Перспективы развития нанотехнологий в Томском научно-образовательном комплексе

Перспективы развития нанотехнологий

в Томском научно-образовательном комплексе

С. Г. Псахье,

д. ф.-м. н., профессор, Председатель Президиума Томского научного центра СО РАН, директор Института физики прочности и материаловедения СО РАН

Г. Е. Руденский,

Ученый секретарь по инновационной деятельности Института физики прочности и материаловедения СО РАН

Введение

Томский научно-образовательный комплекс является одним из признанных лидеров в области нанотехнологий и создания новых материалов. В научно-образовательном комплексе Томской области исследования и разработки наноматериалов и нанотехнологий активно развиваются в течение последних десятилетий. По этому направлению сформировались научные школы в Томском политехническом университете (ТПУ), Томском государственном университете (ТГУ), Томском научном центре СО РАН (ТНЦ СО РАН). Благодаря существенному научнотехнологическому заделу разработки этих школ являются актуальными и конкурентоспособными не только в России, но и за рубежом.

В последнее время в связи с интенсивным развитием нанотехнологий во всех ведущих странах, во многих высокотехнологичных отраслях (электроника и средства связи, авиакосмический комплекс, атомная техника, машиностроение, химическая, фармацевтическая промышленность и др.) возникла острая потребность в квалифицированных кадрах, способных проводить исследования, применять и совершенствовать нанотехнологии и наноматериалы в промышленных масштабах. Без такого персонала в современных условиях невозможно развитие этих отраслей, поддержание их конкурентоспособности.

Образование в области нанотехнологий

В томских вузах традиционно велась подготовка кадров для таких отраслей промышленности и к настоящему времени разработаны образовательные программы подготовки и переподготовки высококвалифицированных кадров по направлениям «Нанотехнологии», «Наноматериалы».

Традиционно высокий уровень томских университетов подтверждается их высокими рейтингами. Например, ТПУ занимает 1-е место в рейтинге Ассоциации инженерного образования России, 4-е место в рейтинге Ассоциации технических университетов России. Университет имеет сертификат о государ-

ственнои аккредитации, девять программ подготовки специалистов аккредитованы в Аккредитационном независимом центре инженерных специальностей. Впервые в России Томский политехнический университет в целом и пять программ подготовки на английском языке сертифицированы в международном аккредитационном центре Global Alliance for Transnational Education (GATE, США), система менеджмента качества подготовки специалистов 6 подразделений сертифицирована в Агентстве по сертификации National Quality Assurance (NQA, UK). В

2005 г. ТПУ первым из российских вузов принят в Ассоциацию ведущих европейских университетов в области инженерного образования и исследований CESAER (The Conference of European Schools for Advanced Engineering Education and Research — входят 55 ведущих европейских университетов из 23 стран Западной и Центральной Европы) и консорциум ведущих европейских и азиатских технических университетов CLUSTER (Consortium Linking Universities of Science and Technology for Education and Research — входят университеты из 11 стран Европы). Томские университеты имеют филиалы и представительства в различных городах России, стран СНГ и дальнего зарубежья. Так, у Томского политехнического университета 6 филиалов и 17 представительств, в том числе в городах Карлсруэ (Германия), Прага (Чехия), Никосия (Кипр) и др.

В Томском государственном университете ведется подготовка дипломированных специалистов и кадров высшей квалификации (магистров, кандидатов и докторов наук) в области новых материалов и химических технологий, включая наноматериалы и нанотехнологии. Открыты новые специализации: «Наноматериалы», «Нанотехнологии в электронике», «Нанотехнологии в оптоэлектронике», «Фотоника наноразмерных структур», «Наноэлектроника и на-нофотоника», «Физические методы создания многослойных гетероструктур и квантоворазмерных систем», «Твердотельная оптоэлектроника», «Квантовые приборы и системы», «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», «Нанотехнологии в материаловедении».

