Как мы обещали в прошлом номере журнала, «Главная тема» продолжает начатое в нем обсуждение нанотехнологий.

Новый импульс дискуссии дало проведенное весной в подмосковной Дубне профильное заседание Президиума Госсовета, посвященное инновационному развитию России. Незадолго до этого события прозвучало программное выступление Президента Д. Медведева, в котором он провозгласил: «Мы должны наращивать поддержку фундаментальной науки, одновременно совершенствуя и организацию этой науки. Должны реализовывать мегапроекты на прорывных направлениях развития технологий, концентрируя на них ресурсы, кадры, внимание государства».

Несмотря на то, что в Дубне было уже на что посмотреть — и с чем президент внимательно познакомился, — открыл он Госсовет с невеселой ноты: «Инструменты поддержки инноваций сегодня слабо увязаны друг с другом... Хотя мы и используем этот термин — «инновационная система», но, по сути, пока это не система!

Это набор близких, но пока еще достаточно разнородных элементов.» Такое начало настроило выступавших на весьма критический лад. Например, вице-премьер А. Кудрин откровенно заявил, что «.наша экономическая среда не обслуживает и не обеспечивает длительные разработки, прогнозирование результата и коммерческой отдачи. По совершенно банальной причине: макроэкономическая среда недостаточно стабильна и адекватна инновационной экономике.

Строго говоря, у нас сегодня нет финансовой среды, чтобы обеспечить развитие такой экономики».

При всей своей жесткости подобные оценки, однако, лишь способствовали не ревизии провозглашенных амбициозных проектов, а более ясному пониманию трудностей, стоящих на пути их реализации.

И тем более стимулировали обращение к удачным примерам, где эти трудности удается преодолевать. Недаром местом проведения Госсовета была выбрана Дубна — в ней создается новый Международный центр, призванный стать «ядром» Особой экономической зоны, ориентированной на развитие ядерно-физических и нанотехнологий. Модель, выстраиваемая сегодня именно в этой зоне, может стать прообразом будущей инновационной России.

Тон, заданный выступлениями на этом, возможно, историческом — как знать! — собрании, оказался во многом созвучен уже подготовленным материалам нашей рубрики. Приглашаем теперь с новой высоты взглянуть «top-down» («сверху вниз») на проблемы нанотехнологий, не скрывая связанных с ними надежд и сомнений.

Алексей Сисакян

 

Инновации не могут ждать!

Интервью с директором Объединенного института ядерных исследований академиком РАН А.Н.Сисакяном.

— Алексей Норайрович, нанотехнологическая программа уже обретает масштабы национального проекта. Нам известно, как исполнялись подобные научно-технические задачи в советском прошлом, когда принятие решений и возможности их реализации концентрировались в руках государства и государством же привлекались все средства, необходимые для выполнения задачи. Сегодня же принципиально иная ситуация: другая экономика, тематика чрезвычайно широка, возникает трудно решаемая проблема междисциплинарности, управляемости. Поможет ли опыт прошлых лет?

— В 2007 году Правительство России утвердило целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008 — 2012 годы». В том же году была создана Российская государственная корпорация нанотехнологий («Роснанотех») — важное недостающее звено между государством и бизнесом. Фактически государственная программа по нанотехнологиям — первая ласточка за долгое время в современных отношениях, когда государство формулирует свой интерес по отношению к науке. Естественно, хочется сравнивать с предыдущими этапами, когда государство давало науке, что называется, «задания», и под их сенью развивалось не одно направление. Когда мы говорим о советской ядерной программе или космической программе, то надо понимать, что фактически вся советская наука вмещалась в обслуживание этих главных направлений. В тех же ядерной или космической программах одновременно развивались химические, биологические и даже гуманитарные науки.

Сегодня совершенно другие условия и иная направленность по сравнению с былыми «госпроектами». Когда ставилась конкретная цель — получить конкретное изделие: бомбу, ракету, запустить человека в космос, — ориентирами служили вполне определенные идеи укрепления обороноспособности страны или достижения какого-то общественно значимого эффекта. Нынешние же нацпроекты нацелены в основном на то, чтобы добавить в нашу экономику полнокровную инновационную составляющую, а также «вписать» науку в рыночную экономику. В этом есть своеобычность, и потому их трудно сравнивать с предыдущими целевыми программами. Да у них и задача другая, в отличие от прошлых проектов, — развернуть наше воображение, наши усилия, нацелить наш труд на то, чтобы страна стала активно использовать достижения нашей науки (а они есть!) для динамичного развития экономики России.

Заседание Президиума Госсовета в Доме международных совещаний ОИЯИ в Дубне

С другой стороны, сам метод реализации этих программ отличается: что мы могли говорить о корпорациях в 50-е — 60-е годы? Мы тогда ничего о них не знали. Хотя те же Министерство среднего машиностроения или Министерство общего машиностроения по некоторым признакам напоминали очень крупные корпорации. До сегодняшнего момента мне как представителю научной части этого процесса не совсем ясны правила игры в цепочке «образование — наука — инновационные проекты — промышленное производство», для того чтобы она эффективно заработала на инновационную экономику. Любой инновационный процесс связан именно со всеми четырьмя компонентами. Поэтому, в каком-то смысле из-за отсутствия взаимодействия между звеньями этой цепочки, можно сказать, что мы сейчас находимся в самом начале пути. Уже как-то говорил, что я неисправимый оптимист, думаю, что любое начало пути связано со многими неопределенностями, но я твердо уверен, что без того, чтобы вовлечь в этот процесс ученых, не обойтись. Такие проверенные механизмы взаимодействия государства и науки, которые мы видим на примере использования потенциала Российской академии наук, как в свое время АН СССР, или такие гиганты, как «Курчатовский институт» и тот же ОИЯИ, могут быть задействованы и должны быть задействованы в этом процессе. И мы находимся в диалоге, понимая, что пока что процессы должны быть немного иные: та же корпорация «Роснанотех» в первую очередь хочет финансировать те проекты, которые дают быструю отдачу, и мало вероятно, что перспективные проекты, не сулящие быстрой отдачи, будут сегодня профинансированы, мы тоже это понимаем. Однако очевидно, что должны быть механизмы поддержки разработок на всех стадиях — от идеи до проекта...

— Сейчас Российская академия наук совместно с научными центрами, вузами, отраслевыми институтами разрабатывает общегосударственную программу фундаментальных исследований, в том числе и в области нанотехнологий. Масштаб ее финансирования будет сравним, а возможно, и превысит объемы финансирования «Роснанотеха». Таким образом, государством планируется долговременное развитие фундаментальной науки, хотя тот же председатель правительства В.М. Зубков давал такую директиву: «В кратчайшие сроки перейти к формированию полноценного конкурентоспособного рынка». Легко сказать! Ведь без того задела в фундаментальной науке, который был создан и необходим сегодня, мы далеко не продвинемся.

— Действительно, сегодня еще до конца не продуманы правила игры в секторе фундаментальной науки. Например, 30 ноября прошлого года состоялось заседание Совета по науке, технологиям и образованию при Президенте РФ, на котором обсуждался академический сектор науки, и после него подготовлено соответствующее поручение Правительству. Но фундаментальная наука в России традиционно существует и вне академического сектора: тот же «Курчатовский институт», наш международный центр ОИЯИ, вузовская фундаментальная наука, и так далее. Ситуация с государственной фундаментальной наукой, находящейся вне рамок Академий наук, не определена. К этому еще надо добавить, что многие вопросы, в том числе, я уверен, и вопросы нанотехнологий, и проблему «утечки умов», и многие другие, можно будет решить, если Россия задумается, что ей как большой стране, великой научной державе, нужна фундаментальная база — каркасные проекты или базовые установки — крупные ускорители, большие телескопы, реакторы, космические станции и тому подобное. Об этом, кстати, говорил Е.П.Велихов на том заседании Совета под председательством В.В.Путина, но тем не менее программы и механизмов, как создавать эту базу, сегодня нет. За 15 прошедших лет мы потеряли систему создания крупных национальных проектов, да и международных, в том смысле, что они должны создаваться в России, но по канонам мировой науки. Это тоже из той сферы, что сегодня еще не определена. И главное здесь — не опоздать, потому что некоторое время уже было упущено. Мы в ОИЯИ старались обновлять наши базовые установки, созданные главным образом в советский период. Но это косметические меры, а сегодня речь идет о новых крупных проектах, и лишь при их реализации Россия станет тем местом, куда будут притекать, а не откуда утекают умы.

— Можно сказать, что создание программы развития нанотехнологий вскрыло все эти накопившиеся за 15лет проблемы?

