Нанотехнологии в Японии
Ю.Д. Денисов
К концу XX в. развитие науки и технологий достигло такого уровня, что стало возможным эффективно использовать особые свойства сверхмалых объемов живой и неживой материи. Владея глубокими теоретическими знаниями и располагая уникальным оборудованием, специалисты активно осваивают области, имеющие размеры менее 100 нанометров и создают принципиально новые технологии. Поясним, что приставка нано используется для образования единиц, равных одной миллиардной доле исходной единицы, т.е. метра. Таким образом, 100 нанометров – это 1/10 000 млм., или 0,1 микрона (правильнее сказать, микрометра).
Для процессов, реализуемых в нанообластях, было предложено специальное название – нанотехнологии. Сегодня этот термин получил широчайшее распространение, причем не только в научно-технической, но и в социально-экономической сфере.
Нанотехнологии оказались настолько многообразными по своему содержанию, что возникла необходимость классифицировать их по целому ряду различных направлений: наноэлектроника и наноприборы, нанобиология, наноматериалы, наноанализ и др. Обнаружился и широкий спектр областей их практического применения – промышленность, энергетика, экология, медицина, обеспечение безопасности и т.д. В первую очередь интерес вызывают новые материалы, получаемые методами нанотехнологий и обладающие особыми физическими, химическими и биологическими свойствами. Это, в свою очередь, стимулирует развитие новых направлений в таких областях, как информатика и живые системы, а также открывает путь к созданию возобновляемых источников энергии и эффективных средств охраны окружающей среды.
В настоящее время исследования по нанотехнологиям приобрели ранг национальных приоритетов в США, Японии, странах Евросоюза, Китае, России, а также во многих других странах. Общемировой объем этих работ в 2006 г. составил 12,4 млрд. долл., а общая стоимость продукции, при выпуске которой применялись нанотехнологии, – около 50 млрд. долл.[1] Таким образом, нанопродукты отличаются исключительно высоким показателем наукоемкости – около 25%.
Лидирующие позиции занимают американские ученые и разработчики, что вполне объяснимо – ведь на США приходится 1/3 общемировых расходов на исследования и разработки. Огромный интеллектуальный капитал страны, а также мощная экспериментальная база обеспечивали успешное исследование глубинных тайн вещества еще задолго до того, как нанотехнологии выделились в отдельную отрасль науки и техники. Дополнительным ускорителем стала объявленная президентом США в 2000 г. программа «Национальная нанотехнологическая инициатива», которая консолидировала все значительные работы по нанотехнологиям, а также гарантировала их государственное финансирование. Так, в 2006 г. эти работы были профинансированы правительством в объеме 1,35 млрд. долл., на 2007 г. выделено 1,4 млрд., а на следующий год предполагается ассигновать 1,45 млрд. долл. Практически такие же суммы на проведение наноразработок затрачивает и частный бизнес [2].
В Японии нанотехнологии являются одним из четырех национальных научно-технических приоритетов (к которым относятся также информатика, живые системы и экология). В 2006 г. бюджетные ассигнования на работы в этой области составили 975 млн. долл., а затраты компаний – 1,7 млрд. долл.[3] Главным получателем бюджетных средств является министерство образования, культуры, науки, технологий и спорта (Монбукагакусё). Оно курирует нанотехнологические исследования по 47 обобщенным тематическим позициям, уделяя особое внимание объединению усилий государственных НИИ, университетов и компаний. Этого требует сам характер работ, в которых одновременно сочетаются и элементы фундаментальных исследований, и высокотехнологичные инженерные разработки. Министерство экономики, промышленности и торговли (Кэйдзайсангёсё) руководит обширной программой нанотехнологического материаловедения, а также созданием стандартов и баз данных, необходимых для промышленного освоения результатов разработок.
