«МОНОГРАФИЯ Москва 2009 УДК ББК Н Авторский коллектив: С.Ю. Глазьев, В.Е.Дементьев, С.В. Елкин, А.В. Крянев, Н.С. Ростовский, Ю.П. Фирстов, В.В. Харитонов Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада ...»

Опыт, накопленный разработчиками лаборатории Сандиа (США, www.sandia.gov/isrc/ssm.html) в миниатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектных микроскопических роботов [http://www.computerra.ru]. Построенная в середине 1990-х гг. модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 г. его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач под управлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательных задач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишь на преодоление десятка метров.

В литературе часто встречается иное понимание нанороботов:

нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацимю: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстро выводимые компоненты.

Роботы «сухие» и «мокрые». Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.

«Сухие нанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий – вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров, профинансировавших забаву. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью. Укладывание молекул друг на друга – следующая задача, которая, несомненно, будет решена в ближайшие годы. Например, исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок (cmliris.harvard.edu). С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы, а в перспективе – начать создавать недорогие молекулярные машины.

«Мокрые нанотехнологии» сконцентрируются на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют также микробиороботами.

Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора» (www.nyu.edu/projects/nanotechnology), удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации.

Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые Корнелльского университета генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase). В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.

Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки конкретной технологии.

3.3.6. Энергетика Становление нового технологического уклада и освоение нанотехнологий создает предпосылки для революционных изменений во многих областях энергетики. Можно выделить такие области (все их вместе иногда называют наноэнергетикой):

• высокоэффективные системы преобразования солнечной энергии;

• водородная инфраструктура и топливные элементы;

• системы транспортировки, аккумулирования и хранения водорода;

• высокояркие светоизлучающие диоды для освещения (потребляющие малое количество энергии);

• высокоэффективные аккумуляторы электрической энергии, суперконденсаторы, ионисторы (конденсаторы с органическим диэлектриком) и др.;

• энергоемкие материалы для использования во взрывных технологиях и в вооружениях (взрывчатке, двигателях военной техники и ракет) и др.

Солнечная энергетика. Энергия солнечного излучения, поступающего на Землю, в тысячи раз превышает потребности промышленности в энергии. Поэтому многие исследователи связывают будущее электроэнергетики с освоением солнечной энергии (рис. 3.22, А). Основным препятствием развития солнечной энергетики на основе полупроводниковых преобразователей («солнечных батарей», рис. 3.22, Б) является их высокая стоимость [3.97, 3.98].

Поэтому пока солнечные батареи являются основными источниками электроэнергии на космических аппаратах. Для масштабного использования солнечной энергии на Земле необходимо снизить ее стоимость до 0,08 – 0,09 USD/кВт-ч (в настоящее время более 0,2 USD/кВт-ч). Использование наноматериалов и нанотехнологий позволяет многократно поднять эффективность солнечной энергетики на основе использования наноструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5 (наногетероструктуры Ge/GaAs/GaInP/AlInP). Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1969 г.

[3.84]. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных солнечных батарей, установленных на ряде космических аппаратов, в том числе на орбитальной станции «Мир».

Разработанные в последние годы каскадные солнечные элементы обеспечивают повышенное значение КПД (в условиях космоса – до 33 %, тогда как у кремниевых батарей КПД – 15 %) и увеличение удельного энергосъема с солнечных батарей до 300 Вт/м2 (поток солнечной энергии около 1400 Вт/м2); улучшение радиационной стойкости (срок эксплуатации таких батарей – 10 – 15 лет на орбите); возможность работы при высокой концентрированности солнечного излучения. Благодаря этим параметрам можно ставить на орбите солнечные батареи площадью не 100 кв. метров, а менее 50 м2 при одинаковой электрической мощности.

КПД «наземных» каскадных солнечных элементов, созданных как в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, так и в других исследовательских центрах, достигает значений 40 % при концентрированной засветке.

При степени концентрирования излучения 100 – 1000 крат площадь солнечных элементов, необходимая для выработки эквивалентной электрической мощности, пропорционально уменьшается, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрации и обеспечить существенное снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами. В ФТИ разработаны высокоэффективные концентраторы – линзы Френеля, выполненные из композиции «силикон-стекло», обладающие высокой устойчивостью к воздействию ультрафиолетового облучения и хорошими термическими и механическими свойствами. С такими концентраторными солнечными батареями стоимость получаемой электроэнергии может быть уменьшена более, чем в 2 раза, а удельный энергосъем может быть увеличен более чем в 3 раза. При сроке службы таких фотопреобразователей 25 лет стоимость солнечной энергии будет составлять 0,07 – 0,08 USD/кВт-ч, что соизмеримо со стоимостью кВт-часа электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями (менее 0,1 USD/кВт/ч).

Объем производства (в основном в США) гетероструктурных космических батарей превышает 1 тыс. м2/год. В России выпуск гетероструктурных батарей прекращен из-за отсутствия в стране современного технологического оборудования и недостаточного финансирования разработок перспективных их типов. Организация в России производства гетероструктурных солнечных элементов и батарей позволит существенно увеличить энерговооруженность отечественных космических аппаратов, что будет способствовать укреплению обороноспособности страны и принесет значительный технико-экономический эффект, поскольку обеспечит автономное электропитание наземных изделий специальной техники и других потребителей, лишенных централизованного энергоснабжения.

При этом потребности в наземных солнечных энергоустановках практически не ограничены. К числу основных потребителей солнечных элементов относятся Российское авиационно-космическое агентство, Минэнерго РФ, Космические войска и РВСН МО РФ. В 2009 г. «Роснанотех» и научно-производственное предприятие «Квант» запустили научный проект: производство солнечных батарей для космических спутников и орбитальных станций на основе арсенида галлия. Благодаря этому проекту появится полный цикл производства новых солнечных батарей, созданных на основе наногетероструктур, которые состоят из большого количества каскадных элементов – до 30 чередующихся слоев, каждый из которых имеет толщину всего 10 – 15 нм (http://www.nanonewsnet.ru/news/2009).

Не менее важной является задача создания на органических наноматериалах эффективных дешевых преобразователей солнечного излучения в виде гибких тонких панелей, покрывающих стены помещений, крышу и т.д. Дешевизна материалов и технологии может сделать солнечную энергетику рентабельной уже при коэффициенте преобразования солнечной энергии 5 – 7 %.

Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, создала японская электротехническая компания Sharp [http://old.nanonewsnet.ru]. Батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 мкм – то есть от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз.

Компания собирается начать промышленное производство новики уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 Ватт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Ученые из Hациональной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory – INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали уникальный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50 [http://www.nanometer.ru/2008]. Работа батареи основана на использовании решётки из наноантенн, отпечатанных на тонкой и гибкой подложке. Падение ИК-лучей на такую спираль наноантенны наводит в ней напряжение, то есть получение тока происходит не от света за счёт фотоэффекта (как в обычных солнечных батареях), а по принципу металлической антенны, улавливающей электромагнитное излучение, каковым и является солнечное излучение. По предварительным расчетам КПД такой солнечной батареи составляет 36 %. Но главная особенность батареи в том, что она может выдавать ток даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает ночью Земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

В 2006 г. ученые Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований (Дубна) представили сенсационную разработку – «звездную батарею». В основе технологии создания батареи лежит гетероэлектрик – новое вещество на основе наночастиц золота и серебра. Особенность этого материала в том, что он «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи. Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ), преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости при малом объеме, который полученную энергию накапливает. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали «звездной батареей».

У продемонстрированного отечественными учёными фотоэлемента эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию – 54 %, инфракрасного света в электроэнергию – 31 %, что значительно превышает существующие мировые показатели (около 42 %). Кроме того, фотоэлемент имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у существующих аналогов.

В мае 2009 г. появилось сообщение о том, что Наблюдательный совет Российской корпорации нанотехнологий одобрил участие Корпорации в проекте по производству солнечных модулей на базе технологии «тонких пленок» – тонкопленочных фотоэлементов на основе микроморфного кремния, разработанных мировым лидером рынка солнечной энергетики – Швейцарской компанией Oerlikon Solar (rusnano.com/Rubric.aspx?Page=0&RubricId=262). Речь идет о создании крупнейшего в России производства солнечных батарей и самых значительных инвестициях в альтернативную энергетику на территории России. В рамках проекта запланировано создание предприятия полного цикла по производству солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск Чувашской Республик и, проектной мощностью один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 120 МВт/год.

Основными участниками проекта выступают РОСНАНО и Группа компаний «Ренова» в сотрудничестве с Физико-техническими институтом им. Иоффе РАН. Общий объем финансирования проекта составит более 20 млрд рублей. Выход на проектную мощность ожидается в конце 2011 г. В 2015 г. выручка проектной компании составит более 10 млрд руб. В долгосрочной перспективе до 15 % производимых солнечных модулей планируется направлять на российский рынок.

Рынок солнечной энергетики бурно развивался в последние годы. По данным исследовательской компании Lux Research (США), общий размер рынка достиг в 2008 г. 33 млрд долл., или около 5 ГВт. С 2001 года, рынок в денежном выражении увеличился более чем в 11 раз. Рынок кремниевых тонкопленочных солнечных модулей в 2008 году оценивается в 0,6 ГВт, но к 2012 г. он увеличится до 2,4 ГВт, в денежном выражении – с 3,8 до 8,6 млрд долл.

Наноэнергетика. К наноэнергетике (в более узком понимании) относят область знаний, исследующую закономерности управления потоком энергии в пределах и между молекулами. К наноэнергетике относят аккумуляторы механической энергии и демпфирующие устройства нового поколения на основе наносистем «несмачивающая жидкость – нанопористое тело»; автономные электрохимические источники питания, включая топливные элементы, а также энергоемкие материалы, используемые в вооружениях – взрывчатке, двигателях военной техники и ракет. Наноэнергетика характеризуется как возникающая (emerging) область нанотехнологии, имеющая важное государственное значение [3.99].

