|
Развитие нанотехнологий в США
Полковник С. Выборнов, кандидат военных наук
В 2000 году президент США Б. Клинтон объявил о принятии национальной программы исследований и разработок в области нанотехнологий (НТ), получившей название «Национальная нанотехнологическая инициатива» (ННИ). Научно-технический совет при президенте США присвоил ей наивысший приоритет среди программ НИОКР. В самом общем виде основными целями ННИ, декларировавшимися при обосновании ее необходимости, являлись следующие:
- получение новых научных знаний, лучшее понимание процессов, происходящих в живой и неживой природе;
- разработка новых технологий производства, а также создание новых материалов и устройств;
- совершенствование медицинских технологий, повышение возможностей человеческого организма;
- обеспечение устойчивого развития отдельных областей, связанных с жизнедеятельностью человека (сельское хозяйство, водные ресурсы, получение энергии и материалов, экология);
- освоение космического пространства;
- обеспечение национальной безопасности. Предыстория этого события заключалась в следующем. С начала 90-х годов XX века во многих странах мира отчетливо наметилось новое перспективное направление НИОКР - разработка нанотехнологий. Значительный масштаб эти работы приняли в Соединенных Штатах, которые в 2002 году по ассигнованиям на исследования в этой области значительно (на 44 проц.) опережали страны Европейского союза, хотя и несколько (на 19 проц.) отставали от Японии.
Сама идея использования нанотехнологий возникла значительно раньше. В США ее автором считают выдающегося физика Р. Фейнмана, который в 1959 году обрисовал революционные возможности, открывающиеся перед наукой и техникой в том случае, если удастся проводить манипуляции с отдельными атомами и молекулами. Первые обстоятельные монографии по теоретическим основам нанотехнологий, где эти идеи получили свое развитие, появились во второй половине 80-х годов XX века.
Развертывание работ по нанотехнологиям именно в начале 90-х годов можно объяснить двумя основными факторами: возникновением потребностей в новом качественном скачке в развитии технологий и созданием научно-технических предпосылок к реализации такого скачка.
К 90-м годам XX века обозначились границы дальнейшей микроминиатюризации традиционных электронных компонентов и микроэлектромеханических устройств. К этому же времени относится и появление приборов, позволяющих заниматься наблюдением за отдельными атомами и молекулами и в некоторой степени манипулировать ими.
К таким приборам в первую очередь относятся растровые тоннельный, атомно-силовой и сканирующий зондовый микроскопы.
Наибольший размах и целенаправленный характер работы по развитию нанотехнологий приобрели в США.
НТ - это не только лишь переход на новый размерный уровень. Нечто вроде перехода от электроники с элементами миллиметровых размеров к микроэлектронике (вторая половина 1960-х - 2000 год), от миниатюризации к микроминиатюризации, от печатных плат и гибридных модулей к большим интегральным схемам и монолитным сверхвысокочастотным интегральным схемам. Нанотехнологий - это революционный скачок, переход к совершенно новым технологиям и принципам создания продукта: молекулярная сборка и самосборка высокоорганизованных структур, автокопирование и т. д., взаимопроникновение до этого малосвязанных технологий электроники, биотехнологий, новых конструкционных, электронных, оптических и магнитных материалов, информационных технологий.
Ожидается, что НТ окажут значительное влияние на многие стороны жизни человечества. Так, в стоимостном выражении объем мирового рынка нанотехнологий в перспективе, через 10-15 лет, по оценкам американских экспертов, превысит 1 трлн долларов. Как ожидается, этот рынок будет состоять из следующих сегментов: производственные технологии и оборудование (340 млрд долларов); электронные компоненты (300 млрд); повышение уровня здравоохранения, фармацевтика (180 млрд); нефтехимическая промышленность (100 млрд); транспорт (70 млрд); сельское хозяйство (экономия до 100 млрд долларов при производстве продовольствия). Использование НТ позволит также сократить на 200 млн т выбросы углекислого газа в атмосферу, что внесет существенный вклад в борьбу с влиянием парникового эффекта.
