Нанотехнологии – на службу обществу1

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Вестник ТГУ, выпуск 9 (53), 2007

Нанотехнологии – на службу обществу¹

Ю.И. Головин, В.В. Родаев, А.В. Умрихин

Golovin Y.I., Rodaev V.V., Umrikhin A.V. Nanotechnology as service to society. Brief description of main tendencies of nanotechnology is presented in the article. Special attention is paid to social-humanitarian problems and possible social-economical consequences of technological revolution that is starting. The university’s direction of activity is supported by the national project «Education» among educational establishments of higher vocational education introducing innovative educational programs in 2007–2008.

Ожиданье, ожиданье,

Ожиданье в голубом,

В каждом атоме молчанья

Обещанье стать плодом.

Поль Валери

Ключевые^¹ материалы и технологии всегда играли большую роль в истории цивилизации, определяя не только уровень развития производительных сил, но и во многом – социальный прогресс в обществе. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменная и бронзовая эпоха, век пара и электричества, атомной энергии и информационных технологий.

Большинство экспертов в области стратегического планирования, научно-технической политики, инвестирования уверены, что в ближайшее десятилетие нас ждет нанореволюция во всех областях науки, производства, национальной безопасности, медицины, быта, отдыха и развлечений. Причем ее последствия будут обширнее и глубже, чем компьютерной революции последней трети XX в. Под этим понимают широкомасштабное и системное вторжение наноструктурированных материалов, изделий и способов их получения буквально во все сферы жизни. Поэтому многие развитые и развивающиеся страны имеют в качестве приоритетных программы развития нанотехнологий. Так, например, в США – это государственная программа «Национальная нанотехнологическая инициатива», принятая в 2000 г. Запланированные в ней ежегодные объемы инвестиций увеличились за 5 лет почти в 4 раза и приблизились в 2005 г. к 1 млрд долл., что приблизительно вдвое превышает годовой бюджет всей Российской академии наук. Инвестиции частных фирм и темпы их роста заметно превышают правительственные, вследствие чего их доля неуклонно возрастает. В 7-ой рамочной программе научно-технического развития Евросоюза на 2007–2013 гг. раздел «Нанотехнологии» относится к приоритетным и также обильно финансируется (3,475 млрд евро). В России имеется перечень приоритетных направлений развития научно-технической сферы, в котором упоминаются нанотехнологии. Близится к завершению формирование и утверждение национальной программы развития нанотехнологий (НТ) в России. В ней предусмотрено инвестирование в исследования и разработки 3,9 млрд руб. в 2007 г. и около 130 млрд руб. в течение 2007–2012 гг. Создан координационный совет при Президенте РФ. Российский научный центр «Курчатовский институт» назначен головной организацией от РАН по развитию нанотехнологий в России.

Английский термин Nanotechnology был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10^–9м = 10⁶мм = = 10^–3 мкм). Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова νανοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных
(~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта.

Нанообъекты и наноструктуры могут быть синтезированы искусственно или найдены в готовом виде и отобраны из природных объектов (главным образом, биологических). Отнесение того или иного объекта к наномасштабным весьма условно. Нанообласти в структурной иерархии можно выделить практически в любом объемном, пленочном или волокнистом объекте (примесные кластеры, границы зерен, ядра дислокаций и т. п. в кристаллах; области упорядочения молекул в полимерах; глобулярные белки, мембраны и мицеллы в биоматериалах и т. д.). В качестве разумного критерия принадлежности объекта к наноструктурированным, очевидно, можно принять высокую степень влияния на обсуждаемые свойства именно наноразмерных элементов его реальной структуры. При этом вполне может оказаться, что один и тот же материал для некоторых свойств и приложений будет демонстрировать явную «нано»-специфику, а для других – казаться однородным.

Таким образом, очертить строго границы наномира не так просто. В литературе имеются десятки (если не сотни) определений предмета ведения нанонауки и нанотехники. Это говорит о том, что они переживают период становления и бурного развития. Так, на вопрос «Как бы Вы определили, что такое нанотехнология?» около 100 экспертов дали следующие ответы (Nanotechnology – size matters: building a successful nanotechnology company. A 3i white paper in association with the Economist Intelligence Unit and the Institute of Nanotechnology. London. 2002.):

Технология, которая имеет дело
с элементами не больше 100 нм – 45 %.
Технология, которая имеет дело
с субмикронными элементами – 17 %.
Технология, которая использует
новые законы физики – 5 %.
Технология, которая оперирует
материей на уровне отдельных атомов
и молекул – 23 %.

