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

1.2. Содержание понятий «наноматериалы» и «нанопродукты»

Впервые термин «наноматериалы» ввел в научный обиход Г. Глейтер. Им же была обоснована концепция появления новых свойств у таких материалов, основывающаяся на значительном влиянии роли межзеренных границ и других поверхностей раздела в них.

Термин «наноматериалы» охватывает большую группу различных материалов (наноструктурные, нанофузные, нанопористые, нанокомпозитные и т. д., а также нанопорошки, нанокапсулы, нановолокна, нанопленки и т. д.), полученных с использованием нанотехнологий. Характерный признак этих материалов – наличие в них структурных элементов (кристаллитов, пор, волокон, слоев и т. п.), величина которых не превышает так называемого нанотехнологического предела – 100 нм.

Некоторые специалисты предлагают разделить все наноматериалы на основные и производные. Наностержни, нановолокна, нанотрубки и наночастицы, вне зависимости от того, из каких веществ они образованы, это – категория основных наноматериалов. Главный признак, позволяющий отнести их к «наносфере», заключается в принадлежности двух или трех измерений объекта к «нанодиапазону» от 1 до 100 нм.

Помимо основных наноматериалов (наночастиц, наностержней, нановолокон и нанотрубок) следует выделить категорию производных наноматериалов, представляющих собой более сложные комплексные структуры, содержащие основные наноматериалы. В качестве представителя производных наноматериалов можно рассматривать нанокерамику, получаемую прессованием и спеканием первичных наночастиц, например, простых или сложных оксидов металлов.

Однако ограничиться только размерными параметрами в определении наноматериалов было бы не совсем правильно, если не касаться другого, очень важного феноменологического признака принадлежности к миру «наноявлений», а именно – проявления принципиально новых свойств «нанообъектов», отличающих их от аналогичных материалов другого размерного диапазона.

В качестве примера приобретения наночастицами принципиально новых функциональных и, в более широком плане, физических свойств, можно привести применение наночастиц двуокиси титана (TiO₂) или оксида цинка (ZnO) в солнцезащитных кремах для поглощения вредной ультрафиолетовой составляющей солнечного света.

Следует отметить, что критерии относимости того или иного материала к категории наноматериалов со временем меняются.

Термин «продукт» в общем виде может быть определен как вещественный или нематериальный результат человеческого труда (предмет, научное открытие, идея).

Данному определению соответсвуют как наноматериалы, так и изделия, созданные с использованием наноматериалов/нанотехнологий.

При изготовлении товаров конечного потребления с использованием наноматериалов/нанотехнологий наноматериалы являются часто лишь небольшой составной частью товара, придают ему дополнительные свойства, не меняя исходного назначения товара.

Можно привести примеры таких продуктов:

• смазка Cerax Nanomax;

• водонепроницаемая лыжная куртка Franz Ziener;

• немнущаяся, подвергнутая нанообработке одежда;

• высокоэффективные светозащитные очки;

• солнцезащитный крем Z-COTE;

• теннисные ракетки Babolat;

• теннисные мячи InMat;

• аэрогельные согревательные средства для ног Snockjock;

• клюшки для гольфа Maruman & Co.;

• средства ухода за кожей Bionova;

• болеутоляющий крем для суставов и мышц Flex Power;

• протезный стоматологический материал компании 3М.

В этой связи предлагается разделить нанопродукты на первичные и вторичные.

Первичным нанопродуктом являются наноматериалы, составляющие ядро рынка нано. Они используются в производстве товаров конечного потребления, которые в свою очередь являются вторичными нанопродуктами.

Поэтому термин «нанопродукт» используется двояко. При рассмотрении ядра рынка под нанопродуктом понимаются наноматериалы. При рассмотрении промышленной и потребительской продукции под нанопродуктом понимаются изделия, созданные с использованием наноматериалов/нанотехнологий. Такой подход полностью согласуется с принятыми в России критериями отнесения продукции к нанотехнологической. В соответствии с Поручением Правительства РФ Минобрнауки России представило критерии отнесения продукции (товаров, работ, услуг) к категории «продукция наноиндустрии».

Выделены три группы нанотехнологической продукции:

группа 1 – первичная нанотехнологическая продукция;

группа 2 – наносодержащая продукция;

группа 3 – нанотехнологические работы и услуги.

Первичная нанотехнологическая продукция – продукция (нанообъекты, наносистемы, особо чистые вещества), созданная непосредственно с применением нанотехнологий, включая базовое сырье и полуфабрикаты для наноиндустрии.

