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

Военные всех стран очень интересуются нанотехнологиями. Сейчас на повестке дня – новая взрывчатка, заживление ран, электроника, биохимические датчики, защитные ткани. Однако в будущем к этому списку может добавиться и то, что сегодня похоже на фантастику – например, самовосстанавливающаяся броня или плащ-невидимка.

Наносенсоры взрывчатых веществ уже созданы. Они так же чувствительны, как нос собаки – но пока не способны так же уверенно различать запахи. Испытываются новые защитные материалы – нанонаполнитель в них гасит удары пуль, осколков, даже ударную волну от близкого взрыва.

Проект создания ультратонкого бронекостюма «Железного человека», полностью укрывающего при этом голову, также ведется для нужд армии США. Гибридный стеклокаучуковый наноматериал способен выдерживать метеоритный дождь. В ходе эксперимента специалисты обстреляли наноброню частицами наподобие микроскопических пуль, скорость полета которых достигала свыше 1000 м/с. Американские военные полагают, что результаты исследований будут способны изменить традиционный сценарий боевых действий.

Множество лабораторий уже работает над одеждой для солдата, которая бы не только защищала от пуль, но и «подставляла плечо» при переноске оружия и боеприпасов, да еще и сама очищалась от ядовитых загрязнений.

Прототипы уже есть, например, насыщенная частицами железа густая жидкость, которая превращается в броню при включении магнитного поля – и опять в жидкость при его выключении.

Существуют сверхмощные взрывчатые вещества, которые невозможно использовать, так как они взрываются при малейшем сотрясении. Но если поместить их мельчайшие частицы в наноматрицу, этого не происходит. Такую взрывчатку можно будет применять точечно и очень эффективно. Ну, а военная медицина уже ведет клинические испытания бинта с неорганическим наноматериалом, останавливающим любое кровотечение за несколько секунд.

«Наступательный» потенциал нанотехнологий весьма грозен, но пишут о нем гораздо меньше. Например, военным хотелось бы заранее и скрытно покрыть сетью нанодатчиков территорию вблизи стратегических объектов противника. Тот, кто это сделает, получит огромные преимущества в случае вооруженного конфликта. На решение таких задач нацелено множество проектов самоорганизующихся сетей нанодатчиков и других автономных устройств. Однако неконтролируемое развитие боевого нанотеха тревожит и самих военных. Специальная комиссия НАТО пришла к выводу о высокой опасности создания новых видов химического и биологического оружия на основе наночастиц.

Что же касается «плаща-невидимки» – уже проведены успешные эксперименты с так называемыми метаматериалами, которые делали почти невидимыми для разных видов излучения небольшие предметы. Метаматериал содержит точно рассчитанную решетку из металлических наночастиц. Размеры и расположение частиц подобраны так, что свет (или сигнал радара) огибает предмет, окруженный экраном из метаматериала – поэтому наблюдателю кажется, что на этом месте просто ничего нет. Впрочем, до невидимых танков еще очень далеко, и неизвестно, появятся ли они вообще. Зато метаматериалы наверняка будут иметь очень важные применения в оптике. Они позволяют проделывать со светом всевозможные трюки: замедлять, ускорять, даже концентрировать его в виде «световых пуль» вполне мирного назначения. Все это тоже может найти применение в новых приборах и компьютерах.

Нанотехнологии играют решающую роль в компьютерной индустрии. Знаменитый «закон Мура» лавинообразного роста числа транзисторов в процессорном чипе до сих пор обеспечивался тем, что каждые два года удавалось резко уменьшить размеры элементов интегральных схем: в 2007 году промышленность вышла на 45-нанометровый рубеж, в 2009-м году 32 нм, в 2011-м – 22 нм, а в 2013-м – 16 нм. Однако следующий шаг, десять нанометров, будет, скорее всего, последним на пути к дальнейшей миниатюризации (для существующей технологии, основанной на полевых транзисторах).

Сформировать транзистор в более тонком слое полупроводника очень сложно по фундаментальным физическим причинам. Именно здесь в игру должны вступить принципиально новые подходы – сейчас над ними работают специалисты крупнейших полупроводниковых компаний и лучших университетов мира.

Одним из самых перспективных направлений в наноэлектронике сегодня считается применение нанопроводов (nanowires) – нитей из различных материалов, чья толщина достигает единиц нанометров. Вдоль нанопровода можно «растянуть» транзистор – предполагается, что такие транзисторы станут основой для гибких электронных схем, находящихся в «умной ткани». Потребуется, конечно, надежная технология создания огромных массивов транзисторов на нанопроводах, и поразительно, что один из наиболее реалистичных путей к этому – сборка нанопроводов при помощи природных наномашин, молекул ДНК. На данном пути уже достигнуты обнадеживающие результаты.

