CC BY
12
перспективе, по мере развития отрасли, таких мест будут тысячи. Южная Виргиния, ранее производившая только табак и текстиль, будет преобразована в регион новых перспективных отраслей и будет претендовать на ведущую роль в стране среди производителей высокотехнологичных изделий, определяющих научно-технический прогресс страны в таких областях, как оборонная техника, новые материалы и здравоохранение.
Важнейшей задачей для США является подготовка квалифицированных кадров нанотехнологов. Эта проблема весьма актуальна, поскольку вузы страны выпускают меньше ученых и инженеров, чем в целом ряде других стран. В США заканчивают вузы в год около 50 тыс. инженеров, а в Индии - 150 тыс., в Китае -250 тыс. Чтобы сохранить конкурентоспособность в такой многодисциплинарной области, США необходимо увеличить число ученых, инженеров и технологов. В начале 2005 г. автор организовал неформальную группу депутатов Конгресса, включающую республиканцев и демократов, сенаторов и конгрессменов (более 30 активных членов), которая ставит перед собой задачи пропаганды важности нанотехнологии и укрепления контактов парламентариев с ведущими специалистами из университетов и промышленности.
«Я сделаю все, что смогу, чтобы штат Виргиния и вся страна играли ведущую роль в следующей, основанной на нанотехнологии индустриальной революции», - заканчивает свою статью автор (с. 4).
А.Н. Авдулов
2006.03.005. ЛЕЙН Н., КАЛИЛ Т. НАЦИОНАЛЬНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ИНИЦИАТИВА СЕГОДНЯ. LANE N., KALIL T. The national Nanotechnology Initiative: Present at the creation // Issues in science and technology. - Summer, 2005. -P. 1-11. - Mode of access: http://www.issues.org/issues/2L4/lane.html.
Ключевые слова: США, нанотехнология, национальная программа, финансирование исследований.
Н. Лейн - директор Национального научного фонда (ННФ) и советник по науке президента Клинтона, в настоящее время профессор физики в Университете Райса (Rice University); Т. Калил -помощник проректора по науке Калифорнийского университета в
Беркли, в прошлом - сотрудник аппарата помощника президента Клинтона по технологии и экономической политике, заместитель директора Национального совета по экономике. Авторы оценивают сегодняшнюю ситуацию, связанную с американскими исследованиями и разработками (ИР) в области нанотехнологии, и доказывают необходимость увеличения правительственных ассигнований на эти цели.
Истоки нанотехнологии можно проследить до 1959 г., когда физик Р. Фейнман (Feynman) в своей знаменитой лекции «В глубинах материи много пространства для науки» говорил о том, что в недалеком будущем «мы сможем выстраивать соответствующие нашему желанию конструкции прямо из атомов, из самих атомов!» (с. 2). В 1985 г. высказывания Фейнмана уже не казались фантастикой, так как фирма IBM создала первый сканирующий тоннельный микроскоп. Четыре года спустя ученые этой компании использовали микроскоп, чтобы составить символ IBM из 35 отдельных атомов ксенона. В 80-х и 90-х годах в лабораториях начали синтезировать наноструктуры и получать характеристики таких структур, как, например, углеродные нанотрубки, квантовые точки (dots) и нанопроволочки. Все они обладают новыми и полезными свойствами.
Федеральные министерства начали разработку своих программ в области нанотехнологии. Так, Министерство обороны в лице Агентства перспективных исследовательских проектов организовало Программу по «УЛЬТРАэлектронике», аналогичные проекты появились в Национальном научном фонде и других ведомствах. В 1998 г. на слушаниях в Конгрессе сенатор Лейн заявил: «Если бы меня спросили, в какой области науки и техники наиболее вероятны "прорывы" в будущее, я бы указал на нанотехноло-гию» (с. 2). В том же году была создана межведомственная рабочая группа под эгидой Национального совета по науке и технологии и разработана детальная программа исследований в области нано-технологии. Началась активная кампания в Конгрессе и администрации Белого дома, направленная на подготовку Национальной на-нотехнологической инициативы (ННИ). Использовались реальные примеры возможностей, которые открывала нанотехнология и которые могли произвести впечатление на широкую общественность, например, помещение информации, содержащейся во всей Библио-
теке Конгресса, в устройство размером с кусочек сахара-рафинада или фиксирование появления в организме раковых клеток прежде, чем их можно рассмотреть существующими на данный момент средствами. К работе было подключено Главное бюджетное управление. В пользу правительственной поддержки нанотехнологии выдвигались следующие аргументы.
