Рейтинг
Порталус

По следам наших выступлений. НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ РОССИИ

Дата публикации: 18 июня 2014
Автор(ы): Доктор технических наук В. А. БЫКОВ, президент ЗАО "НТ-МДТ" (Москва)
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: ВОПРОСЫ НАУКИ
Источник: (c) http://portalus.ru
Номер публикации: №1403088777


Доктор технических наук В. А. БЫКОВ, президент ЗАО "НТ-МДТ" (Москва), (c)

Казалось бы, что существенного может произойти с малым предприятием и выпускаемой им продукцией за три года? (Впервые мы знакомили читателя с деятельностью ЗАО "НТ-МДТ" в N 4 за 2000 г.) Оказывается, очень многое. Причем это касается буквально всех аспектов его функционирования, а главное - концептуального развития.

Когда мы основывали свою фирму в 1991 г. по производству сканирующих зондовых микроскопов различных типов и комплектующих к ним, то цель была одна - создать приборы, не только отвечающие мировым аналогам, но и превосходящие зарубежные по основным технологическим параметрам. Выполнение столь, вроде бы, фантастических планов, позволило бы нам выйти на мировой рынок соответствующей продукции и, при квалифицированном маркетинге и разумной ценовой политике, постепенно его завоевывать. В настоящее время все так и происходит и, значит, выбрана верная дорога.

Однако работая в этом направлении, мы поняли: намеченный нами путь - тупиковый. Для того чтобы разобраться в сложившейся ситуации, вспомним возможности сканирующих зондовых микроскопов и выясним основные области их использования. Для чего заглянем почти на 50 лет назад.

Еще в 1959 г. американский физик Р. Фейнман, лауреат Нобелевской премии за 1965 г., высказал предположение: в скором времени многие материалы и устройства будут изготавливать на атомарном или молекулярном уровне, что сулит фантастические перспективы в достижении невиданных доселе их свойств. Но

стр. 8

для обращения со столь малыми, наноразмерными объектами необходима измерительная и рабочая аппаратура совершенно иного класса, чем традиционная, которая появилась лишь в 80-х годах XX в., - сканирующие зондовые микроскопы. Собственно тогда-то и стали говорить о нанонауке как о самостоятельной дисциплине, причем настолько всеобъемлющей и важной, что она, по всей видимости, будет задавать тон в развитии прогресса XXI в. в целом.

События последних десятилетий - доказательство подобного утверждения. Теперь важнейшим фактором, определяющим политический и экономический престиж государства, становятся не добывающие и перерабатывающие отрасли промышленности, а высокие технологии, одними из важнейших среди которых являются нанотехнологии. Последние могут быть использованы практически в любой сфере деятельности человека. Это металлургия и биотехнологии, транспорт и медицинская диагностика, космос и экология, машиностроение и полимеры, электроника и весь спектр военной техники и т.д.

Отметим: приоритет открытия и использования веществ, находящихся в ультрадисперсном состоянии (по сегодняшней терминологии - в наносостоянии), по праву принадлежит нашим ученым (академик И. К. Кикоин и др.), которые начали заниматься их исследованиями еще в 50-х годах XX столетия, хотя первая публикация, касающаяся свойств наноструктур, появилась лишь в 1976 г. Учитывая важность данной тематики, в АН СССР в 1979 г. была создана секция "Ультрадисперсные системы", координировавшая фундаментальные и прикладные исследования по наноматериалам и нанотехнологиям, проводимые в академических, учебных и научно-исследовательских институтах страны.

Новые перспективы применения этих уникумов появились после открытия американскими учеными в 1985 г. стабильных углеродных наноструктур - фуллеренов * и нанотрубок (японский исследователь С. Иижима, 1991) ** . Отечественная научная общественность и официальные круги быстро среагировали на эти новации, и в 1993 г. Министерством науки и технологий РФ была принята Федеральная целевая научная программа "Фуллерены и атомные кластеры", включавшая весь спектр изучения новых материалов, - фундаментальные исследования, возможные способы их получения и перспективы использования. Описание первых двух ее пунктов, в силу их специфичности, мы опустим, остановимся лишь на последнем.

Одним из основных потребителей соответствующих материалов является нано- и оптоэлектроника. Электрические, оптические и механические свойства фуллереноподобных материалов в конденсированном состоянии и нанотрубок способствуют значительному расширению возможностей структурных элементов и приборов в названных областях и вместе с тем значительному уменьшению их размеров. В частности, появились прототипы транзисторов из нанотрубок.

