НАНотехнологии: Казахстан может стать мировым лидером

Войдет ли Казахстан в число 50 наиболее конкуренто-способных стран мира? Лишь только заявил Нурсултан Назарбаев о необходимости и возможности осуществления этого грандиозного проекта, как отовсюду посыпались планы и концепции, подавляющее большинство которых попросту лоббируют узкие интересы отраслей и производств, характер которых даже не вяжется с духом XXI века. Между тем президент в своих выступлениях четко обозначил главное условие реализации этой сверхзадачи: продвижение научных исследований казахстанских ученых, создание собственных конкурентоспособных инновационных технологий.
Оказывается, они у нас есть уже сегодня. Примечательно, что носят солидное и уважаемое имя. О планах технологического прорыва под флагом "нано" "Литеру" рассказывают вице-министр образования Азамат Абдымомунов и генеральный директор РГП "Центр химико-технологических исследований" Нуралы Бектурганов.

Наноуровень – мельче не бывает

Правильно ли поняли ученые страны свою роль в исполнении "Стратегии вхождения Казахстана в число 50 наиболее конкурентоспособных стран мира", ведь в ней речь идет не об увеличении количества направлений, а, скорее, о сокращении имеющихся до конкретного, в котором в ближайшее время могут быть достигнуты значимые для экономики страны результаты?
Нанотехнологии – это и есть сокращение всех имеющихся в казахстанской науке направлений до вполне определенного и значимого для страны. Речь не идет об административном прекращении ныне проводимых исследований, например, предусмотренных программой "Развитие космической отрасли", или о закрытии приоритетных исследований в биотехнологии, фитохимии, металлургии и др. Речь идет о "выжимке" из всех имеющихся достижений и направлений казахстанских ученых всего того, что связано с управлением структурами материи на наноуровне, и о превращении этой "выжимки" в конкретные товарные формы, нужные им самим, другим ученым и каждому жителю планеты.

Возможность осуществления такой операции подготовлена и обусловлена всем предшествующим развитием мировой науки и технологий, а последние точки над "i" поставили достижения информационных технологий и технологий зондирования внутренних структур материи на уровень 10-9 м, который и получил название "наноуровень".

Немного истории
В XIX веке во многом благодаря микроскопу Левенгука был завершен процесс разделения знаний и умений людей по отраслям естественных наук – физика, астрономия, химия и биология. В ХХ веке, особенно после изобретения в 1931 году электронного микроскопа, начался процесс интенсивного дробления наук по мере проникновения вглубь материи, например, физика разделилась на молекулярную, атомную, ядерную, квантовую. Аналогичная картина происходила в химии и биологии, возникли атомная химия, молекулярная и микробиология, генетика и т.д. Одновременно происходил и процесс интеграции новых отраслей, например, химии с биологией, биологии с химией и физикой, возникали новые самостоятельные дисциплины, такие, как бионика, квантовая химия и др.

В середине ХХ века к этому процессу подключился крупный бизнес, основанный на развитии технологий. В лабораториях фирмы Bell был создан первый транзистор, который стал истоком новой информационной эры. В лабораториях фирмы IBM была создана серия магнитных зондовых микроскопов, которые позволили перемещать с помощью зондов отдельные атомы и конструировать из них новые материалы с удивительными свойствами. Эти два открытия и стали основой новой отрасли науки и технологий с приставкой "нано" – нанонаука и нанотехнологии. В 2005 году сотрудники лаборатории IBM создали новый тип микроскопа, позволяющий увидеть отдельные атомы и управлять отдельными электронами. Мир заговорил об "управляемой материи", а развитие сетевых компьютерных технологий подтверждает реальность персонального управления громадным числом атомов материи на уровне 10-9 м и ниже с помощью принципиально новых технологий, получивших название нанотехнологии.

Почему "нано" круче всех

>Это технологии, в которых управляющая информация передается нанозондом персонально каждому атому и молекуле "силовым методом". В этом заключено принципиальное отличие нанотехнологий от традиционных технологий, в которых поток управляющей информации подается исходному материалу как целому. Например, в процессе плавки металла управляющая информация в форме тепла подается не только руде, но и оборудованию, окружающей природе на десятки метров вокруг доменной печи, а дымовые газы загрязняют атмосферу на тысячи километров вокруг металлургических комбинатов. Приблизительно та же самая технология повторяется в химической, нефтехимической и других отраслях производства материалов, используемых современной цивилизацией для ежедневного воспроизводства жизни. Именно эти технологии являются основным источником выбросов в атмосферу отработанных газов, которые обуславливают парниковый эффект земной атмосферы. Нанотехнологии предлагают в этом плане принципиально иной подход к созданию традиционных материалов, который не будет сопровождаться вредными выбросами в атмосферу. Помимо резкого снижения экологической нагрузки нанотехнологии создали ряд уникальных материалов, таких, как композитные материалы, углеродные трубки, пленочные мембраны и др., которые с каждым годом все в большей степени становятся элементами нужных и уже привычных для массового пользования товаров, таких, как автомобили, бытовые приборы и др.

