Текст книги "Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности"

Выше говорилось о том, что научные достижения имеют тенденцию «эмигрировать» из лабораторий и превращаться в инновационные проекты, причем этот процесс протекает ускоренно, что и описывается законом Мура. Многие компании пользуются для расчета новых систем различными вычислительными приемами, но при этом следует помнить, что моделирование наномасштабных объектов и процессов связано с серьезными теоретическими проблемами. Дело в том, что неоднократно упоминавшиеся уникальные свойства наноматериалов обычно бывают связаны с квантовыми эффектами, которые до сих пор во многом остаются непонятными и загадочными. Физики почти сто лет назад вывели уравнения для квантовых систем и даже умеют аналитически решать некоторые из них. Однако эти уравнения настолько сложны, что и самые совершенные компьютеры могут пока численно моделировать поведение лишь очень простых квантовых систем, типа атома водорода. К глубокому сожалению, это означает, что в нанонауке и нанотехнологии ученые вынуждены пока пользоваться почти исключительно эмпирическими методами, то есть создавать некие нанообъекты в лабораториях, а затем классическим методом проб и ошибок выяснять свойства и характеристики этого объекта.

Разумеется, это обстоятельство весьма огорчит и разочарует многих ученых и инженеров, уже привыкших при проектировании пользоваться разнообразными компьютерными программами (подобными CAD, Computer Aided Design), позволяющими еще на стадии разработок визуализировать объекты. Ничего подобного нельзя осуществить на компьютерах с традиционной архитектурой, и моделирование нанообъектов представляет собой пока неразрешимую задачу, что имеет не только теоретическое, но и сугубо практическое значение. Дело в том, что обычно компьютерное моделирование позволяет значительно сократить время и расходы на стадии разработок нового товара, и это очень важно для любого серьезного коммерческого проекта. Серьезных инвесторов отпугивает возможность затягивания (и соответственно удорожания) стадии научно-исследовательских и конструкторских работ, что может грозить зарождающейся науке и технологии большими сложностями. Кстати, когда-то в таком положении оказалась биотехнология, но ее спасло то, что в качестве инвесторов выступали могущественные и богатые фармацевтические компании, сумевшие довести продукты до коммерциализации.

Представляется удивительным и символическим, что одно из решений проблемы компьютерного моделирования квантовой механики предлагает сама квантовая физика, посдавшая идею создания совершенно нового типа вычислительных устройств (квантовых компьютеров), позволяющих фантастически повысить быстродействие и другие характеристики компьютеров. Более того, принцип действия квантового моделирования напоминает поведение естественных систем, то есть позволяет буквально обойти препятствия традиционной вычислительной техники за счет квантовых эффектов! Можно лишь надеяться, что как только такие квантовые компьютеры будут реально созданы, то именно их начнут использовать ученые для немыслимо сложных расчетов характеристик наномасштабных объектов. На этой стадии нанотехнология станет напоминать современное моделирование и проектирование авиационно-космической техники, которое уже сейчас может осуществляться виртуально, то есть без использования данных, получаемых экспериментально в аэродинамических трубах или их химических аналогах.

На первый взгляд ситуация кажется странной и необычной, но, в сущности, она является совершенно естественной. Обычные компьютеры очень удобны для расчета привычных макроскопических (то есть не квантовых) систем, например автомобилей или самолетов, а для моделирования квантовых систем мы должны придумать и создать именно квантовые компьютеры! Каждый уровень реальности должен описываться собственным языком и собственным типом компьютеров!

Одна из компаний, нацеленных на создание квантовых компьютеров, сейчас пытается заменить кремниевые технологии алюминиевыми, и очень надеется, что в 2008 году сможет сконструировать вычислительную схему размером с ноготь, превосходящую по мощности все существующие на планете компьютеры вместе взятые. Возможно, подобные устройства смогут действительно решать задачи квантовой механики и позволят нам поставить проектирование наносистем и нанообъектов на промышленную основу, что будет означать принципиально новую стадию в развитии нанотехнологий. Потенциальные возможности квантовых компьютеров представляются настолько фантастическими, что профессор Оксфордского университета Дэвид Дейч даже заявил: «Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, на которые современным ЭВМ потребовалось бы время, превосходящее возраст Вселенной!»

