ТЕМА НОМЕРА. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ РОССИЯ
"КТО ВИНОВАТ?" И "ЧТО ДЕЛАТЬ?" В РОССИИ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

В.Ф. Петрунин, заведующий отраслевой лабораторией Росатома, академик РАЕН, доктор физико-математических наук

«Мы ничего не знаем о нанотехнологиях, но давайте поверим А.А. Фурсенко», – слова Председателя Правительства Российской Федерации, произнесенные при обсуждении представленного министром образования и науки проекта программы работ по нанотехнологиям (НТ), вызвали двойственные чувства. С одной стороны, сожаление, что уважаемые «власть имущие» члены правительства до сих пор не знают об огромных возможностях основы нового этапа наступающей научно-технической, экономической и социальной революции XXI века, а, с другой стороны, чувство благодарности, что члены правительства все же одобрили предложенный проект и решили, доработав Федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ», принять ее на 2007-2010 гг. Будут еще разделы по нанотехнологиям и наноматериалам в формируемых на 2007-2011 и 2007-2012 гг. других федеральных программах.

Хочу сказать Михаилу Владимировичу Фрадкову и другим членам правительства, что они в этот раз не ошиблись и что государственную поддержку нанотехнологиям надо было оказывать намного раньше. Как научный работник, занимающийся этой проблемой более 30 лет, позволю себе описать состояние дел в нашей стране и что, на мой взгляд, надо делать, чтобы Россия, развивая нанотехнологии «как лучше», а не «как всегда», смогла сохранить и укрепить свое место в числе ведущих стран «восьмерки».
Нанотехнологии – это не только еще один новый класс технологий, основанных на очередном этапе в миниатюризации (до 0,1 мкм = 100 нм и менее) используемых структурных элементов материалов и устройств. Они подразумевают способность создавать и контролировать материалы и устройства на недосягаемом ранее молекулярном и атомном уровне. Причем создаваемые элементы нанометрового масштаба обладают особыми специфическими свойствами благодаря соизмеримости с одной или несколькими фундаментальными физическими величинами, определяющими свойства материалов. Например, в наноструктурных материалах не может быть микродефектов, от которых во многом зависит прочность материалов, так как элементы наноструктуры меньше микрона. Поэтому в наноструктурном состоянии материалы существенно прочнее, чем в обычном крупнокристаллическом. При этом следует отметить, что повышение прочности и твердости материалов при переходе в наноструктурное состояние сочетается с ростом пластичности, в противоположность появлению хрупкости в традиционном кристаллическом состоянии.
Изменение электрических, магнитных, термических, оптических, химических, биологических и других свойств создает стимул для разработки нового типа технологий – нанотехнологий, основанных на изготовлении и использовании наноструктурных материалов. Получение функциональных наноструктур с заданными свойствами (а также синтез и обработка наночастиц, самосоздаваемая и репликационная техники, образование наноструктурных металлических сплавов, использование квантовых дефектов, создание химических и биологических шаблонов и сенсоров, модификация поверхности) могут внести революционные изменения почти во все области деятельности человечества. Этот всеохватывающий спектр применения нанотехнологий позволяет отнести их к «ключевым» технологиям, которые определяют уровень развития не только других технологий, но и других видов жизнедеятельности человека. Если просмотреть за последние 100-150 лет историю нашей цивилизации, то к ряду сменяющих постепенно друг друга «ключевых» технологий можно отнести: легкую промышленность, тяжелую индустрию, ядерно-космические технологии, компьютерно-информационные и биотехнологии. И в ближайшие 10-20 лет «ключевыми» станут нанотехнологии.
