7.2. Главные направления исследований, финансируемых ННИ и ННФ

7.2. Главные направления исследований, финансируемых ННИ и ННФ

Во многих работах подчеркивается, что характерной особенностью нанотехнологий является их «многогранность» и связь с множеством технологий в самых разных отраслях промышленности. Это отчетливо прослеживается при анализе направленности финансируемых проектов и инициатив. Ниже очень кратко рассмотрена проблема тематики наноисследований в США за последние пять лет.

В исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы[42] были обозначены девять основных задач (или, как любят говорить американцы, вызовов), причем авторы уделили большое внимание проблеме стыковки интересов различных ведомств и согласованности их работы. Начальный список приоритетов имел следующий вид:

1. Создание наноструктурных материалов с заданными свойствами.

2. Наноэлектроника, оптоэлектроника и магнитные материалы.

3. Наноэлектроника для здравоохранения, диагностики и т. д.

4. Нанопроцессы и охрана окружающей среды.

5. Использование нанотехнологий для преобразования и аккумулиро¬вания энергии.

6. Разработка и использование микроспутников для космической техники.

7. Разработка биологических нанодатчиков для диагностики и предот¬вращения угрозы применения биологического оружия.

8. Проблемы экономики и безопасности транспорта.

9. Нанотехнологии и национальная безопасность.

Позднее к этому списку были добавлены еще две важные задачи, а именно «Изготовление нанообъектов» и «Создание инструментов и метрологической базы для нанотехнологии». Кроме того, три последних пункта программы были объединены под общим названием «Использование нанотехнологий для обнаружения химических, биологических, радиологических и взрывчатых веществ, а также для защиты от их применения». В самом последнем официальном документе под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива. Стратегический план» (декабрь 2004 года) главные задачи нанотехнологических исследований в США перечислены в следующем порядке:

1. Фундаментальные исследования нанометрических объектов, явлений и процессов.

2. Наноматериалы.

3. Наноустройства и системы.

4. Разработка инструментов и аппаратуры, а также метрологии и стандартов в области нанотехнологии.

5. Нанопроизводство.

6. Создание возможностей для исследований, обеспечение аппаратурой и т. д.

7. Социальные проблемы, связанные с развитием нанотехнологий.

Легко заметить, что речь идет лишь о новой формулировке основных задач, поставленных в исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы. Еще проще свести всю программу к четырем следующим задачам, которые поставило себе правительство США: (1) создать научно-исследовательскую базу самого высокого уровня в области нанотехнологий; (2) создать возможность «превращения» новых технологий в реальные коммерческие продукты, новые рабочие места и т. п.; (3) развить необходимую для нанотехнологий инфраструктуру, систему высшего и технического образования, подготовить квалифицированные рабочие кадры, начать производство аппаратуры и инструментов; (4) обеспечить гармоничное и разумное развитие нанотехнологий.

Анализируя и классифицируя направления развития нанотехнологий, Отделение нанонауки при Национальном научном фонде рекомендовало разделить все исследования в данной области на девять главных разделов:

• Нанометрические биосистемы.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами.

• Наноустройства и архитектура систем.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде.

• Теория многомасштабных и комплексных явлений; моделирование нанопроцессов.

• Наномасштабные производственные процессы.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий.

Широкий охват тематики делает обсуждение предлагаемых проектов на технических семинарах и заседаниях подкомитетов очень интересным, причем не только для руководства ННФ, но и для самих ученых. Объединение по столь широко определенным отраслям знаний и связь отделов делает обсуждение более плодотворным и ценным. Любая компания, заинтересовавшаяся какой-либо конкретной разработкой, может при обсуждении гораздо лучше представить себе возможности применения новой продукции. С другой стороны, предложивший новый материал или устройство ученый (например, придумавший новый тип биомедицинских датчиков) может получить грант не только по разделу «Нанометрические биосистемы», но и по разделу «Наноустройства и архитектура систем» и т. д. Во всех случаях принятие решения о финансировании исследований сопровождается весьма интересным и полезным обсуждением всеми заинтересованными сторонами. Более того, в результате обсуждения в широком кругу специалистов могут быть преодолены ограничения и предполагаемые слабости некоторых проектов, например, за счет их объединения с другими проектами или использования для новых целей. Такая специфика обсуждения очень характерна для нанотехнологий с их разнообразием применения и междисциплинарным подходом.

Ниже приводится более подробное описание тематики по указанным разделам, составленное на основе рекомендаций ННФ[43].

