CC BY
33
ПРИОРИТЕТЫ РОССИИ
10 (31) - 2008
проблемы и перспективы развития нанотехнологического
комплекса россии
н. в. бекетов,
доктор экономических наук, профессор, директор Научного центра социально-экономических и гуманитарных исследований Якутского государственного университета
Нанотехнологический бум, переживаемый в настоящее время международным и российским научным сообществом, формально во многом сродни тому буму, который пережило почти 20 лет назад это сообщество в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости. Так, 18 октября 1986 г. публикация И. Беднорца и К. Мюллера в журнале дала старт гонке, которая несколько месяцев спустя позволила исследователям техасского университета под руководством профессора К. Чу создать керамические оксидные сверхпроводники с критической температурой, превышавшей точку кипения жидкого азота.
Впервые в мировой практике благодаря электронной почте информация об этом открытии распространилась с огромной скоростью, потребовалось лишь 1-2 недели, чтобы исследователи многих стран воспроизвели, а в ряде случаев и превзошли достижения группы К. Чу. В нашей стране это было впервые сделано совместно химиками и физиками Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Месяц спустя были созданы первые образцы сверхпроводящих пленок и покрытий, проволок и соленоидов, показавших, что высокотемпературная сверхпроводимость может стать технической реальностью. Тогда-то сверхпроводимость из научной проблемы превратилась в государственную. В нашей стране была образована государственная комиссия, которую возглавил тогдашний премьер-министр Н. И. Рыжков, а 26 мая 1987 г. ученые и политики встретились вместе, чтобы, по сути дела, дать старт Государственной научно-технической программе по высокотемпературной сверхпроводимости.
Значительное финансирование (с учетом инфляции в нынешних ценах оно составило око-
2 -
ло 500 млн долл. в год) позволило существенно и достаточно быстро обновить приборный парк ведущих академических, отраслевых институтов и вузов и привлекло огромное число исследователей, многие из которых стремились преуспеть в создании новых поколений высокотемпературных сверхпроводников с более высокой критической температурой, и особенно высокой критической плотностью тока, что, в конечном счете, предопределяло технические возможности использования сверхпроводящих материалов. Многие из этих исследователей располагали лишь дифрак-тометрами, печами и простейшими магнитными измерительными системами, функционировавшими при температурах жидкого азота, но и этого было достаточно, чтобы продвинуться вперед и достичь определенного успеха. Особенно подчеркнем последнее обстоятельство, поскольку квалифицированная активность в создании новых нано-технологий и наноматериалов требует несомненно более дорогого синтетического и диагностического оборудования, включая чистые комнаты, электронные и атомно-силовые микроскопы, Фурье-, Рамановские, Оже-спектрометры и многое другое. Известно, что фронт работ в области высокотемпературных сверхпроводников в настоящее время значительно сузился, хотя и сейчас реализуются очень значимые по масштабам научно-технические проекты, связанные, в частности, с созданием сверхпроводящих моторов (Л. К. Ковалев), длинномерных сверхпроводников для сильноточной энергетики (Н. А. Черноплеков, А. Р. Кауль), электронных устройств и их компонентов, включая электромагнитные экраны, модуляторы, антенны, болометры для широкого диапазона излучений, а
также измерительные устройства, использующие эффект Джозефсона.
Естественно, возникает вопрос: не разделит ли нынешний нанотехнологический бум судьбу последовавшего за открытием ВТСП? Боюсь, что сейчас трудно дать однозначный ответ, хотя есть весьма уважаемые лица, представляющие как научное, так и бизнес-сообщества, которые довольно скептически относятся к идее переустройства мира благодаря повсеместному внедрению нанотехноло-гий. К сожалению, не все прогнозы, связанные с развитием нанотехнологий, оптимистичны.
Но вернемся к теме, обозначенной в названии статьи. Прежде всего, было бы целесообразно определиться с содержанием понятия «нанотехнологии», впервые появившегося в литературе с легкой руки Н. Танигучи (Япония). В самом общем смысле на-нотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.
Согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004г.) выделяют следующие типы наноматериалов:
1) нанопористые структуры;
2) наночастицы;
3) нанотрубки и нановолокна;
4) нанодисперсии (коллоиды);
5) наноструктурированные поверхности и пленки;
6) нанокристаллы и нанокластеры.
Вместе с тем многие свойства материалов (в том числе магнитные, оптические, электрические) являются следствием коллективных взаимодействий в твердом теле и не могут сохраняться при переходе от объемного к наноматериалу. В этом случае свойства веществ не могут быть объяснены только увеличением их удельной поверхности и ростом числа поверхностных атомов без учета квантоворазмерных эффектов. Примерами могут служить такие явления, как образование квантовых точек в случае, когда размеры частиц полупроводника соизмеримы с дебройлевской длиной волны электрона, когда происходит изменение ширины запрещенной зоны за счет локализации экситонов и переход ферромагнитных материалов в суперпарамагнитное состояние. Однако иногда размерный эффект проявляется даже в таких свойствах веществ, как их каталити-
ческая активность или реакционная способность: с уменьшением размера частиц может наблюдаться как резкое увеличение, так и уменьшение удельной активности, т. е. активности, отнесенной к одному атому металла. Как правило, этот эффект особенно ярко выражен у кластеров. Следует отметить, что важнейшей компонентой нанотехнологий является химический синтез нанопродуктов. В связи с этим уместно напомнить, что Нобелевский лауреат Р. Хоффман (кстати, сам по образованию физик, проработавший некоторое время в МГУ) в ответ на вопрос, что такое нанотехнология, остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название. По сути дела, химики занимались нанотехнологиями на протяжении двух с половиной столетий. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант химика-синтетика с мастерством инженера, и именно этот союз позволил создавать самые замысловатые структуры благодаря использованию как разнообразных темплатов, так и безтемплатных процессов.
Что можно сказать об истоках нанотехнологии и о фундаментальном вкладе российских исследователей в развитие нанотехнологий? Отправной точкой обычно считают легендарную лекцию Нобелевского лауреата Р. Фейнмана «Там, внизу, еще много места», в которой он предлагал манипулировать отдельными атомами для создания очень малых объектов с необычными свойствами. Эта идея была реализована в дальнейшем благодаря созданию сканирующего туннельного микроскопа (Г. Биннинг, Г. Рорер, 1981 г.) и атомно-силового микроскопа (Цюрихское отделение IBM, 1986 г.). Однако многие фундаментальные исследования, без которых было бы немыслимо развитие современных нанотехнологий, проводились на протяжении десятилетий научными школами академиков В. А. Каргина, П. А. Ребиндера, Б. В. Дерягина и Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова.
По целому ряду известных всем причин активность российских ученых в области нанотехнологий и наноматериалов, равно как и в других научных направлениях, значительно сократилась в последние десятилетия прошлого века. Парадокс заключается в том, что именно в этот период за рубежом, в первую очередь в США и в Японии, были сделаны важные открытия, включая создание объемных фотонных кристаллов с запрещенной оптической зоной (Яб-лонович, 1991 г.), синтез углеродных нанотрубок (Ижима, 1991 г.), а в дальнейшем и нанотрубок BN (Чопра, 1995 г.). В этот же период были предприняты попытки создания молекулярных переключателей и измерения электропроводимости отдельных мо- 3
лекул, продемонстрирован полевой транзистор на углеродной нанотрубке, продолжены исследования по самосборке молекул на металлической поверхности. Примерно в то же время группа экспертов Национального научного фонда США сделала заключение о безусловной приоритетности исследований в области нанотехнологий и наноматери-алов, а в 2000 г. в США была принята долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой. В соответствии с этой программой объем бюджетного финансирования нанотехнологических исследований в США уже в 2001 г. составил 420 млн долл., в 2004 г. вырос до 900 млн долл., а в дальнейшем вышел на стационарный уровень, немногим превышавший 1 млрд долл. в год.