Высокие гости Дубны в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова

— Во многом, да. Пока речь не шла о крупномасштабном проекте, недостатки не были столь очевидны. Я повторяю: сегодня весь пафос этого процесса — попытка построить инновационную экономику в России, а не просто поднять фундаментальную науку саму по себе до какого-то уровня, не просто что-то сотворить, чему весь мир удивится, — это мы смогли бы достаточно быстро сделать, потому что заделов довольно много, стоило бы только добавить финансовых вливаний, и наверняка получишь эффект. Но выстроить всю цепочку — от образования и фундаментальных исследований до промышленности — довольно трудно. При этом здесь существуют некоторые процессы, которые объективно непросты. До последнего времени очень активно говорилось о частно-государственном партнерстве, и отдельные удачные примеры такого партнерства есть. Но в целом это процесс очень трудный: государство хочет увидеть во вложениях в какой-то проект частного капиталиста подтверждение устойчивости этого проекта, подтверждение его рентабельности, а частный капиталист хочет увидеть подтверждение устойчивости посредством вложений государства, и процесс в итоге тормозится. К тому же бизнес хочет поддерживать только то, что дает быструю отдачу! Я думаю, кроме призывов, здесь должна работать некая система государственной поддержки частного капитала, заинтересованного в реализации таких проектов, и система поддержки на стадии доводки проектов до товара (так называемой «посевной стадии»).

— А как продвигается создание Центра коллективного пользования (ЦКП) стран СНГ по нанотехнологиям в дубненской Особой экономической зоне?

— В начале июля в ОИЯИ при поддержке «Курчатовского института» прошли высшие курсы по нанотехнологиям для студентов старших курсов, аспирантов и молодых ученых стран СНГ, то есть Дубна уже становится площадкой для такой деятельности. Собственно, планируя создание этого Центра, мы подразумевали, что специалисты стран — участниц Института, в том числе и стран СНГ, знают о возможностях ОИЯИ, привыкли использовать его экспериментальную базу, некоторые элементы которой можно считать уже элементами ЦКП. Например, импульсный реактор ИБР-2, этот своеобразный микроскоп в наномир, ускорители тяжелых ионов (уже работающие) низких энергий и высоких энергий и будущие, которые пока только в планах, — хорошие инструменты для развития ионно-плазменных технологий, позволяющие создавать гибкие печатные платы, различные нанофильтры, которые можно использовать для очистки воздуха, воды, создания «чистых комнат», респираторов, некоторых медицинских приборов и другого. Эти достижения были продемонстрированы — и получили одобрение — Дмитрию Анатольевичу Медведеву и членам Президиума Госсовета, которые посетили ОИЯИ во время заседания, прошедшего в Дубне. Таким образом, база ЦКП уже есть, она в принципе уже используется, возможно, ее необходимо дооснастить, для этого как раз и следует использовать задел, имеющийся в Особой экономической зоне.

— Получается, что проект ЦКП очень выгоден для Дубны?

— Он естественен, причем не только для Дубны, а для всех: девять стран СНГ — члены ОИЯИ, остальные девять постоянных членов и пять ассоциированных — другие государства мира плюс сотрудничество с республиками СНГ, не входящими в Объединенный институт, — Киргизия, Таджикистан, Туркмения. ОИЯИ для них — естественная и привычная площадка для сотрудничества, и что очень важно — наличие инфраструктуры, приспособленной для сотрудничества. Я думаю, мы заинтересованы быстрее разворачивать организацию ЦКП.

...Мне кажется, что мы иногда стараемся изобрести велосипед, пугаясь вернуться назад, а надо не бояться использовать все хорошее из прошлого, для того чтобы посмотреть в будущее. Сейчас важнее добиться осуществления первых шагов, которые показали бы, что Россия может идти по инновационному пути. Для этого нужно научиться отслеживать эту цепочку и на каких-то примерах, я считаю, мы уже научились это делать. Увы, у нас есть такие «экономисты», которые считают, что этим должны заниматься только менеджеры, бизнесмены, торговцы и так далее, удел же ученых — только наука. Но это неправильно, поскольку наука должна участвовать во всем процессе, в том числе в распоряжении какими-то получаемыми дивидендами, иначе это будет несправедливая система. Вопрос о справедливом отношении к науке стоит и в глобальном плане. Кто создал главные плоды цивилизации, которыми сегодня пользуется все человечество? Наверное, в первую очередь, ученые — Гальвани, Максвелл, Фарадей, Попов, Лодыгин. Но кто распоряжается плодами и дивидендами?

Сейчас мы переходим на наноуровень, то есть уровень манипуляции отдельными атомами. Вообще-то очень скоро станет актуально переходить на фемтоуровень, закладывать основы фемтотехнологий — манипулирование ядрами и элементарными частицами, по крайней мере, это уже происходит, создание квантового компьютера — это фемтоуровень. Чем особенно интересен сегодня наноуровень — это уровень, на котором работают не только физические, химические, но и различные биосистемы. Развитие этого уровня всколыхнет развитие наук о жизни, повлечет в конечном итоге улучшение качества жизни.

Надо понимать, что атом не есть оторванная от атомного ядра система. Многие процессы, происходящие на уровне атома, регулируются ядрами, и в этом смысле нельзя разрывать наноуровень с пикоуровнем, с фемтоуровнем[* 1 пикометр = 10-12 м; 1 фемтометр = 10-15 м.], — все это взаимосвязано. Понятно, что влияние ядра на оболочку существует, и к этому надо относиться с пониманием и весьма серьезно. Это в каком-то смысле рутинная наука, может быть, ее немного проскочили в погоне за очень высокими энергиями и интенсивностями. Такое бывает. Мы вышли на уровень кварков, но на уровне атомного ядра еще не все ясно, а тонкие эффекты влияния ядра на оболочку — это уровень молекулярной биологии, уровень живых систем. Как известно, «лобовая» квантовая механика не всегда удовлетворяет специалистов по молекулярной биологии. Люблю высказывание: науки для природы и Господа Бога — едины, там нет отдельно квантовой механики, молекулярной биологии...

Директор ОИЯИ академик А.Н.Сисакян демонстрирует ПрезидентуД.А.Медведеву возможности одной из нанотехнических разработок — фильтров на основе трековых мембран, способных превращать грязную воду в питьевую

— Не в этом ли заключается высокий уровень междисциплинарности, потому что, изучая такие системы, невозможно опираться на какие-то отдельные науки и дисциплины...

— В этом есть определенное обаяние — то, что нанонауки, безусловно, междисциплинарны, это прямой мостик от физики и химии к биологии и медицине. Не обижая при этом материаловедов, информационные технологии и другие области — все это может быть поприщем для нанонаук. Но для меня лично наиболее волнующим является именно этот мостик между физикой и биологией. В начале 1960-х нам читали лекции выдающиеся ученые, и, например, И.Е. Тамм очень ярко выступал на тему того, что начало XXI века будет веком прорыва, связанного с союзом биологии и физики. Я думаю, одно из проявлений начала этого прорыва мы сегодня и наблюдаем.

— Что-то много шума вокруг этого проекта; неожиданно выясняется, что кое-кто якобы уже 100 лет этим занимается, норовит встать в одну шеренгу — тут и наноэнергетики, и наностроители...

— Да, уже рекламируют даже какую-то нановаксу. Что поделаешь, всегда есть некий негативный элемент, «попутчики», и, как следствие, у людей чувствительных может возникнуть в душе чувство протеста: «Что нам такое навязывают?» Но, с другой стороны, отделяя плевелы, я считаю, что без этого сигнала науке было бы трудно развиваться дальше. Это серьезнейший сигнал и фактически первый сигнал о том, что государство видит в науке партнера по важнейшему экономическому процессу. И повторюсь, союз физиков и биологов — это прорывное направление. При этом вот что еще важно — не забывать смотреть по сторонам, что происходит вокруг в мире. У нас иногда любят процесс свести к тому, чтобы оттачивать свои доморощенные «приемчики», это, конечно, хорошо и иногда нужно делать, но надо быть в курсе мирового процесса, в любом случае, эта наука должна быть предметом широкого международного сотрудничества, и Дубна в этом смысле могла бы быть хорошим полигоном для такого сотрудничества, по крайней мере, со странами СНГ и другими странами — участницами института.

— Реализация нанотехнологической программы потребует, судя по уровню постановки задачи, привлечения большого количества квалифицированных специалистов, и не только в самой научно-технической сердцевине проекта, но и в мощной окружающей его инфраструктуре. Откуда эти специалисты возьмутся после полутора десятилетий, мягко говоря, пренебрежительного отношения государства и общества к развитию науки, к подготовке и воспитанию необходимых кадров? Достаточно ли открытых 2 — 3 года назад новых факультетов и направлений в МФТИ, Химико-технологическом институте им. Д.И. Менделеева, некоторых других вузах или необходимо в рамках нанотехнологического проекта дополнительно обратить внимание на подготовку специалистов?

— Я думаю, что нужно прежде всего открывать дополнительные специальные кафедры в разного рода вузах — физических, химических, материаловедческих, медицинских и биологических. Хотя понятно, что и в традиционном образовательном русле эти вещи не оставались в стороне — изучали атомную физику, различные способы манипулирования атомами. Я бы этот процесс дополнил еще тем, что надо специально готовить менеджеров для науки, то есть квалифицированных специалистов, которые сумеют инновационную цепочку довести до товара. Иначе этим приходится заниматься самим ученым, поскольку без специальных знаний даже широко эрудированному бизнесмену такое не под силу.

