http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=b693bc8d-d390-42f1-90de-777e077c667e&print=1© 2024 Российская академия наук
Нанопродукты, наночастицы, нанопорошки... Нано - у всех на слуху, но одни считают шум вокруг нано блефом, другие полагают, что грядет нанореволюция, к которой надо готовиться уже сейчас. Своими размышлениями по этому поводу с корреспондентом “Поиска” поделился директор Центра фотохимии РАН академик Михаил Алфимов.
Все сложнее, чем кажется
Сегодня многие заявляют, что занимаются нанотехнологиями. Смею заверить - это, мягко говоря, преувеличение. Задачи, которые на самом деле стоят перед учеными и инженерами, очень сложные. Хочу повторить то, что до меня уже сказали многие: нанотехнологии - это действительно манипуляции атомами и молекулами. То, что природа научилась делать в процессе длительной эволюции, человек пытается повторить с помощью ННТ. По существу, мы подошли к этапу научно-технического прогресса, когда будем в состоянии создавать материалы и устройства, которые по функциям и сложности сравнимы с биологическими материалами и устройствами. И на этом пути не будет простых решений.
В настоящее время имеются два вектора движения в наномир - сверху вниз и снизу вверх. “Сверху вниз” - это эволюционный путь, когда осуществляется переход от использования микроструктур к наноструктурам. Наиболее ярким примером такой эволюции является электроника, где происходит переход от микроэлектроники к наноэлектронике путем постепенного уменьшения размера элементов. Примеры эволюционных изменений есть и в материаловедении.
Наноструктурированные так называемые простые материалы, о которых можно прочитать в популярной литературе, получают путем добавления наночастиц в широко применяемые материалы или методом нанесения их на поверхность изделий.Такие процессы наномодификации улучшают свойства материалов, но ожидать революционных изменений на этом пути не стоит.
Вот когда человечество научится создавать наноструктурированные материалы по технологии “снизу вверх” - из атомов или молекул за счет процессов самосборки, как это делает природа, тогда и произойдут революционные изменения в технике - появятся наноструктурированные материалы и устройства с уникальными характеристиками. Такие материалы будут иметь сложный состав и иерархическое строение (подобно матрешке). Все биоматериалы имеют именно иерархическое строение. Например, сетчатка глаза состоит из структур разного масштаба, вложенных одна в другую: светочувствительной молекулы 11-цис-ретиналя, встроенной в белок, размещающийся в мембране диска, который, в свою очередь, встроен в палочку (или колбочку), являющуюся элементом сетчатки.
Для того чтобы человек научился создавать материалы, обладающие свойствами, подобными свойствам биоматериалов, требуется колоссальный запас знаний, относящихся к разным масштабам - атомарному, молекулярному, нано, микро, макро. Физические и химические законы, действующие на всех уровнях масштаба, нам известны и одинаковы во всех системах. Но сформулировать один закон, описывающий различные иерархические системы (материалы и устройства), не удастся. Нужно будет изучать каждый материал и каждое устройство. И это - одна из проблем.
На этом пути возникают очень непростые исследовательские задачи. Нужны тонкие методы, позволяющие такие сложные объекты изучать, проектировать, строить модели. Надо научиться описывать их на разных уровнях масштаба, связывая результаты расчета каждого уровня между собой. Это значит, что мы должны в ходе исследования применить все способы описания, известные человечеству. Ведь нужно построить структуру, сравнимую с биоматериалом!
Решение таких сложных задач требует совершенно иной формы и организации исследовательской деятельности. Создавая наноматериал, мы работаем на уровне атома и в то же время - на уровне материала. Ученый, владеющий законами, которые управляют атомами, и ученый, владеющий законами макромира, должны понимать друг друга и знать больше, чем они знали в той узкой сфере, специалистами которой являются. Такая работа возможна только в рамках больших проектов, объединяющих достаточно много творческих людей, специализирующихся в разных отраслях.
Три кита
К сожалению, российские ученые за последние 15 лет отвыкли от крупных проектов - мы жили мелкими грантами, соответственно, и цели крупные перед собой не ставили. Но все же у России есть серьезный шанс занять лидерские позиции в ННТ. Почему?