Наносодержащая продукция – продукция, содержащая нанотехнологические компоненты, в том числе произведенная с использованием первичной нанотехнологической продукции.

Нанотехнологические работы и услуги – работы и услуги, проведение которых осуществляется с использованием нанотехнологий или технологий применения первичной нанотехнологической и (или) наносодержащей продукции.

По мере развития нанотехнологий и увеличения количества выпускаемой и реализуемой продукции, созданной на их основе, очень важным станет выработка единой, признанной на международном уровне, терминологии, методик оценки потребительских свойств, качества и безопасности такой продукции, т. е. актуальность проблемы стандартизации в сфере нанотехнологий по мере их развития будет только возрастать.

Успешное развитие нового междисциплинарного научно-технического направления, связанного с нанотехнологиями, в значительной мере зависит от создания единой, стандартизованной и признанной на международном уровне терминологии в данной области. Это необходимо для эффективного профессионального общения и взаимопонимания как между представителями различных наук, так и специалистами разных стран.

1.3. Нанотехнологии сегодня и завтра

Уже сегодня рынок нанопродукции огромен. $147 млрд. – стоимость товаров, выпущенных во всем мире в 2007 году с использованием новейших, только что созданных нанотехнологий. Почти в десять раз больше – $1,4 трлн. получится, если учесть «старые» нанотехнологии, прежде всего – производство кремниевых чипов для компьютеров, телефонов, другой электроники. Но вскоре и эти «старые» сменятся новыми, а объем нанопродукции будет быстро расти – ведь только на исследования по нанотехнологиям расходуется $13,5 млрд. в год.

Энергетика, электроника, биология и медицина – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас. Приведем несколько примеров.

Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях. Теперь в солнечных регионах все чаще можно видеть крыши, покрытые кремниевыми панелями. К сожалению, стоят они довольно дорого, а электричества дают не так уж много, используя лишь 14–15 % энергии света. Эффективность батарей на основе галлия, индия, германия достигает 34 %, но они еще дороже кремниевых; как раз их-то и ставят на космические корабли.

Нанотехнологи успешно осваивают солнечную энергетику. В промышленных масштабах начинается выпуск солнечных батарей нового поколения – вместо дорогого кристаллического кремния применена дешевая полимерная пленка, которую обрабатывают на переделанных машинах для производства фотопленки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю, как раз и использованы нанотехнологии – покрытие из фуллеренов.

Каждому из нас близка энергетика плееров и диктофонов, фонариков и игрушек, а ее основа – литийионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литийионных аккумуляторов, содержащих наночастицы – они заряжаются с немыслимой еще вчера скоростью: на 80 % всего лишь за минуту (обычно для этого требуется не менее часа).

Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Базовые элементы компьютерных микросхем стали меньше 100 нм еще в 2003 году, при этом производительность и емкость памяти радикально выросли. Прогресс в этой области ускоряется – достаточно взглянуть на процессор Intel образца 2008 года, произведенный по нормам 45 нм. Он работает на тактовой частоте около 3 ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. При этом количество транзисторов по сравнению с процессором предыдущего поколения (на элементах 65 нм) удвоилось. Однако применение нанотехнологий не ограничивается уменьшением размера транзисторов – появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем.

По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих около 50 млн. транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных интернет-устройствах, – таким образом, полупроводниковые нанотехнологии обеспечивают постоянный доступ к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам интернета.

Действие лекарства часто усиливается, если оно используется в виде наночастиц или заключено в нанокапсулу. Иногда, даже просто контакт нанокапсулы с больной клеткой может быть ценным лечебным воздействием. Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты действуют сильнее обычных, но атакуют, главным образом, клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств). Эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз.

Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применять в виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющие повязки для ожогов и серьезных ран, содержащие такое наносеребро. Несколько лет назад начат выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.

Нанодатчики – важнейшее направление медицинских нанотехнологий. Главная их задача – диагностика тяжелых заболеваний на самой ранней стадии, когда с ними гораздо легче справиться. Из наноматериалов здесь шире всего применяют квантовые точки и нанотрубки. Квантовые точки – нанометровые кристаллы полупроводника, способные светиться в разных диапазонах – используются для сигнализации при исследованиях. Нанотрубки обычно работают как чувствительные элементы датчиков, реагируя на те, или иные молекулы – признаки заболеваний.

По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы в коммерческих продуктах.