Огромное внимание к созданию и широкому применению нанотехнологий проявила Японская федерация экономических организаций (Кэйданрэн), нередко называемая «штабом японского бизнеса». Как известно, важнейшей ее задачей является повышение конкурентоспособности японских фирм на мировых рынках и сохранение их лидерства в ключевых отраслях науки, техники и производства. В начале 2001 г. Кэйданрэн опубликовала специальный доклад, в котором намечались основные цели и направления развития нанотехнологий в Японии. Особо подчеркивалась необходимость отделить работы ближнего плана от поисковых и фундаментальных исследований и оперативно приступить к освоению промышленностью уже имеющихся достижений. Это выступление представляло собой развитие декларации, с которой Кэйданрэн выступила годом ранее в ответ на американскую «Национальную нанотехнологическую инициативу», и подтверждало правильность курса тех компаний, которые уже проявляли интерес к разработке и освоению нанотехнологий [4].
Особый интерес в то время вызывали фуллерены – новые кристаллические модификации углерода. Долгое время считалось, что углерод существует лишь в виде двух модификаций: графита и алмаза. Однако в 1985 г. были синтезированы необычные молекулы углерода, в состав которых входило 60 атомов углерода, причем, эти молекулы имели сферическую форму, а атомы углерода распределялись по поверхности этой сферы. В 1996 г. ученым, открывшим углеродные фуллерены, была присуждена нобелевская премия по химии. На основе этих веществ и их производных оказалось принципиально возможным создать новые типы сверхпроводников. Целый ряд полезных свойств проявляют и металлофуллерены. Например, когда в виде фуллеренов синтезируются атомы углерода и железа, образуется материал с чрезвычайно высоким сопротивлением к коррозии.
В 1991 г. японский исследователь С. Иидзима из компании «Нихон дэнки» открыл еще одну необычную структуру – углеродные нанотрубки, как бы свернутые из одного или нескольких слоев атомов углерода и имеющие диаметр от одного до нескольких десятков нанометров. Заслуживают особого внимания электронные свойства таких трубок и их механические свойства (прочность почти в 100 раз выше, чем у стали). Возможности практического применения нанотрубок весьма широки, они могут использоваться в технике электронной микроскопии, в транзисторах и дисплеях, в качестве элементов-поглотителей водорода, при производстве композитов и др.
Создание наноматериалов на основе углерода обещает стать принципиально новым направлением науки и техники, к тому же превосходно обеспеченным сырьевыми ресурсами, поскольку углерод является одним из самых распространенных химических элементов (из 17 млн. веществ, имеющихся на Земле, более 15 млн. – это органические вещества, содержащие углерод).
Использование нанотехнологий приближает практическое осуществление идеи создания микромашин медицинского назначения, именуемых иногда микророботами. Помещенные внутрь кровеносных сосудов, эти устройства должны самостоятельно перемещаться внутри них, разрушая с помощью наноинструментов тромбы или доставляя лекарственные средства в строго определенные места.
О значительном интересе японских фирм к области нанотехнологий свидетельствует, например, деятельность компании «Мицуи», которая определила нанотехнологии как одну из ключевых областей (наряду с информационными технологиями и биотехнологиями)[5]. В ее планы входит создание нескольких НИИ для проведения нанотехнологических исследований и разработок. В компании высоко оценивают возможности коммерциализации результатов этих работ и готовы к осуществлению инвестиций в нанотехнологический бизнес, которые измеряются десятками миллиардов иен.
Уже успешно работают два исследовательских института. Один из них – это НИИ по углеродным нанотехнологиям (Carbon Nanotech Research Institute – CNRI). В его задачи входит проведение исследований для коммерческого производства наноматериалов на основе углерода и поиск новых областей применения этих материалов, а также осуществление научного руководства следующими работами:
– создание опытного завода для производства углеродных нанотрубок диаметром до 10 нанометров с производительностью 1 т/год;
– создание опытного завода для производства углеродных нанотрубок диаметром от 10 до 20 нанометров с производительностью 40 т/год;
– организация опытного производства фуллеренов с производительностью несколько десятков кг/год;
– организация опытного производства металлофуллеренов с аналогичной производительностью.