Важными характеристиками энергоемких наноматериалов являются скорость высвобождения энергии, время хранения и безопасность по отношению к непреднамеренной инициации. Традиционные технологии, основанные на использовании химии водорода, углерода, азота и кислорода близки к достижению потолка этих свойств. Нанотехнологии позволяют улучшить чувствительность, стабильность и механические свойства таких веществ. Функциональные углеродные нанотрубки вводят в матрицы взрывчатого вещества для увеличения области инициации в разрабатываемых плазменных инициаторах, повышения эффективности, безопасности и механических свойств ВВ за счет использования как оптических, так и электрических свойств нанотрубок. В частности, высокая электронная плотность и проводимость, характерные для нанотрубок, могут вести к более робастной и надежной инициации (робастность означает малое изменение выхода замкнутой системы управления при малом изменении параметров объекта управления).

Метастабильные межмолекулярные композиты (MIC) – это смеси нанопорошков реагентов с высоким экзотермическим поведением.

Фундаментальное отличие от традиционных веществ состоит в том, что реакционность связана с межмолекулярными, а не внутримолекулярными свойствами. Типичный размер наночастиц составляет 30 нанометров. Важным свойством композитов является возможность изменения скорости высвобождения энергии путем изменения размеров наночастиц. Наибольшее внимание привлекают сейчас такие композиты как Al/MoO3, Al/тефлон, Al/CuO. Так, в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL, США) алюминиевая нанопудра получается методом динамической газовой конденсации (в работе [3.99] Россия приводится в качестве примера страны, где имеется такая коммерческая технология – ALEX).

В МИФИ ведется поиск новых энергоносителей на основе метастабильных нанокластеров и полимерных форм и состоящих из элементов, не образующих в обычных условиях конденсированных веществ, – азота, гелия. Такие нановещества способны запасать энергию от 3 до 50 раз больше, чем известные «химические» энергоносители, а также полностью выделять запасенную энергию за короткие времена (без присутствия окислителя, как в обычной взрывчатке). Предсказана возможность существования ансамблей из кластеров N8 (так называемых «лодок»), т.е. конденсированной фазы, собранной из «кирпичиков» – кластеров N8. Это новое нановещество должно быть устойчивым при нормальном давлении и нагреве до 800 К. Показано, что для метастабильных спинполяризованных кластеров гелия Не4 выигрыш по удельной массовой энергоемкости может достигать 50.

Поиск новых электрохимических систем, конструкционных материалов и конструкций для них стимулировал исследования в области ионики наногетерогенных структур. Разработка новых технологий для беспроводных наноприборов имеет исключительно важное значение для систем, работающих в реальном времени и выполняющих функции имплантируемого биосчитывания, биомедицинского мониторинга и биообнаружения. Это так называемые наногенераторы и нанопьезотроника [3.100].

В высшей степени желательно для беспроводных приборов, в особенности в случае имплантируемых биомедицинских приборов, чтобы они работали с самообеспечением питания, то есть без использования батареи. Поэтому большое значение приобретают исследования преобразования механической энергии (например, движение тела, мускульных усилий), вибрационной энергии (акустические/ультразвуковые волны), гидравлической энергии (жидкость тела, поток крови) в электрическую энергию, которую можно использовать для питания наноприборов. Недавно был разработан наногенератор постоянного тока, возбуждаемый ультразвуковыми волнами. Это представляет собой существенный шаг в реализации наногенераторов на основе пьезоэлектрики.

Механизм работы электрического генератора основан на уникальной связи пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств окиси цинка ZnO, а также выпрямительной функции барьера Шоттки, образованного между металлическим наконечником и нанопроволокой. На базе этого принципа были изготовлены: пьезоэлектрические полевые транзисторы, диоды, датчики и резонаторы.

Все указанные компоненты являются фундаментальными компонентами наноэнергетики (нанопьезотроники). Пьезотроника представляет собой область использования связанных пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств для изготовления новых и уникальных электронных приборов и компонентов.

Водородная энергетика. Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, он входит в состав огромного количества соединений, находящихся на Земле и в Земле. Над проблемой извлечения водорода бьются ученые во многих странах, пытаясь создать процесс разложения воды с минимальным расходом энергии.

А для этого требуется много энергии. Полученный водород необходимо безопасно хранить, транспортировать и использовать в химических и металлургических процессах, а также применять в качестве топлива в водородно-кислородных топливных элементах для получения электроэнергии без ограничения цикла Карно [3.97, 3.98, 3.101, 3.102]. Топливные элементы – ключевое звено водородной энергетики (рис. 3.23).

В последние годы большое внимание уделяется применению наноматериалов для производства электроэнергии в топливных элементах и для хранения водорода, используемого в качестве экологически чистого топлива в топливных элементах и энергоносителя в будущей «водородной экономике» [3.97, 3.98, 3.101]. Применительно к топливным элементам наноструктурированные материалы могут использоваться с целью увеличения электрической емкости электродов, ионной проводимости и долгосрочной стабильности электролитов, а также повышения эффективности работы катализаторов электрохимических реакций на электродах. (Катализаторами химических реакций обычно называют вещества, которые существенно ускоряют ход той или иной реакции, но сами при этом не расходуются. В идеале катализаторы должны не только увеличивать скорость реакции, но и проявлять селективность, избирательность своего действия или даже способствовать образованию менее выгодного с энергетической точки зрения соединения). Задача здесь – снижение стоимости в 10 – 100 раз и низкотемпературный запуск. Примером является имеющий наноархитектуру платиновый катализатор, получаемый с использованием сольгелевой технологии. В этот наноматериал входят углеродный порошок и коллоидальные наночастицы платины размером около 2 нм. Метод соли-гели был предложен в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL, США). Соль-гелевая химия использует реакции в растворах, в которых образуются первичные наночастицы (соль), которые могут быть связаны в трехмерную твердую сеть – гель, поры в которой заполнены оставшимся веществом. Данный подход является относительно простой недорогой низкотемпературной технологией. Перспективное вещество для производства – Fe2O3, образующее с алюминиевым порошком высокоэнергетическую смесь.

Значительно уменьшить расход материалов и существенно снизить себестоимость электрохимических генераторов (топливных элементов) может наноструктурированная фольга в виде многослойных нанопленок. Фольга изготовляется вакуумным методом по рулонной ионно-плазменной технологии синтеза наноструктурированных материалов. Наноструктурированная фольга представляет собой качественно новую основу с осажденным на ее поверхности нанослоем алюминия [3.103].

В 2003 г. компания «Норильский никель» вместе с Российской академией наук объявила о запуске совместной программы «Водородная энергетика и топливные элементы» (см. «Химию и жизнь», 2004, № 1, а также [3.102]). Тогда «Норникель» выделил 120 миллионов долларов для поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этой области. В 2003 г. Президент США Джордж Буш выдвинул две «водородные» программы, предусматривающие выделение $1,7 млрд в течение 5 лет. Ровно столько же планирует выделить Япония. Аналогичные программы стран ЕС предусматривают бюджетное финансирование в размерах более 200 млн евро в год. Одновременно исследованиями в этом направлении занимаются многие автомобильные и энергетические компании. Так, концерн Daimler Chrysler вложил в программу около $ 10 млрд. В мае 2008 г. он отправил первый в Европе автобус на водородном двигателе для испытаний муниципалитету Мадрида. До конца года концерн намеревался передать муниципальным властям крупнейших городов Евросоюза 30 подобных машин.

Наряду с электролизом воды, паровой конверсией метана и другими методами получения водорода разрабатываются масштабируемые методы расщепления молекул воды с помощью солнечного света для производства водорода. Относительно хранения получаемого водорода существуют различные точки зрения о степени поглощения водорода наноуглеродами. Водород может храниться также в наноструктурированных магниевых, титановых и других материалах. Нанотехнологии привлекаются с целью создания обратимых материалов для хранения водорода при комнатной температуре.

Электрические конденсаторы. Наноструктурированная фольга может существенно улучшить технико-экономические параметры электрических конденсаторов [3.103]. Помимо улучшения характеристик существующих алюминиевых электролитических конденсаторов с жидким электролитом наноструктурированная анодная фольга может быть использована в перспективных твердых алюминиевых конденсаторах типа OS-CON с органическим полупроводником или проводящим полимером в качестве электролита.

Выпуск алюминиевых электролитических конденсаторов типа OSCON за последние годы стал одним из приоритетных направлений деятельности большинства ведущих мировых компаний-производителей радиоэлектронных компонентов. Конденсаторы типа OS-CON обладают низким эквивалентным внутренним сопротивлением (ESR) и чрезвычайной долговечностью. По производительности один конденсатор типа OS-CON заменяет два танталовых или от 2 до 7 жидких алюминиевых конденсаторов. Использование наноструктурированной анодной фольги на основе полимерной пленки в конденсаторах типа OS-CON может существенно увеличить их удельную емкость, снизить эквивалентное внутренние сопротивление, уменьшить габариты и вес, расширить сферы их промышленного применения. Начато производство ультраконденсаторов (или конденсаторов на нанозатворах, или наноуглеродных конденсаторов), отличающихся рекордной емкостью (http://www.power-e.ru/2005_03_22.php).

Термоэлектрическая энергетика. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в так называемых термоэлектрических генераторах (рис. 3.24) [3.97, 3.98]. Наилучшими термоэлектрическими материалами для них являются полупроводники, в частности, разработанные в СССР теллуриды свинца PbTe (n- и p-типа). Величина КПД преобразования тепла в электричество всецело определяется так называемым термоэлектрическим коэффициентом ZT, равным произведению термоэлектрической добротности на среднюю температуру полупроводников. Лучшие коммерческие термоэлектрические материалы характеризовались величиной ZT < 1 и КПД менее 15 % [3.97]. Новый материал – теллурид свинца с наноприсадками таллия (Tl-doped PbTe), обладает коэффициентом на уровне ZT = 1.5, что более чем вдвое превышает показатели предыдущего «лидера» [3.104]. В последние годы появились наноструктурированные термоэлектрические материалы с коэффициентом ZT около 3, и есть надежда получить вскоре наноструктурированные материалы с ZT = 10, что позволит увеличить КПД термоэлектрических генераторов в 2 – 3 раза [3.105]. На базе наноматериалов из теллурида свинца в настоящее время разрабатывается множество термоэлектрических проектов. Например, в лаборатории NASA Langley Research Center (США) учёные работают над специальным покрытием для высотных самолётов, где тепло солнечной энергии непосредственно преобразовывалось бы в электричество.

