Нанопрогресс и нанопурга

Игорь Лавриненко, Светлана Крюкова, "Експерт", №50, 2009

http://expert.ua/articles/43/0/7384/

От успешности развития и внедрения нанотехнологий будет зависеть конкурентоспособность страны в XXI веке

Каждый новый технологический уклад приводит к обвальному снижению затрат и появлению новых потребностей человека. В начале ХХ столетия это был транспорт — массовое применение двигателя внутреннего сгорания, развитие автомобилестроения и авиации во много раз снизило стоимость передвижения людей и транспортировки грузов. В конце прошлого и начале нынешнего века аналогичные процессы произошли в сфере связи и обработки информации — внедрение компьютеров, Интернета, мобильных телефонов, цифровых фото- и видеокамер сделало хранение, обработку и передачу информации в разы дешевле. В ХXI столетии мы будем экономить, а маркетологи выявлять новые потребности у потребителей при помощи нанотехнологий.

«Нано» означает одну миллиардную долю. Нанометр — миллиардная доля метра. Именно такие размеры характерны для молекулы. Впервые о технологической возможности манипулирования отдельными молекулами заговорил американский физик-теоретик и нобелевский лауреат 1965 года Ричард Фейнман в своей лекции, прочитанной в Калифорнийском технологическом институте на рождественском обеде Американского физического общества в канун 1960-го.

Где здесь деньги?

Долгое время нанотехнологии были интересны только ученым и фантастам, но за последние несколько лет эта сфера стала объектом пристального внимания со стороны государства и бизнеса. В России была создана госкорпорация «Роснано» во главе с Анатолием Чубайсом с целью инвестировать миллиарды рублей в наносферу. В США, Евросоюзе и Японии также выделяют миллиарды государственных долларов, евро и триллионы иен на развитие нанотехнологий.

Динамичное развитие научных исследований в этой области отражается в огромном потоке публикаций (ежегодно на свет появляется около 800 тыс. научных статей) и стремительном росте числа патентов на изобретения. Лидерами здесь являются Соединенные Штаты и Европа. Значительно увеличилось количество исследований, проведенных в области нанотехнологий, в Китае. Сегодня в этой стране работает около 800 компаний соответствующего профиля и более ста научно-исследовательских институтов. Большинство из них ориентировано на удовлетворение нужд оборонно-промышленного комплекса КНР. По общему объему патентов в области нанотехнологий однозначно лидируют США — на долю американских компаний, университетов и частных лиц приходится около 40% всех выданных в мире патентов в этой сфере. По официальной статистике, число наноизобретений здесь превышает три тысячи в год. Эту тенденцию давно «вкусили» крупные мировые корпорации, направив часть инвестиций в нанотехнологии.

Если в 2004 году в эту отрасль в мире инвестировано 8,6 млрд долларов, то к 2015-му, по оценкам американской компании Lux Research, сумма достигнет триллиона долларов. Сейчас на нашей планете существует около 16 тыс. нанокомпаний, а к 2015 году, по прогнозу Национальной научной организации США (NSF), предприятия, которые станут работать в этой сфере, создадут от 800 тыс. до двух миллионов новых рабочих мест.

Технологии и материалы

Впрочем, об использовании нанотехнологий в чистом виде в промышленных масштабах говорить пока не приходится. Еще не решена одна из наиболее важных задач — создание робота размером с бактерию, способного самостоятельно строить из атомов различные объекты, а также себе подобных — реплицироваться, как это делают живые клетки. Американский инженер и популяризатор нанотехнологий Эрик Дрекслер назвал подобные машины «ассемблерами», т. е. сборщиками. Ученые пытаются создать их при помощи управляемого механосинтеза — формирования химических связей за счет механического приближения атомов друг к другу. Однако в этом направлении сделано пока немного. В активе науки есть туннельный микроскоп (прибор, способный манипулировать отдельными атомами) и попытки сделать элементы молекулярного двигателя. В частности, уже существует молекулярный пропеллер — наноразмерное устройство в виде молекулы, способное совершать вращательные движения благодаря своей специфической форме. В целом нанотехнологии смогут выйти в полномасштабное коммерческое применение после того, как будут решены три проблемы: самоорганизация наноматериалов, их самоформирование и самосборка. Человек «ручками», при помощи туннельного микроскопа, выложить из атомов слово IBM может, а построить из них же автомобиль — нет.

Несмотря на всю фантастичность задачи, часть проблем ученым всё-таки удалось решить. К примеру, уже разработаны технологии самоорганизации и самоформирования наноматериалов под воздействием магнитного поля, света или во время фазового перехода при изменении давления или температуры. И эти материалы находят практическое применение.

Сейчас самый разработанный и перспективный класс наноматериалов — фуллерены, одна из аллотропных форм углерода (другие известные его аллотропные формы — алмаз и графит). Это выпуклые замкнутые многогранники, состоящие из четного числа атомов углерода. Наиболее прост в изготовлении фуллерен из шестидесяти атомов углерода, напоминающий футбольный мяч.