— Это очевидный факт на сегодня? Ведь долгое время складывалось впечатление об обратном.

— Не знаю, насколько широким процессом это стало, но, по крайней мере, в Дубненском университете таких специалистов стали готовить, в других вузах тоже — я думаю, процесс пошел. Еще — необходимо восполнить пробел, который сегодня существует в образовательной литературе. Вот недавно вышла подготовленная учеными МГУ интересная «Азбука по нанотехнологиям». Мы, глядя на это, тоже решили выпустить книгу, которая называется «Ядерная физика и нанотехнологии».

— Итак, подводя промежуточный итог.

— Сейчас необходимо решение двух проблем. С одной стороны, формирование тех правил игры, которые позволят связать звенья цепочки «образование — наука — инновационные проекты — промышленность», а с другой — нам, самим ученым, настраиваться на конструктивный лад, понимая, что мы можем и должны принимать участие в процессе инновационного развития России. И будем все же оптимистами...

Материал подготовила О. Тарантина

Артем Коваленко

 

Зачем оно нам, нано?

В скором будущем я заканчиваю факультет наук о материалах Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова. Хотел бы поделиться некоторыми соображениями по поводу той области знаний, с которой я собираюсь связать свою будущую жизнь, а именно «нанонаукой».

Пока писал эту статью, много размышлял, какое слово являлось бы наиболее подходящим для того раздела науки (науки, а не технологии), который привлекает сейчас такое большое количество молодых ученых.

В английском языке есть слово «nano-science», однако русского аналога я почему-то ни разу не слышал. Гораздо чаще встречается слово «нанотехнология».

Так что же, нано — это наука или технология?

Немного истории

Давайте попробуем разобраться, как же так получилось, что объекты размером порядка нескольких нанометров привлекли к себе такое внимание. Первым человеком, получившим наноматериал, был наш далекий предок, homo sapiens. К сожалению, он не знал, что сажа (продукт процесса горения при недостатке кислорода) может представлять большой интерес благодаря содержащимся в ней наночастицам углерода, которые являются в настоящий момент предметом исследования многих ученых. Но даже если бы нашему предку сказали об этом, думаю, он все равно бы не придал этому большого значения, потому что в его время наночастицы не могли нигде применяться.

Получением сверхтонких порошков также занимались задолго до формулировки Ричардом Фейнманом основных идей нанонауки, они были нужны в катализе, изучались в коллоидной химии (в виде суспензий). Ученые знали достаточно много о химических свойствах маленьких частиц вещества, об их повышенной реакционной способности, склонности к агрегации — слипанию под действием поверхностных сил и диффузии. Однако никому и в голову не приходило, какие разительные перемены в физических свойствах частиц могут происходить при уменьшении их размера до нанометрового. Почему? Потому что никто не мог измерить эти свойства: для нанообъектов нужны «наноприборы».

Но прошло время, и некоторые ученые поняли, что на микроуровне наш мир гораздо сложнее, чем в макромасштабе, в нем происходят различные «квантовые чудеса», такие, как квантование энергетических спектров, размазывание «области нахождения» частиц, туннелирование и так далее. О них люди узнавали только по косвенным признакам. Два принципа неопределенности Гейзенберга будто охраняли вход в ворота наномира молекул и атомов, давая исследователям только издали любоваться тем, что за этими воротами творилось. Однако каким-то фантастическим образом, будто подгоняя под ответ, некоторым энтузиастам удалось создать науку, «объясняющую» большинство экспериментальных фактов, относящихся к молекулам и атомам. Это была квантовая физика. Но у нее был один огромный недостаток — как только речь начинала идти не об отдельных молекулах и атомах, а о более крупных частицах вещества, уравнения квантовой физики становились нерешаемыми, порой даже приближенно и даже с помощью ЭВМ. Дополнительные трудности возникли вследствие отсутствия — на тот момент — экспериментальных данных по таким объектам. Для начала нужно было получить и исследовать их, а потом уже строить новые теории и модели.

Здесь я хочу процитировать Фейнмана о постепенном уменьшении размеров объектов. Великий ученый говорил: «Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т.д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки- манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой — от хирургических операций до транспортирования и переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечные станки, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоемкостью. В принципе можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т.п.».

Однако есть некоторые трудности — вместе с уменьшением размера меняются «правила жизни» этих роботов, так как меняются законы физики, описывающие их жизнь. А значит, меняются и правила жизни всего, что хочет проникнуть в наномир. Учитывая все вышесказанное, можно заключить, что исследованиями в области нанотехнологии могут заниматься только наноученые, оснащенные современными наноприборами. Насчет наноученых я, конечно, преувеличил (или приуменьшил?), однако создание приборов, пригодных для изучения нанообъектов, было одной из важнейших задач двадцатого века. Появились электронная и зондовая микроскопии, получили развитие рентгеновские методы исследования. Ученые смогли почти воочию увидеть атомарную структуру вещества и те причудливые формы, какие оно может принимать на микро- и наноуровне.

Однако главная интрига нанонауки заключается, по-моему, не в простом созерцании объектов исследования, и даже не в измерении их свойств, а в том, что нано стало еще одним независимым подтверждением квантовой физики, одной из самых темных наук двадцатого века.

Эти микроскопические образования, называемые Тетраподами, получены окислением цинка

Все новое — хорошо забытое старое?

За годы обучения в МГУ я познакомился с большим количеством ученых, в основном с химического факультета, где выполнял свою исследовательскую работу. Многие из них считают, что ажиотаж вокруг нано скоро угаснет, так же, как, например, угас бум по поводу высокотемпературной сверхпроводимости. Я не согласен с таким мнением. Мне кажется, так думают люди, которые не слишком хорошо разбираются в физике и для которых нано ассоциируется только с большими деньгами, брошенными правительством на подъем российской наноиндустрии. К сожалению, от химиков, связанных с нано, зачастую требуется только синтез нанообъектов с заданными характеристиками. Такой синтез в основном базируется на методах коллоидной химии, поэтому у многих возникает впечатление, что нано — это новый раскрученный облик давно известной науки.

Похожие на розы структуры гидроксида магния получены многократным свертыванием тончайших слоев

Мне повезло. Первый разговор о будущем нанотехнологии у меня был не с химиком, а с физиком-теоретиком. Речь шла об углеродных нанотрубках. Хотя я впервые услышал об этом, меня поразило то, с каким увлечением этот человек говорил о них. Больше всего мне запомнилась фраза, относящаяся к проявлениям квантовой теории поля: «Это поразительно, что такая сложная теория действительно работает!» Я думаю, что слова «она работает!» можно назвать девизом нанонауки, если под словом «она» подразумевать всю сложную, неочевидную, «нереальную» физику, которая появилась в двадцатом веке.

Помню, как на занятиях по квантовой механике мы получали решение уравнения Шредингера для электрона в потенциальной яме. Когда я это делал, в моей голове проскакивали мысли наподобие «откуда оно вообще взялось, это уравнение Шредингера?!» или «зачем мне нужно знать про какие-то квантованные энергетические состояния в этой яме?!» Да, я понимал, что если мы этого не сделаем, то нельзя будет вывести еще одно сложное уравнение, потом его приближенно решить, чтобы полностью запутаться в формулах, и якобы узнать, откуда берется то, что я знаю еще из школы (в данном случае речь шла о квантово-физическом объяснении периодического закона Д.И. Менделеева). Однако теперь у меня вызывает бурю эмоций тот факт, что так называемые квантовые точки (нольмерные наноструктуры) представляют собой не что иное, как потенциальный ящик, в котором заключены электроны. От размеров этой точки- ящика зависит, какие энергетические переходы могут наблюдаться в энергетическом спектре точки, а это, в свою очередь, определяет длину волны света, поглощаемую и испускаемую такими наночастицами. И сразу начинаешь по-другому относиться и к уравнению Шредингера, и ко всей этой «высокой науке». Главное, «она работает!»

«Беспозвоночное магматического периода» — так называемые вискеры манганита бария

Зачем химикам нужна механика?

Исторически сложилось, что под словом «материаловед» подразумевается специалист в химии сплавов, функциональных (то есть имеющих какие-то интересные физические свойства) и композиционных материалов. Но в последнее время возникла проблема, связанная с механическими свойствами получаемых и исследуемых материалов. Особенно это относится к функциональным и композиционным материалам, а также к так называемым биоматериалам. Особый интерес сейчас представляют механические свойства наноматериалов. Приведу несколько примеров того, как знание механики помогает материаловедам.