В Японии и в странах Европейского Союза государственная поддержка нанотехнологических исследований немногим уступала США. Вместе с тем значительно возросла активность частного капитала. В 2002 г. число венчурных компаний, занимавшихся производством нанопродуктов, достигло в мире 320, причем среди них на производстве на-нопорошков специализировалось 160 компаний, нанотрубок — 55, нанопористых материалов — 22, фуллеренов — 21, квантовых точек — 16, наново-локон — 9, нанокапсул — 8, нанопроволок — 6 и дендримеров — 5 компаний. Производство нанопо-рошков является довольно масштабным и связано с изготовлением катализаторов дожига выхлопных газов автомобилей (11,5 тыс. т), абразивов (9,4 тыс. т), материалов для магнитной записи (3,1 тыс. т) и солнцезащитных материалов (1,5 тыс. т). Согласно прогнозам, рынок нанопорошков, оцениваемый сейчас в 1 млрд долл., должен к 2010 г. возрасти до 11 млрд долл., тогда как мировой рынок нанотехно-логий в целом к этому времени, предположительно, должен превысить 1 трлн долл.
Акт об исследованиях и развитии нанотехно-логий в XXI в., подписанный президентом Дж. Бушем в 2003 г., предполагает фронтальное решение проблем нанотехнологии как в фундаментальном, так и в прикладном направлениях с выделением свыше тысячи направлений поиска, объединенных вокруг наноэлектроники, нанобиотехнологии, молекулярной электроники, наноэлектромехани-ки, наноэнергетики, оптоэлектроники, создания новых поколений функциональных и конструкционных наноматериалов, наноматериалов для медицины, машиностроения и робототехники, компьютерных технологий, экологии, аэронавтики, систем безопасности и борьбы с терроризмом. Созданная в США инфраструктура включает веду-
4 -
щие университеты, национальные лаборатории и производственные структуры, функционирующие в составе венчурных компаний. Число продуктов, произведенных в США с помощью нанотехноло-гий, уже сейчас превысило 3 тыс., а более половины патентодержателей составляют американские компании, университеты или частные лица. Даже Японии, оказывается, довольно трудно конкурировать с США — ей пришлось ограничить наноак-тивность более узким кругом решаемых задач. По числу нанотехнологических публикаций в международных журналах лидируют 6 стран, три из которых, представляющие запад (США, Германия, Франция), несколько опережают восток (Япония, Южная Корея, Китай), причем на 2-е место уже в 2004 г., безусловно, вышел Китай, увеличивший за десятилетие число нанотехнологических публикаций в 21 раз и лишь немногим (на 25 %) уступивший США. Вместе с тем по числу полученных патентов Китай находится пока лишь на 20-м месте.
Ну, а что же Россия? Научному сообществу нашей страны сильно не повезло. Прежде всего, потому, что оно в целом потеряло без интенсивной творческой работы почти целое десятилетие, последовавшее после распада СССР и мучительных поисков путей элементарного физического выживания. Разумеется, что это касалось не только развития нанотехнологий, но, прежде всего, именно их, поскольку визуализация и контролируемое создание нанопродуктов требовали крайне дорогостоящего оборудования, которым наши исследователи в большинстве своем не располагали. Исключение составляли лишь те, кто сотрудничал с зарубежными коллегами, имевшими такое оборудование. В этой связи заслуживает одобрения инициатива РФФИ по поддержке международных грантов, позволивших эффективно использовать уникальное диагностическое оборудование научных центров ФРГ, Франции, Италии, Бельгии, Голландии, Японии, а в последнее время также и США. Достаточно вспомнить, что 8 лет назад в Москве не было ни одного функционирующего сквидмагнетометра, и молодым исследователям МГУ пришлось (да и по сей день приходится) проводить измерения синтезированных ими магнитных нанокомпозитов в Иене (ФРГ). Тем более удивительно, что и в 1990-е гг. фундаментальные исследования, вносившие несомненный вклад в развитие нанотехнологий, не прекращались и в России.