• Нанометрические биосистемы. Под это определение подпадают проекты фундаментальных исследований в области нанобиоструктур и связанных с ними процессов, нанобиотехнологии, биосинтезу и биообработке материалов, а также к решению нанотехнологических проблем, относящихся к биоматериалам, биоэлектронике, сельскому хозяйству, энергетике и здравоохранению. Особое внимание уделяется проектам по установлению зависимости биологических функций вещества в нанометрическом масштабе от его химического состава, поведения отдельных молекул и физических характеристик. В качестве характерных примеров исследований по этому разделу можно указать проекты по изучению органелл и субклеточных комплексов (типа рибосом, или так называемых молекулярных моторов); создание наноразмерных зондов и устройств для геномики, протеомики, клеточной биологии и изучения биотканей на наноуровне; синтез наномасштабных материалов на основе принципов биологической самосборки.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами. Исследования по этому разделу связаны с изучением новых эффектов и свойств материалов в нанометрическом масштабе, включая фундаментальные физические и химические явления, а также с разработкой аппаратуры, необходимой для экспериментальных работ и методик синтеза. В этом направлении особый интерес представляют проекты, нацеленные на преодоление факторов, препятствующих миниатюризации устройств до нанометрических размеров. Область возможной коммерциализации и применения проектов этой группы очень широка и охватывает важнейшие направления развития. К этой группе относятся: молекулярная электроника, наноструктурные катализаторы, новые лекарственные препараты, квантовые компьютеры, расчеты ДНК-структур, разработка чипов с очень высокой степенью интеграции, создание и двух– и трехмерных наноструктур заданной формы, наномасштабная гидродинамика (флюидика), биофотоника, обработка поверхности, процессы смазки наноповерхностей и т. д.

• Наноустройства и архитектура систем. К этой группе относятся разработки новых устройств и аппаратуры для сборки, обработки и изготовления нанообъектов, а также для любых других манипуляций, связанных с изменениями масштабов и размеров. Кроме того, к данной группе причисляют многие побочные проекты, связанные с обработкой наноструктур: теория проектирования и архитектуры нанообъектов, специализированное программное обеспечение, создание автоматических систем сборки систем из большого числа разнообразных нанообъектов. В далекой перспективе можно мечтать о создании «умных» систем, способных самостоятельно не только собирать и анализировать информацию, но и адекватно реагировать на нее.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде. Исследования в этом направлении нацелены на понимание роли наноструктур и нанопроцессов в окружающем нас мире (от ядра Земли до верхних слоев атмосферы). Особый интерес вызывает изучение происхождения, распределения и состава множества наноструктур, естественным образом возникающих в природе под воздействием самых разнообразных физико-химических условий. Очень важным является изучение наномасштабных взаимодействий на различных поверхностях (органические и неорганические твердые тела, жидкости и газы, живые и неживые системы). Типичными темами проектов этого раздела являются исследования процессов биоминерализации наноструктур, молекулярного связывания на поверхностях минералов, переноса ультрадисперсных частиц в коллоидах и аэрозолях, изменения пылевых частиц в межпланетном пространстве. Изучение таких систем не только помогает лучше понять молекулярные процессы в окружающем нас мире, но и обещает помочь в будущем выработать более действенные методы борьбы с загрязнением окружающей среды, развить новые методики очистки воды, создать экологические чистые источники энергии (например, на основе искусственного фотосинтеза) и биотехнологические производства, понять роль микробов в геологических процессах взаимодействия поверхности минералов с водой и воздухом и т. д.

• Теория многомасштабных и комплексных явлений, моделирование нанопроцессов. Развитие нанотехнологий связано с изучением множества новых часто непонятных объектов, устройств и процессов, что требует не только создания новых приборов и инструментальной базы исследований, но и разработки принципиально новых теоретических подходов, включая программное обеспечение для крупномасштабного компьютерного моделирования. Новые технологии ставят перед учеными исключительно сложные задачи в квантовой физике и химии, моделировании многочастичных систем, молекулярной динамике, развитии моделей поведения дискретных и сплошных сред, стохастических методов и так называемой наномеханики. Особый интерес сегодня представляет изучение многомасштабных и комплексных явлений во времени, когда взаимодействия в больших атомно-молекулярных системах позволяют исследователям «уловить» связь между структурами, их свойствами и функциональными характеристиками. Успехи в этом направлении позволят реально создавать наноструктуры с заданными свойствами и архитектурой, что представляет огромную важность для развития химии и биологии, а также для разработки электронных устройств, многофункциональных материалов и т. д.

