В какой-то степени развитие нанотехнологий определяется нашей (то есть всех членов общества и «Нанотехнологического сообщества», в частности) верой в них. В какой-то мере мысль материальна, поэтому возникает идея это развитие (и наше будущее) формировать и формировать, все же, на принципах оптимистического реализма. Ниже дана спорная, но реалистично-оптимистическая точка зрения.

АКСИОМАТИКА

Нанодиапазон – участок пространственной шкалы 1 – 100 нм, в котором реализуются основные взаимодействия в наносистемах и который ограничивает сверху и снизу геометрические размеры нанообъектов по одному или нескольким измерениям. При этом принято говорить, что вещество находится в «наносостоянии», если проявляются свойства, отличные от химических, физических или биологических свойств макросостояния (объемного состояния) вещества. Объекты, все размеры которых меньше 1 нм, относятся к области деятельности того или иного классического раздела химии, физики и пр. Объекты, все размеры которых больше 100 нм, относятся к микро и макро-объектам и рассматриваются, в лучшем случае, как дисперсные системы, не проявляющие особенности наносостояния. Нанотехнологии – совокупность химических, физических или искусственных биологических процессов, позволяющих контролируемо оперировать с нанообъектами, формирующими те или иные материалы, устройства или технические системы. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и темплатного синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства. Наноматериалы (НМ) – продукты нанотехнологий, материалы, практически-важные (функциональные) свойства которых определяются химическим составом, структурой, размером, размерностью и упорядочением составляющих их фрагментов, имеющих размер 1 - 100 нм.

При планировании концепций развития нанотехнологий следует исходить из нескольких постулатов (аксиом), которые предопределяют все дальнейшие рассуждения и планы практической реализации вырабатываемых концепций.

Аксиома 1.Нанотехнологии способны выступить локомотивом («катализатором»), который будет способствовать движению вперед в области науки, технологии, техники, образования, ВПК и других важнейших отраслях с целью долговременного улучшения благосостояния граждан РФ и обеспечения устойчивого развития РФ. Иными словами, развитие нанотехнологий в России непреследует цель простого «освоения денег», то есть получения сиюминутной прибыли государством или физическими лицами без дальнейших перспектив стратегического (долговременного) использования полученных результатов российским обществом.

Аксиома 2.Понятие «нанотехнологии» не является «однородным и бесформенным» (или универсальным). Нанотехнологии имеют различный смысл, значимость и наукоемкость в зависимости от их практического приложения к той или иной области человеческой деятельности. Иными словами, нанотехнологии применимы в различной степени практически во всех значимых областях промышленности и повседневной жизни и пр., однако методы и целесообразность их применения, а также способы использования их результатов могут кардинадльно различаться. Кроме того, нанотехнологии сосуществуют в различных стадиях (классах) своего исторического (эволюционного) развития. Нанотехнологии группы А1 (назовем их условно ретронанотехнологии (РНТ)) – те знания и технологии, которые известны уже давно или очень давно, но которые только сейчас начали заслуженно или незаслуженно относить к нанотехнологиям. Нанотехнологии группы А2 (условно, квазинанотехнологии, «почтинанотехнологии» или тривиальные нанотехнологии) – технологические приемы, которые уже разработаны или требуют незначительного улучшения для доведения до оптимального состояния, практически не требуют генерации новых знаний, в том числе фундаментальных, а также не нуждаются в проведении интенсивных научных иследований современного уровня; такие КНТ, как правило, работают с хорошо известными дисперсными или ультрадисперсными системами и не нуждаются в использовании «наноэффектов», изменяющих размерно-зависимые физические свойства нанообъектов. Эти технологии могут быть многотоннажными и дать сиюминутный экономический эффект без больших шансов получить новую защищенную международными патентами и лицензиями интеллектуальную собственность (ибо такая собственность уже давно и надежно защищена кем-то другим, а не нами, и не для нас). Нанотехнологии группы Б (наукоемкие нанотехнологии) – нанотехнологии, основанные на генерации новых знаний, прорывных идей, использовании самого современного синтетического и аналитического оборудования. Они не могут быть воплощены в промышленное производство немедленно, однако способны создать задел как для развития новых отраслей производства высокотехнологичных материалов и устройств (товаров), так и новой интеллектуальной собственности, которая не защищена еще патентами других стран и поэтому официально может стать именно нашей (если вовремя успеть это сделать). Нанотехнологии группы В или нанотехнологический форсайт (foresight, предсказание) – развитие фундаментальных исследований в области нанотехнологий на отдаленную перспективу, поиск новых эффектов, принципов функционирования, пока еще не существующих материалов, работа на опережающее развитие нанотехнологий в РФ. Футуристика – мечты о будущем (иногда сюрреалистические или научно-фантастические), подогревающие интерес в обществе к нанотехнологиям. Наконец, нанотехнологии – лишь верхушка айсберга, их прикладная, инженерная (инновационная) реализация непосредственно связана с развитием фундаментальных аспектов нанотехнологий (nanoscience, «нанонаука») и способов исследования (сертификации, метрологии) нанообъектов.

