Реферат Нанотехнологии в экономике Республики Беларусь
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………………………...3-4
1. Возникновение нанонауки……………………………………………………………..5-12
2. Фундаментальные положения………………………………………………………...13-18
2.1. Методы исследования наноструктур………………………………………………….14-17
2.2. Наночастицы……………………………………………………………………………17-18
2.3. Самоорганизация наночастиц…………………………………………………………18
2.4. Отношение общества к нанотехнологиям……………………………………………19-20
3. Положение нанотехнологий в экономике мира и РБ………………………………21-30
4. Практическое применение нанотехнологий………………………………………...31-55
4.1 Нанотехнологии в строительстве……………………………………………………...31- 35
4.2. Военные нанотехнологии……………………………………………………………...35-45
4.3. Нанотехнологии и медицина…………………………………………………………..46-51
4.4. Нанотехнологий, экология и сельское хозяйство……………………………………51-55
5. Перспективы развития нанонауки…………………………………………………...56-58
Заключение…………………………………………………………………………………59
Список литературы……..…………………………………………………………………61-62
ВВЕДЕНИЕ
Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время общепризнанно относят к «ключевым» или «критическим» аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.
К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Среди основных составляющих науки наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:
1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.
Начало XXI века ознаменовалось революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI века будет веком нанотехнологий ( по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век – веком атома и компьютера).
Развитие нанотехнологий открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике
Такие перспективы требуют оперативного внедрения в образовательные программы дисциплин, необходимых для подготовки специалистов, способных эффективно и на современном уровне решать фундаментальные и прикладные задачи в области наноматериалов и нанотехнологий.
Данный реферат преследует цель ознакомить с основными представлениями о нанотехнологиях, их возникновении, влиянии на экономику, применении, перспективах развития, а также о положении нанотехнологий в экономике Республики Беларусь.
1.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАНОНАУКИ
Там... внизу... еще очень много места...
Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике (1959 год}
Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10~9м).
Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.
Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, — это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.
Так вот, еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники.
Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то время не осознали его перспективности.
В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска и Макс Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.
Бурное развитие электроники в середине 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки. В это же время Юрий Сергеевич Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар», впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.
Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский при исследованиях аварий авиационной техники в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой «сервовитной пленки» толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.
Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из крупнейших физиков XX века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана, прочитанной 29 декабря 1959 года. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов...», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.
Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.
В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18—24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.
Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов.
В это же время Дэвид Джонс теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник, а физхимик-органик Эйдзи Озава предположил существование полой высокосимметричной молекулы Сб0 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.
В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.
В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем (А, 1 нм = 10 А), применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.
В 1973 году советские ученые Дмитрий Анатольевич Бочвар и Елена Григорьевна Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.
Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера, работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).
Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.
Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман — ученый, разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.
Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигу-чи ( Norio Taniguchi) из Токийского университета.
Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10~9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.
Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт и Кристоф Найнуйс обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.
Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики Герд Карл Бинниг и Э. Руска, а также швейцарец Гейнрих Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали растровый туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.
Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.
Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода), по горизонтали — около 0,2 нм. По сути это уже не микроскопы, ананоскопы.
В 1980-1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул, в первую очередь — для металлов переходных структур.
При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер, изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 годы, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.
То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение. В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, химика Гарольда Крото из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла и Джеймса Хита и Шона О'Брайена и под руководством Ричарда Смолли в университете Раиса (США) Получил новый класс соединений — фуллерены и исследовал их свойства. Инициатором поиска был Г. Крото, который изучал лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.
В 1985 году немецкий физик Клаус Олаф фон Клитцинг получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Герберта Холла. В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.
В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих микроскопов.
Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера «Машины творения: наступающая эра нанотехнологий» и последующей дискуссии. Оказалось, однако, что этот термин ранее уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехнологиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».
В настоящее время понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне атома и молекулы) явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.
В России первая отечественная нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева, заработала в 1987—1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта». Она была создана под руководством Петра Николаевича Лускиновича.
В это же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет ( Warren Robinet) и химик Стэн Уильяме ( Stan Williams) из университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор — робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.
Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы.
Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго — атомы быстро «испарились» с поверхности, однако сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.
В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Технион) в честь 60-летия создания своего государства создали уже целую нанокнигу — Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм2 (размер булавочной головки).
Текст был набран с помощью фокусированного ионного пучка ( focused ion beam — FIB), вытравливавшего (с помощью ионов галлия) узор на золотой подложке (толщиной 200 нм), покрывавшей основание из кремния. Если само нанесение текста заняло не более полутора часов, то программное обеспечение для управлявшего этим процессом компьютера разрабатывалось более трех месяцев.
Также в 1991 году началась разработка первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Аналогичную программу разрабатывали в Японии по поручению правительства. Была намечена серия проектов, направленных на создание приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, и в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.
Эти исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц — нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.
С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным оставалось создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединявший ученых и промышленников различных отраслей.
В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», в которых публиковалось множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам, их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.
В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создавались лаборатории и отделы наноструктур, которые возглавляли известные ученые.
На пятой Форсайтовской конференции К. Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.
Развитые страны мира очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий на уровне правительств и глав государств, оценив, какие перспективы это может принести в будущем. В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологий» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством — в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологий — квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также направленных на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них — Atom Craft project и Аопо project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.
Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США.
С 2001 года в США реализуется федеральная программа под названием National Nanotechnology Initiative ( AW/- «Национальная нанотехнологическая инициатива»). В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций-участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нано-технологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долл.).
С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21 st Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.
В соответствии с этим документом пять государственных организаций — Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство ( NASA), Управление по охране окружающей среды — для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд. долларов сроком на четыре года. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.
В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нано-технологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологий). Правительства и частный сектор все больше осознают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому в сфере наноматериалов накопились огромные фонды от частных предприятий и правительств.
Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA), основная цель которой — содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.
По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологий достигли 6 млрд. долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (данные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Большая часть из них (около 10%) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.
В целом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он уже превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти.
2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.
Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.
Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
2.1. Методы исследования наноструктур
Исследования в области нанотехнологий требуют тесной межотраслевой и междисциплинарной кооперации и постоянного обмена результатами научных исследований и практических достижений, поскольку в данной области тесно переплетаются вопросы и интересы физики, химии и биологии, которые дополняют и обогащают друг друга.
Для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне в настоящее время, как правило, применяют эффекты квантовой физики.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — один из важнейших современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением.
В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов — приборов, в которых исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомно-силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и другими способами.
Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI века.
В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) оказывается на расстоянии от поверхности около 10 А, что эквивалентно размеру нескольких атомов (-0,5—1,0 нм), между зондом и образцом устанавливается рабочее напряжение, и электронные облака на конце зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются. В результате электроны «перескакивают» через зазор. Другими словами, электрический ток из образца начинает проходить через промежуток в иглу или наоборот — в зависимости от знака напряжения, хотя непосредственного контакта между зондом и поверхностью в привычном понимании нет.
Электрический ток протекает благодаря так называемому «туннельному эффекту», из-за которого получил свое название микроскоп. Как уже отмечалось, феномен заключается в том, что электрон может преодолеть энергетический (то есть потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи — небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца, даже не обладая достаточной энергией, то есть он «туннелирует» сквозь эту преграду:
Рис. Типовая схема осуществления СЗМ:
I - программное обеспечение компьютера; II — контроллер;
1 - станина; 2 — трехкоординатный автоматический столик; 3 — исследуемая поверхность; 4 — зонд; 5 — датчик положения зонда; 6 — пространственный пьезодатчик
Рис. Переход (туннелирование) электрона с кинетической энергией Е через потенциальный барьер с энергией U (при этом U > Е)
По изменениям напряжения на зонде компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, то есть могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм.
На использование метода накладывается ряд ограничений. Во-первых, электропроводимость образца — поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см2. Такое ограничение вытекает из самого принципа работы СТМ — для эффективного туннелирования электронов через зазор между поверхностью образца и чувствительным элементом прибора должно быть много свободных электронов (электронных состояний). Поэтому при изучении с помощью СТМ неэлектропроводных веществ необходимо покрывать их металлической пленкой или «привязывать» к их поверхности проводник, например слой золота.
Во-вторых, глубина исследуемой канавки должна быть меньше ее ширины. В противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей нанорельефа и искажение изображения исследуемого нанорельефа.
На самом деле ограничений в применении СЗМ гораздо больше. Так, малейшие вибрации и шумы, даже вне лаборатории могут нарушить точную настройку прибора и процесс сканирования поверхности. При этом существующая в настоящее время технология «заточки» иглы не гарантирует одного острия на конце иглы, а это может приводить к одновременному сканированию двух разновысоких выступов. За исключением условий глубокого вакуума, во всех остальных случаях на поверхностях имеются различные загрязнения, состоящие из частиц газа и пыли, осажденных из воздуха.
Существенное влияние на достоверность получаемых результатов оказывает механизм сближения. Если при сближении зонда и исследуемой поверхности не удастся избежать непосредственного касания (микроудара) иглы о поверхность образца, то игла не будет иметь необходимую толщину в один атом на кончике призмы.
Возможности сканирующего туннельного микроскопа далеко выходят за задачи микроскопических (точнее, наноско-пических наблюдений). При точном позиционировании зонда над конкретной молекулой и необходимом напряжении можно с его помощью «рассечь» молекулу на отдельные части, оторвав от нее несколько атомов, и исследовать их электронные свойства. Экспериментально установлено, что, прикладывая к зонду необходимое напряжение, можно заставить атомы притягиваться к острию зонда или отталкиваться от него, а также передвигать атомы вдоль поверхности.
Создание в 1986 году под руководством Г. К. Биннига атомно-силового микроскопа (АСМ) позволило не только рассматривать любые объекты, но и осуществлять необходимые взаимодействия с их поверхностью на наноуровне.
