Нанонаука, нанотехнологии, Наноинженерия, наносистемы. Что дальше?

УДК 539.1

В. А. Шахнов

НАНОНАУКА, НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОИНЖЕНЕРИЯ, НАНОСИСТЕМЫ. ЧТО ДАЛЬШЕ?

На основе общих понятий о нанотехнологии и наноинженерии рассмотрена роль университета в развитии этих современных направлений науки, техники, технологий.

E-mail: shakhnov@mail.ru

Ключевые слова: нанонаука, нанотехнологии, наноинженерия, наноси-

стемы, подготовка кадров.

Нанотехнологии — символ начала XXI века для многих направлений развития науки, техники, технологий. Трудно назвать сферу знаний, отрасль промышленности, сельского хозяйства, медицины, в которой бы внедрение достижений нанотехнологий не оказало бы значительного влияния на увеличение эффективности производства. Для любого специалиста нанотехнологии — это создание систем, материалов, устройств, продуктов на наноразмерном уровне. Уже в ближайшие годы c применением достижений нанотехнологий следует ожидать существенных прорывов в науке, технике и технологии. К ним, в первую очередь, следует отнести значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, индивидуальный подбор и адресную доставку лекарств, получение новых материалов с неизвестными до настоящего времени свойствами, новые методы передачи информации, создание сверхминиатюрных устройств на основе самосборки и многое другое.

В последние годы получены новые научные результаты в области исследований атомарного и молекулярного строения веществ, физики и химии поверхностных явлений, взаимодействия частиц разной природы и др. Все это составляет основу бурно развивающегося научного направления — нанонауки. В свою очередь, теоретические и экспериментальные достижения нанонауки становятся основой нанотехнологий, т.е. направленных, управляемых процессов создания новых продуктов, материалов, изделий с нанометровыми размерами и с заранее заданными свойствами. Однако переход от лабораторных к промышленным образцам достаточно сложен и до настоящего времени не изучен.

Успехи нанотехнологий неизбежно приведут к необходимости постановки и решения задач разработки как производственных технологий, так и высокопроизводительных систем атомарной точности.

Проблемы создания таких технологий и систем призвана решать нано-инженерия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов разработки, производства и применения интегрированных систем, основанных на принципах нанотехнологий и микросистемной техники. В этом определении сконцентрирован как опыт существования инженерии на протяжении нескольких веков, так и то новое, что вносят в инженерию нанотехно-логии.

Успехи нанонауки, нанотехнологий, наноинженерии приведут к массовому производству наноматериалов, наноэлементов, наноизде-лий различного назначения и к появлению наносистем — особо сложных электрических и механических устройств, связывающих воедино различные устройства, узлы и элементы атомарных и молекулярных размеров. Создание таких систем потребует совершенно нового системного подхода к их проектированию, изготовлению, эксплуатации, утилизации, т.е. ко всем этапам их жизненного цикла.

МГТУ им. Н.Э. Баумана имеет богатый опыт подготовки инженеров различных специальностей. Выпущены десятки тысяч специалистов, среди которых такие известные во всем мире, как С.П. Королев, А.Н. Туполев, В.Г. Шухов, И.Я. Стечкин, Н.А. Доллежаль и многие, многие другие. Следует отметить, что всегда, независимо от политических и экономических условий ученые университета находили такие пути развития инженерной подготовки, которые имели наибольшее значение для страны и соответствовали тенденциям развития науки, техники, технологии и традициям МГТУ им. Н.Э. Баумана. Поэтому, проанализировав пути развития нанотехнологий, ученые университета признали целесообразным считать важнейшими для МГТУ им. Н.Э. Баумана следующие направления наноинженерии:

• выполнение работ по многоуровневому и многомасштабному моделированию;

• разработка методов и средств визуализации нанообъектов;

• работы по метрологии и точным измерениям;

• разработка технологических процессов атомарной точности;

• создание производственных систем атомарной точности;

• разработка микро- и наносистем в интересах оборонной техники;

• подготовка инженерных кадров для наноиндустрии.

Успехи как в наноинженерии, так и в нанотехнологиях зависят от того, насколько быстро и качественно будут сформированы творческие коллективы специалистов, какова будет их профессиональная подготовка. И здесь большую роль должны сыграть университеты страны

не только потому, что в них сконцентрирован большой научный потенциал. Они должны стать центрами образования специалистов новой формации, обладающих глубокими знаниями фундаментальных и инженерных наук, способных не только генерировать идеи и создавать модели и экспериментальные образцы, но и организовывать высокотехнологичное производство. Уместно в связи с этим отметить следующее:

• практически ни один университет не в состоянии приобрести или самостоятельно разработать в нужном объеме нужную материально-техническую базу, поэтому необходимо развивать кооперацию как университетов внутри одной страны, так и межгосударственную кооперацию университетов и ведущих научных центров и фирм;

• следует развивать сеть центров коллективного пользования, научных центров и лабораторий при университетах и организовать их тесное взаимодействие с промышленностью, что позволит обеспечить выполнение реальных проектов по заказу промышленности или в рамках исследовательских грантов;

• необходимы отбор наиболее способных студентов последних курсов обучения и привлечение их к оплачиваемой научно-исследовательской работе, выполняемой лабораториями университетов и компаниями, ассоциированными при университетах (практически каждый университет имеет свой так называемый "бизнес-инкубатор", поддерживаемый рядом компаний);

• в университетах необходимо иметь парк оборудования, позволяющего проводить обучение по принципу "от простого к сложному". Простое и надежное оборудование необходимо для проведения типовых лабораторных работ. Специализированное опытно-экспериментальное оборудование, позволит реализовать конкретные проекты по специализациям. Уникальное научно-исследовательское оборудование обеспечит проведение высокорезультативных исследований.