Аксиома 3.Нанотехнологии не возникли внезапно и на пустом месте. Они являются междисциплинарной областью исследований (при этом под междисциплинарностью следует понимать комплексную структуру знаний, более широкий научный кругозор, достигнутый за счет усложнения знаний, но не в ущерб профессиональной четкости и фундаментальной глубине), основанной на достижениях химии, физики, биологии, механики и других классических наук, а также связанным с закономерной эволюцией этих и других наук прорывом в разработке методов синтеза и анализа (в том числе – визуализации и моделирования) веществ и материалов. В этом плане нанотехнологии – это потенциальное (зачастую - существенное) улучшение многих практически-важных материалов и устройств, но не всеобъемлющий переворот наших знаний, как иногда полагают. Именно поэтому к нанотехнологиям следует подходить без фобий, а именно – как к новой междисциплинарной, наукоемкой и ресурсоемкой области исследований и инноваций (в смысле научной, практической подготовки, баз данных и самого современного оборудования). Именно поэтому нанотехнологии требуют новые высококвалифицированные, специально подготовленные, кадры и особую инфраструктуру исследований и сертификации их результатов.

Аксиома 4.Для нанотехнологий не только размер имеет значение. Важнейшими параметрами наносистем являются, ак минимум, размер, размерность, упорядочение и функциональность. Учет всех этих характеристик порождает нано- и микроструктурированные материалы, обладающими наивысшим, как говорят, инновационным потенциалом и действительно способными определить весь дальнейший прогресс в нанотехнологии. Нанотехнологии - это новый взгляд на давно известные вещи. Однако «нано» - лишь короткий, хотя и очень важный, отрезок «пятого измерения» (шкалы масштабов), его принципиальная важность заключается в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуются интереснейшие, практически важные химические и физические взаимодействия. В действительности, любые объекты и материалы можно и нужно изучать на разных пространственных масштабах, особенности структуры и свойств материалов на которых (структурная иерархия) лишь в неразрывной совокупности предопределяют его конечные свойства, важные для фундаментальных исследований и, конечно, практики. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб. Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) установил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов. Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов - изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Таким образом, в конечном счете, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция" свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий - новое качество, как правило, получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Актуальность исследований в этой области связана, прежде всего, с тем, что формирование нанообъектов происходит, как правило, в рамках специфических закономерностей, не исследовавшихся ранее в классических разделах химической науки. В частности, одним из основных принципов получения наноструктурированных материалов является самоорганизация в сложных открытых системах с иерархическими взаимодействиями на различных структурных уровнях или реализация управляемой самосборки из существующих в системе элементов – строительных блоков. И в том, и в другом случае управляемый процесс формирования упорядоченных структур может быть реализован, например, за счет использования специально введенных темплатов – «шаблонов», способствующих формированию необходимых взаимодействий (из множества возможных) между элементами.