Принцип действия АСМ основан на использовании сил межатомных связей вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около 1 А= 10"8 см), возникают силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Как известно, аналогичные силы действуют между любыми сближающимися телами. При работе АСМ такими телами служат сканируемая поверхность 3 и зонд в виде алмазной иглы 2, который плавно скользит над поверхностью образца. Фактически это та же игла, которая используется в сканирующем туннельном микроскопе. Электронное облако острия алмаза оказывает давление на электронные облака (электрон 2) отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, которая меняется в соответствии с рельефом поверхности.
Рис. Общий вид и зона измерительной головки сканирующего зондового микроскопа Р47Н:
I — устройство позиционирования с предметным столиком (позиционер); 2 — металлические стойки; 3 — виброзащитный подвес; 4 — измерительная сканирующая головка; 5 — блок подвода образца (привод); 6 — резиновый диск
Эта сила отклоняет кончик острия, а его перемещения регистрируются с помощью датчиков.
Наиболее распространенным зондовым датчиком атомно-силового взаимодействия является пружинный кантилевер (англ. cantilever— консоль) с расположенным на его конце зондом.
Рис. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ):
1 — игла зонда; 2 — электрон; 3 — исследуемая поверхность
Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным.
В АСМ сканирование исследуемой поверхности происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ — по «поверхности постоянного туннельного тока». Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего наноскопические изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.
Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения рельефа поверхности любых веществ (проводящих и не проводящих ток, а также полупроводников) на наноуровне. С его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например дислокации или заряженные дефекты, а также примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков, в частности доменов, в кристалле. Он также служит для определения структур физического вакуума, литографии и других прикладных задач.
2.2. Наночастицы
Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.
2.3. Самоорганизация наночастиц
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берётся комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.
2.4. Отношение общества к нанотехнологиям
Прогресс в области нанотехнологий вызвал определенный общественный резонанс.
Отношение общества к нанотехнологиям изучалось ВЦИОМ и европейской службой «Евробарометр».
Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть связано с религиозностью, а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов.
Реакция мирового сообщества на развитие нанотехнологий
C 2005 года функционирует организованная CRN международная рабочая группа, изучающая социальные последствия развития нанотехнологий.
В октябре 2006 года Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья, в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях безопасности.
Организация «Гринпис» требует полного запрета исследований в области нанотехнологий.
Тема последствий развития нанотехнологий становится объектом философских исследований. Так, о перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году международной футурологической конференции Transvision, организованной WTA.
Реакция российского общества на развитие нанотехнологий
26 апреля 2007 года бывший Президент России Владимир Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники». По мнению Путина, для большинства россиян нанотехнологии сегодня — «некая абстракция вроде атомной энергии в 30-е годы».
О необходимости развития нанотехнологий заявляет ряд российских общественных организаций.
По сообщениям СМИ, представители Российского трансгуманистического движения акцентировали внимание на развитии нанотехнологического производства на круглом столе «Влияние науки на политическую ситуацию в России. Взгляд в будущее», состоявшегося 21 марта 2007 года в Государственной Думе РФ.
8 октября 2008 года было создано «Нанотехнологическое общество России», в задачи которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны»
6 октября 2009 года президент Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию — мировая экономика начинает расти, экспортный потенциал возрастает, и никакие нанотехнологии не нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий был бы для нашей страны просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призываю», — подчеркнул Д.Медведев, обращаясь к участникам форума.
При этом президент особо отметил, что «пока эта (государственная) поддержка (бизнеса) носит безалаберный характер, пока мы не смогли ухватить суть этой работы, надо наладить эту работу». Д. Медведев также подчеркнул, что Роснано до 2015 года на эти цели будет выделено 318 млрд рублей.
Д. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадров для нанотехнологий, а также создать госзаказ на инновации и открыть «зеленый коридор» для экспорта высокотехнологичных товаров.
3.
Положение нанотехнологий в экономике мира и РБ.
В настоящее время в социально-экономических приоритетах Республики Беларусь особая роль принадлежит развитию наукоемких отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости. На современном этапе развития мировой экономики таким направлением, безусловно, являются нанотехнологии. Нанотехнологии требуют малого количества затрат энергии, материалов, производственных и складских помещений. С другой стороны, развитие нанотехнологий требует высокого уровня подготовки ученых, инженеров и технических работников, а также организации производства. Последние обстоятельства присущи состоянию развития экономики и науки в Беларуси и являются предпосылками для разработки и развития нанотехнологий в республике.
Проблемы, относящиеся к созданию наноматериалов и развитию нанотехнологий, занимают в настоящее время доминирующее положение практически во всех областях современной науки и техники. В основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании. Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не присущих макро— и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм. Многие из кардинально отличных свойств наноматериалов по отношению к объемным материалам того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов.
Смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов, происходят от греческих слов: микро — малый, нано — карлик.
Приведем некоторые определения. Наноматериалы — вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и/или химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее не известных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.
Нанотехнология — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро– и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов. Нанотехнологию можно также определить как науку и технику создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях.
Нанотехника — машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.
Ключевыми в развитии нанотехнологий стали открытия последней половины XX века, связанные с квантовыми свойствами микро– и нанообъектов, разработкой полупроводниковых транзисторов и лазеров, созданием методов диагностики с атомным разрешением (электронная и сканирующая туннельная микроскопия), открытием фуллеренов, развитием геномики и биотехнологий. По оценкам экспертов, нанотехнологии стали важнейшим направлением технологического развития лидирующих мировых держав XXI века. Будучи возведенными в ранг приоритетных национальных задач, эти принципиально новые технологии создают мощный импульс для развития других отраслей промышленности по пути существенного улучшения характеристик и миниатюризации изделий.
Что же сейчас понимают под нанотехнологиями? В сферу этой деятельности попадают объекты с размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов до их конгломератов и органических молекул, имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Такие системы не только способствуют миниатюризации изделий, снижению энергоемкости и материалоемкости, но и обладают еще одним важным свойством: в силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров уменьшается и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. В настоящее время в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, в ряде наноструктур его можно уменьшить на несколько порядков величины. Но существующие массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.
Отчасти нанотехнологии уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности в развитых странах. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся в настоящее время ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства.
Современные приложения нанотехнологий включают:
· создание высокопрочных нанокристаллических и аморфных материалов, негорючих нанокомпозитов на полимерной основе;
· элементы наноэлектроники и нанофотоники, полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др., тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы;
· устройства сверхплотной записи информации; телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров;
· молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
· нанолитографию и наноимпринтинг;
· устройства микро— и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы, интегрированные микроэлектромеханические устройства;
· нанохимию и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимию, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы),
· топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, устройства для хранения энергии;
· фармацевтику, целевую доставку лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническую и медицинскую диагностику, создание искусственных мускулов, костей, имплантацию живых органов; регистрацию и идентификацию канцерогенных тканей, патогенов, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты и многие другие.
О создании американскими учеными квантового суперкомпьютера стало известно сравнительно давно, особенно если учесть современные темпы развития в сфере высоких технологий. Как реальная альтернатива «кремниевой» электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника.
В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. Компания «Хьюлетт-Паккард» недавно официально объявила о наличии стратегии развития наноэлектронной базы, которая составит основу будущей электронно-вычислительной промышленности — производства компьютерных чипов на базе молекулярной наноэлектроники. Ученые из компании «Хьюлетт-Паккард» запатентовали технологию производства микропроцессоров, в основе которых лежат не кремниевые кристаллы, как в современных процессорах, а молекулярные цепочки. Молекулярная электроника является составной частью более крупной отрасли — нанобиотехнологии, занимающейся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и способствующей решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.
Нанотехнологии — одно из ключевых направлений развития промышленности и прогресса общества, путь к управляемому синтезу молекулярных структур, который призван обеспечить получение объектов любого назначения не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью машин-сборщиков, оборудованных системами искусственного интеллекта. На сегодняшний день государственные программы развития нанотехнологий реализуют более 50 государств. Глобальные инвестиции в НИОКР в сфере нанотехнологий, по отчетам государственных организаций, с 1997 по 2002 гг. возросли приблизительно в 5 раз. Объем финансирования работ в области нанотехнологий в мире в 2004 г. составлял 8,6 млрд долларов США (в 2003 г. — 7,5 млрд долларов США):
· в США правительственная поддержка составила 1,6 млрд долларов, финансирование компаниями — 1,7 млрд долларов;
· в странах Европы правительственная поддержка составила 1,3 млрд долларов США, финансирование компаниями — 0,7 млрд долларов;
· в странах Азии правительственная поддержка составила 1,6 млрд долларов США, финансирование компаниями — 1,4 млрд долларов.
Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. по 2004 г. составило 88 546, из них 64% принадлежат США. Ожидается, что к 2010 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит 1 трлн долларов США.
Расходы России на поддержку и развитие работ в области наноматериалов и нанотехнологий по различным каналам (Министерство промышленности и энергетики, Министерство образования и науки, РАН, РФФИ и др.) можно оценить в размере нескольких десятков миллионов долларов США, что значительно уступает расходам развитых стран и делает невозможным полноценное участие России в патентовании получаемых результатов. Расходы в Беларуси на развитие нанотехнологий в настоящее время намного меньше. Тем самым значительно ограничиваются возможности России и Беларуси в предстоящей масштабной коммерциализации результатов научных исследований.
