применения сегодня трудно даже предугадать. Например, могут быть сконструированы, минуя традиционную механическую обработку, нанострук- турированные металлические, керамические и полимерные материалы заданной формы. Хорошие экономические перспективы имеет и создание высокопрочных покрытий для режущего инструмента, а также разнообразного технологического применения в электронике и химической промышленности.
Одним из наиболее фантастических направлений сегодня представляется создание молекулярного ассемблера — устройства, которое может выполнять функции робота по сборке из раствора молекулярных заготовок новых структур с известными заранее свойствами. Материалом для изготовления такого ассемблера могут служить полимерные органические молекулы. Контроль за работой ассемблера будет осуществляться с помощью генерируемых управляющими компьютерами акустических сигналов, которые в свою очередь вызывают изменение давления инертных газов внутри устройства и тем самым направляют действия его храповиков. В дальнейшем предполагается использовать для целей управления подобными ассемблерами специальные молекулярные компьютеры.
В области наноэлектроники и компьютерных технологий может быть достигнут значительный прогресс в миниатюризации, повышении скорости и производительности приборов и устройств по обработке информации — входных датчиков, логических и запоминающих устройств, дисплеев и устройств передачи информации. Обсуждаются перспективы сборки с помощью нанотехнологий интегральных схем высокого уровня сложности и функциональности на основе дальнейшей миниатюризации их активных полупроводниковых элементов, а также объединения последних в трехмерные (многослойные) структуры.
Фирма «Интел» уже начинает производство микрочипов с размером элементов на уровне 90 нм и разрабатывает технологию, которая позволит уменьшить размеры этих элементов к 2010 г. до 22 нм. Одно из дочерних подразделений компании «Моторола» работает над созданием плоских дисплеев на основе углеродных нанотрубок. Возможно появление новых методов сверхточной литографии, позволяющих наносить на поверхность золота линии шириной в несколько десятков молекул.
Другие прогнозируемые прорывы могут быть связаны со снижением энергопотребления и стоимости микропроцессорных устройств, что даст возможность повысить производительность компьютеров в миллионы раз; созданием нейрокомпьютеров, намного превосходящих по своим характеристикам лучшие образцы современной вычислительной техники; с появлением мощных излучателей с перестраиваемым спектром частот и широкополосных фотодетекторов с высоким КПД в оптоэлектронике; с разработкой более высокочастотных устройств связи, которые позволят увеличить полосу рабочего диапазона примерно на порядок, что будет иметь важные последствия для бизнеса, военного дела, образования и пр.; с массовым производством небольших, но в тысячи раз более емких устройств хранения информации; с появлением интегрированных нано- сенсорных систем для сбора, обработки и передачи больших массивов данных при малых размерах, весе и потреблении энергии; с созданием образцов беспилотных средств транспорта и военной техники, управляемых с помощью высокопроизводительных компьютеров.
Медицинские приложения нового направления исследований будут во многом связаны с развитием нанобиотехнологий. Появятся новые методы точной доставки лекарственных препаратов к пораженным органам и тканям, тем самым повысится эффективность создания и применения медикаментов, значительно расширится их терапевтический потенциал. Нанотехнологии позволят добиться существенного прогресса в области диагностики и лечении заболеваний на молекулярном уровне, в том числе раннего обнаружения онкологических заболеваний. Будут разработаны средства точной адресной доставки лекарственных препаратов и микрохирургических инструментов к пораженным органам и тканям. Другие приложения включают конструирование биороботов, оснащенных бактериальными двигателями, и минифабрик по производству химических соединений и материалов с заранее заданными свойствами; ускоренную расшифровку фрагментов генома; создание искусственных иммунологически совместимых органов и тканей; новые методы улучшения зрения и слуха; эффективные средства диагностики и лечения заболеваний на ранней стадии развития.
В области аэронавтики и исследования космического пространства ожидается значительный прогресс в конструировании летательных аппаратов и космических станций за счет применения наноструктурных материалов, обладающих такими отличительными свойствами, как малый вес, высокая прочность, хорошая температурная устойчивость. Представляет научный и практический интерес возможность переноса производства наноструктурных материалов и систем в условия космоса. Среди других перспективных приложений для космоса также называются потребляющие мало энергии, устойчивые к действию радиации высокопроизводительные компьютеры; защитные скафандры с покрытием из наноструктурных материалов, оберегающие космонавтов от экстремальных температур и других вредных воздействий.
Для энергетики и защиты окружающей среды нанотехнологии представляют интерес прежде всего с точки зрения возможностей повышения эффективности производства, хранения и передачи энергии на расстояние. Помимо этого существуют интересные перспективы применения нанотехнологий для снижения вредных выбросов в различных отраслях промышленности и на транспорте, а также для производства роботов по уничтожению вредных отходов производства, в том числе отработанного ядерного топлива.