Во-первых, нанотехнология потенциально имеет такое же огромное значение, какое имели такие изобретения широкого применения, как паровой двигатель, транзистор, Интернет. В диапазоне 1-100 нм материалы, структуры и устройства часто демонстрируют новые полезные физические, химические, электрические, магнитные и оптические свойства.
Во-вторых, увеличение финансирования нанотехнологии помогло бы оживить ситуацию во всех естественных и технических науках, так как эта технология базируется на таких дисциплинах, как физика твердого тела, материаловедение, химия и инжиниринг.
В-третьих, ННИ и общее внимание к нанотехнологии помогают подготовить новое поколение ученых, инженеров и предпринимателей, поскольку примерно 2/3 всех ассигнований по ННИ направляются в университеты и используются для поддержки соискателей ученой степени, ученых со степенью и постдокторов.
В-четвертых, совершенно очевидно, что развитие нанотехно-логии требует перспективных исследований с высокой степенью риска, которые не по плечу частным корпорациям, заинтересованным прежде всего в быстром получении прибыли. Президент Клинтон объявил об ННИ 21 января 2000 г., выступая в Калифорнийском технологическом институте. Он сказал: «...некоторые проблемы нанотехнологии могут потребовать для своего решения 20, а то и больше лет. Именно поэтому так важна роль федерального правительства» (с. 3). Наконец, необходимо учитывать, что многие страны - конкуренты США на мировом рынке самым активным образом включились в гонку за лидерство в области нанотехноло-гии и могут перехватить инициативу у США.
Работы, входящие в Программу ННИ, ведутся по пяти разделам: фундаментальные ИР; организация специализированных центров и исследовательских сетей; создание необходимой инфраструктуры; изучение социальных аспектов развития этой науки; обучение кадров и повышение их квалификации. Первоочередные
направления ИР включают: конструирование материалов с заданной наноструктурой; наноэлектронику; фотонику и магнетику; медицинские приложения нанотехнологии (диагностика и терапия заболеваний); охрану и реабилитацию окружающей среды; нано-энергетику; космические приложения; использование нанотехноло-гии в производственных процессах.
Реализация ННИ практически не встретила возражений. Правда, сооснователь фирмы «Sun Microsystems» Билл Джой в своей широко известной статье «Будущее в нас не нуждается» (The fUture doesn't need us) предупреждал, что сочетание генетики, нанотехнологии и роботостроения представляет угрозу обществу. В отличие от атомного оружия, создание которого требует общенациональных усилий, перечисленные выше технологии будут разрабатываться частным сектором. Их достижения будут дешевы и доступны массовому потребителю. Легко могут возникнуть соблазны фаустовского типа. Использование мощных возможностей нанотехнологии несет с собой серьезный риск - риск разрушения биосферы, от которой зависит все живое. Хотя большинство ученых не согласны с мрачными сценариями Джоя (например, возникновение суперчеловеческого искусственного интеллекта, живущего по своим законам и обладающего способностью к самовоспроизводству), нет сомнений в том, что разрушительных возможностей, доступных малым группам людей или даже отдельному индивидууму, становится все больше. Джой подчеркивает, что очень важно учесть вероятные неумышленные и непредвиденные последствия научно-технического прогресса, и вызванная его статьей дискуссия не утихает поныне.
Благодаря поддержке промышленных кругов, научного сообщества и ряда деятелей Конгресса администрации Клинтона удалось получить на ННИ 422 млн. долл. Для обеспечения сотрудничества всех правительственных ведомств был создан специальный орган, координирующий работы по нанотехнологии (Nanotechnology coordination office).
