метрологическое обеспечение - Развитие инфраструктуры
advertisement
1 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОПРОДУКЦИИ (Аналитический обзор) Ростехрегулирование ноябрь – 2007 г. 2 СОДЕРЖАНИЕ 1 ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………... 3 2 СОСТОЯНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОПРОДУКЦИИ………….. 3 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ………………………………….. 4 СТАНДАРТИЗАЦИЯ……………………………………………………….. 5 ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ…… 39 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………… 45 3 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, электроннооптические 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, значительные экономические и социальные выгоды. которые сулят 4 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 премьерминистре 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 инвестировано в в 2005 г. компаниями нанотехнологию не менее 3,8 и фирмами было При этом млрд. американские компании инвестировали 1,7 млрд., азиатские - 1,4 млрд., европейские – 650 млн. нанотехнологию, Суммарные расходы включая правительственные в 2005 г. инвестиции, на средства компаний и фирм, а также вложения капитала с риском, оцениваются в 8,6 млрд.; • Тайване в США, Японии, Европейском Сообществе, Китае, Корее, на и в Великобритании состояния исследований и развития нанотехнологии в течение прошедших 5 лет были главным объектом внимания общественности. 5 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 Итого: 905 млн.руб. 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. 6 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 продуктов и в четыре процессов: наноструктуры, различных параллельных пассивные наносистемы с разновидности наноструктуры, трехмерными активные 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 7 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 повышающие и внедряют эффективность новые организационные преобразования конкурентоспособный рыночный продукт. научного механизмы, результата в 8 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 исследований, институтов, работающих метрологии, в стандартизации области и промышленных 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 оборудования, 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 результатов. работ направленных на коммерциализацию научных 9 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. координируют междисциплинарные проекты. Центры связи 10 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, метрологическому 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"), 11 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. 12 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). 13 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 14 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 используются По наноинструменты, инструментарием визуального препараты. и программным представления, всей производственной которые являются обеспечением, моделирования и цепочке техническим применяемым для 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 15 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. 16 6 Эксперты прогнозируют два сценария развития нанотехнологий «оптимистический» и «пессимистический». Однако, даже «пессимистический» 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. 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Для успешного развития нанотехнологий, наноиндустрии и нанорынка одним из важнейших обеспечивающих направлений является метрологическое обеспечение. История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы методов и средств измерений. Переход к нанотехнологиям ставит перед наукой и техникой ряд новых специфических задач , обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеет дело нанотехнологии. При этом, как никогда, актуален тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать». Специфика нанотехнологий привела к созданию и развитию нового направления в метрологии, с которым связаны все теоретические и практические аспекты обеспечения требуемой точности и единства измерений в нанотехнологиях. В метрологическом обеспечении нуждаются как сам технологический процесс создания перемещениями новых атомов, наноструктур, молекул или основанный на молекулярных управлении систем в пространственных областях длин нанометрового диапазона, так и измерения параметров создаваемых наноустройств, а также характеристик материалов 17 со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами. Особую задачу представляют съем и обработка измерительной информации с устройств столь малых размеров, обеспечение достоверности и метрологической надежности измерений, выполняемых при этом. Следует отметить, что измерения и контроль некоторых параметров технологических процессов в области нанотехнологий и применения наноустройств, а также характеристик материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами, создаваемых в результате промышленного применения нанотехнологий, во многих случаях осуществляется в характеристики и материалов, рамках обычной возможности создаваемых в метрологии. изделий результате Однако наноиндустрии применения и новые свойства нанотехнологий, предъявляют особые требования к применяемым средствам измерений и их метрологическому обеспечению. Эти средства измерений должны обладать новыми функциональными возможностями, расширенными диапазонами измерений и повышенной точностью, что ужесточает требования к уровню обеспечения единства измерений в стране. В первую очередь это относится к точности, диапазонам измерений и функциональным возможностям первичных эталонов и обусловливает необходимость их направленного совершенствования, а также, возможно, и создания для России новых, исходных эталонов. Понятно, что решение проблем метрологического обеспечения нанотехнологий не ограничивается совершенствованием эталонов, требуется модернизация существующего и создание более современного, отвечающего новым задачам поверочного оборудования, а также разработка нормативных документов на методы и средства поверки средств измерений, применяемых в наноиндустрии и других областях использования нанотехнологий, на методики выполнения измерений в связи с развитием нанотехнологий. Насколько существенно повышение метрологических требований при переходе к наноразмерам можно проиллюстрировать на примере 18 полупроводниковой микроэлектроники при ее развитии «сверху – вниз» в направлении наноэлектроники. Метрология – ключевое звено для полупроводниковой промышленности и будет оставаться таковым для будущих полупроводниковых приборов до тех пор, пока поколений размеры элементов полупроводниковых структур будут уменьшаться. В логических схемах и микропроцессорах уже приближаются к созданию структур атомарных размеров. В ближайшем будущем длина затвора транзисторов будет приближаться к 25 нм или даже меньше. Такой затвор меньше ширины 5 элементарных ячеек. Это и является нанотехнологией, требующей точной нанометрологии. Для многих компаний уже становится абсолютно очевидными проблемы связанные с уровнем точности, требуемой для нанометрологии. Международная организация International SEMATECH, спонсорами которой являются: Ассоциация полупроводниковой промышленности США (Semiconductor Industry Association), Европейская ассоциация электронных компонент (European Electronic Component Association), Accoциация электронной промышленности Японии (Electronic Industries Association of Japan), Ассоциация электронной промышленности Кореи (Korea Electronic Industries Association) и Ассоциация электронной промышленности Тайваня (Taiwan Electronic Industries Association), разработала маршрутную карту ITRS изменения метрологических требований по мере уменьшения критических размеров полупроводниковых элементов. Данная маршрутная карта приведена на рисунке 3. 