Предположим, что вы занимаетесь технологией производства ионных проводников, которые нужны для батареек, топливных ячеек. Вы сумели получить порошок, обладающий рекордным значением проводимости. Естественно, возникает желание внедрить эту технологию в производство, но здесь вас ожидает сюрприз: готовые изделия, спрессованные из вашего порошка, рассыпаются при малейшей нагрузке! Вы не отчаиваетесь и пытаетесь за счет добавок (пластификаторов) увеличить качество прессования. Но и тут вас ожидает неудача, а именно — резкое снижение тех «рекордных» проводящих свойств. Так что же, ваш замечательный материал никому не нужен? Конечно, нет! Просто вы не учли, что механические свойства материала определяются его микроструктурой. Сейчас ученые научились делать материал, на микроуровне представляющий собой тонкие монокристаллические ниточки (так называемые вискеры). Тонкая пластинка, содержащая такие вискеры, не ломается при достаточно сильных деформациях, и при этом имеет высокие значения проводимости и емкости.

Второй пример связан с биоматериалами. Если человек получил сильную травму черепа, ему нужен костный заменитель — имплантат. Этот имплантат должен быть легким и прочным, а также «биосовместимым», то есть не отторгаться организмом. У обычных титановых имплантатов очень хорошо с механическими свойствами, но плохо с биологическими. Естественно, у ученых возникла мысль попробовать сделать имплантат из материала, близкого по составу к кости. Основным керамическим ее компонентом является гидроксилапатит (основной фосфат кальция). На нашем факультете научились изготавливать из гидроксилапатита материалы, близкие по прочности к костной ткани. Однако прежде чем опробовать их на живых существах, необходимо грамотно провести испытания на прочность, долговечность, трещиностойкость и другие механические параметры. Тут без знаний механики не обойтись!

Оказывается, знание механики может пригодиться и в таких модных и высокотехнологичных областях науки, как наноматериаловедение. С одной стороны, это связано с необходимостью скорейшего внедрения нанотехнологий в производство, что подразумевает наличие хороших механических свойств у наноустройств. С другой стороны, существует принципиальный вопрос: как работает механика на наноуровне? К сожалению, в нашей стране интерес к этой теме пока еще достаточно низок.

Междисциплинарность — вот ключ к победе!

Вместе с эволюцией наших представлений о науке изменяется и наше представление о современном ученом. Я хочу немного рассказать, каким я вижу передовика нанонауки.

Вспомним, что несколько столетий назад ученые не делились на химиков и физиков, биологов и астрономов, математиков и механиков. Так, например, М.В.Ломоносов имел обширные знания в области химии, физики, астрономии, философии и так далее. Но шли годы, рождались новые науки. И теперь, выпускаясь из университета, человек является профессионалом в достаточно узкой области знания (у нас в школе была шутка про одного из моих приятелей, что он будет учиться на «специалиста по закону Ома»). Однако рождение нанонауки делает таких ученых неконкурентоспособными. В доказательство приведу два примера.

Недавно наш факультет провел уже вторую Наноолимпиаду для школьников, студентов и аспирантов со всего света. Олимпиада проводилась по сети Интернет, участвовать мог любой желающий (подробнее о Наноолимпиаде можно узнать на сайте ). Главным ее достижением я бы назвал задания, предложенные для решения. Олимпиада не получилась «однобокой» — напротив, при решении практически каждой задачи участникам потребовалось последовательно решать физические, химические и математические проблемы. Задания получились творческими и очень красивыми (думаю, каждый участник был покорен красотой наномира, показанного на иллюстрациях).

Другой пример из моей собственной научной практики. На сегодня мне удалось поработать в нескольких научных группах. Во всех проводили химические и материаловедческие исследования. Однако те знания, которые могли дать мне преимущество перед другими работниками, были не из области химии, а из области физики и даже механики. Оказалось, что в группе было много человек, которые могли проводить синтезы, обрабатывать данные, но мало тех, кто смог бы анализировать их, строить гипотезы и говорить, что делать дальше. С другой стороны, истинные «теоретики», к которым часто обращаются за помощью в таких вопросах, не представляют себе «реального процесса», предлагают сделать такое, от чего на лице синтетиков появляется удивленная улыбка. Непонимание между теоретиками, химиками и физиками, узкими специалистами из различных областей науки может сделать невозможным развитие нанонауки и нанотехнологии в нашей стране, а тем более мы не сможем выйти на лидирующие позиции. Не стоит думать, что я утратил веру в отечественную науку, напротив, я считаю, что в России есть все возможности воспитать новое поколение ученых-нанотехнологов, которые совершат прорыв в мировой науке. Кто-то скажет, что я наивен. Нет, оптимистичен.

Наноиллюстрации к этой и предыдущей статьям предоставлены факультетом наук о материалах МГУ и сайтом с согласия авторов изображений.

Георгий Малинецкий

 

Как сказку сделать былью

Георгий Малинецкий — доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института прикладной математики имени М.В.Келдыша РАН.

Давайте расставим точки над i в самом начале. Многим исследователям в России хочется, чтобы «нанотехнологическая инициатива» в нашей стране состоялась, чтобы деньги были не только потрачены, «освоены», «распилены», но и чтобы они дали значимый, заметный, полезный результат. И в этом наши желания совпадают. Действительно, российской науке давно пора иметь большой амбициозный проект, «точку сборки» для имеющегося научного потенциала. Безвременье должно завершиться.

Вспомним большой проект, связанный с исследованием и освоением космоса. Организатор и первый директор Института прикладной математики Академии наук (ныне ИПМ имени М.В.Келдыша РАН) — трижды Герой Социалистического Труда, академик Мстислав Всеволодович Келдыш — считал, что будущее отечественной науки связано с исследованием дальнего космоса. Новая Россия не запускала космических аппаратов для изучения дальнего космоса около 16 лет... Похожим образом дело обстоит и с другими направлениями отечественной науки.

И вот нанотехнологии. Не было ни гроша, да вдруг алтын. Деньги, рапорты, обещания, ожидания, награды. И вот тут оптимизма многих коллег я разделить не могу. Почему-то вспоминается бессмертный черномырдинский афоризм: «Хотели как лучше, а получилось как всегда». Поэтому, на мой взгляд, сейчас важно было бы продумать планы, трезво оценить возможности и скорректировать задуманное, чтобы в очередной раз не сожалеть о несбывшемся.

Почему шансов на успех мало

Все работает не так, как рассчитано, а так, как спроектировано.

Ленардо да Винчи.

Поскольку речь идет о технологиях, о крупном экономическом (а не чисто научном) проекте, обратимся к цифрам. В документах, касающихся этого проекта, указана цель — занять к 2015 году 3% мирового рынка высокотехнологичной продукции. Авторы концепции развития России до 2020 года из Министерства экономического развития и торговли, недавно появившейся в Интернете, оперируют еще более впечатляющими цифрами. По их мнению, Россия к 2020 году должна занять 10% на мировых рынках высокотехнологичных товаров и интеллектуальных услуг по 4—6 крупным позициям. Доля высокотехнологичного сектора в валовом внутреннем продукте должна подняться с 10 до 17—20%.

И тут же естественно спросить: а что же мы собираемся производить? Вопрос кажется тем более резонным, что обрабатывающая промышленность в целом и сектор высоких технологий, в частности, из-за двадцатилетних реформ оказались развалены. Россия не делает лекарств, на ладан дышит авиапром, автопром не выдерживает конкуренции, и даже проданное оружие нам начали возвращать. Трудно не согласиться с В.В.Путиным, назвавшим существующее в России хозяйство «экономикой трубы».

Индия, к примеру, экспортирует программного обеспечения почти на 40 миллиардов долларов в год, в то время как Россия оружия — на 8 миллиардов. Какую нишу мы надеемся занять? Если иметь в виду раздел рынка нанотехнологий, то он таков — США — 40—45%, Европа — 15—20%, Япония — 25—30%, Азия — 5—10%. Кого из этих экономических гигантов готова потеснить Россия? И главное, с какими разработками?

Нанотехнологии ведь хороши не сами по себе, а в увязке с другими высокими технологиями, которым они придают новое качество. Какие же это технологии? Биотехнологии — 9% (но в России биотехнологическая отрасль сейчас развалена), устройства хранения данных — 15% (но в нашей стране их не делают), новые материалы (которых еще у нас нет) — 30%, полупроводники — 18%, оптика — 2%, электрохимия — 3%, полимеры — 8%. Итак, нанотехнологии выступают как прекрасная приправа к основному блюду.., которого еще нет. Поэтому, планируя развитие нанотехнологий, мы должны создать еще одну или несколько отраслей промышленности, к которым нанотехнологии должны быть «привиты». Каковы же эти отрасли? Ни в появившихся документах по нанотехнологической инициативе, ни у руководителей этой программы выяснить этого пока не удалось...

Но деньги уже выделены. Решено, что за 8 лет будет потрачено 106,4 миллиарда рублей бюджетных денег (20 миллиардов в 2008 году) и 300 миллиардов должен дать частный бизнес. В 2007 году «Роснанотех» получил 130 миллиардов рублей. И здесь, при всем уважении к научному потенциалу Евгения Велихова, энергии Михаила Ковальчука и хватке Леонида Меламеда, вновь возникает вопрос. А что, собственно, должно быть сделано? Что должно получиться в конце? Или наш бывший премьер Виктор Зубков прав: «Сегодня в сфере высоких технологий в нашей стране денег больше, чем идей»? Или тут действуют по принципу «сначала надо ввязаться.» либо «война план покажет»?