Как развивались события после 2000 г.? В течение пяти лет, прошедших после принятия ННИ, правительственные ассигнования на работы по программе увеличивались и превысили 1 млрд. долл. в год. В настоящее время финансированием входящих в ННИ проектов занимаются одиннадцать ведомств, а еще одиннадцать - принимают участие в обсуждениях состояния дел. Примерно 88% всех средств
приходится на четыре ведомства: ННФ, Министерство обороны, Министерство энергетики и Национальные институты здоровья. Профинансировано создание 40 центров и сетевых структур. Центры, подведомственные ННФ, и центры Министерства энергетики уже приступили к работе (NSF's nanoscale science and engineering centers; DOE's nanoscale science research centers) (с. 5). Уже выполненные исследования привели к значительному углублению понимания феномена наномира и наметили практические, потенциально революционные приложения. В широко читаемых авторитетных журналах, таких, как, например, «Science, Nature, Physical review letters», доля статей, посвященных нанотехнологии, выросла с 1% в 1992 г. до более 5% в 2003 г. Фронт исследований весьма широк. Следующие примеры могут его проиллюстрировать:
- использование золотых «наноснарядов», создающих местный нагрев, для целенаправленного разрушения злокачественных раковых клеток с минимальным побочным эффектом;
- генетическое конструирование вирусов, которые способны самостоятельно образовывать неорганические материалы, в частности арсенид галлия;
- гибридные солнечные батареи, представляющие собой комбинацию неорганических «наностержней» и токопроводящих полимеров; такие батареи значительно дешевле обычных;
- весы, способные определить вес отдельно взятой молекулы
белка;
- квантовые частицы, которые могут «замедлять» свет, открывая тем самым возможность создания полностью оптических информационных сетей;
- наночастицы железа, позволяющие намного сократить стоимость очистки зараженных грунтовых вод.
В работы по нанотехнологии активно включились ведущие американские исследовательские университеты. Они строят новые специально предназначенные для изучения наноструктур здания, принимают на работу специалистов по междисциплинарным ИР, экспериментируют с программами подготовки таких специалистов и, разумеется, ведут фундаментальные исследования свойств наноча-стиц и способов их получения.
Сама программа ННИ расширяет рамки входящих в нее ИР. Учитывая озабоченность экологов по поводу потенциальных негатив-
ных влияний наноматериалов на окружающую среду, руководители программы включили в нее специальный раздел, выдвинув в число приоритетных задач «ответственное развитие нанотехнологии» (с. 6). В рамках Национальной токсикологической программы исследуется токсичность нанотрубок, квантовых точек и двуокиси титана. Агентство по охране окружающей среды финансирует изучение «судьбы» наноматериалов, попадающих в эту среду, а также совместно с рядом других ведомств анализирует природоохранное законодательство на предмет внесения в него необходимых дополнений.
Помимо федерального правительства ИР в области нанотехнологии финансируются штатами, частным сектором, зарубежными организациями. В 2004 г. международные корпорации инвестировали в соответствующие проекты 3,8 млрд. долл.; 19 компаний из 30, входящих в перечень Доу Джонса, начали нанотехнологические ИР, появилось около 120 новых фирм, занимающихся нанотехнологией, из них примерно половина - в США. Некоторые виды продукции уже появились на рынке (например, одежда, устойчивая к пятнам) (там же). Однако в качестве коммерческой отрасли нанотехнология находится пока еще в младенческом возрасте. Нанотрубки, наночастицы окислов металлов и т.д. производятся в небольших количествах, и купить их сложно.
Каковы перспективы ННИ? Как уже отмечалось, в последние годы администрация США перестала наращивать ассигнования на программу. В проекте бюджета на 2006 г. они даже меньше, чем ассигнования, выделенные Конгрессом в предшествующем году. Но есть основательные причины, требующие изменения такой тенденции. Во-первых, выделяемые федеральным ведомством средства сегодня не дают им возможности профинансировать большую часть поступающих к ним и достойных внимания предложений. Например, в 2005 г. ННФ получил 48 предложений по организации центров исследования нанотехнологии, но смог выделить средства только на три таких проекта. Да и в тех случаях, когда ведомство финансирует тот или иной проект, выделяемые средства и срок действия гранта зачастую не соответствует сложности и объемам работ.
Во-вторых, конкуренты постоянно увеличивают масштабы работ в области нанотехнологии, ежегодно ассигнуемые ими на эти цели суммы растут на десятки миллионов. В этой ситуации тактика замораживания ассигнований очень рискованна.