В первом номере журнала “Форсайт” за 2007 год был опубликован сравнительный анализ научной специализации различных стран. Оказалось, что Россия - одна из немногих стран, в которой одинаково высоко развиты физика, химия и математика. А необходимым условием успеха в области нанотехнологий считается именно наличие достаточного числа специалистов прежде всего в области физики, химии и математики. Потому что физика - это методы исследований, химия - это вещество, с которым нужно работать, математика - это методы компьютерного анализа и моделирования, без которых в области сложных систем просто нечего делать, ведь наноструктурированные материалы нельзя получить путем простого смешивания одного вещества с другим.
Без жесткой связки в проекте специалистов во всех трех областях решить большую задачу, связанную с ННТ, не удастся. В других странах больше развита либо физика, либо химия, и им еще придется доращивать недостающие элементы, у нас же сохранились все школы. Плюс к этому - базовая гуманитарная культура России с ее давними традициями, наше образование, заточенное под решение как раз таких всеобъемлющих, сложных задач.
Однако наличие кадров и большой науки - не единственные условия успешного развития нанотехнологий. Еще ведь надо выйти на рынок нанопродуктов. К счастью, власть осознала, что нанотехнологии - не просто новая отрасль, а новый этап цивилизации, новая культура, которая повлияет не только на всю промышленность, но и на жизнь общества. В достаточно короткие сроки были приняты практически все необходимые государственные решения для того, чтобы начать движение. Инновационный механизм мы начали строить на сегменте ННТ: вырастим нано - значит, создадим всю высокотехнологическую индустрию и вместе с тем обеспечим науке новый этап развития.
Таким образом, налицо все необходимые условия для развития нанотехнологий. Есть научно-техническое сообщество и фундаментальные научные заделы, приняты основополагающие решения о создании нанотехнологической сети, выделены крупные средства для дальнейшего движения. Конечно, в будущем потребуются и новые ресурсы, и новые решения, но на сегодняшний день власть выполнила свою функцию в полной мере. И теперь начинается самое тяжелое. Даже тех немалых денег, которые выделили, не хватит, чтобы вести работы по всему фронту, по всем направлениям, которые возможны, - ни у одной страны нет таких средств! На что они должны быть потрачены, кто будет принимать решения и где гарантия, что деньги не уйдут, как бывало, в песок?
Четыре опоры
К политике я отношения не имею, но, оценивая государственные шаги в области ННТ с точки зрения системного подхода, вижу, что в стране есть понимание, как нужно решать проблему. Есть правительственный совет по нанотехнологии, который принимает политические решения. Этот орган никому ничего не может приказать, но именно он вырабатывает стратегию развития, которой все должны следовать. Есть четыре столпа, четыре опоры нано - Минобрнауки и Роснаука, РАН, головная научная организация РНЦ “Курчатовский институт”, стоящий во главе наносети РФ, и госкорпорация “Роснанотех”. Есть Федеральная целевая программа “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы”, в рамках которой предполагается израсходовать 50 процентов бюджета на нано, принята инфраструктурная программа, в которой обозначены организации не только исследовательские, но и образовательные и на которую также выделены деньги. Принято решение о том, что нужно делать по метрологии, как обеспечить информацией всех участников государственной программы, как готовить кадры для Национальной нанотехнологической сети.
Мне импонирует, что строится самоорганизующаяся система. “Вручную” было бы просто невозможно построить такую сложную многоэлементную, многофункциональную структуру. В ННС определены игроки, правила игры, критерии оценки, а теперь система должна работать сама.
Причем, обратите внимание, все инструменты, которые созданы, находятся в руках разных групп. Совет по нано определяет стратегию, федеральное министерство и агентство отвечают за федеральную целевую программу. Российская академия наук - за фундаментальное направление исследований. “Роснанотех” - это менеджеры, они занимаются вопросами вложения денег в коммерциализацию разработок. Следующая группа - Курчатовский институт, научный координатор всех действий на поле нано, который, надеюсь, получит статус национальной лаборатории. Все группы имеют свои финансы, они независимы, самостоятельны, не могут приказать друг другу, но в то же время зависят друг от друга, поскольку все отвечают за конечный результат - выход на рынок отечественных нанопродуктов. А значит, придется договариваться, координировать свои действия в достижении поставленных целей.
