Основа нанотехнологий - фундаментальная наука

04.12.2008

Источник: Инженерная газета



Академик Жорес Алферов, лауреат Нобелевской премии, вице-президент РАН, председатель Комиссии РАН по нанотехнологиям

В последние годы много говорят о нанотехнологиях. И это не удивительно: по прогнозам большинства экспертов именно развитие нанотехнологий определит облик XXI столетия, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора сформировали лицо века ХХ-го. В настоящее время это — весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук.

Однако, несмотря на значительные достижения, энтузиазм исследователей, все увеличивающееся финансирование этой области и довольно короткие сроки современного промышленного освоения научных разработок в развитых странах (10—15 лет), вряд ли можно рассчитывать, что эра нанотехнологий наступит раньше середины текущего века. Хотя отдельные разработки достаточно широкого использования, несомненно, будут появляться и уже имеются на рынке.

Если мы посмотрим на современный рынок нанопродукции, то увидим, что более 90% его занимают нанопорошки (начали применяться еще в 50-х годах прошлого века, правда, до нанобума они назывались ультрадисперсными), нанокатализаторы и нанопористые материалы (фильтры). Однако, наиболее заманчивые и многообещающие приложения нанотехнологий, о которых обычно и идет речь, когда говорят о выдающихся перспективах этой области, находятся еще в стадии фундаментальных исследований.

Имеется ввиду развитие и широкое использование нанотехнологий (хотя этого понятия тогда еще не было) в духе знаменитой фейнмановскои лекции «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» (декабрь 1959 г.).

Элементарными кирпичиками для строительства любого вещества являются атомы и молекулы. «Изделие» с размерами наномасштаба может быть «собрано» из них, если уложить нужные атомы в правильном порядке. При этом, на наш взгляд, не так уж важна конкретная технология такой сборки (это может быть эпитаксиальное выращивание, самоорганизация, химические или биохимические реакции и пр.). Решающим здесь является умение конструировать «наноизделия» с определенными свойствами или функциями, обладание технологиями, которые позволяют с атомной точностью изготовить это «изделие», а также методами комплексной диагностики, включая контроль в процессе изготовления (in situ). И управление на его основе технологическим процессом.

Нанотехнологии такого уровня пока имеются, в основном, лишь в отдельных научных лабораториях. Они базируются на новейших результатах фундаменальных исследований. Более того, последние здесь играют ключевую роль. Исследование физико-химических процессов, разработка

методов конструирования, диагностики и исследования наноструктур, наноматериалов и нано-устройств, изучение их свойств и новых явлений, возникающих на наноуровне, — по большей части являются и еще долгое время будут оставаться предметом фундаментальных или ориентированных фундаментальных исследований.

Поэтому, если мы хотим в области нанотехнологий и наноиндустрии двигаться в ногу с развитыми странами, то первостепенное внимание должны сосредоточить на фундаментальных исследованиях. Они должны иметь оснащение и выполняться на самом современном уровне. В противном случае мы рискуем не только оказаться на обочине длинной нанотехнологической дороги, но и, в скором времени, перестанем на должном уровне понимать мировые достижения в этой области.

Сказанное, однако, не означает, что усилия по организации производства и освоению рынка для продвинутых в практическом плане разработок должны быть ослаблены.

Следует отметить еще одну важную проблему которую придется решать для успешного развитие наноиндустрии. Дело в том, что при переходе к системам нанометрового масштаба начинают отчетливо проявляться квантовые эффекты. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые явления (размерное квантование, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) играют ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе.

Проявляются они и в технологических процесса в химических реакциях, поскольку межатомное взаимодействие имеет квантовый характер. Таким образом, от будущих нанотехнологов потребуется умение мыслить квантовомеханическими категориями, существенно отличающимися от классических представлений. Это означает, что существенной перестройки потребует инженерное образование — его будут осваивать с упором на фундаментальные дисциплины.