Аккумуляторы смогут не только накапливать электрическую энергию, но и преобразовывать в нее свет или тепло. Солнечные батареи будут совмещаться с конструкционными материалами – в идеале дом обеспечат электричеством его стены и крыша. В ближайшие десять лет нанотехнологи готовят революцию в солнечной энергетике – резкое снижение цены при резком росте эффективности. Главный кандидат в фотовольтаики (преобразователи света в электроэнергию) следующего поколения – квантовые точки. Квантовая точка – полупроводниковый кристалл размером в несколько нанометров. Когда в квантовую точку попадает фотон, он освобождает до семи электронов (в кремнии, применяемом сегодня, – только один).

Многослойные фотовольтаики на квантовых точках могут в принципе достичь эффективности в 86 %, хотя более осторожные теоретики предсказывают – 40–45 %, что тоже очень неплохо (сегодня этот показатель всего лишь 16 % в массовом секторе). Тонкие пленки, насыщенные квантовыми точками, будут гораздо дешевле и удобнее в использовании, чем нынешние солнечные батареи.

Электроника тоже не будет стоять на месте. Очень вероятно, что вместо кремния в компьютерах будут применяться иные материалы, например, графен, углеродный слой из атомов, объединенных в шестиугольные ячейки. Но не исключено, что процессорный чип будет похож на лес из нанотрубок-транзисторов, а «выращивать» такие леса будут при помощи молекул ДНК.

Ридеры для электронных книг в виде тонкого пластикового листа формата А4 должны поступить в широкую продажу. Такие устройства будут просто печататься на пластике вместе с процессором и дисплеем, а наномасштабов элементы пластиковой логики вполне могут достичь лет через 5–10. Тогда и мощный компьютер можно будет наклеить на стену в виде плаката или даже стикера.

В медицине будет развиваться ранняя и точная диагностика на основе наносенсоров. Точечная доставка лекарств в форме нанокапсул прямо в пораженные клетки поможет справиться с множеством заболеваний. Исследования в области наноструктурированных материалов и биоактивных покрытий могут привести к революции в протезировании – созданию полноценных искусственных конечностей. Быстрый анализ индивидуальной ДНК поможет вовремя предотвращать тяжелые заболевания и настраивать лекарства на особенности пациента.

Строительные конструкции будут насыщены наносенсорами, следящими за их прочностью и целостностью. Подобно использованию видеокамер для наружного наблюдения, сенсорные технологии начнут включаться в процессы наблюдения и передачи данных для обнаружения любых угроз, от пожара до атаки террористов.

Промышленного уровня достигнут технологии молекулярной сборки. Вряд ли автомобили, чайники, стулья будут делаться прямо из молекул. Однако нанофабрикация по принципу «снизу вверх» (в сочетании с обычными методами), скорее всего, уже лет через 10–15 будет широко применяться в некоторых отраслях (прежде всего в электронике). Во всех отраслях машиностроения будут работать всевозможные нанопокрытия и нанодобавки, использоваться умные наноматериалы – снижая трение, защищая машины от грязи и повреждений, экономя энергию.

Однако самое интересное и важное – как повлияет развитие нанотехнологий на частную жизнь человека и жизнь общества в целом. Сейчас ясно одно: эти технологии сильно изменят мир. Но предвидеть эти изменения в деталях нам почти наверняка не удастся.

1.4. Что дают нанотехнологии?

От нанотехнологических разработок в медицине ждут революционных достижений в борьбе с раком, с особо опасными инфекциями, в ранней диагностике, в протезировании. По всем этим направлениям ведутся интенсивные исследования. Некоторые их результаты уже пришли в медицинскую практику. Вот лишь два ярких примера.

Адресная доставка лекарственных соединений

Убивая микроба и разрушая опухоль, лекарства обычно наносят удар и по здоровым органам и клеткам организма. Именно из-за этого некоторые тяжелейшие болезни до сих пор не удается надежно вылечить – лекарства приходится использовать в слишком малых дозах. Выход – доставлять нужное вещество прямо в пораженную клетку, не задевая остальные. Для этого создаются нанокапсулы, чаще всего биологические частицы (например, липосомы), внутрь которых помещается нанодоза препарата. Ученые пытаются «настроить» капсулы на определенные виды клеток, которые они должны уничтожить, проникая через мембраны. Совсем недавно появились первые промышленные препараты такого типа для борьбы с некоторыми видами рака и другими заболеваниями.

Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организме. Так, человеческий мозг серьезно защищен природой от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам. Однако эта защита неидеальна. Ее легко преодолевают молекулы алкоголя, кофеина, никотина и антидепрессантов, но она блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы их ввести, приходится делать сложные операции. Сейчас испытывается новый способ доставки лекарств в мозг с помощью наночастиц. Белок, который свободно проходит «мозговой барьер», играет роль «троянского коня»: к молекулам этого белка «пристегивается» квантовая точка (нанокристалл полупроводника) и вместе с ним проникает к клеткам мозга. Пока квантовые точки лишь сигнализируют о преодолении барьера – в будущем планируется использовать их и другие наночастицы для диагностики и лечения.