Системных решений такого уровня в области, глубоко погруженной в науку, в нашей стране еще не было. Кстати, многих наших зарубежных конкурентов это напугало. Правда, они, наверное, сомневаются, что мы все это выстроим. Но что может нам помешать?
Недостающее звено
Сделать сегодня можно практически все, надо только поставить задачу, найти людей и дать им деньги. Но связать науку и бизнес - это полдела. Наука говорит, можно ли сделать тот или иной продукт, бизнес - о том, как сделать продукт и сколько это будет стоить. Но нужен ли ваш продукт кому-нибудь? Поиском ответа на этот вопрос также должны заниматься профессионалы. Система будет эффективна, если в ее основе будет триада “наука - маркетинг - бизнес”.
Американцы входили в область нано, имея развитую инновационную систему. Мы начинаем практически с нуля - в советские времена вопросы “внедрения” научных разработок решались административными методами и не привели к созданию прочной системы, в постсоветские - надежды на то, что “само вырастет”, не оправдались. Сейчас мы выбрали вариант, который соответствует нашему уровню развития экономики, взаимоотношений, и строим в определенной степени управляемый механизм. Идея использовать в качестве одного из инструментов корпорацию - очень правильная, это как раз то самое недостающее звено между наукой и бизнесом. Корпорация позволяет позиционировать и изначально выстраивать правильную политику в условиях рынка.
Государство обязало госкорпорацию эффективно вкладывать деньги в нано, и она не может тратить их ни на что другое. Корпорация должна правильно выстраивать коммерциализацию разработок. Но прежде всего надо определить сегменты рынка товарной продукции, на которые Россия будет выходить.
Задача наномаркетологов многоплановая - надо не просто знать, где рынок пустой и где есть спрос. Главное - определить потенциальные области спроса, предвидеть потребность, которая возникнет у общества, у цивилизации не только в ближайшее время, но через 15 - 20 лет. Увидев эти потребности, можно спрогнозировать сегменты рынка, которые появятся в будущем. И именно на них ориентировать все разработки. Для того, чтобы предвидеть запросы рынка, надо понимать основные тренды развития общества, человека, его интересов и потребностей. И это уже задачи для философов, экономистов, социологов... Не зря же на Западе в экспертных советах, которые занимаются прогнозированием научно-технического прогресса, работают даже... домохозяйки! Почему? Потому что они чувствуют нужный им товар!
После того, как путем многочисленных обсуждений будут определены крупные сегменты, связанные с рынком, вокруг них будут формироваться исследовательские коллективы. Так делается во всем мире: есть некие цели, для их достижения создаются большие консорциумы ученых, они разрабатывают определенную область знаний, в недрах которой появляется много - или хотя бы несколько - продуктов, которые потом выйдут на рынок. Есть ли у нас такие продукты?
Долго и коротко
Год назад в США опросили менеджеров тысячи компаний, задав им один вопрос: связываете ли вы с ННТ улучшение качества своих товаров - 52 процента ответили “да”! В нашей стране достаточно много компаний, которые производят порошки, пленки, покрытия, другие материалы с улучшенными свойствами. Это так называемые простые наноматериалы первого поколения, которые раньше остальных войдут в нашу жизнь. Получать их довольно просто, поскольку технология производства материалов не меняется, а лишь дополняется различными модификациями. Кстати, до 2015 года прирост мирового ВВП за счет нанотехнологий будет связан именно с производством таких простых наноструктурированных материалов и устройств.
Уже производятся наноматериалы для текстильной промышленности (благодаря нанопокрытиям одежда не мнется, обладает бактерицидными свойствами), автомобильной, пищевой, бумажной, лакокрасочной, нефтехимической. Эти производства и раньше использовали дисперсные системы, а переход на наноразмер сразу придал материалам новое качество, расширил их функции.
