Текст книги "Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности"

В заглавии этого раздела я пытался обозначить ситуацию, противоположную тому, что принято называть «порочным кругом» (когда одна неудача влечет за собой другую, одна ошибка – несколько других и т. д.). Правильно организованная технология подразумевает очень удачно подобранную комбинацию использования вещества, энергии, методов управления, производственных процессов и систему маркетинга производимых товаров. Отсутствие любой компоненты из перечисленного списка фактически не позволяет технологии реализоваться, даже если она прекрасно проявляет себя в лабораторных или модельных испытаниях. Мне кажется, что сейчас нанотехнологии удачно сочетают в себе все эти элементы, предлагая ученым и производственникам, собственно говоря, самые высокие достижения науки в различных областях.

Более того, сейчас складывается очень благоприятная для развития нанотехнологий обстановка, так как число их сторонников явно превышает число противников. Их наличие не представляет собой очевидной угрозы практически ни одной существующей отрасли промышленности, а скорее обещает многим производствам появление новых возможностей для создания следующих поколений материалов или изделий. Перспективы такого развития кажутся весьма обнадеживающими, так как нанотехнологии означают повышение производительности, беспрецедентные возможности, снижение стоимости и много других преимуществ.

Что может стать существенным препятствием для развития нанотехнологий? Мне кажется, основная опасность заключается в том, что люди, определяющие пути и методы использования новых технологий, не смогут разумно определить их возможности, воздействие и ограничения. Другими словами, новые технологии должны быть правильно восприняты и использованы обществом. Представьте себе, что кто-то пытается заменить обычную пуговицу или застежку-молнию на современную систему фирмы Velcro, но солдаты не желают ее видеть по каким-то психологическим причинам. Поэтому любое производство нанотехнологических продуктов или изделий должно начинаться с тщательного изучения уже существующей практики использования аналогичных изделий. Психологический аспект внедрения должен учитывать все эффекты неожиданных и непривычных свойств новых изделий, их способность соответствовать уже сложившимся условиям и требованиям.

В то же время, появляясь на рынке с новыми товарами и изделиями, производитель должен вести себя достаточно смело, то есть стараться не только угадать скрытые ожидания потребителей, но и предлагать им совершенно неожиданные возможности использования своих изделий. Очень часто покупатели вообще не понимают принципиальной разницы в изделиях и желают (или даже требуют!), чтобы производители продолжали оказывать им привычные услуги, потерявшие смысл после внедрения новых материалов. Можно вспомнить, что при внедрении полупроводниковой техники многие потребители требовали от фирм обеспечить систему визуальной проверки исправности транзисторов, ссылаясь на то, что перегоревшие электронные лампы было очень легко определить по замутнению поверхности стекла. Фирмы-производители в те годы потратили много времени и усилий, убеждая потребителей, что число дефектов при массовом производстве изделий твердотельной электроники настолько мало, что потребность в такой упрощенной проверке просто исчезает. Я уверен, что с такими же нелепыми требованиями и запросами придется столкнуться и создателям наноматериалов и нанообъектов.

С другой стороны, захват каких-то секторов рынка может быть значительно облегчен, если предлагаемое инновационное устройство по каким-то параметрам действительно отвечает ожиданиям потребителей или сразу демонстрирует свое превосходство перед уже существующими прототипами. В области нанотехнологий удачным примером такого подхода может служить появление в мае 2004 года на коммерческом рынке нового типа компьютерных запоминающих и логических устройств с большим объемом памяти (на основе углеродных нанотрубок), которые неожиданно стала выпускать фирма Nantero Inc. в штате Массачусетс[22]22
  http://www.trnmag.eom/Stories/2004/l11704/Nanomechanical_memory_demoed_l11704.html.


[Закрыть].

