РАЗВИТИЕ РАБОТ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Стратегическими приоритетами любого независимого
демократического государства 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.
Влияние нанотехнологии на жизнь, здоровье и
безопасность человечества в наступившем столетии можно сравнить с общим
влиянием антибиотиков, печатных схем и полимеров на жизнь общества в
20-м веке. Д-р Нил Лейн (советник президента США по вопросам науки
техники и бывший директор Национального научного фонда) в апреле 1998
г., выступая на слушаниях в Конгрессе США, заявил «Если бы меня
спросили, какая область науки
и техникми может обеспечить на прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологию».
Право на такое утверждение дает:
- 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;
-
возможность использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;
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. Так, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная
комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической
инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный
обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия.
Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран.
Консалидация усилий в области нанотехнологий позволит
государству выйти на передовые рубежи в энергосбережении, медицине,
информациооных технологиях, производстве продуктов питания, обеспечит
необходимый уровень экономической независимости Украины. Нанотехнологии
должны стать мощным инструментом интеграции Украины в международный
рынок высоких технологий, обеспечения конкурентоспособности
отечественной продукции.
Разработка и применение нанотехнологий и
связанных с ними направлений науки, техники и производства позволят
достичь следующих основных целей:
в сфере экономики:
- изменение структуры валового внутреннего продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции;
- повышение эффективности производства;
- переориентация украинского экспорта с энергоемкой, продукции на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги .
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;
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.
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 такого 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.
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 - нанотехнологии
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 харакктер.
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.
Основные направления развития нанотехнологий.
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).
Список литературы
1.Нанотехнология в ближайшем
десятилетии. Прогноз направления развития // Под ред. М.К.Роко,
Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 292.
2.С.М.Алфимов,
B.А.Быков, ,Е.П.Гребенников, C.И.Желудева, П.П.Мальцев, В.Ф.Петрунин,
Ю.А.Чаплыгин «Развитие в России работ в области нанотехнологий» |