Нанотехнологии. Правда и вымысел

Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 году эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др.

Ученые установили, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшился на два порядка до значения ниже 0,001 (предела чувствительности измерительной установки) – можно считать, исчез совсем. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние.

Позднее в своей книге «Трение и мы» (1987) А. А. Силин пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10

см (1,0 нм. – Прим. автора), то есть порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения. Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации».

В 1973 году советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн более чем за десять лет до официального открытия команды Р. Смолли сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность.

Теоретическая возможность образования цилиндрических нанотрубок была предсказана в 1977 году советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании высказал Леонид Александрович Чернозатонский, что также значительно раньше их официального открытия.

Более того, в научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в начале 50-х годов прошлого столетия, но детально они изучены не были. Так, в 1952 году в «Журнале физической химии» была опубликована статья сотрудников Института физической химии РАН Леонида Викторовича Радушкевича и Всеволода Михайловича Лукьяновича «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте»[4 - ЖФХ, 1952. Т. 26, № 1. – С. 88–95-], в которой описаны нитевидные углеродные образования диаметром 50 нм, обнаруженные с использованием электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Углеродные трубчатые наноструктуры (увеличение в 20 000), полученные Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем

Анализируя полученные результаты, авторы работы сделали следующие выводы: «При исследовании структуры сажи, полученной из окиси углерода на железных контактах, было обнаружено, что сажа состоит из частиц сложного строения. Большинство частиц имеет вытянутую червеобразную форму с характерными окончаниями, свидетельствующими о направленности роста. Частицы, выращенные в некоторых случаях на отдельных крупинках железа в атмосфере окиси углерода, имеют правильную нитевидную форму с плотными окончаниями. В первой стадии в результате химической реакции взаимодействия СО с железом образуются нитевидные зародыши. Во второй стадии за счет образования на ней кристаллов графита протекает поперечный рост частиц. Окончательно выросшие частицы представляют собой продукт роста и деформации первичных частиц. Обнаружены необычные формы сдвоенных частиц, переплетенных между собой. Образование этих агрегатов протекает по особому механизму, детали которого ждут своего объяснения».

В это же время руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Первая отечественная нанотехнологическая установка в СССР, созданная под руководством Петра Николаевича Лускиновича, осуществляла направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Она заработала в 1987–1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта».

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Нобелевской премией в области физики Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера (Herbert Kromer) и Джека Килби (Jack St. Clair Kilby) за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз и базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким направлениям. Наиболее крупные из них – «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро– и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверх-микрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК– и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук – Отделение нанотехнологий и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал академик РАН Евгений Павлович Велихов, а его заместителем – академик РАН Ж. И. Алферов.

В 2008 году создана общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР). Президентом НОР на 2008–2009 годы избран академик РАН Юрий Дмитриевич Третьяков (МГУ).

Главная цель НОР – развитие творческой активности своих членов, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставит своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией NT-MDT (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физикотехнического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Co. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 4).

24 апреля 2007 года Правительством Российской Федерации утверждена «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года». Ее цель – создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети (ННС) для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В настоящее время также реализуется Федеральная адресная инвестиционная программа, программы РАН и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и ряд федеральных целевых программ Министерства образования и науки Российской Федерации, предусматривающих развитие различных специализированных направлений наноиндустрии.

Рис. 4. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием АСМ (2,0x30 нм)

Основные направления работ в области нанотехнологий – это федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007–2012 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы», «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы, а также «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Федеральное государственное учреждение Российский научный центр (РНЦ) «Курчатовский институт» назначен головной организацией по нескольким основным направлениям: «Нанобиотехнологии», «Наноэнергетика» и «Нанотехнологии ТЭК». Он также является профильной организацией по направлениям «Наноэлектроника», «Наноинженерия», «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», «Функциональные наноматериалы для энергетики», «Функциональные наноматериалы для космической техники», «Конструкционные наноматериалы», «Композитные наноматериалы», «Нанотехнологии для систем безопасности».

