Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

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.

Столь серьезные задачи лишь подчеркивают важность координации научно-исследовательских работ, осуществляемых самыми разными специалистами. Возможно даже, что процесс организации делового сотрудничества между учеными, инженерами, промышленниками и социологами в очень обширной области новых технологий окажется весьма поучительным и полезным.

7.4. Поддержка специальных направлений академических исследований со стороны некоторых ведомств, связанных с ННИ

В Национальной нанотехнологической инициативе участвуют многие федеральные ведомства США, поддерживающие особые или специализированные направления нанотехнологических исследований.

Прежде всего стоит отметить Министерство обороны, которое финансирует многие разработки, относящиеся к материаловедению и широкому кругу других технических проблем, представляющих интерес для вооруженных сил. Во многих случаях, однако, цели проектов носят весьма общий характер, а их результаты могут быть использованы и в гражданском секторе (например, некоторые из финансируемых военными разработок относятся к новейшим типам катализаторов, датчикам, солнечным батареям, энергетическим устройствам и средствам защиты от химического, биологического или радиологического оружия). Кроме того, Министерство обороны, в рамках ННИ широко участвует в финансировании множества исследований, относящихся к наноэлектронике, нанофотонике и наномагнитным материалам, а в последнее время уделяет особое внимание проектам по спиновой электронике и квантовой информатике. При известном Массачусетском технологическом институте Армия США создала Институт армейской нанотехнологии (Institute for Soldier Nanotechnology), специализирующийся на передаче и использовании тех результатов нанотехнологий, которые могут применяться для повышения боеспособности вооруженных сил. Особо можно отметить инициативу Министерства обороны по финансированию ряда так называемых межинститутских исследований (Multi-University Research Initiative, MURI), нацеленных на решение сложных и специфических проблем.

Очень большое число наноисследований в высших учебных заведениях финансируется Министерством энергетики (которое в США традиционно занимается и проблемами ядерного оружия). Министерство проявляет основной интерес к изучению фундаментальных свойств вещества в нанометрическом масштабе, созданию новых видов катализаторов, энергетическим установкам, сборке и архитектуре нанообъектов и созданию новых материалов [47] . Кроме того, Министерство энергетики участвует в финансировании работ по созданию новейшего программного обеспечения, позволяющего моделировать наномасштабные и обычные системы и процессы вообще.

Следует также особо отметить, что Министерство энергетики создало собственную специализированную сеть из пяти научно-исследовательских центров по нанотехнологиям (Nanoscale Science Research Centers, NSRCs) на базе мощных национальных лабораторий правительства США, предоставляющую академическим разработчикам свои микроскопы, источники излучения, высокоэффективную аппаратуру и сложное оборудование. Этот подход представляется весьма важным и интересным, поскольку многие небольшие университеты и колледжи не могут позволить себе закупать дорогостоящее новейшее оборудование для сложных экспериментов в области нанонауки. Впрочем, эта проблема относится и к большим университетам, руководство которых, по понятным причинам, также часто отказывается закупать дорогие и высокоспециализированные приборы (например, особые источники света и т. д.) для интересных, но, возможно, разовых экспериментов. Возникающее противоречие легко решают упомянутые центры NSRC, предоставляющие свою аппаратуру не только финансируемым министерством исследователям, но и многим другим участникам нанотехнологического «сообщества».

Эти центры были созданы при национальных лабораториях в Окридже, Аргонне, Брукхейвене и имени Лоуренса в Беркли (кроме того, один объединенный центр был создан совместно лабораториями Сандия и Лос-Аламос). В тех случаях, когда пользователи соглашаются публиковать результаты исследований открыто (то есть поделиться ими с научной общественностью), центры NSRC предоставляют рабочее время, материалы и свою техническую помощь совершенно бесплатно, а при желании сохранить полученные данные в тайне – пользователи оплачивают только фактические расходы лабораторий. Перечисленные центры уже сейчас оказывают серьезную помощь разработчикам, особенно в материаловедении и теоретических расчетах, требующих мощных компьютеров. Они представляют собой важные элементы общенациональной сети инфраструктуры нанотехнологических исследований (National Nanotechnology Infrastructure Network) и сети вычислительной нанотехнологии (Network for Computational Nanotechnology), которые последовательно создаются в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. [Заинтересовавшийся организацией исследований министерствами обороны и энергетики читатель найдет их подробное описание в книге. Прим. перев. ]

Национальный институт здоровья, объединяющий множество организаций и ведомств, широко финансирует нанотехнологические исследования медицинской направленности, которые могут быть позднее использованы для диагностики, предотвращения и лечения различных заболеваний, а также разработки многих видов новой медико-биологической аппаратуры, как для научной, так и для практической работы. Ценность нанотехнологий для медицины и биологии связана, прежде всего, с тем фактом, что новые методики позволяют ученым проводить измерения и осуществлять манипуляции в масштабах, сравнимых с размерами отдельных клеток. Уже сегодня на основе нанотехнологий созданы ценные приборы и устройства, позволяющие получать информацию о макромолекулярных процессах, происходящих в отдельных клетках или органах организма. Некоторые финансируемые разработки относятся к весьма перспективному направлению, связанному с ранней диагностикой опасных заболеваний, так как в настоящее время выявлены контрастные агенты, позволяющие обнаруживать даже очень небольшое количество раковых клеток в тканях на начальной стадии развития опухоли. Ценность таких работ повышает и то, что нанотехнологии создают возможность так называемой «направленной» доставки препаратов в пораженные участки тканей без хирургического вмешательства. Вообще говоря, стоит отметить, что в биологии и фармацевтике очень сложно ввести четкие определения, и поэтому Национальный институт здоровья финансирует множество других исследований, которые не относятся формально к нанотехнологиям, но основаны на молекулярном подходе, то есть на исследовании и учете процессов, происходящих в нанометрическом масштабе.

Агентство защиты окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) финансирует проекты, прямо или косвенно связанные с методами обнаружения и обезвреживания экологически опасных веществ. Помимо этого, в последние годы EPA уделяет все большее внимание изучению воздействия самих наноматериалов и нанопрошков на здоровье населения и состояние окружающей среды. В частности, в 2004 году EPA начало осуществлять (совместно с Национальным институтом здоровья и Национальным научным фондом) обширную специализированную программу исследования реакций человеческого организма на различные наноматериалы, уже поступившие в коммерческое производство. Агентство намерено не только расширять эту программу, но и финансировать аналогичные исследования в других странах.

Комическое агентство НАСА финансирует большое число разнообразных программ, некоторые из которых носят общий характер. Например, НАСА курирует часть проектов, относящихся к гипотетическому будущему «слиянию» нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий (по мнению некоторых специалистов, этот подход позволит понять самоорганизацию структур в природе). С другой стороны, НАСА, естественно, поддерживает много проектов, непосредственно относящихся к развитию авиационно-космической техники (включая датчики для анализа внеземных материалов, системы контроля состояния космонавтов и т. д.) или к материаловедению (большое внимание сейчас уделяется весьма популярным исследованиям возможностей использования нанотрубок в получении особо прочных и легких материалов). Кроме того, стоит отметить, что НАСА организовало четыре центра поддержки академических исследований (University Research, Engineering and Technology, URETI), многие разработки в которых относятся к междисциплинарным проблемам, связанным именно с нанотехнологиями. Центры организованы на базе отделения Калифорнийского университета в Лос-Аламосе (UCLA), Техасского университета A&M, Принстонского университета и университета Пердю. Гранты выдаются на исследования в течение 5 лет, но НАСА обещает при необходимости продлевать их еще на пять лет.