Второй НИИ, созданный компанией «Мицуи», – это Bio Nanotech Research Institute (BNRI). Он в основном нацелен на решение двух задач. Во-первых, активно продвигать в практическую сферу результаты исследований и разработок по нанотехнологиям, уделяя особое внимание их использованию для решения экологических проблем. Во-вторых, обеспечивать производство нанопористых мембран, т.е. молекулярных сит для разделения различных жидкостей и газов путем их пропускания через эти сита.
В планах компании развитие нанотехнологий, использующих не только углерод, но и другие химические элементы. Кроме того, на повестке дня создание наноэлектронномеханических систем и различных специальных устройств, обеспечивающих монтаж наносистем.
В «Мицуи» считают, что работы по проблематике нанотехнологий должны быть организованы особым образом. В основу этих работ – от исследований до коммерциализации – должна быть положена организационная модель, предусматривающая активное обсуждение ключевых вопросов всей цепочки «наука – техника – производство» с компетентными представителями таких сфер, как правительство Японии, национальные исследовательские институты, университеты, исследовательские лаборатории промышленных компаний. Также должны привлекаться специалисты по планированию из ведущих фирм, руководители ряда малых и средних предприятий, предприниматели из сферы венчурного бизнеса, представители зарубежных научных кругов. Именно такая организационная схема, по мнению руководства «Мицуи», позволит правильно скоординировать весь круг междисциплинарных вопросов.
Практический опыт показывает, что нанотехнологии в целом сложнее, чем информационные технологии или биотехнологии, поскольку требуют для своего развития более глубоких междисциплинарных знаний. Тем не менее, в «Мицуи» полагают, что компания имеет все основания рассчитывать на успех. Гарантией этого является, в частности, внутренняя культура компании, обеспечивающая свободу творчества и поощряющая приобретение новых знаний, а также то, что она имеет реальный опыт организации и руководства сложными проектами, в том числе, и на международном уровне.
С конкретным содержанием наиболее актуальных в настоящее время исследований в области нанотехнологий можно ознакомиться, обратившись к результатам последнего японского прогноза мирового инновационного развития. В этом прогнозе, в отличие от всех предыдущих, появился раздел, в котором содержатся результаты экспертного анализа тематики, относящейся к созданию нанотехнологий. Для удобства ознакомления с результатами прогнозирования эта тематика распределялась по подразделам, которым давалась краткая характеристика в плане их научной и экономической значимости. Ниже приведены названия подразделов, их краткие характеристики и в качестве примеров – наиболее актуальные, по мнению японских экспертов, темы исследований и разработок в рамках каждого подраздела (даны полужирным шрифтом) [6].
Наноизмерения и наноанализ. Активно влияют на развитие научных дисциплин и экономическую деятельность. Лидируют США и Япония.
Система постоянного мониторинга и анализа состояния отдельных атомов и молекул.
Техника использования сканирующего датчика для анализа состава и количественных измерений в нанометровом масштабе.
Методы трехмерной микроскопии для исследования клеток и других мягких объектов.
Нанотехнологии в производственных процессах. Оказывают существенное и непрерывно возрастающее влияние на научную и экономическую сферы. Лидирует Япония.
Производственные технологии, обеспечивающие нанометровую точность обработки деталей.
Изготовление материалов с заданной на наноуровне структурой и свойствами, достигаемыми через самоорганизацию.
Дешевая и удобная технология объемной штамповки с нанометровой точностью.
Нанотехнологии для получения новых материалов и веществ. Научная актуальность и производственные перспективы аналогичны предыдущей позиции. Лидирует Япония.
Технологии синтеза макромолекул с использованием возобновляемых ресурсов вместо обычной нефтехимической переработки.