Исследований на этом поле у нас много, но характерно, что ведутся они небольшими группами в университетах или научных институтах - для решения сегодняшних задач промышленности. При этом есть коллективы, уже сейчас занимающиеся материалами сложной архитектуры, которые строятся за счет самоорганизации наночастиц. Эти работы приведут к созданию наноматериалов следующего поколения, которые, например, будут способны интегрироваться в организм - в качестве различных имплантатов, нанотканей - заменителей биологических тканей и т.д.
Создание биосовместимых материалов - сложнейшая задача еще и по той причине, что каждый человек уникален и материалы надо подгонять под его индивидуальные особенности. К тому же, вживляя такие материалы в организм человека, мы должны быть уверены в их безопасности для его здоровья в будущем. С точки зрения вызова для науки это интересно, перспективно, престижно, но если всем начать исследовать сложные объекты, то нас ждет большое разочарование, поскольку здесь еще знаний не хватает. Поэтому Россия должна пройти этап освоения простых наноматериалов - это будет маленький шажок к новой культуре. Если мы декларируем, что в материалах и устройствах будут использоваться наноэлементы, нам надо научиться их получать, характеризовать, исследовать, использовать в простых технических устройствах, а уже потом получать нечто более сложное. Исходя из этого лучше разделить цели на краткосрочные и долгосрочные.
Причуды спроса
Одно из направлений развития ННТ - индивидуальный контроль состояния здоровья с помощью наносенсоров. Система таких датчиков способна измерять не только давление, пульс, но и химический состав крови, причем для этого не надо делать ее забор. Датчики, укрепленные на коже человека, позволяют по выделяемым жидким и газообразным веществам фиксировать состояние здоровья человека. Эту информацию можно передавать в базу данных, например, медицинского учреждения. Подобная система датчиков необходима для отслеживания состояния не только больного человека, но и здорового - важно иметь информацию о самочувствии оператора на атомной станции, машиниста электровоза, летчика...
Создание биосовместимых материалов, которые появятся после 2015 года, еще более сложная задача. Их надо вживлять в организм, они должны быть способны интегрироваться в него - значит, их надо подгонять под индивида. И вообще человек требует для себя все более и более персонифицированных изделий и материалов.
Маркетинг, который проводят во всех странах, показывает, что происходит стратификация спроса и даже персонификация спроса. И фирмы начинают приспосабливать изделия под индивидуальные интересы и потребности. Создаются базы данных, выясняются предпочтения.
Уже сегодня стоит задача разработки лекарств и других биосовместимых материалов для каждого индивидуума. Тренд развития цивилизации, связанный с персонификацией требований человека к потребляемым изделиям, ставит принципиально новые вызовы не только перед наукой, но и перед будущей индустрией. Современные технологии производства не способны создать изделия, соответствующие персональным требованиям индивидуума, поскольку на планете нас - 6 миллиардов.
На столь разнообразный спрос пока умеет отвечать только природа. Она позволила всему живому приспосабливаться к изменениям окружающей среды, потому что может решать проблему разнообразия материалов, организмов и т.д. Например, какой-то вид животного ведет ночной образ жизни, а потом под влиянием изменений окружающей среды (или иных причин) через сколько-то поколений начинает жить днем. При этом спектральная чувствительность зрительной системы меняется в результате изменения состава и строения зрительного пигмента (наноструктуры). Если мы научимся создавать иерархические структуры, то удастся в рамках единой технологии получать наноструктурированные материалы с разнообразными свойствами, варьируя строение и состав наноэлементов.
На вызовы персонификации спроса можно ответить и производя материалы с избыточными функциями, а на стадии использования “подгоняя” их под индивидуума, варьируя, например, строение наноразмерных элементов. Скорее всего, будущее - за наноструктурированными материалами, имеющими иерархическое строение.
Нано - ключик золотой?