Справедливости ради надо сказать, что после 2000 г. отечественные исследования в области нано-технологий и наноматериалов заметно оживились. Началось финансирование инициативных проек-
тов РФФИ по нанотехнологиям и наноматериалам, а также по отраслевым программам Минобороны, Минатома (Росатома), Роскосмоса, Минпромэнер-го, что, по приблизительным оценкам, составляло в сумме 20-25 млн долл. в год, в 30 раз уступая размерам государственной поддержки нанотехнологий в США. Тем не менее некоторые академические, вузовские и отраслевые лаборатории были переориентированы на исследования в области нано-технологий и наноматериалов, хотя большинство из них по-прежнему не располагало необходимым современным оборудованием. Достаточно сказать, что электронный микроскоп высокого разрешения HREM TECHNAI стоит около 4 млн долл., а чистая комната достаточно высокого класса — и того больше. Ситуация несколько улучшилась, когда в соответствии с постановлением Правительства РФ от 12.10.2004 № 540 в федеральную целевую научно-техническую программу (ФЦНТП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 — 2006 годы» были внесены существенные изменения, а в перечне приоритетов появилось направление «Индустрия наносистем и материалы», на поддержку которого было предусмотрено выделить из средств федерального бюджета в 2005 г. 2 млрд руб. (около 70 млн долл.), а в 2006 г. — 2,12 млрд руб. (около 80 млн долл., с учетом изменения курса доллара). Рабочая группа экспертов, возглавляемая академиком М. В. Алфимовым, определила следующие приоритеты:
1) углеродные наноматериалы;
2) новые материалы и технологии для нано-электроники, оптоэлектроники и спинтроники;
3) органические и гибридные наноматериалы;
4) полимеры и эластомеры;
5) кристаллические материалы со специальными свойствами;
6) мехатроника и микросистемная техника;
7) композиционные и керамические материалы;
8) мембраны и каталитические системы;
9) биосовместимые материалы;
10) нанодиагностика и зондовые методы.
Другая особенность, нередко вызывающая
непонимание и недовольство научного сообщества, состоит в том, что оно воспринимает возможность получить финансовую поддержку в рамках ФЦНТП как конкурс на получение гранта, тогда как в действительности необходимо работать в рамках закона о госзакупках и скрупулезно выполнять требования заключенного контракта. Другое дело, насколько именно научные эксперты, а не чиновники определяют формулировку выставленных на
торги лотов, которая нередко вызывает недоумение тем, что предопределяет победителя конкурса. Несомненный оптимизм вызывает то обстоятельство, что Правительство РФ 6 июля 2006 г. утвердило концепцию ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 — 2012 годы», установив объем финансирования за счет федерального бюджета в объеме 134 млрд руб. (примерно 5 млрд долл.). Есть основания полагать, что в рамках этой суммы значительно возрастает господдержка приоритетного направления «Индустрия наносистем и материалы».
Потребность в существовании такой программы была осознана научным сообществом давно, особенно после старта в США упомянутой выше «Национальной нанотехнологической инициативы». Но время шло, примеру США последовало около 50 стран, но среди них по-прежнему отсутствовала Россия. Справедливости ради следует сказать, что Минобрнаукой с участием представителей заинтересованных ведомств была разработана концепция развития нанотехнологий в России, далее была подготовлена рамочная «Программа развития в РФ работ в области нанотехнологий и наноматериалов до 2015 года (национальная технологическая инициатива по развитию наноиндустрии)» и, наконец, составлен проект Федеральной целевой программы «Развитие исследовательской, инновационной и технологической инфраструктуры для наноиндустрии РФ на 2007 — 2009 годы». Реализация последней программы дает возможность в достаточно короткий срок вооружить наше нано-технологическое сообщество совершенно необходимым, но отсутствующим сейчас современным научным и технологическим оборудованием. Всякий раз они были связаны с появлением нового поколения исследователей в результате национального образовательного прорыва.