19 Рисунок 3 Маршрутная карта ITRS. Некоторые из технологических узловых пунктов, находящихся при 100 нм или ниже 100 нм2, не имеют пока очевидных решений, и в настоящее время выполняется работа в области нанометрологии для того, чтобы найти эти решения. Метрологическая программа нано-метрового диапазона Национального института стандартов и технологий CIF (NIST) нацелена на решение некоторых из указанных задач, которые находятся в рамках компетенции NIST. Влияние и результаты использования точных эталонов на полупроводниковую индустрию были проанализированы, когда мировая продажа фотошаблонов составила около 375 млн долл. в год. Использование точного эталона NIST для ширины линии позволило промышленности сэкономить в год до 30 млн долл. С тех пор как было выполнено указанное 20 первоначальное исследование, в 2001 г. рынок фотошаблонов возросло до величины, которая оценивается в 2 млрд долл. В течение ряда лет NIST ввел серию более точных эталонов ширины линии, и в настоящее время готовится к выпуску новый эталон. Экспертные оценки показывают, что на метрологическое обеспечение развития микроэлектроники в направлении наноэлектроники в США ежегодно тратиться более 4.0 млрд. долларов. Фирмой Energetics, Inc по заказу NIST был подготовлен следующий перечень основных «метрологических барьеров» на пути нанотехнологических инноваций: • Отсутствие достаточного количества измерительных преобразова- телей и устройств, предназначенных для: - обнаружения и последующего лечения заболеваний, вызванных инфекциями и нарушениями питания, включая авитаминоз; - решения задач в области здравоохранения; - выявления и прослеживания развития патогенных микроорганизмов в пищевых и сельскохозяйственных продуктах и культурах; - использования в наносепараторах и нанобиореакторах; - обеспечения безопасности для здоровья человека пищевых продуктов; - количественного описания влияния окружающей среды и деградации почв; - создания предохраняющих от загрязнений наноповерхностей (например, при упаковке продуктов). • Необходимость обеспечения широкого диапазона измерений, связанных с исследованиями, описаниями свойств, синтезом новых наноматериалов, а именно, с: - описанием и разработкой путей, методик и средств измерений свойств наноматериалов; - разработкой путей развития инфраструктуры; - разработкой национальных стандартов 21 международных и соглашений, касающихся синтеза и анализа наноматериалов; - созданием строгой и четкой системой практической метрологии в промышленности; -разработкой зондов и измерительных головок для выполнения измерений и моделирования в процессе синтеза наноматериалов; - измерениями воздействий наноматериалов на окружающую среду, здоровье и безопасность людей. • Потребность в разработке системы метрологического обеспечения процессов создания наноструктур в качестве оптимизированных переносчиков энергии. • Потребность в системе метрологического обеспечения (включая терминологию, теорию, отображение информации и формирование изображений, моделирование), позволяющей использовать наноструктуры и принципы их функционирования при компоновке новых наноматериалов, предназначенных для использования в энергетике (перенос массы и энергии, регистрация данных, преобразование, производство). • Потребность в разработке системы метрологического обеспечения и соответствующей инфраструктуры, адаптированной применительно к специфике синтеза наноматериалов для специальных применений в энергетике (например, при создании углеродных нанотрубок для хранилищ водорода). • Необходимость описания свойств наноразмерных цеолитов и наноструктур, применяемых в катализаторах химических процессов при контроле состояния окружающей среды. • Потребность в разработке системы метрологического обеспечения, необходимой для синтеза технологии изготовления диспергированных суспензий наночастиц без абсорбирующих добавок. • Потребность в метрологическом обеспечении новых нанопреобразователей и других технических средств для обнаружения 22 химических, биологических, радиологических и взрывоопасных веществ и материалов; наноматериалов для усовершенствования защитной одежды и фильтров, а также средств защиты от нападений. Для преодоления данных барьеров национальные метрологические институты стран, направлениями, с наиболее создают развитыми специальные нанотехнологическими научно-исследовательские лаборатории, оснащенные современными средствами измерений, зачастую совмещенными с соответствующим технологическим оборудованием. Наиболее известны подразделения метрологии соизмерен] рационального института стандартов и технологии - "N1ST (США), Национальной физической лаборатории - NPL (Великобритания), Физикотехнического института - РТВ (Германия), Национального метрологического института - LNE (Франция). Оснащение данных лабораторий включает в себя ряд приборов, позволяющих проводить измерения физических величин в нанометровом диапазоне. К ним относятся сканирующие электронные микроскопы (СЭМ), просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ), сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)» атомно-силовые микроскопы (АСМ), микроскопы ближнего поля, конфокальные микроскопы, интерференционные микроскопы и ряд других приборов обеспечивающих наивысшее разрешение по измеряемым физическим величинам при нанометровых размерах исследуемого объекта. Однако, в процессе исследований различных наноструктур возникло понимание, что для решения задач обеспечения единства измерений параметров наноструктур данной приборной базы недостаточно. Возникла необходимость значительно повысить точность измерений и увеличить количество измеряемых параметров. 23 Рисунок 4 - Эталонный манометрический комплекс национального метрологического института Франции (LNE) на основе АСМ. Измерительный объем 300 х 300 мм х 50 мкм. Для обеспечения высокий точности измерений прибор размещается в помещении с высоким уровнем обеспыливания и термостабилизации. Применяются специальные меры по защите от вибраций и акустических воздействий. Поскольку пока не разработано приборов, основанных на новых физических принципах, повышение точности приборов приведенных выше достигается за счет увеличения стабильности параметров окружающей среды, обеспыливания, всесторонней защиты от различных внешних воздействий (рисунок 4). Получение информации о различных физических параметрах нанообъекта во многих случаях может быть достигнуто только путем одновременного измерения ряда физических параметров. Поскольку при переносе объекта от одного прибора к другому ряд его свойства могут существенно измениться. Это привело к созданию комбинированных приборов, позволяющих, например, без выноса образца в атмосферу исследовать один и тот же участок образца методами сканирующей электронной микроскопии, атомносиловой микроскопии, ближнепольной дифрактометрии, поляриметрии и т.