В-третьих, еще раз нужно подчеркнуть решающую роль федеральных властей в поддержке необходимых на данном этапе долгосрочных фундаментальных ИР, частный сектор их не выполнит.
Наконец, в-четвертых, сегодня ученые уже продемонстрировали, что нанотехнология может решать важнейшие проблемы во многих секторах хозяйства - в здравоохранении, производстве «чистой» энергии, информационной технике, создании новых материалов, обеспечении национальной внешней и внутренней безопасности, в обрабатывающей промышленности и в космических исследованиях. Ниже отмечены лишь две области, где использование нанотехнологии может внести огромный вклад в решение сегодняшних и завтрашних проблем.
Чистая энергия. По оценкам экспертов, борьба с парниковым эффектом и глобальным потеплением климата потребует к 2050 г. производства от 15 до 30 тераватт энергии с помощью методов, исключающих поступление окиси углерода в атмосферу. Сегодня мировое потребление энергии составляет 15 тераватт, и 85% энергии получают с помощью сжигания полезных ископаемых. Исследователи уже определили, чем может помочь нанотехнология в решении таких задач, - это резкое снижение стоимости солнечных батарей, прямое получение водорода из воды, новые методы накопления и трансформации энергии. США необходим мегапроект типа проекта «Аполлон», чтобы реализовать перечисленные возможности, отвести угрозу изменения климата и устранить зависимость от ближневосточной нефти.
Продление действия Закона Мура1. На протяжении 90-х годов экономика США демонстрировала значительный рост, причем очень большую роль в этом играли инвестиции в информационную и коммуникационную технику, совершенствование систем управления производством, торговлей и т.д., которое стало возможным благодаря неуклонному снижению стоимости устройств хранения, переработки и передачи информации. Специалисты полупроводниковой промышленности считают, что возможности современных информационных
1 На протяжении последних десятилетий число транзисторов на чипе возрастало в 2 раза каждые 12-18 месяцев благодаря совершенствованию технологии изготовления микросхем. Впервые это соотношение подметил в 1965 г. сотрудник фирмы «Intel» Гордон Мур (Moor), и с тех пор оно известно как Закон Мура. Поскольку при этом цены на микросхемы оставались стабильными, стоимость единицы информационной мощности схем соответственно падала. - Прим. реф.
технологий будут исчерпаны к 2020 г., рост числа транзисторов на чипе достигнет своего физического предела. Продлить действие Закона Мура можно на основе освоения потенций нанотехнологии - квантового компьютирования, спинтроники, молекулярной электроники и компьютеров на базе нанотрубок и нанопроволочек.
Какие шаги следовало бы предпринять для интенсификации и расширения масштабов американских ИР в области нанотехнологии, в каких направлниях действовать?
1. Искать и внедрять новые варианты финансирования проектов, обеспечивающие их успешное завершение. Примером таких вариантов может служить практика Национальных институтов здоровья (НИЗ). Это ведомство прислушалось к жалобам ученых на то, что по причине стагнации бюджета науки значительно ужесточилась процедура peer review (экспертная оценка, процедура рецензирования и конкурсного отбора заявок на получение грантов). Некоторые даже шутят, что, «для того чтобы подать заявку на грант, нужно уже проделать эксперимент, под который вы этот грант просите» (с. 8). НИЗ начал практиковать выдачу так называемых «Пионерских премий» (Pioneer award). Авторитетным ученым, выполняющим рискованные, но потенциально весьма многообещающие исследования, предоставляется 500 тыс. долл. в год в течение пяти лет. Это дает им достаточно времени и средств для реализации инновационных подходов и новых идей в области биомедицины. Аналогичную программу нанотехноло-гических ИР следовало бы организовать ННФ, и для этого правительство должно выделить ему дополнительные средства.