Успешная реализация нанотехнологического проекта невозможна ни в одной стране, если ей не удастся подготовить или привлечь со стороны специалистов, хорошо владеющих одновременно знаниями в области математики, физики, химии, механики, биологии. Лишь междисциплинарная образовательная программа способна обеспечить нанотехнологический прорыв. Созданный в МГУ 15 лет назад Факультет наук о материалах может служить своеобразной моделью междисциплинарного естественно научного образования, обеспечивающего многоуровневую подготовку материаловедов-исследователей, включая бакалавров, специалистов, магистров в направлении «Химия, физика
- 5
и механика материалов», кандидатов и докторов наук по специальностям «Химия твердого тела», «Физика конденсированного состояния» и «Неорганическая химия». Министерством образования и науки РФ в порядке эксперимента в технических университетах было открыто образовательное направление «Нанотехнология» с введением двух специальностей: «Наноэлектроника» и «Нанома-териалы». В настоящее время подготовка по этим специальностям начата в таких вузах, как РХТУ им. Д. И. Менделеева, МВТУ им. Н. И. Баумана, Санкт-Петербургском государственном технологическом институте, Санкт-Петербургском политехническом университете и других. Специальные образовательные программы по нанотехнологии разработаны и реализуются в ряде европейских стран, включая Германию, Данию, Швецию и Швейцарию. Вместе с тем ведущие американские университеты считают целесообразным вести подготовку специалистов по нанотехнологиям в рамках фундаментального материаловедения.
Итак, если мы сумеем сохранить то лучшее, что было заложено в отечественной системе университетского образования (прежде всего, его фундаментальность) и пополним последнее междисципли-нарностью и способностью владеть современным синтетическим и диагностическим инструментарием, то появится надежда на возможность преодоления нашей страной наметившегося нанотехно-логического отставания.
Однако нельзя сбрасывать со счета, что нанотех-нология, в отличие от обычных технологий, отличается повышенной «наукоемкостью» и затратностью, в ней резко снижена вероятность решения задач методом «проб и ошибок», который традиционно используется в прикладных разработках. Поэтому путь от лаборатории к наноиндустрии более сложен, чем при промышленном создании обычных продуктов. Если же учесть, что в России не удалось сохранить даже традиционных промышленных производств в тех объемах, которые существовали 15 — 20 лет назад, то ускоренное развитие наноиндустрии в нашей стране покажется утопией.
Есть основания сомневаться в том, что до тех пор пока сверхприбыли будут обеспечиваться в нашей стране за счет нефтяного, газового и строительного бизнеса, кто-то предпочтет инвестировать средства в развитие инновационных производств типа наноиндустрии. В этом смысле ситуация за рубежом является, несомненно, более благоприятной. В США, Японии и Южной Корее частный бизнес инвестирует наноразработки в объеме, не уступающем бюджетной поддержке, причем за
6 -
5 лет — с 1999 по 2004 гг. размеры частных инвестиций в наноиндустрию выросли в 10 раз. Быть может, одобренное Правительством РФ 10.08.2006 создание венчурных компаний на основе государственно-частного партнерства станет шагом вперед в развитии наноиндустрии? Пока же российский опыт преодоления барьеров на пути от нанонауки к промышленному созданию и коммерческому сбыту нанопродуктов невелик.
Среди проблем, связанных с развитием нано-технологий в реализуемой в США программе «Национальная нанотехнологическая инициатива», считается приоритетным анализ социальных последствий так называемой нанотехнологической революции. Речь идет о доступе к благам, которые возникают в результате развития наноиндустрии, ее позитивном влияния на рынок труда и на прогресс медицины, а также о возможных негативных последствиях накопления нанопродуктов на здоровье человека и на окружающую его среду. Позитивные аспекты развития нанотехнологии уже сейчас широко рекламируются в печати и на телевидении. Для 120 млн человек, ежегодно посещающих научные музеи США, в качестве пиар-акции предлагается экспозиция, посвященная развитию нанотехнологии. Передвижную выставку «Это — наномир» в 2004 г. увидели почти 800 тыс. посетителей, среди которых доминировали 8— 13-летние дети. Разнообразные направления развития наномедицины включают биосенсорную нанодиагностику, наночастицы как средство доставки лекарств и новые формы лекарственных препаратов, создание нанороботов, наноинструментов и наноманипуляторов для медицинских целей и многое другое. Не меньшее внимание в США и в странах Европейского Союза уделяется изучению потенциального ущерба, который наноматериалы могут нанести здоровью человека и окружающей среде. Речь идет, прежде всего, о респираторных и легочных заболеваниях, включая рак легких. Любопытно, что в Белой книге, подготовленной под редакцией академика В. Я. Шевченко по результатам всероссийского опроса ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий, среди многочисленных направлений наноисследований, проводимых в России, отсутствует даже упоминание о возможных рисках и негативных социальных последствиях развития нанотехнологий и применения наноматериалов.
