Вклад нанотехнологий в мировую экономику

Г.Е. Кричевский

Д.т.н., профессор, вице-президент НОР

Эту часть книги можно было бы поместить в конец первой книги автора «Биосинтез наночастиц металлов», вышедшей в 2025 году, и в конце третьей книги «Использование наночастиц металлов в различных областях науки и техники», которую еще предстоит написать, если жизненные обстоятельства это позволят.

Поэтому я решил написать эту главу сейчас и разместить ее в конце этой книги.

Нанотехнологии практически начали использоваться в различных областях индустрии, науки и техники в последней четверти предыдущего века и на сегодняшний день (первая четверть 21 века) заняла одно из ведущих научно-практических направлений современности. Это очевидно, поскольку нанотехнологии межотраслевые и междисциплинарные (межпредметные) технологии.

Междисциплинарность нанотехнологий стала еще более широкой, охватив не только технические, но и гуманитарные и социальные направления.

В этой главе попытаемся рассмотреть вклад нанотехнологий в мировую экономику на количественном и качественном уровнях, поскольку уже давно количественный вклад нанотехнологий трансформировался в качественные изменения мировой экономики.

Интересно проследить вклад нанотехнологий в различные отрасли индустрии, области науки и техники. Это будет сделано. Конечно, вклад этот не одинаков, как и успехи нанотехнологий в различных странах.

Все нанотехнологии грубо по происхождению и области использования можно разделить на два источника и на две обобщенные области использования:

1. Квантовая физика и прикладная область – электроника (теперь наноэлектроника);

2. Коллоидная химия (нанохимия) – нанонаука о живой природе (биология, медицина). Поэтому, прежде всего, нанотехнологии в первую очередь нашли практическое применение в электронике (наноэлектроника, производство наночипов и других наноэлементов, всех видов гаджетов), в биологии, в генетике, биотехнологии, в медицине. Остальные отрасли индустрии, области науки и техники подтянулись к этим двум направлениям.

Общий качественный и количественный вклад нанотехнологий в мировую экономику

Нанотехнологии действуют как критический, определяющий двигатель роста мировой (глобальной) экономики, трансформируя (изменяя) производства, здравоохранение, электронику, энергетику и другие сектора экономики. В период 2024-2026 гг. глобальный рынок нанопродукции вырос до трех триллионов долларов США. Это привело к экономическому росту, появлению новых материалов и нанопродуктов. И это в свою очередь привело к повышению эффективности экономики, к снижению расхода сырья и к существенному развитию электроники и наноэлектроники.

Основные экономические вклады и тренды:

– Рост мирового рынка труда. Изменение модели рынка и бизнеса, что характеризуется планированием выпуска нанопродукции в 2026 году на 15 млрд долларов и ростом рабочих мест до двух миллиардов, повышением производительности в химической отрасли, в электронике, в сельском хозяйстве.

– Энергетика и устойчивость развития «зеленой» экономики (солнечные батареи, повышение эффективности аккумуляторов, очистка воды, фильтры для двигателей, сохранение энергии в различных технологиях).

– Революция в медицине. Система адресной доставки лекарств к пораженным органам (онкология), нанодиагностика, инженерия тканей. Революция в фармации и рынке медицинских услуг, повышение эффективности лечения (нанотерапия).

Глобальная конкуренция и стратегические инвестиции. Лидеры конкуренции – Китай, является лидером по патентам в нанотехнологиях, обогнав США.

– Экономическая независимость: нанотехнологии помогают странам снижать зависимость от традиционных ресурсов, повышается эффективность их использования и создания новых видов ресурсов.

Вызовы и экономические риски

Масштабируемость и стоимость. Высокая стоимость и трудности масштабируемости производства на пути от науки к производству лимитирует оборот инвестиций.

В медицине необходимость обеспечения безопасности для здоровья людей (токсикология) и для окружающей среды.

Электроника и компьютеризация. Нанотехнологии являются определяющей в миниатюризации, эффективности производства таких нанопродуктов как транзисторы, чипы, элементы памяти, полупроводники, сенсоры.

Появлению новых материалов (графеновые композиции), обладающих высокой прочностью и проводимостью обязаны нанотехнологиям.

Экономия продукции и устойчивое развитие, новое направление «зелёные нанотехнологии».