Очень популярна цитата из Льва Толстого о том, что все счастливые семьи похожи друг на друга, а каждая несчастливая несчастна по-своему. Однако по части проектов ситуация прямо противоположная. Крупный, успешный, состоявшийся научнотехнический проект сродни произведению искусства. Советский ядерный проект (в котором участвовали 500 тысяч человек, включая только 8000 ученых) не похож на американский, а они не похожи на космические инициативы. Кроме серьезной научной основы, ясной цели, талантливых самоотверженных руководителей и исполнителя нужна удача и еще очень-очень много всего. Общих рецептов успеха тут нет. Это периодически с искренним удивлением признают специалисты по управлению проектами.

Все же неудачные проекты в чем-то похожи друг на друга. Как правило, они реализуются по классической схеме: «шумиха — неразбериха — поиски виновных — наказание невиновных — награждение непричастных». Чем завершаются такие проекты, так это большим конфузом и желанием поскорее забыть о произошедшем. При этом операция «освоения средств» обычно проходит без сучка и задоринки.

В этой связи вспоминаются неоправданные надежды, связанные с управлением термоядерным синтезом, сулившие океан дешевой чистой энергии к началу 1990-х годов (проблема оказалась слишком сложной)... Использование технологий высокотемпературной проводимости — ретивые чиновники на пике ажиотажа гоняли исполнителей в Москву на еженедельные совещания, а затем как-то все затихло и забылось. Потом, помнится, речь шла о тотальной информатизации. Выступали академики и говорили о необходимости создания отечественных суперкомпьютеров и персональных компьютеров. Убедили, создали Отделение информатики в Академии. Избрали множество достойных людей в члены-корреспонденты и академики. Ну, а с компьютерами как-то не сложилось. Бывает. То ли сначала надо дело сделать, а потом награждать и избирать, то ли что другое помешало.

По внешнему впечатлению, с нанотехнологиями пока события разворачиваются по этой классической схеме. Опять выступают академики, опять решают создать, на этот раз секцию нанотехнологий в Отделении информатики. Можно надеяться, что вновь удастся успешно избрать членов Академии (в этот раз удалось «пробить» 20 члено-корреспондентских мест и 10 академических). Но позвольте, если людей уже избирают, то, может быть, все это уже сделано, и только нам об этом не сказали?! Впрочем, руководителям Академии виднее. Может быть, именно здесь все получится не «как всегда», а значительно лучше.

Однако есть не только административная, но и экономическая логика. Во всем мире, чтобы идея или теория дошла до технологий и производства, нужно, чтобы был замкнут цикл воспроизводства инноваций: фундаментальные исследования и подготовка специалистов → прикладные разработки → научные исследования и опытно-конструкторские разработки (НИОКР) (именно здесь и происходит создание технологий) → реализация товаров, услуг, появившихся возможностей → фундаментальные исследования и подготовка специалистов. Мировой и отечественный опыт показывает, что затраты на фундаментальные, прикладные работы и НИОКР делятся в отношении 1:10:100.

И здесь возникает главная проблема. Известно, что прикладную науку в ходе реформ в основном развалили лет 15 назад. Высокотехнологичных гигантов, которым по силе внедрять и выводить на мировой рынок высокотехнологичные разработки (аналогов Intel, IBM, Mitsubishi, Nokia и других) у нас пока нет. Так кто же станет использовать технологии, буде они созданы? Неужели «придумывать», «изобретать», «открывать» мы будем в России, а внедряют, производят и делятся с нами прибылью пусть другие? К сожалению, «работать на дядю» и «хорошо жить» пока не получалось ни у одной страны. Действительно, одно государство может создавать нечто новое, проектировать, планировать и использовать другие страны как «наемную рабочую силу». Но для этого надо иметь совсем не такой экономический и оборонный потенциал и не такое место в мире, как у современной России.

Обращу внимание еще на один аспект. Нанотехнологии возложены прежде всего на Российскую Академию наук и Курчатовский институт. Но Академия и, в большей степени, этот институт всегда занимались фундаментальными исследованиями и не занимались технологиями. Академия, в частности ИПМ, внесла огромный вклад в космическую программу. Но стало возможно это потому, что после теоретических и большого объема прикладных работ была создана новая отрасль промышленности, которой руководило Министерство общего машиностроения. Было кому воспринимать, конкретизировать, воплощать разработки ученых. Аналогичным образом реализация ядерного проекта потребовала создания Министерства среднего машиностроения со своими снабжением, структурой, подготовкой кадров, технологическими стандартами, спецмилицией и спецпрокуратурой. Влияние Академии наук во времена, когда ее возглавлял М.В.Келдыш, было очень велико. Однако она всегда работала, не выходя за рамки своего главного дела — фундаментальных исследований.

Сейчас решено сделать по-другому. Ситуация в РАН при этом намного более тяжелая и сложная, чем в АН СССР. В РАН, по сути, за годы реформ оказалось выбито полтора поколения исследователей в возрасте 25 — 55 лет. Сейчас ученым повышают зарплату, одновременно сокращая их число (третьего семипроцентного сокращения численности сотрудников РАН в рамках «пилотного проекта», который реализует Министерство образования и науки во главе с Андреем Фурсенко, никто не отменял). «Наука сегодня задолжала обществу. Нужны взаимные обязательства и взаимная ответственность между наукой и обществом», — заявляет министр. В министерстве есть впечатление, что достаточно заплатить побольше денег, и все будет отлично. А это далеко не так...

Таким образом, судя по опубликованным документам, по слушаниям в Государственной Думе, которые организовала в 2007 году партия «Единая Россия», по обсуждению на многих других площадках, проект программы не проработан. Это намного уменьшает ее шансы на успех.

Очень хочется ошибиться, убедить себя и коллег, что происходящее — не блеф и не сон.

Научные сомнения

Нельзя изучать эту чудесную теорию без того, чтобы порой не возникало ощущение, что математическим формулам присущи самостоятельная жизнь и собственный разум, что они умнее нас, умнее даже открывшего их, что они дают больше, чем в них было ранее вложено.

Г. Герц

В основе нанонауки лежит идея, высказанная в канун 1960 года выдающимся физиком ХХ века, одним из создателей квантовой электродинамики, нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. В статье «Внизу полным-полно места. Приглашение в новый мир физики» он поставил вопрос о совершенных материалах. В самом деле, прочность, упругость, способность к химическим превращениям определяется прежде всего дефектами, примесями. Например, химически чистое железо не ржавеет. Но можно ли сделать совершенный материал? Можно, если «собирать» его атом за атомом на молекулярном уровне.

Расчеты и эксперименты показывают, к примеру, что углеродные нанотрубки (играющие в нанонауке примерно ту же роль, что и муха дрозофила в генетике) в 100 раз прочнее стали и в 6 раз легче ее. Это, например, позволяет думать о таких проектах, как космический лифт. Точка на расстоянии примерно в 36 тысяч километров от поверхности Земли вращается с той же угловой скоростью, что и сама Земля (геостационарная орбита). Имея трос такой прочности, можно просто, как на подъемнике, поднимать грузы на орбиту. Чтобы эта сказка стала былью, надо иметь еще большие конструкции (порядка 100 тысяч километров). Но ученые уверенно продвигаются в этом направлении. Например, уже существуют (и рассчитываются в нашем институте) тросовые конструкции, в которых космические аппараты связаны тросом длиной 200—300 километров, и это придает таким объектам многие важные и полезные свойства. Однако мы отвлеклись.

Рис. 1

Идея Р. Фейнмана состояла в том, чтобы идти «сверху вниз». Создать макромашины, которые создадут меньшие машины, те еще меньше, наконец, возникнут микромашины, последние сделают наномашины, а те уж будут оперировать отдельными атомами, располагая их так, как мы сочтем нужным. Эта идея в исходном варианте была довольно быстро отвергнута как неосуществимая. Не удается построить такую иерархию машин. С уменьшением масштабов растет соотношение поверхность/объем и поверхностные эффекты начинают играть решающую роль. Например, кусок железа, разрезанного даже не на слишком мелкие кусочки, просто горит в воздухе.

Тем не менее в 80-х годах Г. Биннигом и Г. Рорером был создан удивительный прибор — сканирующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия по физике 1986 года). Он позволил не только наблюдать отдельные атомы, но и оперировать с ними. То есть путь «сверху вниз», оказалось, можно пройти! И это возродило нанотехнологические надежды.

К новому 2000 году фирма IBM подарила сотрудникам микрофотографию, где атомами ксенона на никеле были выложены буквы «IBM» и цифры «2000» (рис.1).

Кроме того, существующие технологии создания материалов и объектов подошли к естественному пределу. Напомним шкалу масштабов: 1 нм = 10 9 метра, 1 мкм = 10 6 метра; атом кремния (в кристаллической решетке) — 0,24 нм; молекула воды — 0,37 нм; углерода — 100 нм; клетка 2—20 мкм; волос 5—100 мкм.