Российские ученые занимаются решением многих задач в этом направлении. Назовем наиболее важные: приборы вакуумной микроэлектроники на основе автоэлектронных эмиттеров - нанотрубок, обладающих высокой радиационной стойкостью; интегральные устройства обработки сигналов на базе различных углеродных наноструктур; технологии управляемой сборки или

* См.: Фуллерены. - Наука в России, 2000, N 6 (прим. ред.).

** Нанотрубки - одна из модификаций углерода; атомы в них образуют сотообразный слой из шестиугольников-ячеек, свернутых как ковер. Длина каждой может быть от долей микрона до десятков микрон; они бывают прямые и изогнутые, одно- и многослойные (прим. ред.).

стр. 9

ориентированного формирования нанотрубок для создания высокоинтегрированных устройств обработки информации. Впрочем, сейчас потребность в наноматериалах испытывают и более "масштабные" отрасли - транспорт, машиностроение, строительство. Их развитие идет все убыстряющимися темпами и, используя традиционные материалы и технологии, решить поставленные перед ними задачи просто невозможно. Какую же практическую помощь могут оказать ультрадисперсные составляющие? Вот несколько примеров.

Добавка фуллерена к смазочным материалам (причем как к жидким, так и твердым - графитовым или из дисульфида молибдена) существенно уменьшает трение в механических узлах различных механизмов и машин. А многофункциональные алмазографитовые присадки к моторным маслам улучшают антифрикционные, противоизносные свойства и сводят практически на нет вероятность возможных задиров в металле. При этом расход топлива сокращается на 2 - 7%, износ деталей - в 1,5 - 2,5 раза, а мощность двигателя внутреннего сгорания увеличивается на 2 - 4%.

Следующий пример уже касается не добавок, а непосредственно структуры самого материала. Опыты показывают: металл, имеющий ультрадисперсную структуру, обладает прочностью в 1,5- 2, а иногда и в 3 раза большей, чем традиционные. Более того, его твердость выше в 50 - 70, а коррозионная стойкость - в 10 - 12 раз.

Приведем приоритетные разработки в этом направлении отечественных специалистов (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов и др.): композиционные материалы на основе полимеров, металлов и сплавов, модифицированных фуллеренами и нанотрубками, для повышения износостойкости, прочности и трещиностойкости элементов, используемых в машиностроении, и повышения надежности систем токосъема для электротранспорта; смазочные и охлаждающие составы, создаваемые с применением добавок ультрадисперсных и наноматериалов, - для повышения ресурса механических узлов трения транспортных систем; получение новых строительных материалов с использованием методов наноструктурирования. Добавим только: назвав любую другую отрасль - экология, медицина, энергетика, биотехнология, атомная промышленность, космос, безопасность страны и т.д. - мы поймем, что использование ультрадисперсных материалов и наночастиц либо в "чистом" виде, либо в качестве добавок придает доселе невиданные свойства и возможности производимой продукции.

Короче говоря, успехи фундаментальной науки в области изучения и создания наноструктур и разработки нанотехнологий, а также перспективы использования наноматериалов столь значительны, что ученые и инженеры практически всех специальностей вправе ожидать в этом направлении очередной технической революции. И значит, без единой государственной политики и всесторонней финансовой поддержки этого не добиться.

В апреле 2002 г. Президент Российской Федерации подписал документ "Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу". В него включены следующие направления: "Материалы для микро- и наноэлектроники"; "Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки и контроля"; "Микросистемная техника"; "Синтетические сверхтвердые материалы"; "Элементная база микроэлектроники, наноэлек-

стр. 10

троники и квантовых компьютеров"; "Базовые и критические военные и специальные технологии". От РАН ее координируют академики Ж. И. Алферов (лауреат Нобелевской премии за 2000 г.), Ю. А. Осипьян, А. Ф. Андреев, Н. П. Лякишев, М. В. Алфимов, В. А. Тарковский и Н. Т. Кузнецов. Наиболее масштабные работы в этом направлении проводит целый ряд министерств РФ.

Но чтобы решать все поставленные задачи, необходима самая современная техника, способная точно и быстро определять различные свойства наноматериалов, и в доступной форме представлять их исследователям. Именно поэтому Министерство промышленности, науки и технологий РФ в декабре 2002 г. провело открытый конкурс соответствующих инновационных проектов. Среди них одним из важнейших является "Разработка и освоение производства приборов и оборудования для нанотехнологий". Его основная цель - оснащение научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий современным базовым комплексом приборов и оборудования, использующих сканирующую зондовую микроскопию. В этом конкурсе приняла участие и наша фирма и вышла победителем. Почему речь идет именно об этой технологии?

Соответствующие установки по количеству своих измерительных и "созидательных" (литография, перемагничивание поверхности, напыление, травление и т. д.) возможностей, безусловно, являются базовыми инструментами для всех нанотехнологий. Это подтверждает и тот аргумент, что их главная характеристика - сверхвысокое пространственное разрешение, вплоть до атомарного.

