Pavlov_Article3

Павлов М.Ю. Нанотехнологии: сценарий инновационного развития страны на базе достижений
фундаментальной науки // Философия хозяйства, №5, 2008. С. 223-233.
к.э.н., с.н.с., зам. Руководителя «Центра Экономики знаний»
Экономического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова
Павлов Михаил Юрьевич
Нанотехнологии: сценарий инновационного развития страны
на базе достижений фундаментальной науки
Под девизом «малое прекрасное» создаются изделия, стоимостная доля
интеллектуальных ресурсов, затраченных на их изготовление выше, чем доля
материальных ресурсов. Основная движущая сила этих изменений –
нанотехнологическая революция. По мере развития общества размеры
частичек, которыми оперировал человек в производственной деятельности,
становились все меньше. Сегодня для человечества новые, захватывающие
возможности открываются по мере развития технологии манипуляций
веществами на уровне отдельных атомов и молекул - нанотехнологии.
В мире наблюдается бум вложений в наноотрасли. В настоящее время
область нанотехнологий является самым финансируемым и наиболее
динамично развивающимся видом научно-исследовательской деятельности в
мире. Большая часть инвестиций в наноразработки приходится на США, ЕС,
Японию и Китай. Исследования в этой сфере активно ведутся также в
странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле,
Сингапуре и Тайване.
Количество научных публикаций, патентов и журналов непрерывно
растет. В 2007 году продажи в секторе нанотехнологий составили 50
миллиардов долларов1. По прогнозам Национальной Нанотехнологической
Инициативы
(National
Nanotechnology
Initiative)
США,
развитие
ненотехнологий через 5-10 лет позволит создать новую отрасль экономики с
1
http://apicentr.ru/wordpress/?p=47
1
оборотом в $15 млрд. и примерно 2 млн. рабочих мест. Согласно прогнозам
Министерства торговли Великобритании, к 2015-му году спрос на
результаты деятельности в области нанотехнологий составит не менее
$1 трлн./год, а численность специалистов, занятых в ней, вырастет до 2 млн.
человек. А мировой рынок нанотехнологий достигнет триллиона долларов и
превзойдет
рынки,
связанные
с
электроникой,
медициной,
химией,
энергетикой.
Уже в 1990 году за рубежом вышел первый номер толстого журнала
"Нанотехнология", сайты, посвященные нанотехнологии, множатся как на
дрожжах. Нанотехнологии – общая основа для развития науки и техники 21
века. К настоящему времени в мире получено более 5 тыс. патентов,
связанных с нанотехнологиями.
По данным Исследовательской Службы Конгресса США (Congressional
Research Service) мировая промышленность использует нанотехнологии в
процессе производства как минимум 80 групп потребительских товаров и
свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и
промышленного оборудования.
Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической
революции и полностью изменить не только экономику, но и среду
обитания человека.
По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью,
ежегодно необходимо тратить не менее $1 трлн. В Японии в 2001 году была
опубликована
программа
развития
нанотехнологий,
в
которой
предполагается сконцентрировать усилия в нескольких ключевых отраслях:
информационные
технологии,
биология,
охрана
окружающей
среды,
энергетика, материаловедение. Чуть ранее, в 2000 году в США после
длительного сбора и анализа данных о нанотехнологиях в разных странах
была
принята
так
называемая
Национальная
нанотехнологическая
инициатива. При этом были выделены три основных направления
исследований: создание новых сверхпрочных и одновременно сверхлегких
2
материалов, разработка запоминающих устройств повышенной мощности, к
примеру, способных сохранить всю информацию библиотеки Конгресса
США на крошечном чипе, и развитие новых методов борьбы с раковыми
заболеваниями, позволяющих обнаруживать опухоль при появлении первых
пораженных
клеток.
В
мире
созданы
серьезные
научные
центры,
специализирующиеся исключительно на этой проблематике. Крупнейший из
них находится в Японии. В Японии действует с 1999 года «Национальная
программа работ по нанотехнологии», получившая высший государственный
приоритет – "Огато". Данный проект спонсирует не только государство, но и
дополнительно около 60 частных фирм. В Китае пятилетний план 2001 2005 гг. включал выделение 300 млн. долларов, позволив выйти на мировой
уровень разработок2. В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся
нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по
государственным, так и по международным программам (программа НАТО
по нанотехнологии).
