Нанотехнологии – основа новой наукоемкой экономики

 


Прежде, чем говорить о нанотехнологиях, давайте обсудим, что мы под ними подразумеваем, и почему они сегодня актуальны.
Начиная любое новое дело, как бы оно ни называлось, очень важно выработать верную идеологию. Когда есть ясное видение цели, то есть, продумана идеология, то вопрос решения даже сложной проблемы переходит в техническую плоскость. Как раз такому подходу, умению увидеть проблему в целом, выделить приоритетные задачи и определить общую методику их решения и учит современное образование, в особенности – университетское.
Давайте применим именно такой подход и сначала рассмотрим стоящие сегодня перед человечеством глобальные проблемы, необходимость решения которых определит на ближайшие десятилетия основные направления развития научных исследований и технологий.
Предположим, мы решим проблему старости, научимся продлевать жизнь. Но если закончатся энергетические ресурсы, то жить нам будет просто не на что. Человек использует энергию, постоянно совершенствуя способы ее добычи. Сначала топили дровами, потом использовали уголь, нефть и газ. Но сегодня мы четко понимаем, что энергетические ресурсы не безграничны, а население планеты продолжает расти.
Когда я был на первом курсе университета, то прочитал, что достаточно одной стране мира, например Индии, выйти на уровень энергопотребления США (а это было тридцать пять лет назад), и всех ресурсов нашей планеты не хватит, чтобы ее обеспечить. Но сегодня мы с вами видим, что уже «проснулись» и Индия и Китай, потребляющие огромное количество энергии. Более того, западные страны вместо того, чтобы развивать ресурсосбережение, перекинули в Китай ресурсозатратные технологии, фактически создав площадку для истребления энергетических ресурсов.
Устойчивое развитие цивилизации возможно только в случае правильного энергетического обеспечения. У нас есть тепловые, гидроэлектро и атомные станции. Но в основном энергетические ресурсы уже на исходе, поэтому будущее энергетики мы связываем с атомной энергией, термоядерным синтезом, водородной энергетикой и нетрадиционными источниками – энергией ветра и Солнца. Причем Россия – уникальная часть света, самодостаточная с энергетической точки зрения, и пока наших ресурсов хватает для полноценного энергоснабжения. С другой стороны, мы имеем все необходимое для развития будущей, инновационной энергетики.
Я хочу напомнить, что в 25 декабря 2006 г.исполнилось 60 лет со дня пуска первого на евроазиатском континенте ядерного реактора Ф-1 в Курчатовском институте. Как известно, впервые в мире цепная ядерная реакция была осуществлена в США под руководством Энрико Ферми под трибунами Чикагского стадиона, но первая атомная электростанция заработала в Советском Союзе, в Обнинске, и первый атомный ледокол построили у нас. Поэтому можно смело говорить, что атомная энергетика начиналась в нашей стране. Нарождающаяся термоядерная энергетика тоже родом из России, из Курчатовского института (и название термоядерной установки ТОКОМАК – аббревиатура русских слов). Что касается водородной энергетики, то она тесно связана с развитием атомной энергетики. Поэтому нашу страну можно рассматривать как ключевого игрока на поле альтернативной энергетики будущего, причем, как в науке, так и на рынке. Важно, что курс на создание новых энергетических мощностей поддержан и руководством России. Ведь для прорыва в этой области у нас есть и хорошо развитые традиционные виды энергетики, и научная база.
Но, развивая энергетику, например, атомную, нельзя забывать о второй стороне медали. С одной стороны, мы предлагаем строить новые атомные электростанции, с другой - необходимо внедрять новые энергосберегающие технологии, придерживаясь разумного баланса. Говоря об энергосбережении, мы сегодня должны активно использовать нанотехнологии, т.е. технологии конструирования объектов, состоящих из нескольких молекул или даже атомов. Если раньше мы строили мир «сверху», двигаясь в сторону уменьшения создаваемых предметов, изделий, то теперь идем «снизу», воспроизводя из атомов и молекул системы с нужными нам свойствами. То есть, используя нанотехнологии, мы уменьшаем затраты материалов и энергии. Приведу только один пример. Около двадцати процентов всей вырабатываемой на Земле энергии сегодня идет на освещение, но если перейти от ламп к светодиодам (а это нанопродукт в чистом виде), то расходы энергии на освещение сократятся на порядок. Это равнозначно постройке несколько новых атомных станций.