Есть ли у нас основания испытывать чувство удовлетворения нынешними темпами и состоянием нанотехнологических разработок в России? Как уже отмечалось, после 2000 г. отечественные исследования в области нанотехнологий замет-
но оживились, но все познается в сравнении. В то же время информационный вклад российских ученых в нанотехнологическую науку за последние 5-6 лет заметно снизился и составляет сейчас 1,5 % против 6 % в 2000 г. Еще в большей степени это касается числа международных патентов, полученных россиянами, и особенно лицензионных выплат, которые в пересчете на 1 млн жителей оказались в 100 раз меньше, чем в США. О скромности российского нанотехнологического вклада свидетельствует и наше участие в международных встречах-конференциях и конгрессах по нанотехнологии. Приведу в качестве примера 9-ю Международную конференцию по нанона-уке и технологии (9th Internatianal Conference on Nanoscience and Technology), проходившую с 30 июля по 5 августа 2006 г. в Базеле (Швейцария). В этой конференции участвовало свыше 5 тыс. человек, включая четверых Нобелевских лауреатов. Из 600 с лишним устных докладов (а помимо них было еще 900 постеров), представленных на конференции учеными 30 стран, лишь 40 докладов имели российских соавторов, но и они в большинстве случаев представляли не российские, а зарубежные организации (феномен «утечки умов»).
В этой связи следует определить перечень первостепенных мер, которые надо предпринять, чтобы заметно продвинуться вперед:
1. Осуществить отбор приоритетных направлений нанотехнологических разработок с учетом перспектив их дальнейшей коммерциализации, конкурентоспособности и востребованности, в первую очередь на внутреннем рынке, а также учитывая невозможность осуществления фронтального подхода, ориентированного на одновременное решение всех проблем нанотехнологии (аналогично тому, как это делается в США).
2. В кратчайший срок оснастить отечественных исследователей новейшим оборудованием, необходимым для синтеза и диагностики нанопродуктов, реализовав проект федерально-целевой программы «Развитие исследовательской и технологической инфраструктуры для наноиндустрии Российской Федерации» и предусмотренное в этом проекте создание национальной нанотехнологической сети, включая национальную лабораторию, научно-исследовательские центры и ЦКП.
3. Создать целостную образовательную систему подготовки нового поколения исследователей, материаловедов и технологов, обладающих междисциплинарными фундаментальными знаниями и владеющих новейшим синтетическим и диагностическим оборудованием, используемым в нанотехнологиях (по приближенным оценкам, в ближайшее десятилетие миру потребуется не менее 2-3 млн специалистов, а, следовательно, по самым скромным масштабам, в России их должно быть не менее 30 тыс.).
4. Организовать независимую сертификационную службу для выработки стандартов, метрологии и сертификации, способную объективно оценивать качество нанопродуктов.
5. Создать и реализовать целостную систему подготовки всего российского общества к переменам, связанным с фронтальным развитием нанотехно-логий и использованием нанопродуктов, включая соответствующие школьные курсы, музейные экспозиции, выпуск научно-популярной литературы, телевизионные передачи, фестивали науки и прочее.
6. Разработать систему мер, обеспечивающих развитие нанобизнеса, в том числе устранение таможенных сборов на экспорт нанотехнологическо-го оборудования и введение льгот для потребителей и производителей нанопродукции.