д. оптической микроскопии, 24 Приборы подобного типа разработаны и используются в Национальной физической лаборатории. Например, оптико-рентгеновский интерферометр и атомно-силовой микроскоп в комбинации с рентгеновским интерферометром. Ввиду того, что появляется большое количество наноструктурированных материалов с новыми свойствами, количество нормируемых параметров, требующих проведения измерений постоянно возрастает. Также возникает необходимость создавать стандартные образцы новых наноструктурированных материалов и аттестовывать их. Поэтому для создания и исследования новых свойств нанострукутрированных материалов необходимо иметь возможность проводить изготовление таких материалов, а также оказывать на них различные воздействия в процессе измерений. Этим требованиям соответствует измерительно-технологическая установка высшей точности для создания и исследования нанострукутур, созданная в NIST (США). Данная установка считается одном из наиболее совершенных инструментов для исследований наноструктурированных материалов (рисунок 5). Для повышения достоверности регистрации параметров нанобъекта его исследование осуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляется с помощью специального робота в сверхвысоком вакууме. Это позволяет, например, в течение нескольких часов исследовать свойства поверхности свободной от газового монослоя. Аналогом данной установки является отечественный измерительнотехнологический комплекс «Нанофаб», разработанный компанией «НТМДТ» (г. Зеленоград) (рисунок 6). Однако, к настоящему времени нет подтвержденных данных о реальных характеристиках и практических возможностях данного комплекса. 25 Рисунок 5 - Установка для создания и исследования наноструктур (NIST, США) включает в себя: - сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) при сверхвысоком - вакууме и высокоточном контроле температур -270 до -150 С; - сверхпроводящий магнит создающий поле до 10 Т в области зонда; - систему молекулярно-пучковой эпитаксии; - систему приготовления образцов игольчатого типа для исследования на СТМ; - систему транспорта образцов в сверхвысоком вакууме; уникальную систему защиты от внешних физических полей. Рисунок 6 - Измерительно-технологическая установка «Нанофаб» обеспечивает создание и измерение образцов в сверхвысоком вакууме с применением методов: МПЭ; фокусированного ионного пучка (ФИП); АСМ; возможностью наращивания аналитического оборудования и кластерного конфигурирования. 26 Исследование аппаратурного обеспечения наноизмерений ведущих метрологических центров мира позволяет сформулировать ряд принципов, которые должны быть положены в основу создания измерительнотехнологического комплекса для обеспечения единства измерений параметров наноструктурированных объектов и материалов. 1 Повышение точности измерений эталонных установок за счет снижения воздействий внешних шумовых полей на прибор путем экранирования внешних полей и стабилизации параметров окружающей среды. 2 Повышение точности измерения параметров нанобъектов за счет снижения воздействия окружающей среды на нанообъект путем транспорта его в вакууме и снижения времени между созданием нанообъекта и регистрацией его параметров. 3 Получение информации о свойствах наноструктурированных материалов путем одновременного проведения комбинированных измерений, основанных на различных физических принципах, а также оказания различных видов воздействий в процессе проведения измерений. 4 Для исследования новых свойств наноструктурированных материалов, а также моделирования и создания различных стандартных образцов свойств, состава и структуры в комплекс должны входить установки, позволяющие проводить оперативное изготовление таких образцов. Исследование рынка современных приборов и оборудования показало, что в области нанотехнологий имеется весьма незначительное количество коммерчески доступных образцов уникальных многофункциональных установок. Одной из немногих коммерческих доступных установок, позволяющих проводить создание и манипуляции с нанострукутрами, а также измерение их параметров методами СЭМ и различными видами структурного анализа является установка фирмы Карл Цейсе (Германия) Cross Beam 1540 (рисунок 7). 27 Рисунок 7 - Установка Cross Beam 1540 - уникальный комплекс создания и исследования нанообъектов. Установка Cross Beam 1540 оснащена двумя электромагнитными колоннами, обеспечивающими подачу на образец сфокусированного электронного и ионного пучков. Электронный пучок используется для наблюдения структуры образца, ионный пучок используется для создания и обработки образца. В электронном пучке достигается разрешение - 0,8 нм. Установка оснащена детекторами позволяющими с высокий разрешением и контрастом наблюдать наноструктуру образца и следовать его состав. В их число входят: - детектор отраженных электронов с селекцией по углу и по энергии; - детектор вторичные электроны; - детектор для работы в просвечивающем режиме; - анализ катодолюминесценции; - рентгеновский энергодисперсионный спектрометр; - квадрупольный масс-спектрометр. 28 Установка CrossBeam 1540 штатно оснащена системой подачи в область ионного луча поочередно пяти газовых смесей и позволяет наносить вольфрам, углерод, платину, золото, а также дифторид ксенона. Ионный пучок установки CrossBeam 1540 позволяет осуществлять ионно-лучевое травление образца, которое используется в различных исследовательских целях, а также при конструировании наноструктур (рисунок 8). Рисунок 8 – Пластинчатая секция, для исследования на ПЭМ, изготовленная с помощью ионного пучка Cross Beam 1540. В России уже имеются две установки Cross Beam 1540, которые в 2006 году были поставлены фирмой Карл Цейсс в Санкт-петербургский и Дальневосточный госуниверситеты. Для исследования атомарной структуры нанообъектов в составе измерительно-технологического комплекса целесообразно иметь просве- чивающий электронный микроскоп (ПЭМ) . Рекордным по разрешению и одновременно коммерчески доступным является ПЭМ Либра 200 фирмы Карл Цейсс, обеспечивающий разрешение до 0,8 А (рисунок 9). В состав измерительно-технологического комплекса необходимо включить приборы, обеспечивающие измерение оптико-физических параметров наноструктурированных относятся ближнепольный фотолюминисцентный материалов. сканирующий спектрометр К таким 29 приборам оптический NFS-200/300 микро- фирмы Jasco (Великобритания). Рисунок 9 – Высокоразрешающий просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 с ускоряющим напряжением 200 КэВ. Разрешение до 0,8 А. Для исследования нанобъектов со сложной трехмерной топологией, в том числе в приложении нанобиотехнологий, в составе измерительнотехнологического комплекса метрологического необходимо иметь конфокальный сканирующий микроскоп. Одним из лучших образцов таких приборов является конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCS SPE, фирмы Leica Microsystems. Таким образом, примерный состав измерительной аппаратуры для обеспечения единства измерений параметров наноструктурированных объектов и материалов в современном представлении должен включать: - установку Cross Beam 1540 в полной комплектации - 2 млн. евро; - просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 - 2 млн. евро; 30 - ближенпольный микроскоп- спектрометр Jasco NFS-200/300 - 500 тыс. евро; - конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCS SPE - 350 тыс. евро. Ориентировочная стоимость приборов для создания измерительного комплекса в указанной комплектации составляет около 4,85 млн. евро. Приведенный пример показывает: 1 Метрологическое обеспечение нанотехнологий и нанопродукции крайне дорогостоящее мероприятие. 