Текст книги "Роль и место нанотехнологий в национальных инновационных системах"

О. Б. Ломакина А. И. Воинов
Роль и место нанотехнологий в национальных инновационных системах: монография
O. B. Lomakina A. I. Voinov
The role of nanotechnologies in national innovationals systems: monograph

Введение

Мировой экономический и финансовый кризис 2008–2009 гг. в наибольшей мере негативно повлиял на страны с сырьевой направленностью экономики, включая Россию. В результате российская экономика оказалась перед долговременными системными вызовами, отражающими как современные мировые тенденции, так и внутренние барьеры развития. В «Концепции долгосрочного развития Российской Федерации до 2020 года» определены пути, способы и сроки перевода российской экономики на инновационный путь развития. Концепция предусматривает рывок в повышении глобальной конкурентоспособности экономики страны на основе ее перехода на новую технологическую базу, ее структурную диверсификацию на основе применения информационных, био– и нанотехнологий.

Авторитетные международные экономические организации сходятся во мнении, что основой шестого технологического уклада станут нанотехнологии. В ХХI веке наноиндустрия будет определять прогресс и состояние дел во всех сферах человеческой деятельности. Достижения в области нанотехнологий позволяют в недалекой перспективе решать ключевые проблемы цивилизации: энергетическую, экологическую, продовольственную, качества жизни, образования, борьбы с бедностью, болезнями, терроризмом и др. Без учета ресурсов нанотехнологий нельзя также решать задачи структурной диверсификации экономики, повышения ее технологической конкурентоспособности, реализации концепции инновационного развития экономики и дальнейшего формирования национальной инновационной системы (далее – НИС) России. Существенное значение при этом имеет анализ мирового опыта использования нанотехнологий в стратегии развития наукоемких отраслей производства, государственного регулирования инновационной деятельности, их роли и места в НИС ведущих экономик мира. Именно данный опыт должен быть обобщен для создания наноиндустрии в качестве приоритетной отрасли экономики РФ.

Создание и развитие наноиндустрии в России должно быть основано на прочной теоретической и методологической базе, при этом важно определить пути и средства использования механизмов НИС в инновационном развитии экономики страны. Несмотря на ряд исследований и публикаций в этой области, в экономической науке не сложился целостный подход к формированию стратегии и созданию системы управления наноиндустрией в России. Невелико число публикаций о нанонауке, наноматериалах и наносистемной технике и их важности для ускоренной инновационной модернизации экономики РФ. Еще не решен большой круг задач, связанных с улучшением базовых условий инновационного развития, определением степени участия государства в формировании НИС. Также неполностью исследован зарубежный опыт создания и управления наноиндустрией, пути его адаптации в экономику России.

В основе экономических достижений развитых стран и их перехода в стадию постиндустриального развития лежит своевременное создание инновационных экономик (начало 70-х гг. ХХ века). Инновационная экономика представляет собой принципиально новый этап в развитии мировой экономики. Это не просто экономика, использующая инновации, она неотделима от процесса выработки самих инноваций и их реализации. Инновации в современном мире становятся основой экономического роста, обеспечивают постоянное повышение производительности труда, конкурентоспособности товаров и услуг, обеспечивают занятость и повышение уровня жизни населения.

Формирование НИС крупнейшими экономиками мира развернулось с начала 80-х гг. XX века. В современном понимании национальная инновационная система – это совокупность национальных государственных, частных и общественных организаций и механизмов их взаимодействия, в рамках которых осуществляется деятельность по созданию, хранению и распространению новых знаний и технологий. НИС формирует такую систему взаимоотношений между наукой, промышленностью и обществом, когда инновации служат основой развития экономики и общества, а потребности инновационного развития, в свою очередь, во многом определяют и стимулируют важнейшие направления развития научной деятельности. В рамках НИС государство формирует и осуществляет свою инновационную политику. Сегодня нанотехнологии играют роль одного из ведущих локомотивов дальнейшего развития НИС крупнейших экономик мира и совершенствования их внутренних механизмов. Разработка и внедрение нанотехнологий позволяют достигать и поддерживать высокий уровень конкурентоспособности и эффективности экономик стран-лидеров, увеличивают их экспортный потенциал.