2. Одна из задач ННИ - привлечение молодежи к изучению естественных и технических наук. Тенденция сокращения числа учащихся, желающих специализироваться в естественных дисциплинах, наблюдаемая в американской высшей школе, вызывает серьезные опасения, особенно на фоне шагов, предпринимаемых новыми конкурентами в лице быстро прогрессирующих стран Азии. К примеру, в 2004 г. в США 65 тыс. учащихся старших классов средней школы приняли участие в местных выставках, организованных для того, чтобы отобрать экспонаты и участников финальной выставки-ярмарки научно-технических достижений, которую проводит компания «Intel» (один из крупнейших в мире производителей микросхем. - Реф.). В КНР в таких же мероприятиях участвовали 1 млн. школьников. Правительство США уделяет этой проблеме недостаточное внимание.
Нужно действовать активнее и шире не только в школах, но и для более широкой аудитории. Следовало бы создать кинофильм, возможно мультипликационный, который объяснял бы в доступной форме содержание и перспективы нанотехнологии; разработать и вывести на рынок увлекательные компьютерные игры на эту тему.
3. Важнейшим аспектом изучения нанотехнологии является проблема воздействия наночастиц на человеческий организм и окружающую среду. Если в этом вопросе не будет ясности, исследования в данной области придется остановить. В частности, страховые компании заняли вполне отчетливую позицию - они отказываются страховать связанные с нанотехнологией риски до тех пор, пока степень таких рисков не будет достаточно полно и убедительно оценена. Правительство должно обеспечить финансовую базу исследований данного направления.
4. Необходимо целенаправленно изучать взаимодействие и взаимосвязь между «нано» и «био». Это чрезвычайно многообещающая область. С одной стороны, нанотехнология создает новые мощные инструменты для фундаментальных биологических исследований и для медицины, а с другой - сами исследователи наномира черпают знания и вдохновение, сталкиваясь со свойствами и возможностями биосистем. Примером может служить биомоторчик в жгутике бактерии Escherichia coli. По словам профессора Калифорнийского технологического института М. Рукес (Roukes), «природа смеется над нами и заставляет нас с утроенной силой продвигать вперед наши исследования» (с. 10). Биосистемы постоянно собирают отдельные молекулы в крупные, сложные функциональные структуры, пользуясь наследственными шаблонами. Иммунные системы формируют миллионы похожих и в то же время совершенно разных антител и мгновенно определяют, имеют ли они нужные свойства. Более того, живые организмы обладают способностью к самоизлечению, самовосстановлению и компенсации тех или иных «неисправностей». К сожалению, в целом ряде случаев культурно-этические барьеры препятствуют научному исследованию биоматериалов, биологических процессов и систем. Биологи обычно ограничиваются описанием того, как устроены и как действуют существующие организмы, и не занимаются проблемами создания новых. Национальные институты здоровья, и в первую очередь Национальный институт рака, уже берутся всерьез за наномедицинские ИР, но для копирующих биоорганизмы наносистем
существует много применений и вне рамок медицины. Следует поручить изучение этого направления одному из правительственных ведомств и обеспечить его целевым финансированием.
5. Наконец, существует еще одна область, требующая правительственной поддержки. Необходимо создать для малых и средних предприятий, начинающих нанотехнологические разработки, благоприятные условия для преодоления так называемой «долины смерти»2. Воплощать идеи в продукцию и продвигать ее на рынок - дело весьма сложное, особенно в области нанотехнологии. Между демонстрацией способности наноструктуры выполнять те или иные новые полезные функции и организацией масштабного и экономически эффективного ее производства дистанция очень велика. Венчурный капитал, как правило, не финансирует столь рискованные работы, пока они не достигают достаточно зрелого уровня, т.е. до последних стадий процесса коммерциализации. Поэтому необходимо решать проблему в рамках таких правительственных программ, как Программа инновационных исследований силами малого бизнеса или Программа передачи технологий предприятиям малого бизнеса, другими словами, -силами Администрации малого бизнеса, т.е. правительства.
В заключение авторы подчеркивают, что «мы не можем рассчитывать на лидерство США в этой новой технологической революции, если ограничимся краткосрочными, дающими быструю выгоду исследованиями. Мы искренне надеемся, что сможем достойно ответить на растущие вызовы американскому научному, технологическому и экономическому лидерству, пока еще не поздно» (с. 11).
А.Н. Авдулов
2 «Долиной смерти» называют первые годы существования малых и средних фирм, во время которых большинство из них разоряются и прекращают свою деятельность. - Прим. реф.
