НАНОТЕХНОЛОГИИ — ОСНОВА НАУКОЕМКОЙ ЭКОНОМИКИ 21 ВЕКА

Китаев Александр Сергеевич

класс 11 «Б», школа № 58, г. Пенза

Гарькин Игорь Николаевич

научный руководитель,Педагог дополнительного образования, школа № 58, г. Пенза

"Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией,
займет ведущее место в техносфере будущего"

Э. Теллер.

Любая научно-техническая система развивается в определенной последовательности: накопление знаний, их трансформация в технологии, разработка новых видов производства, новые импульсы для развития собственно науки. Разные части системы развиваются с различной скоростью, а возникающие при этом возможные конфликты разрешаются переходом системы на качественно новый уровень. Переход часто совершается революционным путем (например, замена созданной во времена Ньютона классической модели мира на квантовую картину на основе открытий Резерфорда и Бора; итогом этого явилась научно-техническая революция, получившая название «Атомный проект» (от фундаментальных исследований — к ускорителям и атомной бомбе и от нее — к атомным реакторам). Естественно, в результате появились новые науки, новые виды вооружений, получила дальнейшее развитие энергетика; в итоге появилось принципиально новое геополитическое лицо мира [1].

Каковы этапы познания человеком окружающего мира? 300 лет назад в глазах ученых природа была едина и неделима (и наука об окружающем мире называлась естествознанием).

По мере изучения единого и неделимого Мира (окружающей среды) произошло выделение из него отдельных сегментов; формировались различные научные дисциплины (математика, физика, химия, биология, геология и др.). Возникли узкие специализации с одновременным отраслевым принципом развития экономики. Многое, что сегодня создано в области материальной жизни, получено с использованием узкоспециализированных подсистем науки, образования и экономики. Однако в настоящее время остро назрела необходимость междисциплинарных системных исследований. Важно отметить, что, продвигаясь по пути узкой специализации, человечество достигло колоссальных результатов. Все, что сегодня создано в области материальной жизни, мы имеем благодаря этой узкоспециализированной системе науки и образования [2].

Но, с другой стороны, мы зашли в некий тупик, потеряв видение целостной картины мира. Как уже говорилось, создание узкоспециальной системы науки, в свою очередь, определило отраслевой принцип построения экономики. На первом этапе развития все производство состояло из отраслевых технологий: деревообработка, добыча полезных ископаемых, металлургия и др. На следующем этапе появились более сложные «межотраслевые интегрированные» технологии: микроэлектроника, авиация, космонавтика, сложное машиностроение. Однако отраслевой характер экономики сохранялся.

Совсем недавно появились нанотехнологии, внутренняя логика развития которых призвана соединить существующую межотраслевую науку и технологии в единую картину естествознания, но уже на новом, атомном уровне.

Появление нанотехнологий, составляющих основу новой научно-технологической революции, полностью  изменит окружающий нас мир, нашу жизнь. Нанотехнологии — это базовый приоритет для всех существующих отраслей.

В середине прошлого столетия, когда появилась возможность манипулировать атомами, молекулами, ученые начали конструировать из них новые вещества. Были созданы искусственные материалы, хорошо известные нам сегодня: полупроводниковые кристаллы кремния, германия, арсенида галлия и др., диэлектрические кристаллы, в частности лазерные, и даже такие материалы, которые обладают свойствами, не существующими у природных веществ. Большие успехи были достигнуты и в органическом материаловедении — был создан синтетический каучук, целый ряд полимеров и других биоорганических объектов. Таким образом, в середине прошлого столетия, наряду с основной линией развития науки — анализом, начала формироваться новая линия — линия синтеза, когда человечество руками и разумом ученых начало синтезировать искусственные материалы.

Сейчас стало очевидно, что наши знания о мироустройстве достигли такого уровня, что мы способны исследовать практически все. Мы можем высадиться на Луне, жить автономно много месяцев в космическом корабле или в подводной лодке подо льдами океана. Мы можем найти панацею от многих болезней, но это все потребует огромного количества средств — как материальных, так и интеллектуальных. Главная же проблема заключается в том, что ресурсы используется нерационально.

Отсюда возникает новая постановка проблемы — нужна строго выстроенная система приоритетов. Существуют тысячи задач, но сегодня, используя те ресурсы, которыми мы располагаем, можно решить лишь малую их часть. Поэтому мы должны из этого множества задач выбрать наиболее приоритетные и сконцентрировать на них усилия.

В целом основная тенденция развития сегодняшней науки связана с возвратом к единой, целостной картине мира. Выделим важнейшие, с нашей точки зрения, черты современного этапа развития научной сферы:

1.  Переход к технологии атомно-молекулярного конструирования;

2.  Междисциплинарность научных исследований;

3.  Сближение органического (живой природы) и неорганического (металлы, полупроводники и т. д.) миров.