Нобелевский лауреат по химии 1996 года Ричард Смолли выяснил, при каких условиях, давлениях и температурах возникают фуллерены, чем открыл путь к коммерческому использованию этого класса материалов. Их можно применять в оптике и микроэлектронике. Фуллереновую сажу сейчас используют как добавку к маслам для уменьшения износа деталей двигателя. Фуллерены содержатся в современных типах аккумуляторов, огнестойких красках и солнечных батареях.

Несмотря на технологическую сложность и неочевидность результата при инвестициях в сферу нанотехнологий, развитые государства делают ставку именно на них, рассчитывая, что эти технологии станут наряду с биотехнологиями и альтернативной энергетикой одним из элементов в ходе перехода к шестому технологическому укладу. Именно инвестиции в эти сферы являются основой антикризисной программы в Соединенных Штатах. Американский лидер Барак Обама принял новую энергетическую стратегию США, в соответствии с которой акцент делается на солнечной энергетике и электромобилях. Огромные пустыни Аризоны и Невады должны быть покрыты солнечными батареями. В соответствии с принятым планом 69% всей электроэнергии и 35% всей тепловой энергии к 2050 году должны будут обеспечиваться солнечной энергетикой, а транспорт перейдет на электричество. Однако эти планы могут стать коммерчески успешными, только если при изготовлении солнечных батарей и аккумуляторов станут применяться наноматериалы.

Сейчас нанотехнологии используются в процессе производства как минимум 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. На полученную с применением нанотехнологий продукцию приходится около 0,01% мирового ВВП, а к 2010-му этот показатель может составить уже 0,5%. Крупнейшими потребителями нанотоваров являются компании по охране окружающей среды (56% общего объема рынка), электроники (20,8%) и энергетики (14,1%). В будущем, по оценкам агентства Research Techart, наибольшим спросом будут пользоваться наноматериалы (углеродные нанотрубки, нанопроволоки, нанопористые материалы, наночастицы, наноструктурированные металлы, дендримеры, фуллерены) и продукция наноэлектроники. Такие материалы достаточно просты в изготовлении, и, что не менее важно, для них уже есть рынок сбыта. Например, нанодобавки в бетон в разы улучшают его механическую стойкость и морозоустойчивость, а при помощи специального наногеля строители ликвидируют карстовые пустоты под строениями — он очень гигроскопичен и заполняет собой весь объем пустоты, после чего твердеет. В сельском хозяйстве при помощи коллоидного наносеребра обрабатывают семена перед посадкой. Композиционные наноматериалы, в которых молекула лекарства соединяется с молекулой металла, используются в химиотерапии и стоматологии.

Хотя основные открытия в наносфере еще впереди, ими уже пугают людей. Эрик Дрекслер в своем романе «Машины Создания: грядущая эра нанотехнологии» описал нанороботов, вышедших из-под контроля. Роботы из-за ошибки в программе стали разбирать всё вокруг себя на атомы, из которых они тут же собирают собственные копии. За два года вся биосфера Земли превращается в месиво, состоящее из одних нанороботов. Британский принц Чарльз испугался подобной перспективы, в стране началась кампания против нанотехнологий, в результате чего английский парламент наложил ограничения на развитие таких технологий в Великобритании. В итоге страна за последние годы заметно отстала в этом вопросе от Соединенных Штатов, Китая, Японии и многих европейских государств.

НаноУкраина

«Нанотехнологиями занимаются все развитые страны мира, наноразработки ведутся почти во всех отраслях промышленности, поскольку применение наноматериалов способно изменить свойства традиционных продуктов и сделать товар более конкурентоспособным», — уверен бывший глава Агентства по вопросам инвестиций и инноваций Виктор Ивченко. «По прогнозам специалистов, наступление нанотехнологической эры ожидается не ранее 2050 года. Поэтому о том, как нанотехнологии будут использоваться в Украине, следует обращаться к писателям-фантастам», — так прокомментировал будущее нанотехнологий в нашей стране заместитель генерального директора по технологическим и опытно-конструкторским работам Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» Национальной академии наук Украины Валерий Шулаев.

Тем не менее в нашей стране работает более сотни научно-исследовательских институтов, которые занимаются вопросами материаловедения, разработкой космической и медицинской техники, оптики и микроэлектроники с использованием нанотехнологий. К сожалению, долгое время вопросы развития таких технологий находились вне поля зрения государства. Подавляющее большинство институтов остались не только без денег, но и без заказчиков из-за сворачивания финансирования военно-промышленного комплекса. В результате разработки украинских ученых в сфере нанотехнологий если и востребованы, то только за рубежом. Для получения прибыли необходима коммерциализация инноваций, а это будет возможно в лучшем случае через десять лет после открытия новых веществ или свойств ранее известных материалов.

