Есть такое слово — "нано"

В 2004 году мировая экономика инвестировала $8,6 млрд в развитие нанотехнологий, из которых $4,6 млрд составили расходы правительств. Многие ученые связывают с нанотехнологиями новый этап научно-технической революции. О том, как нанотехнологии способны полностью изменить жизнь человека, корреспонденту BG Ольге Хвостуновой рассказал директор РНЦ "Курчатовский институт" и Института кристаллографии РАН член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук.

BUSINESS GUIDE: В последние несколько лет все мировое научное сообщество буквально лихорадит от обсуждения новых возможностей и перспектив, открывающихся с внедрением в производство нанотехнологий. Что же такое нанотехнологии?

МИХАИЛ КОВАЛЬЧУК: Все, что нас окружает, в том числе и мы сами, состоит из атомов и молекул. В основе любой вещи — самолета, автомобиля, камня, человека, белка, воды — лежат атомы и молекулы. Они все одинаковы, как единый строительный материал. Из кирпича можно построить дворец, гараж или просто сарай. Так и из атомов. Как мы обычно работаем с материалом? Берем кусок металла, камня или дерева, отрезаем от него все лишнее, производя огромное количество отходов и тратя большое количество энергии. В результате получаем изделие. Мы идем от больших вещей к малым. Как папа Карло взял полено и, удалив все лишнее, сделал из него фигуру Буратино. А нанотехнологии означают то, что мы будем строить мир, не отрезая лишнее от того, что уже имеем и видим, а будем брать атомы и молекулы и складывать из них то, что хотим. Сегодня ученые научились не только видеть атомы, но и манипулировать ими.

BG: Как происходит процесс манипулирования? Какими инструментами из атомов можно строить?

М. К.: Суть нанотехнологий состоит именно в атомно-молекулярном конструировании. Подобные технологии уже есть. Например, молекулярно-лучевая эпитаксия. Интегральные схемы, электронные приборы создаются следующим путем. В условиях специальной вакуумной установки вы "сажаете" атомы слой за слоем, шаг за шагом формируете требуемый материал. Наука доросла до такого уровня, что она может делать это на наноуровне, то есть на уровне отдельных атомов.

BG: О нанотехнологиях говорили уже довольно давно. Почему же вдруг о них заговорили все одновременно? Произошло какое-то событие или открытие, позволившее перейти от теории к производству?

М. К.: О существовании атомов и их взаиморасположении внутри любого предмета человечество узнало почти сто лет назад, но видеть их непосредственно и манипулировать ими ученые научились лишь в последнее время. Это стало возможным в первую очередь благодаря электронной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии и мощным источникам рентгеновского излучения — синхротронам. В частности, на основе атомно-силового микроскопа удалось сконструировать приборы-манипуляторы, позволяющие передвигать отдельные атомы и строить из них нужные комплексы. В итоге это и многое другое создало инструментальную основу для создания технологии атомарного конструирования и диагностики.

BG: Где можно применять нанотехнологии?

М. К.: Представьте себе "умный" дом. Это дом, в котором установлено много различных датчиков. Датчики могут измерять температуру, влажность, чистоту воздуха и многие другие параметры. Путем выбора этих параметров вы задаете комфортные условия для жизни. Если что-то изменяется, поступает управляющий сигнал — включить отопление или кондиционер, выключить чайник или налить в ванну воды, включить пылесос и т. д. Обычный автомобиль тоже становится более "умным". В автомобиле есть компьютер. Но каким образом компьютер управляет различными системами в автомобиле? Он получает сигналы от датчиков, которые способны измерять разные параметры: давление в шинах, компрессию в цилиндрах, температуру охлаждающей жидкости, тормозные усилия и другие. И компьютер, фиксируя сигналы датчиков, может управлять, например, тормозными усилиями, резко повышая безопасность, удобство для водителя. Теперь возьмем намного более сложную систему — человеческий организм. Почему он функционирует так эффективно? Потому, в частности, что у человека есть встроенный компьютер — мозг, который обрабатывает сигналы биологических датчиков — обоняние, осязание, зрение, слух и другое. Теперь представьте себе, что мы будем пытаться копировать эти биодатчики, создавая их искусственно из отдельных атомов и молекул. Например, конструируя искусственный глаз или нос. Если мы сумеем это сделать, то сможем подойти к созданию различных технических систем, похожих на живой организм.

BG: То есть получается, что по образу и подобию человека можно, по сути, сделать любой прибор? И человека можно таким образом создать?