Теперь давайте поговорим о том, как возникли нанотехнологии в контексте общего развития науки.
Человек всегда стремился разобраться в том, как устроен окружающий мир. Например, изучая природные материалы, сначала он брал в руки камни, сравнивал их по весу, прозрачности и твердости. Затем у него появились простые средства исследования, и стало возможным измерить углы между гранями минерала, коэффициент преломления света и др. С открытием рентгеновских лучей в 1895 году и явления дифракции рентгеновского излучения в начале прошлого века, человек проник внутрь вещества, увидел его трехмерную структуру, атомы и молекулы. Используя электромагнитное излучение и рассеяние различных частиц, человек проник в глубь материи: так возникла атомная физика, физика элементарных частиц, физика высоких энергий. По сути, этот способ исследования (который я называю «линией анализа») определил лицо науки в ХХ веке. В то же время, с середины прошлого века, начала развиваться «линия синтеза», когда ученые еще эмпирически, во многом по наитию, начали получать, искусственно синтезировать различные вещества. Это все известные полупроводниковые кристаллы и монокристаллы-диэлектрики, которые используются, например, в лазерах. Посмотрите вокруг, все, что окружает нас - от наручных часов до компьютера - содержит искусственно выращенные, несуществующие в природе, кристаллы. Ученые добились больших успехов и в создании органических материалов – огромного разнообразия полимеров и пластмасс, например синтетических каучуков. Мы можем строить космические корабли и подводные лодки и жить в них автономно длительное время. Мы можем высадиться на Луну или другую планету, вероятно, сможем в ближайшем будущем изобрести лекарства от рака и СПИДа. Перед нами огромное количество задач, но материальные и интеллектуальные ресурсы мира ограничены. Приходит понимание того, что необходимо правильно выбрать первоочередные задачи, расставить приоритеты. Сегодня у нас появляется новая возможность - искусственно синтезировать окружающий мир. Фактически мы присутствуем при смене научной парадигмы. От познания природы и проникновения в микромир мы переходим к направленному синтезу любых материалов с тем чтобы, в частности, сделать нашу жизнь лучше и удобней. Вековой опыт человечества, огромные вложенные в науку средства теперь можно использовать в самых разных областях – от синтеза новых материалов до медицины.
Говоря о смене парадигмы, я хотел бы отметить три важных момента. Во-первых, мы переходим к наномасштабам, получив возможность манипулировать атомами и молекулами вещества. Во-вторых, мы наблюдаем сближение и взаимопроникновение органического и неорганического миров. Занимаясь неорганическими моделями, мы подошли к принципам, на которых базируется живая природа, причем мы только начинаем их правильно понимать и использовать. И, наконец, третье - междисциплинарность. Работая с атомами и складывая из них новые вещества, вы уже не просто химик или физик, а снова, как во времена Ньютона, естествоиспытатель на новом, атомарном уровне знаний.
Приведу пример из близкой мне науки – кристаллографии. Кристаллография по своей сути междисциплинарна. Она возникла как часть геологии, так как изучала минералы. Исследование составляющих кристаллы элементов причислило ее к химии, открытие рентгеноструктурного анализа сделало ее частью физики, а структурный анализ биоорганических объектов сделал её одной из основ молекулярной биологии.
