Г.И.Барашков, к.т.н., директор ФГУ «Владимирский ЦСМ»;
А.Г.Сергеев, д.т.н., профессор Владимирского государственного университета
Мир сегодня, тем более Россию, трудно удивить какой-либо революцией, которые происходят постоянно, нередко принимая странные эпитеты - буржуазная, социалистическая, социальная, великая, бархатная, революция роз, тюльпанов, оранжевая и т.п. Безусловно, влияние подобных революций на сообщества, где они происходят, велико. Реакция же на них окружающего мира - весьма неоднозначна. Поэтому мировой опыт свидетельствует, что говорить о них как о прогрессивном явлении, как правило, не приходится.
Но есть революции, безусловно, имеющие глобальный характер и несущие всему миру прогресс. Это научно-технические революции. На сегодня можно считать свершившимися две такие революции.
Первая носила индустриально-энергетический характер. Она преобразовала облик мира со второй половины XVIII века путем качественного изменения производимой энергии, машинного производства и перестройкой экономик государств.
Вторая научно-техническая революция - информационная - с 70-х годов XX века связана с качественными изменениями в процессах получения, переработки, передачи и хранения информации. Полупроводники, интегральные микросхемы, компьютеры и Интернет на глазах нынешнего поколения людей изменили мир.
С конца XX века мир стоит на пороге третьей научно-технической революции - нанотехнологической. В начале XXI века слова «нанотехнология», «наноиндустрия», ранее известные относительно узкому кругу специалистов, стали широко использоваться практически во всех сферах деятельности человека. Полагают, что термин «нанотехнологии» впервые ввел в 1974 г. японский исследователь Танигути.
Правда, российский академик А.И. Русанов считает, что само слово «нано» - это жаргон, внесенный неспециалистами в коллоидную химию. Ученые, давно работающие в области коллоидной химии с мелкораздробленными частицами, употребляют классический устоявшийся термин «ультрадисперсные системы». Академик сетует: «получается, что если выражаться правильным научным языком, то финансирования не получишь, потому, что пропуском сейчас звучит только «нано». Тем не менее корректировка определений вряд ли состоится из-за широкого распространения слова «нано» во всем мире. Само слово «нано» означает одну миллиардную долю чего-либо. Поэтому нанометр (нм) - миллиардная часть метра (1 нм = 1·10-9 м). Это примерно размер атомов, от взаимного расположения и количества которых зависит вид того или иного вещества, а также его свойства. К нанообъектам относятся все структуры, имеющие размеры до 100 нм.
Нелишне помнить, что все органические вещества, вирусы, бактерии, животные и люди образованы всего из трех наименований атомов (с небольшими добавками) - углерода, кислорода и водорода. Все зависит от формы кристаллической решетки или структуры химической молекулы, содержащей атомы. Действительно, одни и те же атомы углерода в одной структуре образуют мягкий графит, а в другой - образец твердости - алмаз.
Физики научились манипулировать молекулами и даже строить монокристаллы из так называемых «квантовых точек» - искусственных атомов. Квантовые точки представляют собой большие молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов. Самое замечательное заключается здесь в том, что искусственные атомы реагируют друг на друга точно так же, как и натуральные, и вступают в те же связи. Проще говоря, вещество, созданное из искусственных атомов, не будет отличаться по своим свойствам от природного. Манипулируя числом электронов можно превратить искусственный свинец в искусственное серебро или золото - и обратно. Мечта средневековых алхимиков воплощается в жизнь в XXI веке!
Сегодня нанотехнологии бурно развиваются в таких областях, как информатика, электроника, медицина, строительство, сельское хозяйство.
Перспективными направлениями развития нанотехнологий для получения новых структур являются: углеродные, наноструктурированные металлические, керамические и композиционные материалы; наноматериалы для фотоники; магнитные, органические и полимерные нано-материалы.
Масштабное применение нанотехнологии нашли в космической технике, что позволит радикально улучшить массо-габаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов. Именно использование на-номатериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на планеты, окружающие Землю.
Таким образом, на сегодня уже определился некий наномир, включающий:
нанонауку - изучающую свойства наночастиц, наноструктур и путей синтеза из отдельных наноэлементов наносистем;
нанотехнологии как освоение достижений нанонауки путем разработки и изготовления наноустройств и наносистем;
нанометрологию - науку об измерениях физико-химических величин в нанодиапазоне.