Нанотехнологий обеспечивают революционное изменение способов разработки и производства конструкционных и специальных материалов. Возможность создавать наноблоки с контролируемыми свойствами, а затем собирать из них требуемые структуры и конструкции приведет к созданию материалов и конструкций с невиданными прежде свойствами, в частности, нанофильтров для разделения изотопов в радиоактивных отходах, специальных наножидкостей для эффективного охлаждения ядерных реакторов, нано-порошков для очистки окружающей среды от загрязнений и т. п.
Без внедрения НТ, по мнению западных специалистов, невозможно и дальнейшее развитие электронных компонентов с устоявшимися за последние 20 лет темпами. По их прогнозам, к 2015 году топологические нормы типовых ИС должны составить 9 нм, что этого возможно достичь только при переходе к наноэлектронике. Возможности современных технологий в этой области, вероятно, будут исчерпаны уже к 2006 году.
Биосинтез и биопроцессинг с использованием нанотехнологий позволят создавать качественно новые структуры, сочетающие свойства биологических и абиогенных объектов, синтезировать новые лекарства и разрабатывать средства их доставки к пораженным органам, вводить новые гены в организмы животных, создавать биоразлагаемые пестициды и т. п.
Сущность НТ заключается в возможности работать на молекулярном уровне для создания больших структур с совершенно новой молекулярной организацией. Такие структуры размером 1-100 нм имеют физические, химические и биологические свойства, которые существенно отличаются и от свойств отдельных изолированных молекул, и от свойств частиц вещества размером больше 100 нм (микро- и макроструктуры). Как правило, это связывают с образованием кластеров. Кластерами в данном контексте обычно называют группы, содержащие от 2 до примерно 1 тыс. атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри этого ансамбля индивидуальное поведение.
Свойства кластера зависят от его размера. Для частиц твердого тела это условие выполняется, пока линейный размер кластера меньше либо соизмерим с характерными «длинами» электронных процессов в кристаллах или если число атомов на поверхности агломерата соизмеримо со скрытым в его объеме. Не только стационарные свойства, но и характеристические параметры фазовых переходов кластеров зависят от их размеров. Так, температура плавления может понижаться на десятки градусов. Важнейшее свойство полупроводников - ширина запрещенной зоны - также зависит от величины кластера. Таким образом, например, вместо синтеза все новых и новых полупроводниковых соединений с заданными свойствами методы НТ позволяют получать всю гамму свойств только, в частности, с помощью широко используемого кремния, варьируя размерами кластеров и расстоянием между ними.
Таким образом, главными научно-техническими целями работ по развитию нанотехнологий, являются следующие: разработка методов и устройств, позволяющих получать и стабилизировать наночастицы различных веществ; создание методов и аппаратуры для исследования свойств наночастиц и наноструктур; выявление наночастиц и наноструктур с ранее неизвестными и уникальными свойствами; поиск наночастиц с заданными свойствами, разработка и реализация аналитических методов и вычислительных алгоритмов для такого поиска и предсказания свойств наночастиц; разработка и освоение технологий получения наноструктур и создания наноустройств, а также их практическое использование.
Уже к настоящему времени в этой области достигнуты значительные успехи. Из последних достижений можно отметить следующие: разработка теоретических основ и создание первых экспериментальных образцов приборов и устройств молекулярной и квантовой электроники; разработка технологии механического штампования интегральных схем с нанометровыми размерами; разработка технологий изготовления жидкокристаллических гибких дисплеев большой площади с использованием процессов по сложности не намного превосходящих процессы изготовления высококачественных обоев; создание высокочувствительных и высокоселективных химических анализаторов, выполненных на одной микросхеме с использованием электронных, оптических, биомолекулярных и микроэлектромеханических компонентов; разработка технологии сборки наноструктур с использованием вирусов и бактерий; создание интерференционного электронного микроскопа с пикометровым разрешением; создание новых высокоэффективных катализаторов, абсорбентов и селективных мембран.