На нынешнем этапе мирового развития нанотехнологии занимают важное место в НИС крупнейших экономик мира. По оценкам экспертов, реализуемая на глобальных рынках наукоемкая продукция основана в целом на применении 50–55 макротехнологий, среди которых весомые позиции имеют нанотехнологии. В XXI веке нанотехнологии стали авангардным направлением развития науки и техники. На текущий момент в мире только на научные исследования в области нанотехнологий расходуется примерно $13,5 млрд. в год. В среднесрочной перспективе, по прогнозам специалистов, на сферу нано будет тратиться более $1 трлн. в год. Созданные в процессе формирования инфраструктуры НИС развитых и новых индустриальных стран институты управления научно-инновационной деятельностью и использование ими методов долгосрочного технологического прогнозирования позволили этим странам своевременно принять национальные программы по развитию наноиндустрии. США первыми обеспечили самую широкую поддержку развитию нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники. «Национальная нанотехнологическая инициатива» США явилась моделью подобных программ для большинства развитых стран. На реализацию своих «нанотехнологических инициатив» из бюджетов этих стран выделяется свыше $1 млрд. в год, не считая вложения частного бизнеса, которые значительно превосходят государственные инвестиции. В рамках НИС крупнейших экономик мира, помимо долгосрочных комплексных инициатив по развитию нанотехнологий, действуют и другие государственные программы по их разработке и продвижению. С каждым годом растет число проектов, реализуемых в сфере нанотехнологий, а также количество организаций, работающих в наноиндустрии развитых стран (например, в США их более 2000).

Опыт развитых стран показывает, что инновационные экономики и НИС формируются общими усилиями «макроблоков»: государства, предпринимательской и научной среды. Одной из главных задач является создание адекватных «рамочных условий» для продвижения инноваций и реструктуризации государственных институтов управления. Для изучения состояния вышеуказанных «макроблоков» в развитых странах строятся «профили» НИС. На основе анализа «профиля» НИС России необходимо разработать базовые принципы государственной инновационной политики, способствующие ускоренному развитию отечественного нанотеха.

Сегодня нанотехнологии стали одним из многообещающих инновационных направлений, и наша страна имеет весьма сильные позиции в данной области. В частности, к 2012 году в стадии реализации находилось несколько десятков проектов с общим объемом инвестиций свыше 300 млрд. руб., большая часть которых приходится на долю государства. Однако система организации инновационного процесса в сфере нанотехнологий и управления данной отраслью остается недостаточно эффективной.

Отдельное внимание нужно уделить особенностям правовой защиты результатов нанотехнологий. Их специфическая черта – междисциплинарный комплексный характер, т. е. возможность использования одного и того же изобретения во многих областях, в связи с чем требуются значительные усилия государств по изменению законодательств с учетом накопленного опыта коммерциализации разработок в областях биотехнологий и программного обеспечения, подготовке кадров, взаимодействия в сфере «двойного применения» технологий. Междисциплинарность нанотехнологий также требует обеспечения надлежащей правовой охраны создаваемых объектов интеллектуальной собственности, совершенствования патентно-правовой базы ее охраны и реализации, формирования рынка результатов интеллектуальной деятельности в данной области.

Можно предположить, что в обозримой перспективе нанотехнологии станут ключевым ресурсом для дальнейшего развития инфраструктуры НИС и интеграции России в наукоемкие отрасли мировой экономики.

Глава 1. Нанотехнологии – основа шестого технологического уклада экономики

Слова «нанонаука», «нанотехнологии», «наноструктурированные материалы», «наносистемная техника» стали чуть ли не самыми популярными научными терминами за последние несколько лет. Мы находим их в прессе, слышим по радио и на телевидении, замечаем в речах не только ученых, но и политиков самого высокого ранга.

