Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

• Теория многомасштабных и комплексных явлений, моделирование нанопроцессов. Развитие нанотехнологий связано с изучением множества новых часто непонятных объектов, устройств и процессов, что требует не только создания новых приборов и инструментальной базы исследований, но и разработки принципиально новых теоретических подходов, включая программное обеспечение для крупномасштабного компьютерного моделирования. Новые технологии ставят перед учеными исключительно сложные задачи в квантовой физике и химии, моделировании многочастичных систем, молекулярной динамике, развитии моделей поведения дискретных и сплошных сред, стохастических методов и так называемой наномеханики. Особый интерес сегодня представляет изучение многомасштабных и комплексных явлений во времени, когда взаимодействия в больших атомно-молекулярных системах позволяют исследователям «уловить» связь между структурами, их свойствами и функциональными характеристиками. Успехи в этом направлении позволят реально создавать наноструктуры с заданными свойствами и архитектурой, что представляет огромную важность для развития химии и биологии, а также для разработки электронных устройств, многофункциональных материалов и т. д.

• Наномасштабные производственные процессы. Конечной целью исследований в этом направлении является разработка различных методов создания наноструктур (включая самосборку) и дальнейшего их объединения в более крупные наносистемы, а затем, возможно, и в макроскопические объекты. В настоящее время изучаются механизмы процессов в нанометрическом масштабе и возможности использования новых инструментов, вырабатываются общетеоретические концепции высокоскоростного синтеза наноструктур и их обработки, а также разрабатываются методы увеличения «объема производства» в уже существующих методиках создания таких структур. Темами исследований в этом направлении выступают теоретические и экспериментальные методики производства и обработки, моделирование процессов создания наноустройств, экономическая оценка имеющихся или предлагаемых способов производства, поиск новых возможностей применения и т. п. В будущем такие работы должны позволить нам создать крупномасштабные производства, развить новые методы работы, организовать эффективную промышленную инфраструктуру в новых отраслях.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий. Известно, что серьезный прогресс в технике всегда нуждается в организованной социальной поддержке и одновременно почти всегда сам приводит к значительным изменениям в общественной жизни, причем зачастую эти изменения имеют неожиданный характер. Учитывая особую важность нанотехнологий для науки и производства в целом, мы обязаны очень серьезно изучить этические, социальные и другие проблемы, которые неизбежно будут возникать по мере увеличения масштабов промышленной революции, ожидаемой в связи с бурным развитием нанотехнологий. Помимо этого, мы не должны забывать, что развитие нанонауки и технологии автоматически означает значительное возрастание уровня наших знаний о фундаментальных законах природы. Результатом этого станут важные изменения во всех существующих научных дисциплинах (от биологии до астрономии), которые, безусловно, также будут проявляться в самых разных явлениях общественной жизни, включая множество новых товаров и услуг. Предварительное изучение или прогнозирование воздействия научно-технического прогресса на социальные явления должно помочь нам, с одной стороны, лучше подготовиться к возможным экономическим проблемам, а с другой – более точно определить будущее место нанотехнологий в коммерции, здравоохранении и охране окружающей среды. Помимо сугубо практических целей (развитие новых производств потребует существенных изменений в программах научной и профессиональной подготовки нового поколения), мы должны задуматься и об этических проблемах, которые нанотехнологии уже ставят перед правительствами разных стран и даже человечеством в целом. Например, сейчас существует непростая задача выбора приоритетов развития, и некоторые проблемы уже можно определить достаточно точно. Должны ли мы выделять средства на исследование возможностей искусственного интеллекта, в потенциале способного превзойти интеллект человека? Должны ли мы способствовать созданию все более разнообразных наночастиц или следует ограничиться лишь теми частицами, которые мы в какой-то степени уже изучили и представляем себе их воздействие на здоровье человека и окружающую среду? Каким образом совмещать разноплановые интересы ученых из разных областей науки и техники? Каким образом может быть учтен риск использования и широкого внедрения новых технологий? Этот список вопросов можно легко продолжить и расширить по конкретным проблемам, и мы сейчас очень нуждаемся в разумных оценках социальных, этических и экологических последствий тех процессов, которые возникнут при широком и бурном развитии новых технологий.