Сегодня получение любого продукта осуществляется по принципу «сверху-вниз». То есть из большого объема заготовительного материала получают необходимую продукцию с нужными характеристиками (деталь из большой болванки -заготовки, металл из большого количества руды, транзистор из большой номенклатуры комплектующих материалов, рубашку из большого куска полотна и т.п.). При этом в потребительский продукт в среднем превращается не более 10 % (иногда даже 1,5-2 %) исходного сырья, остальное идет в отход. Учитывая, что все земные ресурсы ограничены и конечны, тупиковый путь развития по изложенному принципу очевиден.
Нанотехнологии предлагают процесс «снизу вверх», т.е. создание материалов с заранее заданными свойствами из отдельных молекул и атомов. Именно так происходит и в природе, когда из элементарных клеток вырастают живые организмы. Реализация принципа «снизу вверх» и определяет третью фазу научно-технической революции, очевидцами и в разной степени участниками которой все мы, живущие в начале XXI века, и являемся.
Сегодня можно говорить о глобальном рынке нанотехнологий, на который мы выходим. К 2014 г. с их помощью будет производиться примерно 17 % продукции в мире. В развитых странах нанотехнологии уже применяют при производстве 80 групп потребительских товаров, 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования.
Современные исследователи считают, что основанием прогресса в сфере «нано» стало изобретение в 1948 г. транзистора, который преобразует электрические сигналы. При производстве изделий технологам на одной полупроводниковой кремниевой пластине сначала удалось разместить несколько транзисторов, потом - целые схемы, которые стали называть интегральными. В течение двух десятилетий обычные интегральные схемы сменились большими, с числом размещенных транзисторов до 10000, затем сверхбольшими (100000), а сегодня счет идет уже на миллионы. Естественно, что размеры элементов интегральных схем при этом стремительно уменьшились. В серийных схемах они сжались до 2-3 микрометров, а в отдельных образцах и до 0,1-0,2 микрометра, т.е. до 100 нанометров. Таким образом, размеры элементов устремились к размерам атома в нанометровый диапазон.
Развитие научных исследований в сфере нанотехнологий относится к XX веку. В 1931 г. немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В эти же годы в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) проводятся исследования в области полупроводников, заложившие основы современной электроники. Сотрудник ЛФТИ Г.А. Гамов 70 лет тому назад теоретически обосновал так называемый эффект туннелирования, который сегодня широко используется в нанотехнологиях. Г.А. Гамов впервые доказал возможность преодоления электротоком энергетического барьера даже в случаях, когда его энергия меньше высоты барьера.
Открытие Г.А. Гамова помогло понять свойства и поведение полупроводников и сверхпроводников. Лишь 30 лет спустя появились туннельные диоды японца Есаки.
В 1982 г. два физика Герд Биннинг и Генрих Рорер в Исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швейцария) сконструировали прибор совершенно нового типа, с помощью которого можно было рассматривать отдельные атомы на поверхности. Создателям этого прибора - сканирующего туннельного микроскопа (сокращенно - СТМ) - в 1986 г. была присуждена Нобелевская премия. В основу изобретения ученых лег туннельный эффект.
Классическая физика утверждает: «в электрической цепи, разорванной барьером из изолятора, ток течь не будет». Квантовая же механика допускает, что если барьер достаточно тонок, то электроны могут «туннелировать» (просачиваться) сквозь него. Чем тоньше барьер, тем выше вероятность туннелирования электрона.
Сегодня во всем мире создана гамма микроскопов, использующих различные физические принципы. Эти микроскопы позволяют «разглядывать» структуры материалов и сплавов с точностью до атома. Реализовано достижение Левши из сказки Н. Лескова. Первый русский нанотехнолог, сумевший подковать блоху, утверждает, что «увидеть надписи на гвоздиках, которыми подкована блоха, можно только в мелкоскоп с увеличением в пять миллионов раз», что в точности соответствует увеличению современного СТМ!
В нынешних условиях прогресс в области нанометрологии напрямую зависит от степени участия в разработке проблем наноиндустрии самого государства.