2 Среди высококачественного измерительного оборудования для нанотехнологий мало оборудования, разработанного и изготовленного в России. ВЫВОДЫ 1 Метрология играет важнейшую роль при разработке и коммерциализации нанотехнологий и нанопродукции. 2 Переход к нанометрологии потребует значительного увеличения точности применяемых средств измерений (например, точность измерения длины должна возрасти в 10÷50 раз). 3 Значительно усложняются условия, в которых необходимо будет проводить измерения. Большая часть измерений будет выполняться в условиях высокого вакуума и, как правило, совмещаться с самим технологическим процессом. 4 Потребуется создание новых государственных первичных и рабочих эталонов. 5 Метрологическое обеспечение нанотехнологий и нанопродукции потребует значительных финансовых затрат. 31 6 Для повышения эффективности расходования средств, выделяемых на метрологическое обеспечение нанотехнологий, необходимо определить приоритетные направления развития нанотехнологий и нанопродукции. 4 СТАНДАРТИЗАЦИЯ В соответствии со своим назначением стандартизация осуществляет выработку и установление требований к продукции и процессам и направлена на упорядочение знаний в соответствующих областях. Учитывая нынешнее состояние и степень развития нанотехнологийц и нанопродукции становится очевидной важность стандартизации именно на современном этапе. Без объективных требований организации к процесса нанотехнологиям и установления нанопродукции, обеспечивающих выпуск и подтверждение соответствия, ее выход на рынок будет закрыт. Как уже отмечалось, развитие нанотехнологий охватывает период, превышающий 30 лет. Однако, стандартизацией, непосредственно связанной нанотехнологией и нанопродукцией, стали заниматься лишь несколько лет назад. Технические комитеты по стандартизации (ТК) в странах с активно развивающейся нанотехнологией стали создаваться 2004÷2005 годах. В США в настоящее время стандартизацией в области нанотехнологий занимаются три организации ASTM, ANSI и IEEE. Комитет Е56 по нанотехнологиям ASTM сформирован в 2005. Проблемы, рассматриваемые комитетом, связаны со стандартами и руководящими документами в области нанотехнологий и наноматериалов, а также координацией текущей деятельности ASTM по стандартизации в cоответствии с потребностями нанотехнологий. Координация включает распределение специализированных запросов на стандарты в области нанотехнологий между существующими комитетами ASTM, а также 32 поддержание связей с внешними и внутренними работами в данной предметной области. Подкомитеты Комитет Е56.01 – Терминология и номенклатура Комитет Е56.02 – Определение физических, химических и токсикологических характеристик Комитет Е56.03 – Охрана окружающей среды, здоровья и безопасность труда. В рамках ТК 56.01 разработан и введен в действие стандарт Е2456-06 «Стандартизованная терминология, относящаяся к нанотехнологиям» Стандарт определяет новую терминологию, разработанную для применения в многодисциплинарных и междисциплинарных работах в области нанотехнологий. По мере развития данной области будет происходить доработка стандарта. В стадии разработки находится стандарт WK8051 «Стандартизованная терминология в области нанотехнологии». Планируется разработать общий стандарт, который будет включать термины из существующих дисциплин, переопределенные для конкретного применения в области нанотехнологий. Стандарт будет изменяющимся документом, подлежащим исправлению по мере развития новых научных дисциплин. Назначение стандарта состоит в облегчении общения среди членов академического сообщества, законодательных органов, юристов, представителей промышленности, а также населения, в общем, в США и за рубежом. В настоящее время подобные документы отсутствуют. Список потенциальных пользователей включает членов академического сообщества, законодательных органов, юристов, представителей промышленности. В рамках ТКЕ56.02 разрабатываются стандарты: WK8705 Измерение распределения размеров частиц в наноматериалах в суспензии методами фотонно-корреляционной спектроскопии. 33 WK8997 WK8997 Стандартные методы определения гемолитических свойств наночастиц. WK9326 Стандартные примы оценки воздействия материалов, составленных из наночастиц, на формирование колоний гранулоцитовмакрофагов мыши. WK9327 Стандартный метод определения цитотоксичности наноматериалов на клетках почки свиньи. WK9952 Стандартный метод измерения длины и толщины углеродных нанотрубок методами атомно-силовой микроскопии (Разрабатывается совместно с группой Российских ученых). WK9953 Стандартный метод измерения диаметра и толщины стенок многостенных электронной углеродных микроскопии нанотрубок методами (Разрабатывается просвечивающей совместно с группой Российских ученых). WK10417 Стандартные методы подготовки образцов наноматериалов для анализа. WK13577 Стандартные методы вычисления средних размеров/диаметров и стандартных отклонений распределения размеров частиц. В рамках ТКЕ56.03 разрабатывается стандарт: WK8985 Стандартное руководство по обращению с несвязанными полученными нанотрубками в производственных условиях. Американский национальный институт стандартов (ANSI) в 2004 году сформировал Комиссию по нанотехнологическим стандартам ANSI (ANSI Nanotechnoloqy Standards Panel (ANSI-NSP)) с целью координации вопросов разработки добровольных и разработанных совместными усилиями стандартов для применения в области нанотехнологий. Начальные области стандартизации, определенные ANSI-NSP, включают области номенклатуры и терминологии, характеристик материалов, процедур испытаний, измерений и определения характеристик. IEEE разработал «дорожную карту» 34 по стандартизации в области наноэлектроники. Документ содержит два раздела: - дорожная карта по стандартизации материалов (в разработке 9 стандартов); - дорожная карта по стандартизации электронных устройств (в разработке 10 стандартов); Видно, что в США в разработке находится не менее 30 стандартов в области нанотехнологий. В России в 2005 году так же создан технический комитет по стандартизации в области нанотехнологий ТК441. В настоящее время разработаны и введены в действие 4 национальных стандарта, касающиеся метрологического обеспечения