18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности

18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности

В настоящее время можно уверенно утверждать, что примерно к 2015 году осуществляемые и планируемые научно-технические разработки в области нанотехнологий приведут к весьма серьезным качественным и количественным изменениям в промышленном производстве. При этом произойдут крупномасштабные и структурные изменения во многих традиционных производствах, а также возникнут и разовьются совершенно новые отрасли промышленности, связанные с новыми научно-техническими приложениями. Развитие нанотехнологий будет определяться, по-видимому, следующими основными особенностями:

• К 2015 году уже будут функционировать коммерческие производства и целые заводы, производящие материалы и устройства на основе нанотехнологий, то есть в этих производствах размеры объектов и процессов будут контролироваться с точностью до нанометров (по крайней мере, в одном из измерений). Для традиционной кремниевой электроники это практически означает снижение размеров транзисторов основных типов до 10 нм. Такое уменьшение размеров устройств означает, что их можно будет интегрировать в схемы с биологическими структурами и т. п.

• Использование нанотехнологий в области медицины и биологии позволит в те же сроки разработать новые методы диагностики и лечения многих хронических и тяжелых заболеваний. Предполагается, что к 2015 году будут созданы датчики, позволяющие надежно регистрировать появление в организме злокачественных образований на самой ранней стадии, что позволит значительно повысить эффективность лечения и заметным образом снизить показатели смертности от раковых болезней.

• В соответствии с упомянутой выше концепцией NBIC удет происходить дальнейшая интеграция наук и технологий, что создаст широкие возможности для внедрения нанотехнологий и их слияния с традиционными методами биологии, электроники, медицины и т. п. В медицине и биотехнологии широкое распространение получат разнообразные нанобиосистемы, которые станут основным средством не только исследования состояния организма, но и самого процесса лечения. При разработке новых материалов и приборов исследователи будут уделять основное внимание увеличению сроков эксплуатации и обеспечению их биосовместимости с тканями организма.

• Естественно, в этот период будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о свойствах атомно-молекулярных систем, что значительно расширит наши знания о строении вещества на нанометрическом уровне. Возможно, накопление новых знаний позволит даже создать некую новую парадигму учебного процесса, основанную не на теориях из разрозненных научных дисциплин, а на представлениях о природе. Образование, по-видимому, будет характеризоваться дальнейшим сближением процессов обучения с непосредственным научным поиском, что может привести к существенному повышению качества и уровня получаемых знаний.

• Значительно активизируется деятельность различных коммерческих и промышленных организаций, связанных с нанотехнологиями. По мере развития новых технологий, то есть появления новых материалов и устройств, все чаще будет возникать проблема их совместимости с существующими приборами и устройствами, а также объединения новых и традиционных технологий в рамках единых производственных процессов, что, кстати, может создать сложные технические проблемы.

Исходя из общих представлений и закономерностей специалисты предполагают, что развитие нанотехнологий будет происходить через перекрывающиеся стадии, характеризующиеся все большим усложнением и развитием средств контроля над веществами и процессами в наномасштабе. Наиболее вероятным представляется появление четырех «поколений» нанотехнологических материалов и продуктов, перечисляемых ниже. Начало каждого этапа может быть отнесено к появлению первых коммерческих прототипов, производство которых связано с определенным уровнем развития нанотехнологий.

• Первое поколение наноматериалов и устройств фактически уже существует. Коммерческие нанотовары, появившиеся в 2001 году, представляют собой так называемые пассивные структуры, синтезированные для обеспечения заранее заданных макроскопических характеристик или функций создаваемых из них объектов. К этому поколению могут быть отнесены нанопокрытия, дисперсии наночастиц и некоторые объемные материалы (например, наноструктурированные металлы, полимеры и керамические изделия). Значительно сложнее выглядят нанообъекты второго поколения, представляющие собой активные структуры, способные реагировать на внешние воздействия (механические, электронные, магнитные, фотонные, биологические и т. д.) и объединенные с другими микроскопическими устройствами и системами. Такие наноизделия и наноматериалы только недавно стали производиться коммерчески, в некоторых случаях сменяя товары первого поколения. К ним можно отнести новые типы нанотранзисторов, некоторые компоненты усилителей на КМОП-структурах, лекарства и химические препараты остронаправленного действия, некоторые типы приводов, так называемые «искусственные мускулы», адаптивные структуры и т. п.

• Через несколько лет можно ожидать появления коммерческих нанопродуктов следующего, третьего поколения, для которых будет характерно использование трехмерных структур, синтезируемых различными методами, включая биологические методы иерархической самоорганизации, при которой структуры напоминают развивающихся микророботов, обладающих собственным и меняющимся поведением. Технически такой синтез представляет собой очень сложную задачу, включающую не только операции по сборке молекулярных соединений, но и создание иерархических структур по неясным пока принципам. В настоящее время исследования в этом направлении сосредоточены на построении гетерогенных наноструктур и супрамолекулярных систем, в поведении которых можно уловить некоторые принципы эволюционного развития. По-видимому, в число типичных нанообъектов и продуктов этого поколения войдут искусственные «органы» чувств и биологические «ткани» человеческого организма, получаемые, например, направляемой и иерархически организованной самосборкой. В электронике появятся вычислительные и информационные наноустройства, действие которых будет основано на квантовых взаимодействиях или принципах фотоники и спинтроники (вычислительная техника на основе использования спина электронов). Можно также предсказать дальнейшее развитие микротехники, то есть производство (например, на основе самоорганизующихся систем) нанометрических механоэлектрических устройств (НЭМС), а также продуктов и материалов неизвестных сейчас типов, которые неизбежно возникнут в результате интеграции и слияния технологий в рамках концепции NBIC. Некоторые из этих материалов и устройств будут производиться многостадийными технологиями, что подразумевает использование различных методик на разных уровнях иерархического производства.

• Еще через 5—10 лет следует ожидать первого появления продуктов гораздо более развитого, четвертого поколения, которые, скорее всего, будут представлять гетерогенные молекулярные наноструктуры. В устройствах этого типа каждая сложная молекула является специализированной наноструктурой с особым строением и высокой функциональностью. Строго говоря, молекулярные структуры четвертого поколения можно назвать молекулярными устройствами, поскольку в эти молекулы еще при «конструировании» и синтезе будут закладываться сложнейшие функциональные возможности. На этом этапе развития новых технологий речь пойдет уже об атомарно-молекулярной инженерии, основанной на пока неизвестных закономерностях самоорганизации вещества. Изучение и использование этих закономерностей позволит осуществлять почти фантастические технологические проекты: «проектирование» макромолекул с заданными свойствами; создание наноразмерных механических устройств; направленная и многоуровневая самоорганизация атомарных структур с квантово-механическим контролем процессов сборки; создание наноустройств для медицинского контроля или лечения и т. п. Особого внимания заслуживает задача обеспечения непосредственного взаимодействия между человеком и вычислительными устройствами на уровне контакта нервных окончаний с электронными сетями и т. д. Перспективы развития в этих направлениях во многом связаны с тем, насколько успешно и быстро будет происходить почти неизбежная конвергенция наук и технологий.

В заключение автор хотел бы подчеркнуть, что многие краткосрочные прогнозы в описываемой области, конечно, могут показаться излишне оптимистичными, однако в долгосрочной перспективе можно утверждать, что большинство специалистов явно недооценивают нарастающее влияние нанотехнологий на развитие промышленности, медицины, экологии и общественных отношений.

Заключение

Многие древние цивилизации возникли на основе представлений о всеобщей взаимозависимости процессов в окружающем нас мире, что позднее нашло отражение в идеалах эпохи Ренессанса, связанных с единством природы. Развитие науки и технологий вновь приводит нас к созданию единой научно-технической картины мироздания, причем построение причинно-следственных связей в разных масштабах объектов и действий (от нанопроцессов до макроскопических событий) позволяет нам расширить и углубить идеи и представления Ренессанса. На основе слияния разных научных дисциплин и их синергизма может произойти бурное развитие новых технологий, способное привести к революционным преобразованиям в промышленности, экономике, социальном устройстве и т. д. Важность новых технологий и связанная с их развитием смена парадигм науки требуют особого внимания к социальным и этическим проблемам, неизбежно возникающим при их планировании, внедрении и реализации.

Работа финансировалась Национальным советом по науке и технологии и Национальным научным фондом, однако высказанные в ней мнения отражают лишь личную точку автора на рассматриваемые проблемы.