Придавая материалам и системам принципиально новые качества, нанотехнологии обеспечивают прогресс практически во всех существующих областях техники и промышленности. И это действительно так, потому что нанотехнологии управляют структурами материи на атомарном уровне, т.е. на уровне, общем для всего живого и неживого, они сегодня являются основой большинства инновационных решений во всех сферах ежедневного способа производства. Идет ли речь о генетике, клонировании, бактериях или микроорганизмах или о новых материалах для автомобилестроения, о продуктах и переделах металлургии – везде и всюду инновационные решения так или иначе связаны с нанотехнологиями. Эта интегрирующая роль нанотехнологий выдвигает их на одно из первых мест критических технологий, без развития которых сегодня ни одно государство мира не может претендовать на конкурентное технологическое развитие и создание своей интеллектуальной собственности в сфере науки и технологий.

Шанс для Казахстана
Собрать все имеющиеся разработки ученых Казахстана в области нанотехнологий, превратить их в самостоятельную ценность и способствовать ее развитию – это и есть та самая "выжимка", о которой мы сказали в начале. Но это не вся "выжимка", а только лишь часть ее. Вторая ее часть так и останется развиваться в тех же научных коллективах в поисках новых открытий и решений. Ученые, занятые прикладной наукой в отраслевых НИИ и лабораториях, ближе к объекту и лучше знают потребности его развития, и у нас нет желания разрушать этот здоровый механизм. Речь идет о создании эффективного механизма по объединению усилий всех ученых страны и помощи каждому из них персонально в конкурентных разработках на наноструктурном уровне материи. Для этого в первую очередь им нужно предоставить современное оборудование и сервисные услуги по его эффективному использованию, которые уже оправдали себя в научном мире. На это и должна быть направлена деятельность Национальной нанотехнологической лаборатории.
Возможность синтезировать наномасштабные элементы структуры с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революционным изменениям во многих отраслях промышленности. Развитие нанотехнологий окажет более сильное влияние на жизнь общества, чем использование микроэлектроники и интегральных схем, поскольку нанотехнологии затрагивают значительно большее число отраслей промышленности, чем электроника. В XXI веке должны осуществиться революционные преобразования науки и техники, которые приведут к коренным изменениям в производстве и социальной жизни.

В Казахстане есть научные коллективы, выполняющие исследования и имеющие разработки в области нанотехнологий и смежных дисциплин. Это исследования в области синтеза нанокластеров и наноструктур полупроводниковых и металлических систем, разработки в области наноразмерных катализаторов, сенсорных наноструктурных материалов и углеродных наноструктур. С 2003 года исследования наноструктур стали проводиться по программе фундаментальных исследований Министерства образования и науки Республики Казахстан. С 2006 года прикладные исследования по наноматериалам и нанотехнологиям будут финансироваться Министерством индустрии и торговли в рамках программы "Разработка перспективных новых материалов различного назначения на 2006–2008 гг.".

Стратегии соответствуют
Особое значение нанотехнологии имеют для диверсификации экономики Казахстана по принятым приоритетам. В частности, развитие металлургического кластера, который сегодня невозможно представить без нанотехнологий. В настоящее время непрерывно возрастает роль порошковых и композиционных материалов, и в этой сфере казахстанские ученые имеют солидный задел в разработках технологий получения новых нано- и композиционных покрытий для увеличения срока службы конструкционных материалов, легированных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для высокопрочных и теплостойких деталей машин и механизмов, получения особо чистых порошков цветных и редких металлов, получения полупроводниковых материалов для солнечной энергетики и электронной техники. Ионы и химические соединения имеют размеры в области нано, т.е. соизмеримы с 10-9 м. Это позволяет применять при обогащении руд ионную и тонкослойную флотацию, различные виды сепараций (фото- и радиометрическая, электромагнитная и др.).
В пищевой промышленности без нанотехнологий сегодня уже не обойтись. Не случайно такие многонациональные корпорации в пищевой отрасли, как Kraft, создали несколько лет назад нанотехнологическую лабораторию при сотрудничестве с 15 университетами со всего мира.