• Наномасштабные производственные процессы. Конечной целью исследований в этом направлении является разработка различных методов создания наноструктур (включая самосборку) и дальнейшего их объединения в более крупные наносистемы, а затем, возможно, и в макроскопические объекты. В настоящее время изучаются механизмы процессов в нанометрическом масштабе и возможности использования новых инструментов, вырабатываются общетеоретические концепции высокоскоростного синтеза наноструктур и их обработки, а также разрабатываются методы увеличения «объема производства» в уже существующих методиках создания таких структур. Темами исследований в этом направлении выступают теоретические и экспериментальные методики производства и обработки, моделирование процессов создания наноустройств, экономическая оценка имеющихся или предлагаемых способов производства, поиск новых возможностей применения и т. п. В будущем такие работы должны позволить нам создать крупномасштабные производства, развить новые методы работы, организовать эффективную промышленную инфраструктуру в новых отраслях.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий. Известно, что серьезный прогресс в технике всегда нуждается в организованной социальной поддержке и одновременно почти всегда сам приводит к значительным изменениям в общественной жизни, причем зачастую эти изменения имеют неожиданный характер. Учитывая особую важность нанотехнологий для науки и производства в целом, мы обязаны очень серьезно изучить этические, социальные и другие проблемы, которые неизбежно будут возникать по мере увеличения масштабов промышленной революции, ожидаемой в связи с бурным развитием нанотехнологий. Помимо этого, мы не должны забывать, что развитие нанонауки и технологии автоматически означает значительное возрастание уровня наших знаний о фундаментальных законах природы. Результатом этого станут важные изменения во всех существующих научных дисциплинах (от биологии до астрономии), которые, безусловно, также будут проявляться в самых разных явлениях общественной жизни, включая множество новых товаров и услуг. Предварительное изучение или прогнозирование воздействия научно-технического прогресса на социальные явления должно помочь нам, с одной стороны, лучше подготовиться к возможным экономическим проблемам, а с другой – более точно определить будущее место нанотехнологий в коммерции, здравоохранении и охране окружающей среды. Помимо сугубо практических целей (развитие новых производств потребует существенных изменений в программах научной и профессиональной подготовки нового поколения), мы должны задуматься и об этических проблемах, которые нанотехнологии уже ставят перед правительствами разных стран и даже человечеством в целом. Например, сейчас существует непростая задача выбора приоритетов развития, и некоторые проблемы уже можно определить достаточно точно. Должны ли мы выделять средства на исследование возможностей искусственного интеллекта, в потенциале способного превзойти интеллект человека? Должны ли мы способствовать созданию все более разнообразных наночастиц или следует ограничиться лишь теми частицами, которые мы в какой-то степени уже изучили и представляем себе их воздействие на здоровье человека и окружающую среду? Каким образом совмещать разноплановые интересы ученых из разных областей науки и техники? Каким образом может быть учтен риск использования и широкого внедрения новых технологий? Этот список вопросов можно легко продолжить и расширить по конкретным проблемам, и мы сейчас очень нуждаемся в разумных оценках социальных, этических и экологических последствий тех процессов, которые возникнут при широком и бурном развитии новых технологий.

Помимо семи перечисленных и обсужденных направлений развития нанотехнологий, Национальный научный фонд заключил специальное соглашение (торжественно озаглавленное Меморандум согласия) с огромной Корпорацией исследований полупроводниковой техники (Semiconductor Research Corporation) о включении в список восьмого направления приоритетных исследований, связанного с наноэлектроникой на кремниевой основе и даже вне этого ограничения! Национальному научному фонду пришлось пойти на включение этого специализированного направления (названного Silicon Nanoelectronics and Beyond) в список приоритетов, поскольку корпорация щедро финансирует многие университетские разработки исходя из интересов входящих в нее компаний. В этом направлении речь идет об исследованиях в конкретной области (наноэлектронике), которые поддерживаются совместно Национальным научным фондом и конкретным сектором экономики, что позволяет финансирующим организациям более рационально и продуманно использовать свои возможности. По-видимому, эта форма сотрудничества является достаточно эффективной, поскольку сейчас некоторые другие крупные правительственные организации (Министерство обороны, Министерство энергетики и т. д.) также стараются выработать смешанные формы финансирования, составляя собственные списки интересующих их проектов и затем согласовывая выделение грантов по специфической тематике с Национальным научным фондом.