Об интересе зарубежных стран к развитию нанотехнологий свидетельствуют следующие факты. В Японии действующая с 1999 г. Национальная программа работ по нанотехнологии имеет высший государственный приоритет. США до 2000 г. отставали от Японии по объему финансирования работ в этой области, что в свое время стало предметом государственного обсуждения. В результате объем финансирования только фундаментальных исследований каждый год стал удваиваться, и по решению правительства работы по нанотехнологии получили высший приоритет. В США разработана программа «Национальная нанотехническая инициатива», организован специальный комитет при президенте, координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и военных ведомствах. В 2004 г. сенат США одобрил законопроект, предусматривающий в течение последующих четырех лет ассигнования на исследования и разработки в сфере нанотехнологий в размере 3,7 млрд долларов. Страны ЕС пошли по пути развития научно-технологического потенциала путем интеграции усилий всех стран-участников ЕС и привлечения третьих стран. Особое внимание при этом уделяется сотрудничеству с учеными из бывшего СССР, особенно из России. В пределах 6-й Рамочной программы ЕС (РП-6) на нанотехнологическое направление на 2003–2006 гг. ассигновано 1,3 млрд евро. В последние годы в лидеры нанотехнологической сферы стремительно выходит Китай. В пятилетнем плане на 2001–2005 гг. правительство КНР выделило на становление нанонауки 300 млн долларов. В настоящий момент по ряду разработок в этой сфере Китай приблизился к мировому уровню или достиг его.
В России до настоящего времени нанотехнологии как самостоятельное научное направление не рассматривались, хотя перечень критических технологий (утвержден Президентом России 30 марта 2002 г.) предусматривает использование наноразмерных объектов и процессов в некоторых критических технологиях. Для укрепления позиций России в стратегически важной сфере нанотехнологий требуется осуществление комплекса организационно-технических, финансовых и других мер. Учитывая сложившуюся ситуацию, участники заседания Секции по научно-технологической и инновационной безопасности Научного совета при Совете безопасности Российской Федерации 30 сентября 2003 г. приняли решение об осуществлении ряда мер по активизации в течение 2004–2005 гг. работ по подготовке Концепции развития работ в области наноматериалов, нанотехнологии и наносистем на период до конца текущего десятилетия. В России в 2003 и 2004 гг. Министерством образования и науки были приняты решения о создании в вузах новых специальностей по нанотехнологиям.
В Беларуси с начала нового века активно ведутся работы в области нанотехнологий в рамках отраслевых научно-технических программ, программ фундаментальных исследований НАН Беларуси и грантов БРФФИ. Отметим некоторые работы, начавшиеся в 2000–2001 гг. при поддержке НАН Беларуси, отраслевых министерств и БРФФИ и обещающие интересные научные и технические решения и результаты:
· БГУИР — «Исследовать механизмы самоорганизации в анодируемых тонкопленочных композициях и разработать физико-технологические основы формирования наноразмерных электронных элементов с туннельным переносом носителей заряда на их основе»; «Разработка моделей и исследование физики приборов наноэлектроники на эффектах одноэлектронного, резонансного туннелирования и квантовой интерференции;
· БНТУ — «Исследование оптических свойств стекол, содержащих диспергированные наночастицы полупроводниковых соединений и ионы редкоземельных элементов»;
· БГУ — «Разработка физико-химических принципов получения нанокомпозитов с ионно-электронным типом электропроводности»;
· Гомельский государственный технологический университет — «Разработка и исследование функциональных элементов лазерных систем на основе золь-гель-матриц, содержащих наноразмерные полупроводниковые частицы»;
· Гродненский государственный университет — «Исследование механизма спонтанной поляризации полимеров, наполненных диэлектрическими наночастицами»;
· ГНУ ИМАФ НАНБ — «Образование наночастиц при лазерной абляции твердых тел в жидкостях».
С 2003 по 2005 гг. выполнялась Государственная программа ориентированных фундаментальных исследований (ГПОФИ) «Наноматериалы и нанотехнологии». Государственным заказчиком программы выступает НАН Беларуси, головным исполнителем — Государственное научное учреждение «Институт тепло— и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси». Научным руководителем ГПОФИ является академик НАНБ П.А. Витязь. Финансирование заданий программы осуществлялось из средств государственного бюджета Республики Беларусь, в рамках соответствующих ведомств, собственных средств участников программы и потребителей разрабатываемой продукции. Срок выполнения проектов — 2–3 года. К участию в программе были допущены проекты, выполняемые учеными и специалистами Беларуси и имеющие большое научное и практическое значение.
При реализации программы предполагалось создание и широкое внедрение в промышленность наукоемких технологий, новых материалов, объединение в рамках программы наиболее квалифицированных ученых, инженерных и технических кадров НАН Беларуси, Министерства образования, Министерства промышленности и других ведомств и организаций.
Основной целью программы являлось накопление знаний и использование научно-технического потенциала Республики Беларусь для создания новых углеродных, сверхтвердых, тугоплавких, магнитных, керамических, композиционных наноматериалов и изделий на их основе, а также наноструктур и микросистем, которые по своим функциональным характеристикам отвечают мировому уровню или превышают его, применение их в ряде отраслей народного хозяйства для повышения конкурентоспособности, расширения экспорта и решения вопроса по импортозамещению.
Структура программы включала 5 разделов:
1. Углеродные нанотрубки и фуллерены.
2. Сверхтвердые и тугоплавкие наноматериалы.
3. Магнитные наноматериалы.
4. Наноэлектроника и микросистемы.
5. Композиционные наноматериалы и сертификация продукции.
Среди заданий программы можно отметить следующие:
· ГНУ ИТМО НАНБ — «Исследование механизмов образования углеродных наноматериалов за ударными и детонационными волнами»; «Исследование механизмов формирования углеродных наноструктур методами физической кинетики, молекулярной динамики и квантовой химии»; «Исследование эффектов автоэлектронной эмиссии углеродных наноматериалов с перспективой создания полевых эмиттеров нового поколения»;
· ГНУ ИФ НАНБ — «Разработка и исследование новых наноструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками на основе диэлектриков, полупроводников и металлов для использования в микрооптоэлектронных устройствах обработки, передачи и отображения информации».
В 2004 г. в Минске была проведена конференция по наноматериалам и нанотехнологиям, на которой были представлены результаты последних исследований в Республике Беларусь. Обзор представленных докладов показал, что исследования по нанотехнологиям в Беларуси соответствуют мировому уровню.
С 2006 г. начала выполняться Комплексная программа прикладных научных исследований «Наноматериалы и нанотехнологии», которая должна существенно продвинуть вперед исследования по нанотехнологиям к проведению НИОКР и созданию оборудования для нанотехнологий. Таким образом, в Беларуси будут созданы предпосылки для разработки основ создания новых наноматериалов и нанотехнологий с целью участия в международном разделении труда в этой перспективной отрасли.
Манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями — атомами и молекулами, — по прогнозам специалистов, уже в ближайшем будущем откроют перед цивилизацией беспрецедентные перспективы и станут ключом к будущему жизнеобеспечению человечества во всех сферах его деятельности. Новые технологии могут в корне изменить медицину, энергетику, биотехнологии, электронику и другие отрасли.
В медицине «золотые наночастицы» — маленькие частицы кремния, покрытые золотом, или золотые частицы, введенные в раковую опухоль, — при воздействии на них лазерного или микроволнового излучения могут находить и уничтожать раковые клетки. Были проведены успешные тесты на материале рака груди человека. Оболочки этих частиц абсорбируют энергию излучения и затем преобразовывают ее в тепловую энергию. Эти оболочки имеют маркеры раковых клеток, чтобы наночастица присоединилась только к больным клеткам. Нагревая затем раковые клетки до 50–55° С можно разрушить их мембрану, вызывая гибель клетки. Главным преимуществом новой технологии станет лечение раковых опухолей с помощью лазерного излучения, без хирургического вмешательства. Новые наночастицы безвредны для здоровых тканей человека. Специалисты уверены, что благодаря этому можно будет лечить даже очень маленькие метастазы, которые на сегодняшний день нельзя определить медицинскими методами.
Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизации, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает приобрести всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.
Наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств. Сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах, электронно-информационный бизнес уступит лидирующие позиции нанотехнологическому бизнесу. Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях.
Необходимо уделять значительное внимание индустрии наносистем как приоритетному направлению развития науки и техники, определяющему повышение роли высоких технологий в экономике государства, способствующему сохранению и развитию человеческого капитала — носителя генетического, культурного и технологического наследий.
В Беларуси уже шестой год действует национальная программа "Нанотехнологии и наноматериалы" - одна из первых подобных программ в СНГ. Ежегодно из бюджета на ее финансирование тратится около $1 млн. Несмотря на то что по сравнению с мировыми затратами в эту отрасль цифра почти копеечная, наши ученые считают: вбрасывание больших денег в нанотехнологии сегодня не даст нужных результатов…
По словам главного ученого секретаря НАН Беларуси, доктора технических наук, профессора Сергея Чижика, белорусских разработок в сфере нанотехнологий действительно много. Однако финансирование 100 перспективных проектов довольно скромное. Вместе с тем из этой сотни порядка десятка технологий в ближайшем будущем будут внедрены в производство.
Продвигать достижения белорусских ученых помогает и действующая с этого года совместная программа НАН Беларуси и Российского космического агентства "Нанотехнологии Союзного государства". Центральное место в трехлетней программе отведено разработке технологий для космической и авиационной техники, а также их массовому производству. Финансирование белорусской стороны составит более $10 млн. Ведутся переговоры и с таким гигантом, как Российская корпорация нанотехнологий (РОСНАНО), бюджет которой составляет около $5 млрд, в ближайшее время заработают совместные российско-белорусские проекты.
Пока же ни для кого не секрет: Беларусь сегодня значительно уступает другим странам в данном направлении. Причины - банальны и известны… Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики, - запуск проектов в массовое производство. Создание Парка нанотехнологий на базе концерна "Планар" - только на стадии обсуждения. Пока же ждать дивидендов ученым не приходится. А если они и есть, то тоже с приставкой "нано".