Помимо семи перечисленных и обсужденных направлений развития нанотехнологий, Национальный научный фонд заключил специальное соглашение (торжественно озаглавленное Меморандум согласия) с огромной Корпорацией исследований полупроводниковой техники (Semiconductor Research Corporation) о включении в список восьмого направления приоритетных исследований, связанного с наноэлектроникой на кремниевой основе и даже вне этого ограничения! Национальному научному фонду пришлось пойти на включение этого специализированного направления (названного Silicon Nanoelectronics and Beyond) в список приоритетов, поскольку корпорация щедро финансирует многие университетские разработки исходя из интересов входящих в нее компаний. В этом направлении речь идет об исследованиях в конкретной области (наноэлектронике), которые поддерживаются совместно Национальным научным фондом и конкретным сектором экономики, что позволяет финансирующим организациям более рационально и продуманно использовать свои возможности. По-видимому, эта форма сотрудничества является достаточно эффективной, поскольку сейчас некоторые другие крупные правительственные организации (Министерство обороны, Министерство энергетики и т. д.) также стараются выработать смешанные формы финансирования, составляя собственные списки интересующих их проектов и затем согласовывая выделение грантов по специфической тематике с Национальным научным фондом.

7.3. Направления исследований в будущем

Механизм федерального финансирования нанотехнологических исследований можно сравнить с тем, как мальчишки бросают камешки в пруд. Выделение гранта на пять лет создает первый «круг» результатов, который постепенно распространяется по всей поверхности пруда, соответствующего всей области исследований. Следующий камень, попавший в другое место пруда, создает второй «круг», который в процессе распространения накладывается на первый, создавая между работами определенное взаимодействие, возможно, таящее в себе интересные научные результаты. Можно сказать, что в «пруду» нанотехнологий уже расходится много взаимодействующих кругов, обеспечивающих появление все новых идей и разработок. Первичный импульс задается в основном пятилетними грантами, что и было подтверждено в декабре 2003 года Конгрессом США, принявшим Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке [44] .

Сказанное определяет и логически продолжает существующую практику государственного финансирования нанотехнологических разработок, однако стоит вспомнить, что (по мере получения практически ценных результатов) в процесс поддержки и направления разработок включаются промышленные группировки, заинтересованные обычно в скорейшем коммерческом использовании уже полученных результатов. Как правило, важные научные открытия приводят к появлению на рынке новых коммерческих товаров примерно за 20–30 лет, однако темпы промышленного прогресса постоянно возрастают, поэтому сроки появления нанотехнологических «новинок», по-видимому, будут сокращаться [45] . Можно с уверенностью полагать, что в ближайшие годы широкая общественность познакомится с больших числом таких товаров и услуг, причем многие новинки будут относиться к здравоохранению и экологии. Учитывая этот прогноз, важнейшие федеральные ведомства и учреждения, связанные с медициной и охраной, уже начали финансировать дорогостоящие разработки, направленные на методики выявления, переработки и оценки токсичности наночастиц и наноматериалов [46] .

Многие из последних открытий в области нанотехнологий связаны с тем, что исследователи стали изучать в нанометрическом масштабе уже известные квантово-механические явления или физико-химические свойства обычных материалов. С другой стороны, специалисты надеются, что наиболее интересные открытия в будущем будут связаны с исследованиями на границах научных дисциплин и с комбинациями различных методик и технологий. Стоит вспомнить, что уже в самых первых работах по нанотехнологиям исследователи отмечали явное сближение или даже «слияние» ранее казавшихся далекими областей науки. В нанотехнологиях как бы объединяются в единое целое микроэлектроника, биотехнологии, информационные технологии и так называемая когнитивистика (сочетание наук, относящихся к изучению процессов познания), что обещает в будущем значительно расширить не только наши знания, но и сами возможности человеческого организма и человеческого интеллекта.