Нанобудущее. Чего нам ждать от науки в 2025 году

К 2025 году в России должны появиться автомобили на водородном источнике питания, гепатит и рак смогут выявлять на самой ранней стадии заболевания и успешно лечить, а небо будут бороздить невидимые глазу космические аппараты. Такие выводы можно сделать на основании документа, подготовленного Министерством образования и науки России для представления президенту, – «Долгосрочный прогноз научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года)». Не так давно проект прогноза, представляющий собой 800-страничный (!) документ и вобравший в себя анализ мнений около 3 тысяч экспертов, был представлен научным кругам и общественности. Ввиду огромного объема материала мы приведем лишь наиболее интересные, на наш взгляд, фрагменты из возможной картины будущего.

Комментарий «УГ»О проекте «Долгосрочный прогноз научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года)»Среди разработчиков документа – Центр макроэкономического анализа и краткосрочного прогнозирования, Институт статистических исследований и экономики знаний ГУ – ВШЭ и Межведомственный аналитический центр. В основу прогноза лег Форсайт – это методология организации процесса, направленного на создание общего у участников видения будущего, которое стремятся поддержать все заинтересованные стороны своими сегодняшними действиями. Полученный прогноз Министерство образования и науки РФ намерено инкорпорировать в концепцию долгосрочного социально-экономического развития России и получить законодательную базу для работы над ним на регулярной основе.

Ограничимся прогнозом в области нанотехнологий. По оценкам западных и отечественных экспертов, именно они определят облик XXI века и направления дальнейшего развития цивилизации на Земле.

Полный контроль над веществом

Общепризнано, что благодаря развитию нанотехнологий мировая экономика находится на пороге новой технологической революции, которая неминуемо затронет в ближайшие десятилетия практически все области деятельности человека – от медицины и машиностроения до энергетики и космических исследований. Накопление знаний о наномире, опыта манипулирования нанообъектами и конструирования наноструктур ведет к формированию фактически нового типа технологии – универсальной технологии «полного контроля над веществом».

Развитие системы знаний и образования будет смещаться с микрошкалы в сторону наномасштабов. Новая парадигма системы образования базируется не на изучении отдельных дисциплин, а на понимании единства природы как целого. Изменение научной и образовательной парадигмы приведет к таким же фундаментальным изменениям, какие произошли в науке и образовании при «переходе науки и техники к микромасштабам» в начале 1950-х годов, когда гонка космических исследований и цифровая революция стимулировали развитие микроанализа и научного анализа.

К 2010 году, по оценкам международных экспертов, нанотехнологии будут представлять 800-миллиардную индустрию. Также эксперты ожидают, что к 2015 году рынок нанотехнологий перешагнет порог в два триллиона долларов.

Нанотехнологии обещают значительно повысить эффективность традиционной промышленности и привнести в нее новые технологические процессы.

Значительный прогресс будет достигнут и в лечении хронических заболеваний. Ожидается, что к 2015 году будет реализована возможность обнаруживать раковые опухоли и лечить уже на первом году их развития. Это может существенно снизить заболеваемость и смертность от онкологических заболеваний. Синтез фармацевтических препаратов, процессы их доставки в половине случаев используют нанотехнологии как один из ключевых компонентов. С помощью передовых наномасштабных методов измерения появилась возможность моделировать работу мозга на уровне межнейронных взаимодействий.

Конвергенция науки и инженерии в области наномасштабов создаст уникальный фундамент для интеграции нанотехнологий с такими областями, как биология, электроника, медицина, образование, и рядом других областей. К этому направлению можно отнести гибридное производство, нейроморфическую инженерию (нейроморфические системы – это реализация в кремнии систем, архитектура которых базируется на нейробиологии (дисциплина, изучающая физиологию, строение, развитие мозга и нервной системы), создание искусственных органов, увеличение продолжительности жизни людей, улучшение органов восприятия человека и повышение его способности к обучению. Наука и инженерия нанобиосистем займет прочное место в системе здравоохранения и в биотехнологиях.

Им не страшна коррозия

Способности нанотехнологий по контролю и производству продукции на уровне наномасштабов можно разделить на четыре поколения в зависимости от характера производимых нанотехнологических продуктов. Первое поколение продуктов – «пассивные наноструктуры» – обычно характеризуется макромасштабными свойствами и функциями. Примерами являются наноструктурированные покрытия, дисперсные наночастицы и вещества на основе сыпучих материалов: наноструктурированные металлы, полимеры, керамика.

Справка «УГ». Пассивные нанопродукты начали производить более 30 лет назад, но тогда термин «нанотехнология» еще не был так популярен.