Технологии, позволяющие использовать органические, неорганические и металлические материалы на наноуровне.
Управление структурой материалов на наноуровне. По вкладу в науку и производство полная аналогия с двумя предыдущими позициями. Лидирует Япония.
Сверхпроводники с точкой перехода на уровне комнатной температуры или выше.
Крупноформатные солнечные элементы из аморфного кремния с эффективностью преобразования энергии более 20%.
Наноприборы и сенсорные наноустройства. Работы в данной области оказывают заметное влияние на науку и быстро расширяют перспективы производства. Лидируют США и Япония.
Устройства и сенсоры, изготовленные с нанометровой точностью.
Наноэлектронномеханические системы. По сравнению с предыдущими направлениями характеризуются несколько меньшим воздействием на науку и производство, но развиваются практически такими же темпами. Лидируют США и Япония.
Нанохирургические манипуляторы для биомолекул, позволяющие манипулировать ими, а также разрезать их, соединять и обрабатывать.
Нанотехнологии для сферы экологии и энергетики. Помимо быстро возрастающего влияния на науку и экономику приобретают большое социальное влияние, в частности, на качество жизни. Лидирует Япония.
Технологии получения водорода путем фотокаталитического разложения воды солнечным светом.
Нанобиологические устройства. Оказывают существенное и непрерывно возрастающее влияние на научную и экономическую сферы, еще больше их влияние на социальную сферу. Лидируют США.
Управляемые внешними сигналами наноустройства, доставляющие лекарства и гены в указанные клетки организма.
Диагностические системы на биочипах, позволяющие точно диагностировать риск возникновения раковых и иных серьезных заболеваний и в течение очень короткого времени получать информацию для назначения лечения.
Нанотехнологии и качество жизни. Пока умеренное, но возрастающее влияние как на науку и экономику, так и на социальную сферу. В обозримой перспективе обеспечат существенный прогресс в улучшении качества жизни и безопасности жизнедеятельности. Лидируют США и европейские страны.
Разработка и принятие стандартов безопасности для материалов и содержимого капсул в микросистемах доставки лекарственных веществ в заданные участки организма.
Сроки получения принципиально значимых решений, которые можно было бы положить в основу их последующего практического использования, для всей указанной тематики не близки, – по оценкам японских экспертов, около 2015 г. Что же касается их регулярного коммерческого использования, оно станет возможным спустя еще десять лет. Вместе с тем, нельзя не видеть всей масштабности сдвигов, которые произойдут в экономике и обществе в результате успешного решения названных проблем.
Как в Японии воспринимается «нанотехнологический бум», и какие ожидания он вызывает? На этот вопрос отвечают результаты социологического обследования, выполненного по заданию Института комплексных проблем промышленных наук и технологий [7]. Причем, респондентам предлагалось выразить свое отношение не только к нанотехнологиям, но и к другим направлениям научно-технического развития – использованию солнечной энергии, информационным технологиям, ядерной энергии, освоению космоса, генной инженерии и др.
Оказалось, что самые большие надежды на улучшение условий жизни японцы связывают с освоением солнечной энергии (80,4% респондентов). Далее следуют информационные технологии (66,1%), Интернет (56,1%) и биотехнологии, включая генную инженерию (55,1%). Нанотехнологии занимают лишь следующую, пятую позицию (49,2%). Впрочем, космос и ядерная энергия обнаружили еще меньше приверженцев (соответственно, 48,1 и 31,0%).
Вместе с тем обращает на себя внимание и то, что возможность отрицательного влияния нанотехнологий признает лишь 2,9% респондентов (по биотехнологиям и ядерной энергии соответственно 14,9 и 26,9%). Наконец, особо нужно отметить, что именно на нанотехнологии приходится больше всего ответов об отсутствии у респондента надлежащих знаний для вынесения своей оценки (43,3%). Действительно, неспециалисту невозможно связать, например, повышение характеристик солнечных элементов или информационных систем с использованием в них (или при их производстве) тех или иных наноэлементов и тем самым по достоинству оценить возможности, открываемые нанотехнологиями. Однако уровень осведомленности японцев о современных научно-технических достижениях постоянно растет благодаря их активной популяризации в японском обществе.