В предвыборной программе Президента США Б. Обамы было выделено три приоритетных направления развития американской сферы высоких технологий:

1) нанотехнологии;

2) биотехнологии;

3) когнитивная наука.

В «Концепции долгосрочного развития РФ до 2020 года» нанотехнологии также отнесены к числу наиболее перспективных направлений.

В 2000 году в США была утверждена программа «Национальная нанотехнологическая инициатива» (далее – ННИ), что послужило толчком к началу мировой нанотехнологической гонки. Сегодня более 50 стран имеют национальные программы по развитию нанотехнологий. В 2007 году в России была принята Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии».

Уже в докризисном 2007 году общая сумма выпускаемой нанопродукции составила $147 млрд. в год, а с учетом произведенных кремниевых чипов для компьютеров, телефонов, другой электроники – $1,4 трлн.

С 2009 года в Москве вручается ежегодная Международная премия за достижения в области нанотехнологий «Rusnanoprize».

1.1. Что такое нанотехнологии?

Главный стержень будущего мира – атом. Его размер – одна миллиардная часть метра (10^-9 метра). От этой девятки (по-гречески «nanos») и название – нанотехнологии. «Nanos» по-гречески также означает карлик. 1 ангстрем составляет 0,1 нм (одну десятимиллиардную часть метра). Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается стройная геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологии. Необходимо отметить следующее:

микро – 10^-6 м (надмолекулярный уровень);

нано – 10^-9 м (атомарный уровень);

пико – 10^-12 м (субатомарный уровень).

Классический размер атомов по порядку величины равен 0,1 нм; расстояния между атомами в кристаллических решетках того же порядка; диаметр двухспиральной молекулы ДНК = 2 нм; толщина клеточной мембраны – 10 нм; размер вирусов от 100 до 300 нм. Минимальный размер углеродных нанотрубок, синтезированных в настоящее время, составляет 0,4 нм; характерные размеры белков – от 10 до 100 нм.

По мнению ряда современных ученых, жизнь на Земле зародилась миллиарды лет назад в бульоне из первичных нанообъектов – липосом. Сейчас перед исследователями стоит задача использовать в нанофабрикации цепочки ДНК. Также возможно, что развитие области нано– и биотехнологий позволит более детально исследовать теневую биосферу Земли.

Как известно, «пророком» развития нанотехнологий считают американского физика-атомщика, лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана, который в декабре 1959 года в Калифорнийском технологическом институте на Рождественском обеде американского физического общества прочитал известную лекцию «Там, внизу, еще много места. Приглашение в новый мир физики», в которой сказал: «При переходе к изучению самых маленьких объектов мы сталкиваемся со многими разнообразными явлениями, поэтому «внизу» мы будем наблюдать новые закономерности и эффекты, предполагающие новые возможности и варианты их использования». В этой же лекции отмечались принципиальная возможность и непротиворечивость законам физики создания объектов путем манипуляции отдельными атомами, то есть был предсказан один из основных методов нанотехнологии, который сейчас называют «снизу вверх» (bottom-up). Тогда многие физики отнеслись к этой идее как к шутке г-на Фейнмана.

Впервые термин «nanotechnology» был использован японским профессором Норио Танигучи в 1974 году в докладе «Об основной концепции нанотехнологии» для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. Однако в 1974 году до реализации этой технологии было еще далеко, Танигучи опередил события на 20 лет.

В 1952 году советскими учеными Радушкевичем Л.В. и Лукьяковичем В.М. был обнаружен первый наноматериал. Это были широко известные теперь углеродные нанотрубки – они возникали в саже углеродных дуговых свечей. Диаметр «одномерных наноскопических объектов», как их назвали первооткрыватели, составил около 100 нм. Однако в то время это открытие осталось незамеченным. Всемирная слава нанотрубок началась в 1991 году, после публикации статьи японского исследователя Сумио Иидзимы.