Таким образом, нанотехнологический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном и надмолекулярном уровне, в ряде случаев – на нескольких иерархических уровнях структуры, что не было реализуемо еще несколько лет назад. Управляя наноструктурой, можно в определенных рамках придавать материалам совершенно новые, практически выгодные, свойства, резко отличающиеся от ранее достигнутых. Возникновение нанотехнологий означает качественный скачок в философии получения практически важных нанообъектов - сложных устройств и систем, размеры которых находится в диапазоне размеров надмолекулярных образований и которые используют специфические для нанометрового уровня организации материи физические (квантование, туннелирование, резонансные явления и изменения структурных и термодинамических свойств, вызванных уменьшением размера частиц и пр.) и физико-химические (образование супрамолекулярных ансамблей, самосборка, самоорганизация и пр.) особенности.

РУБРИКАТОР

Разработка рубрикатора нанотехнологий, наноматериалов, наносистем и наноустройств может быть осуществлена большим числом различных способов и определяется, в основном, целью и задачами, для которых такой рубрикатор создается. В случае стратегии разработки наноматериалов и нанотехнологий «от потребностей общества» (потребности общества – разработки, а не разработки – адаптация к потребностям общества) в основу классификации может быть положена отраслевая направленность той или иной нанотехнологической разработки, поскольку это предопределит не только инженерное оформление самой разработки, но и нормативно-юридические ограничения, а значит и особенности маркетинговой политики. Именно потому, что рубрикатор предопределит структуру экспертной системы и различные юридические акты и нормативные документы, разработать рубрикатор можно только с использованием опыта различных участников «нанотехнологического процесса» и под патронажем мощной научной или промышленной государственной организации.

Примитивная попытка такого «рубрикатора» может выглядеть следующим образом.

Первый уровень. Отрасли и ключевые потребности.

СХ – сельское хозяйство, МБ – мобильность, ЭКМ – экономика, СТР – строительство, ОБЩ – общество (социальные аспекты), ЭЛК – электроника, ЭНГ – энергетика, ЗДР – здравоохранение, ФБП – фонд будущих поколений, ВПК – военно-промышленный комплекс.

Вторым уровнем рубрикатора может служить указание на тип материала, поскольку технологии получения различных типов (форм) материалов существенно различны, например,

ПРШ – порошкообразные наноматериалы и несвязанные наночастицы, КРМ – керамика, КМП – композиты, МТЛ – металлы и сплавы, ПЛМ – полимеры, ПЛК – тонкие пленки и гетероструктуры, ПКР – покрытия, НИТ – нитевидные частицы и волокна, АМФ – аморфные и стеклообразные материалы, ГОС – газообразное состояние, аэрозоли, ССП – суспензии, ДСП – дисперсоиды и пр.

Третий уровень рубрикатора должен содержать информацию о функции и доминирующих областях практически важных применений материала, к которым могут относиться:

КНС – конструкционные (механические, несущие) свойства, ФНЦ – функциональные свойства (различные физические свойства, исключая механические), БИО – биологическая активность, СОЦ – социальные аспекты использования, ИНФ – информационные аспекты использования,

Наконец, четвертый и последний уровень рубрикатора должен дифференциировать созданные нанообъекты и наноматериалы, исходя из основных практически важных химических и физических свойств, например,

МГ – магнитные свойства и материалы, ОП – оптические свойства и фотоника, СТ – перенос спин-поляризованных носителей, спинтроника, РВ – радиоволны, ТГ – взаимодействие с излучением в терагерцовом диапазоне, ЭЛ – электрические свойства, ПП – полупроводники, СП – сверхпроводники, ЭХ – электрохимические свойства, ТЭ – термоэлектрические свойства. МК – магнитокалорические свойства, ХМ – изменение химического взаимодействия, КТ – каталитическая активность, СБ – сорбенты, МС – микроструктурные характеристики, МБ – мембраны, ПС – пористые системы и пр.