зондовых атомносиловых измерительных сканирующих микроскопов и электронных растровых измерительных микроскопов. В разработке находится три стандарта, в том числе один стандарт по терминологии в области нанотехнологий. Таким образом, интенсивность стандартизации в России сегодня значительно уступает США (В России в разработке 3 стандарта против 30 – в США). Нанотехнологии требуют интеграции многих научных, инженерных и технологических дисциплин. Глобализация торговли неминуемо приводит к распространению нанотехнологий и нанопродукции. В этих условиях крайне важна международная стандартизация, которая, с одной стороны, вовлекает в процесс интеллектуальной потенциал различных стран, а, с другой стороны, формирует систему международных признанных требований к нанотехнологиям и нанопродукции и тем самым эффективно способствует развитию и продвижению нанотехнологий. Начиная с 2005 года работы по международной стандартизации нанотехнологий проводятся ТК ИСО 229 «Нанотехнологии», секретариат которого ведет Британский институт стандартов и ТК МЭК 113 « 35 Стандартизация нанотехнологии для электротехнических и электронных изделий и систем», ведение секретариата которого осуществляет Немецкий институт стандартов. ТК ИСО 229 состоит из консультативной группы и трех рабочих групп (РГ): «Терминология и номенклатура», «Измерения и характеристики» и «Медицинские, экологические аспекты и безопасность нанотехнологии». В состав активных членов входят 29 стран, включая Российскую Федерацию, 10 стран являются наблюдателями на заседаниях ТК. В настоящее время принятые ИСО международные стандарты и проекты стандартов отсутствуют. ТК 229 взаимодействует со следующими ТК (ПК) ИСО: ТК 24/ПК 4 «Сортировка по крупности методами отличными от просеивания» ТК 48 «Лабораторное оборудование» ТК 61 «Пластики» ТК 146/ПК 2 «Атмосфера на рабочем месте» ТК 150 «Имплантанты для хирургии» ТК 184/ПК 4 «Промышленные данные» ТК 194 «Биологическая оценка медицинских приборов» ТК 201 «Химический анализ поверхности» ТК 202 «Микропучковый анализ» ТК 206 «Тонкокерамические изделия» ТК 207 «Мероприятия по охране и рациональному использованию окружающей среды» ТК 209 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые параметры окружающей среды» ТК 213 «Размерная и геометрическая спецификация и поверка изделий» ТК 215 «Информатика здоровья», 36 а также такими организациями, как «Проект Таиландского научного парка», «Европейская Комиссия – Объединенный исследовательский центр», «Институт эталонных материалов и измерений», «Организация по экономическому взаимодействию и развитию», «Версальский проект по высокотехнологичным материалам и эталонам». ТК МЭК 113 состоит из двух объединенных с ТК ИСО 229 рабочих групп ««Терминология и номенклатура», «Измерения и характеристики» и РГ 3 «Характеристики наноматериалов для электротехнических компонентов и систем». ТК включает 15 стран – активных членов, включая Россию и 13 страннаблюдателей, являющихся членами МЭК. ТК МЭК 113 взаимодействует с ТК ИСО 229. ТК ИСО 229 в 2009 году разработал бизнес-план стандартизации нанотехнологий, который направлен на: - поддержку развития и глобального распространения нанотехнологий; - развитие глобальной торговли нанотехнологиями и нанопродукцией; - поддержку продвижений качества, безопасности, защиты приобретателя и окружающей среды, рациональное использование ресурсов в приложении к нанотехнологиям; - распространение положительной практики производства, использования и размещения нанотехнологий. Анализ принятых и разрабатываемых стандартов показывает, что в основном они формируются в три группы: - стандарты на измерения и испытания (включая терминологию); - стандарты на качество и безопасность; - стандарты на совместимость и взаимодействие. Первым шагом в обеспечении обмена информацией и кооперации в области нанотехнологии является достижение согласованности по терминологии. Это окажет положительное влияние на принятие решений по патентам, исследования в области! патентования, а также на другие права интеллектуальной собственности и их коммерческие 37 применения. Существующие результаты библиометрических исследований и статистик по патентам подтверждают наличие значительных расхождений в определении нанотехнологии. Поскольку процесс в направлении изучения новых величин однозначно является отличительно характеристикой нанотехнологии представляется необходимым достичь соглашения по новым процедурам измерения и проведения испытаний, которые необходимы только для обеспечения научного прогресса, но и для коммерческого применения нанотехнологии. Соглашения по методам измерений и испытаний в наномасштабе являются еще одним предварительным условием, обеспечивающим достижение дополнительных научных положительных результатов в нанонауках и коммерческом применении нанотехнологий. Принятие обществом продукции, основанной на наноматериалах, рассматривается как необходимое условие ее коммерческой привлекательности и успеха. И, конечно же, риски для здоровья и окружающей среды должны идентифицироваться и сокращаться. Традиционные правительственные регламенты будут по-прежнему неизбежны; однако они могут дополняться разработкой стандартов на качество и безопасность, которые будут оперативно адаптироваться к последним достижениям науки и технологии. Стандарты на качество и безопасность могут быть также использованы в нанотехнологии как инструменты защиты пользователей и потребителей, поскольку предполагаемые преимущества нанотехнологии сопровождаются потенциальными рисками. Принятие нанотехнологии некоторыми слоями общества вызывает по-прежнему вопросы, что, прежде всего, объясняется неопределенными воздействиями так называемых наночастиц. Процессы стандартизации, объединяющие представителей таких заинтересованных групп, как потребительские ассоциации и профсоюзы, обеспечивают разработку соответствующих стандартов на безопасность. 38 Дополняя обязательные регламенты, такие стандарты ускоряют принятие процессов и продуктов, основанных на наноматериалах. В контексте нанотехнологии необходимо со всей определенностью отметить, что в области новых технологий процесс стандартизации, который эффективно и результативно контролирует исследовательские работы и разработки, может более гибко и оперативно реагировать на динамические технологические разработки по сравнению с регулированием. Потребность в стандартах на совместимость и взаимодействие совсем скоро станет очевидной, когда соответствующие системы будут разработаны из составных частей в наномасштабе. В качестве примера можно привести структурирование в наномасштабе при производстве чипов или разработку новых компьютерных жестких дисков. В отличие от многочисленных инициатив, уже осуществленных в области терминологии и стандартов на измерения и испытания, в настоящее время существует не много инициатив, действие которых распространяется на стандарты на совместимость и интерфейс. Такие стандарты играют решающую роль на начальном этапе рыночных отношений, обеспечивают положительный эффект и переход от старого поколения технологий к новому. Кроме того, ассортимент продукции может увеличиваться и включать несколько составных частей. Таким образом, в ближайшие 3÷5 лет работы по стандартизации сосредотачиваются на: - терминологии; - методах измерений и испытаний; - качестве и безопасности продукции; - совместимости и взаимодействии. 