Нанотехнологии в России связываются с возможностью быстрого научно-технического развития, ускоренного преодоления зависимости от экспорта сырья. Внимание нанотехнологиям уделяется на самом высшем уровне, и за них ратует сам презиент России Владимир Путин. Он заявил на совещании по развитию нанонауки в Курчатовском институте: «Это то направление деятельности, на которое государство не будет жалеть никаких средств».
Денег и впрямь не пожалели. В развитие нанотехнологий государство уже инвестировало около 150 млрд. рублей. Теперь масштаб государственных затрат на нанотехнологии только увеличивается. По планам федеральной целевой программы развития нанотехнологий запланировано 28 млрд. рублей на закупку оборудования для разных лабораторий, занимающихся исследованиями в этой области. Также запланировано создание государственной Российской корпорации нанотехнологий (ГК «Роснанотех»), для чего Путин пообещал выделить 135 млрд. рублей, в том числе 30 млрд. рублей в 2007 году. Это особая корпорация. Ее нельзя обанкротить, корпорация имеет право заниматься любыми видами предпринимательской деятельности, прибыль ее нельзя изъять или перераспределить. Закон разрешает «временно свободные» средства инвестировать в финансовые инструменты, в результате чего финансовые аналитики ожидают появления «Роснанотеха» на фондовом рынке. Руководитель «Роснанотеха» будет обладать колоссальным влиянием, определенным его особым положением и гигантскими государственными инвестициями.
«Роснанотех» стоит на костях покойного ЮКОСа, поскольку 100 млрд. рублей, направляемых в эту программу, взяты из доходов от продажи активов этой нефтяной компании.
На «Роснанотех» возлагаются огромные надежды. Однако нелегко сказать, насколько эти надежды, подкрепленные миллиардными государственными вложениями, будут оправданы.
Что такое «нанотехнологии»?
Для начала стоит более ясно определить, что такое «нанотехнологии», и что именно понимается под этим термином.
Появление этого термина связано с трудами американского ученого Эрика Дрекслера, человека, чьей профессией является изучение возникновения новых технологий и определения их значения в будущем.
Дрекслер развивал идеи американского физика Ричарда П. Фейнмана (один из участников американского атомного проекта), который в 1959 году в своей Нобелевской речи заявил о принципиальной возможности манипулировать атомами, как предметами. Ученый несколько опередил свое время, поскольку бурное развитие полупроводников отодвинуло его идею в забвение. В середине 1980-х годов, Эрик Дрекслер обратился к идеям Фейнмана, разработал физические принципы систем молекулярного производства, описал их с точки зрения физики, химии и квантовой механики, а также придумал сам термин «нанотехнология». В 1986 году вышла его книга «Машины созидания», которая быстро стала культовой.
В пору выхода книги молекулярное производство казалось фантастикой. Однако, если Фейнман не дожил до воплощения своих идей, то вот Дрекслеру недолго было ждать реализации своих прогнозов. В 1990 году в лаборатории IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа сумели выложить название компании из атомов. Этот впечатляющий успех положил начало практическим опытам в области молекулярного производства. В 1991 году японский ученый Сумио Иджима из корпорации «NEC» открыл углеродные нанотрубки – свернутые в трубочки графитовые слои наноразмеров.
Мы живем в эпоху, когда прогнозы Дрекслера начинают воплощаться в жизнь. Под нанотехнологиями сейчас понимаются очень разные вещи, но магистральное направление этой сферы – создание наномашин. Это 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. Это и есть основное положение нанотехнологии.
Ассемблер по Дрекслеру, состоит из двух частей: микрокомпьютера и управляемого манипулятора. То есть, это микроробот, который с помощью манипулятора расставляет атомы в порядке, имеющемся в памяти ассемблера. Самый первый 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. Создание самовоспроизводящихся автоматов, искусственной жизни. Представьте себе картину – все могущество жизни, но поставленное на службу человеку. Перспективы огромны и впечатляющи.
Естественно, эта картина зачаровала многих, но проблема применения нанотехнологий оказалась, что неудивительно, весьма и весьма сложной. Сразу же появились апокалиптические прогнозы, что когда-нибудь ассемблеры выйдут из-под контроля человека. Некоторый повод к этим сомнениям подал сам Эрик Дрекслер, заявивший, что нельзя позволить себе некоторые действия с самовоспроизводящимися ассемблерами.
Человеческая фантазия тут же представила себе картину конца света, что в коробке из под чая у вас на кухне лежит особая пыль, могущая переработать всю планету в такую же пыль. Правда, более поздние исследования показали беспочвенность этого прогноза, и картины всепожирающей «серой пыли» можно со спокойной совестью оставить фантастам. Все есть и будет куда сложнее и интереснее. Ассемблеры требуют для своей работы, к примеру, тщательной защиты от воздействия химических реагентов и ультрафиолетового излучения, что возможно достичь только на нанофабрике с применением сложного оборудования.
