Г.Е. Кричевский
д.т.н., профессор,
вице-президент Нанотехнологического Общества России (НОР)
Введение
Две эпохальные для НТ даты:
1. Президент США Билл Клинтон в 2000 году утвердил указ о национальной нанотехнологической инициативе (NNI). Большинство развитых стран (ЕС, Япония, Южная Корея, Китай) приняли участие в этом научно-технологическом марафоне и приняли национальные программы развития НТ.
2. Президент Российской Федерации В.В. Путин подписал в 2007 году указ о развитии нанотехнологий в РФ и назначил головную организацию – РосНАНО, отвечающую финансово, организационно и сущностно за развитие НТ в РФ.
В самом начале развития нанотехнологий в научных кругах, в обществе РФ сложилось весьма скептическое отношение к нанотехнологиям, что было связано с многочисленными спекуляциями по отдельным видам продукции, со специфической позицией руководства РосНАНО.
В результате НТ в РФ по большему счёту не состоялись.
В то же время мировая экономика получает ежегодно большой вклад (более 1,5 трл. долларов США – далее DS) от производства и потребления НТ и нанопродукции.
В РФ НТ осталась маргинальной, ее экономика не упоминается в мировой статистике. Отдельные предприятия, выпускающие нанопродукцию, не являются массовыми, а скорее образуют островки энтузиазма.
Основные причины этого неуспеха НТ являются системными:
1. НТ – это междисциплинарные и межотраслевые технологии. Междисциплинарность нанотехнологий заключается в тесной связи с фундаментальными науками (физика, химия, математика, биология), без развития которых нанотехнологии останутся эмпирической практикой. Междисциплинарность НТ усиливается связью с конвергентными технологиями: био-, инфо-, когнитивными, социальными. Эта связь обеспечивает синергию развития.
Межотраслевой характер НТ означает, что НТ, её продукция или полупродукты могут использоваться практически во всех отраслях промышленности, и во всех областях науки и техники.
Если отсутствует развитие отраслей индустрии, то нанотехнологии остаются без заказчика и работают вхолостую или на экспорт, где эти технологии уже заняли свою нишу.
Вывод: развивай фундаментальные науки с прицелом на задачи НТ, развивай отрасли промышленности как реальных потребителей нанотехнологий.
2. Насаждение сверху (через РосНАНО) инновационных технологий непродуктивно. Они должны произрастать снизу-вверх (термин из нанотехнологий), конечно, при поддержке государства, различных общественных организаций, при развитой системной подготовке специалистов, при доброжелательном отношении общества и СМИ.
Должна быть создана специальные инфраструктура, обеспечивающая эту поддержку и связь НТ с другими прорывными технологиями био-, инфо-, когни- (НБИКС).
Это только основные причины.
Экономика нанотехнологий [1, 2]
На всём протяжении развития НТ имела положительную динамику, достигнув триллионных значений в долларах США от мировой продажи нанопродукции с использованием НТ.
В связи с этим кажутся субъективными ранние и в настоящее время высказывания различных экономистов|1| о том, что нанотехнологии – это пройденный этап развития мировой экономики, что нанотехнологии ничего не внесли революционного в развитие цивилизации. Это при том, что все эти авторы, как и всё население планеты, используют мобильную связь, которая без нанотехнологий не могла бы возникнуть. А новые формы углерода (графен, фуллерены для электроники), появление новых направлений в медицине (нанодиагностика, таргентная нанотерапия, телемедицина и др.). Далее будет показана роль НТ сегодня и в будущем жизни обычного человека и ее роль во всех областях науки и техники
Экономисты сетуют, что прогнозы по НТ к 2024 году должны были составить ~ 3 трл. DS, а составили ВСЕГО 1,5 трл. DS. А это в 100 раз больше годового бюджета г. Москвы.
Далее мы приведём более конкретные цифры вклада НТ в мировую экономику.
В 2017 году глобальный рынок нанопродукции составил 7,3 млрд. DS, а в 2022 году 16,8 млрд. DS, то есть за этот период рост составил 15,5 %, что впечатляет.
Роль НТ можно проследить по динамике производства наночастиц различного вида, которые являются основной продукцией НТ.
Наиболее многотоннажными видами наночастиц на мировом рынке (25%) является двуокись титана, серебро, двуокись кремния.