С 1950-х годов современная микроэлектроника развивается в соответствии с эмпирическим законом, предложенным одним из основателей фирмы Intel Гордоном Муром: степень интеграции элементов микросхем на кристалле удваивается каждые два года. Эта степень определяет быстродействие и другие ключевые параметры ЭВМ. Естественно, эта геометрическая прогрессия когда-нибудь закончится. Производители стремятся, чтобы это произошло попозже, и трудятся под лозунгом «More Moore!» («больше Мура!»), однако технологический предел для современных подходов — 30 нм. И дальнейшее уменьшение ведет нас в мир наномасштабов.

Атом очень мал, а чтобы иметь значимые количества вещества, атомов надо очень много. И укладывать их один за другим «сверху-вниз» с помощью электронного микроскопа не получится. Это будет слишком долго. Поэтому основной проблемой, главным научным вызовом является поиск способов, позволяющих двигаться «снизу-вверх», и ключи к этому — самоорганизация, самоформирование, самосборка. Иными словами, должны быть созданы такие условия (определить которые предстоит исследователям), чтобы атомы сами собирались в желаемые структуры. Теория самоорганизации или синергетика (дословно — теория совместного действия) развивается в мире более 40 лет. В этой области присуждались Нобелевские премии — в 1977 году Илье Пригожину и в 1967 году Манфреду Эйгену.

Работы по синергетике научной школы член-корреспондента РАН С.П.Курдюмова, возглавившего в свое время ИПМ, получили мировое признание.

Здесь есть и глубокие идеи, и большие научные достижения, уже воплощенные в ряде технологий.В России с 2002 года в издательстве URSS выпускается серия «Синергетика: от прошлого к будущему», в которой вышло около 40 книг на русском и испанском языках. Большой интерес вызвала книга этой серии И.П. Суздалева «Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов», автор которой принадлежит к научной школе академика Ю.Д.Третьякова.

Однако... почти все, что мы знаем о самоорганизации, относится к макро, — очень немногое к микромасштабам. Механизмы самоорганизации на наномасштабах предстоит изучать в натурных и вычислительных экспериментах, выяснять механизмы, строить теории. Это очень «неудобная» область. Это уже не обычные процессы, к которым мы привыкли в макромире, но и не объекты атомной физики, которые почти век изучает квантовая механика. Это промежуточная область (когда-то все это называли мезофизикой от «мезо» — средний), в которой многие наблюдаемые эффекты и результаты экспериментов продолжают удивлять. И очень трудно оценить время и усилия, необходимые для того, чтобы здесь возникли понимание и ясность. А ведь когда речь идет о проекте, о технологиях, то тут, как в анекдоте про аспиранта: «Думать некогда, работать надо!» Да и специалистов по синергетике как-то нанотехнологи и менеджеры этой программы покуда не беспокоят. Видимо, пока имеет место стадия «неразберихи».

Другое сомнение связано с кадрами. Я имею честь работать на кафедре прикладной математики Московского физико-технического института, базой для которой является ИПМ. Уже несколько лет на кафедре работает специализация, готовящая исследователей по «вычислительной нанофизике», которую возглавляет известный специалист в этой области Г.И. Змиевская. И это не случайно — около пяти лет в ИПМ работает общемосковский семинар «Математическое моделирование нанопроцессов и нанотехнологий» под руководством директора ИПМ член-корреспондента РАН Ю.П.Попова. Направления, которые предлагаются студентам этой специализации, впечатляют — нанооптика, магнитные наноструктуры, наноструктурирование поверхностей, плазменные источники излучения для наноэлектроники, спинтроника, супервычисления для технологического расчета наноструктур. Признаюсь, узнав о нанотехнологической инициативе России, я порадовался за своих коллег. Их дальновидность и энергия позволили учить ребят тому, что понадобиться завтра и послезавтра. Очень хотелось, чтобы эти люди проснулись знаменитыми — они придумали программы, разобрались, чему и как надо учить, осмыслили ситуацию. Но прошел месяц, за ним второй и третий. И студентов на этой специализации по-прежнему остается трое.

Да и специалистов по математическому моделированию таких процессов, надо признать, вниманием не балуют. А напрасно: расчеты, которые здесь требуются, очень близки к переднему краю вычислительной науки. И делать их могут пока немногие. Одним словом, цели пока не определены и движение к ним пока не организовано.

Можно ли двигаться без всего этого? Можно! Символом нанотехнологий является молекула фуллерена (рис.2). Она по своей геометрии представляет обычный футбольный мяч, сшитый из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Это вещество было названо в честь американского архитектора и инженера Бакминстера Фуллера.

Рис. 2. Молекула фуллерена

Удивительная геометрическая структура приводит к замечательным физическим свойствам. Эти молекулы обладают очень большой прочностью: они не разрушаются, даже сталкиваясь с преградой со скоростью 104 метра в секунду. Это позволяет использовать их в качестве смазки. С другой стороны, их геометрия дает возможность с помощью структур такого типа упаковать отдельные атомы или молекулы, что может иметь принципиальное значение для микробиологии и медицины. Кроме того, они могут быть основой для высокотемпературных сверхпроводников.

Фуллеренов достаточно много в природе, они содержатся в газовой саже, в чугуне. Но, чтобы их можно было использовать, рассматривать с точки зрения технологии, надо иметь возможность производить их много и дешево. Это научились делать, испаряя графит в гелиевой атмосфере. Парадоксальный, неожиданный ход исследователей, потребовавший многих усилий и удостоенный Нобелевской премии по химии, присужденной в 1996 году Р. Смоли, Р.Керлу и Г. Крото. Но не очевидно, что следующие шаги не будут даваться так же трудно.

В нанонауке иногда открываются двери в сказку. Но нужно дать себе труд увидеть эти двери и зайти в них. Вечной мечтой, сказочным объектом была «шапка-невидимка» или «эльфийский плащ» в западной традиции. В 1968 году профессор Московского физико-технического института В.Г.Веселаго опубликовал в «Успехах физических наук» статью о гипотетических материалах, у которых диэлектрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость μ меньше нуля. Скорость электромагнитной волны пропорциональна √εμ, и если оба множителя под корнем отрицательны, то волна вполне может распространяться. Такие «левые среды» обладают удивительными свойствами. Помните из школы закон преломления sinα/sinβ = n1/n2, а и в — углы падения и преломления, nj и n2 — показатели преломления? Так вот, для левых сред этот показатель может быть отрицателен. Это означает, что, комбинируя обычные и левые материалы, мы можем заставить лучи огибать предмет, то есть создать шапку- невидимку (рис. 3).

До 2000 года эту работу и другие исследования подобного жанра, выполненные в нашей стране, рассматривали как забавный теоретический курьез. Однако в 2000 году английские ученые Дж. Пендри и Дж. Смит создали такие объекты, назвав их метаматериалами. Для них эффективные значения ε и μ отрицательны. Добиться этого удается, создавая на наномасштабах неоднородности, сравнимые с длиной волны. Разумеется, речь вначале идет об эффективной прозрачности для волн с определенной длиной в простейшей, стационарной, довольно громоздкой конфигурации.

Но двери в сказку уже открылись! Начался бум теоретических и экспериментальных работ. Математики, оптики, материаловеды увидели объекты своих исследований с совершенно другой стороны. Усилиями одного из энтузиастов этого молодого направления Э.Т.Кренкеля был создан сборник классических отечественных и зарубежных работ по новой тематике с тем, чтобы наши ученые поскорее включились в этот захватывающий поиск. Но ... Российский фонд фундаментальных исследований не поддержал издания книги, как не представляющей особого интереса. Наверно, уже действительно произошел переход от «шумихи» к «неразберихе». Ну а в науке, как и во многих других областях, «кто не успел, тот опоздал».

Подводя итог, можно сказать, что пока неясно, насколько трудным и тернистым будет путь нанонауки, но уже понятно, что без четкой постановки задачи и разумной организации мы сможем всерьез затруднить движение по этой дороге.

Рис. 3. Принцип «шапки-невидимки»

Стратегические вопросы

Лучше договариваться о запрещении вооружений, которые еще не создали.

Замечание М.В. Келдыша на семинаре

Технологии меняют мир и делают реальностью прежде немыслимое. История начала Первой мировой войны, к примеру, показывает, что англичане весьма уверенно чувствовали себя в наступившем ХХ веке. Они полагали, что Германия просто не имеет технологических возможностей начать войну. Ей не хватило нитратов для производства взрывчатки и каучука для изоляции проводов. Англичане монополизировали соответствующие ресурсы на мировом рынке и считали, что все держат в руках. Но. очень скоро была выполнена работа Ф. Габера по синтезу аммиака из воздуха (Нобелевская премия по химии за 1918 год) и изобретена резина. Технологические возможности появились, и они были немедленно использованы.

Высокие технологии самым тесным образом связаны с военными проектами. И дело не в агрессивности ученых. Просто в этой сфере отношение цена/качество может быть очень большим. Чтобы получить преимущества в вооруженной борьбе, многие страны готовы внедрять новинки с переднего края науки.