Практически все НТ относятся к технологиям двойного (военного и гражданского) назначения. Влияние НТ на развитие вооружения и военной техники (ВВТ) и военного дела в целом трудно переоценить, и это ясно осознали в ведущих, зарубежных странах.
Развитие и внедрение нанотехнологий окажет революционизирующее воздействие на облик перспективных вооружений и военной техники. Они позволят создавать новые конструкционные материалы, необходимые для разработки более совершенных ВВТ, более легкие и прочные, чем традиционные, материалы, обладающие особыми свойствами (адаптивные к внешним условиям, жаропрочные, биосовместимые и т. п.), новые полупроводниковые, магнитные и оптические материалы, миниатюрные датчики обнаружения химических веществ и агентов биологического оружия, компьютеры, производительность которых на несколько порядков выше, чем у существующих, микророботы различного назначения, сверхмикроминиатюрные датчики, средства диагностики, профилактики и лечения тяжелых заболеваний и т. п.
Важную роль в развитии ВВТ играет резкое снижение стоимости, а также уменьшение массогабаритных характеристик приборов и устройств, изготовленных с использованием нанотехнологий, их энергопотребления.
Таким образом, применение НТ в военной области открывает широкие перспективы. Они затрагивают все типы и виды ВВТ - от экипировки бойца и стрелкового вооружения до космических аппаратов и сложных систем оружия. Кроме того, их внедрение приведет к созданию качественно новых образцов ВВТ, в частности нанороботов (космических, летательных и наземных аппаратов), выполняющих широкий спектр разведывательных и боевых задач, появлению принципиально новых датчиков и устройств (так, в США ведется разработка моделей для создания других наноустройств, таких, например, как солнечные элементы на основе растительных белков, преобразующих свет в электрический ток, а также акустического датчика размером 1 мм, с высокой точностью определяющего направление на источник звука, который по принципу действия аналогичен слуховой системе насекомых), новых информационно-аналитических систем на основе копирования принципов работы человеческого мозга, летательных аппаратов с принципиально новыми аэродинамическими свойствами и т. п.
Министерство обороны США стало одним из первых федеральных ведомств, осознавших важность развития нанотехнологий для решения собственных задач. С 1996 года в план базовых исследований МО в качестве одной из семи стратегических областей НИОКР включены работы по НТ. При этом военное ведомство с самого начала организовало их как многодисциплинарный комплекс фундаментальных исследований и поисковых разработок в области физических, химических и биологических наук, а также материаловедения. Работы в этом направлении тесно увязывались с исследованиями в других стратегических областях - биомиметика (биокопирование), новые материалы и структуры, компактные источники энергии.
Развитие нанотехнологий, по мнению американских экспертов, позволит обеспечить технологическое превосходство американских вооружений и военной техники над ВВТ любой другой страны мира, более эффективно решать задачи борьбы с терроризмом.
Программа исследований и разработок «Национальная нанотехнологическая инициатива» преследует весьма амбициозные цели, связанные с получением важнейших результатов практически во всем спектре важных для военной и гражданской сфер применения, что и определяет широту спектра проводимых НИОКР. ННИ включает в себя следующие элементы: фундаментальные исследования и поисковые разработки; работы в области прорывных направлений (Grand Challenges); создание сети центров передовых исследований; развитие инфраструктуры исследований. Кроме того, этой программой предусмотрено финансирование обучения занятого в программе персонала и будущих кадров для нее, а также исследование этических, юридических и социальных вопросов использования нанотехнологий. С точки зрения поставленных в статье вопросов наибольшее значение на современном этапе имеют направленность, полученные и ожидаемые результаты фундаментальных исследований и поисковых разработок. Рассмотрим их более подробно применительно к реализуемой в США ННИ.
Фундаментальные исследования и поисковые разработки в долгосрочной перспективе должны обеспечить понимание базовых процессов, происходящих в новых пространственно-временных масштабах, привести к созданию принципиально новых измерительных приборов и инструментов, позволяющих манипулировать веществом на атомарно-молекулярном уровне, и разработке новой технологической базы, необходимой для создания качественных наноструктур.