Второе поколение продуктов – это «активные наноструктуры», обладающие механическими, электрическими, магнитными, фотонными, биологическими и другими свойствами. Такие структуры обычно бывают интегрированы в микромасштабные устройства или системы. Примерами могут быть новые транзисторы, компоненты наноэлектроники, усилители, лекарства с направленной доставкой, эффекторы, «искусственные мышцы» и адаптивные структуры.

Справка «УГ». Ко второму поколению относятся, в частности, гетероструктуры, которые в первом приближении можно определить как кристалл, выросший на поверхности другого кристалла. Например, металлы покрываются тонкой пленкой алмаза и становятся особо прочными и не подверженными коррозии. Подобные разработки активно ведутся в России. Такие нанопродукты уже созданы и, по мнению некоторых экспертов, могут быть применены даже в бытовой технике в ближайшие 10 лет.

Третье поколение – «системы из наносистем и трехмерные наносистемы», использующие различные технологии синтеза и сборки, такие как биологические самособирающиеся системы, роботы с самообучающимся поведением, искусственные ткани и сенсорные системы, а также эволюционирующие системы. Ключевым моментом для появления таких систем является организация связей в наномасштабе и создание иерархических архитектур.

Справка «УГ». В настоящее время бурно развиваются целые направления – супрамолекулярная химия, фотохимия, фотоника, спинтроника, биоинформатика и т. д. Информация о разработках этого типа, как правило, известна узкому кругу специалистов. Практических результатов, по оценкам ученых, можно ожидать лет через 20.

Четвертое поколение – появление «гетерогенных молекулярных наносистем», в которых каждая молекула обладает специфичной структурой и играет свою собственную роль. В данных системах уже сами молекулы выступают как отдельные устройства, функции которых определяются их структурой и архитектурной организацией. Ожидается, что нахождение подходов к разработке новых атомных и молекулярных ансамблей позволит создавать макромолекулы «по заказу», собирать наномасштабные машины, управлять многостадийной самосборкой, использовать квантовый контроль, создавать биологические наносистемы для здравоохранения и разрабатывать интерфейсы взаимодействия человека и машины на уровне контроля с помощью нервной системы.

Справка «УГ». Наносистемы четвертого поколения, на взгляд некоторых экспертов, могут появиться уже после 2025 года. В первую очередь потому, что потребуются длительные и всесторонние исследования возможных последствий внедрения таких самоорганизующихся систем.

Россия создаст спутник-невидимку

Хотя Россия отстает в большинстве направлений в этой области, она все же имеет близкие стартовые позиции с ведущими странами мира и уже самым активным образом включилась в процесс освоения новых технологий. При этом только две страны в мире – Россия и США – ведут исследования и разработки по всем направлениям нанотехнологий. Так, в этих работах в Российской Федерации участвуют более 500 научно-исследовательских институтов и организаций, объединяющих свыше 30 тысяч исследователей. Уже сегодня в России производится и реализуется на рынке продукция нанотехнологий в объеме до 4 миллиардов рублей в год.

Среди технологий, по которым отставание России менее заметно, следует отметить формирование ультрамелкозернистой структуры в металлических сплавах методами интенсивной пластической деформации; сопряжение наноконтейнеров с биологически активными молекулами; высокоэффективные полимерные теплоизолирующие тепло- и огнестойкие материалы; покрытия и модификаторы; коррозионностойкие материалы и покрытия для экстремальных условий эксплуатации.

Имеются реальные шансы быстрой реализации российских научно-технических заделов и получения конкурентоспособной продукции: в том числе упрочняющих инструментальных покрытий для машиностроения; кристаллических и наноструктурированных металлических материалов с повышенными конструкционными и функциональными свойствами для различных видов транспорта; фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воздуха, воды и ее опреснения.

Также эксперты отметили и другие направления вероятного усиления позиций России на мировых рынках: к примеру, путем создания космических систем на базе малоразмерных космических аппаратов (микро-, нано- и пикоспутники) и технологий их запуска и поддержания на целевых орбитах.

Желающие ознакомиться с полной версией проекта долгосрочного прогноза могут это сделать по адресам: www.strf.ru/attach/prognoz_.doc и http://www.mon.gov.ru/press/anons/5053/.

Мы планируем продолжить тему долгосрочного прогнозирования научно-технологического будущего России в следующих номерах.

P.S.

Редакция благодарит за комментарии по нанопродуктам кандидата физико-математических наук, заведующего кафедрой нанотехнологий Южного федерального университета Юрия Юзюка.