Нанотехнологии и их перспективы

     Перспективы использования нанотехнологий

     Использование возможностей нанотехнологий может  уже в недалекой перспективе  принести резкое увеличение стоимости  валового внутреннего продукта и  значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

     В машиностроении - увеличение ресурса  режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение  нанотехнологических разработок в  модернизацию парка высокоточных и  прецизионных станков. Созданные с  использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат  адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно  в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить  погрешность обработки с 40 мкм  до сотен нанометров при стоимости  та кого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.

     В двигателестроении и автомобильной  промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в  том числе расхода топлива), улучшения  совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что  позволяет успешнее конкурировать  как на внутреннем, так и на внешнем  рынках.

     В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи  с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и  инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование  тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных  фотоприемных устройств, изготовленных  на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для  накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

     В информатике - многократное повышение  производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств  с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой  природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для  достижения цели.

     В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для  совершенствования технологии создания топливных и конструкционных  элементов, повышения эффективности  существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция  и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько  раз эффективности солнечных  батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой  и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы  применяются в тепловыделяющих  и нейтронопоглощающих элементах  ядерных реакторов; с помощью  нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке  отработавшего ядерного топлива  и мониторинга всех технологических  процедур для управления качеством  сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.

     В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с  бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности  практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным  погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается  в 2 раза относительно контрольных групп  животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

     В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных  форм и способов доставки лекарственных  средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается  и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в  мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

     В экологии - перспективными направлениями  являются использование фильтров и  мембран на основе наноматериалов для  очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование  различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического  и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов  утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных  форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами  почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при  радиационных поражениях и за 5-6 месяцев  при химических.

     Ключевые  проблемы развития нанотехнологий в России

     Анализ  мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым  научно-техническим направлениям свидетельствует  о необходимости выявления некоторых  ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.

     Первая  проблема - формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые  могут обеспечить максимальную эффективность  применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и  сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и  безопасность государства.

     Вторая  проблема - повышение эффективности  применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость  наноматериалов будет выше, чем обычных  материалов, но более высокая эффективность  их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное  и долгосрочное финансирование НИОКР  по наноматериалам и нанотехнологиям  с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники  финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций.

     Третья  проблема - собственно разработка новых  промышленных технологий получения  наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве.

     Четвертая проблема - обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям  и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики.

     Пятая проблема - широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных  с развитием нанотехнологий.

     Шестая  проблема - создание исследовательской  инфраструктуры, включая:

     организацию центров коллективного пользования  уникальным технологическим и диагностическим  оборудованием;

     современное приборное оснащение научных  и производственных организаций  инструментами и приборами для  проведения работ в области нанотехнологий;

     обеспечение доступа научно-технического персонала  к синхротронным и нейтронным источникам (как российским, так  и зарубежным), к сверхпроизводительным  вычислительным комплексам;

     разработку  специальной метрологии и государственных  стандартов в области нанотехнологий;

     развитие  физических и аппаратурно-методических основ адекватной диагностики наноматериалов на базе электронной микроскопии  высокого разрешения, сканирующей электронной и туннельной микроскопии, поверхностно-чувствительных рентгеновских методик с использованием синхротронного излучения, электронной микроскопии для химического анализа, электронной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии.

     Седьмая проблема - создание финансово-экономического механизма формирования оборотных  средств у институтов и предприятий-разработчиков  наноматериалов и нанотехнологий, а  также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях - от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической  продукции.

     Восьмая проблема - привлечение, подготовка и  закрепление квалифицированных  научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.

     Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер  в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться  как часть государственной научно-технической  политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке  научно-технических разработок и  использованию их результатов.

     К таким мерам прежде всего необходимо отнести:

• разработку и реализацию материально-технического обеспечения работ в области нанотехнологий с максимальным учетом возможностей кооперации в использовании уникального сверхдорогостоящего научного и экспериментально-исследовательского оборудования;
• подготовку, повышение квалификации, привлечение и закрепление кадров (прежде всего молодых специалистов) в области нанотехнологий для их использования в научной и промышленной сферах;
• изучение рынка наукоемкой продукции в части нанотехнологий с использованием методов прогнозирования и технико-экономической оценки;
• анализ современного состояния научно-исследовательских работ фундаментального и прикладного профиля в соответствии с общими отечественными и мировыми тенденциями в развитии данного направления, а также результативности законченных исследовании и их дальнейшей перспективности;
• определение приоритетных ориентированных направлений в области нанотехнологий, результаты которых могут быть использованы в ближайшее время, среднесрочной и дальней перспективе, а также в фундаментальных и поисковых исследованиях;
• разработку и использование системы координации и кооперации проводимых исследований в области нанотехнологий;
• создание и использование экспертных систем и баз данных как информационного возобновляемого ресурса в области последних достижений, связанных с разработкой и применением нанотехнологий в стране и за рубежом;
• отработку систем взаимодействия государства с предпринимательским сектором экономики в целях формирования рынка нанотехнологий, привлечения внебюджетных средств для проведения исследований и организации соответствующих производств; разработку мер по активизации участия бюджетных и внебюджетных фондов и частных инвесторов на всех стадиях разработки и освоения нанотехнологий;
• разработку системы мер по организации эффективного взаимовыгодного международного сотрудничества в области исследований и практического использования нанотехнологий.

     Работы  в области развития нанотехнологий могут быть организованы по следующей  схеме:

     на  первом этапе (начиная с 2005 г.) включить в состав федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы специальный раздел по развитию работ, связанных с созданием и использованием нанотехнологий, сконцентрировав в нем интеллектуальные, финансовые и материально-технические ресурсы в данной области;