Сегодня мы с вами живем во времена перехода к очередному этапу развития материаловедения – созданию биоорганических веществ. Самый совершенный компьютер – это наш мозг, то есть, биомашина. Чтобы построить искусственный биокомпьютер, надо, прежде всего, понять, как устроены белки и нуклеиновые кислоты. В белковых молекулах сотни тысяч атомов. Только пятьдесят лет назад мы начали исследовать структуру и работу этих молекул, но уже разбираемся в том, как они устроены, знаем о запрограммированной смерти клеток и многое другое. Знаем главное - как устроены белковые структуры в объеме, как они сворачиваются и переносят заряд, как двигаются. То есть мы вплотную подошли к пониманию законов живой природы.
Почти шестьдесят лет человечество «играло» с модельным кристаллом кремния, в элементарной ячейке которого всего лишь восемь атомов, создавало все более совершенные компьютеры. Благодаря их развитию, мы получили такие технологии, как, например, молекулярно-лучевая эпитаксия, которая используется для создания интегральных схем и тонких структур порядка размеров атомов, и обнаружили новые структуры – так называемые квантовые точки, образование которых подчинено принципам самоорганизации.
Иными словами, мы прошли более чем 50-летний путь развития твердотельной микроэлектроники на основе «неорганики» - полупроводниковых кристаллов с восьмью атомами в элементарной ячейке, а сегодня мы пришли к технологическим решениям, в основе которых лежат базовые принципы живой природы.
Фактически теперь мы можем заниматься атомно-молекулярной архитектурой. Например, создавать бислои – модели мембраны человеческих клеток и изучать их взаимодействие со свободными радикалами, приводящее к старению. Или исследовать взаимодействие мембраны с лекарствами, и даже создавать нанолекарства и заниматься нанодиагностикой. Наномембраны уже широко используются в промышленности и в быту для очистки воздуха и разных растворов, питьевой воды, а в медицине - для выделения различных вирусов и гемодиализа. Можно создавать разнообразные нанопленки, структуры с разными свойствами – полупроводники, изоляторы, электропроводящие слои, а также углеродные нанотрубки – сверхлегкие и сверхпрочные, область применения которых невероятно широка – от создания новых веществ в их полости и доставки лекарств в нужное место в организме до построения сверхпрочного космического лифта.
Отечественных ученых можно назвать основоположниками целого ряда новых научных течений в нанотехнологиях. Это касается получения ультрадисперсных наноматериалов, разработки оптоэлектронных приборов, создания принципиально новых методов рентгеновской диагностики и исследований в области атомно-силовой и сканирующей зондовой микроскопии.
Современное материаловедение основано на рентгеновской физике и дифракции. Надо отметить, что больше всего нобелевских премий получено за открытие рентгеновского излучения и его применения для исследования окружающего мира. О расположении атомов внутри веществ мы узнали после открытия рентгеновских лучей и явления дифракции почти сто лет назад, но видеть атомы и молекулы непосредственно и манипулировать ими ученые научились недавно. Это произошло благодаря электронной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и мощным источникам рентгеновского излучения – синхротронам. Долгие годы интенсивность рентгеновских трубок менялась мало. Затем ситуация радикально изменилась. В работах советских ученых (Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчук) было предсказано существование синхротронного излучения. Оказалось, это излучение, например, в диапазоне рентгеновских частот, превышает яркость обычного рентгеновского источника на несколько порядков. Сегодня с помощью новых источников – специализированных синхротронов и лазеров на свободных электронах – можно «видеть» отдельные атомы и процессы их взаимодействия в фемтосекундном диапазоне времени.
Еще один пример. Недавно исполнилось 90 лет нобелевскому лауреату академику В.Л.Гинзбургу. В конце 40-х годов он напечатал небольшую статью, в которой рассмотрел движение релятивистского электрона в периодическом магнитном поле. Казалось бы, абстрактная теоретическая задача, но прошло несколько десятилетий, и сегодня индустрия, выпускающая продукцию на миллиарды долларов, создает устройства под названием «вигглеры» или «ондуляторы», которые генерируют это сверхняркое синхротронное излучение с уникальными свойствами. Перед вами отличный пример материализации мысли. И сегодня в Курчатовском институте у нас работает единственный на постсоветском пространстве и один из семнадцати в Европе синхротронных центров, который обладает широчайшим спектром возможностей для междисциплинарных исследований.