Создание неорганических наноструктур с квантовыми точками — еще одно важное достижение в неорганическом (полупроводниковом) материаловедении. Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, на максимальном пределе нулевого измерения (т. е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках. В основе же формирования этих структур лежит принцип самоорганизации, а принцип самоорганизации — это базовый принцип живой природы.

В течение полувека развития твердотельной микроэлектроники на базе полупроводниковых кристаллов человечество, создав компьютер, подошло к принципам, используемым живой природой. Но мы не смогли создать биокомпьютер, моделирующий человеческий мозг, поскольку биологические структуры крайне сложны и в то же время плохо изучены. Так, в элементарной ячейке кристалла белка насчитываются сотни тысяч атомов. Значительно проще было взять в качестве модели простой кристалл кремния, в котором всего восемь атомов в элементарной ячейке. За десятилетия экспериментов с этими восемью атомами наука очень далеко продвинулась, что дало возможность создать современные компьютеры и информационные технологии. Одновременно с этим очевиден значительный прогресс в изучении структуры биоорганических объектов и принципов их функционирования.

Фактически, теперь мы можем заниматься атомно-молекулярной архитектурой. Например, создавать бислои — модели мембраны человеческих клеток и изучать их взаимодействие со свободными радикалами, приводящее к старению. Или исследовать взаимодействие мембраны с лекарствами, и даже создавать нанолекарства и заниматься нанодиагностикой. Наномембраны уже широко используются в промышленности и в быту для очистки воздуха и разных растворов, питьевой воды, а в медицине — для выделения различных вирусов и гемодиализа. Можно создавать разнообразные нанопленки, структуры с разными свойствами — полупроводники, изоляторы, электропроводящие слои, а также углеродные нанотрубки — сверхлегкие и сверхпрочные, область применения которых невероятно широка — от создания новых веществ в их полости и доставки лекарств в нужное место в организме, до построения сверхпрочного космического лифта.

По сути, мы находимся на пороге создания принципиально новых наноприборов и систем бионического характера, в первую очередь на базе технологий твердотельной микроэлектроники, сочетаемых с возможностями нанобиоорганических систем. Например, всем известные приборы «ночного видения». Для их изготовления были специально разработаны материалы на базе монокристаллов теллурида кадмия, но процесс их синтеза весьма энерго- и ресурсоемкий. Между тем в живой природе у ряда животных (например, у змей) имеются подобные «биодатчики». Благодаря достижениям нанобиотехнологий возможно выделить стволовые клетки из такого природного сенсора, и на их основе «вырастить» инфракрасный детектор биологической природы.

Но сегодня вся созданная человечеством узкоспециальная система науки и образования, ее организация и финансирование, в принципе, препятствуют решению подобной междисциплинарной задачи, и должны быть коренным образом перестроены.

Принципиальная особенность нанотехнологической революции состоит еще и в том, что в ее ходе происходит смена парадигмы развития науки. Раньше мы шли «сверху вниз», т. е. двигались в сторону миниатюризации создаваемых предметов. Сейчас мы идем «снизу», с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами. Создание материалов с необходимыми свойствами принесет ощутимые выгоды и в экономии энергетических и материальных ресурсов. Сейчас это особенно актуально, т. к. напряженность в энергетическом обеспечении мира нарастает. Устойчивое развитие цивилизации возможно только в случае стабильного энергетического обеспечения. Будущее энергетики во всем мире сегодня связывается с атомной энергией, термоядерным синтезом, водородной энергетикой и другими нетрадиционными источниками — энергией ветра, мирового океана и Солнца. Причем Россия — уникальная часть света, самодостаточная с энергетической точки зрения, и пока наших ресурсов хватает для полноценного энергоснабжения. Помимо этого, мы имеем все необходимое для развития будущей инновационной энергетики.

Не будет преувеличением утверждение, что атомная энергетика начиналась в нашей стране. Нарождающаяся термоядерная энергетика тоже родом из России, из Курчатовского института (и название термоядерной установки ТОКОМАК — аббревиатура русских слов). Что касается будущей водородной энергетики, то и она тесно связана с развитием атомной энергетики. Поэтому нашу страну можно рассматривать как ключевого игрока на поле альтернативной энергетики будущего, причем как в науке, так и на рынке. Курс на создание новых энергетических мощностей поддержан руководством России [4].

Но, развивая энергетику, например атомную, нельзя забывать о второй стороне медали. С одной стороны, мы предлагаем строить новые атомные электростанции, с другой — необходимо внедрять новые энергосберегающие технологии, придерживаясь разумного баланса. Говоря об энергосбережении, мы сегодня должны активно использовать нанотехнологии, т. е. технологии конструирования объектов, состоящих в пределе из нескольких молекул или даже атомов. Используя нанотехнологии, мы значительно уменьшаем затраты материалов и энергии. Приведу только один пример. Порядка 20 % всей вырабатываемой на Земле энергии сегодня идет на освещение, но если перейти от ламп к светодиодам (а это нанопродукт в чистом виде), то расходы энергии на освещение сократятся на порядок. Это равнозначно постройке нескольких новых атомных станций.