По словам Сергея Чижика, крупные промышленные предприятия не готовы осваивать современные разработки: затраты на производство, оплату труда и подготовку высококвалифицированных специалистов несоизмеримы с предполагаемой прибылью. Например, измерительного оборудования в год можно продать не более 10 единиц при значительных суммах инвестиций. Не готов пока и сам рынок… Выход из ситуации специалисты видят в создании малых предприятий, которые с определенной долей риска могут оказаться в выигрыше.
Нанотехнологии в Беларуси сегодня относятся к той сфере, где шаги нужно пытаться делать малым коллективом. Вместе с тем эксперты напоминают: вкладывая большие деньги в разработки, на выходе не всегда можно остаться "в шоколаде". Пример тому электроника: микросхемы в мобильных телефонах разрабатывались не один год, однако сейчас их стоимость более чем скромная - на производстве сегодня в один лист закладывают тысячи схем, и цена каждой из них невысока. В отрасли микромеханических систем, где изделия (роботы, датчики) по размерам меньше 1 миллиметра, эффективная работа достигается именно на небольших фирмах. В странах - лидерах по производству такой продукции - Германия, Япония, США - фирмы из десятка человек работают на конкретного заказчика и поставляют конкретное изделие. Большим предприятиям такая работа невыгодна.
Наиболее близки сегодня в Беларуси к стадии производства разработки в области материаловедения (с использованием нанопорошков, углеродных нанотрубок) - благодаря им можно получить краски, резину, бетон с новыми, экономически выгодными свойствами. Существуют проекты и в сфере медицины, в частности создание диагностического оборудования, развиваются мембранные технологии, которые впоследствии найдут применение в молочной промышленности, производстве фильтров очистки воды.
Что касается финансирования, частных инвесторов белорусам найти непросто. И если за границей практически вся наука "фирменная" - многие крупные корпорации от IBM до Gillette вкладывают немалые средства в новейшие разработки, - нашим ученым о таком остается лишь мечтать. Существует и такой парадокс: некоторые отечественные специалисты уверены: вбрасывание массового капитала в науку не приведет к быстрым результатам и нужной отдаче. Генерация наноидей может просто не поспеть за финансированием, а деньги растекутся по чужим карманам.
Кроме того, эксперты напоминают и о другой проблеме: помимо производства нужно думать и о том, куда и кому достижения продавать. Белорусский рынок нанотехнологий еще не сформирован, найти зарубежных потребителей тоже непросто. Существенными проблемами остаются также "старение" науки и материально-техническое оснащение лабораторий. Ученых до 29 лет в структуре НАН Беларуси 21%, нанотехнологиями занимаются всего чуть более 1500 человек, и подавляющее большинство - среднего и старшего возраста. Молодых людей не привлекают сегодня небольшие зарплаты в науке, а бывалых коллег не устраивает качество готовящихся специалистов. Обязательные для ученого зарубежные стажировки проходят только единицы. Помимо этого белорусские нанотехнологии пока еще нельзя назвать импортозамещающими: дорогостоящее оборудование, в частности ряд микроскопов, закупается за рубежом. Но перспективы у белорусских нанотехнологий есть.
4.
Практическое применение нанотехнологий
4.1 Нанотехнологии в строительстве
Воображение строит свои воздушные замки, когда нет не только хорошего дома, но даже сносной избушки.
Николай ЧЕРНЫШЕВСКИЙ, русский публицист, литературный критик, прозаик, экономист, философ
Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство, что понятно. Например, высокие темпы экономического роста Испании в 2007 году, не говоря уже о Москве, во многом обусловлены бурным расцветом строительной индустрии.
Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.
Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.
Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.
Другой аналогичный пример приводит «Росбалт» от 16.01.08 в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».
Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001—0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D 250—300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностоикости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6—2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.
Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.
Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он использовался в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.
В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.
Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.
Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.
На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт — покрытие для плитки Sekcid, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S. A. — одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом СкаНесдля душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.
В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию (класс 1 согласно EN 13300). Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.
Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.
На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.
Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночасти-цами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафта-левых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.
Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.
Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur.
Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.
Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, окрашенная поверхность при дожде смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. В то время как гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту — общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобизации.
Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов.
Формирование наноструктур на поверхностях может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:
1. лазерным лучом или плазменным травлением;
2. путем анодного окисления (алюминий) с последующим покрытием, например, гексадецилтриметоксиланом;
3. приданием формы и созданием микрорельефа гравировкой;
4. покрытием поверхности слоем металлических кластеров, комплексов «поверхностно-активное вещество — полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;
5. покрытием дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.
Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Подходящими материалами для формирования таких наночастиц являются полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.
Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.
Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.
В отношении строительных металлоконструкций вице-премьер Сергей Иванов заявил, что пять российских компаний, получивших поддержку в рамках важнейших инновационных проектов, уже производят нанопродукцию в объеме более 8 млрд рублей в год. «Это не «нанопурга», как иногда говорят критики», — отметил С. Иванов. Например, на «Северстали» уже приступили к серийному производству уникальных сплавов с двукратным улучшением эксплуатационных свойств. Эти материалы предназначены для сооружения конструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях, в частности, при разработке нефтегазовых месторождений отечественного арктического шельфа. В настоящее время объем продаж составляет около 2 млрд рублей в год, но он может быть увеличен более чем в 100 раз.
4.2. Военные нанотехнологии
Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, даже в большей степени, чем ядерное оружие.
Дэвид ДЖЕРИМАЙЯ ( David В. Jeremiah), бывший член Объединенного комитета начальников штабов, 1995 год
Будучи премьер-министром, М. Е. Фрадков на одном из заседаний правительства как-то заявил, что о нанотехнологиях «половина сидящих в этом зале ничего не знает». По его словам, хотелось бы, чтобы над нанопроектами в России работали в таком же режиме, как над атомным проектом при Сталине. Потому как нанотехнологии в настоящее время — примерно то же, что атомная бомба полвека назад, сделал вывод премьер.
Пожалуй, самым первым фактом применения нанотехнологии в военных целях следует считать факт, открытый учеными Дрезденского технического университета (Германия) при исследовании образца дамасской стали (известной своей высочайшей прочностью), из которой в XVT веке была изготовлена сабля, хранящаяся в Историческом музее г. Берна (Швейцария). После травления поверхности образца металла в соляной кислоте исследователи обнаружили нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров.
При детальном изучении поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это многослойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные внутри цементитом — карбидом железа ( Fe3 C), обладающим очень высокой твердостью. Расстояние между слоями в исследуемых нанотрубках оказалось близким к типичному для таких систем — 0,34 нм.
Поскольку нанотрубки обладают рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости приблизительно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли столь высокие прочностные свойства. Достойна восхищения изобретательность средневековых кузнецов, которые, не имея представления ни о структуре, ни о способах получения нанотрубок, сумели эмпирическим путем создать конструкционный материал, отличающийся исключительными механическими характеристиками, а из него выковать непревзойденное по прочности холодное оружие. Истории известны случаи, когда воин, вооруженный таким оружием, мог с легкостью перерубить саблю противника.
На одной из первых ежегодных Форсайтовских конференций, проводимых с 1989 года, по инициативе К. Э. Дрекс-лера было принято обращение к ученым и правительствам всего мира не производить наноразработки в военных целях. Однако необходимость получения средств на научные исследования привела к развитию нанопрограмм для средств вооружения, а также изделий двойного назначения, главным образом в США. Некоторые такие разработки уже находятся на вооружении армии этой страны и других стран НАТО, Израиля и сил самообороны Японии.
В настоящее время военные исследования в области нанотехнологии ведутся по шести основным направлениям: энергетические ресурсы и боеприпасы, обеспечение и противодействие невидимости объектов, защитные и самовосстанавливающиеся системы, позволяющие автоматически ремонтировать поврежденную поверхность танка или самолета или менять ее цвет (эффект хамелеона), системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.
Если говорить о современном применении нанотехнологий в военных целях, то оно фактически было запущено, когда начались работы по созданию атомного оружия. Когда ученые смогли перешагнуть порог наноизмерений и устремились в глубь атомов, им открылись великие непознанные свойства материи, приведшие в конце концов к созданию не только ядерного оружия, но и атомной энергетики.
Работы в этом направлении продолжаются. Создаются не только новые виды вооружения и боезапасов, но и различные сопутствующие технологии, например средства защиты (бронежилеты, плащи-невидимки и т.д.), различного рода наносенсоры и другие электронные устройства.
Так, по сообщению заместителя начальника Генерального штаба ВС РФ А. С. Рукшина средствам массовой информации, в сентябре 2007 года Россией испытана новейшая вакуумная бомба, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться только с ядерными боевыми зарядами.
«Результаты испытаний созданного авиационного боеприпаса показали, что он по своей эффективности и возможностям соизмерим с ядерным боеприпасом. Основные разрушения производит сверхзвуковая воздушная ударная волна и невероятно высокая температура. Все живое просто испаряется. Почва после взрыва больше похожа на лунный грунт, но нет ни химического, ни радиоактивного загрязнения. Эта разработка обеспечит нам возможность дать реализацию безопасности государства и в то же время противостоять международному терроризму в любой обстановке и в любом регионе», — заявил А. Рукшин ведущим каналам российского телевидения.
Было отмечено, что конструкторы новой бомбы назвали свое изобретение «папой всех бомб» — в противовес американскому вакуумному боеприпасу, неофициально именуемому «матерью всех бомб».
Сотрудник научно-исследовательского института российского Министерства обороны Юрий Балыко сказал, что взрывчатое вещество, использованное в новой бомбе, имеет более высокую разрушительную силу, чем тротил, и что этого удалось достичь вследствие применения нанотехнологий.
«Это позволило снизить требования к точности, отсюда удешевление — качество, которое необходимо в современных условиях», — заявил Ю. Балыко.
По данным журналистов, российская бомба в четыре раза мощнее американского аналога. При этом температура в центре разрыва в два раза выше. Площадь поражения также в два раза шире — 300 м против 150 м.