ИННОВАЦИИ № 8 (95), 2006

ИННОВАЦИИ № 8 (95), 2006

Презентация фильтровальных материалов AquaVallis для очистки воды и оборудования на их основе Президенту РФ В. В. Путину

В ТГУ при поддержке американского Фонда гражданских исследований и развития, Роснауки, администрации Томской области созданы Материа-ловедческий центр коллективного пользования, Научно-образовательный центр «Физика и химия высокоэнергетических систем». Тематика работы этих центров включает такие направления, как «Физические и химические закономерности создания нано- и субмикронных частиц методами аэромеханики»; «Экспериментальные исследования, разработка физико-математических моделей, компьютерных программ по проблемам синтеза наноразмерных частиц»; «Физико-математические модели образования и поведения наносистем»; «Фундаментальные закономерности и механизмы формирования наноструктурных состояний в твердых телах при интенсивных внешних воздействиях»; «Закономерности и механизмы диффузионно-контролируемых процессов в объемных наноструктурных системах»; «Дизайн новых типов сверхтвердых нанокомпозитных пленок»; «Создание наноструктурных сплавов и нанокомпозитов с уникальными механическими свойствами»; «Разработка принципов создания новых керамических гомогенных и композиционных материалов с нано-фазной и нанокристаллической структурой».

С 2004 г. в ТПУ начата работа по подготовке бакалавров и магистров по направлению 554500 «Нанотехнология» и по подготовке дипломированных специалистов по направлению 658300 «Нанотехнология» (специальность 073800 «Наноматериалы»). С

2006 г. в ТПУ по направлению 150614 открыта магистерская программа «Материаловедение и технологии наноматериалов и покрытий». При поддержке американского Фонда гражданских исследований и развития, Минпромнауки РФ и администрации Томской области в НИИ ядерной физики при ТПУ создан ЦКП «Центр измерения физических и эксплуатационных характеристик новых материалов и покрытий». В 2001 г. в ТПУ организован научно-образовательный комплекс «Физико-химия нанопорошков и наноматериалов». Разработку нанотехнологий и исследования наноматериалов проводят более 20 профессоров — докторов наук, доцентов и кандидатов наук.

В рамках договора о партнерстве между ТПУ и ТНЦ СО РАН для развития интеграции науки и об-

разования в ТПУ основаны кафедра высоких технологий в машиностроении, кафедра сильноточной электроники. Более 20 лет в ТПУ действует кафедра материаловедения в машиностроении. Во всех вузах Томска, ТНЦ СО РАН, ТНЦ СО РАМН активно работает аспирантура и докторантура, эффективно действуют диссертационные советы по многим специальностям физики, химии, материаловедения, фармакологии, медицины. Так, в аспирантуре ТПУ обучаются 560 аспирантов (400 — очного обучения) по 75 специальностям под руководством 206 ученых (в том числе 157 профессоров и докторов наук); в докторантуре — 50 докторантов; действует 18 диссертационных советов (в том числе 14 докторских).

Прикладные исследования в области нанотехнологий

Имеющийся потенциал Томского научно-образовательного комплекса, значительный опыт интеграции томских вузов с ТНЦ СО РАН, ТНЦ СО РАМН позволяет решить поставленную задачу развития наноиндустрии при высококвалифицированном научно-методическом и организационном обеспечении, используя уже существующие научные результаты, материально-технические и кадровые возможности, а также модернизируя и разрабатывая новые методики и образовательные программы.

В настоящее время в Томском научно-образовательном комплексе выполняются следующие фундаментальные и прикладные работы в области нанотехнологий и создания новых материалов:

^ Нанопорошки: развитие промышленного производства, аттестация, расширение областей применения, продвижение на рынок.

^ Нановолокна: получение, аттестация, производство фильтровальных материалов, сорбентов.

^ Наноструктурные материалы: смазочные материалы, нанокерамика конструкционного и функционального назначения, субмикрокристаллические материалы на металлической основе.

Электронно-пучковая установка для поверхностной модификации металлов и сплавов путем создания наноструктурных слоев

Фильтровальный материал ЛциаУаШз на основе нановолокон для очистки воды от микробиологических загрязнений

^ Технологии модификации свойств, создания наноструктурных поверхностных слоёв и покрытий на конструкционные и инструментальные материалы, обеспечивающие повышение характеристик прочности, износостойкости, коррозийной стойкости, сопротивления усталостному разрушению.

^ Композиционные материалы на полимерной и неорганической основах, синтезированные сплавы из порошков металлов и неорганических соединений для машиностроения, металлургии и нефтегазовой отрасли.

^ Наноструктурные материалы для полупроводниковой промышленности и лазерной техники.

^ Объемные наноструктурные биосовместимые материалы для изготовления медицинских имплантантов, протезирования костной ткани.

