Классификация направлений нанотехнологий

Введение

  Интенсивное развитие нанотехнологий, их быстрое проникновение в производство и потребление и связанные с этим риски — социальные, этические, экологические — обусловливают актуальность скорейшего решения задачи формирования системы экономико-статистических измерений масштабов, структуры и динамики данного технологического направления и соответствующей ему сферы деятельности. Отсутствие необходимой для этого методологической базы и практического инструментария ведет к весьма расплывчатым, а часто и противоречивым представлениям о состоянии сферы нанотехнологий, ее экономических и социальных эффектах.

Обретя  широкое признание в качестве одного из наиболее перспективных направлений  научно-технологического развития, нанотехнологии стали объектом приоритетной поддержки во многих государствах мира. По имеющимся оценкам, едва ли найдется другая область науки, получившая в глобальном масштабе столь значительные государственные инвестиции за столь короткий период времени. Оценки рынка товаров и у слуг, связанных с нанотехнологиями, в зависимости от используемого в них определения последних и «степени оптимизма» их aвторов варьируются от 150 млрд долл. к 2010 г. [5] до 3.1 трлн долл. к 2015 г. Несмотря на несколько ажиотажный характер большинства прогнозов, многие эксперты сходятся в том, что нанотехнологии могут трансформироваться в «технологии общего назначения» вслед за информационно-коммуникационными и биотехнологиями. Вместе с тем формирование понятийного аппарата, прежде всего определений и классификаций, здесь существенно отстает от динамики самого рассматриваемого явления. С учетом масштабов инвестиций в эту сферу и неизбежной в такой ситуации склонности к преувеличению научно-технических и экономических эффектов в некоторых аналитических исследованиях и прогнозах, опирающихся на различную терминологию, подобное положение дел не может не вызывать озабоченности, поскольку способно оказывать дезориентирующее воздействие на принятие обоснованных управленческих решений.

Разработка определений и классификаций в сфере нанотехнологий представляет собой довольно сложную задачу. В первую очередь, это связано с «универсальным» характером нанотехнологий — слабо структурированной области, отличающейся высокой динамичностью развития и растущим многообразием практических приложений. Нельзя не учитывать также мультидисциплинарный характер этой сферы и ее адаптивность как к новым научно-технологическим достижениям, так и к потребностям экономики и общества.

Данный  вопрос имеет ключевое значение для выработки единого подхода к пониманию сущности и особенностей развития нанотехнологий. Общий понятийный аппарат позволит более четко обозначить границы исследуемой области и оценить порождаемые ею научно-технологические и социально-экономические тенденции. В данной работе на основе анализа международного опыта и лучших практик в организации научных исследований, стандартизации и статистического учета предложено базовое определение нанотехнологий и представлен проект классификации направлений нанотехнологий. Принципиальное значение при этом придается гармонизации понятийного аппарата с международными подходами, что будет способствовать усилению интеграции российской науки в мировое научно-технологическое пространство.  
 
 

1 Различные  определения нанотехнологий и история развития нанотехнологий.

1.1 Различные  определения нанотехнологий

  Нанотехнология — 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

  Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10^-9 метра)

В популярной печати используется ещё более простое  и доходчивое для обывателя определение:

  Нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.

  Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

  Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

В разных источниках даны разные определения нанотехнологий, но суть остается одна и та же.

Российские  определения нанотехнологий

Первая  из этих двух версий фокусируется на изучении и создании объектов определенного (наноразмерного) масштаба, вторая –  предлагает рассматривать процессы создания и использования нанотехнологий. В обоих случаях отсутствуют  указания на особенности, связанные с уникальностью явлений и происходящие в пределах наношкалы. Кроме того, определение, представленное в Программе развития наноиндустрии, не несет новой информации о характеризуемом явлении и формулируется исходя из свойств и признаков одного порядка. Это делает его максимально абстрактным и лишает какого бы то ни было уровня операциональности.

С целью  преодоления отмеченных выше проблем  и выработки такого определения  нанотехнологий, которое позволило  бы отразить их специфический характер и могло бы быть использовано в сфере статистического наблюдения, а также научно-технологической и инновационной политики, нами была предпринята попытка синтеза эффективных элементов различных существующих подходов. Результатом соответствующих методических усилий стала новая версия базового определения нанотехнологий, которая прошла обсуждение в целом ряде представительных аудиторий, включая специализированные экспертные совещания и фокус-группы, рабочую группу Научно-координационного совета ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» по направлению «Индустрия наносистем и материалов», редколлегию журнала «Российские нанотехнологии», первый и второй Международные форумы по нанотехнологиям и т.п. Финальный вариант предлагаемого определения выглядит следующим образом…

Под нанотехнологиями предлагается понимать совокупность приемов  и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Данное  определение учитывает комплексный  научно-технологический характер рассматриваемого явления, указывает на специфическую  размерность и управляемость  основных процессов, подчеркивает их определяющее влияние на свойства создаваемых продуктов и отношение к рыночной новизне. Оно может быть использовано для целей проведения научно-технической экспертизы, формулирования критериев отбора и оценки отдельных проектов, связанных с нанотехнологиями, организации статистического наблюдения в этой сфере.

Предложенное  определение было рассмотрено правлением Государственной корпорации «Роснанотех» в сентябре 2009 г. и принято в  качестве рабочего.

Как уже  было отмечено выше, междисциплинарный  характер нанотехнологий обусловливает целесообразность дополнения базового их определения списочным, которое охватывало бы научно-технологические направления, объединенные общим понятием «нанотехнологии». В ходе работы были выделены семь таких крупных направлений, которые составляют списочное определение и образуют основу проекта классификации направлений нанотехнологий.

На международном  уровне из всего многообразия подходов, встречающихся в научных публикациях, аналитических обзорах и политических документах разных стран, выделяются пять определений, пользующихся наибольшим влиянием.

Все эти  определения были идентифицированы Рабочей группой по нанотехнологиям (РГН) Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в качестве базы для создания унифицированной методологической рамки, необходимой для организации гармонизированной в международном масштабе системы сбора и анализа статистической информации о сфере нанотехнологий. Предлагаемые теми или иными международными либо национальными организациями определения носят характер рабочих, отражая специфику тех конкретных программ и проектов, применительно к которым они и сформулированы, и различаются в зависимости от сферы их применения, решаемых задач и уровня полномочий этих организаций. К примеру, в определении нанотехнологий в VII Рамочной программе ЕС подчеркивается их научно-технологическая составляющая; подходы, принятые Европейским и Японским патентными ведомствами, нацелены на работу в сфере охраны интеллектуальной собственности, а формулировка из Национальной нанотехнологической инициативы США охватывает естественные, технические науки и технологии. Тем не менее не следует забывать, что состав приведенного набора определений продиктован, прежде всего, их политической операциональностью (ориентацией на принятие политических решений) и принадлежностью к странам (регионам) с максимальными объемами государственного финансирования научно-технологической сферы (ЕС, США, Япония). Список дополняют так называемое «рамочное» определение ISO, составляющее основу документов РГН, и определение Европейского патентного ведомства (EPO) — пока еще единственного источника международно-сопоставимой информации о нанотехнологиях.

Указанные определения объединяет ряд общих  черт, относительно которых следует  сделать несколько дополнительных замечаний.

Во-первых, каждое из приведенных определений  обращает внимание на масштаб рассматриваемого явления. Как правило, указывается  диапазон от 1 до 100 нм, внутри которого могут быть зафиксированы уникальные молекулярные процессы.

Во-вторых, подчеркивается принципиальная возможность  управления процессами, происходящими, как правило, в границах обозначенного  диапазона. Это позволяет отличить нанотехнологии от природных явлений  подобного рода («случайных» нанотехнологий), а также обеспечить возможность придания создаваемым материалам и устройствам уникальных характеристик и функциональных возможностей, достижение которых в рамках предшествующей технологической волны было невозможно. В свою очередь это означает, что в средне- и долгосрочной перспективе нанотехнологии могут не только содействовать развитию существующих рынков, но и способствовать возникновению новых рынков (продуктов или услуг), способов организации производства, видов экономических и социальных отношений.