Встает вопрос: если вакуумная бомба давно известна, какой вклад внесли нанотехнологии в ее совершенствование? Ответ достаточно прост: чем меньше размер частиц распыляемого вещества, тем выше их проникающая способность, больше площадь распыления, а следовательно, площадь поражения. При этом чем меньше дисперсность частиц, тем полнее они сгорают, обеспечивая выделение максимальной энергии сгорания при меньшей массе всего заряда, что имеет немаловажное значение для его транспортировки к месту применения.
Другим направлением исследований, как уже отмечалось, является создание различного рода защитных средств. Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству. Образец конструкционного материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что соответствует приблизительно нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь.
Руководитель ApNano Materials, доктор Менахем Генут ( Menachem Genut), заявил, что компания готова выпускать до 200 кг материала ежедневно и в перспективе сможет перейти к производству в количестве, достаточном для нужд всей израильской армии. Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта.
Класс подобных материалов назван «неорганической фуллереноподобной наноструктурой». В настоящее время компания переходит к исследованию аналогичных образцов на основе дисульфида титана, которые, как ожидается, могут быть еще более прочными, чем на основе вольфрама, при массе, меньшей в четыре раза.
В армейской научно-исследовательской лаборатории США на основе самосгущающейся жидкости создали новую нательную броню для солдат. STF имеет достаточно сложный состав, однако сам принцип работы достаточно прост. В жидкости, которую разработчики называют «полиэтиленгликоль», расположена взвесь наноразмерных частиц, которые образуют с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств, в частности, она сгущается при сильном механическом воздействии. Когда материал погружают в STF, кремниевые наночастицы поглощаются волокнами ткани. В обычном режиме ткань сохраняет гибкость, но когда материал встречается с внезапным напряжением, вроде попадания пули, частицы нанокремния автоматически создают дополнительное сопротивление. При сдвиговом течении коллоидных суспензий (в данном случае — STF) в условиях увеличения скорости сдвига возможно резкое увеличение вязкости суспензии, что может стимулировать кардинальные изменения в ее микроструктуре за счет агрегирования частиц. При ударной нагрузке на полимерную наносистему происходит диссипация энергии удара, которая расходуется на образование гидрокластеров, препятствующих разрыву пленки полимерной наносистемы.
На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологии (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы «жидкой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.
Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фтора с наночастицами оксида корунда. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает, препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие.
Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из «жидкой» брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что «жидкая» броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростью до 560 м/с.
Проведенные исследования указывают, что имеющие место многочисленные западные публикации о разработках «жидкой» брони за рубежом в Великобритании и США на основе материалов с прослойкой из жидкого оксида кремния имеют под собой реальную основу. Как отмечается, бронежилеты из такого материала способны достаточно эффективно защитить человека от удара ножом, некоторых осколочных боеприпасов и пуль, выпущенных из огнестрельного оружия. С учетом относительной простоты изготовления и малого веса таких материалов, они уже сейчас вполне пригодны для применения в качестве средств защиты полицейских и некоторых других должностных лиц. В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования с целью обеспечения эффективности «жидкой» брони для защиты военнослужащих от современного стрелкового оружия и осколков большинства взрывных устройств.
Такое поведение суспензии может быть использовано и в амортизационных устройствах различных конструкций, где возможно ограничение максимальной скорости потока суспензии за счет нелинейного изменения вязкости.
Другим изобретением, которое может быть в перспективе использовано для военных целей, является разработка так называемого плаща-невидимки. Как видим, некоторые фантастические сюжеты русских народных сказок о шапках невидимках и коврах-самолетах начинают сбываться.
В таких исследованиях заинтересованы различные спецслужбы и армейские круги, которые и финансируют данные разработки.
Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить объект. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.
По данным интернет-ресурса Physorg.com, ученые и инженеры из центра нанотехнологии Бирка при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, — невидим.
Для изготовления наноигл необходимо оборудование, которое сейчас применяется для производства устройств с помощью нанотехнологии, так как диаметр игл в теоретической модели составляет примерно 10 нм при длине в сотни нанометров.
Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели можно создать «плащ-невидимку» для любой длины волны в видимом спектре, утверждает русский ученый Владимир Михайлович Шалаев, в настоящее время профессор Колледжа электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.
По словам В. Шалаева, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение — например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны. Другое возможное применение — маскировка объектов от «лазерных целеуказате-лей», используемых военными для поиска и подсветки цели.
Уже сейчас в ряде армий, прежде всего США, применяются специальные покрытия типа «Антилуч» для военных самолетов, кораблей и бронетехники, способные полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров.
«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно, — это трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно, это явно осуществимо. В принципе, такой «плащ» может быть сколь угодно большим — размером с человека или самолет», — заявил В. Шалаев.
Другая группа ученых в составе Джона Пендри из Империал-колледжа в Лондоне, Дэвида Шурига и Дэвида Смита из университета Дьюка, одновременно с Ульфом Леонардом из университета Св. Андрея в Шотландии опубликовали результаты исследований — математические принципы, лежащие в основе устройства оптической маскировки.
Леонард пишет, что исследование университета Пердью представляет «...теоретические симуляции, которые показывают, что модифицированная римская чашка, созданная на основе современной технологии производства наномате-риалов, будет работать как устройство для обеспечения невидимости... Любой объект, который вы поместите внутрь, исчезнет, как будто растворится в воздухе — при условии, что его наблюдают через поляризованные окрашенные очки именно этого цвета». Он сравнивает разработанную в центре Пердью модель с созданием в Риме «первого оптического метаматериала» — разновидности стекла, содержащего нано-частицы золота. При обычном дневном свете изготовленная из этого стекла чашка кажется зеленой, а при внутренней подсветке становится рубиновой.
Другая группа исследователей разрабатывает концепции маскировки объектов размером меньше и больше длины волны видимого света. Такие системы требуются для защиты от различного рода радарных и поисковых устройств. Однако главная цель на сегодняшний день — все-таки принципиальное технологическое решение для маскировки произвольного объекта в спектре видимого для людей света. Наверное, следует признать, что эта задача имеет еще и некоторый психологический аспект.
Предполагается, что устройство может быть создано именно из так называемых немагнитных метаматериалов. В отличие от разработок для обеспечения невидимости в микроволновом спектре новая модель не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но в то же время небольшая часть видимого света все же отражается от маскируемого объекта. Для его производства необходим особый диэлектрик — метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления. В данном же случае с возможным использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи с коллегами теоретически рассчитал концептуальную модель реального «плаща-невидимки».
По поводу метаматериала следует заметить, что в 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями § и/г», опубликованной в вестнике «Успехи физических наук», он пришел к заключению, что с таким материалом существенно изменяются почти все известные оптические явления распространения волн.
В следующей разработке модель «плаща-невидимки» представляет собой пустотелый цилиндр. Попадающие на него электромагнитные волны огибают внутреннюю полость цилиндра, продолжая движение на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается полностью неизменным, как если бы на его пути не было никакого Цилиндра. Однако главный недостаток заключается в том, что в настоящее время все это «функционирует» опять же только для волн строго определенной частоты. Положительной же стороной является тот факт, что предложенный японскими теоретиками вариант устройства полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются к реальному «плащу-невидимке»: не отражать видимого света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.
Имеются и более примитивные устройства, например разработка японского ученого-практика Сусуму Тачи. Его «плащ-невидимка» состоит из частиц (экранчиков), каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Однако невидимым человек является только строго с одной стороны (определенного угла зрения), со всех остальных сторон он видится обычным человеком в «необычном» (смешном) плаще.
Следует, однако, отметить тот факт, что невидимое невооруженным глазом может быть заметно с помощью специальных приборов, и наоборот. Наглядный пример — американский самолет-невидимка F-117 Night Hawk (известный в России как «Стеле», Stealth), созданный по самым новейшим технологиям, который 27 марта 1999 года был сбит югославскими ПВО с помощью достаточно старого советского зенитно-ракетного комплекса (ЗРК) С-125 «Нева» (принятого на вооружение еще в 1961 году).
Во время бомбардировок самолетами НАТО территории союзной Югославии американцы безнаказанно бомбили стратегические объекты страны: мосты, аэродромы, электростанции и т.д., рассчитывая, что югославские ПВО их не видят. Оказалось, что часть устаревших средств ПВО Югославии работает на других частотах, и «невидимки» ими регистрируются. Результатом стали обломки американского бомбардировщика Stealth, показанные телевидением бывшей Югославии.
С технической стороны, несомненным достоинством сербской батареи ПВО являлись устаревшие радары и ракеты. Современные высокочастотные радары отслеживают летящие объекты, регистрируя отраженный от них радиосигнал. В случае со Stealth короткие волны рассеиваются особой карбоновой конструкцией и формой корпуса самолета так, что он не регистрируется на экранах локатора. Оказалось, что для длинноволновых (низкочастотных) радаров подобная форма самолета не является препятствием, и они регистрируют любой крупный объект в воздухе.
Как известно, наибольшее развитие нанотехнологии получили в электронной, компьютерной и вообще в электротехнике, именно поэтому они также заслужили пристального внимания военных кругов развитых стран мира.
Миниатюризация компонентной базы вычислительной техники и увеличение тактовой частоты представляют собой главное направление развития нанотехнологии. К настоящему времени доказана работоспособность ряда активных компонентов — транзисторов, диодов, ячеек памяти, состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонентов в единую систему и соединением их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем — вопрос времени. Поэтому было бы удивительно, если бы эти разработки в первую очередь не были использованы в военных целях.
