Метрологическое обеспечение, стандартизация и оценка соответствия нанотехнологий и нанопродукции (Аналитический обзор) Ростехрегулирование ноябрь – 2007 г. Содержание

Вид материала

Реферат

Содержание 2 Состояние нанотехнологий и нанопродукции Один из них – «сверху-вниз» - основан на дальнейшем продвижении методов микроэлектроники Второй подход – «снизу-вверх» - базируется на сборе наноструктур второго уровня с применением самоорганизующихся меха Полное исследование» (Full Research) Если этот этап не удается пройти за приемлемые сроки и за приемлемые финансовые затраты, научный результат так и останется тольк Дэвид Берубе Валентина Юдашкина Рисунок 2 – Прогнозы объемов нанотехнологии на мировых рынках (млрд. долл). 3. Метрологическое обеспечение Рисунок 3 Маршрутная карта ITRS. Рисунок 4 - Эталонный манометрический комплекс национального метрологического института Франции (LNE) на основе АСМ. Рисунок 5 - Установка для создания и исследования наноструктур Рисунок 6 - Измерительно-технологическая установка «Нанофаб» Рисунок 7 - Установка Cross Beam 1540 - уникальный комплекс Рисунок 8 – Пластинчатая секция, для исследования на ПЭМ Рисунок 9 – Высокоразрешающий просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 с ускоряющим напряжением 200 КэВ. 5 Оценка соответствия и обеспечение безопасности В настоящее время уже производится более 300 видов продукции, предполагающей содержание наноматериалов В настоящее время нет стан­дартных испытательных методик для измерения воздействия наночастиц на человека.

Подобный материал:

• Аннотация рабочей программы учебной дисциплины «опд. Р02 метрологическое обеспечение, 148.39kb.
• Р абочий материал конференции «Актуальные вопросы и метрологическое обеспечение в сфере, 369.53kb.
• Русский обозреватель” информационно исследовательский центр информационно-аналитический, 4335.53kb.
• Методическое и метрологическое обеспечение усилителей мощности в диапазоне частот 0,05-2, 12.44kb.
• Электронный образовательный ресурс «Геометрические построения» является обучающим комплексом,, 34.88kb.
• Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны, 106.03kb.
• V-я всероссийская научно-практическая конференция «метрологическое обеспечение весоизмерительной, 51.17kb.
• Метрологическое обеспечение производства в свете новой редакции закона «Об обеспечении, 41.44kb.
• «Обзор инновационных, экологически безопасных строительных и отделочных материалов,, 16.32kb.
• Аналитический обзор нормативных правовых актов, регламент, 713.14kb.

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ,

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОПРОДУКЦИИ

(Аналитический обзор)


Ростехрегулирование

ноябрь – 2007 г.


СОДЕРЖАНИЕ

1 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...	3
2 СОСТОЯНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОПРОДУКЦИИ…………..
3 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ…………………………………..
4 СТАНДАРТИЗАЦИЯ………………………………………………………..
5 ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ……	39
6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………	45

1 ВВЕДЕНИЕ


Нанотехнологии, как осмысленные последовательности операций с нанообъектами (т.е. объектами с размерами 100 нм), направленные на получение полезной продукции, применяются достаточно длительное время.

Первыми нанообъектами, которые с середины прошлого века начали активно использоваться в различных технологических процессах, стали тонкие пленки (слои) толщиной 100 нм. Применение нанослоев из различных материалов в ряде технических устройств позволило значительно улучшить их потребительские характеристики. Например, формируемые в высоком вакууме нанослои из щелочных металлов позволили создать фотокатоды, которые до сих пор широко применяются в различных фотоприемных устройствах (фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т.д.).

Принято считать, что термин «нанотехнологии» появился в 1974 году в докладе сотрудника токийского университета Н.Танигути.

Существенный импульс развитию нанотехнологии дало развитие интегральной полупроводниковой микроэлектроники. Ее естественное стремление к повышению уровня интеграции за счет уменьшения размеров активных элементов, размещаемых на кристалле, стимулировало развитие технологических процессов, оперирующих со структурными объектами сначала 10 мкм, затем 1 мкм, а в настоящее время 100 нм

Заметное влияние на развитие нанотехнологий оказывают также биотехнологии, которые все более широко применяются в различных областях человеческой деятельности, и для которых оперирование с нанообъектами является естественным.

В настоящее время в развитых странах сформировались условия, для активизации работ по развитию нанотехнологий, которые сулят значительные экономические и социальные выгоды.