– Эффективность энергетики за счет лучшей экономики сохранения энергии, эффективные аккумуляторы, меньше расход топлива, снижение выбросов в атмосферу CO₂.

– Снижение стоимости нанопродуктов за счёт нано лубрикантов, нанопокрытий; снижение стоимости производства оборудования и материалов.

– Устойчивое развитие. «Зелёные нанотехнологии» способствуют производству более долговечных наноматериалов, эффективной очистке воды и окружающей среды, уменьшению всяческих выбросов.

Количественные показатели вклада нанотехнологии в мировую экономику

Ниже приведены количественные показатели в долларах США и евро нанотехнологий в мировую экономику и в экономику разных стран.

– К 2024 году стоимость нанопродуктов составила 1-3 триллионов долларов США, которые производили 2 млн компаний.

– США в 2024г. произвела нанопродукции на 30 млрд долларов.

– Китай – 2024г. - 40% от всех мировых патентов по нанотехнологиям.

– США, Япония, Германия, Южная Корея – главные производители нанопродуктов.

– В 2024 год госинвестиции в США составили 43 млрд .

– Китай, США – лидеры в патентах и в производстве нанопродукции. ЕС - 2,7 млрд евро инвестиций в нанотехнологии в 2020 году.

– Венчурный мировой капитал нанотехнологий в 2020 году составил 1,9 трлн долларов. Корпоративные инвестиции и др.

– Коллаборация стран и корпораций. ЕС – 1 млрд евро в программу «Горизонты Европы».

– Коллаборация между государством, крупными корпорациями, университетами, академической наукой.

– В США 60% инвестиций частный сектор, в Японии 2/3 .

– В США национальные нанотехнологические программы объединяют 20 федеральных агентств.

– Китай, правительство + частные крупные фирмы + университеты объединены в крупные программы.

– ЕС, бюджет нанотехнологии 2021-2027 гг. 5,4 млрд евро (Bosch, Aerobes, Siemens (графен))/

– Индия, Япония, Саудовская Аравия стараются догнать

Вклад нанотехнологий в различные отрасли экономики и в различные направления науки и техники

В настоящее время нанотехнологии как междисциплинарные и межотраслевые технологии вносят вклад практически во все направления жизнедеятельности человека.

Влияние нанотехнологий на медицину и здравоохранение. Начнём рассмотрение с влияния нанотехнологий на медицину и здравоохранение, поскольку книга посвящена использованию наночастиц металлов в медицине.

В наномедицине (самостоятельное научно-практическое направление) используются многочисленные нанотехнологии, в которых важное место занимает применение наночастиц металлов и оксидов металлов.

Нанотехнологии — это искусство и наука создания материалов размером менее 100 нм. Они произвели революцию в медицине и стоматологии, улучшив механические и физические свойства материалов, а также способствовали появлению новых методов диагностики и систем нано доставки.

Первые рекомендации в области нанотехнологий были разработаны Эриком Дрекслером из Института Форсайта. Он познакомил общественность с наукой о нанотехнологиях в своей книге «Машины созидания». Стремясь создать экологически чистые и социально приемлемые нанотехнологии, Национальный геномный исследовательский институт США предложил новый подход к разработке новых технологий. Это было достигнуто за счет решения этических, правовых и социальных проблем до того, как нанопродукция вышла на рынок, что позволило легко вносить изменения и корректировки на ранних этапах производства.

Высокое значение отношения площади поверхности к объему является уникальной физической характеристикой наночастиц. Это означает, что на поверхности наночастицы больше атомов, чем в ее объеме. Это особенно полезно, поскольку поверхностные атомы имеют несвязанные поверхности по сравнению с атомами в ядре, что позволяет создавать новые прочные связи. Таким образом, наночастицы более реакционноспособны по сравнению с микро- и макрочастицами, в которых больше атомов в ядре, чем на поверхности. Продолжающиеся исследования в области нанотехнологий обусловлены уникальными свойствами наночастиц. Атомы являются строительными блоками биологических тканей, и их размер измеряется в наномасштабах. Использование наночастиц позволяет осуществлять взаимодействие на молекулярном уровне, повышая общую эффективность и аффинность по сравнению с биологическими молекулами, взаимодействующими с частицами микро- или макроразмера.