39 ВЫВОДЫ 1 В последние несколько лет стандартизация нанотехнологии как национальная, так и международная начала активно развиваться. 2 Россия также начала работы по стандартизации в области нанотехнологий, однако интенсивность ее отстает от интенсивности стандартизации стран с наиболее активно развивающейся нанотехнологией. 3 Первоочередными направлениями в стандартизации нанотехнологий в настоящее время признаются: терминология, методы измерений и испытаний, качество и безопасность, совместимость и взаимодействие. 5 ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ Развитие и применение новых нанотехнологий могут значительно улучшить качество в таких областях жизнедеятельности, как медицина, очистка воды, защита окружающей среды и добыча энергетических ресурсов. Однако некоторые футуристы предсказывают, что нанотехнологии следующего поколения могут стать и разрушительной силой из-за предполагаемой возможности воздействия на многие сферы человеческой деятельности. В наномасштабе физические, химические и биологические особенности материалов значительно отличаются от качественных параметров атомов, молекул или сыпучих веществ. Разрабатываемые в настоящее время наноматериалы, варьируются по характеру, химическому составу и потенциальному применению. Из-за небольшого размера частицам в наномасштабе присущи такие уникальные качества, как, например, необычайно высокая химическая активность. Поскольку снаружи, то половина атомов в частице размером 5 нм находится высокоповерхностные энергии неизбежно обеспечивают 40 возникновение новых химических реакций, разительно отличающихся от реакций с аналогичным более объемным материалом. Наноматериалы можно классифицировать в соответствии с их химическим составом. Они могут включать такие классы материалов, как окиси, металлы, полупроводники, квантовые точки, углеродные нанотрубки и фуллерены. В настоящее время уже производится более 300 видов продукции, предполагающей содержание наноматериалов. Из этого следует, что потенциально новые типы и применения наноматериалов ограничивается только творческим воображением ученых, экспериментирующих в данной области. Многие появляющиеся нанотехнологии включают разработку новых материалов с частицами в масштабе нанометра. Как и при внедрении любого малоизвестного продукта в торговый оборот, не исключается возможность как достижения положительных результатов для социума, так и причинения вреда людям и окружающей среде на этапе производства, эксплуатации и утилизации подобной продукции. В связи с уникальностью наноматериалов, используемые в настоящее время методологии для проведения оценок риска токсикологических параметров, а также анализа жизненного цикла продукции, содержащей наноматериалы, могут оказаться неэффективными или вообще отсутствовать. В настоящее время нет стандартных испытательных методик для измерения воздействия наночастиц на человека. В соответствии с данными Национального института охраны труда США, проводимые в настоящее время исследования показывают, что общая химическая масса вещества по сути не имеет такого существенного значения, как показатель токсичности в сравнении с размером частицы, площадью поверхности, ее химическим составом, применительно к материалам с наноструктурой. 41 Для успешной оценки будущего адекватного применения наноматериалов помимо разработки многих других стандартов потребуется разработка новаторских методов измерения и проведения испытаний для определения рисков для здоровья, которые могут возникнуть при применении подобных веществ. Для выявления токсикологических свойств наночастиц также необходимы дополнительные изыскания. Предварительные исследования в данном направлении подтвердили, что некоторые наноматериалы, несомненно, оказывают вредное воздействие. Результаты экспериментов показали, что некоторые наноматериалы могут вызывать воспаление легких, а в дальнейшем – значительное снижение иммунитета и несбалансированную транслокацию всего организма (даже на уровне клеточных мембран), спровоцированную повышенной долей токсичности, как правило, не характерной для материалов большего объема. Пока еще не известно, способны ли все наноматериалы вызывать новые и единственные в своем роде риски для здоровья. Необходимы дополнительные исследования, чтобы в полной мере оценить особенности токсичности наночастиц, включая и физические показатели наноматериалов, призванные соответствовать определенным токсикологическим характеристикам. Результаты таких экспериментов способствуют идентификации все возможных физических и химических особенностей, указывающих на конкретную токсичность. Ее оперативное определение также позволяет исследователям вовремя изменить параметры разрабатываемого наноматериала, чтобы уменьшить его токсичность до начала производства, а, следовательно – до проникновения в окружающую среду. В этих условиях крайне важно уже на начальных этапах разработки нанотехнологий и наноматериалов уделять серьезное внимание созданию системы методического обеспечения оценки рисков, связанных с 42 создаваемой нанопродукцией, и комплекса средств, предотвращающих отрицательные последствия. К сожалению, традиционные приемы обнаружения, анализа и измерения микроноразмерных материалов представляются неэффективными при измерении наночастиц. Необходимы новые аналитические категории в следующих областях: 1 при возможном использовании метрологической техники для измерения физико-химических свойств наноматериалов; 2 при осуществлении испытаний наноматериалов как в естественных условиях, так и в пробирке; 3 при проведении скрининг-теста токсичности для определения воздействия частиц в наномасштабе на клеточные мембраны и экологические системы; 4 для дифференциации наночастиц от сверхудовлетворительных уровней показателей прочих частиц, также присутствующих в атмосфере. Наночастицы, которые участвуют в создании нанотехнологий и нанопродукции, имеют различное строение и свойства. К таковым в настоящее время относятся: дентримеры, фуллерены, квантовые точки, липосомы, окислы металла, золотые коллоиды и полимеры. Некоторые из этих частиц, например, золотые коллоиды, рассеивают свет и очень часто искажают результаты колометрических испытаний, которые проводятся при определении оптической плотности. Аналогично квантовые точки в стандартных спектрофотометрических измерениях могут показывать противоречивые результаты при определении размеров наночастиц. Другие наночастицы, например, дентримеры, могут иметь сильно выраженные каталитические свойства и тем самым значительно затруднять энзиматические испытания по определению эндотоксинного инфицирования. Ряд наночастиц обладает повышенной активностью, что также мешает традиционным методам характеризации продукции. 