2 СОСТОЯНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОПРОДУКЦИИ


Одним из убедительных доказательств резко возрастающего интереса мировой научно-технической общественности и крупнейших фирм-производителей к нанотехнологии служит количество публикаций и объемы финансирования.

В 2005 г. было опубликовано более 27000 статей, так или иначе относящихся к нанотехнологии, в таких всемирно известных изданиях, как Journal of the American Chemical Society, Applied Physics Letters, Cancer Gene Therapy, Nature, Science.

Совет в области науки, производства и инноваций при премьер-министре Австралии опубликовал следующие данные:

• в течение десятилетия с 1994 по 2004 гг. суммарные инвестиции в
  нанотехнологию возросли десятикратно, равно как и количество патентов в
  ее различных направлениях;
  
• ежегодные правительственные расходы во многих развитых странах
  на нанотехнологию возросли в период между 2000-м и 2005-м годами более
  чем вчетверо, т.е. примерно с одного до четырех с половиной миллиардов
  долларов США; так же основательно инвестирует нанотехнологию
  промышленность: только в 2005 г. компаниями и фирмами было
  инвестировано в нанотехнологию не менее 3,8 млрд. При этом американские компании инвестировали 1,7 млрд., азиатские - 1,4 млрд., европейские – 650 млн. Суммарные расходы в 2005 г. на нанотехнологию, включая правительственные инвестиции, средства компаний и фирм, а также вложения капитала с риском, оцениваются в 8,6 млрд.;
  
• в США, Японии, Европейском Сообществе, Китае, Корее, на
  Тайване и в Великобритании состояния исследований и развития нанотехнологии в течение прошедших 5 лет были главным объектом внимания общественности.
  

В зарубежной печати опубликован своеобразный рейтинг групп государств, отражающий их успехи и перспективы в нанотехнологии.

Лидирующую группу составляют США, Япония, Южная Корея, Европейский Союз, включающий Германию, Францию, Нидерланды и Бельгию.

На лидерство в течение ближайших 10-15 лет претендуют Китай, Индия, Бразилия и, по всей вероятности, Россия. Замыкают рейтинг Австралия, Тайвань, Израиль, Италия, Швейцария, Сингапур, Великобритания и Канада.

Действительно, в последние несколько лет в Российской Федерации предпринимаются существенные усилия для активизации разработок в области нанотехнологий, повышении эффективности государственных инвестиций и коммерциализации научных результатов.

В частности, объем бюджетных средств, выделенных на выполнение работ по направлению «Индустрия наносистем и материалов» в рамках ФЦНТП составил за 2005-2006 гг.:

Блок 1 Генерация знаний 1403,8 млн.руб.

Блок 2 Разработка технологий 2470,8 млн.руб.

Блок 3 Коммерциализация технологий 905 млн.руб.

Итого: 4788,9 млн.руб.

Было профинансировано 716 проектов, направленных на развитие нанотехнологий.

Был получен ряд важных результатов как научного, так и прикладного характеров.

С целью дальнейшей активизации работ в области нанотехнологий Правительством Российской Федерации была принята ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии на 2008-2010 гг.». Предусмотренный ФЦП объем финансирования превысит 25,0 млрд.рублей. Данная программа уделяет значительное внимание вопросам метрологического обеспечения, стандартизации и оценке соответствия, нанотехнологий и нанопродукции. Создана Российская корпорация «Нанотехнологии», деятельность которой направлена на выработку и реализацию государственной политики в области нанотехнологий, обеспечения организационной и финансовой поддержки нанотехнологической деятельности, отбора «координации и финансирования перспективных проектов. Начато формирование «Национальной технологической сети».

Мировая продажа товаров и изделий, производимых с использованием
новейших нанотехнологии, по мнению экспертов в течение ближайшего
десятилетия возрастать будет ежегодно более чем на 2,5 млрд. долларов.

Предполагается, что к 2020 г. нынешние возможности нанотехнологии эволюционируют в четыре различных параллельных разновидности продуктов и процессов: пассивные наноструктуры, активные наноструктуры, наносистемы с трех­мерными свойствами и неоднородные молекулярные наносистемы.

Если в последние пять лет ис­следования проводились главным образом с использованием компо­нентов наномасштаба, в настоя­щее время наблюдается движение в направлении использования ак­тивных наноструктур и наносистем, молекулярной и системной биологии в медицине, в комплексе с измене­ниями основных принципов разра­ботки электронного оборудования и улучшения свойств материалов.

Основной сферой применения нанотехнологий, предполагающей значительную отдачу в краткосроч­ной перспективе, является созда­ние наноструктурированных катализаторов и фармацевтических препаратов, компонентов наноэлектроники и многофункциональных ма­териалов. Фактически будет улучшаться качество производимой в настоящее время продукции, включая в нее нанокомпоненты.