Первые разработки в области наноскопических датчиков уже успешно применяются в военных целях. Новые поколения сенсорных массивов и аналитического программного обеспечения создадут новые возможности для внедрения в чужие базы данных и перехвата нужной информации. Испытанные американцами во время военной кампании в Афганистане микроскопические датчики Smart Dust («умная пыль»), похожие на пушинки миллиметровых размеров, показали высокую эффективность. Их новизна заключается в том, что сигналы большого количества разнородных элементарных датчиков принимаются и анализируются централизованно, а сами датчики очень дешевы в производстве, так как являются массовым продуктом.
Микроскопические частички Smart Dust разработала и изготовила группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора из калифорнийского университета в Сан-Диег. Сэйлор заявил: «Эти пылинки — ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах вроде вен или артерий к определенным целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию во внешний мир. Такие устройства могли бы использоваться для контроля чистоты питьевой или морской воды, обнаружения опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже нахождения и уничтожения поврежденных клеток в организме человека».
Создание «умной пыли» — это результат электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале был взят кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получили пористую фотонную структуру. Затем эту структуру модифицировали, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало — красного цвета с одной стороны, зеленого — с другой.
Стороны пористой зеркальной поверхности наделены практически противоположными свойствами. Одна сторона — гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая — гидрофил (привлекательная для воды). После разрушения зеркального чипа ультразвуком от него остаются микроскопические частички диаметром с человеческий волос. Каждая из них — это крошечный датчик, и поэтому создается семейство самоорганизующихся сенсоров. При появлении влаги пылинки поворачиваются «гидрофильной» красной стороной к воде, а зеленой «гидрофобной» — к воздуху. Когда же появляется маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобной» стороной. Ввиду того, что стороны разноцветные, по окраске можно определить, что происходит в этой «пыльной» среде.
По словам «умная пыль» М. Сэйлора, частицы можно запрограммировать на миллионы реакций, что даст возможность обнаружить присутствие тысяч химических веществ одновременно.
Длины волн света или цвета, отраженного от поверхностей пылинок после реакции на химический или биологический агент, — это своего рода штрих-код. Каждая частичка слишком мала, чтобы по ее цвету определить изменения, однако совокупность сотен или тысяч пылинок уже достаточно заметна для лазера даже на расстоянии 20 м. В университете Сан-Диего поставили цель разглядеть изменения с расстояния 1 км.
Работу над «пылинками» профессор М. Сэйлор с коллегами ведет в течение нескольких лет. В 2002 году они представили частички с односторонней зеркальной поверхностью. Финансовую поддержку ученым оказывает Национальный научный фонд США, озабоченные борьбой с терроризмом военные в лице управления научных исследований ВВС и агентства Пентагона по передовым оборонным разработкам DARPA.
Военный аналитик Том Маккарти, автор статьи Molecular Nanotechnology and the World System («Молекулярная нанотехнология и миропорядок», http:// www. mccarthy.cx/ WorldSystem/intro.htm), заявляет, что нанотехнологии фундаментально изменят природу войны. Во-первых, это то, чего можно ожидать от инновационных и потенциально могущественных идей: нанотехнологии сделают войну гораздо более опасной и опустошительной, чем когда-либо в прошлом, в частности, благодаря возможности создавать оружие огромной разрушительной силы. Во-вторых, нанотехнологии позволят странам вести войну при существующем миропорядке.
Отмечается, что нанооружие объединит оба пути развития вооружения. Благодаря возможностям наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружений, более коварных и жестоких, чем даже биологическое или химическое оружие. Изготовленные с атомарной точностью с помощью молекулярной нанотехнологии новые виды оружия и боевых роботов окажутся, возможно, сопоставимыми с бактериями, но значительно более универсальными и мощными. Кроме того, таких нанороботов, в отличие от бактерий, можно будет программировать, а при необходимости — разбирать, используя как строительный материал для других целей на молекулярных нанофабриках.
Войну выигрывает тот, кто сможет уничтожить танки, самолеты, авианосцы, а также заводы и фабрики противника. Но если супероружие эпохи нанотехнологии невидимо, вроде невидимых фабрик, тогда и цели для удара не существует, опять же за исключением людей.
«...Развитие радикально новых видов оружия всегда сопровождается нарушением установленных международным сообществом правил». Как заявляют некоторые эксперты, технология молекулярного производства приведет к созданию значительно более опасных видов вооружения, чем существуют сегодня. Следует ожидать, что некоторые государства, отдельные группы людей или организаций предпримут попытки к их обладанию в террористических или иных целях.
Можно объявить международный мораторий распространения такого оружия или полного его запрета, но будь это луки и стрелы (Второй Латеранский Собор, 1159 год) или ядерное оружие (Генеральная Ассамблея ООН, 1946 год), ни к чему кардинальному такой мораторий не приведет. «По одному меткому выражению, мечи не перековываются на орала. Они ржавеют», — заявляется в статье.
Представьте себе устройство (боевого робота) размером с мельчайшее насекомое (около 200 мкм), способное самостоятельно перемещаться, обнаруживать незащищенных людей (солдат или просто мирное население) и впрыскивать им яды. Учитывая, что смертельная доза токсина ботулизма составляет 100 нг или около 1/100 объема всего устройства, то количества подобного оружия в 50 млрд. единиц, способного храниться в обыкновенном дипломате, достаточно, чтобы убить всех людей на Земле.
Маккарти делает вывод, что нанотехнологии будут способствовать снижению степени экономического влияния отдельных государств (или даже военных блоков. — Прим. автора). В ходе боевых действий целью воюющих армий будут живые ресурсы, то есть солдаты и мирное население, а не военная техника и промышленные предприятия. Поскольку нанотехнологии обещают возможность организации промышленного производства даже в регионах, где нет минеральных ресурсов, они сделают небольшие группы людей вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государственного устройства мирового сообщества.
Однако некоторые известные эксперты и ученые отмечают более глобальную потенциальную опасность нанотехнологии. Так, «отец нанотехнологии» Эрик Дрекслер, почетный председатель американского Института предвидения { Foresight Nanotech Institute— ведущая нанотехнологическая организация США, финансирующая исследования и активно занимающаяся пропагандой данного направления), почти 20 лет назад выдвинул катастрофический сценарий «серой слизи» ( grey goo problem), который предполагает превращение поверхности планеты и всего живого на ней в единый слой однородной липкой пыли или слизи, в случае если самокопирующиеся нанороботы, способные брать вещество из окружающей среды, выйдут из-под контроля. Этой точки зрения придерживался также Билл Джой ( Bill Joy), один из основателей корпорации Sun Microsystems, который неоднократно высказывался об опасности развития нанотехнологий.
Роберт Фрейтас, известный эксперт в области наномеди-цины, в работе «Некоторые ограничения, касающиеся угрозы уничтожения биосферы наноассемблерами и рекомендации по общественной безопасности»1, заявляет, что нашествие «серой слизи», вызовет интенсивное и значительное повышение температуры, что не позволит человечеству оперативно отреагировать на возникшую угрозу. Если же скорость воспроизведения нанороботов окажется не очень высокой, и сильного повышения температуры не произойдет, то для уничтожения биосферы Земли потребуется не менее двадцати месяцев, а следовательно, у человечества появится возможность противостоять опасности уничтожения.
С другой стороны, если работу самокопирующихся роботов удастся контролировать, они окажутся идеальным оружием, что вызывает повышенный интерес армейских кругов. В любом случае, поскольку функционирование всех устройств микромира носит вероятностный характер, всегда возможны непредсказуемые мутации наноавтоматов под влиянием внешних воздействий, приводящие к отказу от выполнения заданной программы и разрушительному поведению.
Пока гипотеза «серой слизи» не выдерживает критики: ведь для автосборки нанороботу нужны пальцы-манипуляторы, современные аналоги которых (микроэлементы модифицированных атомных микроскопов) значительно превосходят размеры атомов, что в принципе не позволяет создавать автономные сборщики наноразмеров.
Кроме того, такие манипуляторы весьма несовершенны: в них внедряются посторонние атомы, и пока неясно, можно ли исключить все эти побочные эффекты, как подобные роботы смогут получать необходимую энергию, и будет ли она рассеиваться в результате масштабных молекулярных преобразований. На данный момент гипотеза «серой слизи» (в том виде, в каком она сформулирована) противоречит законам термодинамики. В настоящее время К. Э. Дрекслер опроверг собственный сценарий, считая его невероятным: «История про «серую слизь» является весьма захватывающей, однако те исследования, которые ведутся сейчас в области молекулярной сборки, не имеют с ней ничего общего. Идея о том, что молекулярные нанотехнологические системы могут выйти из-под контроля, основана на устаревшей информации». Впрочем, теоретическая возможность создания автосборщиков остается, и то, что кажется совершенно нереальным сегодня, завтра вполне может стать обыденностью. Показательно, что в 2003 году один из призов Института молекулярного производства ( IMM), работа которого финансируется Институтом предвидения, был присужден за теоретические разработки по созданию стражей, способных контролировать деятельность авторепликаторов.
Более вероятна гипотеза «зеленой слизи» (green goo problem). Ученые предупреждают, что существует реальная возможность создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, просто уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы, В технологическом плане эта задача проще — вирусы могут пользоваться строительным материалом и готовыми энергоресурсами клеток. Так, в 2002 году группа американских ученых заявила, что создала искусственным методом поливирус, потратив на эту работу более трех лет. В ноябре 2003 года появилось сообщение о том, что ученые Института альтернативных биологических источников энергии (г. Рок-вилл, шт. Мэриленд) собрали за 14 дней точную живую копию вируса PhiX (Фикс) из коммерчески доступных материалов. PhiX известен тем, что стал первым земным существом, генетический код которого был расшифрован в 1978 году. Его геном состоит из 5386 элементов, которые ученые состыковывали вручную.
В будущем ученые намерены сконструировать подобным образом искусственную бактерию и попробовать автоматизировать технологию сборки ДНК, чтобы в дальнейшем создавать более сложные живые организмы. Данный проект вызвал неодобрительные комментарии представителей ЦРУ, опасающихся, что технологии разработки вирусов могут оказаться доступными странам, поддерживающим глобальный терроризм.