Другие ответы – 10 %.

Обобщая мнение большинства специалистов, нанонауку можно определить как совокупность знаний о структуре и особенностях поведения вещества в нанометровом масштабе размеров, а нанотехнологию и нанотехнику – как искусство создавать и использовать объекты и структуры с характерными размерами в диапазоне от атомарных до ~100 нм (хотя бы в одном из трех измерений).

Такое определение фактически утверждает, что «нановладения» занимают промежуточную область между миром отдельных атомов, управляемым квантовой механикой, и макромиром, хорошо описываемым в рамках различных континуальных теорий (упругости, гидродинамики, электродинамики и т. п.).

Место нанообъектов и наноструктур в шкале характерных размеров и времен оперирования показано на рис. 1. Из общих соображений и простых оценок вытекает, что с уменьшением R механическая и электрическая инерционность любого устройства падает, а его быстродействие – растет, что является одним из многочисленных достоинств нанотехники.

Громадную роль в приготовлении и использовании наноструктурированных объектов играют процессы самоорганизации вещества на атомно-молекулярном уровне, которые позволяют создавать уникальные изделия простыми средствами без отходов и загрязнения окружающей среды. Именно таким экономным способом Природа строит самые сложные организмы из простых молекул. Сейчас появилась возможность получать множество полезных продуктов в соответствии с этим принципом «снизу-вверх», вместо затратного традиционного «сверху-вниз», т. е. путем отсечения от больших заготовок лишнего материала.

Рис. 1. Место наноструктурированных объектов в пространственно-временной плоскости характерных параметров: λ – длина волны

Отметим, что поскольку в настоящее время общепринятые определения понятий «нанонаука», «нанотехника», «нанотехнология» еще не сформировались, отсутствуют и хорошо обоснованные классификации этих предметных областей. Карл Линней в своем знаменитом трактате «Система природы» (1735 г.) писал: «Предметы различаются и познаются при помощи их методического деления и подобающего наименования. А потому классификация и наименование составляют основу наших знаний». Не придавая столь серьезного и, тем более, решающего значения систематике, отметим все-таки, что нанодеятельность находится пока в «до-линнеевском» периоде развития. Это затрудняет ее изучение и преподавание как целостной дисциплины. Если продолжать параллель с биологией дальше, то следует сказать, что в любой систематике нанотехники должна быть заложена изрядная доза «ламаркизма», то есть по возможности учтена ее быстрая эволюция как в целом, так и в отдельных разделах.

В основу таксономии основных направлений развития нанотехнологии могут быть положены разные принципы и критерии:

функции и области применения нанопродуктов;
принципы действия разрабатываемых устройств;
собственно технологии их изготовления;
применяемые материалы;
уровни структурной иерархии, которые занимает та или иная нанопродукция;
характер эффектов, оказываемых на окружающую действительность (экономику, политику, социальную сферу).

Основные направления развития нанонауки и нанотехники показаны на рис. 2. Их фундаментальным базисом является физика, химия и молекулярная биология. Большую роль играет компьютерное моделирование наноструктур на основе квантовомеханических закономерностей поведения объектов, состоящих из счетного числа атомов или молекул.

Нанотехнологическая революция набирает темпы во всем мире. Сейчас трудно предвидеть все ее последствия, так же как 30–40 лет назад невозможно было предсказать все, что повлекла за собой тотальная информатизация общества – создание глобальной компьютерной сети Интернет, спутникового телевидения, мобильной связи и т. п. Однако все эксперты сходятся на том, что, скорее всего, эти последствия будут еще масштабнее и глубже, чем от информатизации. Умение использовать достижения новой науки и технологии, способность развивать ее – станут стратегическим преимуществом региона, страны. Примером комплексного

Рис. 2. Фундаментальные основы и области применения нанонауки и нанотехники

и системного подхода к развитию нанонаукии нанотехники может служить программа США «Национальная нанотехнологическая инициатива». В ней намечен широкий фронт не только естественно-научных и прикладных исследований, но и гуманитарных, связанных с освоением нанотехнологий и их взаимодействием с различными сферами общественной жизни. Регулярно проводятся конференции, семинары и рабочие встречи, посвященные обсуждению нанотехнологических аспектов нанореволюции.