В настоящее время в мире в общей сложности выдано более 10 000 патентов на изобретения в области нанотехнологий. Более 2030 патентов зарегистрировано в России, но из них отечественными патентообладателями являются не более 30 человек.

Конечно, следует отметить, что огромное количество отечественных патентов и заявок на изобретения просто проходят по другим классам и поэтому не отнесены к нанотехнологиям. Не случайно Европейское патентное ведомство (European Patent Office, EPO) выступило с инициативой идентификации патентов по нанотехнологиям и присвоению им специального кода.

Можно сослаться на исследования японских ученых[5 - Игами М., Оказаки Т. Современное состояние сферы нанотехнологий: анализ патентов / Форсайт. № 3, 2008.], которые указывают, что «…отмечается активизация усилий стран БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай)» по темпам роста числа патентных заявок в сфере нанотехнологий.

В России накоплена обширная научная (теоретическая) база по нанотехнологиям. В мировом списке наиболее цитируемых работ в области нанотехнологий находятся труды более 50 российских ученых из 23 организаций. Из них чаще всего упоминаются именно научные коллективы нобелевского лауреата академика Ж. И. Алферова (ФТИ им. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р. З. Валиева (Уфимский авиационный институт). По данным Lux Research, в 2005 году на Россию приходилось около 5 % всего объема публикаций по нанопроблематике, и наши авторы занимали девятую позицию, вслед за США, Японией, Китаем, Германией, Южной Кореей, Францией, Великобританией и Италией.

Однако отечественные ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов не могут развивать свои исследования и внедрять их в производство.

Не мудрено, что многие из них для продолжения исследований и внедрения научных разработок уезжают в страны, где материальные возможности для их реализации значительно выше.

Аналогичная ситуация складывается и с сотрудниками Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), где на каждом шагу слышна русская речь.

Для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов по созданию перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех», с 20 августа 2008 года – «РОСНАНО»). В ее уставной капитал государством направлены огромные для российской науки средства – 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах.

Корпорация является некоммерческой организацией и действует в целях содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, а также их внедрения в производство и сферу услуг.

В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вицепремьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом “нанотехнологии” – это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологии. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить.».

Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство не будет выделять деньги. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов.

«РОСНАНО» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Приоритетные направления инвестирования выбираются на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «РОСНАНО», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования. Они разработаны одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским.

На конец сентября 2009 года, по заявлению главы ГК «РОСНАНО» Анатолия Чубайса, на конференции, посвященной итогам двухлетней работы корпорации, на рассмотрении в «РОСНАНО» находится более 1200 проектных заявок с общим бюджетом 1452,7 млрд рублей, в том числе с долей корпорации 928,5 млрд рублей. Всего одобрено 36 проектов (из них – 32 производственных), и продолжается процесс по экспертному отбору пяти заявок ежемесячно. Общий объем инвестиций по этим проектам составил почти 94 млрд рублей, из них более половины средств (52,4 млрд рублей) уже внесено корпорацией. На рассмотрение поступили также восемь проектов от зарубежных заявителей.

В 2009 году ГК «РОСНАНО» было запланировано инвестировать в проекты в сфере нанотехнологий 30,3 млрд руб. Всего в 2009 году «РОСНАНО» планировала отобрать 50 проектов, прошедших квалифицированную многоуровневую экспертизу. Большая часть из них будет профинансирована в 2010 году.

Только от реализации данных проектов к 2015 году будет получено 155 млрд рублей выручки, а объем всей отечественной наноиндустрии, по планам главы «РОСНАНО», достигнет 900 млрд рублей.

Основными направлениями инвестиционной деятельности «РОСНАНО» являются следующие отрасли:

• солнечная энергетика и энергоснабжение;

• наноструктурированные материалы;

• медицина и биотехнологии;

• машиностроение и металлообработка;

• опто– и наноэлектроника;

• развитие нанотехнологической инфраструктуры.

«РОСНАНО» вкладывает значительные средства – около 3.3 млрд рублей – в четыре проекта по созданию композитных материалов (в том числе различные сверхвысокомолекулярные волокна) для аэрокосмической техники. В 2015 году объем реализации этой продукции достигнет 21,7 млрд рублей.