М. К.: Раньше мы шли "сверху", то есть двигались в сторону уменьшения размеров создаваемых предметов. Сейчас мы идем "снизу", с уровня атомов складывая из них, как из кубиков, материалы и системы заданных свойств. Это и есть нанотехнологии. Наш мозг — это самый совершенный компьютер, по сути, биомашина. Для того чтобы построить биокомпьютер, надо понять, как устроены и как работают белки и нуклеиновые кислоты, которые во многом определяют функционирование живых систем. В белковых молекулах десятки и сотни тысяч атомов, структуру и функции таких крупных молекул 50 лет назад мы только начали изучать. Ученые взяли намного более простой полупроводниковый кристалл кремния, в котором всего лишь восемь атомов в элементарной ячейке, и 50 лет работали с этим упрощенным прототипом биомашины. При этом мы очень далеко продвинулись в технологиях, создавая на базе полупроводниковых кристаллов все более и более совершенные интегральные схемы и в конечном итоге компьютеры на их основе. И только теперь, накопив опыт работы на полупроводниках, мы вплотную подошли к пониманию биологических систем. Но прежде чем мы перейдем к созданию биокомпьютеров, сначала на повестке дня будут более простые и понятные вещи. Например, нанобиодиагностика и нанолекарства.

BG: А чем нанолекарства лучше просто лекарств?

М. К.: Вот, например, у вас поднимается давление. Вы берете соответствующую биологическую молекулу в нашем организме, с которой связано повышение давления, изучаете ее структуру с атомарным разрешением с помощью рентгеновского излучения и видите, какие ее области ответственны за повышение давления. А затем вы разрабатываете лекарство — вещество, которое блокирует работу определенной части этой молекулы. Это касается сегодня лишь некоторых заболеваний, но постепенно наука продвигается. Другой пример. Разрастается опухоль, в ней начинают расти "плохие" клетки. Вам надо изучить структуру этих клеток, понять, почему и как они растут, а потом создать такой препарат, который сможет заблокировать, остановить рост опухолевых клеток.

BG: О каких сроках мы говорим — 10-15 лет или сто лет?

М. К.: Сегодня на рынке уже существует целый ряд нанопродуктов. Например, наномембраны, которые широко используются в промышленности и в быту для очистки воздуха и различных растворов, в частности, питьевой воды. В медицине эти мембраны используются для выделения различных вирусов и гемодиализа.

BG: Намного ли дороже стоят продукты, изготовленные на основе нанотехнологий? Насколько они конкурентны по сравнению с традиционными продуктами?

М. К.: Ну конечно, конкурентны, поскольку для их изготовления используется значительно меньше материала и энергоресурсов. Правда, используемые для изготовления инструменты пока еще достаточно дороги, однако надо помнить, что любая вещь, становясь массовой, резко дешевеет.

BG: А сейчас пока дороже?

М. К.: Такое сравнение некорректно, ведь еще недавно не было наномембран, и мы не могли очищать воду до такой степени, как сегодня. Это принципиально новые вещи.

BG: То есть вы хотите сказать, что принципиальной разницы нет, просто на рынке появился новый продукт по той же цене, но с уникальными качествами?

М. К.: Здесь нет масштабного переворота цен. Наоборот, все будет в принципе дешевле, потому что нанотехнологии означают дематериализацию производства и существенную экономию энергоресурсов. Представьте себе, у вас работает станок, вы делаете деталь, у вас тратится электроэнергия, образуется огромное количество отходов. А здесь вы все складываете из атомов и молекул с малым расходом энергии и безотходным образом.

BG: А оборудование для того, чтобы работать на наноуровне, разве не требует затрат?

М. К.: Как я только что сказал, нанотехнологии приведут к резкому сокращению энерго- и материалозатрат. Вот наглядный пример с электронно-вычислительными машинами. Первые ЭВМ занимали целые этажи и дома. Позднее они стали помещаться в одном зале, комнате. А сегодня компьютер у нас умещается на столе и даже в руке, а большая интегральная схема размером меньше спичечной головки. Нанотехнологии позволят продолжить процесс миниатюризации материального мира, доведя его до атомарного уровня.

BG: Насколько наши российские разработки в области нанотехнологий конкурентоспособны по сравнению с мировыми?

М. К.: Нанотехнологии — это та область, в которой мы весьма конкурентоспособны. Это междисциплинарная наука, развиваемая на высоком уровне главным образом в трех регионах — в США, России и Евросоюзе. Несмотря на наши потрясения в последние десятилетия, мы в значительной мере сохранили свой междисциплинарный научный потенциал.

BG: Но ведь по уровню финансирования мы, очевидно, не можем конкурировать с США. Если там тратятся огромные средства на программы по нанотехнологиям, то о какой конкуренции можно вести речь?