По сравнению с тем же материалом в объемном состоянии (макро- или микрочастицы), наночастицы могут легко принимать различные конфигурации упаковки благодаря высокому соотношению площади поверхности к объему, что упрощает их обработку и использование в различных областях. Более сильные тепловые колебания, испытываемые атомами на поверхности по сравнению с атомами в объеме любого материала, независимо от размера частиц, способствуют снижению температуры плавления наноматериалов по сравнению с тем же материалом в объемном состоянии. Это может иметь особое значение при использовании наноматериалов для изготовления металлокерамических коронок (МКК), литых штифтов или каркасов.

Многие авторы публиковали обзорные статьи, в которых обсуждали потенциал нанотехнологий в стоматологии, в том числе в области разработки новых материалов, однако в литературе нет обзоров, подробно раскрывающих научные основы нанотехнологий и их влияние на стоматологию. В этом обзоре рассматриваются научные аспекты, последствия и современные способы применения нанотехнологий в стоматологии, в том числе недавно разработанные коммерческие материалы и сопутствующая литература, которые помогут стоматологам понять клиническую значимость и эффективность таких материалов по сравнению с теми, что используются в клинической практике в настоящее время.

Значение нанотехнологий

Этические аспекты

После этапа исследования и разработки любого стоматологического или медицинского нанопродукта он проходит обширные доклинические испытания in vitro для изучения его механических, токсикологических и иммунологических свойств. Многие агентства, такие как Агентство по охране окружающей среды США и Национальный институт безопасности и гигиены труда, представили руководящие принципы по исследованию рисков, связанных с наноматериалами. Однако разработка междисциплинарной нормативно-правовой базы для оценки и контроля нанотехнологий, а также решения этических проблем, относящихся к четырем категориям: метафизическим, социальным, связанным с неприкосновенностью частной жизни и безопасностью, — это постоянная задача для законодателей. Несмотря на то, что исследования на животных дают представление о том, чего ожидать при проведении первой фазы испытаний, были зафиксированы серьезные побочные реакции при воздействии на людей дозы препарата в 500 раз меньшей, чем зарегистрированный токсический предел в исследованиях на животных. Таким образом, мы должны понимать, насколько высок риск, связанный с воздействием новых материалов, а в каждом клиническом испытании должны быть назначены наблюдательные комиссии по мониторингу безопасности, которые будут тщательно отслеживать и фиксировать любые побочные эффекты на ранних этапах, выявлять несоответствия в обработке данных и обеспечивать безопасность и благополучие испытуемых. Непредсказуемость наноматериалов ставит медиков перед этической дилеммой, когда перед ними открывается широкий выбор материалов, некоторые из которых имеют долгую историю клинического применения, например гибридные или микронаполненные композитные полимеры, а другие, например композитные полимеры с нано наполнением, привлекательны с точки зрения концепции и подтверждены краткосрочными клиническими исследованиями. Традиционный подход к принятию этических решений, основанный на утилитаризме, не поспевает за стремительным развитием нанотехнологий и их неопределенным будущим. По этой причине требуется более глубокое понимание научных основ, включая анализ соотношения риска и пользы и учет этических аспектов на всех этапах разработки. В связи с этим была предложена концепция упреждающей этики и управления, разработанная для выявления и устранения этических и социальных последствий с помощью моделей этического анализа на начальном этапе развития технологии, чтобы затем можно было легко модифицировать технологию и направить ее развитие в этически приемлемое русло.