В США отставание от Японии по объему финансирования работ в
области нанотехнологии стало предметом государственного обсуждения, в
результате которого объем финансирования только фундаментальных
исследований каждый год стал удваиваться. С целью форсирования работ
именно на данном направлении в 2000 году по решению правительства США
работы по нанотехнологии получили высшую степень важности (top priority).
В результате была создана программа Американской нанотехнологической
инициативы,
а
при
президенте
организован
специальный
комитет,
координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях
промышленности и военных силах.
Россия только на исследовательские работы в сфере нанотехнологий
выделила средства в размере 4 миллиардов долларов на четыре ближайших
года3. Нанотехнологическая инициатива в России, стартовавшая в 2007 году,
2
3
http://www.nanometer.ru/2007/05/31/nanotehnologicheskaa_iniciativa_bessmertie_ossia.html
http://apicentr.ru/wordpress/?p=47
3
направлена на развитие двух направлений: исследования в области
нанотехнологий,
порученные
коммерциализация
Курчатовскому
нанотехнологических
проектов,
институту,
и
которую
на
государственном уровне координирует ГК “Роснанотех”. Деятельность ГК
«Роснанотех» весьма масштабна – стратегия Корпорации направлена на
развитие наноиндустрии в России сразу по множеству структурных
составляющих4:
1. Научное прогнозирование (форсайт).
2. Инфраструктурные программы.
3. Инвестиционная деятельность.
4. Образовательные проекты.
5. Популяризация и общественные коммуникации.
6. Развитие рыночных условий и отношений.
7. Обеспечение безопасности нанотехнологий и продукции.
8. Сертификация, стандартизация и метрологическое.
9. Участие в совершенствовании законодательства.
10. Международное сотрудничество.
11. Создание международной площадки для обсуждения проблем и
перспектив развития наноиндустрии5.
Уже сейчас в России разработаны фильтры для очистки жидких
радиоактивных отходов, создана нанокраска для ценных бумаг, защита
мобильных телефонов и микроволновых печей. Сегодня ученые занимаются
созданием нанокерамики с высокой прочностью, нанометаллов и их сплавов.
В частности, на Уральском заводе гражданской авиации нанометалл
используется в покрытии лопастей для вертолетов, что в 5 раз увеличивает
срок их эксплуатации.
Несмотря на то, что бурный интерес со стороны общественности к
нанотехнологиям проявился только в последнее десятилетие, понятие это в
4
5
Подробно о стратегии ГК «Роснанотех» см.: http://rusnano.com/Rubric.aspx?RubricId=259
См.: http://rusnano.com/Rubric.aspx?RubricId=259
4
науке совсем не новое. Первые работы в этой отрасли появились в России в
1934 году, правда, тогда это называлось "ультрадисперсные материалы". А
одними из первых опытов использования нанотехнологий ученые считают
легендарную дамасскую сталь и знаменитые златоустовские клинки.
Потенциал нанотехнологий заключается не только в миниатюризации
каких-либо вещей. Работая в столь микроскопических масштабах, ученые
получают возможность менять свойства материалов. В результате они
получают необычные оптические, электрические и другие свойства из-за
того, что с их помощью атомы располагаются строго определенным образом.
А это, в свою очередь, можно использовать для самых разных целей.
Так, например, с помощью нанотехнологий американская фирма
Engelhard создала своего рода молекулярные «ворота», через которые
проникают молекулы двуокиси углерода, а более крупные молекулы
(метановые) остаются в веществе. Практическое применение это находит при
фильтрации двуокиси углерода из природного газа и при создании
автомобильных катализаторов. Hydrocarbon Technologies (HTI), дочерняя
фирма известной американской компании Headwaters, разработала методику
обработки угля с помощью нанотехнологий на молекулярном уровне таким
образом, чтобы создавать из него экологически чистое жидкое топливо.