Предполагается также, что в XXI столетии нанотехнологии станут ведущим направлением деятельности различных секторов промышленности. Процесс развития нанотехнологий можно охарактеризовать двумя хорошо известными подходами.

Один из них – «сверху-вниз» - основан на дальнейшем продвижении методов микроэлектроники. Цель – замена обычной промышленной технологической системы нанотехнологиями. Поэтому такой подход можно назвать эволюционным.

Второй подход – «снизу-вверх» - базируется на сборе наноструктур второго уровня с применением самоорганизующихся механизмов. Подобное революционное направление представляет собой основу для инновационной деятельности в области промышленных технологий.

Многие эксперты считают именно этот «второй подход» настоящими нанотехнологиями, важнейшей основой становления которых является создание и обеспечение функционирования различных наномашин или т.н. ассемблеров.

Ассемблеры, машины, обладающие двумя основными свойствами - производить некую работу (в чем они совершенно сходны с машинами обычными) и возможностью самокопирования (в чем они принципиально отличаются от них).

Ассемблер по Дрекслеру состоит из двух час­тей: микрокомпьютера и управляемого манипуля­тора. Т.е. это микроробот, который с помощью манипулятора расставляет атомы в порядке, имеющемся в памяти ассемблера. Самый простой ассемблер можно собрать с помощью сканирующего туннельного микроскопа, загрузить в него программу самовоспроизводства, и тогда микро­робот будет создавать таких же микророботов.

Иными словами, ассемблер может не только производить некое вещество с заранее опреде­ленной молекулярной структурой и свойствами, но и делать точно такие же ассемблеры.

Помимо значительной финансовой поддержки некоторые страны разрабатывают и внедряют новые организационные механизмы, повышающие эффективность преобразования научного результата в конкурентоспособный рыночный продукт.

Заслуживает внимание рассмотрение одного из таких механизмов, который именуется как « Полное исследование» (Full Research) и который уже более пяти лет обрабатывается Национальным институтом перспективных промышленных исследований и технологий (Япония). (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)). Около десятка институтов, работающих в области промышленных исследований, метрологии, стандартизации и менеджмента, были реорганизованы и объединены для отработки этого механизма.

Сущность «Полного исследования» заключается в том, что после первого этапа исследований, когда получен научный результат, выполняется второй этап исследований, в течение которого исследуются потенциальные рыночные возможности продукта, создаваемого на основе полученного научного результата, а также различные аспекты возможности создания соответствующего производственно-технологического оборудова-ния, метрологического обеспечения и стандартизации данной продукции. Схематически процесс «Полного исследования» изображен на рисунке 1.

По мнению президента AIST Х.Йошинава процесс «Полного исследования» направлен на выстраивание эффективного взаимодействия между учеными, инженерами, экономистами и менеджерами.

Аналогичные работы по повышению эффективности продвижения научных результатов на рынок проводятся в Тайване.

В 2005 году была начата 6-летняя национальная программа в области нанотехнологий, при этом на функционирующий с 1973 г. НИИ промышленных технологий Тайваня (НИИПТ) была возложена задача по организации работ направленных на коммерциализацию научных результатов.




В настоящее время в НИИПТ работает 6000 человек, годовой объем составляет около 550,0 млн.долларов США. Институт в год оформляет до 1000 патентов.

В 2006 году была произведена реорганизация НИИПТ, направленная на расширение междисциплинарных возможностей и ориентированных на рынок исследований. Были созданы шесть стержневых лабораторий, пять фокусных центров и пять центров связи, в то время как многие административные функции были сокращены.

Шесть стержневых лабораторий выполняют НИОКР, направленные на выявление новых применений в выбранных областях. Пять фокусных центров продолжают разработку только тех результатов НИОКР, которые имеют рыночный потенциал. Каждый центр имеет четкую дорожную карту, направленную на коммерциализацию изделий. Центры связи координируют междисциплинарные проекты.

Приведенные примеры показывают, на сколько важен и сложен этап между полученным научным результатом и конкурентоспособным рыночным продуктом. Этот этап включает комплекс работ по всестороннему анализу рыночного потенциала ранее полученного научного результата, работ по производственно-технологическому обеспечению, метрологичес-кому обеспечению и стандартизаций создаваемой продукции.

Если этот этап не удается пройти за приемлемые сроки и за приемлемые финансовые затраты, научный результат так и останется только научным результатом.