Для эффективного использования имеющихся ресурсов и скорейшего внедрения нанотехнологий США, Япония, Германия, Швеция, Франция, Китай и многие другие страны в конце ХХ – начале XXI столетия приняли национальные программы. Президент США Б. Клинтон, убеждая конгрессменов выделить значительные средства на разработку нанотехнологий, привел три примера их уникальных возможностей создать: устройство размером с кусочек сахара для хранения информации по объему больше библиотеки конгресса США, сталь тверже алмаза и нано-лекарство, которое будет воздействовать только на больные участки органов человека. И добавил, что развивать нанотехнологии в Америке необходимо, чтобы остаться единственной супердержавой XXI века. Программа США «Национальная нанотехнологическая инициатива» с объемом финансирования в 2001 г. – 464 млн долл., а в 2006 г. – 1130 млн долл.) имеет следующие приоритетные области работ: долговременные фундаментальные исследования в нанонауке и технике; синтез и разработка наносистем с заданными характеристиками; исследования в области концепций наноустройств и архитектуры наносистем; применение наноматериалов и систем к промышленному производству, силовым установкам, энергетике, национальной безопасности и здравохранению; образование и обучение нового поколения специалистов, необходимых для быстрого прогресса в нанонауке и НТ.
Общий объем принятых к настоящему времени национальных программ в мире оценивается примерно в 10 млрд долл. Государственная поддержка наномасштабных исследований создает базу для производства и вызывает коммерческий интерес, наноматериалы в последние годы уже стали объектом рынка. Производство нанопорошков как товарной продукции достигло к 2005 г. объема 4300 млн долл., при этом лидерами на рынке являются США (43%), Япония (20%) и Германия (16%). Основными областями их потребления являются: электроника, оптоэлектроника и магнитные изделия (67% общего объема производства), фармакология, косметика и биомедицица (19,7%), производство катализаторов и сорбентов (12,7%).
Из-за неравновесного характера наноструктурного состояния материалов НТ находятся пока в начальной стадии. Их разработку и промышленное освоение в экономике можно разделить по срокам решения на короткие (3-5 лет), средние (5-10 лет) и длительные (более 20 лет), а по техническому уровню и объему материальных затрат – на высокие, очень высокие и сверхвысокие.
Широкомасштабное использование результатов применения НТ может наступить не раньше, чем через 10 лет. Прогноз советника Президента США по нанотехнологиям М. Роко предполагает, что общемировой рынок НТ достигнет в ближайшие 8-10 лет объема в 1 триллион долларов США ежегодно. При этом основными областями их применения станут следующие: производство наноматериалов с уникальными свойствами и функциями (оценка их рынка составляет около 340 млрд долл.); электроника (300 млрд долл. составит производство полупроводников и столько же – интегральных схем); здравоохранение для продления жизни и улучшения качества здоровья; фармацевтика (с эффектом выше 180 млрд долл.); химическое оборудование (в 100 млрд долл. оценивается применение эффективного наноструктурного катализа в нефтяной и химической промышленности); транспорт (только для аэрокосмической продукции около 70 млрд долл. в год, а еще наноматериалы сделают более прочными, надежными и финансово-эффективными дороги, мосты, взлетно-посадочные полосы, трубопроводы и рельсы); жизнеобеспечение (100 млрд долл.) для повышения урожая сельскохозяйственных культур, очень важном при увеличивающемся народонаселении, очистки питьевой воды, возобновляемых источников энергии и т.д.
В нашей стране наноразмерные материалы начали разрабатываться и были успешно использованы еще в 50-е годы ХХ в., при решении проблем «уранового проекта». В бывшем Минсредмаше СССР было налажено производство, позволившее достичь большого экономического эффекта, который был отмечен Ленинской премией. В открытом (гражданском) варианте научно-техническое направление под названием «Ультрадисперсные системы» оформилось в нашей стране в 1979 г. созданием специальной секции координационного Совета при АН СССР (И.Д. Морохов, Л.И. Трусов, В.Ф. Петрунин) и успешно развивалось до 1992 г., однако менее успешно – позже. После распада СССР в РАН были взяты не все советы и российские ученые организовали на общественных началах Российский комитет «Ультрадисперсные (нано-) материалы» (В.Ф. Петрунин), который продолжает координационную работу до сих пор. Этими организациями проведено три всесоюзных и четыре всероссийских конференции, более 30 семинаров, благодаря которым сформировалось научное сообщество наноматериаловедов и нанотехнологов. Сейчас из 2 тысяч специалистов в этой сфере, которые были у нас перед распадом СССР, около 500 еще работают в России, а более 100 работают за рубежом, в том числе в США, Японии и странах ЕС, что говорит об их высоком уровне.