Во времена Ньютона человек воспринимал природу, окружающий мир как единое целое, нечто неделимое, непознанное . Наука в целом называлась естествознанием, а ученый - естествоиспытателем. Углубляясь и познавая непонятный мир, люди разделяли области познания. Появились физика, химия, геология, биология и другие науки, и они продолжали делиться на еще более узкие области. Как развивалась наука ХХ века? Опыты Резерфорда и Бора открыли пространственное строение атома и ядра. По сути, произошла революция – переход от классической модели времен Ньютона к квантовой модели устройства мира. Как следствие возник так называемый «атомный проект». В результате от фундаментальных исследований мы перешли к ускорителям, потом к атомной бомбе и атомной электростанции. В итоге мы получили новую науку, технику, и главное, новое геополитическое лицо мира.
Человечество колоссально продвинулось на пути узкой специализации, но в итоге утеряло общее видение картины мира. Наши представления об окружающем мире, с одной стороны, сильно развились, но с другой стороны, мы зашли в тупик. Узкоспециализированная система науки и образования обусловили отраслевой характер развития промышленности и принцип организации экономики. Со временем, при сохранении отраслевого характера промышленности, постепенно сформировались интегрированные межотраслевые технологии. Появились информационные технологии. Их по ошибке отнесли к одной из новых специализированных отраслей. Но это не так, информационные технологии стали первыми НАДотраслевыми технологиями. Они присутствуют во всем – от самолетовождения и медицины до образования. Теперь появились нанотехнологии. Их также пытались «дорисовать» в виде отдельного направления. Но и это неправильно, это серьезная ошибка. Потому что нанотехнологии – это надотраслевая область исследований и технологий, интегрирующая специализированные естественнонаучные дисциплины в новое естествознание ХХI века. Это тот фактор, который изменит все. Если у вас не будет наноматериалов, нанотехнологического подхода к синтезу новых материалов, то не будет новых самолетов, лекарств и веществ с уникальными свойствами. В любой области прогресс будет связан, прежде всего, с атомно-молекулярными построениями. Более того, даже информатика полностью изменится благодаря нанотехнологиям. Используя принципы биоинформатики с помощью нанотехнологий, мы сможем полностью изменить суть самой информатики. Важно то, что нанотехнологии, действуя таким образом, оказываются единственным общим фундаментом для всех областей, что фактически возвращает нас к восстановлению целостной картины мира. Если мы рассматриваем мир с позиций атомов, то опять становимся естествоиспытателями, но уже на уровне современного понимания. В этом и есть глубинный методологический и философский смысл нанотехнологий.
В течение ближайших десяти-двадцати лет полностью изменится и экономическая картина мира. Фактически мы с вами являемся современниками новой научно- технологической революции. Если предыдущая революция связывалась с атомным проектом, то современная революция – нанотехнологическая. По масштабам и последствиям она превосходит все прежние революции, потому что мы на атомарном уровне вмешиваемся в природные процессы, и на этой основе будем создавать новую наукоёмкую экономику XXI века.
В заключение, рассмотрим один наглядный пример. Представьте, вы хотите создать с помощью нанотехнологий устройство, подобное человеческому глазу. Какой специалист может решить эту задачу? С одной стороны, это уникальный оптический прибор. С другой - это биологический объект – белок родопсин, в котором протекают сложные биохимические процессы. Так что моделирование глаза - это задача для большой команды специалистов из разных научных областей: физиков и математиков, химиков и биологов, медиков и физиологов, работающих в рамках единого подхода.
Серьезным фактором, препятствующим развитию такого единого подхода, является действующая сегодня система финансирования и организации науки. Она построена по узкоспециальному принципу и затрудняет организацию междисциплинарных исследований. Чтобы перейти к новой экономике, необходимо в корне изменить нынешнюю организацию науки. Причем это касается не только России. За страной, которая поймет это и сможет перестроить систему научных исследований - будущее. И я уверен, что Россия может стать лидером в этом соревновании века.