Кроме того, конечно, остается и возможность неожиданного выпуска совершенно новых, непривычных для потребителя товаров и материалов. Например, фирма Zettacore Inc. (Инглвуд, штат Колорадо) стала выпускать запоминающие устройства, в которых используются органические молекулы (производные хлорофилла), способные к удерживанию электронов. Исследовательская группа университета в Бостоне сумела поразить всех специалистов, продемонстрировав в конце 2004 года аналог компьютерного устройства, в котором привычным для электронщиков состояниям 0 и 1 соответствуют изгибы (в ту или иную сторону) микроскопической балки длиной всего 8000 нанометров. Испытания показали, что такое устройство позволяет не только уверенно осуществлять вычислительные операции и запоминать данные, но и создать запоминающее устройство с объемом памяти 100 Гигабит/дюйм², работающее на частоте около 1 Гигагерца. Такое устройство значительно превосходит по характеристикам все полупроводниковые аналоги.

Выше я привел три примера, относящиеся к разным направлениям развития нанотехнологий (молекулярная инженерия, использование биологических молекул, новые физические эффекты в нанометрических масштабах), которые наглядно демонстрируют широкие возможности, открывающиеся перед учеными и разработчиками в новых технологиях. Давайте забудем о приставке нано – и попробуем еще раз понять, что означает для нас слово технология. В качестве общеизвестного примера мы можем взять, например, технологию производства стрелкового оружия, которая означает, формально говоря, лишь возможность концентрировать энергию в требуемых масштабах и ее дальнейшее использование в удобной форме при требуемых условиях. Источник энергии при этом должен оставаться стабильным и включаться только после срабатывания детонирующих устройств и т. п. Технология должна обеспечивать безопасность изделий во всех остальных ситуациях. Примерно то же можно сказать о нанотехнологиях – они должны обеспечивать концентрацию и использование энергии в требуемых целях, а разница сводится лишь к тому, что эта энергия имеет иные формы и виды (электронная, фотонная или даже механическая).

Продолжая аналогию, стоит вспомнить, что технологии стрелкового оружия непосредственно связаны с материаловедением. Простых материалов достаточно лишь для изготовления очень примитивных устройств (типа пушек), но сложные устройства требуют разработки и исследования свойств множества деталей из разных материалов. Примерно такая же ситуация возникнет при производстве достаточно сложных нанотехнологических изделий.

Завершая сравнение, отмечу, что технология оружия требует развития точных и воспроизводимых методов производства, что подразумевает создание инструментальной базы и целого набора измерительной аппаратуры. С крайне формальной точки зрения, нанопроизводство имеет дело лишь с атомами и молекулами, однако и в этом случае необходимо по крайней мере иметь аппаратуру, позволяющую описывать и оценивать структуры нанометрического масштаба. Кроме того, такое производство требует наличия инструментальной базы, обеспечивающей манипуляции с «нанодеталями», а оценка свойств вещества на этом уровне точности представляет собой совсем не простую техническую задачу.

Я пытаюсь объяснить, что развитие нанотехнологии (подобно любой другой существующей технологии) невозможно без разработки большого числа вспомогательных устройств, измерительных приборов и т. д. К счастью, в последние годы наблюдается заметный прогресс в этом направлении. Например, компания EEI Co (Хиллсборо, штат Орегон) в 2004 году сообщила о возможности получения изображений с точностью около 1 ангстрема, что соответствует размерам отдельного атома водорода[23]23
  http://news.com.com/Superpowered+micro-scope+could+help+focus+nanotech+dream/2100-7337_3-5471939.html.


[Закрыть]. Министерство энергетики США приступило к созданию микроскопа с разрешением 0,5 ангстрема, в котором применяются магнитные «линзы», позволяющие корректировать искажения[24]24
  http://www.dailycal.org/article.php?id=17119.174 Section Three Materials and Industries.


[Закрыть]. В настоящее время первое устройство такого типа монтируется в Национальной лаборатории имени Лоуренса (Беркли, штат Калифорния), а ввод в эксплуатацию намечен на 2008 год.