Иногда утверждается, что каждый физический эксперимент может быть сведен к сложной процедуре расчета, и для подтверждения (или реализации!) этой точки зрения квантовые компьютеры совершенно необходимы расширения действия закона Мура на квантовые (нанометровые) объекты. С другой стороны, продолжаются и должны продолжаться научные эксперименты в этой области. Стоит особо отметить, что вплоть до самого последнего времени методы создания новых функциональных материалов практически не отличались от тех, которыми руководствовались ученые сотни лет назад. Создание новых материалов и сейчас в огромной степени зависит от личного мастерства и искусства ученого, обычно интуитивно угадывающего удачное сочетание компонент из немыслимого множества вариантов, а затем старательно исследующего и улучшающего полученное вещество. Неожиданные открытия в этой области обычно требуют нескольких лет изнурительного труда!

Некоторые компании (Affimetrix, Intematix и Symyx) предложили новый методологический подход к решению описываемых задач, который может быть назван «массовым экспериментированием». Метод фактически означает применение в материаловедении давно используемого химиками и фармацевтами скрининга, то есть массового обследования веществ с заданной целью. Новый подход с комбинированием огромного числа компонент уже доказал свою высокую эффективность, позволяя получать новые материалы в 100 раз быстрее, чем по традиционным методам. Указанным фирмам уже удалось разработать таким способом некоторые материалы для топливных элементов, батарей, полупроводниковой техники, светоизлучающих диодов и т. п.

Метод, который может быть по праву назван «материаловедческой комбинаторикой», обещает в будущем вытеснить все традиционные способы, поскольку он позволяет образовывать и испытывать сочетания огромного числа известных веществ. В дальнейшем, вполне возможно, речь будет идти и о полном «переборе» всех возможных сочетаний, то есть создании полной «библиотеки материалов», возможность применения которых в конкретных задачах будет изучаться параллельным массовым тестированием, типа применяемого в комбинаторной химии и фармацевтической промышленности. Автоматизированные системы смогут за короткое время «вырабатывать» ту информацию, на получение которой исследователи раньше тратили годы изнурительного труда, что, естественно, существенно ускорит научно-исследовательские и конструкторские разработки во многих областях.

Завершая разговор о коммерциализации нанотехнологий, автор предлагает некоторые соображения и прогнозы развития в этой области.

• Изготовление инструментов и некоторых новых материалов (порошки, композиты) на основе нанотехнологий. Некоторые компании организовали такие производства и уже становятся доходными.

• Производство одномерных химических и биологических датчиков, портативных медицинских и диагностических устройств.

• Начало производства микроэлектромеханических устройств (МЭМС)

• Начало производства двухмерных наноэлектронных устройств (запоминающие устройства, дисплеи, солнечные батареи).

• Появление иерархически структурированных наноматериалов и освоение самосборки биомолекул в нанотехнологических процессах.

• Эффективное использование наноустройств для аккумулирования и преобразования энергии.

• Развитие методов пассивной доставки лекарств в организме и диагностики. Производство имплантируемых медицинских наноустройств.

• Развитие трехмерной наноэлектроники.

• Развитие наномедицины. Разработка искусственных хромосом.

• Использование квантовых компьютеров для расчета характеристик молекул и других нанообъектов.

• Начало массового производства нанотоваров.

Разумеется, наиболее честным прогнозом в долгосрочной перспективе стало бы заявление, что самые важные и интересные открытия еще подлежат «открытию» и таят в себе множество непредсказуемых возможностей. Вообще говоря, будучи последовательным, разумно предположить, что нанотехнологии со временем смогут достигнуть такой миниатюризации объектов, которую мы не можем себе даже представить, особенно с учетом тенденции к «оцифровыванию» всего окружающего, в результате чего (как это ни странно звучит) неким кодом может оказаться и сама материя. Как и в случае оцифровывания музыкальных произведений, процесс изучения неожиданно может привести нас не только к высочайшей точности воспроизведения, но и к новым возможностям «перераспределения» элементов текста. Иными словами, мы сможем обращаться с веществом примерно так, как современные музыканты и композиторы обходятся с текстами любых музыкальных произведений, варьируя и перетасовывая их в любых сочетаниях (собственно говоря, это означает превращение науки в технологию).