В связи с тем, что нанотехнологии создаются и функционируют на острие новейших достижений науки и техники за рубежом и в нашей стране появляются и «успешно» действуют всевозможные спекуляции на тему нанотехнологий. Появились даже специфические термины, например, такой как «нанопурга».

Это слово принадлежит российскому химику Алексею Шевареву, который с 2002 года работает в США, и имел там возможность внимательно познакомиться с тем, как американские ученые выколачивают средства на исследования из правительства и различных фондов. Нанотехнологии, конечно же, встали на вооружение профессиональных «грантоедов».

По поводу распространения «нано-истерии» в США уже стала складываться своя библиография. В 2006 году появилось пухлое исследование проф. Дэвида Берубе из университета Южной Каролины, посвященное формированию «нано-бизнеса».

Дэвид Берубе огласил имя героя, который пер­спективную научную разработку превратил в спо­соб заколачивания миллиардов практически на пустом месте. Им оказался Ричард Смолли один из открывателей фуллеренов, который произнес перед Конгрессом США пламенную речь о пользе нанотехнологий для здоровья американской на­ции. Уже в 2004 году финансирование нанотехнологии превысило 800 млн. долларов в год. Сам Смолли создал компанию "Carbon Nanotechnologies Incorporated" ("CNI"), которая заня­лась производством широко известных в России нанотрубок. В компанию было привлечено 18 млн. долларов венчурного капитала.

Правда, уже в апреле 2007 года Смолли при­шлось оставить бизнес. Компания, выставленная по начальной цене 180 млн. долларов, ушла к Arrowhead Researches за 5,4 млн. долларов. Было куплено все оборудование и интеллектуальная собственность пионера коммерческой нанотехнологии.

«Помните: настоящей науке не нужна пристав­ка «нано». Используйте простое правило: если видите слово «нано», смело можете предполо­жить, что это мусор», - резюмировал рассказ о нанопурге" в США Алексей Шеварев.

В качестве Российского примера можно привести предло­жение модельера Валентина Юдашкина пошить форму для спецназа с применением нанотехно­логий. Модельер тут же нашел понимание и под­держку. Только вот нет пока материала для наноформы от Юдашкина. В настоящее время мощности самого крупного в мире производства нанотрубок (корпорация "Mitsubishi" и компания "МЕР"; Япония - США), из которых предполагает­ся делать очень прочные нити, составляет 400 кг в год. Технология получения "нанопряжи" и "нанонитей" находится в стадии разработки, и оптимистически настроенные ученые полагают, что у них получится в ближайшем будущем сде­лать нить длиной 30 см.

Иными словами, в несколько ближайших лет никакой «формы с применением нанотехнологий» не бу­дет. Скорее всего, в форме будут использованы углеродные волокна, запатентованные еще в 1980 году. Это прекрасный материал, очень прочный, стойкий к высоким температурам, обладающий рядом ценных свойств, в том числе и медицинских. Только, увы, никакого отношения углеродное волокно не имеет к нанотехнологии. Оно получается путем термической обработки химических или природных органических волокон при высокой температуре в инертной среде. Форму из углеродных волокон можно назвать "наноформой", но это будет не более чем марке­тинговый и рекламный ход.

Есть и другие направления для маркетинговых ходов. Не так давно открыта наноструктура имоголита – водного алюмосиликатного минерала вулканического происхождения. Синтезировать его научились еще в 1977 году, и примерно тогда же были исследованы его уникальные сорбционные свойства. Имоголит может накапливать и хранить метан и воду и может применяться в ка­честве многоцелевого абсорбента, носителя ка­тализаторов, носителя для ферроэлектрических или ферромагнитных частиц, применяемого в электронике. Исследования в области нанотехнологий позволили дать ответ на вопросы об уникальных свойствах этого материала.

Можно не сомневаться, что имоголит будет в числе наиболее важных "нанотехнологических" материалов. Однако в его применении нет ничего необычного и "нанотехнологического". Он очень близок по химическому составу и структуре к слоистым силикатам, которые широко использу­ются в производстве фарфора, керамики и бума­ги, основ активных веществ, наполнителей кра­сок, бумаги и резины, электроизоляции и кисло­тоупорных покрытий. Если имоголит – это нанотехнологии, то надо признать, что они были ос­воены человеком в глубокой древности. Во всяком слу­чае, китайцы освоили такие "нанотехнологии" еще в I веке н.э., когда начали делать фарфор.

Вместе с тем, даже пессимистически настроенные эксперты указывают на то, что нанотехнологии имеют громадные перспективы и ими необходимо заниматься. При этом делаются различные прогнозы развития нанотехнологий.

В 2006 г. А.Хулман [1] представил анализ прогнозов объемов нанотехнологии на мировых рынках до 2015 г. (рисунок 2).