Образно говоря, в настоящее время нанотехнология переживает свою юность, переходя от неоформленного детского состояния к зрелому и ответственному этапу развития. Для технологии, как и для человека, существуют характерные особенности «юношеского поведения», некоторые из них читатель может заметить сам. На рынке наноматериалов уже стали происходить смешные и анекдотические истории, характерные для начального этапа развития любых новых технологий (история техники полна такими историями). Например, какие-то мошенники смогли продать партию обычной сажи, выдав ее за углеродные нанотрубки, а другим удалось «всучить» покупателям партию очень дорогих в изготовлении нанотрубок специального типа, на одну треть состоящую из использованного при синтезе катализатора, который жулики «забыли» отделить. Такие истории свидетельствуют не только о развитии и становлении рынка, но и о реальном спросе на новые материалы.

Уже можно заметить, что наибольшее число жалоб и споров вызывают поставки тех материалов, которые требуют особой чистоты молекулярных структур и точности производства (например, нанотрубок и фуллеренов). Появление на рынке и внедрение материалов, свойства которых связаны со статистическими характеристиками и легче подаются проверке и измерению (например, нанопористые покрытия), происходит гораздо проще и быстрее. Это вновь напоминает нам о необходимости разработки точной измерительной аппаратуры, систематизированной программы испытаний и не в последнюю очередь согласованных стандартов на количественные и качественные характеристики для нарастающего числа новых материалов с новыми свойствами.

Еще одной особенностью, характерной для «молодых» технологий, становится проблема безопасности использования материалов и изделий неизвестных ранее видов. Например, только сейчас становится ясным, что наночастицы могут беспрепятственно проникать практически через все защитные системы человеческого организма, включая кожу и стенки сосудов кровеносной системы. Эти свойства уже изучались учеными для различных медицинских применений, однако сейчас наступила пора задуматься о возможности токсичного воздействия частиц на организм в целом. Медицина накопила некоторый опыт в этом отношении, так как наночастицы содержатся в автомобильных выхлопах, многих медицинских и косметических препаратах, промышленных отходах и т. п., однако нанотехнологии приведут к значительному росту количества поступающих в окружающую среду частиц и их разнообразия. Все эти вопросы требуют тщательного рассмотрения, законодательного оформления и выработки общественной позиции.

Я начал главу с обсуждения вопроса о реальном содержании нанотехнологий, скрытом под большим числом фантазий, модных веяний и научных капризов. На самом деле представляется очевидным, что нанотехнологии уже доказали свою особую важность для решения фундаментальных проблем, стоящих перед человечеством. Они, безусловно, являются не просто интересными в научном смысле, но могут занять достойное место на коммерческом рынке, так как наноматериалы уже не только продемонстрировали свою конкурентоспособность, но и открыли новые горизонты применения.

Пройдя начальный период развития, нанотехнологии уже перестали быть предметом интереснейших физических исследований и философских рассуждений, превратившись в мощный механизм создания совершенно новых материалов и производственных процессов. На их основе в настоящее время уже созданы и производятся многочисленные и разнообразные изделия (от новых типов тканей до устройств направленной доставки лекарств в организме). Более того, уже создано огромное число успешно функционирующих прототипов других нанотехнологических устройств и материалов, включая готовые к производству образцы новейших радиоэлектронных устройств.

Нанотехнологии являются не научным капризом, а одной из основных тенденций развития современной промышленности. Английская поговорка гласит, что отсутствие новостей – хорошая новость. Исходя из этого парадоксального определения, будем считать хорошей новостью тот факт, что нанотехнологии не только уже существуют, но и превратились в новый товар, новую общую ценность! Умение управлять веществом в нанометрическом, атомно-молекулярном масштабе обещает невиданные изменения в промышленном производстве и связанные с этим огромные прибыли в ближайшее десятилетие или, самое позднее, к концу 2020-х годов.

В качестве еще одной хорошей новости (то есть отсутствия особой новизны!) отмечу, что новейшие открытия в области нанотехнологий позволяют надеяться в близком будущем на достижение поразительных результатов в производстве новых товаров, медицине и образе жизни вообще!