В-третьих, характерной особенностью определений является их экономико-статистическая операциональность. Нанотехнологии представлены как явление, поддающееся количественной оценке, – это техники, инструменты, материалы, устройства, системы. Это делает их важным элементом цепочек создания стоимости, однако вопросы оценки вклада нанотехнологий в стоимость конечного продукта и пределов диверсификации существующих секторов производства при их применении требуют дополнительного рассмотрения.

В то же время обращают на себя внимание некоторые различия в указанных определениях. Прежде всего они касаются степени конвергентности и целевого назначения нанотехнологий. Так, в европейском варианте отмечается как интеграция различных технологий в границах наношкалы, так и их конвергенция с другими технологиями; выделяются отдельные сферы их применения. Японская версия подчеркивает инновационную природу нанотехнологии. К тому же европейское и японское определения со всей очевидностью отражают распространенное убеждение [3], что использование схожих «строительных элементов» (например, атомов и молекул) и инструментов анализа (микроскопы, компьютеры высокой мощности и др.) в различных научных дисциплинах может привести в будущем к синтезу информационных, био- и нанотехнологий.

Среди приведенных определений встречаются не только общие (базовые), но и так называемые «списочные», в том числе принятое в VII Рамочной программе ЕС. Обычно они формируются путем перечисления научно-технологических областей (направлений), которые относятся к соответствующей сфере. Как показывает случай с биотехнологиями, использование общего и списочного определений способствует эффективному решению различных задач в области статистики, анализа, научно-технической и инновационной политики. Так, базовые определения хорошо подходят для научных дискуссий, достижения консенсуса по общим вопросам, принятия рамочных политических решений. Списочные определения позволяют наладить коммуникацию с технологическими и производственными областями, где новые технологии могут иметь прикладное значение (например, для исследования рынков и компаний), а также обеспечить создание более строгой системы отбора и экспертизы проектов. В конечном итоге это позволяет повысить точность и достоверность получаемой информации.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 История развития нанотехнологий

  В 1959 году крупнейший американский физик – лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И добавил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Знаменитая лекция Фейнмана, известная под названием «Там, внизу, ещё много места» считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение наномира.

В последние  годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (греческий термин «нанос» означает «гном»; 1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что то же самое, одной миллионной доле миллиметра). Созданные на их основе вещества и объекты размером 1 – 100 нм называют наноматериалами, а способы их производства и применения – нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика.

В самом  широком смысле нанотехнологии – это исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале расстояний.

Историк науки Ричард Букер\Richard D. Booker отмечает, что историю нанотехнологий создать  крайне сложно по двум причинам – во-первых, «размытости» самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются «технологиями» в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже не подозревая об этом.

Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысяч лет назад. В исследованиях проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев (Centre de recherche et de restauration des musées de France), установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров.

В недавних экспериментах доктор Филипп Вальтер (Philippe Walter) показал, что древний процесс  окрашивания волос в чёрный цвет является замечательным примером нанотехнологий, успешно используемых до настоящего времени. Проводя эксперименты по окрашиванию волос, учёные нашли, что частички минерала галенита — сульфида свинца (II), — применявшегося в древности с этой целью, из раствора проникают глубоко в волос, изменяя его цвет. Они так малы, что оказываются сопоставимы по размеру с квантовыми точками, созданием которых занимаются современные нанотехнологии. Естественную чёрную окраску волос имеет благодаря скоплениям белка меланина размером около 300 нанометров, рассеянным в поверхностном слое волоса. А наночастицы галенита, проникающие в волос при окраске, играют роль меланина, из-за чего и получается тёмный цвет. Только их диаметр примерно в 60 раз меньше, что обеспечивает устойчивое окрашивание. К тому же, такие малые частицы не оказывают влияния на механические свойства волоса. Вот так благодаря этим свойствам галенита получилось, что на протяжении двух тысяч лет люди занимались производством наноматериалов, даже не догадываясь об этом. 