В биотехнологии и сельском хозяйстве ожидается появление принципиально новых путей производства новой химической и фармацевтической продукции на основе биосинтеза и биопроцессинга. Интеграция элементов биологической природы в синтетические материалы и приборы позволит придать им определенные биологические функции. Специалисты называют ряд перспективных направлений использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, в том числе конструирование биодеградируемых удобрений и средств защиты от насекомых в растениеводстве; генетическую инженерию сельскохозяйственных растений и животных, доставку определенных генов и лекарственных препаратов к клеткам и пораженным тканям животных, изучение молекулярных механизмов устойчивости растений к нарушению солевых балансов и засухе.
В качестве перспективных военных приложений рассматриваются создание на основе наноэлектроники более совершенных обучающих систем с элементами виртуальной реальности; повышение роли автоматических устройств и роботов в управлении движущимися объектами и ведении боевых действий; уменьшение габаритов, веса, стоимости и улучшение других характеристик боевой техники; совершенствование методов распознавания химического, биологического и ядерного оружия; дальнейшее развитие систем и средств, применяемых для мониторинга соглашения о нераспространении ядерного оружия; использование нано- и микромеханических приборов для контроля за состоянием систем противоракетной обороны. Обсуждаются возможности построения систем, способных восстанавливать поврежденные поверхности военной техники и понижать их видимость для радаров, если речь идет о самолетах-невидимках.
Прочие перспективные области применения нанотехнологий
относятся к созданию более легких и безопасных средств транспорта, совершенствованию методов исследований в криминалистике и судопроизводстве, созданию новых полиграфических технологий на основе использования наномолекулярных красителей, повышению качества изготовления и степени защиты документов и денежных знаков.
Для успешного развития нанотехнологий необходим прогресс во многих областях знаний: физике, химии, биологии, материаловедении, математике и инженерных дисциплинах. Ожидается, что развитие междисциплинарных исследований укрепит научные и образовательные связи между этими дисциплинами и приведет к возникновению новых направлений, которые пока только прорисовываются. Потребуется ряд изменений в инфраструктуре ресурсного обеспечения и системе подготовки научных и инженерных кадров, особенно для работы в промышленности.
Согласно оценке специалистов американской Корпорации консалтинговых ресурсов (СИС), продажи нанотехнологической продукции составили в 2002 г. примерно 200 млн. долл. Ожидается, что к 2012 г. этот показатель увеличится до 25 млрд. долл. По другим оценкам через 10—15 лет нанотехнологии будут в той или иной мере влиять на производство товаров и услуг в объеме свыше 1 трлн. долл.
Национальные усилия по развитию НИОКР в области нанотехнологий предпринимают в настоящее время более 30 стран мира. Основным источником финансирования этих работ являются в большинстве из них государственные ассигнования. Лидирующие позиции по уровню бюджетного финансирования занимала последние годы Япония. Доля правительства США составляла, по данным на 2003 г., около 27%.
К началу 2003 г. во всем мире насчитывалось, по данным консультационной фирмы «CMP Cientifica», 440 компаний, работающих в области нанотехнологий. Около 230 из них приходится на долю США, 130 — Европы и 80 — Азиатско-Тихоокеанского региона.
По мнению экспертов, США занимают лидирующие позиции в области синтеза наноструктур, изучения химических и биологических аспектов развития нанотехнологий. Япония добилась наибольших успехов в конструировании устройств и составных структур в нанодиапазоне, а страны Западной Европы — в разработке нового инструментария и покрытий.
По некоторым оценкам, примерно треть всех мировых НИОКР в области нанотехнологий приходится на долю ученых из США. К финансированию, организации и координации этих работ подключились в 90-е годы Национальный научный фонд в рамках программ Nanoparticle Synthesis and Processing initiative (1991) и National Nanofabrication User Network (1994) и Национальные институты здравоохранения по программе Bioengineering Consortium (BECON, 1999). Министерство обороны стало рассматривать нанотехнологии в качестве цели стратегических исследований с 1997 г. В марте 1998 г. бывший советник президента по науке John H. Gibbons включил нанотехнологии в число пяти технологических направлений, которые будут определять перспективы экономического развития в XXI в. В июне 1999 г. в конгрессе США прошли слушания на тему «Нанотехнологии: состояние и перспективы на следующее десятилетие».
В 2000 г. силами межведомственной рабочей группы при Национальном совете по науке и технологиям был подготовлен специальный доклад «Национальная инициатива в области нанотехнологий: путь к новой промышленной революции»12.