Раздел II
Участники гонки

Глава 4
Коммерциализация нанотехнологии. Работает ли закон Мура в микро– и наноэлектронике?

Стив Джарветсон

Стив Джарветсон является административным управляющим фирмы Draper Fisher Jurvetson (DFJ.com), а также основателем крупных венчурных фирм Hotmail, Interwoven и KANA. Кроме этого, он руководит вложениями своей фирмы в предприятие Tradex and Syras (приобретенное недавно фирмой Ariba and Siena за 8 миллиардов долларов), связанное с молекулярной электроникой и нанотехнологией. Стоит отметить, что Стив Джарветсон является классным специалистом в этой области, поскольку он ранее работал в фирме Hewlett-Packard, где по эго проектам выпускалось семь типов кремниевых чипов. Кроме того, он разрабатывал и занимался маркетингом разнообразных материалов и устройств, выпускаемых рядом ведущих фирм (Apple, NeXT Software), и является одним из крупных и авторитетных экспертов в новых технологиях, инновационной политике и организации новых производств. Его деятельность неоднократно отмечалась, оценивалась и обсуждалась ведущими экономическими газетами и журналами США. Стоит отметить, что журналы Worth и Fortune помещали портрет С. Джарветсона на обложке (Fortune назвал его одним из лучших инвесторов научных разработок), а VC Journal включил его в «десятку наиболее влиятельных венчурных капиталистов США». Журнал Fortune отметил его в своей подборке «Мозговой трест из десяти главных специалистов» (Brain Trust of Top Ten Minds).

Вообще говоря, история любой технологии представляет собой серию резких скачков или разрывов, между которыми развитие описывается возрастающей экспоненциальной кривой, получившей (в очень упрощенной форме) широкую известность в качестве так называемого закона Мура. Он оказался характерным для развития самых разных технических устройств или их характеристик, причем, как это ни странно звучит, действие закона часто кажется независимым от экономических условий роста. Первоначально закон Мура был предложен только для описания процессов развития очень узкой и весьма специфической отрасли электронной промышленности (производства компьютерных чипов), однако его универсальность и популярность неожиданно проявилась во многих других областях (точно так же, как нанотехнология оказалась связанной с множеством наук и технических применений). В этой главе мы подробно обсудим закон Мура, а также его применимость к описанию эволюции нанотехнологии.

Собственно говоря, абстрактные рассуждения о природе закона Мура необходимы автору лишь для одной цели – оценки перспектив развития молекулярной электроники. Дело в том, что теоретические и практические успехи в развитии именно этого направления электроники позволяют очень наглядно и детально обсудить все проблемы, связанные с коммерциализацией нанотехнологических разработок вообще.

Психологически человек всегда склоняется к линейному восприятию соФбытийизависимостей, однако естественным законом (паттерном) развития в биологической и технической эволюции почти всегда выступает ускоряющий рост, что обусловлено заложенной в природных явлениях положительной обратной связью. В настоящее время технология в целом преодолевает некий порог, после которого «разрывы» в развитии перестанут выглядеть случайными, а начнут обретать значимость, связанную с реальными событиями и так называемыми жизненными циклами производимых продуктов.

Сейчас венчурный капитал (ВК) в нанотехнологиях переживает ранний этап развития, для которого характерным является поиск новых «прорывных» технологий (которые можно назвать даже «разрушительными», поскольку они уничтожают старые производства и представления).

Ученые и предприниматели на этом этапе стремятся изменить мир или по крайней мере существующие технологии. При этом для достижения успеха им необходимо проанализировать и «преодолеть» основные тенденции развития предыдущей «технологической волны» развития. Коллектив компании FFJ (Draper Fisher Jurvetson), в которой я работаю, убежден в том, что нанотехнология действительно создает очередную волну технологического развития, способную привести к следующей технической революции и преобразованию не только промышленности, но и всей социальной жизни. Я уверен, что позднее историки будут сравнивать переживаемый нами период с промышленной революцией конца XVIII века, преобразовавшей мир.

Многие специалисты уже сейчас серьезно думают не о краткосрочных проектах и планах, а пытаются угадать среднесрочные тенденции или даже далекие перспективы развития науки и промышленности, связанные с этой волной развития. В связи с этим постоянно возрастает как число предпринимателей, так и разнообразие инновационных проектов в области нанотехнологий. Число новых компаний, в которые инвестирует наша фирма, активно вовлеченная в эту инновационную политику, постоянно растет.

Из предыдущего опыта известно, что в среднесрочной перспективе успех прорывных технологий относительно слабо связан с циклами общей экономической активности, что наглядно доказывает вся история полупроводниковой техники и промышленности. Например, в течение последних 40 лет ее развитие прекрасно укладывается на теоретическую кривую закона Мура, несмотря на множество драматических событий, связанных с политикой и экономикой. Более того, знаменитый автор прогнозов в области нанотехнологий Рэй Курцвейль осуществил даже «абстрагированный» обратный прогноз действия закона Мура. Он рассмотрел прогресс в области мощности вычислений и емкости запоминающих устройств (не только основанных на транзисторах, но и всех вычислительных машин вообще), то есть исторически расширил границы анализа на сотни лет. Результатом его исследований стал удивительный факт: развитие этих параметров прекрасно описывается экспоненциальной зависимостью, на которую почти никакого влияния не смогли оказать исторические катаклизмы, включая две мировые войны и Великую депрессию США на рубеже тридцатых годов. Аналогичный экспоненциальный рост самых разных показателей научных и технических достижений легко проследить в истории развития Интернета, медицинской диагностики, расшифровки генных структур, использования трехмерных паттернов (изображений) внутренних органов или белковых структур и т. д.

Курцвейль попытался свести наблюдаемый экспоненциальный рост наших технологических возможностей (и эволюции в целом) к довольно простой и близорукой схеме: он предположил, что прогресс науки и техники в течение ближайших 20 лет будет просто эквивалентен или сравним с прогрессом за весь предыдущий век. Для большинства специалистов по прогнозированию (вовсе не считающих, что длительность человеческой жизни как-то увязана с периодом в 100 лет) его метафоры и сравнения выглядят полной абстракцией. Всякие сравнения в этой области бессмысленны, поскольку, например, в начале прошлого века в США было всего 144 мили асфальтированных дорог. Условия жизни основной части населения существенно отличались от тех, которые мы сейчас считаем цивилизованными и приемлемыми, например, большинство людей (более 94 %) рождалось дома (а не в благоустроенных больницах), а примерно 86 % населения не имело никакого представления о ванных комнатах, телефоне и электричестве. Читатель может сам представить себе тот уровень технического прогресса, который неминуемо ожидает человечество в 2020 году, задумавшись о предсказываемых возможностях генетики, нанотехнологии и других наук. Экспоненциальный рост технологических возможностей и их применений давно превышает все наши способности к «линейному» прогнозированию будущего. Обещанный социологами «шок будущего» в свете открывающихся возможностей выглядит очень скромным и простым.

История человечества формируется ростом уровня общего знания и технических возможностей, которые и позволяют нам создавать новые инструменты и возможности преобразования мира или познания его закономерностей. Сейчас мы вступаем в эпоху совершенно фантастического роста возможностей человечества, связанных с экспоненциальным развитием в области биотехнологии, молекулярной инженерии, вычислительной техники и множества других областей. «Перекрестное опыление» (на жаргоне биологов) между разными науками и технологиями должно неизбежно привести к множеству новых и неожиданных возможностей. В связи с очевидной тенденцией к «оцифровыванию» любой информации, относящейся к веществам и биологическим процессам, ученые очень скоро получат возможность управлять биологическими информационными системами с невиданной эффективностью, что позволит им начать создание новых структурированных материалов по методике снизу вверх, пользуясь принципами самоорганизации и самосборки.