Фундаментальные исследования и их материальное обеспечение имеет принципиальное значение для развития нанотехнологий и наноиндустрии. Сейчас часто высказывается мнение, что в области нанотехнологий у нас одинаковые стартовые позиции с передовыми странами. Это — опасное заблуждение. Хотя мы и располагаем высококвалифицированными кадрами и занимаем передовые позиции на ряде направлений, необеспеченность современным технологическим, диагностическим и исследовательским оборудованием не позволяет в достаточной м реализовать имеющиеся возможности.

В последний раз более или менее массовое обновление парка научного оборудования проводилось около 20 лет назад при реализации Государственной программы СССР «Высокотемпературная сверхпроводимость». К тому же, исследования на западе многих направлениях начаты раньше. И ведутся значительно более широким фронтом.

Казалось бы, сейчас не о чем беспокоиться. В последние годы руководство страны, осознавшее жизненную необходимость развития нанотехнолий предпринимает значительные усилия по организации на государственном уровне работ в этой области. Созданы Правительственный совет по высоким техлогиям и Госкорпорация «Роснанотех», выделяются значительные финансовые средства. Однако, складывается впечатление, что роль фундаментальных исследований в развитии нанотехнологий государственными органами недооценивается.

Минобрнауки фундаментальные исследования практически не финансирует. Фундаментальные исследования в области нанотехнологий ведутся за счет средств соответствующих ведомств. Центральное место в развитии фундаментальных исследований в нашей стране традиционно принадлежит Российской академии наук.

В 2008 г. по программам фундаментальных исследований Президиума и Отделении РАН финансирование нанотехнологических проектов составляло около 100 млн рублей (не считая базового финансирования на зарплату и коммунальные платежи), финансирование также осуществлялось по проекту Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и международным проектам.

Анализ показывает, что такое финансирование почти на два порядка меньше, чем требуется для чтобы обеспечить современный уровень фундаментальных исследовании и их развитие, необходимых для становления отечественной наноиндустрии. Справки: только в Федеральном бюджете США на работы, выполняемые в рамках «Национальной нанотехнологической инициативы», выде около 1,3 млрд долл. Из них 401 млн долл. (с 31 %) — на фундаментальные, 250 млн долл. (20% на работы по наноматериалам, 164 млн долл. (13 на приобретение исследовательского оборудование.

Такое положение дел представляется совершенно недопустимым. На наш взгляд, должна быть создана Национальная программа фундаментальных исследований в области нанотехнологий с целевым финансированием из федерального бюджета, сопоставимым с финансированием соответствующих программ в развитых странах, и соответствующими капиталовложениями. Только в этом случае мы сможем расчитывать на успешное и конкурентоспособное развитие отечественной наноиндустрии.

К настоящему времени Комиссией РАН по нанотехнологиям разработана программа фундаментальных исследований Российской академии наук «Нанотехнологии», которая одобрена Общим собранием РАН. К разработке программы, помимо членов Kомиссии, были привлечены ученые, активно работающие в области нанотехнологий. Рассмотрены около тысячи предложений, полученных из более 100 институтов РАН. Анализ полученных предложений показывает, что в РАН работы в области нанотехнологий oxватывают широкий круг проблем. И их уровень, в целом достаточно высок.

Выбор основных направлений исследованиий при формировании программы основывался на современных достижениях и тенденциях развития мировой науки, значимости ожидаемых результатов и перспектив практического использования. А также с учетом задела, имеющегося в российских научных организациях. Программа включает в себя шесть таких разделов как: Физика наноструктур, Наноэлектроника, Наноматериалы, Нанобиотехнологии, Нанодиагностика и Образование.

К выполнению Программы фундаментальных исследований РАН предполагается привлечь в качестве соисполнителей около 60 неакадемических организаций, предприятий и вузов. По существу, разработанная Программа может служить основой Национальной программы фундаментальных исследований в области нанотехнологий.