Системы диагностики

Давно завершился всемирный проект расшифровки генома человека – полное определение структуры молекул ДНК, которые находятся во всех клетках нашего организма и непрерывно управляют их развитием, делением, обновлением.

Однако для индивидуального назначения лекарств, для диагностики и прогноза наследственных болезней нужно расшифровать не геном вообще, а геном данного пациента. Но процесс расшифровки пока очень длителен и дорог.

Нанотехнологии предлагают интересные пути к решению этой задачи. Например, использование нанопор – когда молекула проходит через такую пору, помещенную в раствор, датчик регистрирует ее по изменению электрического сопротивления. Впрочем, очень многое можно сделать и не дожидаясь полного решения такой сложной проблемы. Уже существуют биочипы, распознающие у пациента за один анализ более двухсот «генетических синдромов», отвечающих за различные болезни.

Диагностика состояния индивидуальных живых клеток прямо в организме – еще одно поле приложения нанотехнологий. Сегодня испытываются зонды, состоящие из оптоволокна толщиной в десятки нанометров, к которому присоединен химически чувствительный наноэлемент. Зонд вводится в клетку, и по оптоволокну передает информацию о реакции чувствительного элемента. Таким путем можно исследовать в реальном времени состояние различных зон внутри клетки, получать очень важную информацию о нарушениях ее тонкой биохимии. А это – ключ к диагностике серьезных болезней на этапе, когда внешних проявлений еще нет – и когда вылечить болезнь гораздо проще.

Достижение новых спортивных высот, помимо усилий спортсмена, очень часто требует отличного спортивного инвентаря. Сейчас нанотехнологии применяются в изготовлении мячей для тенниса, велосипедных рам, ракеток, спортивной одежды, лыж и лыжных палок, и многого другого.

В 2004 году были созданы мячи для гольфа с применением нанотехнологий. При ударе по мячу клюшкой лишь часть ее энергии обеспечивает разгон, остальное уходит на деформацию. Разработчики придумали мячи, внешняя поверхность которых изготовлена из материала, содержащего наночастицы. Такие мячи, как утверждают их создатели, деформируются гораздо меньше и поэтому могут быть точнее направлены в лунку.

Материалы, содержащие углеродные нанотрубки или другие наночастицы, уже используются в деталях спортивных велосипедов, лыжах и лыжных палках – для повышения прочности и снижения веса. Спортивная одежда, изготовленная при помощи нанотехнологий, поддерживает ощущение прохлады в течение дня. Хлопковые ткани со специально организованными нановолокнами выводят пот спортсмена на наружную поверхность майки или футболки, где он быстро высыхает – а внутренняя поверхность остается почти сухой.

Наноматериалы для строительства, автономные источники энергии на мощных солнечных батареях, нанофильтры для очистки воды и воздуха – эти достижения нанотехнологий должны сделать дома удобнее, надежнее, безопаснее.

Добавление наночастиц различных материалов (в том числе углеродных нанотрубок) в бетон делает его в несколько раз прочнее. Разрабатываются нанопокрытия, защищающие бетонные конструкции от воды. Сталь, важнейший строительный материал, тоже становится гораздо прочнее при добавлении наночастиц ванадия и молибдена. Самоочищающееся стекло с наночастицами двуокиси титана уже выпускается промышленностью. Нанопленочные покрытия для стекла будут оптимально регулировать потоки света и тепла, идущие через окна.

Для защиты зданий от огня нанотехнологии предлагают как новые негорючие материалы (например, изоляцию кабелей, содержащую наночастицы глины), так и «умные» сети сверхчувствительных нанодатчиков возгорания. Обои с покрытием из наночастиц окиси цинка помогут очистить помещение от бактерий.

Что же касается домашней техники – холодильников, телевизоров, сантехники, осветительных приборов, кухонного оборудования – здесь поле приложений для нанотехнологий неисчерпаемо. «Умный дом», насыщенный наноэлектронными устройствами (от скромных датчиков температуры до дисплеев трехмерного изображения), экономичные источники приятного для глаз света на квантовых точках, холодильник из нанокомпозитных материалов, наполненный пакетами из «умных полимеров» с продуктами питания, содержащими ценные нанодобавки – возможно все это станет повседневной реальностью лет через 10–15.