Поэтому естественно было бы подумать, как преобразят нанотехнологии военную сферу, а затем и всю нашу реальность. В США и ряде других стран многие мозговые центры самым активным образом занимаются этим кругом проблем более десятка лет. Но мы в России очень спокойны и уверены. Запомнился слайд из доклада академика Е.П.Велихова о том, что биороботы страшнее ядерного оружия и космических ударных систем. И дальше опять тишина. Может быть, руководители пока заняты — деньги распределяют, может быть, руки пока не дошли. Однако все наши попытки организовать эти исследования (кто предупрежден, тот вооружен) результатов пока не дали.

Рис. 4. Микроробот

Поэтому обращу внимание на несколько американских прогнозов — за неимением своего приходится пользоваться чужим. Революцию в военном деле прогнозируют через 10—20 лет. Но ведь и это время когда-то придет.

Сегодня распространение ядерного оружия сдерживает сложность и огромная стоимость соответствующих технологий. Работа по разделению изотопов UF6 требует моря энергии. Однако развитие нанотехнологий позволит эффективно извлекать нужные атомы отовсюду — из почвы, из морской воды. Поэтому ряд аналитиков предсказывают, что нам придется жить в мире, в котором не как сейчас — тысячи ядерных зарядов, — а миллионы. Кроме того, нанотехнологии намного улучшат отношение мощность заряда/вес.

Другое направление, которое гораздо ближе — это микророботы и нанороботы (рис. 4. 5). Представим себе стадо кремниевых насекомых, которые могут фотографировать, отравлять, выводить из строя компьютеры. Достаточно одному такому созданию залезть в пушку танка, и эта пушка станет бесполезной. В ИПМ лет 30 назад рассматривались проекты исследования и освоения Марса с помощью стай микророботов, взаимодействующих между собой и решающих общую задачу. Оказалось, что во многих отношениях лучше потерять много «малышей», чем один громоздкий агрегат. Множество интересных задач в области математики, механики, машинного зрения. Один из основоположников отечественной робототехники академик Д.Е.Охоцимский, работавший в ИПМ, считал, что, возможно, это — самые интересные задачи, что за ними будущее. Вскоре, однако, работы были прекращены заказчиком как неперспективные.

Ну а если размеры будут таковы, что мы просто перестаем видеть эти создания? В соответствии с прогнозом Л.Хэмли, речь очень скоро будет идти не только о боевых насекомых, но и о «наблюдающей пыли». Предсказывается возникновение биологического оружия триггерного действия. Эти создания уже будут жить в организме людей и по команде, к примеру, уничтожать всех, имеющих дело с делящимися материалами.

В нашумевшей статье Б. Джоя «Почему будущее не нуждается в нас» предрекается новый междисциплинарный синтез: генетика + нанотехнологии + робототехника (GNR). В этой работе утверждается, что в случае успеха создания оружия нового поколения вероятность выживания человечества оценивается в 30 — 50%. Немного, однако.

Ну, а главный соблазн, — это сверхчеловек. Речь идет, например, о продлении активной жизни до 120—150 лет (микророботы могут путешествовать по кровеносной системе, дробя по пути холестериновые бляшки). Респирациты, проекты которых разрабатываются, будут способны переносить в 20 раз больше кислорода, чем эритроциты, занимающиеся этим в организме. А еще индивидуальные лекарства, анализ генома и построение карты способностей человека. Несколько лет назад директор Института биохимической физики профессор С. Д. Варфоломеев рассказывал о возможностях наделения человека новыми органами чувств. Такие органы, например, будут ощущать радиоактивность или магнитные поля. По мнению С.Д. Варфоломеева, все главное сделано и до практической реализации осталось 10—15 лет.

Наконец, «апгрейд человека» — изменение биохимии, активизация различных систем, наделение сверхспособностями.

Рис. 5. Наноробот

Конечно, хочется надеяться на лучшее, на то, что все эти фантазии не выйдут за пределы лабораторий и научных библиотек. Но здравый смысл советует ответственным людям рассчитывать на худшее. Советует учиться, вникать, осмысливать. Видимо, давно пора вести переговоры о том, как не запустить новый виток гонки вооружений, связанный с выходом на наноуровень. А может быть, уже поздно.

Сейчас ловишь себя на мысли, что многие российские ученые напоминают лесковского Левшу. Тот пробивался к государю, вернувшись из Англии, и все советовал не чистить ружья кирпичом. Блоху подковать умел, а к государю пробиться — нет. Это посложнее будет.

В четырех «И», заявленных президентом Д.А.Медведевым (Инфраструктура, Институты, Инновации, Инвестиции) как-то не нашлось места для пятого «И» — Интеллекта[* Призыв был услышан. Пятое «И» добавили на недавнем экономическом форуме в Санкт-Петербурге]. Конечно, не надо преувеличивать его значение. Но, может быть, пригодится...

Александр Волков

 

Нанофабрика на любой домашней АЭС?

Американский исследователь Алекс Зеттл с моделью ротора из нанотрубок (см. «З-С», 7/08)

Развитие нанотехнологии, как и любой новой технологии, сопряжено с опасностями. Уже в своей знаменитой книге «Машины творения» Эрик Дрекслер описал возможную угрозу: «восстание ассемблеров». Большинство из нас пока относится к нанотехнологии довольно индифферентно. Она мало кого пугает, кроме любителей фантастики. Между тем наночастицы могут быть вредны для здоровья, хотя мы пока еще слишком плохо представляем себе, какой именно вред причиняют они, проникая в организм.

Mip — серой слизи?

Итак, автономно работающие машины — «ассемблеры», как их назвал Дрекслер — могут со временем выйти из-под контроля. Бросят свою рабскую службу, перестанут изготавливать разные микро- и макрообъекты. Начнут беспрерывно размножаться, превращая клетки живых организмов в свои собственные подобия. В конце концов вся земная биосфера погибнет. Останется лишь мертвенный конгломерат безостановочно работающих наномашин — мириад роботов. Этот фантастичный сценарий Дрекслер назвал «Gray Goo», «Серая слизь».

В романе Майкла Крайтона «Добыча» нарисована другая утопическая картина. Через неплотно закрытую вентиляционную шахту на свет вырываются исчадия ада: толпы нанороботов-мутантов. Все становится их добычей: кролики, койоты и, конечно, люди. Хаос и ужас. Хорошая охота отродий инженерного ума. Немногие уцелевшие ученые прячутся от своих опытных образцов. Править Землей теперь будут те. Война — академиям, мир — хижинам, мiр — нанороботам!

Конечно, все это вымышленные сюжеты, но они успели вселить страх в головы тысяч читателей. Теперь те морщатся от одного лишь слова «нанотехнология». Оно кажется им чем- то сродни смертоносным лучам, убивающим все живое, или вирусам из секретной лаборатории военных. Толпа невидимых роботов выглядит, в представлении некоторых, едва ли не главной опасностью XXI века.

Однако ученые обычно высмеивают подобные опасения. Вот лишь некоторые из их реплик — комментариев к роману Крайтона, опубликованных в зарубежной прессе. «С реальностью книга не имеет ничего общего... Тем более, что в паре тысяч атомов просто невозможно уместить все то огромное количество информации, которое потребуется нанороботам, чтобы накапливать энергию для своих перемещений, хранить «генетические инструкции» — планы сотворения себе подобных, а также создать обширный блок памяти. До такой компактной конструкции не додумалась даже природа».

Видение будущего: нанороботы в кровеносных сосудах человека

Быть блаженным добытчиком радия

В конце 1990-х годов слово «нанотехнология» становится популярным не только среди ученых, но и в СМИ. Все чаще говорят о «третьей промышленной революции», и все чаще раздаются критические голоса. Особенно много шума вызвала появившаяся в апреле 2000 года в журнале Wired статья одного из руководителей компании Sun Microsystems Билла Джоя «Почему мы не нужны будущему». Автор указал на страшные последствия бесконтрольного применения генной инженерии, нанотехнологии и робототехники и потребовал ограничить эксперименты в этой области.

В 2003 году под эгидой «Гринпис» была опубликована работа, посвященная опасностям, которые принесет нанотехнология. Согласно исследованию, проведенному позднее специалистами из CBEN (Center for Biological and Environmental Nanotechnologie) при университете Райса, наночастицы могут проникать в организм человека и накапливаться в нем.

Невольно вспоминаются и другие научные направления, которые поначалу казались безобидными. Так, шведский исследователь Рогер Касперсон отмечает, что сто лет назад многие так же беспечно относились к искусственной радиоактивности. Атомный век обещал стать новым «золотым веком», а добыча радия казалась пусть и кропотливым, но таким же безопасным занятием, как поэзия. Увы, как выяснится потом, и строчки с кровью, и распавшиеся атомы убивали всерьез.