43 Анализ показывает, что проведение оценок воздействия наноматериалов на человека и окружающую среду потребует новых аналитических методов, а также разработки соответствующих международных стандартов, обеспечивающих их эксплуатацию и применение. Производство и обработка наноматериалов предполагают неизбежное проникновение наноматериалов в окружающую среду. Представляется необходимым понять распределения и основу маршрутов трансформации в подобных атмосфере для выбросов, их предупреждения возможного негативного воздействия на нее. Аналитические методы и стандарты необходимы для определения предполагаемых биопреобразований созданных наночастиц при их выделении в окружающую среду или биоаккумуляции там со временем. Для исключения любого негативного воздействия необходимо определить и установить нормы и методы управления окружающей средой применительно к наноматериалам. Традиционные технологии, обеспечивающие контроль над промышленной пылью, могут оказаться вполне достаточными для предотвращения выделения наночастиц в окружающую среду. Однако для предотвращения выбросов наноматериалов в результате производственных дополнительных испытаний для процессов потребуется верификации проведение допускаемых приемов управления. Международные стандарты необходимы для совершенствования и распространения общепризнанных методов на процессы производства наноматериалов, область их применения, систему утилизации и критерии, устанавливающие контроль над окружающей средой. Важность построения на современном этапе системы оценки соответствия нанотехнологий и нанопродукции, особенно в аспекте безопасности понимают нанотехнологии. во всех странах, активно развивающих 44 В частности, среди разрабатываемых в США стандартов около 40% посвящены вопросам безопасности, а около 23% - вопросам метрологии. В Японии доля финансирования работ, связанных с метрологией, составляет 18%, а доля финансирования работ, которые обладают большим риском отрицательного воздействия на здоровье и окружающую среду составляет 30%. Международная стандартизация также уделяет метрологии и безопасности значительное внимание. Все три рабочие группы ТК ИСО 229 по существу впрямую связаны с метрологией и безопасностью. 70% технических комитетов ИСО, с которыми взаимодействует ТК ИСО 229, решают вопросы стандартизации аспектов безопасности в сферах своей компетенции. Информация о работах в России, направленных на обеспечение безопасности нанотехнологий и нанопродукции отсутствуют. В то же время в России функционирует достаточно разветвленная и многочисленная сеть испытательных и аналитических лабораторий, осуществляющих разностороннюю деятельность по обеспечению безопасности современной продукции, потребляемой в стране. Таким образом, можно утверждать, что проблемы, связанные с безопасностью нанотехнологий и нанопродукцией, в настоящее время обозначены достаточно отчетливо. Как в целом сами нанотехнологии, решение этих проблем находится лишь на начальном этапе. Однако, анализ имеющейся информации указывает на то, что работы по стандартизации, метрологическому обеспечению и оценке соответствия нанотехнологий уже начаты и, по мере развития нанотехнологий, эти работы будут расширяться. 45 ВЫВОДЫ 1 Безопасность нанотехнологий и нанопродукции обозначена на международном уровне как одна из важнейших проблем, которую предстоит решить. 2 Развитые страны и соответствующие международные организации уделяют возрастающее направленное на внимание обеспечение стандартизации безопасности и метрологии, нанотехнологий и нанопродукции. 3 В России работы по обеспечению безопасности нанотехнологий в настоящее время практически не проводятся. 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предсказываемое в настоящее время экспертами ближайшее (10÷15 лет) будущее нанотехнологий сулит многообещающие перспективы во многих областях человеческой деятельности. В странах с развитой экономикой правительство активно поддерживают нанотехнологии. Суммарные государственные инвестиции в развитие нанотехнологий в 2007 году превысит 5,0 млрд. долларов. Основные достижения нанотехнологий, прогнозируемые на ближайшие 5÷10 лет, будут связаны с наноусовершенствованиями в уже существующих технологиях, таких как полупроводниковая электроника (микро… затем наноэлектроника), информационные технологии, производство материалов, медицина и т.д. При этом экспертами рассматриваются два возможных сценариев развития нанотехнологий: «пессимистический» и «оптимистический», но даже «пессимистический» прогноз показывает объемы нанотехнологий к 2015 году более 500,0 млрд. долларов. производства 46 Как в России так и за рубежом развитие реальных нанотехнологий сопровождается всевозможными спекуляциями на эту тему, что снижает эффективность инвестиций в нанотехнологии. В процессе коммерциализации научных результатов, полученных при исследованиях в области нанотехнологий, важнейшую роль играют метрологическое обеспечение и стандартизация. Стандартизация позволяет формализовать требования к технологическим процессам и продукции, метрология обеспечивает объективный контроль производственных процессов и оценку соответствия произведенной продукции. Переход к нанометрологии потребует существенного увеличения точности применяемых средств измерений (например, точность измерения длины должна возрасти в 10÷15 раз) и значительных финансовых затрат. Потребуется также создание новых государственных первичных и рабочих эталонов единиц величин. Значительно усложняются условия, в которых необходимо будет проводить измерения, т.к. большая часть измерений будет выполняться при высоком вакууме и. как правило, совмещаться с технологическим процессом. В настоящее время в странах, активно развивающих нанотехнологии, нанометрологии также уделяется значительное внимание. В последние несколько лет заметно активизировались также и работы по стандартизации в области нанотехнологий, как на национальных, так и на международном уровнях. Первоочередными направлениями в стандартизации нанотехнологий в настоящее время признаются: терминология, методы измерений и испытаний, качество и безопасность, совместимость и взаимодействие. Россия также начала работы по стандартизации в области нанотехнологий, однако интенсивность ее отстает от интенсивности стандартизации нанотехнологией. в странах с наиболее активной развивающейся 47 Одной из важнейших проблем, связанных с развитием нанотехнологий, признается проблема безопасности, как нанотехнологий, так и самой нанопродукции. Решению этой проблемы в последние годы уделяется все больше внимания. При этом важная роль также отводится стандартизации и метрологии, которые наиболее эффективно позволяют поддерживать условия безопасности, как нанотехнологий так и нанопродукции, за счет формирования системы критериев безопасности и оценки соответствия этим критериям. Список литературы к аналитическому обзору 1. Андриевский Р. Научный задел России перед началом нанотехнологического бума. //Наноиндустрия. 2007. № 3. С. 12-16. 2. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии. //Нано- и микросистемная техника. 2005. № 3. С.2-11. 3. Быков В.А.Нанотехнологический потенциал России. // Наука в России. 2003. № 6. С.8-12. 4. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. /Пер. с япон. М., БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. -134 с. 5. Панфилов нанотехнология: Ю.