В табл.1 приведена динамика производства других видов наночастиц.
Таблица 1.
|
№
|
Наночастицы виды
|
Общий рынок 2016 г.
|
Общий рынок 2021 г.
|
Прирост в %
|
|
Млрд. DS
|
|
1
|
Наночастицы серебра
|
1,1
|
3
|
1,3
|
|
2
|
Наноглины
|
0,7
|
2,1
|
24,9
|
|
3
|
Нанокомпозиты
|
1,6
|
5,3
|
26,7
|
|
4
|
Квантовые точки
|
0,61
|
3,4
|
41,3
|
|
5
|
Нановолокна
|
0,39
|
2,0
|
38,6
|
|
6
|
Нанокерамический
порошок
|
14,6
|
22,3
|
8,9
|
Только в 2018 г. на мировом рынке циркулировало 3601 видов нанопродукции, включая 582 вида нанотрубок, 2453 вида наночастиц, 117 видов графена, 231 вид квантовых точек, 9 видов фуллеренов, 77 видов нанопроволок, 42 вида нановолокон. Это не лабораторные наночастицы, а промышленная продукция, доступная на рынке.
Далеко не всякое новое направление в науке и технологиях может похвастаться такими результатами. И если результативность в нанотехнологиях мала в РФ, то это не значит, что что-то не так с НТ, а скорее РФ опять не в мировом тренде развития НТ, как было с кибернетикой и генетикой.
Теперь конкретно об экономике НТ только в одной отрасли – в производстве текстиля
|
Общее производство всех видов текстиля в мире в DS
|
|
2016 г. – 73,3 млрд.
|
2022 г. – 295 млрд.
|
|
Производство текстильной нанопродукции в мире
|
|
2016 г. – 50,5 млрд.
|
2022 г. – 101 млрд.
|
|
Домашний текстиль
|
|
2016 г. – 6 млрд.
|
2022 г. – 36 млрд. (!)
|
|
Армейский текстиль
|
|
2016 г. – 390 млн.
|
2022 г. – 1,6 млрд. (!)
|
|
Медицинский текстиль
|
|
2016 г. – 400 млн.
|
2022 г. – 1,2 млрд.
|
|
Спортивный текстиль
|
|
2016 г. – 85 млн.
|
2022 г. – 170 млн.
|
|
Технический текстиль
|
|
2016 г. – 20 млрд.
|
2022 г. – 155 млрд. (!)
|
Как можно видеть, НТ прочно вошли в мировое производство нанотекстиля и он составляет примерно 30% от всего текстиля. Наибольший вес среди всех видов нанотекстиля имеет технический, и домашний текстиль. Набирают темпы производства медицинский и армейский нанотекстиль.
Виды производства наночастиц металлов (кратко)
Как все наночастицы и наночастицы металлов могут производиться следующими методами: физическими, химическими, физико-химическими и биохимическими методами. С нашей точки зрения наиболее перспективными являются биотехнологические. Эти методы экологичны (проводятся в водной среде при низких (комнатных, а не выше 60°С) температурах. Биосинтез наночастиц металлов протекает в природе, когда катионы солей металлов различной природы при их диссоциации попадают из почвы или водоёмов, где они находятся в различных концентрациях, в растения (поглощаются ими). Далее могут происходить redox реакции катионов металлов с различными видами продуктов обмена веществ в растениях – метаболитами – это низкомолекулярный спирты, фенолы, аминокислоты, биополимеры полисахариды, белки и др. Все они способны восстанавливать катионы до нейтральных атомов, которые агрегируют до наноразмерных образований.
Также можно наночастицы металлов получать микробиологическим путем, используя бактерии, грибы как фабрики наночастиц металлов. Основные вещества клетки микроорганизмов (ДНК, РНК, ферменты) также могут восстанавливать катионы металлов, далее следует их превращение в наночастицы металлов.
Наиболее практичной технологией биосинтеза наночастиц металлов является использование полисахаридов в качестве биовосстановителей. Образующиеся в гидрогеле полисахариды наночастиц металлов могут быть использованы в разных областях науки и техники.