Еще в 1950-е годы атомная эйфория в США, казалось, не знала предела. Тогда, в эпоху правления президента Эйзенхауэра, многие считали, что энергетическая проблема будет, наконец, решена благодаря могуществу «мирного атома». Футурологи уверяли, что при каждом коттедже появится своя миниатюрная АЭС. Лишь после Гаррисбурга и Чернобыля отношение к атомной энергетике стало очень настороженным. Мечты разбились о суровую реальность. Даже если вы захотите единолично обогревать свой дом «мирным атомом», кто же вам это позволит? Скорее, обвинят в пособничестве террористам.

Сейчас взоры оптимистов обращены в сторону нового «баловня науки» — нанотехнологии. Ее приверженцы обещают нам многое. А что говорят критики?

Сверхтонкая нанокерамика используется в качестве особо чувствительных фильтров

К их протестам пока не прислушиваются?

• В 2004 году швейцарская страховая компания Swiss Re подготовила доклад «Нанотехнология. Маленькие элементы — большое будущее?», поразивший всех своим нескрываемым скепсисом. Эксперты, готовившие доклад, опасались того, что нанотрубки могут быть так же вредны для человека, как и асбест, и рекомендовали всем, кто занимается страховой деятельностью, очень осторожно относиться к тому, что связано с нанотехнологией. Коллег предупреждали, что массовые выплаты компенсаций за вред, причиненный здоровью людей, так или иначе связанных с нанотехнологией, могут спровоцировать кризис в страховом бизнесе.

В марте 2006 года были изъяты из продажи два произведенных в Германии очистителя, содержавшие, согласно заверениям фирмы, выпустившей их, наночастицы (в их названиях были слова «Magic Nano»). Это было сделано после того, как поступило более 70 жалоб от людей, которые пользовались этими очистителями и почувствовали себя плохо. Все они испытывали удушье. У шести пострадавших был выявлен отек легких. Как оказалось, все больные по неосторожности вдохнули эти аэрозоли. (Справедливости ради, следует отметить, что шумиха вокруг товаров быстро улеглась, ибо выяснилось, что они не имели особого отношения к нанотехнологии, — их создатели лишь использовали модное словечко «нано», которое, как было сказано в заключении экспертов, «скорее, напоминало о том, что при распылении этих аэрозолей на поверхности стеклянных и керамических предметов образуется тончайшая пленка».)

В апреле 2006 года газета «Вашингтон Пост» опубликовала статью, в которой, в частности, говорилось: «[В настоящее время] никакое федеральное законодательство по охране труда не регламентирует правила обращения с наноматериалами и не говорит об опасности их использования, хотя результаты многих лабораторных исследований и экспериментов, проводимых на животных, свидетельствуют, что наночастицы... могут быть гораздо токсичнее, чем более крупные частицы тех же самых химикатов».

В апреле 2007 года на ежегодной конференции Американской ассоциации онкологических исследований были обнародованы результаты работы, проделанной учеными из Массачусетсского технологического института. Согласно им, наночастицы могут вызывать повреждения ДНК клеток тканей организма и способствовать развитию рака. Авторы работы рекомендовали соблюдать особые меры осторожности при работе с наночастицами и избегать их попадания в окружающую среду.

Еще раз о невидимых токсинах

Итак, многие страхи, связанные с нанотехнологией, на самом деле были ничем не обоснованы. Мир ассемблеров выглядит пока что утопией. Зато стали сгущаться новые страхи. На передовом направлении науки — все тревожнее.

Производство наночастиц из диоксида титана для солнцезащитных средств

В наномире даже привычные для нас материалы обретают иные свойства, причем не только полезные, но и вредные. Во время лабораторных исследований, проводившихся на рыбах, ракообразных и крысах, выяснилось, что наночастицы нередко вызывают воспалительные процессы в тканях печени, легких и головного мозга. В любом случае, при обращении с ними требуется осторожность: ведь речь идет о частицах размером в несколько нанометров. Пока ученые слишком плохо представляют себе возможные последствия для организма от попадания в него этих невидимых частиц, среди которых много токсичных.

Вспомним еще раз крохотные частицы углерода — фуллерены и нанотрубки. Подобно угольной пыли, они без труда проникают в легкие рабочих, которым приходится иметь с ними дело, и накапливаются там, что приводит к развитию воспалительных процессов и нарушению работы сердечно-сосудистой системы. В лаборатории при добавлении этих частиц в бактериальные культуры большая часть микробов гибла.

Экологи требуют, чтобы производство и применение наночастиц законодательно регулировалось и чтобы их проверяли на токсичность. Нужно непременно информировать население о возможном вреде нанотехнологии, считают они. Сами создатели наночастиц признают, что для начала надо определить степень вреда, который могут причинить организму различные частицы, а уж потом развивать массовый выпуск нанотехнологических продуктов. Они ведь опасны в основном для тех, кто занят на производстве. Для потребителей же наночастицы, скорее, безвредны, потому что входят в состав покрытия, наружного слоя и т.п., то есть прочно удерживаются за счет химических связей и не распыляются в воздухе. Главное, что они не могут попасть в легкие, а также в клетки организма.

Стоит добавить, что наночастицы вовсе не изобретены человеком. В природе они в огромном количестве образуются во время извержений вулканов или лесных пожаров. В одном литре воздуха содержится в среднем около миллиона наночастиц природного происхождения — пока это значительно больше того, что попало в атмосферу в результате промышленной деятельности человека. В любой клетке нашего организма также имеется бессчетное множество наноструктур, занятых переносом и преобразованием различных веществ.

Модное слово «нано» оказалось вечным как мир. Наноструктуры окружают нас всюду, но мы лишь недавно научились всматриваться в них. Так, будем же умеренны в восторгах и точны в опасениях! Взвесим все «за» и «против», прежде чем произнести: «Двадцать первый век станет веком нанотехнологий».

С помощью этого устройства наноформата можно выполнять счетные операции

Сверху вниз? Снизу вверх

Есть два способа изготовления наноструктур — например, транзисторов, интегральных схем памяти или отдельных частиц. Во-первых, можно поступить традиционным способом (за рубежом его принято именовать top-down, «сверху вниз»). Это значит, надо взять заготовку и вырезать из нее травлением или экспонированием, интересующий нас элемент. Впрочем, каким бы способом мы это ни делали, мы уничтожаем часть заготовки, превращаем ее в отходы производства. Во-вторых, можно использовать преимущества нанотехнологии и идти совершенно иным путем — bottom- up («снизу вверх»), ведь при определенной температуре или под действием электромагнитного поля атомы и молекулы самоорганизуются и образуют наноструктуры. Надо лишь выбрать начальные условия, и тогда мы получим то, что нам нужно, — наше дальнейшее участие в производственном процессе не требуется.

А не впаять ли вам что-нибудь в наномире?

Сами по себе наноэлементы — это еще не компьютер в сборе. Отдельные детали нужно соединить друг с другом, например, припаять их. Традиционные олово и канифоль тут не помогут. Оригинальную идею предложил немецкий физик Флориан Банхарт. Дело в том, что на поверхности нанотрубок осаждаются углеводороды, в крохотном количестве содержащиеся в воздухе. При комнатной температуре эти молекулы пребывают в движении, постоянно перемещаясь по поверхности трубки.

В опытах Банхарта при обстреле электронами одного из участков нанотрубки находившиеся там молекулы углеводородов превращались в углерод, а затем — в графит, который хорошо проводит электричество. В зону обстрела попадали все новые молекулы углеводородов, ведь им не сиделось на месте — они сновали вдоль нанотрубки. Слой графита нарастал. Стоило взять две нанотрубки и положить их крест-накрест, а затем обстрелять перекрестье, как они надежно соединялись друг с другом, причем это не влияло на их электрическую проводимость.

Солдаты на наномарше

Нанотехнология призвана защитить жизни солдат. В планах военных — выпуск обмундирования с нанесенным на него покрытием из крохотных углеродных нанотрубок. При пропускании по ним электрического тока они буквально каменеют. Достаточно одного нажатия кнопки, чтобы форма превратилась в подобие рыцарских лат — теперь от нее будут отскакивать пули и осколки. Если солдата все же ранят, можно перетянуть кровоточащую рану этим необычным материалом, как жгутом, или, например, зафиксировать сломанную кость. Во время передвижений форма будет пружинить, как искусственные мышцы. В такой одежде нетрудно даже перемахнуть через высокую стену.

На глиняных крыльях ВВС

Так ученые убедились, что самолеты можно строить и из глины. Эта осадочная горная порода состоит из мельчайших частиц размером до 0,0001 миллиметра. Создатели современных полимеров могут подчас только позавидовать некоторым свойствам глины. Известно, что при добавлении небольшого ее количества в волокнистые материалы их жесткость, прочность на сжатие и жаростойкость возрастают в несколько раз. Специалисты из Технического университета нидерландского города Делфта попробовали смешать глину с нейлоном и изготовили из этой смеси нанокомпозит — материал легкий, прочный и сравнительно дешевый. Прочность его так высока, что они рискнули изготовить из него рули направления для спортивного самолета. Поскольку опыт оказался удачным, они намерены изготовить из глины и другие части самолета.