^ Новые материалы для ядерной энергетики.

Разрабатываемые в рамках этих направлений продукты уже сегодня реально востребованы и являются конкурентоспособными на отечественном и международном рынках. Продукцией, разрабатываемой в рамках данных направлений, заинтересованы сотни предприятий СНГ, Японии, США, Германии, Словении, Израиля, Индии, Сингапура и других стран. По данным маркетинговых исследований, потребности мирового рынка в нанопродуктах, разрабатываемых в рамках данных направлений в 2006 г., составят более чем 10,2 млрд USD. В настоящее время предприятиями Томска реализуется продукции, созданной на основе нанотехнологий, на сумму превышающую 8,0 млн USD.

По тематике направления «нанотехнологии и новые материалы» организациями Томского научнообразовательного комплекса получено более 46 грантов по программам РФФИ, МНТЦ, ИНТАС, Минпромнауки, Минобразования, СО РАН и др., в течение последних нескольких лет ведутся исследования по более чем 25 крупным контрактам, в том числе зарубежным. В Томске создан ряд принципиально новых способов и устройств, защищенных сотнями авторских свидетельств, отечественными и зарубежными патентами, отмеченных наградами международных, всесоюзных и всероссийских выставок. Разработки томских ученых в области нанотехнологий получили высокие оценки в России и за рубежом. В

частности, ТПУ по результатам экспертизы фирмы IBM получил высший рейтинг проекта, представленного в Силиконовой долине США на российско-американском форуме высоких технологий; получил премии за лучшие статьи издательства МАИК «Наука/Интерпериодика»; журнала «Перспективные материалы»; премию компании Nanotechnology News Network, Института нанотехнологий, молодежного научного общества в молодежном конкурсе проектов отечественной нанотехнологий; премию администрации Томской области в сфере образования и науки; дипломы и медали Всероссийских научно-промышленных, инновационных форумов и выставок; Международного салона изобретений и новых технологий. По результатам ежегодного конкурса, проводимого престижным американским журналом R&D Magazine, нанопорошки металлов, производимые в Томском научном центре СО РАН, вошли в число 100 лучших наукоемких продуктов, представленных на рынке США в 2000 г., а керамические нановолокна оксида алюминия были аналогично отмечены в 2002 г. (www.nrel.gov). В 2005 г., разработанный в Томске фильтровальный материал на основе стекломикроволокон победил в конкурсе NASA (США) высокотехнологичных продуктов STHOF, как лучший продукт года.

Томский научно-образовательный комплекс является одним из признанных лидеров в области вакуумных пучково-плазменных технологий формирования наноструктурных покрытий и слоев в материалах. Томская школа сильноточной электроники и пучковых технологий берет свое начало с 1950-х гг. В 1966 г. в Томске было открыто явление взрывной эмиссии электронов. Автором открытия является вице-президент РАН, академик Г. А. Месяц, создатель и научный руководитель ИСЭ СО РАН. Открытое явление позволило создать новый класс технологического и исследовательского оборудования, привело к революции в технологиях обработки материалов. Разработанное пучковое оборудование открывает принципиально новые возможности для высокоэнергетического воздействия на среды различной природы (материалы, газы, жидкости, биологические объекты). Технологические возможности применения такого оборудования в настоящее время далеко не исчерпаны. С использованием данного оборудования созданы технологии формирования наноструктурных поверхностных слоев и покрытий. Отличительной особенностью технологий модификации поверхности материалов является низкая стоимость сырья и высокая стоимость технологий в конечном продукте по сравнению с другими отраслями промышленности. Уже сегодня ионно-плазменные технологии создания наноструктурных поверхностных слоев, применяются в металлообработке, энергетическом и общем машиностроении, электронной и электротехнической промышленности, медицинской технике. Их применение обеспечивает значительную экономию материальных и энергетических ресурсов, экологическую чистоту производства, замещение вредных химико-термических технологий, увеличение ресурса работы деталей машин и технологического оборудования в 3-4 раза. Россия вообще

ИННОВАЦИИ № 8 (95), 2006

ИННОВАЦИИ № 8 (95), 2006

и Томский научно-образовательный комплекс в частности имеют приоритет в этой области.

Инновационная деятельность в области нанотехнологий

Развитие инновационной составляющей нанотехнологического сектора Томского научно-образовательного комплекса основано на следующих принципах:

^ Развитие инновационной инфраструктуры для продвижения наукоемких разработок на российский и зарубежный рынок, их адаптация к отраслевым и международным стандартам.