Доверяй, но проверяй
Национальная нанотехнологическая лаборатория также должна будет обеспечить нанотехнологическую безопасность страны. Применение нанотехнологий в медицине, электронике и производстве сулит необыкновенные и заманчивые перспективы, особенно при массовом их внедрении. Однако растут опасения, что нанотехнологии могут представлять собой угрозу для окружающей среды. Сами по себе такие наноматериалы могут быть вполне безопасными, однако при попадании в окружающую среду последствия могут оказаться совершенно неожиданными. Например, наночастицы из диоксида титана, которые находят применение в широком диапазоне устройств – от солнцезащитных экранов до перезаряжаемых батарей – поглощают и концентрируют в себе тяжелые металлы, такие, как кадмий. В настоящее время не ясно, повлияет ли появление таких наночастиц в атмосфере на токсичность и характер движения других вредных компонентов, загрязняющих окружающую среду.

Важны исследования способов применения нанотехнологий для защиты окружающей среды, например, в системах очистки воды или для удаления особо токсичных элементов из промышленных отходов.
Нанотехнологическая лаборатория должна располагать достаточным оборудованием и квалифицированными кадрами для превентивного или упреждающего подхода к вопросам воздействия нанотехнологий на окружающую среду, а не ждать, когда эти последствия встанут во весь рост, как это имело место на Семипалатинском ядерном полигоне в период изучения и развития ядерных и термоядерных технологий.
Например, финансирование центра нанотехнологий университета Райс осуществляется в рамках национальной инициативы в области нанотехнологий США, начало реализации которой положил Билл Клинтон в 2000 году. В 2002 году из $700-миллионного совокупного бюджета программы $500 тысяч было израсходовано на исследование потенциального воздействия нанотехнологий на среду обитания и здоровье людей.

С чем их едят
Наиболее вероятен успех нанотехнологий в сотрудничестве с ИТ-отраслью. Несмотря на скромный уровень современного рынка нанотехнологий – всего 2,5 млрд евро, главный исполнительный орган Европейского союза прогнозирует, что уже в 2010 г. его объем превысит 100 млрд евро, а к 2015 г. превзойдет 1 трлн евро. Поскольку такие прогнозы весьма похожи на правду, а размеры электронных устройств продолжают уменьшаться завидными темпами, ведущие мировые державы и корпорации наращивают свои инвестиции в нанотехнологические программы, где ИТ-сфера занимает одно из первых мест.

Важным шагом стало принятие стратегии развития нанотехнологий в ЕС до 2013 г. Признавая нынешнее отставание ЕС от США и Японии, Еврокомиссия выделяет из бюджета до 2006 года на развитие нанотехнологий 1,3 млрд евро. Япония преуспела в создании гибких солнечных батарей и FOLED-дисплеев. FOLED – гибкий органический дисплей. Уже есть прототипы подобных устройств, и их изготовители утверждают, что они найдут массовое применение в следующем поколении мобильных телефонов, видеокамер и цифровых фотоаппаратов.
Компания Sharp изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 микрометров, т.е. от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в 100 раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Также возможна интеграция этих батарей с новыми FOLED-дисплеями.

Пленка гибкой сверхтонкой солнечной батареи площадью в две визитные карточки весит всего 1 г и обладает мощностью 2,6 Вт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.
Сфера тесной связи информационных технологий и нанотехнологий является перспективной не только в свете востребованности ее мировым рынком ИТ-отрасли и будущими перспективами, но и в большей мере тем, что именно здесь вполне возможно занятие конкурентной ниши казахстанскими учеными, имеющим солидный задел именно в сфере связывающей нанотехнологии с ИТ-отраслью.

Сами с усами
Результаты казахстанских ученых получили широкое признание, отмечены научными премиями и цитируются в научной литературе, обзорах и монографиях ведущих зарубежных ученых. В этом плане не случайно ДГП "Физико-технический институт" указом президента Республики Казахстан включено в территориальную зону Парка информационных технологий в пос. Алатау.