Рисунок 2 – Прогнозы объемов нанотехнологии на мировых рынках (млрд. долл).


В настоящем анализе экономическая оценка продукции, изготавливаемой на основе нанотехнологии, составляет от 500 млрд. при «пессимистическом» варианте развитии до почти 3 трлн. долл. при «оптимистическом» варианте.

Чтобы выявить общую структуру нанотехнологии и разделить ее на менее абстрактные и более конкретные подобласти, Lux Research представил в 2004 г. отчет «Количественное определение цепочки ценностей нанотехнологии», в котором наноматериалы и промежуточные виды продуктов отделены от конечной продукции.

Наноматериалы определяются, как правило, как структуры материала, размер которых составляет менее 100 нм с размерозависимыми свойствами, например, часто упоминаемые углеродные нанотрубки. Промежуточной нанопродукцией является продукция, включающая наноматериалы или изготовленная в наномасштабе, например, нанокатализаторы для преобразования тяжелой нефти в полезные углеводороды.

Конечной продукцией является продукция, включающая наноматериалы или промежуточную продукцию и выпуск которой завершает производственную цепочку. Например, автомобили, компьютеры или фармацевтические препараты. По всей производственной цепочке используются наноинструменты, которые являются техническим инструментарием и программным обеспечением, применяемым для визуального представления, моделирования и манипулирования в наномасштабе. Такой инструментарий включает в том числе атомные силовые микроскопы и специальное программное обеспечение.

В своем анализе будущих экономических перспектив нанотехнологии Lux Research определяет тремя широкими секторами:

1) материалы и производства;

2) электроника и информационные технологии;

3) здравоохранение и медицинские науки.

Анализ подхода А. Хулманна показывает, что для будущего развития рынка нанотехнологий в настоящее время созданы весь­ма перспективные условия. В со­ответствии с моделью первый этап до 2004 г. предусматривал внедре­ние нанотехнологий в некоторые отдельные высокотехнологичные продукты. На следующем этапе, вплоть до 2009 г., прогнозируется прорыв в области нанотехнологических инноваций, особенно в наноэлектронике.

На третьем этапе, начиная с 2010 г. и далее, нанотехнология станет обыденным процессом, и ее включение в изготовление продук­ции будет восприниматься как нечто само собой разумеющееся, а нанотехнология в здравоохране­нии и медицинских науках станет применяться на рынках фармацев­тической продукции и медицинских приборов.

Нанотехнологии внесут сущест­венный вклад в развитие фармацев­тической промышленности. По оцен­ке Lux Research, в 2004 г. доля рынка нанотехнологической продукции со­ставляла 4% от общего объема всей произведенной продукции. В 2014 г. общая доля нанотехнологии в объеме мирового производства составит 15%.

Для реализации таких высоких темпов роста нанотехнологии необходимы квалифицированные кадры. К 2015 г. в соответствии с прогнозами штат сотрудников, работающих в области нанотехнологии, составит 2 млн. человек. По оценке Lux Research к этому времени потребуется около 10 млн. производ­ственных мест, связанных с нанотехнологиями.


ВЫВОДЫ


1 Нанотехнологии в странах с развитой экономикой активно поддерживается правительствами.

2 Развитие нанотехнологий осуществляется по двум направлениям:

- «сверху-вниз» - когда с помощью нанотехнологий усовершенствуется и улучшается продукция уже существующих технологий (микроэлектронные и информационные технологии, материалы, медицина и т.д.);

- «снизу-вверх» - когда создаются принципиально новые технологии, например, наномашины, которые осуществляют сборку новой продукции, например, нового материала, непосредственно из соответствующих нанообъектов.

3 Основные достижения нанотехнологий на ближайшую перспективу прогнозируются в направлении «сверху-вниз».

4 В ряде стран отрабатываются специальные механизмы направленные на повышение эффективности коммерциализации научных результатов. При этом отмечается важность стандартизации, метрологического обеспечения и оценки соответствия в отработке этих механизмов.

5 За рубежом и в нашей стране имеют место всевозможные спекуляции на тему нанотехнологий, которые снижают эффективность инвестиций.

6 Эксперты прогнозируют два сценария развития нанотехнологий «оптимистический» и «пессимистический». Однако, даже «пессимисти-ческий» прогноз показывает объемы производства нанотехнологий к 2015 году более 500,0 млрд. долларов.

7 Для обеспечения эффективного расходования бюджетных средств, выделяемых на реализацию ФЦП, необходимо определить приоритетные направления развития нанотехнологий для Российской Федерации до 2015 года.