В 2009 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана и Российский научный центр "Курчатовский институт" (РКЦ КИ) образовали совместный научно-образовательный центр (НОЦ) "Наноинженерия", основной задачей которого является достижение научных результатов мирового уровня по приоритетному направлению развития науки, технологии и техники "Индустрия наносистем и материалов", закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов, в которых молодые ученые, аспиранты и студенты работали бы с наиболее результативными исследователями старших поколений. В рамках деятельности НОЦ "Наноинженерия" предлагается разработать механизм

закрепления в науке молодых ученых и специалистов путем проведения соответствующего мировому уровню образовательного процесса, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, предполагающих достижение молодыми исследователями такого уровня квалификации, который позволил бы им впоследствии стать конкурентоспособными на рынке научных исследований.

Важным для университета явилось подписание в 2009 г. соглашения о сотрудничестве с "Российской корпорацией нанотехнологий", направленное на развитие инновационной инфраструктуры наноинду-стрии, на подготовку и реализацию инновационных проектов в сфере нанотехнологий и наноинженерии, на создание благоприятных условий для проведения НИОКР, разработки дорожных карт и форсайтов, реализации образовательных проектов по подготовке, переподготовке и повышению квалификации специалистов в сфере наноинженерии.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана организован "Учебно-инженерный центр нанотехнологий, нано- и микросистемной техники", работающий в режиме центра коллективного пользования, в котором установлено уникальное исследовательское и технологическое оборудование для проведения работ на высоком научном уровне. Студенты, аспиранты, преподаватели и специалисты имеют возможность проводить в этом центре исследования на сверхвысоковакуумном сканирующем зон-довом микроскопе, спектроскопическом эллипсометре, растровом и электронном микроскопах, получать образцы нанопродукции на нано-технологическом комплексе "Нанофаб 100", ионно-плазменной электродуговой и электронно-лучевой установках, установке реактивно-ионного и плазмохимического травления и др. Учебно-инженерный центр — это экспериментально-производственная база НОЦ "Наноин-женерия". Важным для пользователей оборудования является то, что в ближайшее время с окончанием работ по организации удаленного доступа возможность работать и знакомиться с работой уникального оборудования получат имеющие соответствующую подготовку студенты, аспиранты и специалисты университетов и организаций в других городах России.

Междисциплинарный и многодисциплинарный характер нанотех-нологий диктует необходимость поиска новых подходов и форм подготовки специалистов соответствующей квалификации. Важную роль в массовой подготовке специалистов для наноиндустрии должны сыграть кафедральные НОЦ. Такие НОЦ в МГТУ им. Н.Э. Баумана уже есть: "Нанотехнологические системы", "Микромеханические системы", "Вакуумные технологии" и др. Особенностью этих НОЦ является наличие в них более простого исследовательского и технологического оборудования, что позволяет обучать основам и принципам наноинже-нерии практически всех обучающихся студентов. Такое оборудование

значительно дешевле, чем в центре коллективного пользования уникальными установками. На кафедрах выполняются реальные курсовые и дипломные проекты. По заданиям промышленности выполняются научно-исследовательские работы. Все это позволяет надеяться, что в ближайшем будущем в науке и промышленности появится большой отряд специалистов, способных решать сложнейшие задачи наноин-дустрии.

Ведущая роль в проведении исследований и в подготовке кадров высокой квалификации для нужд наноиндустрии принадлежит коллективам кафедр. Здесь необходимо упомянуть кафедры "Физика", "Химия", "Высшая математика", "Вычислительная математика и математическая физика", "Металлорежущие станки", "Метрология и взаимозаменяемость", "Материаловедение", "Электронные технологии в машиностроении", "Прикладная механика", "Ракетные двигатели", "Поршневые двигатели", "Теплофизика", "Плазменные энергетические установки", "Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации", "Технологии ракетно-космического машиностроения", "Ракетно-космические композитные конструкции", "Лазерные и оптико-электронные системы", "Оптико-электронные приборы научных исследований", "Технологии приборостроения", "Проектирование и технология производства электронной аппаратуры", "Конструирование и производство электронной аппаратуры" Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. В представленном вниманию читателей первом специальном выпуске "Наноинженерия" журнала "Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана", серия "Приборостроение", приведены некоторые результаты работ специалистов кафедр в области наноинженерии. Всем им глубокая признательность за представленные материалы.

Научный редактор выпуска, член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.А. Шахнов