3.3.7. Военные применения и безопасность Ожидается, что применение нанотехнологий в военном деле приведет к революционным изменениям в экипировке военнослужащих, вызовет создание микроробототехнических комплексов различного назначения, принципиально изменит характер основных видов военной деятельности [3.4]. Стоит отметить ещё один важный момент. Россия – большая, многонациональная страна, и уже поэтому ее наука обречена иметь особые задачи, поставленные силовыми ведомствами. Военные действия ведутся сейчас преимущественно с использованием всё более высокоточного оружия.

Космическая система наблюдения и связи важна для удержания контроля на большой территории. Один из прогнозов Артура Кларка о том, что к 2010 г. будет создана глобальная система тотального наблюдения, построенная по тому же принципу, что и сотовая связь, и интернет, – для борьбы с терроризмом [3.106].

Агентство перспективных разработок МО США реализует программу «Умная пыль», направленную на создание сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, накапливать и передавать информацию. Нанотехнологии могут стать благом, но одновременно и причиной серьезных конфликтов, в том числе вооруженных. Сложившаяся в мире геополитическая ситуация в значительной степени опирается на созданную систему глобального контроля уровня вооружений и военной техники технологически развитых стран.

Сегодня разработку и накопление оружия массового уничтожения можно обнаружить и вопреки желанию государства-хозяина. В случае же применения нанотехнологического оружия контроль практически невозможен, в крайнем случае, весьма проблематичен.

Нанотехнологии позволяют создавать принципиально новые виды оружия в виде миниатюрных (наноразмерных) автономных роботов, которые могут быть изготовлены в огромных количествах и способны осуществлять разведывательные, диверсионные и военные операции, в том числе вывод из строя ракетно-ядерного оружия. Новое невидимое оружие может принять вид легко размножаемых нанобиороботов, способных внедряться в генетическую структуру человека. Испытания такого оружия могут быть проведены скрытно, вне рамок общественного сознания. Важно и другое.

Его не нужно создавать и хранить как обычное вооружение. Достаточно отладить и иметь в действии производственные комплексы в виде самовоспроизводящихся систем с коротким временем генерации оружия. Такие системы могут размещаться не обязательно на собственной территории. Они могут находиться в океанах, в космосе. Их назначение, как и назначение самого оружия, нельзя определить обычными методами.

Создается новый класс вооружения, которое использует энергетически-упакованные нанометаллы, чтобы создать мощные компактные бомбы. Финансируемые правительством США Национальные Лаборатории в Сандиа (Sandia National Laboratories), ЛосАламосе (Los Alamos National Laboratory), и Ливерморе (Lawrence Livermore National Laboratory) исследуют, как управлять потоком энергии в пределах и между молекулами. Эта область, известная как наноэнергетика, позволит строить эффективное оружие типа «cave-buster bombs», которые имеют в несколько раз большую силу взрыва обычных бомб, типа «daisy cutter» или МОАВ. Американские специалисты разработали на основе наноалюминия бомбы «cave-buster», ракеты и торпеды, которые перемещаются настолько быстро, что поражают цели прежде, чем какие-либо действия могут быть предприняты.

По информации зарубежных информагентств (см. «Аргументы недели» от 29.08.2008), в августе 2008 г. на военном полигоне в Баренцевом море Россия провела испытания сверхмощной «вакуумной нанобомбы». Это новое слово на рынке вооружений. Компактный боеприпас с высокотехнологичной начинкой создан «с использованием нанотехнологий» и по боевым характеристикам сопоставим с тактическим ядерным оружием. В конструкции боезаряда применены композитные взрывчатые вещества (нанопорошки), спроектированные на атомарном уровне, а в материале корпуса использованы сверхпрочные углеродные трубки. Масса взрывчатого вещества нового оружия – от 500 кг до 8 т. Тротиловый эквивалент взрыва достигает нескольких килотонн.

Против нанотехнологического оружия нет других способов защиты, кроме контрсредств, созданных на той же основе. Наличие нанотехнологического оружия принципиально меняет военную стратегию: это путь к снижению числа военнослужащих, это скрытый характер собственной военной мощи, это возможность сокрушительного первого удара по противнику с минимальной или нулевой возможностью ответа. Военные специалисты полагают, что нация, имеющая решающее преимущество в нанотехнологии, сможет разоружить любого противника. При этом нанотехнологическая война будет беспрецедентно быстрой и глобально разрушительной.

Большое внимание уделяется нанотехнологиям для систем безопасности. Анализ проводимых в Российской Федерации работ дает основание полагать, что в ближайшие годы наиболее перспективные сферы использования нанотехнологий в системах безопасности это [3.107]:

1) устройства контроля и защиты документов от подделки (например, на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных);

2) системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров (например, считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике);

3) биосенсоры, простые или многофункциональные типа «электронный нос», предназначенные для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ;

4) более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе массивов наносенсоров;

5) распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль»

для охраны границ и периметров объектов;

6) магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне;

7) предназначенные для оснащения промышленных объектов повышенной опасности автоматические системы ведения огня по наземным и воздушным целям на основе наносенсоров, наноэлектронных компонентов и искусственных нейронных сетей.

Из приведенного обзора следует, что в настоящее время влияние нанотехнологий на различные отрасли народного хозяйства и готовность отраслей к восприятию нанотехнологий весьма неравномерны (рис. 3.25, 3.26). Как следует из рис. 3.25, некоторые отрасли, такие как металлургия, фармацевтика и др., запаздывают с внедрением нанотехнологий (влияние сильное, но готовность низкая), другие отрасли как бы опережают достижения нанотехнологий (готовность высокая, а влияние нанотехнологий пока недостаточно изучено или неэффективно). Подобная неравномерность в динамике распространения ключевого фактора – типичная картина для начальных фаз развития нового технологического уклада. По мере формирования составляющих его комплексов технологически сопряженных производств и образования целостных контуров расширенного воспроизводства процесс распространения нанотехнологий будет принимать все более масштабный и всепроникающий характер.

По прогнозам экспертов «Онэксим группа», сделанным накануне кризиса 2008 г., «нано» будет хорошим бизнесом, в течение ближайших 7 – 10 лет мировой рынок нанотехнологических продуктов и услуг будет возрастать со скоростью более 1 трлн. долл. в год. Особенно быстро будут развиваться следующие сектора рынка нанотехнологий:

• наноструктурные материалы и процессы (340 млрд долл. в год);

• наноэлектроника и энергетика (340 млрд долл. в год);

• фармацевтические препараты (300 млрд долл. в год);

• химическое производство (180 млрд долл. в год);

• аэрокосмическая промышленность (70 млрд в год).

Нанотехнология имеет огромный потенциал для использования в чрезвычайно большом и разнообразном множестве практических областей – от производства более прочных и легких конструкционных материалов в машиностроении до уменьшения времени доставки наноструктурированных лекарств в кровеносную систему, увеличения объема памяти и быстродействия компьютеров и т.д.

Глава 4. ИЗМЕРЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ

И ВЕДУЩИХ СТРАНАХ МИРА

4.1. О перечне показателей распространения нанотехнологий Измерение распространения нанотехнологий в начальной фазе развития нового технологического уклада весьма затруднено как его относительно небольшим масштабом, так и отсутствием систематически собираемых статистических данных. Лишь после структурной перестройки экономики и завершения процесса замещения старого технологического уклада новым составляющие последний производства войдут в фазу быстрого роста и попадут в поле зрения государственной статистики, а показатели их распространения станут важными параметрами управления экономическим развитием.

В современной статистике пока не ведется систематический сбор данных по распространению нанотехнологий в экономике.

Приводимые ниже данные основаны на результатах отдельных исследований распространения нанотехнологий в различных сферах хозяйственной деятельности в некоторых странах. При этом, чем выше уровень развития и, соответственно, шире сфера распространения нанотехнологий, тем более представительна отражающая этот процесс статистика. Меньше всего данных о распространении нанотехнологий (из числа рассматриваемых стран) в России. Возможно, в ближайшее время ситуация улучшится – как благодаря становлению нового технологического уклада в российской экономике, так и в результате формирования системы государственного стимулирования процесса распространения нанотехнологий.

По мнению экспертов компании Lux Research, лидерами распространения нанотехнологий на рубеже 2008 г. являлись США, Япония, Германия и Южная Корея (рис. 4.1). В следующей группе стран с высоким уровнем развития нанотехнологий, но меньшей степенью активности государства оказались Израиль, Сингапур, Нидерланды, Швейцария и Швеция. Следующая после них группа стран-«мечтателей» составляют Франция, Великобритания и Китай, у которых уровень «НТ-активности» превышает уровень реального развития нанотехнологий. Россия была занесена в промежуточную зону между всеми четырьмя «квадрантами.

Согласно оценкам из [4.6], потенциальный (ожидаемый) существенный эффект применения нанотехнологий будет зависеть от достижения рекордных значений ряда технических индикаторов (физически возможных и практически реализуемых), реализация которых обеспечит нанотехнологиям доминирующее положение новом технологическом укладе экономики:

1. Программируемое размещение реакционно-способных молекул с точностью до 1 нм.

2. Механическую сборку со скоростью превышающей 106 операций в секунду на одно устройство.

3. Механическую сборку 1 кг объектов за время меньшее 104 с.

4. Создание наномеханических систем, действующих с частотой до 109 Гц.

5. Создание логических гейтов с объемом порядка 10–26 м3.

6. Создание логических гейтов, переключаемых за времена меньшие 0,1 нс и рассеивающих менее 10–21 Дж тепла.

7. Создание компьютеров, производящих 1016 операций в секунду на один ватт.