Российские ученые в 80-е гг. выполнили очень большой объем исследований особенностей ультрадисперсных (нано-) материалов. Еще в 1981 г. они были определены не просто по геометрическому размеру (меньше 100 нм), как это общепринято, а и по их соизмеримости с характерными физическими величинами. Установлены главные причины особенностей свойств ультрадисперсных (нано-) материалов: ограничение действия законов классической физики из-за малого размера, значительный рост удельной поверхностной энергии и экстремальные условия синтеза. Показано, что по критерию, предложенному Л.Д. Ландау,  – по функции атомного распределения – наноматериалы занимают промежуточное положение между кристаллами и аморфными веществами. Была создана фундаментальная научная основа для нанотехнологий.
Кроме того, были разработаны более 20 способов получения наноматериалов. Их можно разделить на физические и химические. К первым относятся механическое измельчение, распыление, конденсация из газовой фазы или из плазмы, электродуговое измельчение, лазерное облучение, СВЧ-обработка, электровзрыв (проволоки), поатомная сборка, самосборка и др. Ко вторым – разложение солей, осаждение растворов, химические реакции при пониженных температурах, водородное восстановление металлов из оксидов, химический взрыв, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, химические реакции в газовом или плазменном состоянии. Часть из них представляет собой уменьшение кристаллитов («сверху – вниз»), часть является синтезом из атомов и молекул («снизу – вверх»).
Подтвердила высокий приоритетный уровень достижений российских ученых в дореформенные годы и конференция (школа) НАТО, проведенная в 1997 г. в С.-Петербурге. Высокую оценку российских разработок, как свое отставание, натовские ученые из США использовали в качестве обоснования финансирования и формирования своей национальной программы. Они смогли убедить руководство страны в стратегической важности работ по нанотехнологиям. Российским же ученым в 90-е годы удалось сформировать только две отраслевые программы в Министерстве высшего образования и в Министерстве атомной энергии, причем обе с незначительными объемами финансирования, т.е. работы в области наноматериалов и нанотехнологий продолжали основываться, в основном, на энтузиазме.
И все же российскими специалистами было разработано много конкретных применений наноматериалов. Например, для атомной энергетики показано, что добавки ультрадисперсных порошков позволяют усовершенствовать технологию получения топливных таблеток на основе диоксида урана (снизить температуру спекания, увеличить размер зерна, причем не на проценты, а в разы). Разработаны нанофильтры для очистки жидких радиоактивных отходов, которые могут быть применены для очистки других биологически вредных, а также наноразмерных примесей. Очень интересна разработка нанокраски для защиты от подделки ценных бумаг, упаковки и документов, по технологиям, которые на сегодня лучшие в мире. Очень перспективный материал – разработанный в атомной энергетике ультрадисперсный высокопористый бериллий для рентгеновских аппаратов физического и медицинского назначения. На основе наноструктурных материалов разработана тонкослойная защита от паразитного электромагнитного излучения мобильных телефонов и микроволновых печей. Эта технология прошла испытания, имеет патент и сейчас необходимо доработать ее до промышленного производства. К сожалению, в России не производят мобильные телефоны, а только собираются.