Нанотехнологии и общество

Поскольку общество является потребителем, спонсором, а также субъектом, определяющим политику и принимающим решения, отношение людей к нанотехнологиям играет ключевую роль в их успехе или провале. Другими словами, общество — это и судья, и присяжные. Это обусловлено этическими, моральными и ценностными установками, которые в последнее время стали более благосклонно относиться к новым прорывным технологиям, поскольку предполагаемые выгоды перевешивают предполагаемые риски. Однако несмотря на то, что нанотехнологии уже внедрены в сферы, которые напрямую влияют на жизнь общества, такие как энергоснабжение, здравоохранение и диагностика, телекоммуникации и борьба с загрязнением окружающей среды, это вызывает опасения, поскольку подобные достижения могут привести к сокращению тысяч рабочих мест из-за перехода на более автоматизированную систему. Для решения социальных проблем были предприняты различные инициативы, призванные сократить разрыв между обществом и нано наукой. В докладе «Национальная нанотехнологическая инициатива» (Правительство США) утверждается, что развитие технологий требует подготовки нового поколения специалистов с расширенным набором профессиональных и управленческих навыков. В 2003 году технолог Рэй Курцвейл заявил, что «портативные производственные системы смогут производить практически любой физический продукт из области информации за копейки, тем самым удовлетворяя наши физические потребности практически без затрат». Это требует немедленного взаимодействия с обществом для решения проблем и повышения осведомленности о текущих и будущих сферах применения нанотехнологий, чтобы заручиться поддержкой общественности и сохранить её.

Последствия для здоровья

Федеральные агентства и учреждения штатов США приняли четырехэтапную систему оценки масштабов любой проблемы для здоровья, начиная с выявления проблемы, за которой следует оценка зависимости доза-реакция, оценка воздействия и заканчивая определением характера риска. Воздействие наноматериалов в значительной степени зависит от их размера, а это означает, что нетоксичные частицы размером 100 нм могут резко превратиться в токсичные элементы, если их размер уменьшится, например, до 1 нм, и наоборот. Нетоксичный наноматериал также может распадаться или агрегировать, образуя токсичные наночастицы. Эта непредсказуемость реакции нашего организма на наноматериалы зависит не только от размера, но и от того, как наша иммунная система реагирует на нанопродукт, поскольку исследования показали, что наночастицы могут реагировать иначе в культуре клеток, чем в организме.

Исследования показали, что наночастицы при вдыхании проникают через клеточные мембраны и достигают печени, лимфатических узлов, селезенки и костного мозга. Хотя утверждения о нанотехнологических эффектах при вдыхании были четко сформулированы, в литературе отсутствуют убедительные научные доказательства, подтверждающие или опровергающие эти утверждения. Поэтому, хотя частные компании не обязаны проводить постмаркетинговые исследования своей продукции, государственные органы должны спонсировать и поощрять такие исследования для изучения долгосрочного воздействия наноматериалов и сообщать о любых неблагоприятных побочных эффектах законодательным и регулирующим органам, таким как Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Исследования этических, социальных последствий нанотехнологий и последствий для здоровья людей далеко отстают от науки, и, независимо от наличия финансирования, серьезных попыток рассмотреть рассматриваемые проблемы не предпринимается. Вместо этого появляются шумиха и споры, которые только усиливают недоверие общественности к новым прорывным технологиям

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 10і молекул/мл, т.е. это фемто / атомолярная 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 изоляции онкологических редких клеток (1-10 клеток) в окружении миллиардного избытка нормальных клеток в крови. Это определяет нано флюидный 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. 1-2 показаны возможности нанотехнологий в медицине.

Рисунок 1.

Рисунок 2

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 одно из ведущих мест.

Нанотехнологии проникли во все области медицины и здравоохранения:

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

- Нанодиагностика 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. 3 с указанием, в каких лечебных действиях могут участвовать нанотехнологии.

Рисунок 3

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 (рис. 4-5).

Рисунок 4. Области использования наночастиц металлов в медицине.

Рисунок 5. Области использования наночастиц металлов в медицине.

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 нанопрепаратов по сравнению с обычными лекарствами;

2. Использование на но диагностики 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 еще 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 объеме 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 определенной 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 па 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, контролирующих организм, отслеживающих жизненно важные функции и корректирующие физиологические показатели по мере необходимости для восстановления или замены дефектных структур, клеток, биомолекул.

Основные мировые коммерческие успехи нанотехнологий в медицине

Успехов этих множества. Приведем 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 нано публикаций, 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).

Нанотехнологии в энергетике. Основные направления

- 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 н 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 нанотехнологии 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, коррозиестойких с 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.

Рисунок 6

Светоизлучающий диод (OLED), 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 им. 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 только ископаемых источников (нефть, газ, уголь) — это путь в никуда.

Энергию потребляют ВСЕ, и поэтому рост рост популяции планеты коррелируют с потреблением энергии.

На рис. 7 показана динамика потребления различных источников энергии на протяжении трёх веков на фоне роста населения планеты.