Согласно
исследованиям
Foresight
Nanotech
Institute
2005
г.,
использование нанотехнологий позволит в будущем решить ряд наиболее
значимых для человечества проблем. Одной из важнейших проблем является
обеспечение мировых энергетических потребностей. Согласно прогнозам,
спрос на электроэнергию к 2025г. вырастет на 50%. В настоящий момент
около 1,6 млрд. человек не обеспечены электричеством, а 2,4 млрд. используют сельскохозяйственные отходы и растительные материалы в
качестве источника энергии и тепла. Предполагается, что нанотехнологии
позволят решить энергетические проблемы посредством применения более
эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов,
солнечных элементов, распределения источников энергии и децентрализации
5
производства и хранения энергии за счет качественного обновления
электроэнергетической системы. Теплоизоляция повысит комфортность и
снизит энергопотребление. В местах, где уже используются прямолинейные
формы конструкции домов (большая часть городов) двухслойные вакуумные
стенные панели могут значительно уменьшить передачу шума между
комнатами
и
квартирами,
одновременно
предоставляя
отличную
термоизоляцию.
Важнейшей
экологический
сферой
применения
мониторинг,
охрана
и
нанотехнологий
очистка
будет
также
окружающей
среды.
Нанороботы, которые разрабатываются в Университете Южной Калифорнии,
предназначены для контроля за загрязнённостью морской воды. В океан
будут выпущен целый рой микроскопических роботов. Каждый из них будет
способен определить чистоту воды, в которой он находится, и сообщить об
этом по радио своему соседу. Уже сегодня существуют фильтры для
сверхтонкой
очистки,
а
в
будущем
предполагается,
что
мириады
микроскопических автоматов будут осуществлять избирательную очистку
среды, вычищая малейшие загрязнения.
Студентка-дизайнер
Оливия
Онг
и
ученые
из
Корнуэльского
университета совместными усилиями создали одежду, которая защищает
владельца от простуды и гриппа, смога и загрязнений воздуха, уничтожает
вредные для дыхания газы, и не требует стирки. В волокнах ткани
повсеместно
находятся
заряженные
статическим
электричеством
наночастицы, создающие невидимый, но прочный щит вокруг владельца.
Один вид ткани содержит наночастицы серебра. Серебро, как известно,
обладает антибактериальными свойствами, которые только усиливаются
благодаря малым размерам частиц. Таким образом, ткань приобрела
способность противостоять большинству вредных для человека бактерий и
вирусов, а также пятнам и загрязнениям. Другой вид ткани – для верхней
одежды – содержит наночастицы палладиума, которые защищают владельца
одежды от загрязнений окружающей среды. Особенно актуальна подобная
6
одежда будет для людей, страдающих от астмы и аллергии. Препятствие для
широкого распространения – высокая цена. В настоящий момент один
квадратный метр новой ткани стоит приблизительно 10 тысяч долларов
США. Вообще, подобная проблема типична для любых технологий,
выходящих из лабораторий и находящихся на ранних стадиях внедрения в
массовое производство.
Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным
количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для
использования, составляют всего 3%, из которых только 1% используется
населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд. человек не имеет
возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание
текущие
объемы
потребления
воды,
рост
населения
и
развитие
промышленности, к 2050 г. 2/3 населения Земли будут испытывать
недостаток пресной воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят
найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой
децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения
загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового
поколения.
Одной
из
важнейших
задач
остается
улучшение
здоровья
и
продолжительности жизни. Американский Национальный институт здоровья
включил наномедицину в пятерку самых приоритетных областей развития
медицины в XXI веке. Ожидается, что применение нанотехнологий в области
медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных
методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов
разработки и применения новых лекарственных препаратов, возможности
восстановления поврежденной структуры ДНК. В мире уже создан ряд
технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная
доставка лекарств к больным клеткам, диагностика заболеваний с помощью
квантовых точек, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.
7
Еще одной важнейшей проблемой является повышение урожайности в
сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность населения на данный
момент составляет около 6,5 млрд. человек и к 2050 г. достигнет 8,9 млрд.,
что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.
Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику
возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и
системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают
возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать
высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим
условиям. Биологи смогут "внедряться" в живой организм на уровне атомов
и станут возможными и "восстановление" вымерших видов, и создание
новых типов живых существ, в том числе биороботов.
Одной из сфер, где нанотехнологии уже сегодня сделали значительный
шаг вперед, является электроника. По данным исследования, проведенного в
2005 г., лишь 13,9% населения имеют доступ к Интернету. Отсутствие
возможности использования информационных ресурсов и технологий
большинством жителей
Земли
отрицательно
сказывается на уровне
образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического
благосостояния. Использование нанотехнологий позволит решить эту
проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества
элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных
батареях, встроенных информационных систем и т.д. Молекулярное
производство способно создавать компьютерные ячейки размером в
несколько нанометров, организуя их в сложные трехмерные структуры.
Целый суперкомпьютер может поместиться в кубический миллиметр и
стоить небольшую долю цента. Компьютеры, КПК и сотовые телефоны
могут быть достаточно дешевыми, чтобы даже беднейшие люди на Земле
могли их иметь, и содержать голосовой интерфейс, чтобы люди не умеющие
читать могли ими пользоваться.
8
Неоспорима перспективность нанотехнологий в развитии космических
технологий. Особенно интересен проект «космического лифта» на основе
сверхпрочных и сверхлегких нанотрубок, который способен существенно (на
порядки) снизить себестоимость транспортировки грузов на околоземную
орбиту. Нанотехнологии также позволят повысить степень безопасности
работы в космосе, создать новые виды топлива, покрытий, конструкционных
материалов,
«умной»
одежды,
электронных
систем
обеспечения
жизнедеятельности, которые будут эффективнее, устойчивее, легче и
обладать способностью диагностики и ликвидации неисправностей6.
Однако подлинную революцию как в материальном производстве, так
и во всем укладе жизни человека, как ожидается, произведут нанофабрики. В
основе нанофабрики будут наноманипуляторы – нанодизассемблеры и
наноассемблеры, которые смогут сначала разобрать любой предмет на
отдельные атомы (это выполняют нанодизассемблеры), передав точный
чертеж его атомного строения в компьютер, а затем собрать его идеально
точную
копию
(это
делают
наноассемблеры).
Возможно,
что
наноманипуляторы будут универсальными, и функции ассемблера и
дизассемблера сможет выполнить один и тот же робот. По чертежу,
хранящемуся в компьютере, можно будет собрать любое количество
экземпляров.
Разумеется,
чертежи
будут
создавать
не
только
нанодизассемблеры на основе существующих образцов, но и человек,
реализуя изделия практически любой сложности. Чертежи можно будет
легко модифицировать, придавая изделиям другую форму, заменяя одни
материалы на другие, устраняя последствия разрушения и износа. Вместе с
программируемыми наноботами проявится еще одно важное свойство
грядущих технологий – практически все технологические процессы, вообще
вся производственная и даже непроизводственная человеческая деятельность
будет представлять собой программирование и управление наноботами с
При подготовке обзора по перспективам отдельных отраслей использованы материалы:
http://crnano.v.rusonyx.ru/benefits.htm
6
9
помощью готовых программ. Таким образом, нанотехнологии создают
предпосылки
самой
масштабной
значительной
по
своему
влиянию
экономической революции – каждый, обладающий мининанофабрикой,
получает универсальное средство для производства широчайшего спектра
изделий.
Человек
получит
колоссальные
возможности
для
творческой
деятельности. Нанопроизводство будущего будет зависеть в основном от
двух факторов – энергии и наличия новых образцов, моделей, чертежей для
производства. В будущем основными профессиями будут работник,
обслуживающий крупные энергоустановки и ремонтник, а самой главной
профессией станет создатель новых образцов – человек-творец. По мнению
некоторых исследователей, деньги приобретут энергетический эквивалент,
поскольку современные технологии денежного обращения станут слишком
уязвимыми перед нанотехнологиями. Сами изделия, воплощенные в
материале, станут очень дешевыми, репродуктивный труд возьмут на себя
наномашины, по-настоящему ценным будет создание новых проектов,
чертежей – творческая деятельность человека.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 08-06-00341-а).
10