«Нано-пурга»
Это слово принадлежит российскому химику Алексею Швареву, который с 2002 года работает в США, и там имел возможность внимательно познакомиться с тем, как американские ученые выколачивают средства на исследования из правительства и фондов. Нанотехнологии, конечно же, встали на вооружение штатовских 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 способо 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 нанотехнологий превысило 800 млрд. долларов в год. Сам Смолли создал компанию Carbon Nanotechnologies Incorporated (CNI), 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 Arrowhead Research 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.
Россия, похоже, также проходит период «нано-пурги». Только наш процесс отличается от того, что был в Штатах. У нас нет крупных частных венчурных проектов, которые появляются ниоткуда и привлекают миллионы долларов. У нас венчурным инвестированием занялось государство.
Отражение «нанотехнологической агрессии»
Государство внесло в сферу развития нанотехнологий неизвестный в США дух мобилизации и борьбы с проклятыми капиталистами. Интерес американских военных к разработкам в области нанотехнологий в России был тут же объявлен «нанотехнологической агрессией», которую нужно отразить, и была задействована вся богатая идеология, выраженная словами советской песни: «Если завтра война, если завтра в поход, / Будь сегодня к походу готов!».
В качестве составных элементов «нанотехнологической угрозы» были названы: миниатюрные подслушивающие устройства, микроскопические датчики, устройства для выведения из строя военной техники, устройства контроля над функциями человеческого организма, новые материалы для ракет и военной техники, ну и конечно, «генетическое оружие». Заинтересованные товарищи тут же нарисовали картины проникновения нанороботов на атомные поводные лодки и пусковые установки для уничтожения российского ядерного оружия.
В качестве ответа на «нанотехнологическую агрессию» собираются создать: биосенсоры на отравляющие вещества, универсальные вакцины, наноуглеродные материалы для военной техники, наноэлектронные схемы для отечественной электроники, лазеры на основе нанофотоники, квантовые устройства (квантовые компьютеры) для телекоммуникаций и вычислений, биоэлектронные чипы для защиты от высокотехнологичного нападения.
Вот это все и является целью создания «Роснанотеха». Консультат по инновационным технологиям, д.ф.-м-.н. Эдуард Годик уверен, что речь идет о воссоздании централизованной оборонной экономической инфраструктуры. «Есть ли у нас шанс сейчас, создав мощный квазисоциалистический наноконцерн, опередить всех в мире в развитии нанотехнологий и захватить большой кусок (триллионного масштаба) мирового рынка? Нет», - считает Годик.
Государство делает большой замах освоения нанотехнологий. «Нанотехнология — совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов», - говорится по поводу нанотехнологий в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», одобренной правительством России 25 августа 2006 года.
Главная цель определяется в программе следующим образом: «развитие высокотехнологичных секторов экономики на базе широкого внедрения нанотехнологий и наноматериалов, обеспечивающее повышение конкурентоспособности и расширение присутствия Российской Федерации на мировом рынке наукоемкой высокотехнологичной продукции».
Но эта достаточно безобидная цель тут же дополняется обычным набором задач Государства Российского: снижение уровня угроз террористических актов, совершенствование вооружения, военной и специальной техники.
На столь внушительный список «наноугроз» трудно что-либо возразить. Но все же есть факты, которые позволяют усомниться в том, что все вышесказанное действительно существует или может появиться в самое ближайшем будущем.
Одно из перспективных направлений молекулярного производства развивается рука об руку с развитием квантовых компьютеров. В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Компьютер представлял собой кремниевый чип разрядностью 16 кубитов, состоящих из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Кристалл ниобия формируется из отдельных атомов, расположенных в определенном порядке. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре -273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием.
Вот реальный уровень нанотехники сегодняшнего дня. Лучшие образцы устройств с применением молекулярного производства способны работать только в огромном холодильнике с жидким гелием. Все же перечисленные выше датчики, устройства, чипы и прочие изделия представляют собой продукты современной микроэлектроники, микробиологии, химии, которые даже близко не подбираются к наноразмерам. Расписывание их уникальных свойств – есть последствие «нано-пурги» в США, и влияния профессиональных проедателей американского оборонного бюджета на военных и конгрессменов.
«Нанотехнологическая агрессия» представляется, мягко скажем, несколько надуманной, чтобы объяснить внезапно возникший интерес к нанотехнологиям.
Реальные перспективы
Прошло всего 17 лет с тех пор, как человек впервые сумел расположить атомы вещества в произвольном порядке. Работа на уровне наноразмеров только сделала первые шаги.
В настоящее время ученым по силам создать достаточно простые искусственные конструкции из атомов, вроде уже упомянутого названия IBM или молекулярных чипов квантовых компьютеров. Возможно, что в ближайшее время будут созданы первые работающие образцы ассемблеров.
Но пока что для применения нанотехнологий в масштабах нашего мира не решена одна фундаментальная задача. Для того, чтобы создать с помощью ассемблеров предмет сколько-нибудь осязаемых размеров, нужны миллиарды ассемблеров, действия которых нужно координировать. Дрекслер предлагал использовать в качестве органа управления нанофабрикой один компьютер, который будет передавать сигналы ассемблерам через жидкость или газ.