С идеей создания нанороботов (которые, по прогнозам, должны появиться через 10—15 лет) также был не согласен открыватель фуллеренов Ричард Смолли.
Хочется надеяться, что знаменитый закон робототехники, сформулированный американским фантастом Айзеком Азимовым: «Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому Закону», — будет такой же неотъемлемой частью программ создания и применения и нанороботов.
4.3. Нанотехнологии и медицина
Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы — частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологии в здравоохранении и косметологии.
Другим древнейшим применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.
Наверное, уже многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитовую воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов.
Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить — через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.
Проведенные на Украине и в Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале — шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра. Это связано с тем, что в обычной воде (Н2О) состояние и количество образующихся кластеров является нестабильным (мерцающим). Кластеры существуют миллиардные доли секунды (наносекунды) и распадаются, а затем образуются вновь, то есть мерцают.
Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений» и разрушающие живой организм.
Высокими антиоксидантными свойствами обладают витамины С, Е, А, янтарная кислота и ряд других веществ.
Проведенные исследования с применением марциальных вод указывают на высокий оздоровительный эффект при раковых заболеваниях, атеросклерозе, диабете, болезнях почек и печени, нарушениях в работе мозга и т.д.
Однако у этих исследований есть и свои противники. Ряд ученых выражают озабоченность в связи с открытой продажей шунгитовой воды именно потому, что в ней, в отличие от марциальных вод, могут находиться и фрагменты фуллеренов, которые, как известно, крайне нестабильны. Употребляя воду, настоянную на шунгите, человек может выпить не только полезные кластеры. Фуллерены или их осколки с легкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер, то есть проникают в живые ткани, в том числе и в мозг. В тоже время эти наноразмерные частицы дополнительно могут еще и транспортировать на себе самые разные вещества, которые в норме барьер не проходят и в нервные ткани не проникают.
Применение в строительстве асбестоцементных плит (например, из них изготавливают стены ванной и туалета) во многих странах мира считается опасным. Асбест состоит из мелких игольчатых микро- и наноструктур. Шахтеры, которые добывают асбест и много лет подряд вдыхают асбестовую пыль, почти гарантированно получают рак легких из-за воздействия этой пыли. В целях заботы о здоровье во многих странах мира асбестовые конструкции демонтируют.
Можно вспомнить пример со зданием правительства в бывшей Восточной Германии, которое новые власти практически снесли из-за активного применения в нем асбестовых материалов.
Нелепо предположить, что можно взять минерал (камень) из того же алюмосиликата, измельчить его, затем настоять на нем воду и предлагать потребителю. Применение шунгитовой воды должно осуществляться под строгим медицинским контролем, с длительным изучением как возможных положительных, так и отрицательных последствий.
На заседании Совета Федерации 19 марта 2008 года Сергей Иванов неоднозначно заявил, что нанотехнологии пока освоили только жулики, которые уже рекламируют всевозможные нанокремы. «Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы их намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли», — предупредил первый вице-премьер. Другие жулики тем временем пытаются покуситься на 130 млрд рублей, которые государство выделило госкорпорации «Российские нанотехнологии», и представляют «завиральные и фактически неосуществимые проекты».
Проведенные в странах Европы социологические исследования свидетельствуют о том, что развитие нанотехнологии существенно сдерживается отсутствием высококвалифицированных специалистов в этой области и определенными опасениями общественности, в том числе научной, связанными с возможными негативными последствиями влияния наноиндустрии на человека и окружающую среду. Многие специальные медицинские исследования выявили, что наночастицы с размерами, позволяющими им достигать наиболее чувствительных тканей легких, вызывают воспаление. Так, Джон Джеймс ( John James) из Космического центра Джонсона ( Johnson Space Center) NASA в Хьюстоне и его коллеги вводили наночастицы в дыхательные пути мышей и затем наблюдали за ними в течение трех месяцев. Фуллерены не вызвали явных повреждений тканей, однако углеродные на-нотрубки повлияли на работу легких и вызвали смерть нескольких животных.
Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон ( Hanna Karlsson), ученый из Karolinska Institutet (Швеция). По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Исследование показало, что воздух в метро содержит частицы железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, когда свободные радикалы образуются в клетках организма. Свободные радикалы — это быстродвижущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.
Аналогичные частицы, которые были обнаружены в ходе исследования, возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.
В связи с высокой проникающей способностью наночастиц некоторыми учеными также высказываются опасения и относительно применения различных твердых наноразмерных объектов в ряде косметических препаратов: кремах, лосьонах и т.д.. Механизм и характер поведения наночастиц после нанесения на кожу полностью не изучен. Вполне вероятно, что наночастицы не пожелают надолго задерживаться в кожном покрове и отправятся в путешествие по всему организму.
Однако встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных Действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.
Директор Лаборатории нанофотоники, профессор Университета Раиса в Хьюстоне, Наоми Халас и Питер Нордлендер создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами — наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки — антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.
Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.
Аналогичные исследования в данной области ведет австралийская фирма pSivida. Она изобрела новый способ точной дозированной поставки лекарства к раковой опухоли. Препарат BrachySil вводится в опухоль. Он содержит лекарство, убивающее раковые клетки. Однако самое сложное в подобных способах терапии — точная дозировка и постепенное (в течение многих дней) введение лекарства непосредственно в организм. В противном случае эффект может быть обратным желаемому. BrachySil — это комплекс кремниевых высокопористых (размер пор — 10 атомов) наночастиц-
В его порах помещен действующий препарат, а также определенное количество изотопа фосфора-32 (период полураспада — 14 дней). Фосфор служит для регулировки разложения кремния, во время которого в опухоль и выпускается препарат. Вся технология базируется на том, что кремний в форме частиц нанометрового размера, в отличие от более крупных фрагментов, полностью перерабатывается организмом человека так же, как кремниевая кислота, содержащаяся в пище.
По заявлению ученых из университета штата Миссури (г. Колумбия, США), так как все человеческие болезни возникают на уровне клетки, «биологически совместимые зеленые и золотые наночастицы могут использоваться при диагностировании и даже лечении раковых и офтальмологических заболеваний».
Марк Гринстафф из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран дендримеры.
Исследователи из Гонконгского университета — профессора Ратледж Эллис-Бенке и Геральд Шнайдер, дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.
«Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», — заявил российскому агентству ИТАР-ТАСС профессор Эллис-Бенке.
Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 8п лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже особенно у мужчин, продолжительность жизни которых по некоторым данным, равна всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения организма.
Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышек и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа и его коллеги из Северо-Западного университета в Эванстоне. Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные мыши были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие наново-локна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.
Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и ей не вводились никакие препараты. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы введение нанопрепаратов позволило сердцу восстановиться практически полностью и функционировать так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и под тверждены на подопытных кроликах.
В настоящее время для развития и коммерциализация своего изобретения доктор Стапп создал компанию Nanotope.
Преимущества медицинской нанотехнологий над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в орга-низме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.
Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии ( ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления мышиной печени, рассеченной исследователями. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.
Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.
В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998—2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологии при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгель-гардта РАН на базе нанотехнологии создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, то экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.
Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехнологиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими.
4.4. Нанотехнологий, экология и сельское хозяйство
«Мы все ближе к открытию наукой Бога, поэтому я содрогаюсь, думая о его судьбе».
Станислав Ежи ЛЕЦ. польский поэт, писатель-сатирик
Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.
В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.
На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники.
Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альде гиды, оксид углерода ( II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.
Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем б х 15/18 в смену достигают 1,2—1,6 кг, а дизелем 6 х13/14 —доЗкг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50—180 нм, масса — не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека.
Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.
Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.
По мнению Дэвида Бича ( David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Ок-риджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, — источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.
Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе.
Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В тоже время, этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.
Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночасти-цы можно было получать по разумной стоимости.
Главная проблема двигателя на металлическом топливе — достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.
Бор и углерод — соседи по таблице Менделеева, оба элемента — неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства — быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия — это, по существу, химия углеводородов и их производных.
Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг). При замене углеводородных видов топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.
В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50% бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.
В то же время нанотехнологии несут ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды ( EPA) t NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру ( ETC Group) по результатам совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры их стенок и накапливаться в органах.
В то же время показано, что наночастицы очень опасны для мембран клеток. Так, например, эпителиальные клетки человека и клетки печени были разрушены наполовину через 48 ч при выдерживании их в сильно разбавленном (до 20 частей на миллиард) растворе фуллеренов.
Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.
Важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.
Предполагается, что применение нанотехнологии позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.
В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.
Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл), а также для создания биосовместимых материалов; перестройки, облагораживания и восстановления тканей; создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.
Таблица. Идентификация сортовых нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения
| Объект распознавания | Спектр воздействия,нм | Спектр регистрации, нм |
| Белковые структуры | 260-295 | 310...380 |
| Липиды и витамины | 310-325 | 380...500 |
| Пигменты и хлоропласты | 430-465 | 600...800 |
| Крахмал | 380-720,1690-2200 | 380...720, 1690, 1930, 2200 |
| Болезни корнеклубней и неорганические объекты | 700-2000 | 720,910,980,1100, 1200, 1440, 1750 |
| Израстание столонов | 430-450 | 640,683 |
| Динамика накопления урожая | 280-300 | 468, 520 |
| Зрелость, заживляем ость, сохранность и всхожесть корнеклубней | 430-450 | 640,678,730 |
| Продуктивность семян растений | 430-450 | 640, 678, 730 |
В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5—3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.
Огромное значение имеет применение нанотехнологии для очистки и дезинфекции воды. Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра способствует упрощению и повышению качества содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.
Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 1% потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.
Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и систем фильтрации нового поколения.