Успехи использования наночастиц металлов в различных отраслях индустрии и областях науки и техники
Любые инновации поддерживаются промышленностью и обществом, если их продукция дешёвая, безопасная и более экономичная, чем предшествующая продукция. Нанопродукцию полностью соответствует этим требованиям. К тому же она предлагает нанотехнологии и нанопродукты для всех областей жизни и для всех отраслей индустрии: производство компьютеров, биоиндустрия, агроиндустрия (сельское хозяйство, производство продуктов питания, упаковка), гражданская инженерия, производство текстиля, транспорт и автомобильная промышленность, здравоохранение и медицина, санитария, защита окружающей среды, химическая промышленность (катализ), фотовольтаика, возобновляемые источники энергии.
Кратко опишем достижения нанотехнологий к 2023 г. и важные задачи, которые она будет решать в ближайшем будущем.
Главные достижения нанотехнологии
В медицине:
– Персональные медицина, телемедицина, детекция изменений на клеточном уровне с помощью нанодатчиков;
– Большее и детальное понимание протекания онкологических заболеваний с целью совершенствования онкотерапии. В частности, усиление иммунитета клеток введением нанотрубок;
– Создание нового поколения нановакцин против новых штаммов вируса;
– Восстановление травм спинного мозга с использованием нановолокон;
– Использование сердечного ритма для производства персональной электроэнергии;
– Диагностика биомаркеров онкологических опухолей;
– Чёткое определение границ онкологических опухолей головного мозга и шеи с помощью конкретных нанопрепаратов;
– Формирование наноструктур из нановолокон, подавляющих восстановительные процессы;
– Использование магнитных наночастиц, способных нагреваться, что важно при пересадке органов.
В промышленности:
– Нанокатализ с помощью Pt (платина) в наноформе существенно ускоряет органические реакции дегидратации и регидратации по сравнению с Pt не в наноформе;
– Ускорение биокатализа с помощью наночастиц;
– Синтез эластичных полимеров, обладающих механической прочностью на основании новых достижений нанотехнологий и физики полимеров;
– Создание материалов для спецодежды, выдерживающих экстремальные условия (космос, глубинные погружения);
– Синтезированные полимеры с делатантными реологическими свойствами (упрочняются при росте деформационных нагрузок), предназначенные как наполнители в бронежилеты нового поколения;
– Производство питьевой воды из воздуха. Устройство собирает из воздуха днём и ночью питьевую воду. В основе устройства гидрогелевая мембрана. Устройство с помощью мембраны 55 см2 производит 185 мл свежей воды в течение 8 дней, комбинируя солнечные выпаривание днём и извлечения воды из тумана ночью;
– Умный текстиль: производство пьезоэлектричества за счёт трения одежды из эластичных волокон;
– Использование бактерий, полученных с помощью генной инженерии, для синтеза наноматериалов. По этой технологии были получены белковые волокна прочнее паутины и стальной проволоки;
– Производство водорода из наноструктурированного металла. Для этого производят сплав алюминия и наполняют его жидкостью, из которой в большом количестве выделяется водород;
– Нанофотоника для мира и войны. Созданы наноразмерные плёнки 2D-структуры, с помощью которых можно контролировать и управлять оптическими свойствами. Это используется в современных оптических приборах и устройствах (приборы ночного видения с высоким разрешением, более совершенные телескопы, оптические устройства, управляющие беспилотным транспортом в широком смысле);
– Использование теории моделирования, симуляции и искусственного интеллекта (ИИ) для формирования наноматериалов определенного дизайна (3D-структура ДНК, бездефектная кубическая структура, структура алмаза, нанокристаллические сплавы металлов). Изучено взаимодействие наноразмерного покрытия с противовирусными свойствами и определён механизм взаимодействия, что позволило разработать эффективные антивирусные препараты;
– Создание наноразмерных комплексных образований ДНК и их использование в биомедицине. Использование ДНК как платформы для сорбции красителей и использования в фотонике.
– Изучение механизма действия «перовских» устройств. Эффективными являются 3D-структуры, что позволило повысить эффективность солнечных батарей и осветительных приборов LED. Микродефекты 3D-кристаллов существенно снижают эффективность устройств на их основе;
– Создание транзисторов на единичном атоме. Создание новой эффективной системы контроля за дефектностью транзисторов. Создан новый тип магнитно-электронных электрических транзисторов на основе графена, потребляющих меньше энергии, меньше выделяющих тепло, хранящие больше информации (на 75%) по сравнению с силиконовыми транзисторами;
– Влияние на изменение климата с использованием нанотехнологий в строительстве умных экологичных домов: экономия тепла, сохранение комфортных климатических условий, «умные» окна (летом охлаждают, зимой греют). Полное автоматическое управление;
– 3D-архитектура (полное управление) строительством сооружений.