8. Охлаждение систем размером 1см3, потребляющих мощность 10 Ватт при комнатной температуре.

9. Создание компактных параллельных вычислительных систем производительностью 1015 MIPS (миллион инструкций в секунду).

10. Механохимическое преобразование энергии плотностью более 109 Вт/м3.

11. Электрохимическое преобразование энергии плотностью более 1015 Вт/м3.

12. Создание макроскопических компонентов с пределом прочности 5 · 1010 Па.

13. Системы производства, способные удваивать основной капитал менее чем за 104 с (около 3 ч).

Многие из этих параметров превышают по величине достигнутые в современной технике параметры на порядок и более. Таким образом, оценить внедрение нанотехнологий в экономику той или иной страны можно по тому, насколько созданные в них нанопродукты приближаются к достижению перечисленных параметров и в каком объеме они производятся и используются.

Важно отметить, что на разных этапах жизненного цикла технологии роль тех или иных индикаторов меняется (рис. 4.2).

Принимая во внимание доступность статистических данных, для оценки развития нанотехнологий в разных странах нами использован следующий набор показателей.

A. Показатели уровня развития научных исследований:

1. Количество публикаций и цитирований работ по нанотехнологиям.

2. Количество патентов, зарегистрированных и используемых по нанотехнологиям.

B. Показатели развития институционально-технологической инфраструктуры:

3. Число действующих стандартов.

4. Количество зарегистрированных компаний, производящих нанопродукты C. Показатели распространения нанотехнологий в производственной сфере:

5. Объемы инвестиций в развитие нанотехнологий.

6. Объемы производства нанопродукции и метрологического оборудования.

D. Показатели уровня экономической активности использования нанотехнологий:

7. Изменение стоимости акций компаний, производящих и потребляющих продукцию нанотехнологий.

8. Фондовые индексы нанотехнологий.

E. Показатели распространения нанотехнологий в сфере потребления:

9. Объемы потребления продукции, произведенной с использованием нанотехнологий, в расчете на душу населения или на единицу ВВП.

10. Доля продукции, произведенной с использованием нанотехнологий, в структуре потребления продуктов соответствующего типа.

Эти показатели охватывают как области исследований, так и производства нанопродуктов. Их сравнение в разных странах позволяет оценить относительный уровень развития нанотехнологий в конкретной стране.

4.2. Индикаторы уровня развития научных исследований 4.2.1. Количество публикаций по нанотехнологиям Результативность науки – основа конкурентоспособности страны на мировом рынке. О результативности науки часто судят (формально) по трем основным показателям – по количеству публикаций, числу цитирований и по количеству зарегистрированных патентов. Значимость этих показателей различна для различных областей науки и технологий: для тех областей, которые находятся на ранней стадии жизненного цикла, основным показателем является количество публикаций, а рыночному буму предшествует рост патентов [4.7]. Количество публикаций в области нанотехнологий в мировом масштабе за период 1990 – 2006 гг. выросло более чем в 28 раз (рис. 4.2, 4.3). Странами-лидерами по публикационной активности на протяжении всего этого периода являлись США, Япония, Китай и Германия. По данным Lux Research в 2005 г., на Россию приходилось около 5 % общего объема публикаций в нанообласти. По данным работы [4.8] Россия заняла в 2005 г. девятую позицию, пропустив вперед США, Японию, Китай, Германию, Южную Корею, Францию, Великобританию, Италию (рис. 4.5, 4.6).

Представленные на рис. 4.5 и 4.6 распределения публикаций по странам свидетельствуют о снижении к 2007 г. ранга России в области публикаций за 10 лет с 11 до 6.

Индекс цитирования SCI (Science Citation Index) является общепризнанным признаком научного значения соответствующего источника информации. SCI – это система Филадельфийского института научной информации, в основу которой положены связи между документами по прямым, обратным и перекрестным ссылкам (цитированию). Информационную основу индекса цитирования составляют три массива:

индекс цитирования естественных наук, собственно Science Citation Index, – SCI (более 5900 журналов);

индекс цитирования социальных наук – Social Science Citation Index, SSCI (более 1700 журналов);

индекс цитирования в гуманитарных науках, литературе и искусстве – Arts and Humanities Citation Index, – A&HCI (более 1100 журналов).

SCI (или его Интернет-версия Web of Science – WOS) отражает публикации в ведущих международных и национальных научных журналах (около 3600 журналов). WOS распространяется через Интернет, содержит статьи с 1945 г. В совокупности WOS охватывает более 8500 ведущих рецензируемых журналов мира. База данных установлена в России на серверах Научной Электронной Библиотеки, содержит массив с 1996 г. до настоящего времени и обновляется еженедельно.

Всего в SCI представлено около 100 российских журналов, в основном издаваемых на английском языке или имеющих английскую версию, тогда как американских, например, около 1500, т.е.

почти 40% от общего числа индексируемых журналов. В то же время список российских рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК, составляет около 1000 наименований, а общее число научных журналов, издаваемых в России, по крайней мере, в несколько раз больше. Относительно небольшой процент российских журналов, представленных в SCI, объясняется не только уровнем этих журналов или общим уровнем развития науки в России, но и целым рядом других объективных и субъективных причин, среди которых можно упомянуть следующие: языковый барьер, особенности отбора журналов на основании индекса цитирования, Уровень российских журналов, особенности научного развития в разных областях.

По нанотематике в мире выходит более 200 статей в день, отражаемых в Указателе цитированной литературы SCI. Cейчас издается 45 специализированных NANO-журналов, из них 12 появилось в 2006 г., c 2007 г. издаются NanoEthics и NanoNOW.

Общее количество журналов, отражаемых в SCI и печатающих NANO-статьи, 360. Кроме того, ежедневно проходят две международные конференции (симпозиум, семинар, школа;

см. об этом www.nanonet.go.jp/english; www.nanoforum.org;

www.metallurgy.nist.gov/magnet) и выходит из печати 1 монография или сборник.

В работе [4.9] был оценен научный задел, с которым страна включилась в «наногонку», и как цитируются результаты российских исследователей в данной области. В списке наиболее цитируемых российских специалистов присутствуют более 50 ученых из 23 организаций, занимающихся нанопроблематикой [4.10, 4.11].

Наиболее цитируемые группы (табл. 4.1) – научные коллективы Нобелевского лауреата академика Ж.И. Алферова (ФТИ им.

А.Ф. Иоффе и НОЦ РАН) и профессора Р.З. Валиева (Уфимский авиационный институт). Эти результаты подтверждают то, что метод интенсивных пластических деформаций, развитый благодаря работам школы Р.З. Валиева, и полупроводниковые гетероструктуры, разработанные школой Ж.И. Алферова, получили значительное распространение в мире.

Ситуация по публикации российских статей и их цитируемости с 1995 г. по май 2005 г. проанализирована в работе [4.9 – 4.12].

Россия находится на 9-м месте в мире по количеству публикуемых статей и на 17-м по цитируемости. В целом страна занимает шестое место по цитируемости физических статей и соответственно 12-е, 13-е и 25-е места – по материаловедческим, химическим и микробиологическим публикациям [4.12].

Индексы цитируемости некоторых российских ученых, работающих в области наноматериалов, имеющих более 100 ссылок на работы, опубликованные с 1986 г. (CI86) и за семь лет (CI7, 1999–2005 гг.).

(По материалам Междисциплинарного научного сайта Деятельность и публикации нанобиотехнологических и наномедицинских компаний классифицируются в таком виде:

Лаборатория-на-чипе Генная технология Медицинские изображения Доставка лекарств Обработка изображений агентов средства Фармацевтические препараты и Вспомогательная продукция Приборостроение Тканевая инженерия Производства сложных составов Как следует из рис. 4.7, объем статей в области нанобиотехнологий по группам тем Анализ, Доставка и Производство в два с лишним раза превышает среднегодовой. Как видно практически по всем темам, являющимся критическими для развития наномедицины, наблюдается более чем двукратный рост среднегодового темпа публикаций, причем Россия очень слабо участвует в этом процессе.

Таким образом, поддержание паритета с развитыми в данной сфере странами (США, Япония, Китай, ФРГ, Южная Корея, Великобритания, Италия и др.) по количеству и качеству публикаций в области нанотехнологий потребует от российских исследователей немалых усилий.

Участие в выставках – это тоже важный индикатор творческой и деловой активности организаций. Госкорпорацией «Роснано» были аналитически исследованы 1695 крупных публичных мероприятий, проведенных в 68 странах мира за период 2006 – 2008 гг. Анализ показывает, что ежегодно в мире проводится более 500 мероприятий, непосредственно связанных с научной, технической и коммерческой деятельностью в области нанотехнологий. В России в 2008 г. проведено более 10 выставок. Основные тематики проводимых мероприятий приведены на диаграмме (рис. 4.7). Особого упоминания заслуживает медицинская тематика, не выделенная в отдельную графу, так как темы, связанные с медициной, в том или ином виде присутствуют практически на всех анализируемых мероприятиях.

4.2.2. Количество зарегистрированных патентов, используемых в нанотехнологиях По общему количеству патентов в области нанотехнологий лидирует США – на долю американских компаний, университетов и частных лиц приходится более половины всех выданных в мире патентов. По официальной статистике количество наноизобретений здесь превышает 3 тыс. Наибольшее число патентов (около 40 %), полученных к настоящему времени, соответствует открытиям в области обработки и обнаружения наноструктур (научные разработки).

За период 1990 – 2006 гг. количество выданных патентов в мире увеличилось почти в 25 раз, т.е. темпы роста публикаций и патентов почти совпадали (рис. 4.9). Так, количество патентов, связанных с углеродными нанотрубками, за 3 года возросло почти втрое, достигнув около 600 патентов в одном 2006 г. На рис. 4.10 показаны страны-лидеры по количеству выданных патентов. Здесь, в отличие от научных статей, ранг России существенно дальше от лидеров (19 место). Россия ни в одном из международных обзоров не упоминается в контексте патентования [4.15, 4.16].