После создания самовоспроизводящихся молекулярных машин физика (возможно, неожиданно для самих физиков) рискует быстро превратиться в одну из отраслей цифровых технологий. Основой любого производства новых устройств и материалов до сих пор всегда выступало обнаружение новых закономерностей, но новая парадигма позволит осуществлять «планирование» открытий, логистику развития и оптимальное использование ресурсов почти без участия человека, что в течение нескольких десятилетий должно радикальным образом изменить подход к научному творчеству. Гибкое, быстрое, автоматизированное и предельно экономное производство любых физических объектов может изменить не только общий подход к производству, но даже и само представление о правах собственности.

Серьезнейшие грядущие перемены в процессах производства любых товаров (буквально «всего на свете») должны, конечно, как-то отразиться в социальной структуре. Когда-то автор одного из фантастических романов придумал производство стоимостью в 1 доллар за фунт «чего угодно», но реальный переход к технологическим процессам типа биологических должен привести нас к каким-то принципиальным проблемам, относящимся к основам самого существования человечества и пределам его развития.

Протекающие при таком развитии событий общественные процессы вовсе не будут «гладкими» или простыми, особенно если учесть возникающие возможности изменения самой наследственности человеческих существ. Вообще говоря, до сих пор человеческая история строилась по принципу свободной «генетической беседы» и вариантах ее развития (представьте себе генетический код в качестве одного из текстов, требующих обсуждения и голосования!). Историк Лэрри Лессиг предупреждает, что мы можем вновь попасть в ситуацию, которая возникла более 200 лет назад при заключении знаменитой Декларации независимости США. Любые высказывания в пользу ограничения «свободной речи» будут восприниматься как «дурные» или неправильные, поскольку при строгом научном подходе должны быть рассмотрены все «высказывания», а истина устанавливается именно при свободном обмене идеями. Появление в жизни или на рынке искусственных хромосом (особенно с возможностью их воздействия на граждан в зрелом возрасте) приведет к ожесточенным спорам относительно прав родителей и наследственного права вообще (в качестве шутки можно только предложить, чтобы такие социальные эксперименты осуществил Китай, с его известной традицией почитания предков!).

Реальная проблема состоит в том, что подсознательно мы, люди считаем себя венцом эволюции. В любых спорах относительно искусственного интеллекта и генетического улучшения человеческой природы можно заметить глубоко укоренившийся страх перед теми стремительными переменами (буквально в течение жизни одного поколения), которые наука неожиданно предложила человечеству. Например, совершенно неясно, как должен реагировать человек на возможность существенного изменения собственной природы (проще говоря, желаете ли вы, чтобы ваши внуки значительно превосходили вас по интеллекту и физическому развитию?). В этой ситуации мы стоим перед непростым выбором между собственным эгоизмом и вечной мечтой человечества о хотя бы символическом бессмертии.

Предсказания будущего трудны и становятся все труднее по мере ускорения развития науки. Можно считать, что именно нанотехнология является следующей великой «волной» в этом процессе, подтверждающей общность и величие закона Мура. Нанотехнологические инновационные разработки обещают возникновение множества прорывных бизнес-проектов, которые могут «взорвать» социальное равновесие и одновременно позволят нам «свести» вещество к какому-то коду, поддающемуся нашему воздействию и изменению. В близком будущем человечеству придется, по-видимому, пережить период бурного, экспоненциального роста новых технологий, связанного со слиянием целого ряда традиционных наук (особенно биологии, информатики и т. д.) и их взаимным обогащением и «перекрестным опылением».

Специалисты фирмы DFJ, которую я представляю, считают наше время наиболее подходящим периодом для инвестиций в инновационные компании (старт-апы). Эволюционный «взрыв» в далекой кембрийской эре породил множество новых форм жизни. Тогда каким-то организмам пришлось исчезнуть, но возникшие при «взрыве» виды смогли преобразовать окружающий их мир.