Чего же можно ожидать от НТ в промышленных приложениях? По мнению участников междисциплинарного семинара, организованного Национальным научным Фондом США в 2000 г., нанотехнология позволит получить:

более эффективные компоненты для полупроводниковой техники, в частности, для больших интегральных схем (например, нанотрубчатые и макромолекулярные элементы);
более легкие и вместе с тем более прочные материалы;
более безопасные и эффективные транспортные средства (от автомобилей и поездов, до самолетов и космических аппаратов);
усовершенствованные фармацевтические средства и приемы их адресной доставки к пораженным органам;
дешевые и высококачественные фильтры для очистки воды и воздуха от промышленных загрязнений;
более эффективные преобразователи солнечной энергии в электрическую;
новые топливные элементы и водородные топливные системы для создания экологически чистых транспортных средств;
более стойкие полимерные композитные материалы;
биодеградируемые средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями, не дающие побочных эффектов;
наномасштабные сенсоры и системы детектирования загрязнений, болезнетворных субстанций и боевых отравляющих веществ, а также экспресс-диагностики, профилактики и лечения;
«умные» покрытия, придающие обычным материалам интеллектуальные свойства (самоочищающиеся и меняющие оптические характеристики окна, теплоотражающие панели и т. д.).

Что же может дать развитие нанотехнологии в социальном плане? Сотрудник института глобального прогнозирования (Institute For Global Future, USA) Дж. Кэнтон считает, что использование нанотехнологии приведет к следующим переменам в жизни общества.

Потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными и компактными, а вместе с тем и более дешевыми.
Медицинское обслуживание будет более доступным и эффективным. Появятся новые лекарственные препараты и диагностические средства. Нанобиотехнология сделает жизнь людей более здоровой и продолжительной.
Появятся связанные с Интернетом устройства, объединяющие функции телефона, телевизора и компьютера. Возникнет глобальная система связи, объединяющая всех, всегда и везде.
Мир окружающих вещей станет «интеллектуальным» за счет встраивания чипов во все предметы быта и производства (посуду, бумагу, ткани, инструменты, бытовые приборы и т. п.).
Общество станет более свободным и интеллектуальным.
Наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств.
Сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах. Е-бизнес (электронно-информационный) уступит лидирующие позиции NT-бизнесу (нанотехнологическому).
Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях, которая должна будет динамично реагировать на смену производственной парадигмы.

Вместе с тем растет и обеспокоенность общественности возможными непредсказуемыми последствиями нанореволюции.

В развитых странах Запада начали создаваться общественные организации, которые вырабатывают и суммируют отношения различных слоев и групп населения к бурному развитию нанотехнологии, т. е. учитывают и формируют общественное мнение независимо от решений правительственных и промышленных кругов. Так, в Великобритании в 2005 г. образовался общественный комитет, в который вошли представители Гринписа, Исследовательского центра политики, этики и наук о жизни при университете Ньюкасла, Кембриджского Междисциплинарного исследовательского нанотехнологического центра и 15 частных лиц, представляющих различные слои населения страны. После пятинедельных консультаций и обсуждений в формате «улицы с двухсторонним движением» было сформулировано 20 рекомендаций правительству, промышленности и общественности. Вот наиболее характерные из них:

Комитет должен определить ключевые (с точки зрения общественной значимости) направления развития нанотехнологии и финансировать независимые исследования, а также привлекать к этому частные фонды и спонсоров.
Необходима бóльшая открытость и гласность в финансировании и обнародовании результатов таких общественных исследований.
Независимые исследования за счет неправительственных и общественных организаций целесообразно сосредоточить в области медицины, здравоохранения и защиты окружающей среды.
Правительство должно сотрудничать с лидерами нанонауки и нанотехники, чтобы сделать ее достижения в области здравоохранения и медицины доступными для всех.
Правительство должно развивать и финансировать работы в области солнечной энергетики.
Наноиндустрия, которая создает новые рабочие места, должна поддерживаться всесторонне.
Вся нанопродукция должна специально тестироваться на предмет безопасности для человека и окружающей среды и иметь ясно различимые этикетки об этом.
Необходимы срочные меры по популяризации нанонауки и нанотехнологии во всех слоях общества, по повышению активности и опыта ученых, сообщающих о достижениях НТ в средствах массовой информации, и поощрению школьников к научной карьере в этой перспективной области.