В США фирма Carbon Nanotechnologies (www.cnanotech.com) является владельцем 54 патентов на технологии (2007 г.), связанные с углеродными нанотрубками. После слияния компаний Unidym и Carbon Nanotechnologies объединенная компания будет обладать одним из самых больших в отрасли патентных пакетов на методики и технологии, связанные с углеродными нанотрубками.

С 2002 по 2007 гг. в США было выдано более 82000 патентов и обучено более 143000 студентов, прямо или косвенно связанных с биотехнологическим сектором, демонстрирующим устойчивый рост числа компаний, лабораторий и зарплаты сотрудников [http://www.bioworld.com]. Основные достижения в нанобиотехнологическом секторе – это:

• функциональная геномика и техника разработки и распознавания лекарств;

• диагностические тесты;

• методы извлечения и использования стволовых клеток;

• регенерационные исследования;

• биомаркеры;

• наномасштабные системы доставки лекарств;

• исследовательские модели и соответствующее программное обеспечение.

В последнее время наблюдается некоторое снижение числа патентов, несмотря на рост венчурного инвестирования. Согласно мнению экспертов, для развития новых биотехнологий необходим постоянный приток талантливых и квалифицированных кадров.

Однако с 2007 г., в связи с нарастающими проблемами в национальной экономике США и интенсификацией проектов того же рода в других странах, в США наблюдается замедление миграции научных кадров из других стран.

До недавнего времени не существовало рубрики для выделения нанотехнологий в самостоятельное направление. Из-за специфических свойств материалов в нанометровом масштабе в работе [4.10] заявки на патенты и патенты по нанотехнологии были категоризированы в шесть прикладных областей по Международной Патентной Классификации (IPC) (табл. 4.2.). Большинство технологий в шести прикладных областях, кроме наноматериалов, достигнуто убывающим процессом (сверху-вниз), где наноструктуры развиты через усовершенствование или продвижение существующих технологий миниатюризации. Наноматериалы синтезируются в основном через восходящий процесс (снизу-вверх), где наноструктуры организованы через химические или физические взаимодействия среди атомов или молекул.

Классификация патентов и заявок на патенты в шести прикладных областях по Международной патентной классификации (IPC) Наименование IPC Определения в IPC (8-ой выпуск) области Электроника H01L Способы или устройства для обработки полупроводниковых приборов или приборов на H01J Разрядные приборы с устройствами для ввода объектов или материала, подлежащих воздействию разряда Наименование IPC Определения в IPC (8-ой выпуск) области G06N Компьютерные системы, основанные на специфических вычислительных моделях Оптоэлектроника G02 ОПТИКА (изготовление оптических элементов или приборов или другие соответствующие подклассы или классы; материалы как H01S Устройства со стимулированным излучением Медицина и био- A61 Медицина и ветеринария; гигиена технология C12 Биохимия; пиво; алкогольные напитки; вино;

уксус; микробиология; энзимология; получение мутаций; генная инженерия Измерения и G01 Измерение; испытание производство B01 Способы и устройства общего назначения для осуществления различных физических и химических процессов B21 Механическая обработка металлов без снятия B23 Металлорежущие станки; способы и устройства для обработки металлов, не отнесенные к B32В Слоистые изделия или материалы, состоящие Окружающая C02F Обработка воды, промышленных и бытовых среда и энергия сточных вод или отстоя сточных вод H01M Способы и устройства, например батареи, для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую Наноматериалы B01J Химические или физические процессы, например катализ, коллоидная химия; аппараты B81B Микроструктурные устройства или системы, Наименование IPC Определения в IPC (8-ой выпуск) области B82B Наноструктуры; их изготовление или обработка C01B Неметаллические элементы; их соединения C01G Соединения металлов, не отнесенных к предыдущим подклассам C 01D или C 01F C03B Изготовление, формование и последующая обработка C03C Химический состав стекла, глазурей или эмалей; обработка поверхности стекла; обработка поверхности волокон или нитей из стекла, минералов или шлака; соединение стекла со стеклом или с другими материалами C04 Цементы; бетон; искусственные камни; керамика; огнеупоры (сплавы на основе тугоплавких C08 Органические высокомолекулярные соединения; их получение или химическая обработка;

C09 Красители; краски; полировальные составы;

C22 Металлургия (металлургия железа C 21); сплавы черных или цветных металлов; обработка C23C Покрытие металлического материала; покрытие поверхностная обработка металлического материала диффузией в поверхность путем химического превращения или замещения; способы покрытия вакуумным испарением, распылением, ионным внедрением или химическим осаждением паров Изобретательские действия коммерческих предприятий в области нанотехнологий проанализированы в работе [4.17]. Авторы определили количество коммерческих предприятий, которым принадлежит маленькое (1 – 5 патентов), среднее (6 – 50 патентов), и большое (более 50 патентов) число патентов по нанотехнологиям (табл. 4.3). Коммерческие предприятия с небольшим количеством заявок на патент составляют приблизительно 90 % полных заявок на патенты по нанотехнологиям в Европейском союзе и Соединенных Штатах. В Японии это отношение составляет приблизительно 80 %, (на 10 % меньше), а число коммерческих предприятий Японии, имеющих большое количество патентов (более 50), превышает 3 %, что примерно в 6-3 раза больше, чем в Европейском Союзе и Соединенных Штатах соответственно. Для Японии характерно господство в патентовании больших коммерческих предприятий: они имеют больше 50 % от всех заявок на патенты. Доля крупных предприятий, патентующих в нанообласти в Европейском союзе, составляет 12 %, в Соединенных Штатах – 23 %. Вклад мелких коммерческих предприятий в патентование в Европейском союзе и Соединенных Штатах (около 40 %) приблизительно вдвое выше, чем в Японии (около 20 %) (табл. 4.4).

Доля и количество коммерческих предприятий ведущих стран в области нанотехнологий, выраженные через количество заявок на патенты по нанотехнологиям (1978 – 2005) [4.17] ЕС 61,3% (358) 27,2% (159) 7,5% (44) 3,4% (20) 0,5% (3) US 53,9% (329) 34,3% (209) 7,4% (45) 3,4% (21) 1,0% (6) Япония 48,0% (158) 33,4% (110) 11,2% (37) 4,0% (13) 3,3% (11) Доля и количество заявок на патенты по нанотехнологиям от коммерческих предприятий в общем числе заявок на патенты ЕС 18,4% (358) 22,8% (444) 19,6% (382) 27,4% (532) 11,8% (229) US 13,3% (329) 24,0% (595) 16,2% (400) 23,6% (584) 22,9% (567) Япония 6,3% (158) 12,2% (305) 14,0% (351) 15,0% (375) 52,5% (1312) На основании данных сайта Роспатента, авторами проведен анализ динамики подачи заявок на патентование в области нанотехнологий в России (рис. 4.11). Первые данные датируются 1997 г., хотя изобретения делались и раньше. Это связано с тем, что до 1998 г.

не существовало соответствующей рубрики для выделения нанотехнологий в самостоятельное направление. К тому же не исключены погрешности, связанные с отнесением части патентов к другим областям.

Всплески числа патентов в 2006 г., по-видимому, связаны с принятием государственной программы и ожиданиями инвестиций.

Повышенные ожидания могут спровоцировать изобретателей на патентование в надежде получить инвестиции, так как без наличия патента получить инвестиции практически невозможно. Как следует из рис. 4.12, среди отечественных заявителей в Роспатент превалируют сотрудники университетов. Стала заметной роль иностранных заявителей (21 %).

По выборке из 362 патентов средняя величина периода между подачей заявки и публикацией патента составляет более 790 суток.

Поэтому полную информацию за 2007 г. можно будет увидеть только в 2009 г.

Как видно, несмотря на положительную динамику, количество патентов в России несравнимо с количеством патентов в США, где отдельные крупные фирмы имеют столько же патентов по нанотехнологиям, сколько вся Россия. По порядку величины США имеет патентов в исследуемой области в 1000 раз больше, чем Россия.

Формирование рынка интеллектуальной собственности является на сегодняшний день одним из главных направлений развития российской рыночной экономики. В то время, когда во всем мире идет активная торговля результатами интеллектуальной деятельности, в России этот сегмент рынка только начинает развиваться. В 2007 г.

в системе Роспатента в рамках НИР «Исследование международного опыта систематизации изобретений, относящихся к нанотехнологиям, и анализ путей совершенствования поиска соответствующих патентных документов» были проведены исследования проблем классифицирования и поиска патентных документов по тематике, относящейся к одной из самых актуальных в настоящее время областей знаний, – области нанотехнологий. Уже на первом этапе исследований была подтверждена необходимость создания специальной коллекции патентных документов, отражающих все направления нанотехнологий, на основе поступающих в ФГУ ФИПС заявок отечественных и зарубежных заявителей. С этой целью в августе 2007 г. был выпущен Приказ по ФГУ ФИПС, в соответствии с которым на всех заявках, поступающих в Институт, в обязательном порядке должны проставляться рубрики МПК подкласса В82В, охватывающие наноструктуры (группа 1/00) и их изготовление или обработку (группа 3/00). Подготовлены общие рекомендации для выполнения поисков отечественных изобретений в области нанотехнологий с использованием как российской базы данных, так и зарубежных мультинациональных БД, например esp@cenet и DWPI (база данных Дервента). Подготовлен также список ключевых слов, рекомендуемых для составления запроса на поиск по различным направлениям нанотехнологий [4.15].

В заключении к данному разделу важно подчеркнуть, что одним из показателей, которые наилучшим образом свидетельствует о развитии нанотехнологий в стране и росте числа публикаций и патентов, является квалификация ее сотрудников, которая может значительно отличаться от региона к региону. Как следует из рис. 4.14, Соединенные Штаты лидируют в настоящее время со значительным отрывом по числу квалифицированных исследователей в университетских центрах и персонала, отвечающего за проекты и предприятия в НТ-области. На втором месте с тенденцией к увеличению – Западная Европа и Япония, где растет поддержка нанотехнологий для увеличения числа квалифицированных nanotechперсонала. Однако наибольший потенциал роста в Юго-Восточной Азии, Японии и Израиле. Через 10 лет распределение стран по числу квалифицированных специалистов станет более равномерным.

4.3. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры 4.3.1. Число действующих стандартов В соответствии со своим назначением стандартизация осуществляет выработку и установление требований к продукции и процессам и направлена на упорядочение знаний в соответствующих областях. Стандартизация и сертификация в области наноматериалов и нанотехнологий призваны регулировать качество выпускаемой продукции путем разработки соответствующих норм, эталонов и стандартов. Необходимость разработки новых и адаптации существующих норм обусловлена особыми свойствами наноматериалов.

Можно ли считать углеродные нанотрубки графитом, наночастицы серебра – серебром, а диоксид титана – тем же самым веществом независимо от его размера? Без организации процесса установления объективных требований к нанотехнологиям и нанопродукции, обеспечивающих выпуск и подтверждение соответствия, ее выход на рынок будет закрыт.

Как уже отмечалось, развитие нанотехнологий охватывает период, превышающий 30 лет. Однако стандартизацией, непосредственно связанной с нанотехнологией и нанопродукцией, стали заниматься лишь несколько лет назад. Технические комитеты по стандартизации (ТК) в странах с активно развивающейся нанотехнологией стали создаваться в 2004 – 2005 гг. [4.18 – 4.21].

В конце 2005 г. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization – ISO, Россия вошла в Совет ISO 23 сентября 2005 г.) создала новый технический комитет ISO/TC 229 «Нанотехнологии» [4.22]. Комитет был организован под председательством Британского института стандартов, целью его является разработка международных стандартов для нанотехнологий. Первоочередные задачи ISO/TC 229 состоят в стандартизации в области нанотехнологий в следующих направлениях:

• термины и определения;

• метрология и методы испытаний и измерений;

• стандартные образцы состава и свойств;

• моделирование процессов;

• медицина и безопасность;

• воздействие на окружающую среду.

В состав технического комитета ISO/TC 229 входят следующие рабочие группы:

TC 229/WG 1: Терминология и номенклатура TC 229/WG 2: Методы измерения TC 229/WG 3: Здравоохранение, безопасность и окружающая среда.

Действующих стандартов в области нанотехнологий во всем мире сейчас очень мало (см. табл. 4.5). Количество стандартов, находящихся в разработке, значительно превышает это число.

Анализ принятых и разрабатываемых стандартов показывает, что в основном они формируются в четыре группы:

• стандарты на измерения и испытания;

• стандарты на качество и безопасность;

• стандарты на совместимость и взаимодействие;

• стандарты на терминологию.

Первым шагом в обеспечении обмена информацией и кооперации в области нанотехнологии является достижение согласованности по терминологии. Это окажет положительное влияние на принятие решений по патентам, исследования в области патентования, а также на другие права интеллектуальной собственности и их коммерческие применения.

В США в настоящее время стандартизацией в области нанотехнологий занимаются три организации: ASTM (американское сообщество по испытаниям и материалам), ANSI (американский национальный институт стандартов) и IEEE (технический комитет при Институте инженеров по электротехнике и электронике). Система стандартизации нанотехнологий в рамках государственной целевой программы Национальная нанотехнологическая инициатива (National Nanotechnology Initiative) поддерживается 20 департаментами и агентствами, включая Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), Комиссию по безопасности потребительских товаров (CPSC) и Управление по охране окружающей среды (EPA).

Действующие стандарты в области нанотехнологий зация ISO ISO 13321:1996 Стандарт, Анализ размеров частиц зация ISO 9276– Стандарт, Представление результатов ISO 9276– Техническая Представление результатов 1:1998/Cor поправка к анализа размеров частиц, ISO 9276– Стандарт, 1-е Представление результатов ISO 9276– Стандарт, Представление результатов ISO 9276– Стандарт, Представление результатов ISO/TS Техническая Анализ размера частиц метоспецификация, дом малоуглового рассеяния IEEE IEEE P1650 Стандарт Тестовые методы для измерения электрических характеристик углеродных нанотрубок tional Органи- Обозначение Состояние Название зация Ростех- ГОСТ Р 8.629- Стандарт Государственная система регули- 2007 обеспечения единства измерерование ний. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки ГОСТ Р 8.628- Стандарт Государственная система 2007 обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния.

В феврале 2007 г. членами межведомственной Рабочей группы по нанотехнологиям Совета по науке Агентства по охране окружающей среды США, специально сформированной с этой целью в 2004 г., был подготовлен документ «Nanotechnology White Paper»

[4.20], представляющий обзор влияния нанотехнологий на окружающую среду и оценки рисков наноматериалов. В США принят «Закон о нанотехнологических исследованиях и разработках в XXI веке» [4.19] для обеспечения Национальной нанотехнологической программы (National Nanotechnology Program), одним из аспектов которой является разработка фундаментального понимания причин, позволяющих контролировать и управлять процессами на наномасштабе. Аналогичная работа проводится в других странах [4.18 – 4.21].

Инженеры ISO выпустили новый документ: «ISO/TR 12885:2008, Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies», который фокусируется на изготовлении и использовании искусственно созданных наноматериалов.

Технический Отчет (Technical Report –TR) использует современную информацию о нанотехнологиях, включая характеризацию, влияние на здоровье, оценки воздействия и опыт их контроля. Технический Отчет (ТО 12885:2008) широко применим в огромном диапазоне наноматериалов и приложений нанотехнологии. ТО является важным консультационным материалом, приводит советы компаниям, исследователям, рабочим и другим людям по предупреждению неблагоприятных последствий для здоровья и безопасности персонала и потребителя в процессах производства, хранения, использования и ликвидации промышленных наноматериалов.

В нашей стране в рамках Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии существует Технический комитет ТК 441 «Наукоемкие технологии», занимающийся разработкой стандартов в области нанотехнологий и включающий следующие подкомитеты: ПК 1: Нанотехнологии, ПК 2: Квантоворазмерные эффекты в наукоемких технологиях, ПК 3: Термины и определения, ПК 4: Методы и средства обеспечения единства измерений в нанотехнологиях, ПК 5: Нанотехнологии в микроэлектронике, ПК 6: Материалы, структуры и объекты нанотехнологии, ПК 7: Нанотехнологии и наноиндустрия.

Однако на сегодняшний день действующих стандартов в области нанотехнологий и наноматериалов еще недостаточно. В России действуют четыре национальных стандарта на меры нанометрового диапазона, касающиеся метрологического обеспечения зондовых атомно-силовых измерительных сканирующих микроскопов и электронных растровых измерительных микроскопов (ГОСТ Р 8.628-2007 – Р 8.631-2007) [4.22]. Таким образом, интенсивность стандартизации в России сегодня значительно уступает США (В России в разработке 3 стандарта против 30 – в США).

Для успешного развития нанотехнологий, наноиндустрии и нанорынка одним из важнейших обеспечивающих направлений является метрологическое обеспечение [4.23]. История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы методов и средств измерений. Переход к нанотехнологиям ставит перед наукой и техникой ряд новых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеет дело нанотехнологии. При этом, как никогда, актуален тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать».

Специфика нанотехнологий привела к созданию и развитию нового направления в метрологии, с которым связаны все теоретические и практические аспекты обеспечения требуемой точности и единства измерений в нанотехнологиях. Экспертные оценки показывают, что на метрологическое обеспечение развития только микроэлектроники в направлении наноэлектроники в США ежегодно тратится более 4,0 млрд долларов.

Наиболее известны в мире подразделения метрологии Национального института стандартов и технологии – N1ST (США), Национальной физической лаборатории – NPL (Великобритания), Физико- технического института – РТВ (Германия), Национального метрологического института – LNE (Франция).

Оснащение данных лабораторий включает в себя ряд приборов, позволяющих проводить измерения физических величин в нанометровом диапазоне. К ним относятся сканирующие электронные микроскопы (СЭМ), просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ), сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)» атомносиловые микроскопы (АСМ), микроскопы ближнего поля, конфокальные микроскопы, интерференционные микроскопы и ряд других приборов обеспечивающих наивысшее разрешение по измеряемым физическим величинам при нанометровых размерах исследуемого объекта.

4.3.2. Количество зарегистрированных компаний, производящих нанопродукты, и объемы их производства Маркетинговый обзор за 2007 г. компания Lux Research начала словами «Нанотехнологии движутся от открытий к коммерциализации: в 2006 г. продано нанопродукции на 50 млрд долларов, капитальные вложения – 12 млрд долларов»

(www.luxresearchinc.com/press). За последние несколько лет в ряде стран значительно выросли государственные и корпоративные инвестиции в исследования и технологические разработки в различные направления нанотехнологий. Одновременно значительно возросло число научных работ, публикаций и патентов, создано более 10 тысяч компаний, выпускающих или использующих нанопродукцию, и число их стремительно растет. В 2008 г. нанотехнологии применялись в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. По данным отчета [4.24] только в области наномедицины насчитывается более 152 продуктов и более 120 компаний и исследовательских институтов, разрабатывающих эти продукты. На полученную с использованием нанотехнологий продукцию приходится менее 0,1 % мирового ВВП.

Успешно выполнять сложные экспериментальные проекты помогает международная интеграция научных и технологических коллективов, как академических и университетских, так и частных компаний. Так, европейский консорциум NanoSci-ERA объединяет 17 организаций из 12 стран сообщества. Он занимается координацией деятельности ученых различных стран, формированием межнациональных исследовательских коллективов.

Крупнейшими ключевыми игроками в сфере наноматериалов на сегодня (по мнению Global Industry Analysts, Inc., GIA, – известной в мире аналитической компании, основанной в 1987 году в США) являются: AMAG Pharmaceuticals Inc., Advanced Nano Products Company Limited, Antaria Limited, Altair Nanotechnologies Inc., Apex NanoMaterials, ApNano Materials, Catalytic Materials, Dendritic Nanotechnologies Inc., eSpin Technologies Inc., Hyperion Catalysis International, ILJIN Nanotech Co Ltd., Integran Technologies Inc., Nanodynamics Inc., Nanoledge, Nanophase Technologies, Oxonica Plc., Shenzhen Nanotech Port Co Ltd., Sun Nanotech Company Limited and Xintek Inc.