Согласно предлагаемой простой идее можно описать с точки зрения применимости различные наиболее известные классы наноматериалов, в частности,

СТР.ПРШ.КНС.ХМ – это наночастицы (например, диоксида кремния) для создания несущих конструкций за счет изменения химизма взаимодействия и микроструктуры (то есть «связующие» компоненты или так называемый «нанобетон»)

ЗДР.ПРШ.БИО.ПП – биомаркеры на основе полупроводниковых квантовых точек для медицинских применений (диагностики)

ЗДР.ПРШ.БИО.МГ – магнитные нанобиочастицы

ВПК.КМП.КНС.МС – военные нанокомпозитные конструкционные материалы с улучшенной микроструктурой (и микроструктурно-зависимыми прочностными характеристиками)

ЭЛК.ПЛК.ИНФ.ОП – планарные оптические носители или преобразователи информации для (микро)электроники

ЭНГ.КРМ.ФНЦ.КТ – каталитически – активные функциональные керамические материалы (например, цеолиты) для энергетики (например, для нефтепереработки)

ЗДР.НИТ.ФНЦ.СБ – волокнистые сорбенты для медицинских (экологических) целей, например, фильтры для очистки воды

ФБП.ДСП.ФНЦ.ЭХ – фундаментальные опережающие исследования дисперсоидов в качестве перспективных материалов химических источников тока.

При этом химическая природа различных систем является производной от заданной области практичекого применения. Различные химические наносистемы, наноматериалы, наноструктуры могут как находиться в различных «ветвях» классификкатора (полифункциональность наноматериалов), так и в одном разделе классификатора может находиться различный набор наноматериалов (альтернативные «химические решения»).

НАНОТЕХНОЛОГИИ ГРУППЫ А

Ретронанотехнологии (РНТ) – те знания и технологии, которые известны уже давно или очень давно, но которые только сейчас начали заслуженно или незаслуженно относить к нанотехнологиям. Квазинанотехнологии («почтинанотехнологии» или тривиальные нанотехнологии) – технологические приемы, которые уже разработаны или требуют незначительного улучшения для доведения до оптимального состояния, практически не требуют генерации новых знаний, в том числе фундаментальных, а также не нуждаются в проведении интенсивных научных иследований современного уровня; такие КНТ, как правило, работают с хорошо известными дисперсными или ультрадисперсными системами и не нуждаются в использовании «наноэффектов», изменяющих размерно-зависимые физические свойства нанообъектов. Эти технологии могут быть многотоннажными и дать сиюминутный экономический эффект без больших шансов получить новую защищенную международными патентами и лицензиями интеллектуальную собственность.

К указанным нанотехнологиям часто (но не всегда) относятся разработки современных конструкционных материалов для гражданской авиации, автомобилестроения, судостроения. Это «наноструктурированные» объемные наноматериалы (чаще всего сплавы), композиты на основе керамики и полимеров, содержащие нанообъекты (чаще всего карбиды, оксиды, углеродные наноматериалы), стеклокерамика и пр. В строительстве к таким «нанотехнологиям» относят «нанобетон», различного сорта улучшенные лаки и краски. В сельском хозяйстве с помощью КНТ пытаются изменить структуру почв, делая их плодороднее, а также вводя различные более активные формы удобрений (в дисперсном или микрогрануллированном состоянии). К относительно известной форме КНТ относится произвоство фильтров для очистки воды и создание раличных пропиток для одежды, изменяющих ее свойства.