В. анализ Наноструктурированные современного состояния. материалы 4.1. //Нано- и и микросистемная техника. 2005. № 11. С. 13-22. 6. Петрунин В.Ф. Российская ниша наноматериалов как перспективная база нанотехнологий. //Нано- и микросистемная техника. 2005. № 12. С.2-4. 7. Развитие в России работ в области нанотехнологий. //Микросистемная техника. 2004. № 8. С.2-9. 8. Атомное и электронное строение поверхностных наномасштаоных структур графита. //Химическая физика. 2004. т.23. № 7. -С.83-90. 9. Изучение многофазных наноструктур при помощи атомно-силового микроскопа, работающего в режиме фазового контраста. /С.А. Зиганшина. 48 А.П. Чукланов, А.А. Бухараев и др. //Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейронные исследования. 2006. Х° 2. С. 18-23. 10. Календин В.В. Нанометрия: проблемы и решения. // Автометрия. 2004. Т.40. № 2. С.20-36. 11. Минько Н. И., Нарцев В.М. Методы получения и свойства нанообъектов: Монография. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. 105 с. 12. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы. /Под ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.-552 с. 13. Фотометрия и радиометрия оптического излучения (общий курс). Кн.5.Измерения оптических свойств веществ и материалов. 4.2. Колориметрия. Рефрактометрия. Поляриметрия. Оптическая спектрометрия в аналитике. /В.С.Иванов, А.Ф.Котюк и др. М.: Полиграф Сервис. 2002.-304 с. 14. Акимов И.А., Денисюк И.Ю., Мешков A.M. Светостойкие краски на основе органических и неорганических нанокристаллов для оптических полимеров. //Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 10. С.3-10. 15. Амелькович Ю.А.. Ильин А.П. Проблемы безопасности при работе с наноматериалами. / Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества : материалы науч.-практ. конф. 10 октября 2005 г., Россия. г. Сочи. М.: МИЭМ, 2005. -462 с. 16. Андриевский Р.А. Направления современных исследований в области наночастиц.. // Порошковая металлургия. 2003. № 11/12. С.96-101. 17. Бронштейн Наноструктурированные Л.М., Сидоров С.Н., Валецкий П.М. полимерные системы как нанореакторы для формирования наночастиц. // Успехи химии. 2004. Т.73. № 5. С.542-557. 18. Глушкова В.Б., Панова Т.И. Получение наноразмерных порошков твердых растворов систем Zr02- Ce02 и Се02. // Неорганические материалы. 2006. Т.42. № 10. С.1182-1189. 19. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Современные проблемы нано- и микротвердости твердых тел. Препринт. Тамбов: Изд-во ТГУ, 2000. - 42 с. 49 20. Грушко Ю.С, Седов В.П. Шилин В.А. Комплексная технология фуллеренов. Препринт 2618. Гатчина: ПИЯФ, 2005. - 43 с. 21. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 293 с. :илл. (Серия: Нанотехнология) 22. Кластеры, структура и материалы наноразмера. Инновационные и технические перспективы. /М.А. Меретуков, М.А. Цепин, С.А. Воробьев, А.Г. Сырков. М.; Изд. дом «Руда и Металлы»,2005. -128 с. 23. Латынов 3.3., Галль Л.Н. Фуллерены и углеродные нанокластеры. // Научное приборостроение. 2005. Т. 15. № 2 . С.82-87. 24. Лякишев Н. П, Нанокристаллические структуры - новое направление развития конструкционных материалов. // Вестник РАН. 2003. Т.73. № 5. С.422-425. 25. Пискунов В.Н., Давыдов И.А., Жогова К.Б. Фуллерены и нанотрубки. Основные свойства и методы расчета: учебник. Саров": ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ,2005. -92 с: ил. 26. Пленки - 2005: материалы Междунар. науч. конф. «Тонкие пленки и нано - структуры», 22-26 нояб. 2005 г., Москва. 4.1 - 2. М.: МИРЭА, 2005. 27. Алмаз - перспективный материал для наноэлектроники. /А.А. Алтухов и др. //Инженерная физика. 2003. № 5. С.51-58. 28. Алферов Ж.И. О состоянии и перспективах развития полупроводниковой электроники в России. //Нано- и микросистемная техника. 2005. №8. С.2-19. 29. Возможности и особенности наноимпринтлитографии для производства интегральных микросхем. /С. Бобков Д. Врублевский, В.Киреев и др. // Наноиндустрия. 2007. № 3. С. 26-32. 30. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: учеб. пособие. М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. -496с. 50 31. Карагусов В.И. Нанокриогенные технологии. // Микросистемная техника. 2004. № 10. С. 15-23. 32. Мальцев П.П. О терминологии в области микро- и наносистемной техники. //Нано- и микросистемная техника.2005. № 9. С.2-5. 33. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. / Отв. ред. А.Л. Асеев. Новосибирск: Нзд-во СО РАН .2004. -368 с. 34. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005. -448 с. 35. Артемьев В.А. Оценка критических параметров реактора с активной зоной из наноструктурного материала. // Атомная энергия. 2003. Т.94. №З.С.231-234. 36. Бурдаков В.П. Нанотопливо - прорыв в будущее. // Российский космос. 2007.№8. С. 66-71. 37. Дыкман Л.А. Наночастицы золота: получение, функционализация, использование в биохимии и иммунохимии. // Успехи химии. 2007. Т.76.№2.С.198-213. 38. Наноструктурная защита материалов / Матер, подгот. О. Базанова // Наука в России. 2007. № 4. С.58-59. 39. Нанотехнологин в машиностроении / Высокие технологии размерной технологии в машиностроении: учебник. М.: Высш. шк., 2007. С. 189-239. 40. Основы прикладной Нанотехнологии: Монография. /А.А. Абрамян, В.И. Балабанов, В.И. Беклемышев и др. М.: МАГИСТР-ПРЕСС, 2007. - 208 с. 41. Румпель А.А. Нанотехнологии , свойства и применение аноструктурированных материалов. // Успехи химии. 2007. Т.76. № 5. С. 474-501. 42. Введение в нанотехнологию, Отчет НИИ промышленных технологий, Тайвань, 2006г. 43. AIST Today, Internation Edition, #22, Autumn, 2006. 44. Japanese Persrectives on Nanotechnology Standartisation, Industrial Standard Committee, November 9-22 2005. Japanese 51 45. Business Plan ISO/TC 229 Nanotechnology, 23/04/2007. 46. Облант Ж.М. Метрология: проблема наномасштаба, Мир стандартов, стр. 22-26, №5(16), 2007. 47. Тодуа П.А. «Метрология в нанотехнологии», Российские нанотехнологии, Обзоры, №1-2, 2007. 48. Александров В.С., Собенин А.П. Работы ВНИИМ им. Д.И. Менделеева по метрологическому обеспечению нанотехнологий, Мир стандартов, стр. 6 – 10, №5(16), 2007. 49. Постек М.Т. Метрология в нанометровом диапазоне, Вестник технического регулирования, стр. 8 – 17, №7(44), 2007. 50. Алфимов М.В. Итоги исследований и разработок проектов по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и наноматериалов», Анализ результатов, подготовленных рабочей группой, июнь 2007. 51. Верхотуров Д., Кирилловский И. Наноагрессия, нанооборона и нанофикция, Лазер – Информ, стр. 11 – 14, №17(368), сентябрь, 2007. 52. Блинд К. Экономический потенциал нанотехнологий и возможная роль стандартизации, Мир стандартов, стр. 29 – 32, №5(16), 2007. 53. Браун С. Стандарты нанотехнологий в области безопасности и экологии, Мир стандартов, стр. 39 – 41, №5(16), 2007. 54. Фурсенко А.А. О современном состоянии и направлениях развития наноиндустрии в Российской Федерации. О первоочередных мероприятиях по реализации президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии», Доклад на заседании Правительственного Совета по нанотехнологиям, 21 июня, 2007.