Нанотехнологии в России

Содержание

Введение

1.Нанотехнологии  в России

1.1 Основные  направления развития нанотехнологий  в России

1.2 Перспективы  использования нанотехнологий

1.3 Ключевые  проблемы развития нанотехнологий  в России

2.Нанотехнологии  в Ставропольском крае

Введение 

Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны. 

Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России [2-4].В основе такого подхода лежат: 

использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба; 

ряд выдающихся открытий последних лет в области  физики низкоразмерных систем и структур (целочисленный и дробный квантовые  эффекты Холла, квазичастицы с дробным  зарядом и др.); 

разработка  приборов и устройств на основе квантовых  наноструктур (лазеры на квантовых  точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства на основе эффекта  гигантского магнитосопротивления); 

появление и развитие новых технологических приемов (приемы и методы, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации; 

методы, основанные на зондовой микроскопии и технике  сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов  литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения; фемтосекундные методы); 

создание  новых материалов с необычными свойствами (фуллерены, нанотрубки, нанокерамика) и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками. 

Развитие  перечисленных и близких к  ним направлений науки, техники  и технологий, связанных с созданием, исследованиями и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности - в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии. 

Новейшие  нанотехнологий наряду с компьютерно-информационными  технологиями и биотехнологиями  являются фундаментом научно-технической  революции в XXI веке, сравнимым и  даже превосходящим по своим масштабам  с преобразованиями в технике  и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями XX века. 

В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем  будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки. 

Нанотехнологий  могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса  России в международный рынок  высоких технологий, надежного обеспечения  конкурентоспособности отечественной  продукции. 

Разработка  и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках. 

Формирование  и реализация активной государственной  политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический  потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России. 

В статье используются следующие термины: 

нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; 

наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками; 

наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. 

Актуальность  и важность указанных работ определили необходимость включения научных  направлений, связанных с нанотехнологиями, в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом  Российской Федерации. 

Разработка  и применение нанотехнологий и связанных с ними направлений науки, техники и производства позволят достичь следующих основных целей: 

в сфере  политики: 

укрепление  позиций России в группе государств-лидеров  мирового развития; 

повышение рейтинга России в международном  разделении труда; 

в сфере  экономики: 

изменение структуры валового внутреннего  продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции; 

повышение эффективности производства; 

переориентация  российского экспорта с, в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий; 

в сфере  национальной безопасности: 

обеспечение экономической и технологической  безопасности на базе широкого внедрения нанотехнологий в модернизацию используемого и создание нового, более эффективного оборудования; 

повышение степени безопасности государства  путем широкого внедрения наносенсорики  для эффективного контроля присутствия  следов взрывчатых веществ, наркотиков, отравляющих веществ в условиях угроз террористических актов, техногенных катастроф и других факторов внешнего воздействия; 

совершенствование имеющегося вооружения и создание новое  военной и специальной техники; 

в социальной сфере: 

повышение качественных показателей жизни и экологической безопасности населения путем внедрения в практическое здравоохранение систем диагностики, базирующихся на нанотехнологиях и предназначенных для раннего обнаружения тяжелых и хронических заболеваний (ранняя диагностика рака, гепатита, сердечно-сосудистых заболеваний, аллергии), профилактики и лечения, а также развитие производства новых препаративных форм лекарств и витаминов; 

создание  новых рабочих мест для высококвалифицированного персонала инновационных предприятии, создающих продукцию с использованием нанотехнологий; 

в сфере  образования и науки: 

развитие  фундаментальных представлений  о новых явлениях, структуре и  свойствах наноматериалов; 

формирование  научного сообщества, подготовка и  переподготовка кадров, нацеленных на решение научных, технологических и производственных проблем нанотехнологий, создание наноматериалов и наносистемной техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках; распространение знаний в области нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники. Эффективное достижение намеченных целей потребует системного подхода к решению целого ряда взаимоувязанных задач, основными из которых являются: 

координация работ в области создания и  применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники; 

создание  научно-технической и организационно-финансовой базы, позволяющей сохранить и  развивать имеющийся в России приоритетный задел в исследованиях  и применении нанотехнологий; развитие бюджетных и внебюджетных фондов, поощряющих и развивающих исследования в области наноматериалов и нанотехнологий и стимулирующих вклады инвесторов; 

формирование  инфраструктуры для организации  эффективных фундаментальных исследований, поиска возможных применений их результатов, развития новых нанотехнологий и их быстрой коммерциализации; 

поддержка межотраслевого сотрудничества в области  создания наноматериалов и развития нанотехнологий; 

обеспечение заинтересованности в решении научных, технологических и производственных проблем развития нанотехнологий и наноматериалов путем либерализации налоговой политики, оптимизации финансовой политики; создание системы защиты интеллектуальной собственности; 

разработка  и внедрение новых подходов к  обучению специалистов в области  нанотехнологий. 

1.Нанотехнология  в России 

Технологии, которые работают на уровне отдельных  атомов и молекул, называются нанотехнологиями (нанометр -- это 10-9 м, одна миллиардная  метра). Отцом этого перспективнейшего  направления считается все тот  же Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 г. историческую лекцию «Там, внизу, еще много места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами... Пока мы вынуждены пользоваться молекулярными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Технический уровень того времени, когда были произнесены эти пророческие слова, заставлял воспринимать их как очередную футуристическую сказку. Но в 1981 г. ученые Г. Бининг и Г. Рорер из швейцарского отделения IBM создали туннельный микроскоп, впервые позволивший взглянуть на обособленные молекулы и атомы. Однако исследователей ждал еще один приятный сюрприз: оказалось, что их детище способно не только «увидеть», но и «подцепить» отдельный атом и перенести его на другое место. За прошедшие с тех пор 20 лет нанотехнологии стали производственной реальностью, и уже сейчас мы можем создавать необходимые нам объекты, «монтируя» их на атомном уровне. 

