Нанотехнологии и развитие цивилизации в 21-ом веке

Опубликовано 14.02.2024
Герман Кричевский   |   просмотров - 538,   комментариев - 0
Нанотехнологии и развитие цивилизации в 21-ом веке

Я не собираюсь в этой статье писать об истории нанотехнологии (НТ), уже писал в форме статей и глав в книгах. Я хочу дать картину развития НТ с периода, когда они оформились как самостоятельное, новое научно-технологическое направление. Какую отправную, реперную точку для этого выбрать? Абсолютно точно попасть в эту точку не удастся, потому что НТ, как и другие значимые технологии, возникали не внезапно, а постепенно. Думаю, удобно и объективно по многим причинам за начало развития взять принятие и закрепление решением президентом США Б.Клинтоном «Национальной нанотехнологической инициативы» (далее NNI) в 2000 году [1]. 

К этому времени в научном мире сформировалось понимание значимости нанотехнологий как области знаний и технологий, изучающих, работающих и производящих продукцию наноразмеров (1-100 нм), обладающих уникальными физическими, химическими, физико-химическими и биологическими свойствами. Были получены первые промышленные образцы нанопродукции и произошли первые шаги коммерциализации этой продукции. NNI закрепила в США законодательно значимость нанотехнологий в национальном масштабе как одной из технологий, определяющей развитие техносферы и её влияние на социальную жизнь населения планеты на очень многие годы. И жизнь подтвердила правильность этой инициативы, как мы постараемся показать в этой статье. 

Вслед за США в развитых странах, где нанотехнологии тоже развивались, начали приниматься аналогичные национальные инициативы (ЕС, Китай, Израиль и др.). В 2007 году (через 7 лет) президент В.В. Путин издал указ о приоритетном развитии в РФ нанотехнологий, определив головную организацию, отвечающую за развитие нанотехнологий в РФ – государственную структуру РОСНАНО. Этой организации выделили финансирование в размере 15 млрд. руб. и наделил правом инвестировать в проекты по созданию нанопродукции.

Через 15 лет в 2022 году РОСНАНО было объявлено банкротом, а наноиндустрия РФ не фигурирует ни в одном международном отчёте по нанотехнологиям, просто нет таких строк - нанотехнологии в РФ. Поэтому мы сосредоточимся на развитии нанотехнологий в мире.

Статистические данные, только цифры стоимости мировой нанопродукции:

2016 год – 7,3 млрд. долларов;

2022 год – 16,8 млрд. долларов. Лидирует США нанотрубки, (электроника, медицина).

Последние 5 лет ЕС лидирует в использовании нанотехнологий в здравоохранении. Индия, Китай догоняют (нанотрубки, наночастицы, нанопроволока, наноклей, нановолокна – 2017 год – 4,7 млрд. долларов и 13 млрд. долларов (план) на 2024 год, то есть рост ~ на 15,6 % (2017 – 2024), и это, не считая наночастиц сажи (Carbon black) все формы углерода, используемые в шинах и других резиновых изделиях, в фотографиях (серебро и красители) и активный уголь для фильтрации воды.

Глобальный рынок нанопродуктов составил 4 млрд. долларов в 2015 году и планировался в 2020 году. 11 млрд. долларов и прирост в период 2017 – 2022 год составил 22,4%. 25% (четверть) нанопродуктов составили оксиды титана (TiO2), серебра, двуокись кремния (SiO2) – 198.000 тонн в 2015 году, а в 2022 планировалось 786.000 тонн (21,8%). У наночастиц серебра в период 2016 – 2022 гг. прирост составил 13% (медицина, электроника, «красота», текстиль).

Согласно NewYork Nano Catalog в 2018 году выпускалось 3610 видов наноматериалов, 582 вида нанотрубок, 2453 вида наночастиц, 117 видов графенов, 231 видов квантовых точек, 99 вида фуллеренов, 77 видов нанопроволок, 42 вида нановолокон

США 2020 год – 91 млрд. долларов, мир 254 млрд. долларов.

Нанотехнология была обречена на экономический, технологический, экономический и социальный успех.

Экономический, коммерческий успех подтверждается выше приведёнными цифрами, динамикой роста производства основных видов разнообразной нанопродукции.

Технологический успех нанотехнологии обеспечивается её тесной, конвергентной связью с другими важнейшими современными технологиями (био-, инфо-, когни- и социальными), образующими единый научно-технологический кластер НБИКС технологий.

Для этого кластера характерны три базовые особенности, проявляющиеся, когда эти технологии используются совместно:

1. Конвергенция – глубокая связь, проникновение друг в друга, как это показано на рисунке 1-3.

2. Следствием конвергенции является проявление эффекта синергии 1 + 1>2, то есть не аддитивность сложения эффектов от составляющих кластера.

3. Следствием конвергенции и синергии является нарастающий поток инноваций, приводящий к технологической неопределённости (сингулярности).

Рисунок 1. Связь нанотехнологий с различными областями науки.


Рисунок 2. Цели нанотехнологий.


Рисунок 3. Связи внутри НБИКС-технологий.


Искусственный интеллект, нанотехнологии и НБИКС

– Ещё большая синергия и сингулярность проявляется с участием искусственного интеллекта (далее ИИ).

– ИИ, как и нанотехнологии, применимы к любой отрасли, к любой области знаний.

– ИИ, как нанотехнологии и НБИКС, мощнейший инструмент для решения широчайшего круга задач.

– ИИ в отличие от нанотехнологий и НБИКС способен самостоятельно обучаться (отсюда большая сингулярность).

– Сырьём, прекурсорам для ИИ являются большие данные. А если данные серьёзно закончатся, то ИИ останется на голодном пайке, и что он предпримет? Будет сам создавать новые данные.

Примеры совместного участия ИИ и НБИКС:

– борьба вместе с нанотехнологиями и биотехнологиями за доступность еды;

– создание эффективных таргентных лекарств без тяжёлой синтетической работы;

сначала перебор структур и поиск лучших с помощью ИИ, затем нано- и биотехнологическое совершенствование компьютеров совместно с ИИ и инфотехнологиями.

Вся робототехника завязана на ИИ и НТ (материалы, управление). Медицина и ИИ произведут революцию в здравоохранении, в диагностике и лечении. Астрономия станет, уже стала объектом ИИ.

Результаты использования НТ в различных областях науки и техники и в различных отраслях промышленности

НТ не только междисциплинарные, но и межотраслевые технологии, которые применимы и используются практически во всех областях науки и техники от радиоэлектроники до производства современного текстиля.

Во всех областях индустрии НТ могут приводить к улучшению свойств, качества традиционной продукции, а могут создавать принципиально новую продукцию или придавать традиционной продукции новые потребительские свойства.

Перечислим основные области науки и техники и отрасли индустрии, где НТ в настоящее время дают ощутимые практические результаты, в том числе коммерческие: электроника, энергетика, медицина, защита окружающей среды, катализ, сельское хозяйство, транспорт всех видов, текстиль, коммуникации, армия, «умный дом».

Рассмотрим кратко вклад НТ в каждую из этих областей.

Производство наночастиц, наноматериалов и наночастиц металлов

Наночастицы и наночастицы металлов являются одним из самых тоннажных и распространённых в использовании продуктов НТ. Они широко используются как таковые в различных областях науки и техники и в разных отраслях индустрии (медицина, катализ, энергетика, сельское хозяйство, защита окружающей среды, радиоэлектроника, оптика, фотоника и др.), так и в качестве полупродуктов для производства множества продуктов НТ (нанопорошки, нанокомпозиты).

Число публикаций, связанных с производством наночастиц, уже в 2012 году достигло 18825 и за 10 лет возросло на 93%. Распределение исследований по наночастицам к этому времени (2012 г.) сложилось следующим образом: химия – 55%, материалы – 40%, молекулярная биохимия – 2,6%, остальные области 22,1%. Главенствует в использовании наночастиц в начальный период развития нанотехнологий не в радиоэлектронике, а в химии и в производстве наноматериалов.

Странами- лидерами в области публикации по теме наночастиц в это время и сейчас остаются США (20,7%) и Китай (23,6%).Основные виды нанопродукции и области их использования (табл. 1).

Наноматериалы

Промежуточные продукты

Области использования

Финальные области использования

Нанопористые материалы

Покрытия

Электроника

Ритейл

Наноструктурированные металлы

Композиты

Сотовый телефон

Промышленность

Наночастицы металлов

Диагностика

Материалы

Контракты

Керамические наночастицы

Дисплеи

Спортивные товары

Сервис

Углеродные нанотрубки

Доставка лекарств

Транспорт

Фуллерены

Память

Фильтрация

Нанопроволоки

Солнечные батареи

Здравоохранение, медицина

Квантовые точки

Сенсоры

Фармацевтика

Дендримеры

Терапия

Солнцезащитный крем

Энергия

Батареи

Наноинструменты, поддерживающие технологии наноиндустрии. Фабрикация, моделирование, инспекция.

Внешние факторы: социальные, правительство, потребители, общественные организации.

Наука. Финансы и фонды. Риски и безопасность. Интеллектуальная собственность. Стандарты.

Нанотехнологические и глобальные цепочки.

НТ – межотраслевые технологии, потенциальные и реально используемые во всех областях науки и техники, во всех отраслях промышленности, наиболее освоены нанотехнологиями такие области: медицина, электроника, защита окружающей среды, катализ, сельское хозяйство, механика, текстиль.

В такой последовательности и рассмотрим успехи нанотехнологии в этих областях применения.

Наномедицина. Нанотехнология устойчиво внедрилась в медицину, в результате чего возникло несколько самостоятельных направлений – нанотерапия, нанодиагностика, наноадресная доставка лекарств к патогенным органам и тканям. Всё вместе это называется – наномедицина, которую можно определить следующим образом: это использование наноматериалов в медицине, что даёт преимущество за счёт их уникальных свойств. НТ использует наночастицы и наноматериалы синтетического характера и природные биологические молекулы наноразмеров (ДНК, РНК, ферменты и др.).

Основными направлениями в наномедицине являются:

– Нанотехнологии для неинвазивной диагностики;

– Нанотехнологии для инвазивной диагностики и терапии;

– Нанотехнологии в инженерии тканей;

– Нанотехнологии в адресной доставке лекарств.

Неинвазивная диагностика основана на использовании современных физических приборов, например на различных видах компьютерного сканирования (КТ, МРТ и др.), с помощью которых можно определять повреждение костей, суставов, позвоночника, выявлять онкологические опухоли и всё без контакта с телом больного.

В инвазивной диагностике и терапии используются наночастицы различной природы. Для инвазивной нанодиагностики и нанотерапии используются наночастицы различной природы, но чаще всего наночастицы благородных (Ag, Au, Pt) и тяжёлых металлов. Соизмеримость наночастиц и биологических молекул (ДНК, РНК, ферменты, разнообразные продукты метаболизма) облегчают задачи нанодиагностики и нанотерапии. В инженерии тканей используют полимерные матрицы в качестве платформы, в которые подсаживают клетки определённой структуры, факторы роста, пептиды, стероидные гормоны.

Весьма перспективным направлением в наномедицине, особенно в онкологии, является терапия адресной (таргентной) доставки лекарств к патогенным органам, тканям, опухолям, клеткам. Лекарство такого типа, как правило, состоят из нанотранспортёра (липосомы, дендримеры, полимеры и др.), имеющие химические группы – векторы, обладающие сродством к рецепторам онкоклеток.

Подобный нанотранспортёр загружается лекарством (цитостатиком) и убивает онкоклетку. Такая наноадресная сложная молекула проходит через весь организм и не вызывает побочных эффектов (цитостатик яд и для здоровых клеток), добирается до онкологической опухоли, прикрепляется к ней, и только после этого выгружает цитостатик в опухоль, в которой разрушает онкоклетки. Ещё одним направлением наномедицины и персонализации медицинского обслуживания является телемедицина, которая реализуется через использование эффективных датчиков, определяющих физиологические параметры функционирования организма в режиме 7/24 и передающих эти данные семейному врачу или в поликлинику, где принимаются решения о необходимой терапии. Миниатюрные датчики вмонтированы в майку. Телемедицина очень эффективна в случае большой удалённости пациента от врача, а также используется в современных боевых комплектах бойцов.

Электроника и информационно-коммуникационные технологии. Это важнейшая часть деятельности современного человека состоит из следующих важнейших направлений: хранение данных (память), дисплеи, транзисторы, источники энергии, превращение энергии, распространение энергии, использование энергии.

Хранение данных. Произошла революция, заключающаяся в использовании в качестве добавок единичных атомов в транзисторах, единичных спинов как магнитометров и единичных атомов для памяти. Для манипуляции такой системой используется сканирующий туннельный микроскоп.

По такой технологии удаётся записать и сохранить 1 Кб информации, то есть более 78 ТБ на одном квадратном сантиметре, что соответствует возможности оцифровать всю библиотеку конгресса США на площади прибора формой куба с ребром 100 мм.

Закон Мура и его Преодоление. Закон Мура: «Количество транзисторов, размещённых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (2 года)». В настоящее время повышение вычислительной мощности достигается параллельными вычислениями.

Дисплеи (мониторы). Наиболее распространены мониторы системы OLED (органические), легко создающие эмиссию при прохождении электрического тока. Они могут быть выполнены эластичными, складывающимися, в форме рулона. В современных мониторах для формирования цвета используются квантовые точки.

Энергия. Нанотехнологии имеют огромный потенциал и реально его используют во всех отраслях промышленности для повышения эффективности и экономичности с помощью инноваций. Существуют следующие направления в энергетическом секторе: источники энергии, трансформация энергии, распределение энергии, хранение энергии, использование энергии. И во всех этих направлениях эффективно используются нанотехнологии.

Источники энергии. Нанотехнологии улучшают показатели в обычных источниках (на основе углеводородных ископаемых, ядерного топлива) и в случае возобновляемых источников (геотермальная энергия, солнечная энергия, ветер, гидро-, приливы в море, биомасса).

Эффективность использования нанотехнологии прежде всего достигается применением лёгких и прочных наноматериалов. В случае солнечных батарей (фотовольтаика) нанотехнологии предлагают эффективные полимеры, квантовые точки, тонкие плёнки, антиотражательные покрытия.

Трансформация энергии в электрическую, тепловую и кинетическую должно быть эффективным в случае выработки электричества с помощью турбины и электрического генератора. Лопасти турбины изготавливают из термо- и коррозиестойких нанопокрытий.

Распределение энергии. Первейшая задача снизить потери энергии при её передаче, что достигается использованием электропроводимых наноматериалов (углеродные трубки) или сверхпроводимых материалов.

Сохранение энергии (батареи, аккумуляторы). Самые распространённые литий-ионные технологии. Нанотехнологии предлагают термостойкие, гибкие материалы для электродов. В случае перехода на водородную энергетику, хранение водорода может осуществляться в нанопористых металлоорганических материалах.

Использование энергии. При всех видах использования энергии необходимо повысить её эффективность и снизить её потери. Нанотехнологии предлагают множество решений этих проблем, например, снижение расхода топлива на всех видах транспорта за счёт снижения его веса (лёгкий, прочный нанокомпозит). В строительстве – использование окон с нанопокрытием, сохраняющим тепло зимой и охлаждающим помещение летом.

НТ в производстве современного текстиля:

Мировое производство всех видов текстиля по нанотехнологиям – 2016 г. – 77,3 млрд. долларов, 2022 г. 295 млрд. долларов.

Мировое производство тканей по нанотехнологии – 2016 г. 50,5 млрд. долларов, 2022 г. 101 млрд. долларов.

Мировое производство домашнего текстиля по нанотехнологиям – 2016 г. 6 млрд. долларов, 2022 г. 36 млрд. долларов.

Мировое производство армейского текстиля по нанотехнологиям – 2016 г. 390 млн. долларов, 2022 г. 1,6 млрд. долларов.

Мировое производство медицинского текстиля по нанотехнологиям – 2016 г. 40 млн. долларов, 2022 г. 1,2 млрд. долларов.

Мировое производство спортивного текстиля нанотехнологиям – 2016 г. 85 млн. долларов, 2022 г. 170 млрд миллионов долларов.

Мировое производство технического текстиля по нанотехнологиям – 2016 г. 20 млрд. долларов, 2022 г. 155 млрд. долларов.

Защита окружающей среды. Нанотехнологии не обошли такое важнейшее направление как защита окружающей среды и нежелательные изменения климата путём сбережения сырья, энергии, воды, снижение вредных выбросов.

Примером защиты окружающей среды является утилизация батареек, многие из которых содержат тяжёлые металлы (свинец, кадмий, никель), загрязняющие окружающую среду и влияющие отрицательно на здоровье людей.

Этих батареек миллиарды и это большая проблема. Можно утилизировать батарейки, извлекая из них ценное сырьё – тяжёлые металлы в форме наночастиц металлов.

Другой пример – фильтрация воды и воздуха с использованием наночастиц, содержащими благородные металлы (серебро, золото).

Титановые нанотрубки и нановолокна используют для извлечения из растворов радиоактивных элементов (йод, цезий).

Нанотехнологии позволяют повысить эффективность синтеза водорода как экологического топлива взамен углеводорода.

Общая стоимость наноматериалов, используемых для защиты окружающей среды в 2020 году в мире составило 41,8 млрд. долларов.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве. Не обошлось без использования нанотехнологии в сельском хозяйстве:

– Повышение урожайности путём обработки посадочного материала наночастицами различной природы, например наночастицами серебра;

– Производство нового поколения упаковки для пищевых продуктов, защищающих от проникновения патогенных микроорганизмов. Такая упаковка содержит наночастицы благородных металлов.

Нанотехнологии и армия, вооружение и защита солдата. Все современные боевые машины пехоты, танки, орудия, ПВО, самолёты, корабли, умные ракеты имеют в своей конструкции элементы нанотехнологий (наноматериалы, нанопокрытия, наноэлементы в системах наведения на цель). Без чипов ничего не двигается, не стреляет точно в цель. А изготовление чипов – это одна из сложнейших нанотехнологий, которая позволяет получать размер элемента на уровне 2-5 нм.

Защита армейского людского состава осуществляется современным боевым комплектом, обладающим комплексом защитных коммуникационных и лечебных функций:

– Защита от пуль, осколков и взрывной волны современной бронежилет;

– Маскировка в дневное и ночное время;

– Защита от переохлаждения и перегрева;

– Гидрофобность;

– Огнезащита;

– Защита от радиации;

– Коммуникативность (связь со штабом и другими бойцами);

– Сенсорность;

– Лечебные свойства;

– Автономная энергетика;

– Усиление мышечной силы;

Все эти функции реализуются в том числе и через нанотехнологии.

Нанотехнологии в катализе. Современная зелёная химия развивается с использованием катализаторов, позволяющих экономить энергию, сырье, проводить реакции, которые без катализаторов не идут. Перевод катализаторов из традиционных форм (микро-) в наноформу существенно повышает их каталитическую активность, т.к. увеличивается число частиц катализаторов в одном и том же объёме и, следовательно, повышается вероятность столкновения катализатора с другими участниками катализируемой реакции.

Эффективно использование наночастицы благородных и тяжёлых металлов в органическом катализе, например в превращении нитробензола в аминобензол – анилин ( важное сырьё в органическом синтезе красителей).

Нанотехнологии и «умный» дом. Современный «умный» дом использует множество возможностей нанотехнологий для удобства, защиты домочадцев, их комфорта: экономия энергии, тепла, защита от проникновения, изменчивая эстетика интерьера и др.

Заключение

Как следует из приведённого выше текста, нанотехнологии проникли во все значимые области деятельности современного человека и продолжают еще более расширять ореал своего межотраслевого применения. Это происходит не в одиночку, а в тесном единении с био-,инфо- и когнитивными технологиями, в тесной увязке с искусственным интеллектом, робототехникой. Всё это должно быть направлено на решение важнейших социальных задач, стоящих перед человечеством. Те страны и общества, которые не понимают значимость этого тренда, могут оказаться на обочине в положении маргиналов.

Литература.

Основы нанотехнологий: учебное пособие: в 2 т. / Г. Е. Кричевский. - Москва: Грин Принт, 2022., с. 91-123.

Francesco Matteucci and all. Deployment and exploitation of nanotechnology nanomaterials and nanomedicine. AIPConferenceProceedings 1990(1):020001. July 2018.

Г.Е. Кричевский. НБИКС-технологии для Мира и Войны / Саарбрюккен, Германия: Ламберт, 2017, 634 с.

Dr. Tanveer Hussain. Nanotechnology applications in textiles. WORLD TEXTILE & CLOTHING TRADE. 2018. V.1, p. 1-3.

Ю. В. Попов и др. Наноразмерные частицы в катализе: получение и использование в реакциях гидрирования и восстановления. Ж-л «Известия волгоградского государственного технического университета», 2014, № 7(134), стр. 5-44. 


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!