Приоритетными областями НИОКР в рамках данной программы являются следующие: наноразмерные биосистемы; новые эффекты на наноуровне и наноструктуры, включая исследования квантовых эффектов; архитектура систем и устройств; разработка теории мультиэффектных взаимодействий, происходящих на разномасштабном уровне; моделирование и имитация. Кроме того, исследования затрагивают другие важные проблемы, например наноразмерные процессы, происходящие в природе.
В 2001 финансовом году в рамках программы «Национальная нанотехнологическая инициатива» было профинансировано более 200 тыс. работ в университетах, а также исследования в федеральных НИУ и лабораториях промышленных фирм. В качестве только одного примера будущего использования НТ в военном деле приведем следующий - сухопутные войска США в 2001 году выдали Массачусетскому технологическому институту контракт стоимостью 50 млн долларов на создание научно-исследовательского центра по применению нанотехнологий для совершенствования индивидуальной экипировки военнослужащих - ISN (Institute for Soldier Nanotechnologies).
В течение пяти лет сотрудники ISN должны разработать новый легкий молекулярный материал для изготовления обмундирования, которое бы защищало солдата от воздействия агентов химического и биологического оружия, заживляло полученные ранения и травмы, служило бронежилетом и одновременно выполняло все остальные функции полевой формы одежды. Предполагается, в частности, создать камуфляжную одежду, делающую солдата почти незаметным на фоне внешней среды, разработать материал, который из мягкого превращается в нужном месте в твердый при переломе солдатом конечностей, устройства, позволяющие полностью экипированному бойцу в пуленепробиваемой одежде перепрыгивать через 7-м стену, а также материалы, отводящие инфракрасное излучение тела и меняющие свой цвет в зависимости от фона.
В первый год (2001) работ по программе были достигнуты следующие важные результаты:
- продемонстрированы биологические методы сборки наноструктур;
- проведены эксперименты по использованию ДНК при конструировании наноустройств;
- разработаны элементы наноразмерных электронных схем;
- изобретены микролинзы для исследований в области нанотехнологий;
- создан первый биологически-силовой микроскоп (принцип его действия основан на измерении силы сцепления бактерий с подстилающей неорганической поверхностью) для работ в области геохимии;
- разработаны полевые инверторы на углеродных нанотрубках;
- создан метод флуоресцентной визуализации с использованием квантовых точек;
- экспериментально опробован метод сегментирования ДНК с помощью мембран с наноразмерными отверстиями;
- разработаны схемы энергонезависимых запоминающих устройств на кремниевых нанокристаллах;
- создан метод обнаружения взрывчатых веществ по их нано-термо-механическим сигнатурам;
- разработаны наночастицы для использования в интересах обеспечения внутренней безопасности.
Реализация в США программы ННИ, помимо чисто технологических, преследует достижение и других важных общенациональных целей. К числу важнейших из них относятся: улучшение природной (охрана и восстановление окружающей среды) и техногенной (новые материалы и технические устройства, облегчающие жизнь человека и способствующие его всестороннему развитию и реализации как личности) среды обитания человека, повышение уровня здравоохранения, создание новых высокооплачиваемых рабочих мест, повышение конкурентоспособности американской промышленности.
Аналогичные программы по развитию нанотехнологий, хотя и в меньших масштабах, реализуются и в других странах, в частности Японии и ведущих государствах ЕС.
Таким образом, нанотехнологии становятся в настоящее время ведущим направлением научно-технического прогресса, «локомотивом», во многом обеспечивающим развитие других областей, образующих ядро технологической парадигмы человечества XXI века, - информационных и биотехнологий, энергетики, экологии и т. п. Развитие НТ революционным образом скажется на совершенствовании техногенной и природной среды обитания человека, на качестве его жизни - благосостоянии, сохранении здоровья, всестороннем развитие личности.
Зарубежное военное обозрение 2003 №5 с. 9-12
Смотрите также
|