Несмотря на всю свою мощь и почти беспредельные возможности совершенствовать мир окружающих нас вещей, нанотехника сама по себе вряд ли сможет сделать человечество счастливее без соразмерного развития духовной сферы. Во все времена технологии опережали философское осмысление последствий их развития. Половодье недорогих привлекательных бытовых товаров непрерывно обновляющегося ассортимента, которое НТ обещает устроить через несколько лет, имеет и оборотную сторону медали. Оно провоцирует усиление потребительских тенденций в обществе. Агрессивная и безудержная реклама разогревает спрос, не обусловленный реальными практическими потребностями людей.

Наконец, заметим, что постижение и создание новых знаний в наношкале – это еще и удовольствие, радость познания природы и ее универсальных законов применительно к новым задачам и объектам. Энергетика бурного развития и завораживающая красота многих наноструктурных объектов вызывает у многих знакомящихся с НТ чувство волнения и эстетического переживания. Пожелаем же нанотехнологии еще и способности зажечь искры творческого озарения в поколении молодых, обрести свою поэтику и эстетику, не связанную с коммерческими приложениями.

Таким образом, видно, что нанотенология оказывает и будет оказывать огромное влияние на все сферы деятельности человека. В связи с этим заметный интерес к нанотехнологии стал проявляться и в России. При большинстве ведущих вузов нашей страны (МГУ, Томский ГУ, Нижегородский ГУ, МИСиС, МИФИ, ЛЭТИ, МИЭТ, Белгородский ГУ и др.) открыты центры нанотехнологий и наноматериалов. Не стал исключением и Тамбовский государственный университет им. Г. Р. Державина. В рамках реализации инновационного проекта «Образование» на базе ТГУ организован центр «Нанотехнологии и наноматериалы». На материально-техническое оснащение центра из бюджета будет направленно 127 млн руб., 20 млн руб. внебюджетных средств выделяет ректорат ТГУ.

Центр нанотехнологий будет заниматься не только «чистой» и прикладной наукой, но и инновационно-образовательной деятельностью. Тематика фундаментальных разработок будет включать экспериментальное исследование и компьютерное моделирование фуллеренсодержащих материалов, тонких пленок и покрытий, высокоградиентных упрочненных слоев, новых функциональных материалов. Будут продолжены работы в области физики влияния слабых магнитных, электрических и радиационных полей на структурные дефекты атомарного и наноскопического масштаба, а через них – на комплекс физико-механических характеристик конструкционных и электронно-оптических функциональных материалов. Планируется организация новых научно-исследователь-ских подразделений. Для исследования быстропротекающих электронных процессов в наноструктурированных материалах планируется организовать лаборатории Радиоспектроскопии и Магнитно-резонансной спектроскопии, которые будут оснащены ЭПР-спектрометром фирмы Bruker. Для нужд лаборатории наноиндентирования будет закуплен уникальный наноиндентометр G 200 американской фирмы MTS, аналогов которому нет на территории стран СНГ. Исследованием структуры наноматериалов будут заниматься лаборатории Электронной микроскопии, Рентгеноструктурного анализа и Микроструктурного анализа. Для их оснащения планируется закупить растровый электронный микроскоп, атомно-силовые микроскопы, рентгеновский дифрактометр, рамановский спектрометр и др. Также для исследования в области нанотехнологий планируется организация лабораторий Механических свойств, Компьютерного моделирования и Малодозовых эффектов. Все сотрудники Центра в ближайшем будущем пройдут переподготовку в области НТ на базе ведущих Вузов страны (МГУ, МИСиС, ЛЭТИ, МИЭТ и др.). Надо заметить, что работа центра начнется не с «пустого места». На протяжении почти десяти лет на кафедре теоретической и экспериментальной физики ведутся исследования в области нанотехнологий. Основными направлениями этой деятельности является изучение явлений, возникающих при наноиндентировании, образование различных нанокластеров в кремнии при радиационном облучении, исследование фуллеренсодержащих материалов. Проекты по исследованию в данных направлениях были неоднократно финансово поддержаны РФФИ, Министерством образования РФ, ФЦП «Интеграция», ФЦП «Фуллерены и атомные кластеры» и др.