Наиболее крупным региональным рынком наноматериалов на сегодняшний день являются США, где объем доходов в 2008 г.

оценивается на уровне 1,1 миллиарда долларов США. Второй в мире по величине региональный рынок охватывает Западную Европу и составляет примерно 30 % мирового рынка наноматериалов.

Предположительно самым быстрорастущим рынком является Азиатско-Тихоокеанский регион, где доходы стабильно росли в период с 2002 по 2008 гг. в годовом темпе более 30 %.

Стратегический прогноз, выполненный компанией Global Industry Analysts, Inc. (2008 г., до признания кризиса в мировой финансовой системе), оценивает мировой рынок наноматериалов в миллиардов долларов к 2012 г. Половину этой суммы составит доля доходов в сегменте нанопорошков (нанооксидов). Доходы от нанометаллов по прогнозу должны приблизиться к 3 миллиардам долларов к 2015 г. Другим «миллиардным» сегментом мирового рынка наноматериалов считаются углеродные нанотрубки, рост которого прогнозировался в десятках процентов ежегодно по 2015 г.

Производство нанотрубок. Углеродные нанотрубки (УНТ = = CNT) играют значительную роль в зарождающейся нанотехнологической индустрии благодаря уникальным физико-химическим свойствам. Их прочность может в 50 раз превышать прочность стали. В настоящее время производством нанотрубок занимаются более сотни различных компаний по всему миру. Наиболее крупные производители приведены в табл. 4.6. Ассортимент производимых нанотрубок включает три типа:

• SWNT – однослойные (одностенные) нанотрубки;

• DWNT – двуслойные (двустенные) нанотрубки;

• MWNT – многослойные (многостенные) нанотрубки.

Производство углеродных нанотрубок неравномерно распределено между их разновидностями: производство MWNT во много раз превышает соответствующие показатели для SWNT. Так, мировые мощности по производству MWNT оценивались в конце 2006 г. около 271 тонн в год, SWNT – менее 7 тонн в год (источник:

www.wtec.org). Общий мировой рынок CNT прогнозируется на уровне 1.9 млрд долл. к 2010 г. (см. рис. 4.15).

Наиболее крупные производители углеродных нанотрубок британия Swan&Co, Ltd.

Германия Bayer Material www.bayermaterialscienc SouthWest Nano- www.swentnano.com Sun Nanotech Co. www.sunnano.com Япония Showa Denko www.sdk.co.jp Mitsui & Co., Ltd. www.mitsui.co.jp Hodogaya Chemi- www.hodogaya.co.jp NEC Corporation www.nec.com Республи- Iljin Nanotech www.iljinnanotech.co.kr ка Корея Co., Ltd.

Канада Raymor Industries www.raymor.com Кипр Rosseter Holdings www.e-nanoscience.com Греция Nanothinx S.A. www.nanotubesx.com Рост производства SWNT осуществляется преимущественно усилиями исследователей и производителей Японии и Северной Америки. Производственные мощности азиатского региона в 2 – 3 раза больше, чем Северной Америки и Европы вместе взятых.

Ведущие позиции занимает Япония, которая является лидером в производстве MWNT. Ускоренными темпами растет производство в Китае и Южной Корее, которые могут стать в ближайшие годы основными поставщиками всех типов нанотрубок. В сентябре 2007 г. компания Bayer MaterialScience AG открыла второй завод и планирует довести производство углеродных нанотрубок Baytubes в Германии до 3 тыс. тонн в год с максимальной чистотой более 95%. Три крупные компании, производящие MWNT, – Showa Denko, Mitsui и Hodogaya Chemical – обеспечивают основной объем продукции на японском рынке. Кроме того, в Японии много начинающих компаний, производство которых в ближайшее время превысит 100 тонн в год. По прогнозам экспертов, в течение ближайших нескольких лет спрос на углеродные нанотрубки достигнет нескольких тысяч тонн в год.

О высоких темпах развития индустрии УНТ в ближайшие годы свидетельствует тот факт, что за последние 5 лет был зафиксирован значительный рост патентной активности. Только за 3 года количество патентов, связанных с УНТ, возросло почти втрое, достигнув около 600 патентов в одном 2006 году. Нанотрубки находят все большее применение в самых разнообразных областях науки и промышленности (рис. 4.17).

Средняя цена нанотрубок на сегодняшний день составляет около 117 долларов за 1 грамм. Самыми дорогими являются DWNT (средняя стоимость – 428 долл./г), самими дешевыми – MWNT (45 долл./г). SWNT занимают среднюю позицию со средней ценой 313 долл./г. Стоимость нанотрубок зависит от их чистоты и диаметра (чем больше диаметр нанотрубок, тем они дешевле). Стоимость российских УНТ и УНВ, производящихся на лабораторных установках, достигает 12000 руб./г из-за крайне малого объема производства.

Большинство мощностей ориентировано на производство углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы с использованием метана в качестве источника углерода (CVD-метод). Некоторые компании производят SWNT с помощью импульсного лазерного испарения, радиочастотной (RF) плазмы или электродугового разряда. Механизм роста нанотрубок до сих пор не до конца ясен.

Между тем, некоторые эксперты считают, что исследователи и производители УНТ недооценивают риски, связанные с их массовым производством, которое может серьезно повлиять на мировую экологию. Детальный анализ самого распространенного CVDметода производства нанотрубок показал наличие как минимум ароматических углеводородов, в том числе 4 токсичных полицикличных углеродных соединения. Наиболее вредным в составе побочных продуктов производства был признан полициклический бензaпирен, широко известный канцероген, действующий на ткани человека. Другие составляющие представляют собой прямую угрозу озоновому слою планеты. Поэтому на встрече Американского Химического Общества ученые предложили заняться поиском более экологически чистого метода производства нанотрубок. Либо же производителям придется серьезно "очищать" последствия CVD-техпроцесса, что, естественно, вызовет увеличение стоимости нанотрубок.

Производство нанопорошков. Промышленное производство большинства видов нанопорошков началось около 10 лет тому назад. До этого в промышленных количествах производились только кремнезем, глинозем и оксид железа. Научно-исследовательские институты и университеты выпускали в небольших объемах многие из ныне имеющихся нанопорошков для применения в наноисследованиях. Несмотря на широкий ассортимент доступных в настоящее время нанопорошков, всего лишь некоторые из них производятся в промышленных масштабах и подлежат конкурентному ценообразованию.

Цены на порошки значительно разнятся от производителя к производителю. У большинства производителей порошков нет прейскурантов цен, поскольку цена на порошок прежде всего зависит от количества и только во-вторых от качества, и составляет 60 – 150 долларов за 1 килограмм. Высокая цена (500 – 1500 долл./кг) на некоторые специальные порошки (цирконий, серебро, индий-оловянные окислы) объясняется сочетанием высокой стоимости сырья и низким объемом производства. Средний заказ на такие порошки находится в пределах от 1 до 10 кг.

По всему миру производится более сотни различных видов порошков. Все нанопорошки, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80% всей массы производимых порошков. Порошки чистых металлов составляют значительную (15 %) и все возрастающую долю всего объема производства.

Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, но не производят наночастицы в значительных объемах. Сейчас только развитые в промышленном отношении страны стали производить наноматериалы в коммерческих количествах. Большинство из стран-производителей наноматериалов сильно зависят от импорта сырья. На США приходится более половины производства нанопорошков.

Такие отрасли промышленности как электроника, оптика и обрабатывающая промышленность потребляют более 70 % мирового производства порошков. Медицина и косметическая промышленность потребляют только 7 % нанопорошков. Нанопорошки используют для получения автомобильных нейтрализаторов (12 тыс. т), абразивов (9 тыс. т), материалов для магнитной записи (3 тыс. т), солнцезащитных материалов. По прогнозам, к 2010 г.

рынок нанопорошков должен достигнуть 11 млрд долл.

В базе данных нановеществ, производимых в мире, содержится информация о более чем 1400 веществах, разбитых по 22 областям применения (Исследовательская компания Abercade).

Цены на порошки значительно разнятся от производителя к производителю. У большинства производителей порошков нет прейскурантов цен, поскольку цена на порошок прежде всего зависит от количества и только во-вторых от качества. Текущая высокая цена на некоторые специальные порошки объясняется сочетанием высокой стоимости сырья и низким объемом производства.

Средний заказ на такие порошки находится в пределах от 1 до 10 кг.

Согласно прогнозам компании IMS Health, доля биотехнологических препаратов, которые производятся с использованием технологий генной инженерии, выросла на мировом фармацевтическом рынке с 6 % в 1999 г. до 14 % в 2009 г. [4.25]. Годовой объем продаж достиг $90 млрд. Если общемировой объем продаж фармацевтических препаратов растет с темпом 7 % в год (составив $ 602 млрд. в 2005 г.), то продажи биотехнологических препаратов растут с темпом более 17%. Благодаря новым подходам к разработке лекарственных препаратов в последние годы мы стали свидетелями революционных прорывов в лечении таких заболеваний как рак, рассеянный склероз, ревматоидный артрит, сахарный диабет, ВИЧ и др. В результате, такие компании, как Genentech, Amgen (AMGN), Biogen (BIIB), Amylin (AMLN), за короткий срок из небольших малоизвестных компаний превратились в лидеров мирового фармацевтического рынка (табл. 4.7). Напротив, такие типичные представители фармацевтического сектора как Pfizer (PFE), Merck (MRK), Bristol-Myers Squibb (BMY) оказались в затруднительном положении из-за проблем с пополнением портфелей препаратов новыми перспективными разработками и скандалов, связанных с побочными эффектами своих важнейших продуктов.

Американский биотехнологический рынок имеет стратегическую важность для всего мирового рынка биотехнологической продукции. По различным оценкам он составляет 42 – 45 % мирового рынка.