^ Интеграция научных организаций ТНЦ СО РАН с образовательным комплексом для объединения усилий по продвижению наукоемкой продукции на рынок, привлечению многоканального финансирования, обеспечения кадрами.

^ Формирование научно-производственной кооперации организаций Томского научно-образовательного комплекса и научно-производственного комплекса Сибирского и других регионов страны. Комплексное информационно-аналитическое обеспечение развития нанотехнологий уже сейчас обеспечивает Томский научный центр СО РАН. Для этого создан Томский региональный центр коммерциализации результатов научных исследований (ТЦК) в рамках реализации Проекта Европейской Комиссии «Наука и коммерциализация технологий» (ЕигореА1^115381/С^У/Ки). В рамках данной работы при поддержке европейской комиссии ТЦК обеспечивает отработку механизмов привлечения зарубежных партнеров для проведения маркетинговых исследований, мероприятий по продвижению наукоемкой продукции малых и стартующих инновационных компаний на рынок, выход в международные сети трансфера технологий, информационное и материально-техническое сопровождение стартующих предприятий, взаимодействие с инновационными подразделениями вузов Томска.

Сегодня в Томском научном центре СО РАН идентифицированы приоритетные инновационные проекты в области нанотехнологий, реализация которых имеет высокое региональное значение:

^ Вакуумное электронно-ионно-плазменное оборудование и технологии формирования наноструктурных слоев и покрытий с целью кратного повышения ресурса работы машин и механизмов. ^ Нанотехнологии для очистки воды и обеспечения микробиологической безопасности населения.

^ Синтез наноразмерных порошков неорганических материалов импульсными технологиями. Работы по реализации данных проектов ведутся институтами Томского научного центра СО РАН в кооперации с Томскими вузами и институтами РАН.

Развитие нанотехнологий на базе ОЭЗ

Важным шагом в направлении развития нанотехнологий Томского научно-образовательного комплекса стало решение Правительства России о созда-

Установка ЛциаУаШз Р-5.0 для очистки воды на основе микробиологического фильтровального материала

нии на территории Томской области особой экономической зоны технико-внедренческого типа. Одно из трех приоритетных направлений, в которых будет осуществляться деятельность резидентов Томской технико-внедренческой зоны (ТВЗ), является направление «нанотехнологии и новые материалы». Томская школа физики твердого тела, к которой относится направление ТВЗ «Нанотехнологии и новые материалы», зародилась в Томском государственном университете в середине двадцатых годов прошлого столетия. Ее основателем был профессор В. Д. Кузнецов, ставший затем действительным членом Академии наук СССР. Его имя носит прославленный Сибирский физико-технический институт, который он возглавлял более 30 лет. Сегодня в единый научнообразовательный комплекс «Нанотехнологии и новые материалы» входят Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) и мате-риаловедческие подразделения Институтов ТНЦ СО РАН, Томского государственного университета (ТГУ), Томского политехнического университета (ТПУ) и Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ), а также Сибирского физико-технического института при ТГУ.

Организация опытно-промышленных производств наноматериалов и изделий из них на территории Томской технико-внедренческой зоны будет достигнута как за счет увеличения производства нанопорошков, так и за счет разработки и вывода на рынок новых продуктов: нанотрубок, нановолокон и новых фильтровальных материалов для фильтров высокой очистки жидкостей и газов, наноструктурных сорбентов, объемных биокомпозиционных материалов на основе наноструктурного титана с керамическим покрытием для медицины, нанокомпозици-онных материалов для автотранспорта и машиностроения, противоизносных металлоплакирующих смазочных составов, кислородных датчиков для определения содержания кислорода в расплавах металлов, композитов из никелида титана с наноструктурными поверхностными слоями, оборудования и технологий для нанесения наноструктурных покрытий. Реализация данного проекта позволит вывести на рынок новые продукты: автоматизированное вакуумное ионно-плазменное оборудование для осаждения

сверхтвердых, функциональных покрытий на детали машин и механизмов, стекло и фурнитуру, электронно-лучевое оборудование для сварки и наплавки градиентных, монолитных, высокотемпературных покрытий с аномальной абразивной устойчивостью на детали машин и механизмов, электронно-лучевые установки для модификации поверхностных слоев в материале импульсными низкоэнергетическими электронными пучками, электронно-лучевых стерилизаторов материалов медицинского назначения, создания производства услуг по защите от абразивного высокотемпературного износа рабочей поверхности стенок кристаллизаторов машин непрерывной разливки стали, режущего и штампового инструмента, сварки медных доменных холодильников и т. д.