Именно такие, многотоннажные, имеющие ТУ или технологический регламент, технологии, которые условно можно назвать нанотехнологиями, имеют первостепенную готовность к немедленной реализации, они, несомненно, принесут экономический эффект, особенно если в дело вступят защита интеллектуальной собственности, если это еще возможно, логистика распределения заказов и перемещения грузов, масштабирование лабораторных методик до промышленных технологий, маркетинг и юридическая поддержка. Многие из этих КНТ могут иметь «двойное назначение». Тем не менее, большого (продолжительного) будущего КНТ могут не иметь и, в принципе, являются прерогативой давно существующих министерств и ведомств.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ГРУППЫ Б

Наукоемкие нанотехнологии – нанотехнологии, основанные на генерации новых знаний, прорывных идей, использовании самого современного синтетического и аналитического оборудования. Они не могут быть воплощены в промышленное производство немедленно, однако способны создать задел как для развития новых отраслей производства высокотехнологичных материалов и устройств (товаров), так и новой интеллектуальной собственности, которая не защищена еще патентами других стран.

К основным областям, где требуется создание таких материалов, относятся здравоохранение (наномедицина, диагностика с помощью новых контрастных препаратов, систематическое исследование токсичности различных нанообъектов, создание надежных биоматериалов и имплантантов с контролируемыми свойствами, создание наноматериалов – фотокатализаторов, сорбентов и пр. – для экологических целей, создание безопасных косметических средств и БАД, одежды и перевязочных материалов с целенаправленно модифицированными свойствами), энергетика (водородная, солнечная, топливные элементы, химические источника тока повышенной емкости и живучести, новые каталитические системы для нефтепереработки, экономичных светоизлучающих элементов, длинномерных тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения), электроника (сверхминиатюрные базовые элементы, наноэлектроника и молекулярная электроника фотоника, спинтроника, хранение, преобразование, передача и отображение нформации). Срок внедрение может составлять 3-10 лет.

СОЦИАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

В настоящее время становится очевидным, что PR – акции различных СМИ в отношении нанотехнологий не только не возымели положительного эффекта, но и, в ряде случаев, привели к негативным последствиям. Разумеется, СМИ необходимо правдиво и безошибочно преподносить информацию и исправить в целом подозрительное отношение общества к нанотехнологиям. В о же время единственно верным, беспроигрышным и надежным решением является развитие "нанообразования", включая все его компоненты – ликвидацию безграмоности основной части населения в отношении нанотехнологий и борьбу с возникающей «нанофобией» (а также, напротив, с эйфорическим преувеличением перспектив нанотехнологий), научную популяризацию основ и основных (в том числе - отечественных) достижений в области нанотехнологий, систематическую профориентацию школьников, абитуриентов, бакалавров магистров, аспирантов, развитие инновационых форм образования (в основном начиная со стадии магистра, дополнительное, дистанционное, включенное образование, академическая мобильность, стажировка, переподготовка, целевая аспирантура). Немаловажным также является поддержка российских нанотехнологичесих журналов, обеспечение высокого уровня статей (экспертизы, перевода), доступности журналов, повышения их престижа и рейтинга для мирового научного сообщества.

Стратегически (и даже тактически) развитие нанотехнологий теснейшим образом связано с развитием системы подготовки и целенаправленного воспроизводства высококвалифицированных кадров нового поколения, способных решить любые амбициозно поставленные задачи, а также выработать фундаментально новые подходы, опережающие время. Осуществление этой генеральной линии, в свою очередь, невозможно без немедленного развития системы нанотехнологического образования как на уровне вновь поступающих в ВУЗы студентов, так и на уровне магистратуры, аспирантуры, докторантуры, адресной поддержки перспективных исследований молодых ученых. Молодые исследовательские кадры – тот богатый человеческий ресурс, опора на который может позволить ответить на мировые вызовы и осуществить поставленные перед российским обществом важнейшие задачи. Для успешной реализации нанотехнологического проекта абсолютно необходим стабильно функционирующий механизм подготовки научных кадров, причем далеко не только инженерного, но и, в основном, фундаментального профиля. Именно это должно обеспечить перспективу устойчивого развития нанотехнологий в Российской Федерации, и без этого Россия останется зависимой от Запада даже при экстраординарно больших капиталовложениях непосредственно в «отрасть нанотехнологий». И в этом плане ведущие ВУЗы РФ способны сохранить то лучшее, что было заложено в отечественной системе образования и пополнить последнее междисциплинарностью и способностью владеть современным синтетическим и диагностическим инструментарием.