Наибольшую долю доходов глобального рынка наноматериалов в краткосрочной перспективе получат, по мнению экспертов, нанопорошки из оксидов и металлов. Расширяющийся спрос на такие наноматериалы, как одностенные нанотрубки и дендримеры, в настоящее время существенно способствует росту объема рынка.

Среди сегментов конечного спроса на рынке наноматериалов по доходам доминируют здравоохранение и электроника. Электроника на сегодня является крупнейшим потребителем наноматериалов, но здравоохраниение является наиболее перспективным и многообещающим.

Журнал Forbes уже несколько лет публикует список лучших потребительских нанопродуктов года (последний такой список – за 2005 г.) [4.26]. В рейтинге лучших 10 нанопродуктов за 2005 г.

представлены новые разработки: очиститель воздуха на основе нанопорошкового агента (диоксида титана) от компании NanoTwin Technologies из города Салем, штат Нью-Гэмпшир; высокоплотная и долговечная водоэмульсионная краска от Behr на основе технологии NanoGuard; оконное самоочищающееся стекло от компании Pilkington («активное стекло»), покрытое светоактивной пленкой толщиной в несколько десятков нанометров; полиэстеровые «наноноски» ArcticShield Socks от ARC Outdoors, устойчивые к образованию запаха благодаря серебряным наночастицам размером 19 нанометров в структуре волокон ткани; повседневная одежда в стиле Нано от Nanotex, позиционируемое как новейшее достижение текстильной промышленности, обладающее рядом ценных свойств (поглощение влаги и быстрая высыхаемость, превосходные антибактериальные свойства, предотвращение неприятных запахов); бейсбольная бита Easton Stealth CNT на основе технология «углеродной нанотрубки» (carbon nanotube technology); фуллереновый крем для лица C-60 от компании Zelens с антиоксидантными свойствами; шоколадная жевательная резинка Choco'la от O'Lala Foods, обладающая более мягкой консистенцией и шоколадным вкусом благодаря технологии наноинкапсуляции – заключения вещества в микроскопическую оболочку; растительное масло Canola Active от Shemen Industries (Canola – сорт генно-модифицированного рапса). В состав масла входят 30-нанометровые капсулы, которые, благодаря своему малому размеру, легко проникают в ткани и эффективнее доставляют питательные вещества к месту их потребления. В Canola Active эти наноструктуры служат для более эффективного усвоения фитохимических («растительных») веществ – фитостеринов. Наконец, миниатюрный флэш-плеер iPod Nano от Apple Computer с необычайно большим объемом памяти в 4 гигабайта. Электронную начинку iPod Nano составляют микрочипы от Samsung и Toshiba. Южнокорейская компания Samsung, которая сейчас является крупнейшим в мире производителем чипов флэш-памяти NAND и DRAM, использует при производстве полупроводниковые технологии с прецизионным уровнем точности производственных манипуляций – ниже 100 нанометров.

В табл. 4.8 представлены объемы производства нанопродукции различных секторов наноэкономики. Как видно, в настоящее время наибольший объем нанопродукции приходится на строительные материалы и косметику.

Биотехнологические компании, имеющие в портфеле коммерческие препараты Компания Рыночная Среднегодовой рост Основные препараты Соглашения о партнерсткапитализация, доходов за послед- и показания ве с компаниями Компания Рыночная Среднегодовой рост Основные препараты Соглашения о партнерсткапитализация, доходов за послед- и показания ве с компаниями (TRMS) По данным фирмы BCC research, мировой рынок нанотехники в 2007 г. составил почти 12 млрд. долларов [4.28]. Далее ожидается увеличение рынка при среднегодовом приросте в 16 %. Рынок распределяется по сферам применения на наноматериалы, наноинструменты (включая нанолитографические установки, используемые для производства следующего поколения полупроводниковых приборов) и наноустройства (рис. 4.17 – 4.19). По оптимистическим расчетам фирмы BCC research ожидается, что рынок наноинструментов будет расти гораздо быстрее рынка наноматериалов (рис. 4.18). В результате доля наноинструментов увеличится в 2013 г. до 29 %, а доля наноматериалов снизится до 69 %. Наибольшие темпы роста характерны для сектора различных наноустройств (наномеханизмов) – 69 % в год. Среди конечных потребителей нанопродукции в 2007 г. были: защита и контроль окружающей среды (56 % рынка), электроника (21 %) и энергетика (14 %). В ближайшие 5 лет наноэлектроника, нанобиомедицина и потребительские товары (бытовая техника) на основе нанотехнологий будут развиваться наибольшими темпами (35, 56 и 46 % соответственно). Более медленным ожидается развитие наноэнергетики (13 %) и средств контроля и защиты окружающей среды (1,5 %).

Мировой рынок нанороботов и NEMS-систем (наноэлектромеханических устройств) возрастет с 40 до 830 млн. долларов в 2011 г. при среднегодовом приросте 83 %. В 2011 г. доля нанооборудования составит 9 %, а доля нанороботов составит 67 % от общего рынка.

Глобальные производственные показатели для различных наноматериалов и устройств, основанных на обзорах в международных химических журналах (2003-2004) и исследованиях рынка [4.27] Использоватонкие пленки, порошки, 10 ние в строиметаллы тельстве Нанокоссид титана, оксид цинка, 1000 Электроника цинка, оксид железа), органические светодиоды Наноинкапсуляция, целенаправленная доставка Биотехнологии МЭМС, НЭМС, микроскопы со сканирующим Инструменты, сенсоры Опыт западных компаний показывает, что самый быстрый путь к коммерциализации лежит через рынок потребительских товаров (рис. 4.20) [4.29]. Примерами могут послужить такие успешные и известные предприятия, как американские Angstrom Medica (основана в 2001 г. как спин-офф лаборатории исследования наноструктурных материалов Массачусетсского технологического института), выпускает нанобиопродукты для ортопедии); NanoSpectra Biosciences, Inc. (основана в 2001 г. для коммерциализации разработок ученых Райсовского университета), выпускает наночастицы, используемые в диагностике и лечении различных заболеваний, в частности, онкологических; Aspen Aerogel, Inc. (основана в 2001 г.

для коммерциализации разработок, выполненных лабораторией Aspen Systems для NASA) – мировой лидер в производстве аэрогелей – нанопористых материалов для звуко- и теплоизоляции;

ZettaCore, Inc. (основана в 1999 г. учеными из Калифорнийского университета в Риверсайде и университета Северной Каролины при поддержке венчурного капитала), производит микросхемы памяти;

британская Nanomagnetics Instruments, Ltd., немецкая Capsulation Nanoscience AG и ряд других. По данным Комиссии безопасности потребительских товаров США (US Consumer Product Safety Commission – CPSC) за два года (к январю 2008 г.) число таких товаров возросло с 212 до 609, причем они произведены в 321 компании стран [4.31].

По оценкам Европейской комиссии (2006 г.) потребуется около 2 миллионов работников для мировой наноиндустрии к 2015 г.

[3.30]. Их распределение по регинам мира ожидается таким: до 0,9 млн в США, до 0,6 млн в Японии, до 0,4 в Европе, около 0,2 млн в Азиатско-Тихоокеанском районе (исключая Японию) и около 0,1 млн в остальном мире (включая Россию). Дополнительно потребуется около 5 млн рабочих мест в поддерживающих отраслях, т.е. 2,5 рабочих места на одного работника наноиндустрии.

Более оптимистические прогнозы давали 10 млн рабочих мест к 2014 г. (рис. 4.21).

4.4. Индикаторы распространения нанотехнологий в производственной сфере 4.4.1. Объемы инвестиций в развитие нанотехнологий В США «движущей силой» развития нанотехнологий является государство. Так, с 2001 г. в стране реализуется федеральная программа под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) с годовым бюджетом в размере 1 млрд. долл. В состав NNI входят 23 государственных организации. Реализация программы NNI позволяет правительству США решить ряд важнейших задач, таких, как поддержка НИОКР в области нанотехнологий и коммерциализация результатов НИОКР бизнес-структурами.

Кроме того, в США реализуется постановление правительства «Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке» (21st Century Nanotechnology Research and Development Act), направленное на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой, долгосрочной поддержки исследований в данной сфере. В соответствии с этим документом пять государственных организаций – Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, NASA, Управление по охране окружающей среды – получили от государства финансирование в размере $ 3,7 млрд. сроком на 3 года для проведения НИОКР в области нанотехнологий. Как следует из рис. 4.22 – 4.27, с 2000 г. средства, выделяемые правительством США на развитие нанотехнологий, постоянно росли. Помимо федерального бюджета США немалые деньги вкладываются в нанотехнологии и через бюджеты различных штатов. Финансирование различных наноразработок заложено в бюджетах 63 % ведущих американских корпораций, включенных в список Dow Jones Industrial Average.

В настоящее время финансирование нанотехнологий в США, Европе и Азии выравнивается, причем вклад корпораций (частного бизнеса) в финансирование работ по нанотехнологиям постоянно растет (рис. 4.25 – 4.28). Уже в 2005 г. объем корпоративного финансирования нанотехнологий в США и Японии превышал объем государственного финансирования. Ранговое распределение на рис. 4.24 и 4.5 показывает, что по объему государственного финансирования Россия занимала в 2007 г. 8 – 9 места, а по объему корпоративного финансирования 19 – 20 места. Отметим, что эти распределения приблизительно соответствуют рангу России в распределениях числа научных публикаций и патентов (см. рис. 4.4 и 4.9).

По оценкам US NanoBusiness Alliance, уже сейчас начинается активный дележ рынка нанотехнологий между странами, а передел его закончится к 2015 г. Прогнозируется, что США займет 30 % рынка нанотехнологий (прирост – 3 % в сравнении с 2007 г). У Японии — 25 % (плюс 1 %), у стран Западной Европы — 20 % (минус 5 %) с преобладающим вкладом Германии, Великобритании и Франции. Остальное распределено между Китаем, Россией, Южной Кореей, Канадой и Австралией (минус 10 %). Таким образом, США и Япония, согласно прогнозам, сохранят свои лидирующие позиции на рынке, при снижении на нем удельного веса Западной Европы, Азии и ряда других стран.