Когда говорят о нанотехнологиях, подразумевается несколько достаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научных направлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционной полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень, хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны уже сегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размерными эффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30--40 нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантов является молекулярная электроника, или молетроника. 

В 1974 г. ведущие  ученые фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер представили вещество, молекула которого обладала теми же свойствами, что и  обычный диод. Пропуская ток в одном направлении, введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла быть усовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив две такие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера -- основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство, имитируя состояния бита -- 0 и 1, возможно с помощью света или электрического поля. Следуя описанной идее, химики синтезировали великое множество кандидатов на роль транзистора будущего. Так началась эпоха молетроники. 

Впрочем, вскоре ученые поняли, что копировать традиционный процессор совсем необязательно. Ведь теоретически в качестве бита годится  любая двухуровневая система, которую  относительно легко можно перевести  из одного состояния в другое. Молекул же, меняющих свою структуру при определенном физико-химическом воздействии, известно немало. Например, спиробензопирены «переключаются» в состояние 1 под действием ультрафиолета, а обратно -- с помощью обычного света. На основе подобных структур реально построение не только логических элементов, но и устройств памяти. Соединять же молекулярные триггеры можно, используя либо углеродные нанотрубы, либо разработанные недавно токопроводящие полимеры (за их открытие группе ученых была вручена в 2000 г. Нобелевская премия).

нанотехнология  микроскопия ионный

1.1 Основные  направления развития нанотехнологий  в России 

Наиболее  значительные практические результаты могут быть достигнуты в следующих  областях: 

в создании твердотельных поверхностных и многослойных наноструктур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами с помощью конструирования их на атомном уровне (например, средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций) и использования современных высоких технологий (различные модификации молекулярно-пучковой и молекулярно-химической эпитаксии, самоорганизация, электронная литография, технологические методы туннельной микроскопии) с получением в результате принципиально новых объектов и приборов для исследований и различных приложений - сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры, фотонные кристаллы, спин-туннельные структуры; 

в экстремальной  ультрафиолетовой (ЭУФ) литографии на основе использования длины волны, равной 13,5 нм, обеспечивающей помимо создания наноэлектронных суперпроизводительных вычислительных систем переход в мир атомных точностей, что неизбежно скажется на смежных областях знаний и производства; 

в микроэлектромеханике, в основе которой лежит объединение поверхностной микрообработки, использующейся в микроэлектронной технологии, с объемной обработкой и применением новых наноматериалов, физических эффектов и LIGA-технологии на основе синхротронного излучения, обеспечивших прорыв в области создания микродвигателей, микророботов, микронасосов для микрофлюидики, микрооптики, сверхчувствительных сенсоров различных физических величин - давления, ускорения, температуры, а также создания сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, передвигаться, накапливать и передавать информацию, осуществлять определенные воздействия по заложенной программе или команде ("умная пыль", микророботы); 

в конструировании  молекулярных устройств (наномашин и нанодвигателей, устройств распознавания и хранения информации) и в создании наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и обработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная электроника); 

в разнообразном  применении фуллереноподобных материалов и нанотрубок, обладающих рядом особых характеристик, включая химическую стойкость, высокие прочность, жесткость, ударную вязкость, электро- и теплопроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Углеродные нанотрубки используются также в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов, в дисплеях с полевой эмиссией, высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах, в водородной энергетике в качестве контейнеров для хранения водорода; 

в создании новых классов наноматериалов и наноструктур, включая: 

фотонные  кристаллы, поведение света в  которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием  более высоким, чем у полупроводниковых  аналогов; 

разупорядоченные  нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора; 

функциональную  керамику на основе литиевых соединений для твердотельных топливных элементов, перезаряжаемых твердотельных источников тока, сенсоров газовых и жидких сред для работы в жестких технологических условиях; 

квазикристаллические  наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого  коэффициента трения и термостабильности, что делает их перспективными для использования в машиностроении, альтернативной и водородной энергетике; 

конструкционные наноструктурные твердые и прочные  сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и  ударной вязкостью, а также наноструктурные  защитные термо- и коррозионностойкие покрытия; 

полимерные  композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью; 

биосовместимые  наноматериалы для создания искусственной  кожи, принципиально новых типов  перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной  активностью; 

наноразмерные порошки с повышенной поверхностной  энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и  видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и  краскам; 

органические  наноматериалы, обладающие многими свойствами, недоступными неорганическим веществам. Органическая нанотехнология на базе самоорганизации позволяет создавать слоистые органические наноструктуры, являющиеся основой органической наноэлектроники и конструировать модели биомембран клеток живых организмов для фундаментальных исследований процессов их функционирования (молекулярная архитектура); 

полимерные  нанокомпозитные и пленочные  материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных композитных мембран; 

покровные полимеры для защитных пассивирующих, антифрикционных, селективных, просветляющих  покрытий; 

полимерные  наноструктуры для гибких экранов; 

двумерные сегнетоэлектрические пленки для энергонезависимых  запоминающих устройств; 

жидкокристаллические  наноматериалы для высокоинформативных  и эргономичных типов дисплеев, новых  типов жидкокристаллических дисплеев (электронная бумага).

1.2 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.

1.3 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.