* * *
Из изложенного видно, что современный этап НТП предъявляет к исследователям и разработчикам, а также к материальной базе науки весьма высокие требования. Проникнуть в «наномир», успешно справиться с комплексными, междисциплинарными проблемами можно лишь при высоком творческом уровне специалистов и в отлично оснащенных лабораториях. Первое условие не является неприемлемым для России, богатой на таланты, но оборудование наших лабораторий сильно отстает от современных требований. В этих условиях нашим главным резервом является организация исследований. В июле 2007 г. после тщательной подготовительной работы была создана Российская корпорация нанотехнологий. Ее основная цель – содействие реализации государственной политики в сфере нанотехнологий и развитие инновационной инфраструктуры в этой сфере, а также реализация проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии. В числе основных функций корпорации – рассмотрение конкретных проектов и в случае их одобрения последующая финансовая поддержка, финансирование проектов, предусматривающих внедрение нанотехнологий, обеспечение подготовки высококвалифицированных специалистов[8].
Среди многочисленных откликов на появление этой мощной и богатой организации звучали и сомнения в ее возможностях справиться с предстоящим наплывом претендентов на солидное финансирование, многие из которых могут оказаться лишь «попутчиками», нацелившимися на государственные средства и прикрывающимися своими научными регалиями. Естественно, под подозрение попали и чиновники, которым предстоит распределять ресурсы.
К сожалению, это не праздные фантазии журналистов. При проведении конкурсов, призванных выявить наилучших исполнителей планируемых исследований и разработок, во многих случаях происходят весьма грубые нарушения. Наиболее типичным является предоставление финансирования группам соискателей, среди которых нет авторитетных ученых по заявленной тематике, тогда как известные специалисты получают отказ [9].
На неблагополучное положение дел в отечественной науке указывалось даже в середине 70-х годов, когда в отличие от наших дней в обществе существовало немало различных видов и способов контроля. В одном из своих обращений к молодежи академик Г. Будкер (его имя носит сегодня Институт ядерной физики в Новосибирске) предупреждал о существовании огромного числа «околоученых», ловко маскирующихся под реальную науку и искусно встраивающихся в ее новейшие направления. Он особо подчеркивал, что «люди около науки» умеют создавать и видимость результатов, но эту «результативность» способны по достоинству оценить только специалисты самого высокого класса[10].
Поэтому, чтобы отечественные нанотехнологии были реальны и весомы, а дистанция между мировыми научными лидерами и Россией начала сокращаться, необходимо постоянно работать над оздоровлением научной среды и, конечно же, сделать ее привлекательной для талантливых молодых людей. Есть надежда, что российская «нанотехнологическая инициатива» станет эффективным катализатором этого процесса.
Примечания
[1] http://www.luxresearchinc.com/press/RELEASE_NationsRanking2007.pdf
[2] National Nanotechnology Initiative. FY 2008 Budget & Highlights. Wash. DC, 2007, p. 3.
[3] См.:http://www.luxresearcyinc.com/press/RELEASE NationsRanking2007.pdf
[4] http://www.keidanren.or.jp/english/policy/2001/014.pdf
[5] Mitsui in Action, December 2001, p. 2–5.
[6] The 8-th Science and Technology Foresight Survey. Tokyo, 2005, p. 318–341.
[7] Asia Pacific Nanotech Weekly. 2006, № 6, p. 2.
[8] Российская газета. 25.07. 2007.
[9] Наука Москвы и регионов. 2005, № 3, с. 31.
[10] Возраст познания. М., 1974, с. 130–131.