Мало того. Эти уникумы могут работать практически в любой среде: на воздухе; в атмосфере различной степени разреженности, вплоть до полного вакуума; в газовых и жидкостных средах; при разных низких и высоких температурах. А если учесть, что при исследовании объектов реализуются все известные принципы взаимодействия зонд- поверхность: силовые, токовые, химические, оптические и т.д., то станет понятно - практически все наноструктуры подвластны изучению при помощи сканирующих зондовых микроскопов.

Однако до недавнего времени для реализации названных возможностей мы выпускали отдельные приборы, что приводило к огромному количеству их видов, что экономически было крайне невыгодно. Выход из создавшегося положения оставался один - универсализация технической базы. Это и стало нашим девизом. Разработанные ранее сканирующие зондовые микроскопы серии "СМЕНА" и "СОЛВЕР", на которых можно получать до 43 характеристик изучаемых веществ, стали базой для наших дальнейших универсальных и, что очень важно, взаимосвязанных разработок.

ЗАО "НТ-МДТ" сейчас - единственная фирма в мире, идущая по такому пути. Его нынешний мегапроект включает четыре составные части одного многофункционального "организма" приборов, в том числе для исследования поверхностей и модификации их наноструктур в жидких и газовых средах; для изучения наноструктур в разряженных газовых средах контролируемого состава; комплекс, объединяющий методы сканирующей зондовой микроскопии и лазерной спектроскопии; базовый нанотехнологический комплекс для оптимизации методов синтеза полимеров и биологических объектов. Связующее звено для всех них - специализированная информационно- вычислительная среда, содержащая базы данных по различным приложениям нанотехнологий.

стр. 11

Так почему же при всем этом мы решили, что выбранный нами путь - тупиковый?

Дело в том, что изучение и выявление новых, порой необычных свойств всевозможных нановеществ - не самоцель. После ученых и исследователей "в дело" вступают конструкторы и технологи. Их прерогатива - реализация полученных новшеств, т. е. создание доселе не существующих материалов, оригинальных технологий и целых производств. Именно так и развивается мировой прогресс, меняется только его поступательный характер.

Вычислительные комплексы, разрабатываемые нами, сами по себе являются яркими представителями наукоемких приборов. При их создании учитываются закон квантовой механики, физики твердого тела, теории колебаний и систем автоматического регулирования, а также методы обработки сигналов и изображений и последние достижения в области вычислительной техники. Однако "интеллект" одного, пусть даже самого современного комплекса, ограничен. Да и на каждый из них не нужно "навешивать" специальное программное обеспечение с подключением экспертных систем и специализированных пакетов баз данных. В конечном счете это приведет к значительному увеличению сроков исследований, серьезному их удорожанию, а главное, породит многочисленное дублирование одних и тех же работ.

Есть ли выход из создавшегося положения? Да, мы его нашли - это Интернет. Представим себе, что в его сеть включены несколько вычислительных центров, оснащенных самыми лучшими суперкомпьютерами. Последние могут с огромной скоростью обрабатывать поступающую локальную информацию от многочисленных отдельных исследовательских нанокомплексов и, используя глобальную базу данных, выдавать результат в нужном для пользователя виде.

Выигрыш от такого решения очевиден. Во-первых, полностью исключается дублирование исследований. Во-вторых, резко сокращаются расходы и время на разработку локального программного обеспечения и баз данных. Кроме того, в силу должного программного обеспечения понижаются требования к квалификации обслуживающего нанокомплексы персонала.

Конечно, предлагаемый путь достаточно длительный, но, на наш взгляд, неизбежный и единственный. Сначала необходимо будет создать локальные сети, связывающие однотипные приборы, затем должно происходить постепенное селективное объединение последних и, наконец, образование замкнутой системы, открытой для всех пользователей. Причем на первом этапе эксплуатации ее целесообразно использовать для решения фундаментальных и прикладных задач, а в дальнейшем, в принципе, возможно создавать любые производства, в которых вся технология будет контролироваться и при необходимости корректироваться автоматически. Специалисты оценивают реализацию сказанного в 15 - 20 лет. Но это срок ввода в эксплуатацию всей системы, а отдельные ее составляющие, скажем, локальные сети по наноэлектронике или полимерам, могут заработать через 3 - 5 лет.

Мы не сомневаемся в реальности наших целей, а их достижение послужит реализации нанотехнологического потенциала России.

Записал А. К. МАЛЬЦЕВ

Опубликовано на Порталусе 18 июня 2014 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?



Искали что-то другое? Поиск по Порталусу:


О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама