Какую супер технологию мы потеряли, не приобретя. 

Место и роль нанотехнологии в мировой экономике

Профессор Кричевский

«Размер и форма имеют значение»

«Породистого щеночка отдали плохому хозяину»

Введение

Не первый раз пишу про нанотехнологию статьи и книги и не могу успокоиться. Какую супер технологию Россия потеряла. И каждый раз прихожу к выводу, что по-иному и не могло произойти по следующим нижеописанным причинам в предложенных условиях.

Рисунок 1. Нанотехнология – междисциплинарная, мультиотраслевая технология.

Если фундаментальные науки (физика, математика, химия, биология), на которых базируются нанотехнологии, и в СССР и пока ещё в РФ не сильно отстают от своих сестёр в передовых странах, то с базовыми отраслями индустрии произошла в 90-е годы беда, которая не исправлена до сих пор. В 90-е годы произошла контрреволюция, деиндустриализация почти всех основных отраслей индустрии, кроме, пожалуй, добывающих из недр природные ископаемые.

Поэтому основной заказчик нанотехнологии, где она должна работать (она замечательно работает, но не у нас), практически отсутствует. Получается, что нанонаука и нанотехнология как её производная не имеет потребительской платформы – заказчика.

При этом в ряде российских университетов, различных НИИ и частных научных структурах исследования научно-технологического характера ведутся, но чаще всего они остаются без внедрения. Это НИР, а не НИОКР.

Создание в качестве головной организации по нанотехнологиям РОСНАНО, результаты её работы по замыслу, организации, целеполаганию, типу финансирования и, наконец, по кадровому составу было обречено на провал. Этого взгляда я придерживался всегда, с самого начала деятельности этой организации. Сейчас, когда РОСНАНО обанкротилась, её руководители кто в бегах, кто под следствием, а те, кто создавал ее приказом в 2010 году, кто выделял ей одномоментные гигантские деньги, кто не контролировал ее деятельность, все взялись ругать РОСНАНО. Но никто не проанализировал причины неудач всего проекта нанотехнологий в России.

Всё это уже произошло, исправить это почти невозможно, но никто и не пытается. Можно только этот проект пересоздать. Породистого щенка (прости нанотехнология) передали снова в руки нового хозяина, который не очень знает, что такое нанонаука и нанотехнологии. Головной организации стал ВЭБ-банк. «Где имение, а где вода». Но вода, конечно, найдётся.

Произошла научно-технологическая катастрофа сродни с тем, что было когда-то с кибернетикой и генетикой, которые до сих пор кашляют. С тех пор существенно отстают эти направления в России. Нанотехнологии пролетели над Россией, как фанера над Парижем. И при этом всё сделали вид, что ничего не произошло – правительство, руководство страны, научно общественные организации, в том числе НОР, высоколобые академики, входившие в состав РОСНАНО, ведущие СМИ.

Само российское общество, научное экспертное сообщество РФ с большим скепсисом относились к нанотехнологиям, как и прежде ко всем другим революционным инновациям. Это отношение хорошо описывает диаграмма, автором которой является, ушедший из жизни, первый президент НОР, академик Ю.Д. Третьяков.

Рисунок 2. Любая революционная инновация проходит сложный путь от идеи до коммерциализации и признания.

Нанотехнология такой успешный путь прошла в мире, но не завершилась таким успехом в РФ, кривая на диаграмме Ю.Д. Третьякова оборвалась у нас, не завершившейся.

Изучая мировые публикации по мировой экономике нанотехнологий, не находишь там практически упоминание о РФ. Очень больно и обидно. За державу обидно. Конечно, не за державу, а за граждан, которые могли бы быть и создателями новых продуктов нанотехнологий, а являются почти поголовно потребителями продукции нанотехнологий из-за рубежа.

После этой части статьи о причинах того, почему не состоялся в России проект нанотехнологий, перейдём к основной части, где рассмотрим, какой успешный путь прошли нанотехнологии в мире за время не более чем 60 лет, когда в 1974 году Норио Танигучи впервые ввёл название нанотехнология и дал ей свое определение.

Совсем немного истории нанотехнологий

Я не один раз подробно писал об истории нанотехнологий, поэтому в этой статье дам только краткую справку.

Ненаучную историю нанотехнологий можно пропустить, упомянув только факты, что и в древности, и в средние века были эвристические нанотехнологические находки в виде булатов и сверхпрочной стали, чернил, содержащих наночастицы, витражей с наночастицами металлов и др.

С какого времени отсчитывать начало современной, научно обоснованной нанотехнологии?

Можно со знаменитой проповедческой лекции Ричарда Фейнмана (1959 год!), предсказавшего всё то, что происходит сегодня и будет происходить в будущем с нанотехнологиями: «В великом будущем мы сможем расположить атомы так, как мы хотим». Разве это не происходит сегодня с помощью туннельного сканирующего (1981 г.) и атомного силового микроскопов (1986 г.), позволяющих не только наблюдать наномасштабные объекты (1-100 нм), но и манипулировать атомами, укладывая их в необходимые структуры. Ай да Ричард – нобелиант.

Изобретение электронных микроскопов сыграло революционную роль в нанонауке и нанотехнологиях. Стало возможным не только предполагать о большой роли и строении наночастиц, наноматериалов, но и увидеть, как они выглядят, какой размер и форму они имеют, в какие структуры они организуются. Лучше один раз увидеть и пощупать, чем много раз услышать. Электронная микроскопия позволила научно связать размеры и форму наночастиц с широким набором физических, химических, биологических свойств наночастиц и наноматериалов.

Эти визуализирующие и манипулирующие электронные (сканирующий туннельный (1981г.) и атомно-силовой (1986г.)) микроскопы можно сравнить с тончайшими микроскопическими глазом и пинцетом, складывающими отдельные атомы и молекулы в нанолего (наноматериал).

В эти годы началось использование различных технологий производства, синтеза наночастиц и наноматериалов.

Первый наноматериал из углерода – фуллерен – был открыт в 1985 году. В эти годы микроэлектроника стала превращаться в наноэлектронику, которая производит интегральные схемы всё меньших размеров её элементов.

А можно считать началом современной нанотехнологии с того момента в 1974 году, когда японский исследователь Норио Танигучи впервые ввёл термин «нанотехнология» и предложил ее определение: «технология производства для получения сверхвысоких точностей и сверхтонких размеров, т.е. точности порядка одного нанометра».

После этого было предложено множество определений нанотехнологий.

Нанотехнологию справедливо называют ключевой, сквозной, междисциплинарной, транс индустриальной, поскольку она базируется на всех фундаментальных науках, используется во всех отраслях индустрии, во всех современных инновациях: робототехника, искусственный интеллект (далее ИИ), генная инженерия и др. – см. рис. 1.

Нанотехнологии – это не только миниатюризация материи, она имеет системную актуальность, она включает в себя визуализацию, измерение, моделирование, манипуляцию материей, позволяя открывать новые уникальные возможности для применения.

Нанотехнологии представляют возможности ученым, предпринимателям, обществу в целом улучшить уровень и качество жизни всему населению планеты. Что и происходит на наших глазах. Но не все это видят. В следующей части постараемся дать объективную картину роли и месту нанотехнологий в современной мировой экономике.

Вклад нанотехнологии в мировую экономику

Нанотехнология – одна из движущих сил прорывных инноваций, вкупе с другими прорывными технологиями.

Мы живём в эпоху потока революционных инноваций, скорость и число которых нарастает по экспоненте. Это проявление синергии в результате совместного действия нанотехнологий и других прорывных технологий – био, инфо, когнитивные, складывающиеся в научно-технологических комплекс НБИКС, где социальные технологии, должны обеспечить достойную жизнь населению планеты. К этому комплексу в последние годы добавились робототехника и искусственный интеллект. Так будет продолжаться и далее, и появятся результаты положительные и отрицательные, которые все предугадать пока невозможно в этом проявлении конвергенции всех выше указанных технологий, эффекта синергии, приводящих к технологической, социальной и экономической неопределенности (сингулярности).

Значимость фактора размерности наночастиц приводит к четырём важнейшим явлениям, определяющим все физические, химические, биологические свойства наночастиц и наноматериалов:

1. Соизмеримость размера наночастиц с длиной, взаимодействующего с наночастицами и наноматериалом света приводит к проявлению квантовых эффектов, возникновению туннельного эффекта, к проявлению уникальных оптических, цветных свойств и эффектов наночастиц и наноматериалов.

2. Малые размеры наночастиц определяют доминирующую роль атомов, находящихся на поверхности наночастиц и наноматериалов, обладающих высокой избыточной поверхностной энергией. Количество таких атомов на поверхности наночастиц и наноматериалов увеличивается с уменьшением размера наночастиц. Это показано на рис. 3.

Рисунок 3. 

Эта высокая поверхностная энергия приводит к существенному росту механической прочности наноматериалов (возрастание сил адгезии).

3. Малые размеры наночастиц приводят к повышению их реакционной способности, каталитической активности.

4. Малые размеры наночастиц определяют их высокую скорость диффузии (зависит обратно пропорционально от размера частицы), что приводит к способности наночастиц проникать через различные биологические барьеры. Это одна из причин, по которой наночастицы широко используются в медицине.

Наночастицы металлов взаимодействуют со всеми клетками организма, в том числе и с онкологическими клетками, разрушая их по очень сложному биохимическому механизму. Это делает их эффективными цитостатиками (противораковыми препаратами). Поскольку нанотехнология генерируют поток инноваций, то попробуем дать этому термину внятное определение.

Посредством реализации инноваций появляются новые технологии и новые продукты. Следовательно, инновацию можно определить как техническую, проектную, производственную, управленческую, коммерческую деятельность, связанную с рынком нового или улучшенного продукта. Другими словами, это целиком цепочка от идеи, по нашему через НИР и НИОКР, до реализации на рынке.

Нанотехнология отличаются тем, что она создает новый рынок новых технологий и продуктов, разрушая, отменяя старые рынки, технологии и продукты.

Поэтому нанотехнологии называют не только прорывными, но и «подрывными».

Такие технологии развиваются медленнее, чем обычные, имеют больший риск, чем эволюционные технологии. Но после определенной фазы развития эти технологии начинают очень быстро развертываться, проникая на рынок, во все сферы науки и техники и во все области индустрии. Пример, вычислительная техника, которую использует всё население планеты.

Подрывные и одновременно прорывные технологии качественно отличаются от технологий, существовавших до появления нанотехнологий (искусственный интеллект, робототехника, генная инженерия).

Нанотехнологии, занимаясь (главная цель) построением новой материи атом за атомом, является универсальной технологией, которая может быть потенциально и реально приложена к любому производству, любому продукту. Это не только междисциплинарная, но и межотраслевая технология.

Наночастицы, наноматериалы встраиваются во множество новых продуктов с новыми свойствами.

Как предсказывал дальновидный Эрик Дрекслер, один из отцов нанотехнологий: «конечная революционная цель нанотехнологии – атомарно точное производство». Такая концепция вдохновлена природой (бионика), поскольку по этой схеме по чётким программам ДНК, РНК атом за атомом формируются все клетки, ткани, органы и каждый живой организм. Природа использует нанотехнологии как инструмент много миллионов лет. Человек эти природоподобные принципы начал применять 50-60 лет тому назад. Об этом будет сказано подробно при разговоре о нанотехнологиях в медицине.

Эрик Дрекслер считал, что крупномасштабная, высокопроизводительная атомно-силовая микроскопия в ближайшее время может преобразовать наш мир. Так оно и получается. Нанотехнологии совместно с инфо, био, когнитивными технологиями, а также с робототехникой и искусственным интеллектом у нас на глазах формирует новый мир без загрязняющих производств, с полным достатком для жителей планеты (зелёная революция), с возобновляемыми источниками энергии. Обо всём этом с участием нанотехнологий поговорим позже. Теперь перейдём к цифрам, характеризующим вклад нанотехнологий в мировую экономику. Рассмотрим главные отрасли, в которых нанотехнологии неоспоримо привнесли новые технологии и новые продукты.

Это рассмотрение проведём последовательно с учётом значимости нанотехнологий в этих областях и отраслях:

- Медицина (телемедицина, фармация, диагностика, терапия);

- Электроника и энергетика;

- Окружающая среда;

- Катализ;

- Сельское хозяйство и переработка её продуктов;

- Новое поколение текстиля (smart текстиль);

- Другие области науки и техники.

Нанотехнологии в медицине

Эта тема близка автору, но её ставлю на первое место не по этой причине, а потому что в этой области нанотехнологии заняла безусловно ведущее место. Это всё для человека.

Нанотехнологии проникли во все области медицины и здравоохранения:

- Фармация, отдельная от медицины отрасль по производству лекарств для медицины;

- Нано-диагностика использует современные физические и физико-химические методы;

- Нанотерапия использует наночастицы для лечения практически всех заболеваний;

- Нанопрепараты для лечения микробных и вирусных заболеваний.

Целиком наномедицину можно определить как применение наноразмерных частиц и наноматериалов в медицине, которая использует их уникальные биологические свойства. Это отличает наномедицину от других классических дисциплин о ЖИЗНИ, таких как биохимия, молекулярная биология, которые также изучают природные наночастицы (ДНК, белки), но под другим углом зрения, не используя их в диагностике и терапии. Это делает наномедицина.

Нанотехнологии используются в медицине на четырёх уровнях организма человека:

- биологические молекулы,

- клетки,

- органы,

- организм целиком.

Это показано на рис. 4 с указанием, в каких лечебных действиях могут участвовать нанотехнологии.

Рисунок 4

Нанодиагностику и нанотерапию можно разделить на два уровня:

- Нанодиагностика ex vivo проводится вне организма человека, т.е. это неинвазивные технологии, не способные нанести вред здоровью;

- Нанодиагностика и нанотерапия для визуализации и терапии in vivo, которые проводятся непосредственно в организме человека, инвазивные технологии.

Применение нанодиагностики с неинплантированными устройствами предохраняет человека от вредного воздействия. Они не требуют клинических испытаний и поэтому быстро внедряются в медицинскую практику.

Основными требованиями к этому виду нанодиагностики можно сформулировать следующим образом:

- Повышение прецизионности (точности) в диапазоне концентрации 10³ молекул/мл, т.е. это фемто / аттомолярная концентрация;

- Повышение мультикомплексности нанодиагностики, т.е. в одном анализе определять несколько физиологических параметров организма. Это повышает системность диагноза заболеваний пациента;

- Ускорение получения результатов анализа до несколько минут. Это снижение риска негативного исхода для пациента, экономия при анализе;

- Повышение надежности, воспроизводимости результатов.

Выполнение этих требований обеспечивают нанотехнологии (миниатюрные биосенсоры, лаборатории на одном чипе, микрофлюидика и др.).

Результаты этих анализов могут выводиться на мобильный телефон с помощью специальных программ. Сейчас многие фирмы выпускают браслеты и майки, которые определяют основные параметры организма – температуру, ритм сердца, давление, насыщение кислородом, электрокардиограмму и др.

У автора на запястье такие умные часы Smart Help. По точности показателей этот гаджет уступает классической диагностики, но с каждым годом эти неинвазивные методы анализа совершенствуются.

Такие комплексные методы диагностики, если они оперативно связаны с лечащим врачом или с клиникой формируют образ будущей телемедицины. Многие элементы телемедицины используются в армии НАТО в условиях боевых действий, когда у солдат через гаджеты, встроенные в нижнее бельё, фиксируются и передаются физиологические параметры организма в полевой госпиталь для принятия решений.

Диагностическая система Loc была разработана для точного подсчёта и изоляции онкологических редких клеток (1-10 клеток) в окружении миллиардного избытка нормальных клеток в крови. Это определяет нанофлюидный чип.

В молекулярной биологии, синтетической биологии и нанодиагностике очень важной, очень сложной операцией является секвенирование нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) с использованием нанопористых материалов, нанопоры которых соизмеримы с размером нуклеиновых кислот.

Очень важным для всего населения планеты является надежная диагностика микробных и вирусных заболеваний и госпитальных инфекций. Нанотехнологии повышают надёжность и точность диагностики обнаружения с помощью наночастиц различной природы (золото прежде всего), вирусов и бактерий практически всех видов.

На рис. 5 представлена схема диагностики с помощью сенсоров на основе наночастиц золота различных микробных и вирусных заболеваний.

Рисунок 5

Нанодиагностика и нанотерапия in vivo

Это означает, что обе медицинские процедуры проводятся непосредственно в организме человека. Это безусловно накладывает более жёсткие требования к их проведению, чем процедуры ex vivo.

Если для классической диагностики и терапии такие требования, нормы, стандарты давно существуют, то для наномедицины ещё предстоит такие нормы разработать. И, прежде всего, это касается не только наномедицины, но и всей медицины. Речь идёт о токсичности наночастиц и наноматериалов. Они обладают, конечно, большей токсичностью, чем их аналоги в макроскопической форме. Наночастицы ввиду малого размера способны проникать через все физиологические барьеры, попадать и накапливаться внутри органов и тканей.

Исследований в этом направлении значительно меньше, чем по синтезу и применению наночастиц. Для этого надо проводить серьезные систематические исследования по физико-химическим свойствам наночастиц, механизму их взаимодействия с продуктами метаболизма, влияния различных факторов на результаты этих взаимодействий.

Эти исследования осложняются огромным разнообразием биологических мишеней и их специфичностью: виды клеток, органов, биологических молекул. Это работа крайне необходима для расширения использования нанотехнологий в медицине.

Нанодиагностика in vivo

Особенно динамично развивается нанодиагностика в области визуализации раковых опухолей и клеток. Она основана на использовании наночастиц металлов, обладающих свойствами сигналить (флуоресценция) о своём нахождении в раковой опухоли, обозначая ее местоположение и точную геометрию.

Именно после такой информации можно более прецизионно проводить хирургическую или лучевую операцию. Нанодиагностику можно сделать непосредственно во время проведения операции. Наночастицы золота прекрасный сигнальщик за счет эффекта флуоресценции.

Классическая диагностика широко используется для чрескожной записи электрокардиограмм, электромиограмм, электроэнцефалограмм. Однако они не очень удобны, поскольку для их проведения необходимо использовать громоздкие, наклеиваемые проводимые электроды, неудобные для хронических больных. Нанотерапия позволила разработать гибкие, ультрамягкие устройства (эпидермальная электроника, электронная татуировка, электронная кожа). Такие устройства позволяют в режиме 7х24 фиксировать множество физиологических параметров пациента, в том числе и содержание в крови глюкозы (диабет). Дополнительно такие устройства могут выполнять роль чрескожной капельницы, через которую вводят корректирующие добавки. Эти устройства могут и используются не только для больных, но и для здоровых людей, находящихся во внештатных условиях (спортсмены, летчики, космонавты и др.), да и для людей, которые практикуют здоровый образ жизни (корректировка). Нанотерапия находит применение практически во всех областях медицины. Но можно выделить главные направления:

- Онкологические заболевания;

- Бактериальные и вирусные заболевания и инфекции;

- Сердечно-сосудистые заболевания;

- Ранозаживление.

Онкология и нанотерапия

Из трёх направлений в лечении рака – хирургия, лучевая терапия, химиотерапия – нанотехнологии используются очень широко в последней, а в случае двух других только как вспомогательный метод. Это и понятно. Хирург удаляет опухоль скальпелем (сейчас применяют наноскальпели), лучевая терапия выжигает опухоль, но оставшиеся, не удалённые онкологические клетки добиваются препаратами химиотерапии (цитостатиками).

Нанохимиотерапия. Самая большая проблема классической онкологической терапии не избирательность действия всех классических цитостатиков. А их очень много насинтезировали фармацевты. Поскольку цитостатики действуют не селективно, т.е. проходят через множество органов, то они их повреждают. Им всё равно какие клетки, органы и ткани повреждать, что попадётся на их пути, то и повредят. Все цитостатики в большей или меньшей степени – яды. Они проникают внутрь клеток, разрушают все составляющие клетки (ДНК, РНК, ферменты, митохондрии и др.). Клетки погибают. Врачи-онкологи говорят, что «снявши голову, по волосам не плачут» – надо терпеть все последствия химиотерапии: выпадение волос, нарушение работы желудка, рвоту и др. А вот не надо терпеть, нанотехнологии помогают. Помощь заключается в том, что создаются хитрые мультифункциональные препараты нанотранспортеры разной молекулярной конструкции, способные быстро двигаться в организме и загружаться различными молекулами, обладающими различными функциями:

- Цитостатик убивает онкологические клетки. Иногда и не одним цитостатиком;

- Химические группы, повышающие растворимость в крови;

- Химическая группа, обладающая сродством только к рецепторам на поверхности онкологической клетки;

- Иногда сигнальные визуализирующие молекулы (нанозолото).

Такой хитрый мультифункциональный химиопрепарат, если он еще выполняет и диагностическую функцию, называют терраностиком.

Такой адресный (таргетный) препарат, попавший в организм, диагностирует и лечит разными способами (внутривенно, перорально и др.), проходя, почти не останавливаясь в здоровых органах и тканях. Дойдя до патологической опухоли, он прикрепляется своим функционалом к рецептору на мембране онкологической клетки, входит внутрь клетки и выгружает там цитостатик. И онкологической клетки конец! К сожалению, в России таких адресных препаратов не выпускают, а импортные стоят бешеных денег.

Борьба с бактериальными и вирусными заболеваниями и инфекциями с помощью нанотехнологий

Сначала пропишем главную проблему в этой области: резистентность (устойчивость) патогенных бактерий и вирусов к антибактериальным и противовирусным препаратам. Решение этой проблемы стоит миллиардных затрат фармацевтики по созданию эффективных препаратов, к которым патогенны не резистентны. Но бактерии и вирусы, которые возникли раньше (3,5 млрд. лет), чем остальные организмы на планете Земля, очень умные, адаптивные. Они могут жить в любых условиях (в жерле вулканов, на дне морских впадин, в вечной мерзлоте). Они быстро мутируют, за ними фармацевтика не может угнаться. Но фарме очень выгодно гнаться, синтезируя всё новые и новые препараты, которые мы вынуждены покупать, как преодолевающие резистентность патогенов.

Антимикробные препараты бессильны по отношению к вирусам. Замечательные, но коварные антибиотики тоже не справляются с вирусами. Патогенные по своей природе бактерии и вирусы обладают коллективными наклонностями и при каждом удобном случае объединяются в очень устойчивые резистентные пленки-колонии. Прежде чем побороть патогены, необходимо разрушить их колонии.

Ну и как решить эту задачу? Одно из очень эффективных решений предлагают и реализуют нанотехнологии. Остановлюсь на этом направлении, поскольку много лет вместе со своими учениками занимаюсь конкретной нанотехнологией для медицины – использование наночастиц металлов в различных областях медицины.

Как атомы являются основой атомной технологии, как элементарные частицы являются основой ядерных технологий, так и наночастицы являются элементарными частицами нанотехнологий и нанонауки. Из них состоят наноматериалы. Следовательно, методы производства, синтеза, свойства, области применения наночастиц являются объектом изучения. Автор в своих учебниках, монографиях подробно описывает все эти вопросы. В этой статье упор сделан не на всех проблемах нанотехнологии, вопросам производства, синтеза всех видов наночастиц будет уделено мало внимания. В этой части статьи сосредоточусь на биосинтезе наночастиц благородных и тяжелых металлов, которым много лет я с моими коллегами и учениками занимаемся в теоретическом и практическом плане.

Существует два подхода в производстве, синтезе наночастицы, которые образно можно кратко сформулировать следующим образом:

- «Сверху – вниз», когда исходный материал в макроформе дробится разными способами до наноразмерных частиц;

- «Снизу – вверх», когда атомы, молекулы путем самосборки по термодинамическим причинам формируются в агрегаты, кластеры наноразмеров (наночастицы).

Первый принцип реализуется в рукотворных технологиях в основном физическими энергозатратными способами (высокие температуры, вакуум, высокое давление и др.).

Второй принцип реализуется живой природой, когда из атомов и молекул самосборкой формируются биологические наноструктуры из наночастиц.

Это делает и человек в природоподобных технологиях, так поступает и автор с коллегами. Как всё в природе, этот биосинтез экологичен (природа к себе относится в отличие от человека по доброму), экономичен, и в этом имеет преимущество перед физическими (дорогими) и химическими (вредными) методами. Разберём это на примере природоподобного биосинтеза наночастиц металлов (благородных и тяжёлых), которым мы много лет пользуемся, производя промышленно наночастицы металлов, применяемых для производства антибактериальных и антивирусных препаратов в различной выпускной в форме (аппликации, гель, мягкие таблетки и др.) для использования в различных областях медицины.

Сначала коротко о том, как это делает Природа!

Производить наночастицы металлов могут все растения, все микроорганизмы и вирусы.

Растения

В водоемах и на суше все растения контактируют с солями металлов,. Соли благородных и тяжелых металлов содержатся в почве, в пресной и особенно солёной морской воде, общая формула которых К·А, где К – атом металла, А – остаток кислоты. Например, AgNO₃. Растения поглощают соль металла, которые диссоциируют на противоионы:

KA = K⁺ + A^- (1)

AgNO₃ → Ag⁺ + NO₃^- (2)

Катионы солей, попадая в растения, реагируют со вторичными продуктами метаболизма, обладающими свойствами восстанавливать катионы до нейтральных атомов:

K⁺ восстановитель → K⁰ (атом металла)

Атомы металлов термодинамически склонны к агрегации:

nK⁰ → (nK⁰) → НЧМ 

Растения – это фабрики по производству многих ценных для человека продуктов (биополимеры, витамины, красители, лекарство и др.). Они производят также и наночастицы металлов, и что еще очень важно – в очень мягких условиях: обычная температура, обычное давление, водная среда – идеальная зелёная экология! Мы перенесли принципы этой природной технологии на технологический язык. Для этого мы взяли один из биополимеров – альгинат натрия, вырабатываемый бурыми водорослями, в качестве биовосстановителя и соль AgNO₃ (или другие соли металлов) в качестве депо катионов Ag⁺.

Дальше всё как в растениях, производим наночастицы и используем их для производства эффективных антимикробных и антивирусных препаратов.

Использование пищевых и сельскохозяйственных отходов для производства наночастиц металлов

Ещё больше экономичность биосинтеза наночастиц металлов может быть повышена использованием отходов сельского хозяйства, пищевых отходов садоводства, овощеводства, зерноводства, морских водорослей в качестве материала, трансформирующего катионы водорастворимых солей металлов в нейтральные атомы металлов, затем ассоциирующихся до наночастиц.

Это понятно, поскольку все отходы растительного и животного происхождения содержат богатый ассортимент биомолекул, обладающих восстановительными свойствами, как и исходное сырье, отходами которого они являются: моносахара, аминокислоты, фенолы, полисахариды, белки и другие метаболиты растений и животных.

Использование этих отходов позволяет получить наночастицы металлов различной природы, обладающих теми же уникальными свойствами, что и полученные с помощью экстрактов цельных (не отходы) фруктов, овощей, зерновых и т.д. При таком подходе решаются две очень важные задачи:

– получение ценных для разных областей наночастиц металлов;

– использование отходов растительного и животного происхождения, создающих своим огромным накоплением (до 30% от полезной части) экологические, социальные и экономические проблемы.

Микрорганизмы

Второй более сложный метод биосинтеза наночастиц металлов заключается в использовании микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, микроводоросли) и вирусов в качестве фабрик наночастиц металлов. Это тоже происходит в природе, когда катионы металлов контактируют с клетками микроорганизмов и вирусами. Катион металла реагирует первоначально гликопротеинами мембраны клетки, «продырявливает» мембрану и проникает внутрь клетки, нарушая ее репликацию (схема на рис. 6а и 6б). Возникают две ситуации:

(А) Биосинтез наночастиц металлов.

(Б) Гибель клеток.

Рисунок 6

Второй вариант лежит в основе биоцидного действия наночастиц металлов, который используется в разных областях медицины.

Биоцидные свойства наночастиц металлов можно и используют для улучшения санитарного состояния в общественных зданиях, в больницах, госпиталях для подавления и предупреждения инфекций и пандемией разного происхождения. Непосредственно в медицине биоцидные свойства широкого профиля (микробы, вирусы) наночастиц металлов используются в хирургии, ранозаживлении, в кардиологии (покрытия поверхности инструментов, стентов, клапанов, стимуляторов, шовного материала), стоматологии (входят в состав зубоврачебных материалов) .

К сожалению, производимые нами биосинтезом наночастицы металлов, пригодные для широкого использования в медицине и в других областях (катализ, защита окружающей среды, сельское хозяйство, упаковочные материалы нового поколения), не смогли заинтересовать потенциальных потребителей в РФ. Это связано с разобщённостью, атомизированностью учёных, технологов, организаций в РФ, не склонных к агрегации усилий, распространенных в современном мире. Даже во времена последней пандемии (covid-19) руководители российского здравоохранения отвергли возможность использования наночастиц металлов для лечения больных.

Основные мировые коммерческие успехи нанотехнологий в медицине

Успехов этих множества. Приведём более яркие примеры.

Как ранее отмечалось, доминирующим направлением в наномедицине является адресная доставка лекарств в патогенные зоны, прежде всего в раковые клетки и опухоли. На долю этого направления приходится 76% мировых научных публикаций по тематике наномедицины.

Второе место занимает нанодиагностика in vitro – 11% публикаций, 36% приходится на долю всех европейских нанопубликаций, США – 32%, Азия – 18%. США лидирует по количеству патентов и это реализуется в том, что американские компании производят 45-50% мировой наномедицинской продукции. Европейские компании имеют долю только 35%. 60% от всех американских компаний занимаются производством 60 % от мирового объёма адресных противораковых препаратов. В мире в области наномедицины работают примерно 200 компаний и около ¾ из них являются стартапами, малыми и средними предприятиями (производство фармпрепаратов медицинских устройств). Более 40 крупных фармацевтических корпораций и производителей медицинского оборудования выпускают нанопродукты.

Рисунок 7. Области использования наночастиц металлов в медицине.

Наиболее значимые области медицины, где успешно используются нанотехнологии: онкология, сердечно-сосудистые заболевания и болезни центральной нервной системы (Паркинсон, Альцгеймер), инфекционный контроль, заживление ран разного происхождения, хирургия.

Мировой рынок медицины в 2016 году составил 112 млрд. долларов США, а в 2023 году 260 млрд. долларов США, прогноз на 2025 год составляет 350 млрд. долларов США. В чём причины, стимулирующие подобный рост бизнеса в наномедицине:

1. Меньше побочных эффектов от применения нонопрепаратов по сравнению с обычными лекарствами;

2. Использование нанодиагностики способствует снижению заболеваний и их успешной терапии;

3. Наноимпланты (бионоги, биоруки, биоглаз и др.) позволяют инвалидам не терять качество жизни;

4. Таргетная адресная нанотерапия в онкологии позволяет решать важнейшую проблему в медицине. На долю сегмента онкологии приходится треть мирового рынка, который будет расти.

5. В производстве вакцин будет зарегистрирован среднегодовой прирост ~13%. После 2025 года ожидается очень быстрый рост клинической кардиологии, благодаря использованию нанопокрытий стентов, сердечных клапанов для их биосовместимости;

6. Сегмент терапии неврологических заболеваний будет расти в годовом объёме 13,9%, и в этой области нанотерапия займёт весомое место.

Научные задачи на будущее в наномедицине

Автор уверен, что наномедицина займёт ведущее место в мировой медицине, в здравоохранении многих стран.

Основные задачи нанотехнологий в медицине и здравоохранении можно с определённой вероятностью определить как следующие:

- использование молекулярной, клеточной биологии, синтетической биологии для глубокого понимания взаимодействия наночастиц материалов с биомолекулами, клетками, органами, тканями с целью совершенствования нанодиагностики и наноматериалов;

- изучить интимные механизмы взаимодействия наночастиц металлов с компонентами патологических и здоровых клеток;

- изучить распределение и накопление наночастиц металлов в различных органах и тканях;

- перейти от производства имплантов традиционного типа к биоимплантам (биоухо, биоглаз, бионога, биорука, искусственное сердце и др.);

- совершенствовать с помощью нанотехнологии адресной доставки лекарств к патологическим органам и тканям с целью минимизации побочных явлений;

- решить с помощью нанотехнологий проблемы эффективного лечения наиболее значимых заболеваний (рак, кардиология, СПИД, диабет, Альцгеймер, Паркинсон и др.);

- совершенствовать диагностику рака на ранних стадиях с помощью нанотехнологий (биосенсоры);

- использование генной инженерии (это тоже нанотехнологии) для коррекции патологий на стадии эмбриона и при дальнейшей жизни человека;

- создание с помощью нанотехнологий, информационных технологий, ИИ автоматизированной системы обслуживания больных на разных стадиях их заболевания;

- реализовать наконец мечту об интеллектуальных нанороботах (рис. 8), контролирующих организм, отслеживающих жизненно важные функции и корректирующие физиологические показатели по мере необходимости для восстановления или замены дефектных структур, клеток, биомолекул.

Рисунок 8. Нанороботы.

Наноэлектроника

Электроника является неотъемлемой частью мира современного человека. Можно сказать, что мы живём в эпоху динамично развивающейся электроники, которая является составляющей информационных технологий. Нанотехнологии продолжают влиять на компьютерную обработку, память и хранение данных, на технологию изображения и отображения. Впечатляет миниатюризация чипов (до двух нм) для интегральных схем. Это типичной слияние нано- и информационных технологий. Можно сказать, что микроэлектроника трансформировалась в наноэлектронику.

Эмпирический закон Мура «количество трансформаторов в чипе удваивается каждый 18-24 месяца» в настоящее время преодолён. Кремниевая микроэлектроника замещается наноэлектроникой на основе органических элементов (ДНК компьютеры).

Хранение данных стало полностью нано-. Для хранения данных используются одноатомные транзисторы, односпиновые магнитометры, одноатомная память. Фейнман и Дрекслер немного не дождались до воплощения их предсказаний об управлении материи на атомном уровне. Созданы устройства для хранения объёмом в 1 килобайт с плотностью информации до 78 терабит на см². Такое устройство может хранить библиотеку конгресса США в форме куба шириной всего 100 мкм.

Вычислительная техника стала использовать нанофотонику, коммутаторы и поляритоны оптической природы, позволяющие производить квантовые вычисления. Используется нано плёночная технология, когда поляризаторы состоят из многослойной наноструктуры с различным показателем преломления (TiO₂, SiO₂ – 5-10 нм). Всё движется к созданию технологии квантовых вычислений.

Дисплей. Современные телевизоры, компьютерные мониторы, экраны мобильных телефонов, игровые консоли используют систему OLED, основанную на органических светодиодах и, следовательно, при их производстве используются нанотехнологии. OLED представляет собой светоизлучающий диод (LED), в котором излучающий электролюминесцентный слой – это пленка органической природы, излучающая свет в ответ на сигнал электрического тока. Это слой находится между двумя электродами. Безусловно, изготовление OLED устройств относится к нанотехнологиям, поскольку органические пленки имеют толщину 1-2 нм. В настоящее время экраны дисплеев мониторов могут производиться в гибкой форме (свернуть и положить в карман).

Рынок всех типов OLED-устройств достиг 16 млрд. долларов США в 2017 году, в 2026 году вырастет до 57 млрд. долларов США. Пластиковые гибкие дисплеи производились в 2016 году на 2 млрд. долларов США, а в 2020 году вырос до 18 млрд. долларов США. К достижениям нанотехнологии можно отнести широко распространенные лампы LED.

Энергетика

Роль энергетики в современном мире можно оценить как доминирующую, критическую. Кто владеет современной энергетикой, тот может владеть миром (если умный).

И природные и рукотворные источники энергии являются объектом применения нанотехнологии, которая повышают эффективность энергетики на всех ее частях технологической цепочки: источники энергии, преобразование первичных источников, распределение энергии, использования энергии.

Нанотехнологии в энергетике могут очень многое сделать и делают и, прежде всего, в области воспроизводимых источников энергии и традиционных углеводородных. Начиная с начала 21 века началось активное замещение природных углеводородов на возобновляемые источники энергии, поскольку использование ископаемых источников (нефть, газ, уголь) – это путь в никуда.

На рис. 9 показана динамика потребления различных источников энергии на протяжении трёх веков на фоне роста населения планеты.

Рисунок 9

Энергию потребляют ВСЕ, и поэтому популяция планеты коррелируют с потреблением энергии. Конечно, нанотехнологии участвуют и будут участвовать в повышении эффективности всех последовательных стадий энергетических систем:

– первичные источники энергии;

– производство энергии;

– распространение энергии;

– хранение энергии;

– использование энергии.

Рассмотрим участие нанотехнологии в каждой из этих фаз.

Первичные источники энергии как традиционные, так и альтернативные

При добыче нефти нанотехнологии позволяют создавать и использовать погодостойкие, коррозионностойкие, износостойкие нанопокрытия для бурильных установок.

Нанопокрытия труб для нефти и газа существенно удлиняют срок их эксплуатации.

В атомной энергетике нанокомпозиты используются для защиты персонала от радиации, повышают надежность утилизации источников радиации.

В фотовольтаике нанотехнологии обеспечивают повышение коэффициента полезного действия солнечных батарей за счет применения нано пленок, наночастиц металлов, квантовых точек.

В ветроэнергетике используют легкие и прочные нанокомпозиты для лопастей ветрогенераторов. Это позволяет генерировать энергию даже при слабом ветре.

В технологии получения биотоплива нанотехнологии предоставляют наноматериалы для биореакторов.

Использование нанотехнологий в распространении энергии

При доставке энергии от места её производства к потребителю нанотехнологии предлагают следующие инновации:

- Использование мягких магнитных материалов на высоковольтных линиях электропередач. Это обеспечивает меньшую потерю электричества;

- Сверхпроводящие кабели на основе углеродных нанотрубок;

- Беспроводная передача энергии лазеров, микроволн.

Использование нанотехнологий в хранении энергии

Совершенствование электробатарей для всех видов транспорта и гаджетов с помощью наноматериалов для электродов с целью повышения скорости зарядки, ёмкости, веса;

- Использование нанокомпозитов для ёмкостей для хранения топлива;

- Использование наноматериалов для окон зданий, сохраняющих тепло зимой.

Нанотехнологии в преобразовании производства энергии

- Изготовление лопастей гидротурбин из лёгких, прочных, жаростойких, коррозиестойкие наноматериалов;

- Высокоэффективные нанокатализаторы в топливных элементах;

- Термоэлектрическое преобразование энергии с использованием наноструктурированных полупроводников.

Нанотехнологии в эффективном использовании энергии

Энергосбережение и нанотехнологии касаются всех отраслей индустрии и домашних хозяйств:

– Снижение расхода топлива во всех видах транспорта за счёт лёгких и прочных наноматериалов. В современном самолёте более 50 % материалов – это композиты (рис. 10).

Рисунок 10

Нанокристаллическая целлюлоза

Это ещё одно интересное направление в нанотехнологиях, относящееся к наночастицам, получаемым из синтетических и природных полимеров, в данном случае речь идёт о природном полимере целлюлозы – полисахариде.

Целлюлоза – это самый распространённый биополимер в природе, его продуцируют практически все растения в большей или меньшей степени. Особенно богаты целлюлозой растительные волокна и древесина. Если природными волокнами РФ не может похвастаться (исключение лён), то Россия одна из богатейших стран по лесным угодьям. К сожалению, наше государство продаёт древесное сырье, теряя очень ценные продукты, содержащиеся в древесине. Таким ценным сырьем является одна из составляющих древесной целлюлозы – нанокристаллическая целлюлоза. Целлюлоза – это гетерогенный по физическому состоянию полимер, состоящий из аморфной и кристаллической частей.

Задача производства нанокристаллической целлюлозы заключается в отделении (сепарации) кристаллической части от аморфной. Это достигается путём деструкции аморфной части механическими, химическими и ферментативными методами. Нанокристаллическая целлюлоза, полученная такими методами, обладает уникальными физико-механическими свойствами, определяющими области ее применение в цивильных и военных целях:

- Уникальный наполнитель в современных композитных материалах. Нанокристаллическая целлюлоза придает композиту прочность при малом весе. Композиты – это один из самых динамически развивающихся конструкционных материалов для всех видов транспорта, например, современные самолёты, ракеты, автомобили на 50% состоят из лёгких и прочных композитов;

- Нанокристаллическая целлюлоза используется в восстановительной медицине, при скреплении костей, для ранозаживляющих материалов, в качестве основы для адресной доставки лекарств;

- В катализе, в качестве подложки для катализаторов, укрепляя процесс катализа;

- В военных целях:

1. Создание нового поколения порохов на основе нано нитроцеллюлозы;

2. Легкие и пулинепробиваемые бронежилеты, каски;

3. Эффективные фильтры для обеззараживания воды в полевых условиях.

Стоимость производства нанокристаллической целлюлозы в несколько раз дешевле, чем углеродных волокон и трубок, которые нанокристаллическая целлюлоза заменяет в различных областях.

Защита окружающей среды с помощью нанотехнологий

Защита окружающей среды с помощью нанопродуктов, нанопроцессов и нанотехнологий происходит большей частью опосредованно за счет экономии сырья, энергии и воды, а также за счёт сокращения выбросов парниковых газов, защитой от различных вредных отходов, поддержания постоянства климата. Приведем несколько примеров.

1. Перевод с помощью нанотехнологий всех видов транспорта с бензина на электричество и водород существенно снижает расход не возобновляемой нефти.

2. Замена углеводородного не возобновляемого сырья, как топливо, на производство многих ценных продуктов (лекарства, красители, полимеры) с помощью нанотехнологий совместно с биотехнологией экономят расход энергии, воды, сырья, поскольку это зелёные технологии, протекающие в более мягких условиях.

3. Переход на высокопрочные и лёгкие композитные материалы с использованием наночастиц как наполнителей композитов экономит расход топлива во всех видах современного транспорта, значительная часть конструкции которых изготовлена из современных композитов (рис. 10).

4. Производство наночастиц металлов из отходов электронной промышленности и всевозможной ее продукции на свалках. Это экономия затрат на производство дорогих металлов.

5. Производство с помощью нанотехнологий нового поколения батарей с использованием более дешёвых, доступных и не вредных металлов, взамен свинца, кадмия, никеля. Утилизация старых батарей, находящихся на свалках (миллиарды разного типа).

6. Ликвидация последствий частых разливов нефти на приисках и нефтепроводах через повреждение трубопроводов, из нефтеналивных танкеров. Хорошие результаты достигаются с помощью суперсорбентов на основе нанопористых материалов.

7. Очистка воздуха от патогенных бактерий и вирусов с помощью фильтров, содержащих наночастицы серебра. Так оборудуются «чистые» комнаты в производствах специального назначения (производство наноэлектроники, медицинские учреждения, производство лекарств).

8. Очистка и опреснение воды с помощью нанотехнологий (нанотехнология емкостной деионизации). Фильтры, содержащие наночастицы серебра, широчайшим образом используются во многих процессах, в том числе миллиарды подобных фильтров установлены в домашних хозяйствах большинства стран мира.

9. Снижение негативного влияния парникового эффекта от выделения углекислого газа достигается с помощью нанотехнологий (новые наномембранные материалы).

10. Водородные технологии как альтернатива использованию бензиновых технологий. Нанотехнологии используются для экономичного синтеза водорода фотоэлектрохимическим методом.

11. Производство электрической энергии с помощью фотовольтаики (солнечные батареи).

В заключение этой части отметим, что мировой рынок нанотехнологий в области охраны окружающей среды достиг 23,4 млрд долларов США в 2014 году, в 2020 году – 41,8 млрд долларов США.

Опасности и риски нанотехнологий

Как в любой инновации, у революционных технологий и нанотехнологий имеются недостатки и проблемы на всех стадиях их разработки и применения. Главная проблема нанотехнологий, как и их достоинства, определяются малыми размерами наночастиц.

В связи с малыми размерами наночастицы (1-100 нм) способны преодолевать любые физиологические барьеры, то есть проникать во все ткани, органы, клетки. Поэтому наночастицы всегда проявляют бо́льшую токсичность, чем их макроскопические аналоги по химическому строению. Если вещество токсично в обычном состоянии, то в наноформе оно будет более токсичным.

Токсичность наночастиц зависит не только от размера, но и от их формы и концентрации.

При работе с наночастицами необходимо обязательно применять требования безопасности, которые разработаны на международном уровне.

Наночастицы, наноматериалы на мировом рынке

Вклад нанотехнологий в мировую экономику можно оценить по количеству конечных нанопродуктов на рынке, по их общей стоимости, по количеству компаний крупного, среднего и малого бизнеса.

Собрать воедино все эти данные непростая задача. К сожалению, наиболее информативная литература, посвящённая экономике, маркетингу нанотехнологий, стоит не дёшево.

В этих регулярных выпусках публикуются материалы о мировом рынке нанотехнологий и о состоянии нанотехнологии в различных странах. Данные о производстве нанопродуктов в России там отсутствуют.

Вот то, что удалось собрать:

– Мировой рынок наноматериалов в 2016 году оценивался в 7,3 млрд. долларов США, в 2022 году он составил 16,8 млрд. долларов США. Прирост более чем в два раза.

– США в этот период сосредоточилась на новых видах упаковки (наносеребро – антимикробность), производстве нанотрубок для разных отраслей (энергетика, фармацевтика, катализаторы для химической продукции). ЕС сосредоточилась в этот период на использовании нанотехнологий в здравоохранении. Происходит активное использование нанотехнологий в странах Дальнего Востока. Ожидается высокая скорость внедрения нанотехнологий в экономику Китая, Индии, Японии.

– Начинается рост производства наноматериалов в странах Латинской Америки (Бразилия), в Африке, в Саудовской Аравии. Есть с кем соревноваться, пока не поздно.

Рынок наноматериалов в США в период 2017-2024 года вырос с 4,7 млрд. долларов США до 13 млрд. долларов США. В основном это наночастицы, квантовые точки, нановолокна, нанотекстиль.

Растущие потребности авиации, космоса, автопрома в лёгких прочных материалах обуславливает рост производства нановолокон.

Наносеребро и фильтры на его основе являются главными и наиболее используемыми наноматериалами в очистке воды и воздуха.

Большое место среди наноматериалов занимают наночастицы металлов и их оксидов (титан, серебро, кремний). Потребление SiO₂ составило в 2015 году 198000 тонн, а в 2022 году 786000 тонн.

Мировые потребительские нанотовары на 50% составляют продукты на основе наносеребра (антимикробные свойства): текстиль, электроника, косметика, медицина, упаковка пищевых продуктов и напитков.

Кристаллическая наноцеллюлоза и наноглина – растущие наноматериалы, идущие как наполнители в новое поколение нанокомпозитов.

В табл.1 приведены данные по производству наиболее важных наноматериалов в денежном выражении в миллиардах долларов США.

Таблица 1.

Наноматериал	Выручка на мировом рынке, 2016 год	Выручка на мировом рынке, 2021 год	Ожидаемый среднегодовой рост в процентах
Наночастицы серебра	1,1	3	13
Наноглина	0,7	2,1	24,9
Нанокомпозиты	1,6	5,3	26,7
Квантовые точки	0,61	3,4	41,3
Нановолокна	0,39	2	38,6
Наноразмерная керамика	14,6	22,3	8,9

Ассортимент наноматериалов в 2018 году насчитывал более 3500 наименований (528 нанотрубок, 2453 наночастицы, 117 графеновых материалов, 231 квантовых точек, 99 фуллеренов, 77 нанопроволок, 42 нановолокна). Всё это поставляют 150 фирм, а производят 1555 производителей в 53 странах для 15 отраслей индустрии.

Нанотехнологии, наночастицы материалов и катализ

Катализ – это одно из важнейших направлений в химической технологии производства очень ценных полу- и конечных химических продуктов. Катализаторы – это вещества, использующиеся в очень малых концентрациях, но дающие очень большой экономический эффект. С помощью катализаторов осуществляют реакции, которые без них не идут. Катализаторы снижают энергию активации реакции, и она протекает при более низкой температуре и с высокой скоростью.

В качестве катализатора часто используют различные металлы (золото, платина, палладий и др.). Если эти металлы перевести в наноформу, то эффективность катализа существенно повысится. Это обусловлено тем, что малые размеры наночастиц металлов при той же концентрации, что и в случае традиционных микрокатализаторов, будут чаще встречаться с реагентами системы и скорость, выход реакции повысится. Производить нанокатализаторы можно по тем же схемам зелёного биосинтеза.

Нанотехнологии, наночастицы металлов в сельском хозяйстве и в упаковке пищевых продуктов

Эффективность использования наночастиц металлов в сельском хозяйстве и в производстве нового поколения упаковочного материала для пищевых продуктов основана на их уникальных биоцидных свойствах – убивать патогенные микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы).

В сельском хозяйстве хорошие результаты показывают наночастицы серебра, их растворами (дисперсиями) обрабатывают посадочный материал различных зерновых, рассаду овощей. Такая обработка защищает посадочный материал от вредного действия вредных микроорганизмов и приводит к повышению урожайности.

Упаковочный материал, содержащий наночастицы металлов, защищает продукты питания от вредных микроорганизмов и существенно увеличивает срок их хранения.

Нанотехнологии в современном текстиле и одежде

Коммерциализация нанотехнологии началась с производства нового поколения текстиля и одежды – smart текстиля. Прежде всего это касалось придания текстилю и одежде новых и улучшенных эксплуатационных и потребительских свойств:

- Гидрофобные свойства (водоотталкивание) – это эффект Лотоса с помощью создания наношероховатой поверхности текстиля;

- Антимикробные свойства с помощью наночастиц металлов;

- Производство нановолокон, используемых в медицине, в производстве фильтров, в качестве наполнителей в композитах для придания лёгкости и прочности.

Нанотехнологии и нанопрепараты используются в производстве следующих видах текстиля:

- для спорта;

- для армии;

- домашний текстиль;

- медицинский текстиль.

Ниже приведены цифры, характеризующие вклад нанотекстиля в мировую экономику.

Общая стоимость мирового текстиля более 780 млрд долларов США:

- Нанотекстиль – 2016 г. – 77,3 млрд. долларов, 2022 г. 295 млрд. долларов;

- Наноткани – 2016 г. 50,5 млрд. долларов, 2022 г. 101 млрд. долларов;

- Домашний нанотекстиль – 2016 г. 6 млрд. долларов, 2022 г. 36 млрд. долларов;

- Армейский нанотекстиль – 2016 г. 390 млрд. долларов, 2022 г. 1,6 млрд. долларов;

- Медицинский нанотекстиль – 2016 г. 40 млрд. долларов, 2022 г. 1,2 млрд. долларов;

- Спортивный нанотекстиль – 2016 г. 85 млрд. долларов, 2022 г. 170 млрд миллионов долларов;

- Технический нанотекстиль – 2016 г. 20 млрд. долларов, 2022 г. 150 млрд. долларов.

Нанотехнологии в производстве нового поколения военного обмундирования

Нанотехнологии с первых лет своего появления начали динамично использоваться для производства военного текстиля и военного обмундирования. Воплощением этого направления использования нанотехнологий являются современные боевые комплекты одежды бойца. Все современные армии мира имеют на вооружении такие комплекты (НАТО, Китай, РФ).

Российский боевой комплект «Ратник» (рис. 11) по своим функциям и качеству существенно уступает комплекту НАТО и Китая. Какие функции выполняет боевой комплект одежды (одежда, обувь, каска) НАТО (рис. 12):

- пуленепробиваемый, лёгкий бронежилет и каска;

- водоотталкивающая верхняя одежда;

- антимикробное нижнее бельё;

- маскирующая днём и ночью верхняя одежда;

- коммуницирующая с соседом, начальником, госпиталем верхняя одежда (встроенные гаджеты);

- нижняя smart бельё, фиксирующее комплекс физиологических параметров бойца и передающее их в полевой госпиталь;

- миниатюрные устройстве для выработки электроэнергии для гаджетов.

И это только основные функции боевого комплекта НАТО, обеспечиваемые достижениями нано-, инфо-, био-, когнитивными технологиями.

Рисунок 11. Комплект боевой экипировки «Ратник» (РФ)

Рисунок 12. Боец НАТО.

Как нам заново обустроить в России нанотехнологии, чтобы они играли важную роль в экономике РФ Как поднять роль в этом проекте

1. Необходимо изменить сложившиеся негативные отношения гражданского общества, научного экспертного сообщества, промышленности, государства к нанотехнологиям и к другим прорывным технологиям.

2. Без развитой современной индустрии (реальной экономики) у нанотехнологий и других прорывных технологий НБИКС, ИИ, робототехники не возникнет индустриальной и научно-технологической базы для междисциплинарной и межиндустриальной нанотехнологии.

3. Реформировать нанотехнологии заново надо начинать не только сверху (рыть туннель с двух сторон), но и снизу (НИИ, промышленность, крупные, средние и малые предприятия, множество стартапов).

4. Задействовать все виды СМИ (газеты, ТВ, Интернет, общественные сети и др.).

5. Переформатировать НОР с учётом изменившихся условий в стране, привлечь к работе НОР сотрудников НИИ, университеты, РАН; сделать НОР мощной просветительской структурой и мозгом нанотехнологий и, прежде всего, для молодёжи.

6. Открыть множество центров нанотехнологий и НБИКС, объединив их научными, технологическими связями.

7. Наладить тесные связи с зарубежными центрами нанотехнологий.

8. Создать в РАН отдельные советы по проблеме НБИКС, ИИ и робототехники.

9. Создать общественный совет в Минобрнауки по подготовке специалистов по направлению нанотехнологий и НБИКС.

10. Ввести в школах специализированные классы по нанотехнологии и НБИКС.

11. Создать научно-мозговой центр (по типу форсайт в США) по проблемам нанотехнологий, искусственного интеллекта и НБИКС.

Это выполнимо в России будущего, в которой наука, образование, индустрия на современном мировом уровне будет целеполаганием общества и руководства страной.

Выводы:

1. Нанотехнологии своими научными, технологическими, экономическими результатами доказала большой вклад в мировую экономику, которая оценивается в стоимостном выражении миллиардами долларов США.

2. Нанотехнологии вошла вместе с информационными, био-, когнитивными технологиями, ИИ, робототехникой в комплекс прорывных технологий XXI века, без которых ни одна страна не может конкурировать со странами, эффективно развивающими нанотехнологии (США, Китай, ЕС, Япония, Индия и др.).

3. Россия, к сожалению, упустила шанс быть одной из передовых стран по этому направлению. Причины этого стала непреодолённая до сих пор деиндустриализация 90-х годов и ошибочная организация развития нанотехнологий через одну головную организацию РОСНАНО.

4. При решении вопроса на федеральном уровне о необходимости развитие в РФ нанонауки, нанотехнологий и наноиндустрии следует учесть ошибки, допущенные ранее и приведшие к тому, что РФ является не разработчиком и производителем нанопродукции, а ее пассивным потребителем.

Рекомендуемая литература

1. R. Feyhman. There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics. Engineering and Science, 23, 22 (1960).

2. K. E. Drexler, C. Peterson, G. Pergamit Unbounding the Future: The Nanotechnology Revolution. William Morrow, 1991.

3. Taniguchi, N. On the Basic Concept of Nanotechnology. Proceedings of the International Conference on Production Engineering, Tokyo, 18-23, 1974.

A. Korkin, F. Rosei, Nanoelectronics and Photonics: From Atoms to Materials, Devices, and Architectures. Springer, 2008.

4. Global nanomaterials market forecast 2017-2024. Inkwood research, 2017.

5. C. R. Kagan et al. Building devices from colloidal quantum dots. Science 353, 26 AUGUST 2016. VOL. 35,3 ISSUE 6302.

6. Основы нанотехнологий: учебное пособие: в 2 т. / Г. Е. Кричевский. - Москва: Грин Принт, cop. 2022.

7. Кричевский Г. Е. Нано-, био-, химические технологии в производстве умного текстиля. Lambert Academic Publ. 2021. – p. 526.

8. Г.Е. Кричевский. Bionics. Lambert Academic Publ. 2021. – p. 165.

9. Г.Е. Кричевский. Зеленые и природоподобные технологии – основа устойчивого развития для будущих поколений. Т.1-3 Lambert Academic Publ. 2020.

10. Г.Е. Кричевский. НБИКС технологии – концепция реформации или фундамент будущего технологического прорыва? Журнал «Наноиндустрия», №2, 2021, с. 88-93.

11. Г.Е. Кричевский, Н.Д. Олтаржевская, М.А. Щедрина, Ю.С. Фидоровская. Наномедицина. Использование наночастиц металлов, произведенных биосинтезом, в создании ранозаживляющих депо-материалов нового поколения. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3–4. С. 196–202.