Развитие образовательной составляюшей нанотехнологий призвано также решить несколько других приоритетных задач. Одна из них - формирование устойчиво положительного общественного мнения о наноматериалах и нанотехнологиях. Этот эффект не может быть достигнут никаким другим способом (исключая, разумеется, выполнение конечной цели по повышению уровня и качества жизни за счет нанотехнологий), поскольку любые PR-акции, основанные на «незнании» или «вере» в речи выдающихся политиков и др., имеют достаточно краткосрочный эффект, который может быть сведен на нет любой недобросовестной информационной кампанией. В свою очередь, положительное общественное мнение мотивирует новых молодых исследователей на выбор дальнейшей карьеры и активную научно-исследовательскую деятельность. Формирование кадров решает также проблему комплектации аналитических, сертификационных центров, центров коллективного пользования, которые используют в своей работе сложное современное дорогостоящее оборудование. Наконец, развитие дополнительных образовательных услуг само по себе может явиться коммерчески и морально оправданным источником дополнительных средств на развитие нанотехнологий. С политической точки зрения, создание сильных федеральных образовательных центров в области нанотехнологий способно повысить авторитет РФ в целом на международном уровне, особенно в условиях завершения процесса присоединения к Болонскому соглашению. Дополнительным эффектом от создания таких сертифицированных центров будет являться уменьшение оттока «мозгов» из Российской федерации и приток слушателей из стран Азии, Европы, Китая и СНГ, что укрепит международное сотрудничество в области образования и науки, а также обеспечит контингент высококлассных специалистов для нанотехнологической отрасли, включая развитие малого, среднего бизнеса, старт-ап компаний и пр. Развитие «нанообразования» и подготовки кадров будет, очевидно, способствовать также эффективному функционированию центров трансфера технологий и технопарков, которые являются удачным механизмом превращения фундаментальных научных идей в защищенную интеллектуальную собственность и конкурентоспособные высокотехнологичные изделия.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ГРУППЫ «В» И ОПЕРЕЖАЮЩИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Нанотехнологический форсайт (foresight, предсказание) – развитие фундаментальных исследований в области нанотехнологий на отдаленную перспективу, поиск новых эффектов, принципов функционирования, пока еще не существующих материалов, работа на опережающее развитие нанотехнологий в РФ.

НТФ должен являться неотъемлемой частью политики в области нанотехнологий для обеспречения их долговременного, поступательного развития, независимого от достижений других стран. Фактически НТФ создает интеллектуальный потенциал, формирует научный задел для будущих поколений, обеспечивая опережающее развитие фундаментальных разработок. В качестве дополнительных компонентов НТФ должен иметь инфраструктуру хранения и доступа к современным базам знаний (патентные базы данных, базы данных периодических изданий, ГОСТы, описание конструкторских разработок, пресс-релизы компаний, свежие результаты конференций и выставок), а также группы высококвалифицированных экспертов, которые могли бы проводить анализ и синтез подобной информации для разработки прорывных направлений развития.

Российская традиция такова, что НТФ тесным образом может оказаться связан с развитием ВПК, который может явиться первым и очень придирчивым потребителем наиболее высокотехнологической продукции, явившейся результатом воплощения новых идей в нанотехнологиях. Фактически все лучшее от здравоохранения, энергетики, электроники, разработок в области авиакосмической и судостроительной техники проходит проверку в ВПК, котрый де факто оказывается генератором заданий для различных высокотехнологических отраслей экономики.