Перспективы развития инфраструктуры

Для решения первоочередных задач, предусмотренных государственной программой «Развитие в Российской Федерации работ в области нанотехнологий и наноматериалов до 2015 г.», предлагается рассмотреть вопрос о создании томской региональной нанотехнологической сети. Возможная структура томской региональной нанотехнологической сети представлена на рис. 1.

Имеющийся потенциал Томского научно-образовательно-инновационного комплекса, значительный опыт интеграции томских вузов с ТНЦ СО РАН, ТНЦ СО РАМН позволяют решить поставленную задачу развития наноиндустрии при высококвалифицированном научно-методическом и организационном обеспечении, используя уже существующие научные результаты, материально-технические и кадровые возможности, а также модернизируя и разрабатывая новые методики и образовательные программы.

Создание ЦНТ на территории ОЭЗ будет существенным образом способствовать реализации стратегических планов ОЭЗ через улучшение факторных условий, критичных для развития инновационного бизнеса в области нанотехнологий (табл. 1).

Центр нанотехнологий на территории ОЭЗ Томска, как инфраструктурный элемент региональной нанотехнологической сети, позволит сформировать технологическую базу мирового уровня для проведения исследований, разработок и коммерциализации продуктов в области нанотехнологий и наноматериалов. В рамках ЦНТ планируется создать следующий комплекс, оснащенный соответствующей инженерной, транспортной и социальной инфраструктурой. Он будет включать в себя научно-технологический корпус (центр коллективного пользования, оснащенный экспериментально-технологическим оборудова-

Таблица 1

Фактор Ожидаемый эффект от создания ЦНТ

Физическая инфраструктура (здания, помещения, оборудование) • Удовлетворение потребностей высокотехнологичных компаний, осуществляющих свою деятельность в области нанотехнологий, в качественной инфраструктуре, соответствующей международным стандартам

Доступ к капиталу • Привлечение крупных международных и национальных компаний к открытию представительств на территории центра. • Снижение затрат наукоемких компаний на НИОКР через использование услуг инфраструктуры ЦНТ. • Привлечение интереса финансовых структур к наукоемкому бизнесу

Услуги для бизнеса • Развитие на высоком уровне сети услуг для наукоемкого бизнеса

Развитие предпринимательства • Рост наукоемкого бизнеса, выпускающего продукцию с высокой добавленной стоимостью

Развитие экспортного потенциала • Рост конкурентоспособности продукции российских производителей за счет внедрения передовых технологий, а также снижения затрат на НИОКР. • Развитие связей с крупными международными и российскими компаниями

Законодательство • Благоприятный налоговый и таможенный режим для развития высокотехнологичных бизнесов. • Рост уверенности инновационных компаний в направлении политики государства и региона в отношении развития наноиндустрии

Рис. 1. Планируемая структура Томской региональной нанотехнологической сети

нием мирового уровня для исследования наноструктурных, наноразмерных материалов и покрытий и продуктов на их основе), административно-лабораторный корпус (офисные помещения для предоставления в аренду резидентам ОЭЗ, два конференц-зала, залы переговоров, центр трансфера технологий, электронная библиотека, демонстрационно-выставочный комплекс, бизнес-инкубатор, объекты рекреационной зоны) и технологический корпус (технологические площади для предоставления в аренду резидентам ОЭЗ).

Заключение

Около 70 лет насчитывает история томской школы физики твердого тела. Это продолжительный и чрезвычайно насыщенный период творческой деятельности большого научного коллектива. Создан мощный пласт собственных разработок мирового уровня, подготовлены поколения специалистов высшей квалификации, работы которых получили международное признание. Открытие в рамках ТВЗ направления «Нанотехнологии и новые материалы» является своевременным и логическим продолжением работы многих поколений ученых, которое позволит воплотить опыт и традиции томского НОК в практически востребованных на отечественном и мировом рынках новых материалах, оборудовании и технологиях.

ИННОВАЦИИ № 8 (95), 2006