Для концентрации исследований в области полупроводниковых и наноструктурированных материалов целесообразно создать Национальную нанотехнологическую лабораторию, которая будет центром коллективного пользования ведущих казахстанских институтов и организаций по анализу и сертификации полупроводниковых и наноструктурированных материалов и особо чистых веществ, предоставляющих научно-исследовательским организациям Казахстана дополнительные возможности по использованию в своих работах современных уникальных научных приборов.
Лаборатория должна быть структурным подразделением ДГП "Физико-технический институт", которое имеет самый значительный задел в области исследования полупроводников, металлов, композитов и сплавов, обладает квалифицированным персоналом и хорошим парком аналитического оборудования.

В современном мире сфера услуг уже опережает сферу производства и составляет 60 процентов от общего валового продукта, произведенного на планете. Отдельно по научной области такой статистики нет, но и так очевидно, что в науке доля сферы услуг еще больше, чем в производстве. Это обусловлено тем, что научное оборудование гораздо дороже и сложнее в использовании, чем большинство употребляемых людьми товаров. Для того чтобы производить товары в области науки, нужно вначале выучиться самому работать в среде, способной к непрерывному самообучению, научить этому других и суметь довести результаты научной деятельности до широких слоев потребителей. Для реализации этих целей и создаются при Национальной нанотехнологической лаборатории две структуры сервисного характера – Научно-образовательный центр нанотехнологий и Межрегиональный центр по анализу и сертификации материалов.

В своей деятельности Национальная нанотехнологическая лаборатория будет опираться на коллективы ученых внутри страны, занимающихся нанотехнологиями: Физико-технический институт, Казахский национальный университет, Институт металлургии и обогащения, Институт химических наук, Институт органического катализа и электрохимии, Карагандинский государственный университет, Евразийский национальный университет.
На сегодняшний день ДГП "Физико-технический институт" уже имеет договора о сотрудничестве и намерениях с ведущими нанотехнологическими центрами мира. Это Корнельский университет, Ренселеровский политехнический институт "Олбани НаноТех" при университете Олбани, World Technology Evaluation Сenter, Inc., Лаборатория Военно-морского флота (для выполнения совместных работ с этой лабораторией необходимо соглашение между Министерствами обороны США и Казахстана) США; Технический университет, Дрезден; Национальный институт материаловедения, Япония; Инновационный центр по микро- и нанотехнологиям, Гренобль; Университетский колледж, Лондон; Физико-технический институт им. Иоффе, Институт физики полупроводников СО РАН, Институт физики твердого тела, Институт физических проблем им. П. Л. Капицы, Казанский физико-технический институт, Россия; Институт физики твердого тела и полупроводников, Институт прикладной физики, Белоруссия; Институт физики полупроводников, Институт электронной физики, Институт прикладной физики, Украина.

Вливайтесь в наши ряды
Все это открывает перед молодежью неограниченные возможности для удовлетворения своего честолюбия. Проблема в том, что, несмотря на успехи нанотехнологий, до сегодняшнего дня так и не созданы технологии для массового тиражирования результатов. Речь идет об имеющемся разрыве между потенциальными возможностями нанотехнологий и теми их товарными формами, которые сегодня используются бизнесом. Многие из удивительных продуктов нанотехнологий еще не стали товарами массового производства, и поиск технологий, способных это осуществить, является стратегической задачей во всех ведущих корпорациях и лабораториях мира. Каждый молодой казахстанец может совершить великие открытия в востребованной людьми отрасли новой науки и технологий.

Композитные наноматериалы сегодня пока еще используются только лишь в отдельных моделях дорогостоящих автомобилей типа Mercedes, но не за горами тот день и час, когда большинство из доступных людям автомобилей будут изготовлены из композитных материалов по нанотехнологиям. Первые компьютеры также создавались для элиты, т.е. для ученых, занимающихся большими объемами вычислений, но неожиданно для многих компьютеры стали товаром нужным и доступным каждому жителю планеты. Так будет и с ныне дорогостоящими товарными формами нанотехнологий – рано или поздно, но будут созданы технологии их массового производства. Создание Национальной нанотехнологической лаборатории предоставит возможность и ученым Казахстана создавать в этом нужном людям деле весомую интеллектуальную собственность. Из какой отрасли будет осуществлен прорыв нанотехнологий в массовое производство – это известно одному лишь Творцу. Нам же достоверно известно только лишь то, что он может быть осуществлен из любой отрасли – как из сферы ИТ-отрасли, так и из сферы порошковой нанометаллургии, тонкопленочных и объемных наноматериалов, а равно из тех новых нанотехнологических исследований, о которых мы сегодня даже не имеем представлений.
28.01.2006