В этом докладе отмечается, что для сохранения и повышения конкурентоспособности национальной промышленности на мировом рынке необходимы инвестиции в НИОКР, которые позволят в будущем воспользоваться результатами инноваций в области нанотехнологий. Поэтому администрация США (еще администрация Клинтона) присвоила новой инициативе самую высокую степень научно-технической приоритетности и предложила увеличить ассигнования на НИОКР в области нанотехнологий в 2001 финансовом году на 83%.
Принятая Национальная программа НИОКР в области нанотехнологии носит междисциплинарный характер. В ней участвуют помимо называемых выше такие федеральные организации, как Министерство энергетики, Национальное агентство по освоению космического пространства, Министерство торговли, Национальный институт стандартов и технологии. Такая активность государства в развитии нового направления объясняется как многообещающими перспективами, так и тем, что для достижения многих целей в этой
области может потребоваться 10—20 лет и более. Многие открытия в этой области еще не до конца понятны, не всегда воспроизводимы, требуют продолжения фундаментальных исследований, которые часто являются слишком широкими, длительными, дорогостоящими и поэтому слишком рискованными для промышленных компаний. Кроме того, еще не сформировалась необходимая инфраструктура НИОКР в области нанотехнологий. Национальная программа призвана сфокусировать ресурсы на развитии научной кооперации, уменьшить дублирование усилий, поддержать развитие фундаментальных исследований, способствовать распространению информации, передаче технологий из научных лабораторий в промышленность, привлечению в новую область молодых талантливых ученых.
В этой связи около 70% ассигнований направляется на проведение научных исследований в университетах, что одновременно преследует цель подготовки специалистов в этой перспективной области знаний. Динамика федерального финансирования НИОКР в области нанотехнологий в США представлена в табл. 4.
Финансовый год
1997
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Объем федеральных ассигнований, млн. долл.
116
270
495
579
710
847
982
Таблица 4
Усилия федерального правительства по развитию нанотехнологий продолжились при администрации президента Буша. В частности, это направление вошло в число четырех межведомственных приоритетов НИОКР в рамках федерального бюджета на проведение научных исследований и разработок в 2003/2004 финансовом году.
В декабре 2003 г. Буш подписал закон о развитии НИОКР в области нанотехнологий в XXI в., который устанавливает порядок финансирования работ в этой области на четыре года, начиная с 2005 финансового года.
Помимо федерального правительства, средства на проведение исследований в области нанотехнологий предоставляют отдельные американские штаты (в общей сложности около 100 млн. долл.) и венчурные фонды (около 200 млн. долл.).
По некоторым данным правительство Японии выразило намерение ежегодно выделять к 2005 г. на исследования в области нанотехнологий до 2 млрд. долл. Нанотехнологии входят и в перечень основных научно-исследовательских направлений шестой Рамочной программы ЕС «Framework». На реализацию этого направления в 2003—2006 гг. выделяется 1,3 млрд. евро.
Таким образом, нанотехнологии рассматриваются за рубежом как одно из самых перспективных направлений научных исследований и разработок на ближайшие два десятилетия. Ожидаемые в этом направлении результаты могут иметь важное самостоятельное социально-экономическое и военное значение и помимо этого будут способствовать прогрессу многих других направлений технологического развития, в том числе информационных технологий, биотехнологий, производства новых материалов.
Ряд экономистов полагают, что развитие нанотехнологий закладывает предпосылки для перехода общества к шестому технологическому укладу после 2020 г., что повлечет неизбежную структурную перестройку всей промышленности.
Еще по теме Разработка и внедрение нанотехнологий:
- Нанотехнологии не вытащат экономику
- 2.2 Ключевые характерные признаки макро, - микро- и нанотехнологий
- Глава 9. Разработка товаров: подход к разработке новых товаров и проблемам жизненного цикла товара
- 9.5. Внедрение систем автоматизированного проектирования
- Эффективность внедрения предложенных мероприятий
- Пути и формы внедрения результатов учетно-статистических исследований
- Этап Внедрения
- 5.2. Практика внедрения
- Экономическая эффективность внедрения интегрированной системы управления финансовыми рисками
- Стратегия построения отношений с клиентом на стадии Внедрения
- Результаты внедрения программы
- Построение и внедрение АИС
- 2.1, Внедрение иннов анионных технологий в потенциал машиностроительного предприятия,
- Апробации и внедрение результатов исследования.
- Приложение 2 Документы о внедрении и регистрации
- Основные тенденции внедрения МСФО
- Механизм внедрения и использования Интернет-технологии
- Оценка экономического эффекта от внедрения системы