Рисунок 7

Наноэлектроника

Электроника является неотъемлемой частью мира современного человека. Можно сказать, что мы живем 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 1- 2 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 преодолен. Кремниевая микроэлектроника замещается наноэлектроникой на основе органических элементов (ДНК компьютеры),квантовые компьютеры., квантовые компьютеры

Хранение данных стало полностью нанотехнологией.нанотехнологией Для хранения данных используются одноатомные транзисторы, одно спиновые магнитометры, одноатомная память. Фейнман и Дрекслер немного не дождались до воплощения их предсказаний об управлении материи на атомном уровне. Созданы устройства для хранения объемом в 1 килобайт с плотностью информации до 78 терабит на см³. Такое устройство может хранить библиотеку конгресса США в форме куба шириной всего 100 мкм.

Вычислительная техника стала использовать нанофотонику, коммутаторы 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). Технологии квантовых вычислений стали реальностью стали реальностью.

Дисплеи. Современные телевизоры, компьютерные мониторы, экраны мобильных телефонов, игровые консоли используют систему OLЕD, основанную на органических светодиодах и, следовательно, при их производстве используются нанотехнологии.

Нанокристаллическая целлюлоза

Это ещё одно интересное направление в нанотехнологиях, относящееся к наночастицам, получаемым из 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 (за исключением льна), 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 строению 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.

Цивильное применение нанокристаллической целлюлозы:

- 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 самолеты, ракеты, автомобили на 50% состоят из легких 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, усиливая процесс катализа;

Применение нанокристаллической целлюлозы в военных целях:

1. Создание нового поколения порохов на основе нано нитроцеллюлозы;

2. Легкие и пуленепробиваемые 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, защиты 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 легких композитов.

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 дешевых, 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 нано мембранные 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 у у 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 им) способны преодолевать любые физиологические барьеры, то есть проникать во все ткани, органы, клетки. Поэтому наночастицы всегда проявляют большую токсичность, чем их макроскопические аналоги по химическому строению. Если вещество токсично в обычном состоянии, то в нано форме оно будет более токсичным.

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

При работе с наночастицами необходимо обязательно выполнять 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, посвященная 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, 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 легких 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, млрд. Долларов	Выручка на мировом рынке, 2021 год, млрд. Долларов	Ожидаемый среднегодовой рост,  %
Наночастицы серебра	1,1	3	13
Наноглина	0,7	2,1	24.9
Нанокомпозиты	1,6	5,3	26,7
Квантовые т очки	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 производят 1555 производителей в 53 странах для 15 отраслей индустрии.

Нанотехнологии, наночастицы 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 реакций, и они 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 нано форму, то эффективность катализа существенно повысится. Это обусловлено тем, что малые размеры наночастиц металлов при гой же концентрации, что и в случае традиционных микро катализаторов, будут чаще встречаться с реагентами системы и скорость, выход реакции повысится. Производить нано катализаторы можно по 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 овощи. Такая обработка защищает посадочный материал от 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 нанотехнологий 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 нано шероховатой 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 нано препараты используются в производстве следующих видах текстиля:

- спортивный текстиль;

- армейский текстиль;

- 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 миллионов, долларов, 2022 г. 1,6 млрд. долларов;

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

- Спортивный нанотекстиль – 2016 г. 85 миллионовмлрд. долларов, 2022 г. 170 млрд. 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» по своим функциям и качеству существенно уступает комплекту НАТО и Китая. Какие функции выполняет боевой комплект одежды (одежда, обувь, каска) НАТО:

- 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);

- нижнее smart белье, фиксирующее комплекс физиологических параметров бойца и передающее их в полевой госпиталь;

- миниатюрные устройства для выработки электроэнергии для гаджетов.

И это только основные функции боевого комплекта НАТО.

Выводы:

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

2. Нанотехнологии вошли вместе с информационными, био-, когнитивнымик 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. Причиной 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. К. 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.

4. Global nanomaterials market forecast 2017-2924 Inkwood research, 2017.

5. C. R. Каgаn 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, сор. 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 рано заживляющих депо-материалов нового поколения. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16. № 3-4. С.196 -202.

12. Г.Е. Кричевский. Биосинтез и свойства наночастиц металлов. Lambert Academic Publ. 2025.