5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАНОНАУКИ
Как уже неоднократно заявлялось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и появление новых открытий в химии и физике, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
В своих работах К. Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонентов к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что ученые недооценивали важность электрических, оптических и других эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознается, что электрические и другие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.
Произведя соответствующее масштабирование, К. Э. Дрекслер получил следующие численные оценки различных эффектов:
• позиционирование реагирующих молекул — с точностью около 0,1 нм;
• механосинтез — с производительностью около 106 операций/с на устройство;
• молекулярная сборка объекта массой 1 кг — ориентировочно за 104с;
• работа наномеханического устройства — с частотой до 109Гц;
• логический затвор — объемом около 10~26 м3, с частотой переключения менее 0,1 не и рассеиваемой теплотой 10-21 Дж;
• компьютеры — с производительностью до 1016 операций/с/Вт; компактные вычислительные системы на 1015 млн команд в секунду.
Возможно и молекулярное производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство массой около 60 кг («настольная нанофабрика») сможет с молекулярной точностью изготовить объект объемом около 1 л и массой около 4 кг примерно за три часа. Это позволило бы за два дня создать вторую такую же нанофабрику; удвоение их количеств каждые два дня дало бы возможность за два месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли.
Согласно прогнозам Министерства торговли Великобритании, в 2015 году спрос на нанотехнологии составит не менее 1 трлн. долларов в год, а численность специалистов, занятых в данной отрасли, вырастет до 2 млн человек.
По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, объем рынка товаров и услуг в мире с использованием нанотехнологии в ближайшие 10—15 лет может вырасти до 1 трлн. долларов:
• в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом, займут рынок объемом 340 млрд долларов в ближайшие 10 лет;
• в полупроводниковой промышленности объем рынка нанотехнологичной продукции может достигнуть 300 млрд долларов в ближайшие 10—15 лет;
• в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может позволить увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека;
• в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием нанотехнологий составит более 180 млрд долларов в ближайшие 10—15 лет;
м в химической промышленности наноструктурные катализаторы уже применяются при производстве бензина и в других химических процессах, причем рост рынка составляет приблизительно до 100 млрд долларов. По прогнозам экспертов, рынок таких товаров увеличивается на 10% в год;
• в транспортной промышленности применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили. Только рынок авиакосмических изделий может достичь 70 млрд долларов к 2010 году;
• в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономичные способы фильтрации воды и ускорить развитие таких возобновляемых энергетических источников, как преобразование солнечной энергии. Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и экономить значительные ресурсы.
Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, использование нанотехнологий позволит в будущем решить ряд наиболее значимых для человечества проблем. Одна из них — обеспечение мировых энергетических потребностей. Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50%. В настоящее время около 1,6 млрд человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 млрд единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Использование ископаемого топлива растет и может удвоиться в ближайшее время. С учетом имеющихся запасов природного топлива эта проблема будет с каждым годом только усугубляться.
Предполагается, что нанотехнологий позволят решить энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, распределения источников энергии и децентрализации производства и хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.
Самое главное, чтобы понятие «нанотехнология» не стало лазейкой, за которой будут прятаться непорядочные ученые, предприниматели, фирмы и чиновники. Хочется привести один современный афоризм; «Если в наши дни вы хотите одновременно ничего не делать и быть респектабельным — лучше всего притвориться, будто вы работаете над какой-то серьезной научной проблемой».
Нужно уметь разделять наноинженерию поверхности и нанотехнологию по Дрекслеру, Эглеру или Холлу, а также «нанопургу» по Иванову.
В заключение приведем оптимистический прогноз писателя-фантаста Артура Кларка, предсказания которого сбываются одно за другим: «2040 год: будет усовершенствован «универсальный репликатор», основанный на нанотехнологиях; может быть создан объект любой сложности при наличии сырья и информационной матрицы. Бриллианты и деликатесная еда могут быть сделаны в буквальном смысле слова из грязи. В результате, за ненадобностью исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и недавнее изобретение человеческой цивилизации — работа. После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении необходимо подчеркнуть, что развитие науки о нанотехнологиях может уже в недалёкой перспективе привести к заметному развитию базовых отраслей экономики: машиностроения, электроники и оптоэлектроники, информатики, средств связи, энергетики (в том числе и атомной), сельского хозяйства, здравоохранения, экологии и др. Успех в развитии этих направлений будет определятся, по сути, решением двух основных проблем: разработка надёжных способов создания наноматериалов и нанообъектов с требуемыми свойствами и разработка новых развитие существующих методов диагностики с атомным разрешением. На очереди создание эффективных технологических процессов, обеспечивающих получение материалов м нанокристаллической структурой в промышленных масштабах. Безусловно, эти проблемы не могут быть полностью решены без обучения и привлечения высококвалифицированных кадров.
Хотя в макроэкономике имеются некоторые сбои, сектор нанотехнологии продолжает свой подъем. В ближайшие пять лет ожидается рост рынка нанотехнологий до 3 триллионов долларов. Продукция нанотехнологий применяется во всех отраслях пищевой и фармацевтической промышленности, в том числе: лекарственные препараты, медицинские приборы, косметика, пищевые добавки и продукты питания.
Но, несмотря на быструю коммерциализацию, нигде в мире не существует специальных правил, регламентирующих применение наноматериалов. Большинство регулирующих государственных органов остается если не в неведении, то в лучшем случае в режиме сбора информации при полном отсутствии правовых и научных инструментов, а также специалистов и ресурсов, требуемых для надлежащего контроля над экспоненциальным ростом нанотехнологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Альтман Ю. Военные нанотехнологии/Ю. Альтман. - М.: Техносфера, 2006. - 416 с.
2. Балабанов В. И. Нанопрепараты для повышения ресурса автомобилей/В. И. Балабанов, В. К. Филиппов//Новые и подержанные автомобили. — 2006. — № 15. — С. 18—20.
3. Бинниг Г. Сканирующая туннельная микроскопия - отрождения к юности: нобелевские лекции по физике/Г. Бинниг, Г. Рорер//УФН. - 1996. - Т. 154 (1988), вып. 2. - С. 261.
4. Бородин И. Ф. Нанотехнологии в сельском хозяйстве/И. Ф. Бородин//Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2005. - № 10. - С. 2-5.
5. Гамов Г. А. Теория вылета альфа-частиц из ядра/ Г.А.Гамов.-М., 1928.
6. Календин В. В. Нанометрия: проблемы и решения/В. В. Календин//Автометрия. - 2004. - Т. 40, № 2. - С. 20-36.
7. Карагусов В. И. Нанокриогенные технологии/В. И. Карагусов//Микросистемная техника. — 2004. — № 10. — С. 15—23.
8. Кластеры, структуры и материалы наноразмера: иннои технические перспективы/М. А. Меретуков (и др.). — М.: Руда и металлы, 2005. — 128 с.
9. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаясй, пер. с япон. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. — 134 с.
10. Ковальчук М. В. Органические наноматериалы, наност руктуры и нанодиагностика/М. В. Ковальчук // Вестник РАН. - 2003. - Т. 73, № 5. - С. 405-412.
11. Котенев В. А. Методы мультиплексной спектроскопии исследовании многослойных наноструктур/В. А. Котенев// Микроэлектроника. - 2004. - Т. 33, № 6. - С. 433-444.
12. Красипькова М. В. О механизме образования фуллерецов и углеродных нанотрубок/М. В. Красинькова, А. П. Паурт/УПисьма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31, вып. 8. - С. 6-11.
13. Лашыпов 3. 3. Фуллерены и углеродные нанокластеры/3. 3. Латыпов, Л. Н. Галль//Науч. приборостроение. — 2005.-Т. 15, №2.-С. 82-87.
14. Левина В. В. Наноразмерные материалы и возможности йх использования/В. В. Левина//Приборы. — 2005. — № 7 (61). — С. 30-35.
15. Лисовенко Д. С. От графита (стержней, пластин, оболочек) к углеродным нанотрубкам. Упругие свойства/Д. С. Лисовенко, В. А. Городцов. - М., 2004. - 67 с.
16. Лозовик Ю. Е. Образование и рост углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов/Ю. Е. Лозовик, А. М. Попов// УФН. - 1997. - Т. 167, № 7. - С. 751-774.
17. Лускинович П. Н. Нанотехнологии XXI века: аналитический обзор/П. Н. Лускинович, П. В. Иванов, И. В. Волкова. — М.: ВНТИЦ, 2001.-20 с.
18. Лучинин В. В. Введение в индустрию наносистем/ В. В. Лучинин//Нано- и микросистемная техника. — 2005. — №5.-С. 2-8.
19. Любченко В. Е. Алмаз — перспективный материал для на- ноэлектроники/В. Е. Любченко, А. Ю. Митягин, Л. А. Помор- цев//Инж. физика. - 2003. - № 5. - С. 51-58.
20. Лякишев Н. П. Наноматериалы конструкционного на- значения/Н. П. Лякишев, М. И. Алымов, С. В. Добаткин//Кон- версия в машиностроении. - 2002. - № 6(55). - С. 125-130.
21. Малинецкий Г. Г, Нанобиология и синергетика. Пробле- мы и идеи/Г. Г. Малинецкий, Н. А. Митин, С. А. Науменко. — М., 2005.-31 с.
ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ:
http:// www.nanonewsnet.ru
http:// www.nanotube.ru
http:// www.nanorf.ru
http:// www.nanoware.ru
http:// www.pronano.ru
http://www.pas¬sion.ru
http://www.ifmachines.com
http://www.ros¬baltvolga.ru
http:// www.chemworld.narod.ru
http://www.navy.ru
http://technosphera.com
http:// www. institute- nano. Ru
http: www. luckybee. ru,
http://www. nanoauto. ru,
http://www. nanotuning. Ru
http:// www. fvt. rsu. ru/
http:// www. nanotechweb. org