Но без необходимой значительной поддержки со стороны федеральных органов уровень российских разработок стал снижаться. Исследования и разработки в области нанотехнологий сейчас активно развиваются более чем в 50 странах. По уровню их состояния с учетом публикаций, научного потенциала, реализации достижений и масштабов финансирования известная аналитическая фирма «Lux Research Inc.» выделила 14 ведущих стран, разделив их на 4 группы и снабдив эти группы соответствующими определениями:
США, Япония, Южная Корея и ФРГ (доминирующие лидеры);
Тайвань, Израиль и Сингапур («игроки ниши» – небольшие по населению и территории страны, но активно развивающие нанотехнологии);
Великобритания и Франция («замок слоновой кости» – страны с высоким научным потенциалом, но со скромной реализацией достижений);
Китай, Канада, Австралия, Россия и Индия (низшая лига).
Количество статей, фиксируемых Институтом научной информации США в Science Citation Index (SCI), в 2005 г. составило примерно 40.000 (т.е. ежедневно появляется более 100 публикаций), в мире печатается 45 специализированных журналов, содержание которых практически целиком или преимущественно посвящено нанопроблематике. На русском языке издается только 4 журнала: Нано- и микросистемная техника (Россия); Наноструктурное материаловедение (Украина); Нанотехника (Россия); Русские нанотехнологии (Россия, с 2006 г.). США, Япония и ФРГ лидируют и в патентной информации; в средней группе, кроме Франции, Южной Кореи, Великобритании, Тайваня и Израиля, Канада и Нидерланды. Россия в рейтинге стран по публикациям занимает 8-е место и по-прежнему уступает многим странам в области патентов.
Конечно, «лучше поздно, чем никогда». Правительство РФ в конце 2004 г. одобрило Концепцию развития в России работ в области нанотехнологий до 2010 г. В ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» создан специальный раздел с объемом финансирования НИОКР в сфере нанотехнологий 2,1 млрд руб. в 2005 г. и 2,8 млрд руб. в 2006 г. На 2007 г., по данным Министра образования и науки А. Фурсенко, запланировано, видимо по формируемой новой ФЦНТП с тем же названием, около 5 млрд руб., а с 2008 г. ежегодный прирост составит 25-30%. Если учесть, что одновременно в Минпромэнерго России формируется новая ФЦП «Национальная технологическая база», где предусмотрено направление «Технологии наноматериалов и наносистем», то можно считать, что государственная поддержка развитию нанотехнологий в России теперь будет оказываться в значительных, хотя и в меньших чем во многих нано-странах, масштабах.
Лишь бы не «получилось как всегда». Для разработки и освоения нанотехнологий, отличающихся от освоенных ранее повышенной «наукоемкостью» и затратностью (времени и денег), необходимы не просто квалифицированные специалисты, а с опытом работы именно в этой области. Пока это не делается. При проведении конкурсов в 2005-2006 гг. на получение финансирования по вышеупомянутой ФЦНТП не учитывался такой общепринятый показатель, как количество публикаций по тематике конкурсного лота, но, вероятно, хорошо учитывались ученые звания и должности. Члены Российского комитета «Ультрадисперсные (нано-) материалы» слабо привлекались к определению конкурсной тематики, а созданный Минобрнауки России межведомственный совет состоит, в основном, из административных руководителей да и собирался с большой задержкой, когда все принципиальные вопросы были решены. В результате очень многие научные коллективы с большим заделом (с советских времен) результатов и с готовой методической базой не получили финансирования, а некоторые получили возможность начать с нуля «догонять Америку». Не было пока сделано попыток пригласить вернуться в Россию наших коллег, работающих на нанотехнологические программы других стран.
Для инновационного пути развития России разработка и применение нанотехнологий предоставляют шанс создать современную экономику, поднять уровень жизни населения и остаться великой державой в XXI веке. Надо использовать этот шанс по-умному. Возглавить работы по нанотехнологиям должно, по аналогии с Японией, США и ЕС, Правительство или даже Президент России. Тогда можно будет рассчитывать и на частный капитал. Или, как сказал М. Фрадков: «Если бизнес не пойдет в нанотехнологии, он пропустит все на свете и будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине, которой будут управлять и обслуживать наши друзья и партнеры».