Чарльз  Пул (Charles P. Poole), автор книги «Введение в Нанотехнологию» (Introduction to Nanotechnology), приводит ещё один показательный пример: в Британском Музее хранится, так называемый «Кубок Ликурга» (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами – он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет – от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «неделимый», для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль (Robert Boуle) опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов – воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойль утверждал, что все состоит из «корпускул» – сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойля были приняты научным сообществом.

Вероятно, впервые в современной истории  нанотехнологический прорыв был  достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном (George Eastmen) (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).

1931 год – Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 год – Ричард Фейнман (Richard Feynman) выступил в Американском Физическом обществе с докладом известным под названием «Там, внизу, ещё много места», который считается стартовой точкой отсчёта в борьбе за покорение наномира.

1968 год – Альфред Чо (Alfred Cho) и Джон Артур (John Arthu)r, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год – Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот термины «нанотехника и нанотехнология», которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона, и способы их создания.

1981 год – Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1982 год – Разработан растровый туннельный микроскоп.

1985 год – Американские физики Роберт Керл (Robert Curl), Хэрольд Крото (Harold Kroto) и Ричард Смэйли (Richard Smalley) создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр. Они же открыли существование шарообразной углеродной молекулы – фуллерена.

1986 год – Создан атомный силовой микроскоп, ставший инструментом по сборке нанообъектов.

1986 год – Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер (Eric Dreхsler) опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год – Дональд Эйглер (Donald Eigler), сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1991 год – Японские исследователи обнаружили углеродные нанотрубки.

1993 год – В США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда Фейнамана (Richard P. Feynman), который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики – ныне это одна из областей нанонауки.

1998 год – Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год – Американские физики Джеймс Тур (James Tour) и Марк Рид (Mark Reed) определили, что отдельная молекула способна вести себя так же как молекулярные цепочки.

2000 год – Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии (National Nanotechnology Initiative). Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено 0 млн. Это послужило толчком для создания национальных программ по нанотехнологиям во многих промышленно развитых странах.

2001 год – Марк Ратнер (Mark A. Ratner), автор книги «Нанотехнологии: Введение в Новую Большую Идею» (Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea), считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда и произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии – «прорывом года», а влиятельный бизнес-журнал Forbes – «новой многообещающей идеей». Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция».

2004–2006 год – Российский исследователь и изобретатель В.И. Петрик с помощью разработанного им же газофазного метода очистки металлов и разделения изотопов получил наноструктуры ряда металлов: платины, железа, никеля и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Классификация направлений нанотехнологий

Как и  в случае с определениями, классификации  направлений нанотехнологий в настоящее  время находятся в процессе формирования. Прежде всего, это связано с отсутствием международных терминологических стандартов в сфере нанотехнологий. Большинство материалов Рабочей группы ISO по стандартизации наноразмерных объектов и процессов носят предварительный характер, а российские стандарты, согласно проекту Программы стандартизации в наноиндустрии, предложенному ГК «Роснанотех», должны быть разработаны в период с 2010 по 2014 гг., в зависимости от направления.

К настоящему моменту опубликованы проекты трех основных стандартов: терминология и определения нанообъектов в части наночастиц, нановолокон и нанопластин (ISO/TS 27687:2008), принципы безопасности и защиты здоровья при использовании нанотехнологий в профессиональной деятельности (ISO/TR 12885:2008), определения углеродных нанообъектов (ISO/TS 80004-3:2010). Практически завершена работа над проектом методологии классификации и категоризации наноматериалов (ISO/TR 11360: 2010).

Как было отмечено выше, формированию классификационных  группировок предшествует выработка общего (базового) определения нанотехнологий. Затем предстоит идентифицировать ключевые области анализа, которые должны быть описаны с помощью ограниченного набора основных определений, и структурировать их с выделением самостоятельных подгрупп, описывающих выбранную область. Подобного рода подходы к группировке направлений нанотехнологий уже представлены в нормативных документах международных организаций, а также в материалах национальных органов научно-технической политики и статистических служб.  
 
 
 
 
 
 

Примеры группировок основных направлений нанотехнологий