Первой страной, оценившей фантастические возможности нанотехнологии, стали США. Еще в период 1996-1998 годов США поставили цель - тать мировым лидером практически во всех видах наноиндустрии. В феврале 2000 года была принята обширная долгосрочная научно-техническая программа под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива», рассчитанная на 20 лет. Президент США, представляя эту программу, особо выделил три важных направления:
создание новых высокопрочных и в то же время сверхлегких материалов;
разработка и создание сверхмощных информационных систем сверхмалых размеров;
ранняя диагностика раковых заболеваний на основе био- и медицинских микророботов сравнимых по размерам с биологической клеткой, которые можно вводить в организм человека для диагностики и адресного уничтожения вирусов или клеток пораженных тканей.
По данным западного агентства LUX Research мировыми лидерами в области нанотехнологий на сегодня безоговорочно стали США, Япония, Южная Корея и Германия. За ними устремилась группа «мечтателей». Это страны с высокими темпами развития в данной сфере - Великобритания, Франция и Китай. На «пятки им наступают» страны с ограниченными ресурсами, но с развитыми промышленными технологиями - Швеция, Швейцария, Нидерланды, Сингапур и Израиль.
К сожалению, Россия входит пока в «младшую лигу» и ее окружают: Индия, Бразилия, Канада и Австралия. Остальные страны мира в «нано-аспекте» и не рассматриваются, хотя известны определенные достижения в этой области, например, в Украине, Беларуси и Венгрии. Россия уже включилась в «гонку за лидером». Однако шансы на наш прогресс в наноиндустрии оцениваются невысоко. Дело в том, что по эффективности наша экономика находится примерно на уровне экономик стран Западной Европы конца 1960-х годов. Во многих отраслях российской промышленности производительность труда в четыре-пять раз ниже зарубежной. Это объясняется устаревшими технологиями, несовершенным управлением и низкой квалификацией кадров. Преодолеть это можно только с помощью мощной науки и образования. Неблагоприятным является и факт оттока молодых ученых из России. Так, по данным Национальной ассоциации инноваций, за последние четыре года, то есть после объявления в России стратегии инновационного развития, страну покинули более 20 тысяч ученых. По оценке этой ассоциации в 2007 г. на развитие науки и инноваций потрачено около одного триллиона рублей. Однако не создано ни одной перспективной технологии и ни одного образца электронной техники, которые можно было бы предложить на рынке. В 2008 г. доля научных разработок составила 0,3 % валового внутреннего продукта.
За этот же период в России вдвое сократилось количество наукоемких предприятий. Крупнейшие наши компании, имея огромные доходы, инвестируют в науку всего 3-7 млн. долларов ежегодно, т.е. практически не финансируют создание новых технологий в своей стране. В то же время доля средств предпринимателей в финансировании науки в Японии составляет 75 %, в Германии - 67 %, а в США - 64 %.
Все это привело к тому, что доля российской гражданской продукции в мировом национальном экспорте в 2008 г. составила всего 0,5 % (США - 36 %, Япония - 30 %, Германия - 10 %, Китай - 6 %). Нагрянувший кризис еще более усугубил названные проблемы в 2009 г.
Тем не менее, надо отметить, что уже в начале XXI века в России в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 гг. появился раздел «Индустрия наносистем и материалы».
Приказом №73 от 05.03.2001 г. Госстандарт России создает комитет ТК 441 «Нанотехнологии и наноматериалы», а приказом от 09.11.2009 г. №4001 Ростехрегулирование создает ТК «Нанотехно-логии» на базе ГК «Роснанотех» в обновленном составе, который вошел в Международную структуру ИСО/ТК 229 «Нанотехнологии».
В 2002 г. при Президиуме Российской Академии наук создается «Научный Совет по наноматериалам». В дальнейшем в рамках президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» (№ ПР-688 от 24 апреля 2007 г.) разработана Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы», принятая Правительством Российской Федерации 7 сентября 2007 г.
При этом особое внимание уделяется метрологическому обеспечению наноиндустрии, что отражено в отдельных документах: «Стратегия обеспечения единства измерений в России на 2008-2010 годы и до 2015 года», принятая Правительством Российской Федерации 20 сентября 2007 г. и «Концепция обеспечения единства измерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности использования нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года», разработанная Ростехрегулированием. В этих документах поставлена цель создания эффективной Российской системы стандартизации, обеспечения единства измерений, безопасности и оценки соответствия конкурентоспособных нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии, необходимых для реализации высокотехнологичного российского сектора наноиндустрии, способного паритетно конкурировать с ведущими странами мира на внутреннем и внешнем рынках нанопро-дукции в ключевых областях обеспечения обороноспособности, технологической безопасности и экономической независимости государства, повышения качества жизни населения.