Нанотрубки включают в семейство фуллеренов – материалов из одноатомных слоев углерода. Впервые молекулы фуллеренов – похожие на футбольный мяч многогранники из 60, 70 и более атомов, – были получены одним из пионеров нанотехнологий Ричардом Смоли с коллегами в 1980-х годах. Название эти материалы получили в честь инженера и философа Бакминстера Фуллера, который использовал многогранники такой же структуры в строительных конструкциях. Открытый совсем недавно графен, «ковер» из шестиугольных ячеек атомов углерода – материал из того же семейства.

Майкл Роко, один из разработчиков ННИ США, считает, что для достижения единого понимания и признания определения нанотехнологии еще в период 1987–1989 гг. по данному вопросу были проведены широкие консультации между экспертами разных стран, выделившими три характерных особенности нанотехнологий:

1) нанодиапазон материальных структур, являющихся объектами нанотехнологий – от размеров отдельных атомов до 100 нм;

2) способность выполнения измерений (контроля) манипулирования и разного рода преобразований в нанодиапазоне;

3) использование новых свойств и функций, проявляющихся в нанодиапазоне.

Нанонаука – это комплекс дисциплин, целью которых является понимание того, как устроен наномир при использовании общепринятых экспериментальных и теоретических методик.

Нанотехнология – это использование нанонауки в конкретных промышленных областях.

Для развития сферы нано важное значение имеют, в частности, микроскопы и метрологическое оборудование. Первый микроскоп был изобретен в XVI веке в Голландии. Однако с помощью линз и стекол невозможно различить детали менее 400 нанометров – это запрещает физика света. Самый мощный оптический микроскоп увеличивает в 2000 раз – вполне достаточно, чтобы рассмотреть микроба, структурные элементы живой клетки, но не более того.

Гигантский шаг вперед был сделан в 1931 году с изобретением электронного микроскопа, идея которого принадлежит великому ученому-экспериментатору Николе Тесла. Прибор «освещает» образцы потоком электронов вместо видимого света. Современные электронные микроскопы дают увеличение в 2 миллиона раз, в них хорошо виден наномир: вирусы, большие и малые молекулы, даже атомы (Прил. № 1).

Старт новым исследованиям был дан в 1981 году, когда компанией IBM был создан сканирующий туннельный микроскоп, авторы которого удостоились Нобелевской премии (Прил. № 2). С помощью этого микроскопа можно было не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Так была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а значит, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество. Как ни странно, вместо фотонов и электронов здесь работает старая добрая механика – правда, в сочетании с квантовыми эффектами. Этот микроскоп как бы ощупывает изучаемый образец очень тонкой иглой-зондом. Острие иглы толщиной всего в несколько атомов движется на высоте в доли нанометра над образцом. Когда между образцом и иглой прикладывают напряжение, срабатывает квантовый эффект туннелирования – электроны перескакивают с поверхности на зонд.

Наконец, с 1986 года применяется атомно-силовой микроскоп. Он тоже ощупывает образец тонким зондом, но в отличие от туннельного, позволяет изучать и диэлектрики и молекулы в живой клетке.

Самое интересное, что с помощью таких микроскопов можно не только рассматривать фантастические картины наномира, но и создавать их. Ученые не раз демонстрировали сложенные из отдельных атомов надписи и рисунки, а устройства на схожих принципах уже активно используются для изготовления наноструктур.

Для полноценного исследования недостаточно просто увидеть что-то. Надо еще это измерить, описать, установить его структуру и свойства – а также придумать, где использовать.

Современные методы позволяют с высокой точностью анализировать наноструктуры. Но иногда для этого нужны очень непривычные инструменты. Измерениям посвящена целая наука – метрология. Сегодня в ней выделилось отдельное направление – нанометрология.

Если еще до недавнего времени процесс производства строился по принципу «сверху вниз» (bottom-down), то теперь, благодаря нанотехнологиям, он может быть трансформирован по принципу «снизу вверх» (bottom-up). Суть нанотехнологий состоит в манипулировании атомами.