Основное направление прикладных разработок Центра – создание новых и совершенствование имеющихся оригинальных измерительных средств и комплексов для определения размеров и физико-механических свойств наномасштабных изделий и наноструктурных материалов. В частности, Центр планирует в 2007 г. довести опытные образцы бесконтактных лазерных измерителей размеров, наноиндентометров и многофункциональных нанотестеров для характеризации свойств приповерхностных слоев материалов до мелкосерийного производства. Также будут созданы системы контактного и бесконтактного контроля размеров изделий; комплексы фоторегистрации, захвата, оцифровки и анализа изображения изделий. Другим направлением деятельности Центра будет разработка и внедрение электро- и магнитостимулированных технологий, в частности использующие эффект малых доз и электропластические эффекты. Планируется развивать технологии наноструктурированных покрытий, полученных прогрессивным методом магнетронного распыления.

Важнейшей задачей центра является подготовка и переподготовка специалистов с высшем образованием в области нанотехнологий и наноматериалов, помощь молодым ученым в освоении и использовании НТ в научных разработках. Центр будет оказывать услуги по освоению и внедрению НТ на предприятиях региона, их последующему сопровождению и совершенствованию. На первом этапе необходимо создать среду инженерно-технических работников, администраторов, экономистов, которые будут компетентны в области НТ. В Центре создана уникальная электронная база данных по НТ, которая будет непрерывно расширятся и пополнятся. Планируется создание информационного портала по НТ.

Особо следует отметить, что нанотехнологии – это не просто набор сложных научно-технических задач, которые призваны решать ученые и инженеры для совершенствования традиционных продуктов и изобретения новых, и даже не новая парадигма индустриального производства. Это – общекультурный вызов обществу, которое стремится к быстрому инновационному развитию. Поэтому одновременно возникает потребность в комплексном социо-гуманитарном рассмотрении проблем нанотехнологической революции. Так, совершенно очевидно, что она приведет к изменению социальной стратификации общества, подходов к обучению, организации здравоохранения и защиты окружающей среды. Возникнут новые задачи в области укрепления обороноспособности и национальной безопасности, международного права, макроэкономики, этики и морали и др. Вместе с этим Центр заинтересован в активном сотрудничестве с различными научными, образовательными и промышленными организациями для осуществления совместной деятельности.

Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М., 2006
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М., 2005.
Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М., 2006.
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., 2005.
Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии / пер. с англ. под ред. Ю.И. Головина. М., 2004.
Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2003.
Альтман Ю. Военные нанотехнологии. М., 2006.
Springer Handbook of Nanotechnology (ed. by B. Bushan). Springer. 2004.
Handbook of Nanoscience, Engineering and Technology / ed. by W. A. Goddard et al. CRC Press, 2002.
Kohler M., Fritzsche W. Nanotechnology. An Introduction to Nanostructuring Techniques. Wiley-VCH Publication, 2004.
Wolf E.L. Nanophysics and Nanotechnology. An Introduction to Modern Concepts in Nanoscience. Wiley-VCH Publication, 2004.
Introduction to Nanoscale Science and Technology / еd. by M. Di Ventra et al. Kluwer Academic Publishers, 2004.
Nanoscale Science and Technology / ed. by R. Kelsall et. al. J. Wiley, A. Sons, 2005.
Mansoori G.A. Principles of Nanotechnology. World Scientific, 2005.
Nanometer Structures: Theory, Modeling, and Simulation / еd. by A. Lakhtakia. SPIE Press, 2004.
Nanoelectronics and Information Technology. Advanced Electronic Materials and Novel Devices / еd. by R. Waser. Wily-VCH, 2003.
www.nanonewsnet.ru
www.nanonewsnet.com
www.nano.Gov

Поступила в реакцию 5.07.2007 г.

1 Тема поддержана в рамках национального проекта «Образование» среди образовательных учреждений высшего профессионального образования, внедряющих инновационные образовательные программы в 2007–2008 гг.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 06-02-96316_р, № 06-08-01433, № 07-02-00906.

Blog

Нанотехнологии – на службу обществу1

Содержание