Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

В исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы [42] были обозначены девять основных задач (или, как любят говорить американцы, вызовов), причем авторы уделили большое внимание проблеме стыковки интересов различных ведомств и согласованности их работы. Начальный список приоритетов имел следующий вид:

1. Создание наноструктурных материалов с заданными свойствами.

2. Наноэлектроника, оптоэлектроника и магнитные материалы.

3. Наноэлектроника для здравоохранения, диагностики и т. д.

4. Нанопроцессы и охрана окружающей среды.

5. Использование нанотехнологий для преобразования и аккумулиро¬вания энергии.

6. Разработка и использование микроспутников для космической техники.

7. Разработка биологических нанодатчиков для диагностики и предот¬вращения угрозы применения биологического оружия.

8. Проблемы экономики и безопасности транспорта.

9. Нанотехнологии и национальная безопасность.

Позднее к этому списку были добавлены еще две важные задачи, а именно «Изготовление нанообъектов» и «Создание инструментов и метрологической базы для нанотехнологии». Кроме того, три последних пункта программы были объединены под общим названием «Использование нанотехнологий для обнаружения химических, биологических, радиологических и взрывчатых веществ, а также для защиты от их применения». В самом последнем официальном документе под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива. Стратегический план» (декабрь 2004 года) главные задачи нанотехнологических исследований в США перечислены в следующем порядке:

1. Фундаментальные исследования нанометрических объектов, явлений и процессов.

2. Наноматериалы.

3. Наноустройства и системы.

4. Разработка инструментов и аппаратуры, а также метрологии и стандартов в области нанотехнологии.

5. Нанопроизводство.

6. Создание возможностей для исследований, обеспечение аппаратурой и т. д.

7. Социальные проблемы, связанные с развитием нанотехнологий.

Легко заметить, что речь идет лишь о новой формулировке основных задач, поставленных в исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы. Еще проще свести всю программу к четырем следующим задачам, которые поставило себе правительство США: (1) создать научно-исследовательскую базу самого высокого уровня в области нанотехнологий; (2) создать возможность «превращения» новых технологий в реальные коммерческие продукты, новые рабочие места и т. п.; (3) развить необходимую для нанотехнологий инфраструктуру, систему высшего и технического образования, подготовить квалифицированные рабочие кадры, начать производство аппаратуры и инструментов; (4) обеспечить гармоничное и разумное развитие нанотехнологий.

Анализируя и классифицируя направления развития нанотехнологий, Отделение нанонауки при Национальном научном фонде рекомендовало разделить все исследования в данной области на девять главных разделов:

• Нанометрические биосистемы.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами.

• Наноустройства и архитектура систем.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде.

• Теория многомасштабных и комплексных явлений; моделирование нанопроцессов.

• Наномасштабные производственные процессы.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий.

Широкий охват тематики делает обсуждение предлагаемых проектов на технических семинарах и заседаниях подкомитетов очень интересным, причем не только для руководства ННФ, но и для самих ученых. Объединение по столь широко определенным отраслям знаний и связь отделов делает обсуждение более плодотворным и ценным. Любая компания, заинтересовавшаяся какой-либо конкретной разработкой, может при обсуждении гораздо лучше представить себе возможности применения новой продукции. С другой стороны, предложивший новый материал или устройство ученый (например, придумавший новый тип биомедицинских датчиков) может получить грант не только по разделу «Нанометрические биосистемы», но и по разделу «Наноустройства и архитектура систем» и т. д. Во всех случаях принятие решения о финансировании исследований сопровождается весьма интересным и полезным обсуждением всеми заинтересованными сторонами. Более того, в результате обсуждения в широком кругу специалистов могут быть преодолены ограничения и предполагаемые слабости некоторых проектов, например, за счет их объединения с другими проектами или использования для новых целей. Такая специфика обсуждения очень характерна для нанотехнологий с их разнообразием применения и междисциплинарным подходом.

Ниже приводится более подробное описание тематики по указанным разделам, составленное на основе рекомендаций ННФ [43] .

• Нанометрические биосистемы. Под это определение подпадают проекты фундаментальных исследований в области нанобиоструктур и связанных с ними процессов, нанобиотехнологии, биосинтезу и биообработке материалов, а также к решению нанотехнологических проблем, относящихся к биоматериалам, биоэлектронике, сельскому хозяйству, энергетике и здравоохранению. Особое внимание уделяется проектам по установлению зависимости биологических функций вещества в нанометрическом масштабе от его химического состава, поведения отдельных молекул и физических характеристик. В качестве характерных примеров исследований по этому разделу можно указать проекты по изучению органелл и субклеточных комплексов (типа рибосом, или так называемых молекулярных моторов); создание наноразмерных зондов и устройств для геномики, протеомики, клеточной биологии и изучения биотканей на наноуровне; синтез наномасштабных материалов на основе принципов биологической самосборки.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами. Исследования по этому разделу связаны с изучением новых эффектов и свойств материалов в нанометрическом масштабе, включая фундаментальные физические и химические явления, а также с разработкой аппаратуры, необходимой для экспериментальных работ и методик синтеза. В этом направлении особый интерес представляют проекты, нацеленные на преодоление факторов, препятствующих миниатюризации устройств до нанометрических размеров. Область возможной коммерциализации и применения проектов этой группы очень широка и охватывает важнейшие направления развития. К этой группе относятся: молекулярная электроника, наноструктурные катализаторы, новые лекарственные препараты, квантовые компьютеры, расчеты ДНК-структур, разработка чипов с очень высокой степенью интеграции, создание и двух– и трехмерных наноструктур заданной формы, наномасштабная гидродинамика (флюидика), биофотоника, обработка поверхности, процессы смазки наноповерхностей и т. д.

• Наноустройства и архитектура систем. К этой группе относятся разработки новых устройств и аппаратуры для сборки, обработки и изготовления нанообъектов, а также для любых других манипуляций, связанных с изменениями масштабов и размеров. Кроме того, к данной группе причисляют многие побочные проекты, связанные с обработкой наноструктур: теория проектирования и архитектуры нанообъектов, специализированное программное обеспечение, создание автоматических систем сборки систем из большого числа разнообразных нанообъектов. В далекой перспективе можно мечтать о создании «умных» систем, способных самостоятельно не только собирать и анализировать информацию, но и адекватно реагировать на нее.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде. Исследования в этом направлении нацелены на понимание роли наноструктур и нанопроцессов в окружающем нас мире (от ядра Земли до верхних слоев атмосферы). Особый интерес вызывает изучение происхождения, распределения и состава множества наноструктур, естественным образом возникающих в природе под воздействием самых разнообразных физико-химических условий. Очень важным является изучение наномасштабных взаимодействий на различных поверхностях (органические и неорганические твердые тела, жидкости и газы, живые и неживые системы). Типичными темами проектов этого раздела являются исследования процессов биоминерализации наноструктур, молекулярного связывания на поверхностях минералов, переноса ультрадисперсных частиц в коллоидах и аэрозолях, изменения пылевых частиц в межпланетном пространстве. Изучение таких систем не только помогает лучше понять молекулярные процессы в окружающем нас мире, но и обещает помочь в будущем выработать более действенные методы борьбы с загрязнением окружающей среды, развить новые методики очистки воды, создать экологические чистые источники энергии (например, на основе искусственного фотосинтеза) и биотехнологические производства, понять роль микробов в геологических процессах взаимодействия поверхности минералов с водой и воздухом и т. д.