Нанопровода могут оказаться очень полезными и для создания энергонезависимой (не стирающейся при выключении питания) магнитной памяти следующего поколения. Такое устройство, не имеющее движущихся частей, будет сочетать емкость жесткого диска с размерами и скоростью считывания лучших кремниевых чипов.

Однако, сегодня никто не может утверждать, что именно нанопровода станут основой компьютерной техники недалекого будущего. Многие исследовательские группы работают над другими базовыми элементами – в частности, графеновыми пленками. Однако все перспективные направления относятся к нанотехнологиям, то есть используют необычные свойства искусственно созданных нанометровых структур тех или иных материалов. В дальнейшем материалы должны обеспечить создание еще более мощных и компактных процессоров, где информация будет представлена уже не с помощью электрического заряда, как сейчас. На смену электронике готовится прийти спинтроника, оперирующая состояниями отдельных атомов или молекул.

А в более отдаленной перспективе компьютерную технику ожидает, вероятно, еще более фундаментальная революция – уже не только в элементной базе, а в самих принципах вычислений. Речь идет о создании квантовых процессоров – устройств, работающих с «квантовыми битами» или «кубитами». Квантовый процессор не обязательно будет очень маленьким – современные прототипы занимают целую комнату. Скорее всего, он не станет и заменой классическому компьютеру. Ценность этой машины в другом, – используя законы квантовой механики, она способна (пока – лишь в теории) решать некоторые задачи, практически недоступные обычным компьютерам: взламывать сложнейшие шифры, с огромной скоростью анализировать гигантские базы данных, а главное – с высокой точностью рассчитывать структуру и свойства веществ на молекулярном уровне.

На ближайшие годы ученые планируют лишь разработку надежных технологий создания единичных «кубитов». Но потенциальные возможности квантовых компьютеров столь заманчивы, что в эти исследования вовлекаются все новые научные коллективы, и прежде всего – нанотехнологи.

Пищевая промышленность, сельское хозяйство – именно здесь нанотехнологии привлекают самое большое внимание.

Близки к завершению разработки упаковочных материалов, которые будут следить за качеством упакованных продуктов. Если продукт начнет портиться, это зарегистрируют наносенсоры, способные реагировать даже на отдельные молекулы – и упаковка тут же подаст сигнал (например, резко изменит цвет). Пленка из наноматериалов способна убивать бактерии и грибки, поддерживать оптимальный газообмен. Для борьбы с подделкой продуктов питания созданы наноразмерные штрихкоды – их можно нанести даже на отдельные зерна и крупинки и считывать специальным микроскопом.

Все медицинские достижения нанотеха (в частности, нанокапсулы с лекарствами и питательными веществами) применяются и в сельском хозяйстве. Так, дезинфицирующие свойства серебра известны с незапамятных времен, но у наночастиц серебра эти свойства выражены с необычайной силой. Производители сельхозпродукции учатся правильно использовать наносеребро в кормах для животных – возможно, это позволит полностью отказаться от антибиотиков (что уже сделали некоторые крупные компании), при откорме птицы и скота.

Вполне возможно, что через несколько лет в наших холодильниках появятся совершенно необычные продукты питания. Первые шаги уже сделаны. Скажем в Австралии, добавляют в белый хлеб нанокапсулы с рыбьим жиром, а в Финляндии – с селеном. Вкус хлеба не изменяется, а ценнейшие витамины и биодобавки поступают в организм.

Гиганты же пищевой промышленности совместно с крупными университетами работают сейчас над программой «интерактивной еды». Например, уже всерьез можно говорить о «программируемом вине». Покупатель набирает код на пульте микроволнового передатчика – и активирует в содержимом купленной бутылки вина-полуфабриката те нанокапсулы, которые превращают его, предположим, в «Шабли». Точно так же можно программировать вкус, набор витаминов и питательных веществ в любом безалкогольном напитке. В экспериментальной форме такие технологии уже реализованы. Неизвестно, войдут ли они в нашу жизнь именно через программируемое вино или лимонад, но нет сомнений, что подобных «сконструированных» продуктов со временем будет все больше.

Глава 2. Становление мировой наноиндустрии, опыт государственного регулирования в рамках национальных инновационных систем

Со второй половины XX века прирост национальных экономик развитых стран в значительной степени обеспечивается технологическими инновациями и достижениями науки. Осознание этого привело к резкому росту инвестиций в НИОКР. В основе экономических достижений развитых стран лежат своевременное (начало 70-х годов ХХ в.) становление инновационных экономик и построение национальных инновационных систем (далее – НИС). Процесс формирования национальных инновационных систем стартовал в начале 80-х годов прошлого столетия.

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. Инновационная экономика и НИС формируют 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.

Вопросы определения понятий и формирования инновационных экономик и НИС освещены в работах известных ученых, в частности, Фринера, Лундвелла, Нельсона, Пателя и Павитта, Меткалфа, а также Шумпетера.

Разработкой, производством и реализацией нанопродуктов заняты научные и производственные организации, которые поддерживаются органами государственного и отраслевого управления, высшими учебными заведениями, общественными и профессиональными ассоциациями, венчурными фондами и другими элементами инфраструктуры инновационной экономики. Все они формируют индустрию рынка нанопродуктов. В связи с небольшим возрастом последней целесообразно рассмотреть опыт государственного регулирования наноиндустрии в странах, имеющих серьезные достижения и особенности структурного построения и регулирования в этой области в рамках НИС.

2.1. США

На долю Соединенных Штатов приходится 48 % от общего объема мировых вложений в науку, что в денежном выражении составляет примерно $250 млрд. в год. 20 % данных средств направляется на развитие фундаментальных исследований. США дают 70–80 % мировых инноваций. Более половины глобального рынка программного обеспечения также приходится на долю страны. США принадлежит 40 % мирового рынка высоких технологий.

Соединенные Штаты занимают первое место в мире по развитию сферы нанотехнологий. Основные исследования в данной области и формирование наноиндустрии в стране начались после выхода научной публикации И. Беднорца и К. Мюллера 18 октября 1986 г.

В 2000 г. Президент США подписал закон 108–153, который называется «Акт об исследованиях и развитии нанотехнологии в XXI веке».

Основные положения Акта нашли отражение в Стратегическом плане, подготовленном Комитетом по технологиям Национального совета по науке и технологиям. Структура плана определяет пути реализации долгосрочной комплексной программы «Национальная нанотехнологическая инициатива» (далее – ННИ) (National Nanotechnology Initiative) на 5–10 лет.

При самой широкой поддержке правительства США ежегодное бюджетное финансирование ННИ увеличилось в период 2001–2005 гг. практически вдвое и достигло миллиарда долларов. Разработки в сфере нанотехнологий привели к значительному увеличению количества научных публикаций, патентов, организации новых рабочих мест, становлению новых видов бизнеса. ННИ стала моделью подобных программ для всего мира.

По прогнозам «Национальной нанотехнологической инициативы», в США через 15 лет будет создана совершенно новая отрасль экономики с оборотом в 15 млрд. долл. США и примерно 2 млн. рабочих мест. В отчете Консультативного Комитета по науке и технологиям при президенте США записано: «США не могут позволить себе оказаться на втором месте в этой области. Страна, которая будет лидировать в области разработки и применения нанотехнологий, будет иметь огромные преимущества в экономической и военной сферах в течение многих десятилетий».

Количество государственных учреждений США, осуществляющих вложения в исследования и разработку нанотехнологий, возросло с 6 до 11, а общее число участвующих в ННИ агентств, тех, для которых нанотехнологии представляют интерес, с точки зрения их деятельности, увеличилось с 6 до 22.

Стратегическим планом определены следующие цели и задачи ННИ:

1) осуществлять программу исследований и разработок мирового уровня, нацеленную на реализацию потенциала нанотехнологий в полном объеме;

2) облегчить передачу новых технологий в производство для обеспечения экономического роста, увеличения количества рабочих мест для пользы общества;

3) развивать образовательные ресурсы, готовить высококвалифицированные рабочие кадры, создавать инфраструктуру и инструментарий, обеспечивающие успехи в нанотехнологиях;

4) поддерживать ответственное развитие нанотехнологии и оценивать все риски и потенциальные опасности для общества и окружающей среды.

Двигатели роста наноиндустрии:

• создание устойчивых взаимосвязей между нанотехнологиями и реальным сектором экономики в зравоохранении, электронике, производстве электроэнергии и создании новых материалов;

• увеличение числа регистрируемых патентов в сфере нанотехнологий (ежегодно в среднем на 35 %, начиная с 2002 г.);

• формирование инновационных технологий и совершенствование цепочки «нанотехнология – нанопродукт», активизация потенциала компаний по коммерциализации продукции наноиндустрии.

Стратегический план ННИ каждые три года корректируется экспертами (2004 г., 2007 г., 2010 г.). Периодическое переосмысление Стратегического плана ННИ очень важно в связи с динамичной природой этого поля деятельности. Развитию Стратегического плана способствовал ряд дополнительных обзоров, например, обзор ННИ Президентским комитетом советников по науке и технологии и Национальным исследовательским советом национальных академий National Research Council of the National Academies. Оба обзора поддерживают ННИ и предлагают ряд специфических рекомендаций по стратегическому развитию ННИ и ее работе.

ННИ вложила значительные средства в становление больших междисциплинарных исследовательских центров (обычно их стоимость порядка 2 млн. долларов в год на период с 5 до 10 лет). ННФ организовал 17 таких исследовательских и учебных центров, Министерство обороны (МО) – 3 исследовательских центра, Национальное управление по аэронавтике и космическому пространству (НАСА) – 4 центра.

Общее управление программой «Национальная нанотехнологическая инициатива» осуществляется в рамках Национального совета по науке и технологиям.

Ниже приведена организационная структура ННИ, в которую входят правительственные органы, учреждения и неправительственные группы:

1. Исполнительное управление президента;

2. Национальный нанотехнологический координационный совет (советники по науке и технологии при президенте);

3. Национальный совет по науке и технологиям;

4. Департамент по политике в области науки и технологий;

5. Департамент по управлению и бюджету;

6. Комитет по технологиям Национального совета по науке и технологиям;

7. Комитет по науке;

8. Подкомитет по науке, инженерии и технологии на наноуровне;

9. Национальный нанотехнологический координационный офис;

10. Национальные академии;

11. Национальный исследовательский совет национальных академий;

12. Рабочая группа по применению нанотехнологий в охране окружающей среды и здравоохранении;

13. Рабочая группа по связям с промышленностью;

14. Рабочая группа по нанопроизводству;

15. Правительство: Исполнительное управление президента – Неправительственные организации;

16. Правительство: Национальный совет по науке и технологиям;

17. Департаменты и агентства, участвующие в подкомитете по науке, инженерии и технологии на наноуровне.

Участие в программе ННИ соответствующих организационных структур в рамках Исполнительного управления президента помогает координировать и воплощать в жизнь приоритеты нанотехнологий на уровне правительства. После учреждения ННИ Департамент по политике в области науки и технологий и Департамент по управлению и бюджету стали активными участниками Подкомитета по науке, инженерии и технологии на наноуровне, обеспечивая, при необходимости, решение вопросов напрямую через Исполнительное управление президента.

40 % выделяемых государством средств на развитие нанотехнологий расходуется на фундаментальные исследования, 27,5 % тратится на «Великие вызовы» («Grand Challenges»). Помимо этого существуют и другие государственные программы. Сегодня более 50 % финансирования исследований осуществляется через Национальный научный фонд (ННФ), выделяющий далее эти деньги в виде грантов.

Государственные программы и «Великие вызовы». В соответствии с ННИ предусматривается финансирование следующих семи областей исследований и программных подразделов:

1) фундаментальные нанометрические явления и процессы;

2) наноматериалы;

3) нанометрические системы и устройства;

4) контрольно-измерительные приборы, метрология и нанотехнологические стандарты;

5) производство нанопродуктов;

6) создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры;

7) общественные аспекты.

Следует отметить, что нанотехнологические области исследований ННИ отличаются от программ других федеральных ведомств тем, что работы по ним фокусируются одновременно как на достижении экстремальных технических характеристик нановеществ, так и на оценке их потенциальной значимости для конечного потребителя. Общей технической целью этих исследований является выработка базы знаний и способности управлять процессами по объектам, размер которых находится в диапазоне 1–100 нм, где физические, химические и биологические свойства могут существенно отличаться от свойств отдельных атомов, молекул, или макроколичеств вещества в целом.

Для того чтобы показать полезность нанотехнологий для общества и обосновать необходимость выделения масштабного финансирования для лиц, принимающих решение, в рамках ННИ были разработаны так называемые «Великие вызовы» (Grand Challenges), включающие решение следующих прикладных проблем, понятных любому члену общества:

1) вместить всю информацию Библиотеки Конгресса США на устройство размером с кусочек сахара;

2) иметь возможность строить материалы на молекулярном и клеточном уровнях;

3) изготавливать материалы в 10 раз прочнее стали, но значительно более легкие;

4) в миллионы раз увеличить быстродействие компьютеров уровня Pentium-3;

5) распознавать микроскопические злокачественные опухоли;

6) очищать воздух и воду от мельчайших частиц загрязнения;

7) увеличить в 2 раза энергоэффективность солнечных батарей.

Именно к этим наглядным примерам полезности нанотехнологий аппелировал бывший Президент США Б. Клинтон, обосновывая необходимость реализации Национальной нанотехнологической инициативы. На решение данных практических задач в рамках ННИ отводится около 30 % всего финансирования.

Ключевыми направлениями американского нанотеха являются военные технологии, энергоэффективность, I T, электроника, здравоохранение, охрана окружающей среды. На текущий момент в американской наноиндустрии работают более 2000 организаций.

Серьезное внимание правительство Соединенных Штатов уделяет поддержке малого инновационного предпринимательства, в том числе нанотехнологической направленности. С этой целью приняты две государственные программы:

1. Small Business Innovation Research, SBIR;

2. Small Business Technology Transfer Research, SBTTR.

Неоспоримыми лидерами глобального рынка нанопродукции стали такие американские высокотехнологичные компании как Apple, Cisco, Dell, Google, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Advance Nanotech Inc., AMD Industrial Nanotech Inc.

Несмотря на очевидную перспективность нанотехнологий и первые многообещающие результаты в области коммерциализации нанопродукции, США признают, что большая часть продукции на базе нанотехнологий будет разработана через много лет. Однако частные компании хотят уже сейчас знать экономическую отдачу от нанопродукции. По большинству направлений развития нанотехнологий частный сектор будет не в состоянии за обычный 3–5-тилетний промышленный цикл разработать конкурентоспособные продукты, окупающие затраты на их изготовление на основе существующих знаний, – необходимые для этого фундаментальные НИОКР в области нано носят общий, комплексный характер, связаны с долгосрочной перспективой и слишком рискованы для бизнеса.

Именно поэтому нужны скоординированные на национальном уровне долгосрочные усилия по финансированию нанотехнологий. Однако финансовые механизмы усложняются в связи:

1) с междисциплинарным характером нанотехнологических исследований;

2) ограниченностью существующих научных знаний;

3) необходимостью создания мощной технологической инфраструктуры.

Время, которое проходит от фундаментальных открытий до коммерциализации продукции, составляет, как правило, 10–15 лет. Частные промышленные компании начинают активно подключаться к данному процессу только в последние пять лет, когда экономическая отдача от инвестиций в данную сферу становится более очевидной. Заполняют этот «финансовый разрыв» правительство США и университетские исследовательские центры.

Ведущая роль правительства и финансирование им наноиндустрии США необходимы для реализации государственной политики, создания нанотехнологической инфраструктуры и поддержки исследователей. Поскольку пока не окончательно сформированы рынки сбыта основных нанотехнологических продуктов, правительство постепенно осуществляет трансфер технологий частным компаниям для ускорения долгосрочной прибыльности. Формируемая инфраструктура и технологии создаются с тем, чтобы промышленность могла воспользоваться преимуществами от нанотехнологических открытий. Ускоряющийся темп коммерциализации технологической продукции обуславливает необходимость сокращения цикла от разработки до коммерциализации путем одновременного проведения фундаментальных исследований и разработки коммерческих продуктов, синергии промышленности, университетов и правительственных структур.

В условиях первой волны финансово-экономического кризиса правительство США подготовило ряд антикризисных планов для поддержки инвестиций.

1. Во второй части плана Полсона ($700 млрд.) предусмотрено снижение налогов для физических лиц и увеличение инвестиций в разработку новых технологий, что, по мнению экспертов, должно позитивно сказаться на развитии наноиндустрии США.

2. План Б.Обамы предусматривает поддержку развития нанотехнологий, но объем инвестиций и методы поддержки наноиндустрии не раскрываются. По мнению экспертов, преимущество получат военные технологии, энергетика, электроника и здравоохранение.

Вместе с тем, по оценкам ряда специалистов, ННИ пока не сумела разработать стратегическую программу и методы для предотвращения рисков для здоровья и окружающей среды. Эксперты Национального исследовательского совета США (National Research Council, NRC) обнародовали документ, в котором критикуют федеральное правительство за низкую эффективность работы по выявлению рисков для экологии и здоровья людей при использовании наноматериалов.