Это не полный список достижений нанотехнологий к 2023 году.
Все эти достижения получены путём плотной, осмысленной кооперации университетов, исследовательских центров различных стран, промышленности и при системной поддержки государств (в основном не финансовой, а созданием инфраструктуры и поддерживающих законов).
Какие главные задачи будут решать нанотехнологии в ближайшее время
Перевод бионанотехнологии в реальную практическую медицину:
– Использование бионапродукции (ДНК) в персональной медицине;
– Создание банков данных по нуклеиновым кислотам, штаммам вирусов и их использованию в терапии различных болезней;
– Синтез реагентов для определения малых количеств белков (нано-диагностика);
– Создание базовых платформ для новых видов лекарств на основе молекулярной биологии;
– Расширение производства природных продуктов (фермы, лес, отходы сельского хозяйства, упаковка растительного происхождения). Использование наночастиц металлов для антимикробной обработки (хранения) фруктов, овощей, упаковка с наночастицами, нанобиопестициды, использования сурового хлопка с нанесёнными частицами палладия для различных видов катализа;
– Производство из древесины кристаллической наноцеллюлозы (наполнение композитов, бронежилеты, упаковка, строительный материал, наполнитель в шинах и др.);
– Устройства в одежде для мониторинга здоровья (ритм, давление и др.). Для этого используются чувствительные датчики, слаботочная электроника и умный текстиль. Информация передаётся через Bluetooth на мобильный, анализируется и выявляются аномалии. Такие специальные костюмы используются в армии (боевой комплект), в спорте и в обычной жизни для пожилых и инвалидов;
– Разработка нового поколения датчиков, следящих за изменением атмосферных условий. Установка на дроны;
– Переход диагностики и терапии онкологии на использование нанотехнологий с целью повышения их доступности;
– Улучшение стабильности, прочности, устойчивости и инфраструктурных материалов достигается добавкой к матрице различного вида наночастиц различной природы (повышение потребительских качеств: прочность);
– Повышение роли возобновляемых источников энергии (фотовольтаика, генераторы нового поколения), совершенствование литий-ионных аккумуляторов (быстрая зарядка, долгое сохранение заряда);
– Повышение эффективности катализа с помощью наночастиц металлов. Управление через размер и форму наночастиц металлов используется в органическом синтезе, в биосинтезе, в производстве топлива и в технологии ресайклинга;
– Повышение эффективности производства энергии. Создан композит металла с углеродом (графен), обладающий низкой электропроводностью;
– Создано устройство для производства питьевой воды в космосе (для долгих полётов). Используется оптоволокно, покрытое специальными полимером, поглощающим в УФ-области;
– Создание новых наноматериалов для ядерной промышленности. При этом необходимо учитывать действия радиации разного вида на материалы; знание физики и химии этого взаимодействия позволит грамотно подойти к созданию новых наноматериалов для этой отрасли.
– Наноматериалы для космоса лёгкие: композиты высокой прочности с нанонаполнителями (углеродные трубки, карбон-карбон композиты);
– Разработка эффективных вакцин против мульти вариативных вирусов covid-19 и других вирусных заболеваний. Это будут нанокапсулированные вакцины с основой mRNA (создание нового поколения вакцин адресного действия);
– Совершенствование стандартизации производства и самой нанопродукции на национальных и международных уровнях. Цель – обеспечить безопасность на производстве и в использовании нанотехнологий и наночастиц.
Реальная мировая экономика и впечатляющий набор достижений мировой нанотехнологии опровергает необъективную оценку российских экономистов, затеявших по своей инициативе или по заказу чему-либо похороны одной из самых прорывных конвергентных перспективных технологий XXI века.
Библиография:
1. Нанотехнологии и формирование шестого технологического уклада: ожидания и реальность / О. Б. Кошовец, Н. А. Ганичев // Проблемы прогнозирования. - 2017. - № 4. - С. 44-52;
2. National Nanotechnology Initiative, 2023,
3. Г.Е. Кричевский. Основы нанотехнологий. 2-х томник / Москва: Грин Принт, 2022. 567 с.,