Глава 5
Инвестиции в нанотехнологию

Объем и направления развития нанотехнологий в будущем определяются теми инвестициями, которые вкладываются в них сейчас. Вложения в нанотехнологии осуществляются главным образом посредством заключения партнерских соглашений и лицензирования, а не создания новых компаний, нацеленных на безудержный рост. Венчурным капиталистам (ВК) можно смело рекомендовать вкладывать капиталы даже в тех случаях, когда направления развития новых технологий очень слабо связаны с привычной областью деятельности. Венчурными вложениями занимаются капиталисты, склонные рискнуть не очень большими деньгами в надежде на значительную прибыль в будущем. В этой главе рассматриваются некоторые проблемы финансирования нанотехнологических разработок венчурными фирмами и государственными организациями.

Даниэл В. Лефф

Долгие годы Даниэл В. Лефф был старшим компаньоном известной юридической фирмы Sevin Rosen Funds (Даллас, штат Техас), занимаясь проблемами финансирования организаций и производств, связанных с полупроводниковой промышленностью. Затем он перешел на работу в коммерческую группу Harris&Harris Group, где координировал финансовую деятельность многих известных инновационных фирм, включая Nanomix, InnovaLight, Sana Security и D2Audio.

Д. В. Лефф защитил докторскую диссертацию в отделении химии и биохимии в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса (UCLA) под руководством профессора Джеймса Р. Хита (кстати, лауреата 2000 года премии Фейнмана в области нанотехнологий). Он является автором многих научных публикаций и двух патентов в этой области, а также входит в состав консультативных советов двух влиятельных инновационных организаций (NanoBusiness Alliance и California NanoSystems Institute, CNCI).

Обычно венчурный капитал вкладывается в начинающие, необеспеченные фирмы, единственным преимуществом которых является интересная научно-техническая разработка или идея, позволяющая надеяться на развертывание широкого производства и получение серьезных прибылей. В последние годы именно венчурный капитал был и остается важнейшим источником финансирования новых компаний, связанных с высокими технологиями (так называемых старт-апов). При этом венчурные капиталисты выступают в качестве агентов, находящих финансовые ресурсы для разработок и продвигающих новые товары на рынок, в обмен на оговоренное участие в собственности и будущих доходах. При этом они надеются добиться успеха за несколько лет (обычно за период от 4 до 7 лет), обеспечив в дальнейшем прибыльность 30–50 % в год от исходных вложений. Как показывает опыт, за указанный промежуток времени инновационные фирмы либо добиваются заметного начального успеха, либо разоряются, сливаются с другими и т. д.

Конечно, для венчурных капиталистов представляет интерес лишь небольшая часть высокотехнологических стартовых компаний, что особенно важно для нанотехнологий, поскольку коммерциализация нанонауки вообще только начинается. Принимая решение об инвестициях в стартовые компании, ВК-инвесторы обычно оценивают ситуацию на основе пяти следующих требований: (1) наличие инновационной или прорывной научно-технической идеи (с достаточно хорошо защищенными правами на интеллектуальную собственность), обещающей в будущем появление конкурентоспособного продукта; (2) существование обширного и быстро растущего рынка; (3) возможность быстрой (1–3 года) организации коммерческого выпуска каких-то новых продуктов; (4) наличие слаженной и опытной команды менеджеров и (5) возможность быстрого нахождения рынка сбыта и стратегических партнеров по бизнесу на основе разумных прогнозов высокой прибыльности.

Разумеется, большинство стартовых инновационных компаний не может обладать всеми этими достоинствами, или (что еще более вероятно) такие оценки провести невозможно. В реальной жизни стартовые компании обычно начинают существование без достаточного финансирования, с неполной командой менеджеров, без заказчиков и стратегических партнеров по бизнесу и т. д. Все эти недостатки часто с лихвой искупаются только тем, что во главе старт-апов стоят пассионарные и воодушевленные руководители, верящие в успех, способные организовать разработки и объединяющие сотрудников в единую группу.

Представляется очевидным, что нанотехнологии относятся не к отдельному, сектору рынка, а скорее представляют собой целый набор уже существующих (и бурно развивающихся) новых технологий, способных внести весьма существенные изменения практически во все высокотехнологические отрасли промышленности. Уже сейчас отчетливо прослеживаются огромные возможности применения новой науки в телекоммуникационной технике, биотехнологиях, микроэлектронике, текстильной промышленности и энергетике. Многие инвесторы, кстати, вкладывая деньги в нанотехнологии, исходят исключительно из уникальных возможностей и свойств новых товаров, материалов и процессов. Разумеется, о проблемах нанотехнологий не задумываются и покупатели новых товаров и услуг, которых привлекают лишь преимущества новых товарам по стоимости либо свойствам (или по обоим параметрам).

Применение нанотехнологии для производства новых товаров связано либо со свойствами получаемых нанотехнологией материалов, либо с процессами их обработки на нанометрическом уровне. Следует сразу отметить, что наноматериалы в некоторых случаях действительно обладают множеством уникальных характеристик (включая оптические, электронные, магнитные, физические и химические), что само по себе создает чрезвычайно интересные возможности для их использования и комбинирования с уже существующими технологиями. Неожиданно выяснилось, что фундаментальные свойства и характеристики веществ можно варьировать в широких пределах, изменяя не их химический состав (обычный путь технологов и материаловедов), а физические масштабы элементов системы.

По-видимому, в отличие от бурного и непредсказуемого развития Интернет-компаний в 90-е годы прошлого века, рост нанотехнологических инновационных фирм не будет нарушать фундаментальные законы бизнеса, то есть может быть охарактеризован стандартными представлениями промышленной и деловой активности. Другими словами, развитие нанотехнологий может быть связано, как всегда в бизнесе, с возможностью личного выбора, привычной стратегией торговых операций, стремлением к расширению производства, эффективным распределением капиталов, маркетингом обычного типа и другими параметрами, описывающими развитие новых отраслей производства и бизнеса.

С другой стороны, общее сходство инновационных компаний в области нанотехнологий проявляется в наличии некой научно-технической платформы и команды высокопрофессиональных ученых. Чаще всего такая команда не имеет формального бизнес-плана, сведений о рыночной конъюнктуре, продуманной стратегии выпуска товаров и даже состава менеджеров. Еще одной важной особенностью таких групп часто является их связь с крупными учеными и ведущими научными центрами. Иногда проблема развития сводится к тому, что такие группы и их руководители пользовались ранее лишь грантами на научные исследования, и испытывают затруднения, когда приходится переходить от лабораторных разработок к проектированию и набирать дополнительный персонал из других областей науки и техники или взаимодействовать с другими инновационными компаниями.

Естественно, что почти всегда такие группы состоят из классных специалистов (химиков, физиков, биологов, электронщиков и материаловедов), связанных с междисциплинарными исследованиями (это обстоятельство характерно практически для всех наноразработок, требующих высокого профессионализма). Обычно инновационные компании в области нанотехнологий начинают с поиска более крупных и финансово обеспеченных партнеров, надеясь получить от них не только техническую и инвестиционную поддержку, но и некоторый доступ к уже существующим каналам сбыта и распределения планируемых к коммерческому производству товаров и услуг.

С точки зрения коммерциализации инновационные фирмы (старт-апы) в области нанотехнологий удобно с самого начала разделить на шесть больших групп, в соответствии с областью научных интересов и приложений (наноматериалы и их обработка, нанобиотехнологии, нанопроекты в области программного обеспечения, нанофотоника, наноэлектроника и инструментальная база нанотехнологии). Особый интерес для коммерциализации представляет первая из упомянутых категорий, поскольку многие компании, связанные с наноматериаловедением, уже выпускают множество материалов. Такие фирмы часто пытаются одновременно расширить производство и развить методы обработки или применения новых материалов исходя из их необычных свойств и возможностей, поскольку новые материалы действительно значительно превосходят существующие по важнейшим характеристикам (прочность, сопротивление нагрузкам и «царапанью», высокие коэффициенты электро– и теплопроводности, износостойкость и т. д.). Многие из таких материалов уже выпускаются коммерчески, вследствие чего большинство инновационных фирм в области нанотехнологий связано именно с материаловедением, хотя можно отметить, что по объему инвестиций сейчас лидируют фирмы, занятые наноэлектроникой, нанофотоникой и оборудованием для исследований в области нанонауки.

Нанобиотехнологией называют огромную область разнообразного применения нанотехнологий к биологическим системам, начиная с традиционных разделов биологии и медицины. Достигнутые в этом направлении успехи достаточно известны (новые методы терапии, направленная доставка лекарств в организме, диагностические датчики и т. п.). В дальнейшем можно ожидать новых успехов не только в традиционных отраслях медицины, но и в принципиально новых направлениях, связанных с молекулярной биологией (детектирование и изучение генов, белков, фрагментов ДНК, отдельных молекул и т. д.), что означает существенный прогресс в развитии медицины в целом.

Весьма перспективным направлением является наноэлектроника, где уже сейчас создано множество интересных устройств, которые могут применяться отдельно или в сочетании с другими элементами. Новые электронные устройства значительно превосходят существующие по цене и важнейшим техническим характеристикам, включая очень низкое энергопотребление (~наноВатт), исключительную плотность монтажа (~1 триллион элементов/см²) и сверхвысокое быстродействие (частота переключения ~1 тераГц). Кроме того, многие наноустройства обладают совершенно новыми функциональными особенностями, вследствие чего на их основе могут создаваться и новые типы приборов. В последнее время все большее внимание производителей привлекают логические элементы с большим числом состояний, многоцветные фотоизлучающие диоды с высоким квантовым выходом, энергонезависимые запоминающие устройства, лазеры на квантовых точках, датчики универсального типа и т. п.

Компании, связанные с фотоникой, все чаще начинают использовать наноматериалы и нанотехнологии для выпуска оптических устройств с высокой степенью интеграции, работающих на парциальных волнах, и использовать такие устройства в сочетании с коммерчески производимыми стандартными комплементарными МОП-структурами. Новые устройства позволяют объединить электронные и фотонные компоненты в одном чипе за счет достаточно дешевых технологических операций. В перспективе можно ожидать скорого появления на рынке дешевых и высокоэффективных оптоэлектронных устройств разного типа, включая преобразователи длин волн, перестраиваемые фильтры, устройства совмещения поляризации пучков, перестраиваемые мультиплексоры, оптические приемопередатчики и т. п.

Все большее значение приобретает разработка и производство контрольно-измерительной аппаратуры для нанонауки. Приборы и инструменты, позволяющие изучать химический состав и строение вещества в необходимом диапазоне (значительно ниже 100 нм), можно разделить на две группы. Первая включает хорошо известную и широко применяемую микроскопическую технику: сканирующие и трансмиссионные электронные микроскопы, атомно-силовые микроскопы и т. д. Ко второй группе можно отнести новейшую технику, прежде всего нанолитографию, а также атомные зондовые микроскопы, позволяющие изучать трехмерную структуру и атомарный состав твердых тел и пленок. Такие инструменты и приборы сейчас используются практически во всех нанотехнологических исследованиях.

Особое положение занимает новая область программного обеспечения нанософтвэа (nanosoftware), которую можно разделить на связанную с моделированием и расчетом новых материалов хеминформатику (cheminformatics) и биоинформатику (bioinformatics), относящуюся к специализированной разработке средств изучения и тестирования новых биотехнологических препаратов. Разумеется, деление программного обеспечения для сложных и бурно развивающихся нанотехнологий является довольно условным, поэтому в последнюю категорию иногда зачисляют также разработки архитектуры электронных и фотонных устройств, методы моделирования и автоматической обработки данных по электронным структурам, квантовое моделирование и т. п. Кроме того, при желании в эту же категорию можно занести и разрабатываемые сейчас программы по автоматическому управлению приборами и микроскопами в нанотехнологических исследованиях, программы по обработке данных, получаемых на приборах нового типа.