Прогресс в развитии нанотехнологий даст импульс для развития практически всех отраслей экономики, промышленности на ближайшие десятилетия. Нанотехнологии существенно повлияют, таким образом, и на экономический уклад мира.

Россия является одним из важнейших элементов мировой нанотехнологической системы. В настоящее время стартовые позиции в области нанотехнологий и наноматериалов развитых стран, включая Россию, примерно равны. Существуют такие области в нанотехнологиях, в которых российские и советские ученые стали первооткрывателями, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений. У нас производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Большой прорыв сделан в наноэлектронике, успешно внедряются новые открытия в медицину.

К примеру, нанопорошки, за счет сверхмалых размеров частиц они обладают новыми свойствами, которые можно использовать различными способами. Ими можно модернизировать наночастицами композиционные материалы, краски и другие покрытия. Особенное место заняли нанопорошки в медицине и косметике. Уже сейчас производство солнцезащитных кремов с использованием ультрадисперсных порошковых добавок — хорошо сформированный бизнес.

Но это один из удачных примеров, однако, многие достижения, часто обсуждаемые в научной и популярной литературе, применяются на практике только в исследовательских лабораториях или ограниченны наиболее продвинутыми технологиями. В полезные потребительские товары или услуги такие научные открытия могут превратиться только через многие годы, если это вообще когда-либо состоится.

Возможность коммерциализации наноразработок зависит от множества факторов: возможности интегрирования новых устройств в конечные продукты с сохранением и воспроизведением свойств, масштабирования производства изделий до промышленного уровня, стоимости готового товара и рыночных факторов, развития смежных технологий и, наконец, от приемлемости данных нанотехнологий для потребителя. Все это будет определять, смогут ли те или иные нанотехнологии перейти из лабораторий на рынок.

Рынок же  нанотехнологий можно условно поделить на три уровня [5]:

Первый — готовые продукты. Это нанодисперсные материалы: покрытия, керамика, композиты, катализаторы, мембраны, светодиоды и др. Второй — продукты, которые будут готовы к выходу на рынок через несколько лет, т. е. в ближнесрочной перспективе. К этой группе можно отнести наноэлектронные устройства, средства доставки лекарств, изделия микросистемной техники, наноуглеродные материалы. Третий — продукты, которые будут готовы в средне- или долгосрочной перспективе через 8—10 и более лет. Это группа продуктов, к которой можно отнести нанобиотехнологии, гибридные приборы и системы и ряд других.

Всестороннее развитие нанотехнологий должно осуществляться только на принципиально новой междисциплинарной основе. Сейчас работы в области нанотехнологий ведутся различными научными институтами, предприятиями Российской Федерации, многие научные программы по всей стране имеют непосредственную взаимосвязь с нанотехнологиями. Но пока мы не имеем отлаженного механизма организации работ и исследований в этой области. Нанопроект должен иметь продуманную и четко функционирующую схему, некое организующее ядро, которым может быть научная организация национального масштаба, обладающая мощной междисциплинарной научно-исследовательской базой и ориентированная на создание конечного продукта.

Фактически мы являемся современниками новой научно-технологической революции. В течение ближайших 10—20 лет полностью изменится экономический уклад мира [3].

В области нанотехнологий мы находимся в равных стартовых условиях с ведущими мировыми державами. Несмотря на трудности последнего десятилетия, у нас сохранился мощный междисциплинарный потенциал и исследовательско-технологическая база. Для того чтобы обеспечить нашей стране достойное место в новом постиндустриальном мире, необходимо выработать стратегию создания и развития национальной наноиндустрии и объединить усилия государства, научного сообщества и бизнеса для развития новой наукоемкой экономики XXI века.

Список итературы:

1. Гарькин И.Н., Фолимагина О.В. Нанотехнологии в производстве строительных материалов: «Региональная архитектура и строительство», Пенза ПГУАС № 1, 2009 г. С. 111—112.
2. Ковальчук М.В., Нанотехнологии — фундамент наукоемкой экономики XXI века «Российские нанотехнологии» № 1—2 за 2007 г. с 6—7.
3. Ландре Эрик «Общие направления развития нанотехнологий до 2020 г». Российские нанотехнологии. Том 2. № 3—4 2007.
4. Материалы сайта [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:www.phys.rsu.ru (дата обращения 14.08.2012).
5. Материалы сайта [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: www.nanorf.ru (дата обращения 07.05.2012).