«Сегодня нанотехнологии — это чистая наука, бесприбыльная и даже убыточная. Частные инвесторы не хотят инвестировать в это направление», — говорит профессор Киевского политехнического института, директор научно-производственного предприятия «Лилея» Сергей Петренко. Его компания производит приборы для формирования движения и управления им в микро- и нанопространстве. «Мы отрабатываем технологии работы с нанообъектами, конкретнее, разрабатываем и изготавливаем наноманипуляторы на основе пьезоэлектрических принципов. Наши разработки защищены патентами в США, Украине, России. Мы выпустили более двух сотен таких наноманипуляторов, которые сейчас используются в научных лабораториях по всему миру. Несмотря на кризис, мы существуем и развиваемся. Однако в целом отечественный нанорынок практически нулевой. У нас есть партнер в Соединенных Штатах, мы работаем по его заказам, и по такому пути пошли многие украинские ученые», — отмечает Петренко. По его словам, чтобы вести бизнес в этой сфере, нужны не только деньги, но и соответствующее научное мировоззрение.

Успешных примеров немного. Пока на отечественный рынок выпущено лишь несколько собственных разработок. К примеру, компания «Наносвіт» выпускает комплекс препаратов, призванных продлевать жизнь цветов. «Срезали, поставили в вазу, добавили специальный раствор с наночастицами — и цветы будут месяц стоять без необходимости смены воды. Этот товар пользуется неплохим спросом у цветочных компаний, мы активно сотрудничаем с рынками и цветочными магазинами», — рассказывает Арарат Егизарян, директор компании «Нанозанг», предоставляющей консалтинговые услуги в области нанотехнологий.

Однако бОльшая часть реализованных на украинском рынке нанотехнологий — зарубежные. Алексей Бойко, директор компании «Нанопротект», которая занимается реализацией смазочных композитов на основе наноструктур, главной проблемой называет общую неосведомленность потенциальных заказчиков. «В Украине этот бизнес только зарождается. На рынке автохимии долгое время присутствовал некачественный товар — потребитель разочаровался в присадках, и сегодня наша главная задача — убедить его в том, что наш товар качественный. К примеру, присадки компании увеличивают мощность двигателя на три-десять процентов, уменьшают расход топлива на пять-десять процентов, снижают выбросы вредных веществ в атмосферу, вибрации и шумы, однако мало кто верит этому эффекту из-за недобросовестных конкурентов», — говорит Бойко. На спекуляции вокруг нанотехнологий жалуется и Егизарян: «Приставка ”нано” стала своеобразным брендом, все кому не лень лепят ее, когда хотят придать значимость товару. Отсюда и возник популярный ныне термин — ”нанопурга”».

У Алексея Руденко, директора украинской компании «Нанолюкс», продающей защитные покрытия для различных поверхностей, со сбытом проблем нет. Он утверждает, что вопреки ожиданиям товар его предприятия пользуется спросом среди отечественных потребителей. В частности, особенно популярны покрытия для автомобилей, защищающие их от загрязнений и коррозии. «В той же Европе нанопокрытия существуют не один год. Например, автомобиль BMW седьмой серии получает его сразу на заводе. В прибрежных городах, где океанская соль разъедает краску машин, до 80 процентов авто еще на этапе предпродажной подготовки дополнительно обрабатывают нанопокрытием. Мы подумали, что и украинским автолюбителям должны понравиться такие технологии. Несмотря на полное отсутствие рекламы, спрос достаточно высокий как со стороны бизнеса (многие пытаются стать нашими партнерами), так и со стороны физических лиц», — хвастает Руденко.

Впрочем, несмотря на оптимизм ученых и предпринимателей-энтузиастов, шансов на создание самодостаточной индустрии в сфере нанотехнологий в Украине нет. Не поможет даже кооперация с Россией (соответствующая договоренность была достигнута НАН Украины с Российской академией наук два месяца назад). В нашей стране есть научный потенциал, однако нет ни необходимого капитала для внедрения разработок в производство, ни, что самое главное, — спроса. Суперконденсаторы, нанопорошки или биоимплантанты украинского производства некому покупать. А самостоятельный выход на международный рынок очень сложен и дорог.

«Государству необходимо выделить для поддержки два-три направления в сфере нанотехнологий, которые следует интегрировать с аналогичными направлениями в России или Европе. Например, та же Российская Федерация нуждается в наших манипуляторах. Ведь они создают различные наноматериалы,  и им нужно наше оборудование. Мы готовы его поставлять, если получим необходимое финансирование», — отмечает Сергей Петренко.

Помочь развитию нанотехнологий в нашей стране мог бы аутсорсинг, то есть проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по заказу транснациональных корпораций силами украинских ученых и конструкторов. В этом случае патенты, права на объекты интеллектуальной собственности, будут принадлежать зарубежным заказчикам, однако отечественные ученые смогут работать у себя в стране и получать за свой труд адекватное вознаграждение. Таким образом, в случае сохранения научного потенциала и создания инфраструктуры для венчурных инвестиций у Украины есть шанс позиционировать себя в качестве центра наноразработок.