Практических методов решения этой задачи пока не разработано, но тут исследователей подстерегает еще одна сложность. Молекулы имеют хаотичное тепловое движение, с которым также нужно что-то делать. Один путь состоит в том, чтобы охладить ассемблеры до максимально низких температур, что устранит тепловое движение. Второй путь, состоящий в использовании хаотического теплового движения, разрабатывается компанией «Xerox».
В настоящее время подавляющая часть разработок в области нанотехнологии существует в теоретических моделях. Последний крупный успех был достигнут в 1996 году. В научно-исследовательском центре компании IBM в Цюрихе был проведен успешный опыт позиционирования атомов при комнатной температуре. За прошедшие 10 лет, несмотря на миллиарды, вложенные в нанотехнологии, существенных сдвигов достигнуто не было. До сих пор основным способом позиционирования атомов остается сканирующий туннельный микроскоп и большой холодильник с жидким гелием.
Одним из основных аспектов сегодняшнего развития нанотехнологий является чисто маркетинговый эффект. «Нано» станет одним из наиболее раскручиваемых брендов для товаров и изделий, большая часть из которых не имеет никакого отношения к нанотехнологиям: «нанопродукты», «наноткани», и прочее, в которых будут использованы достижения совсем других отраслей в науке и технике. Усилиями маркетологов весь этот букет методов будет обернут в яркую упаковку с надписью «Нанотехнология». Все, кто жаждет быстрого финансирования, выберут для своих проектов нанотехнологические вывески.
Если вернуться к «Роснанотеху», то, скорее всего, несмотря на вложенные миллиарды, быстрого прогресса нанотехнологий не получится. Вместо нанотехнологий, под этой вывеской будет развиваться микроэлектроника, микробиология, молекулярная биология, органическая химия – то есть вполне себе «традиционные» науки. Результаты этих направлений будут выдаваться за успех «нанотехнологий».
В качестве примера можно привести предложение модельера Валентина Юдашкина пошить форму для спецназа с применением нанотехнологий. Модельер тут же нашел понимание и поддержку Военно-научного комитета Центрального вещевого управления Министерства обороны России. Только вот, нет пока материала для наноформы от Юдашкина. В настоящее время мощности самого крупного в мире производства нанотрубок (корпорация «Mitsibishi» и компания МЕР; Япония – США), из которых предполагается делать очень прочные нити, составляет 400 кг в год. Однако, 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, к осени 2007 года никакой «формы с применением нанотехнологий» не будет. Скорее всего, в форме будут использованы углеродные волокна, запатентованные еще в 1880 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.
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 применятся 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 еще в неолите. Во всяком случае, китайцы освоили такие «нанотехнологии» еще в I веке н.э., когда начали делать фарфор.
На отрасль нанотехнологий возлагаются сейчас неадекватно большие надежды. Это не новшество, потому что сходные надежды бытовали по поводу электричества и ядерной энергии. Нет особых сомнений в том, что работы в области генной инженерии и создания сверхмалых устройств (тех же процессоров) в ближайшее время дадут результаты. Большинство успехов тех, кто работает в этой области скорее всего останется малозаметно для широкой публики из-за работ маркетологов и рекламы.
Если рассматривать реальные перспективы, то скорее всего, в ближайшей перспективе под вывеской «Нанотехнологии» будут созданы очень хорошие вещи в области молекулярной биологии, органической химии, и, возможно, в области электронной или даже ионной литографии. К числу наиболее вероятных достижений можно отнести методы молекулярной очистки нефти и нефтепродуктов, которые сделают возможной недоступную сегодня выработку высококачественного бензина и керосина из тяжелой нефти, мазута, нефтяных остатков. Дальнейшие эксперименты будут развиваться в направлении разложения сложных углеводородов, получаемых из нефти и каменного угля, на составные элементы; синтеза различных углеводородных соединений; переработки низкокачественного сырья в высококачественное топливо. Когда технологии дадут первые надежные результаты, нефтяные и химические компании вложат в эту отрасль миллиарды долларов инвестиций.
В области более дальних перспектив – это перестроенные и метастабильные материалы. В числе главных задач будет стоять создание сверхпрочных металлов и волокон. Это задача куда более сложная, нежели то, чем занимаются в наше время. Тонкая нить на которой подвешен железнодорожный вагон – иллюстрация к возможностям перестроенной материи. Естественно, какие последствия для технической культуры вызовет такая степень контроля над материей, предсказать очень сложно.
И, конечно, нанотехнологи будут упорно развивать создание квантовых компьютеров и сборку все более и более сложных чипов для них. Возможно также, что эти достижения позволят кардинально решить проблему дальнейшей миниатюризации обычных микроэлектронных чипов, размеры которых сейчас упираются в длину световой волны.
Перед нанотехнологиями стоит предельно сложная задача. Мало того что предстоит создать искусственную жизнь, так она еще должна выполнять задачи, несравненно более широкие, нежели выполняет жизнь естественная. Это причина того, почему задача построения универсальных ассемблеров, умеющих делать все, – дело, видимо, очень далекого будущего и неизвестно нужное ли вообще.