М. К.: Когда мы говорим о деньгах, то должны понимать: то, что мы можем сделать у нас за $1, они делают примерно за $10.

BG: А сколько мы все-таки имеем?

М. К.: В рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники" на работы, связанные с развитием нанотехнологий, было потрачено в 2005 году примерно 2,5 млрд рублей. Это достаточно большие деньги.

BG: Хорошо, с деньгами понятно, с междисциплинарной наукой тоже. Может, у нас есть еще какие-то преимущества? Может, наши ученые предлагают более оригинальные решения?

М. К.: У нас есть многое. Есть междисциплинарная наука, а это значит, что есть высококвалифицированные научные кадры мирового уровня, работающие в разных направлениях, которые могут предложить оригинальные решения. Второе: есть база — синхротронные источники и источники нейтронов мирового класса, атомно-силовая микроскопия — есть материальная база, которую, безусловно, надо существенно расширять и развивать. Весь мир находится на старте. И мы не опоздали, здесь все в практически равных условиях.

BG: И у нас есть причины думать, что мы побежим быстрее?

М. К.: Именно! Мы же всегда бегали быстро и успешно. Например, в атомных и космических проектах. Но сейчас по значимости, размаху, по воздействию на экономику нанотехнологии сравнимы или даже превосходят атомный или космический проекты XX века.

Топ-10 лучших нанопродуктов 2005 года*

Место в
рейтинге
Название продукта
Потребительские свойства
1
Флэш-плеер iPod
Плеер iPod Nano снабжен микрочипами
Nano от Apple
NAND и DRAM с высочайшим уровнем
Computer
точности производственных манипуляций
(меньше 100 нанометров), благодаря чему
толщина плеера не больше 0,5 см при
объеме памяти 4 Гб
2
Растительное масло
В состав масла входят 30-нанометровые
Canola Active от
капсулы, которые легко проникают в
Shemen Industries
ткани и эффективно доставляют
питательные вещества к месту их
потребления. При этом наноструктуры
свободно растворяются в воде, а их
использование позволяет понизить
уровень холестерина на 14%
3
Шоколадная
Включив в состав продукта нанометровые
жевательная резинка
кристаллы, чикагская пищевая компания
Choco`la от O`Lala
нашла способ совместить несовместимые
Foods
продукты — масло какао и полимеры,
являющиеся основой для жевательной
резинки
4
Фуллереновый крем
Фуллерен С-60 (аллотропная форма
для лица C-60 от
углерода, полученная при помощи
компании Zelens
нанотехнологий) обладает
антиоксидантными свойствами.
Представители компании Zelens сумели
применить эти характеристики в
омолаживающих косметических средствах
5
Бейсбольная бита
Аббревиатура CNT обозначает carbon
Easton Stealth CNT
nanotube technology — технология
углеродной нанотрубки. С ее помощью
инженеры Easton создали биту, пригодную
для игроков любого возраста благодаря
оптимизированной гибкости и силе отдачи
6
Повседневная одежда
Компания NanoTex предложила коллекцию
от Nanotex
одежды, изготовленной с помощью
нанотехнологий. На поверхности ткани
вдоль специальных жестких волокон
расположены крохотные волоски, которые
отталкивают жидкость, снижают
накопление статического заряда на ткани
и защищают от образования пятен
7
Наноноски
Известно, что серебро обладает
ArcticShield Socks
антибактериальными свойствами, но плохо
без запаха
связывается с полимерами. Специалистам
ARC Outdoors удалось внедрить
серебряные наночастицы размером 19
нанометров в структуру волокон ткани
полиэстеровых носков ArcticShield
8
Оконное стекло
Под воздействием естественного
Activ Glass от
солнечного излучения светоактивная
Pilkington
пленка толщиной в несколько десятков
нанометров сама удаляет с поверхности
стекла загрязняющие органические
отложения
9
Краска от Behr на
В краску для кухни и ванной входят
основе технологии
наночастицы, которые позволяют создать
NanoGuard
водо- и жиростойкую пленку, устойчивую
к образованию грибковых наростов и
пятен
10
Очиститель воздуха
Изобретение, запатентованное как
на основе
NanoTube (нанотруба), во включенном
нанопорошкового
состоянии служит источником
агента от NanoTwin
ультрафиолетового излучения и создает
Technologies
мощные окислительные агенты, которые
уничтожают находящиеся в воздухе
микроорганизмы и загрязняющие фракции

*Рейтинг составлен американским журналом Forbes в январе 2005 года. В него вошли потребительские товары, в которых улучшены функциональные возможности с помощью нанотехнологий.