Ясно, что все эти сложнейшие задачи можно решить только с помощью науки во всех ее ипостасях - академической, вузовской, отраслевой. Сейчас для научно-технического сообщества наступает самый ответственный момент - надо определить национальные приоритеты развития наноиндустрии. Американцы, например, поставили перед собой суперцель - стать лидерами в коммерциализации наноразработок, это амбициозная задача. Мы тоже должны определить для себя суперцель. Все теперь будет зависеть от того, сможем ли мы выбрать такой сегмент, который не требовал бы, к примеру, немедленного строительства сотни заводов, но смог оказать широкое воздействие на различные сегменты уже существующей промышленности.
Нам надо подняться на уровень не просто государственных, а национальных интересов. Надо постараться все обсудить (а не стремиться протащить свою тематику), договориться о приоритетах. И от этого будет зависеть, насколько эффективно будут тратиться деньги, насколько быстро мы будем продвигаться.
Ведь в фундаментальных вопросах науки о нано мы не отстали, после принятых решений законодательно определены все инструменты для достижения целей. Вот теперь нужно, чтобы из инструментов сложился оркестр, который будет играть согласованно. Как только вы называете направления и определяете сегменты, все начинает выстраиваться. Получив партитуру, музыканты становятся единым оркестром. А значит, российскому научно-техническому сообществу нужно будет договариваться. И другого варианта нет! Тогда будет уверенность, что мы все сможем сделать. Конечно, не все сразу получится, репетиция будет долгой. Но сейчас важно выработать стратегию, а конкретные проблемы будем решать в процессе работы.
Все постепенно приходят к пониманию того, что необходима выработка такого согласованного решения. Это осознают в академическом сообществе, хотя оно, конечно же, персонифицировано - за каждым из корифеев науки стоят школа, опыт, вера, что именно его направление самое важное. Но все равно надо решить, что в первую очередь, что во вторую. Это сложная, многопараметрическая задача, которая требует обсуждения. От того, как скоро мы ее решим, зависит, насколько быстро мы выйдем на какой-то сегмент рынка.
Времени у нас очень мало, в этой ситуации культура обсуждения, которое ведут эксперты, должна существенно измениться. Если мы не посадим всех за стол, то можем сильно просчитаться. Поскольку имеются несколько групп влияния и групп, контролирующих крупные ресурсы, процесс принятия решений должен быть прозрачным. Придется всем все объяснять, убеждать.
На нынешнем этапе роль научного сообщества как носителя знаний, традиционной культуры, на мой взгляд, ключевая. Для ученых наступает поистине золотой век! Нано - это поле, которое дает возможность для творчества всем, на его базе будет строиться новая научная культура. Важно и то, что результаты, которые уже получены, увлекают молодых.
Мощный, объединяющий потенциал нано я могу наблюдать на своих коллегах - даже те, кто не имел отношения к тематике по нано, начинают подтягиваться, потому что это интересно, это национальная задача, это внимание государства! Я вижу, что все вовлеклись в обсуждение, и это очень здорово.
Надо признать, поворот власти к науке произошел не без участия энтузиастов ННТ. Объяснить власти такие сложные понятия, как нано, - уже одно это дорогого стоит, ведь могли и не понять. Государство, на мой взгляд, сделало все правильно - оно создало инструменты и выделило деньги. Так что нано - это всерьез и надолго. Вообще, мне все это нравится. Замах России на такую проблему - это историческое решение. Ставка на интеллект - это правильно, мы ждали этого! Надеюсь, что у нас есть и еще появятся менеджеры, которые помогут воплотить идеи в практические дела.
А на месте государства я бы занял сейчас очень простую позицию: вы хотели поднять науку, говорили, что помощь государства недостаточна - мы обеспечили поддержку и будем делать это и далее, но теперь дело за научно-техническим и бизнес-сообществом. А за государством - прессинг и контроль!
И больше ничего не надо - все придет в движение! Ученые и инженеры давно мечтают о масштабных проектах! Сегодня мы в состоянии выстроить систему, которая позволит не только привлечь молодых, но даже вернуть тех, кто уехал. И хотя я сам немолодой человек, мне очень нравится участвовать в этой “большой стройке”, где все делается системно и по уму!