В 1986 году вышла книга американского идеолога нанотехнологического прорыва Эрика Дрекслера «Машины созидания: Грядущая эра нанотехнологии». В ней автор изложил идею молекулярных машин, способных к воспроизводству. Он утверждал, что эти машины – нанороботы, – выйдут из-под контроля, смогут настолько быстро размножаться, что из «машин созидания» превратятся в «машины уничтожения» и поглотят всю биомассу Земли, оставив после себя только «серую слизь». Эта книга и последовавшая за ней дискуссия, в которой приняли участие крупнейшие ученые, буквально ошеломила общество. Благодаря этому нанотехнологии оказались в центре всеобщего внимания. Книга была переиздана в 2007 году.

Прогнозы Дрекслера пока считают фантастикой. Но задачи, о которых он писал – самосборка наноструктур, производство на молекулярном уровне, медицинские манипуляции в наномасштабах, создание крионированного человека – остаются на переднем крае исследований.

В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, д-р Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды (Прил. № 3, 4, 5). Продукты питания – из почвы и воздуха, точно также как их производят растения; кремниевые микросхемы – из песка.

В области медицины возможно создание роботов-врачей, которые будут проникать внутрь человеческого организма и устранять все возникающие повреждения. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану, и они самостоятельно проведут анализ крови, определят, какие медикаменты необходимо использовать и ввести их в кровь.

Конечно, прорыв ожидается и в электронике. Уже в середине 2000-х гг. на микрочипе удавалось размещать 100 миллионов транзисторов, а в ближайшее время за счет нанотехнологий их число возрастет до полутора миллиардов. Это открывает фантастические возможности для создания суперкомпьютеров, о которых пока можно только мечтать. Кроме того, по мнению ученых, именно нанотехнологии будут способны совершать прорыв в создании квантовых компьютеров, работы над которыми вот уже многие годы не приносят ощутимых результатов.

Нанотехнологиям прочат блестящее военное будущее. Военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия «невидимости» (известны самолеты-«невидимки», созданные на основе технологии Stealth), энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

В год утверждения ННИ США (2000 год) лауреатом Нобелевской премии по физике стал известный еще в советское время ученый Жорес Алферов за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто– и микроэлектронных компонентов.

Нобелевская премия по физике 2010 года была присуждена двум российским ученым, работающим за рубежом, Андрею Гейму (Голландия) и Константину Новоселову (Великобритания) за проведение в Манчестерском университете совместных исследований по изучению и открытию новых свойств двухмерного углеродного наноматериала графена.

Есть мнение, что фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами от 1 до 10 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая внесет революционные изменения в технологии ХХI века.

Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т. п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации.

Использование этих свойств в практических приложениях и составляет суть нанонауки.

На ее основе реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно-износостойких материалов и покрытий, катализаторов с высокоразвитой поверхностью, нанопористых мембран для систем очистки жидкостей, сверхскоростных одноэлектронных и туннельно-резонансных приборов для наноэлектроники. Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения.

Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие наперед заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов (Прил. № 6).

Исключительность нанотехнологий в том, что новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, не менее, а порой даже более значимых изменений в экологической, социальной и военной сферах.

Инновационный потенциал нанотехнологий уже сегодня настолько высок, что они активно внедряются практически во все отрасли промышленности.

В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных национальных программ по их развитию и государственной поддержке. Исследования в этой области активно ведутся в Австралии, ЕС, Израиле, Индии, Иране, Канаде, Китае, Сингапуре, США, Тайване, Южной Корее, Японии и в странах бывшего СССР. Государственные программы по развитию нанотехнологий приняли более 50 стран.

По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить свыше $1 трлн. США (Прил. № 7).

Лидером в этой области являются США, а их приоритетная долгосрочная комплексная программа «Национальная нанотехнологическая инициатива рассматривается ими как эффективный инструмент, способный удержать лидерство США в первой половине текущего столетия.

России крайне необходимо иметь на международном рынке нанотехнологий достойный для равных переговоров потенциал.