Следует подчеркнуть, что необходимым современным оборудованием должна быть обеспечена каждая эффективно работающая научная группа, выполняющая один из проектов программы, поскольку его использование для конкретных исследований часто имеет специфический характер. Центры коллективного пользования здесь проблему не решают, хотя они и полезны для выполнения более или менее стандартных измерений (например, для диагностики и тестирования). Или для работы на уникальных сверхдорогостоящих установках, созданных в единичных экземплярах.

Обычным же оборудованием исследователи, как принято и у нас, и в мировой практике, должны пользоваться на своем рабочем месте, хотя современное оборудование, как правило, стоит дорого. Другое дело, что оно должно использоваться максимально эффективно.

В этом году начала действовать весьма нужная Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008—2010 г.». Хотя большая часть работ в области нанотехнологий и наноматериалов в нашей стране выполняется в РАН, эта программа разрабатывалась без участия РАН. И РАН не фигурирует в ней как государственный заказчик. Другие же ведомства, где ведутся подобные работы, в этой роли в ней представлены.

Причины, по которым исследовательские организации РАН исключены из инфраструктуры наноиндустрии России (в эту программу включен лишь Институт металлургии РАН), нам не известны. Однако такое решение организаторов программы выглядит, по меньшей мере, странным.

На современном этапе прикладные исследования и разработки часто (хотя и далеко не всегда) являются естественным продолжением фундаментальных исследований. Более того, далеко не всегда можно провести грань между первыми и последними. По образному выражению британского физика Д. Портера все научные исследования — прикладные, только часть уже нашла приложения, а часть найдет их в будущем.

Разработанная Комиссией РАН по нанотехнологиям программа, является, прежде всего, программой фундаментальных исследовании. Вместе с тем она, включает в себя и работы прикладного характера, ряд из которых уже в ближайшее время может быть доведен до промышленного использования. В настоящее время Комиссия РАН по нанотехнологиям рассматривает несколько крупных «сквозных» проектов, включающих в себя все стадии работ—от фундаментальных исследований до организации опытного производства.

Для реализации таких проектов предполагается создать распределенные (виртуальные) лаборатории, работа каждой из которых подчинена единой цели. И охватывает всю цепочку исследований и разработок по проекту (от фундаментальных исследований до организации производства). При этом научные группы, входящие в такие лаборатории и выполняющие конкретные задачи, продолжают работать в своих организациях. Лаборатории такого рода также предполагается создавать для решения крупных научных задач и выполнения междисциплинарных исследовании в рамках Программы РАН «Нанотехнологий».

В заключение — несколько примеров результатов фундаментального и прикладного характера, полученных российскими учеными и разработчиками за последние годы. В области физики наноструктур и наноэлектроники отметим получение листов графена и исследование его электронных свойств, показавшее, что носители заряда в графене обладают нейтриноподобным электронным спектром (ИПТМРАН).

Осуществлено первое надежное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации пространственно непрямых экситонов в двухъямных наноструктурах (ИФТТ РАН), разработка так называемой принц-технологии и создание нового класса периодических наноструктур для квантовых приборов (ИФП СО РАН), беспороговых полупроводниковых инжекционных лазеров на квантовых точках, полупроводниковых лазеров рекордной мощности на основе асимметричных гетероструктур и светодиодов белого света (ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН), матричных фотоприемников ИК излучения и микроволновых полевых транзисторов (ИФП СО РАН), широко-диапазонных магниторезистивных сенсоров (ИФМ УрС РАН).

В области наноматериалов можно назвать разработку высокоресурсных углепластиков со специальными свойствами.

Заметим, что в основе многих современных научно-технологических достижений лежат результаты исследований, начатых тридцать и даже более лет назад. Будем надеяться, что государственные органы оценят, наконец, должным образом определяющую роль фундаментальных исследований для развития в стране наноиндустрии. И в этой области мы будем двигаться в ногу с развитыми странами.



©РАН 2018