Т.Ф. Кайгородцева Наноматериалы и нанотехнологии в Казахстане

Т.Ф. Кайгородцева
Наноматериалы и нанотехнологии в Казахстане
Во второй половине ХХ века в лабораториях фирмы Bell был создан первый
транзистор, который ознаменовал начало эры информационных технологий. В 2005
году в лабораториях компании IBM был создан новый тип микроскопа, позволяющий
увидеть отдельные атомы и управлять отдельными электронами на так называемом
наноуровне – 10-9 м (1 нанометр) и ниже. В результате стало возможным при помощи
зондов перемещать отдельные атомы и конструировать из них материалы с
уникальными свойствами. Эти два открытия стали основой новой отрасли науки и
технологий – нанонаука и нанотехнологии. Нанотехнология – междисциплинарная
область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с
совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования,
анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с
заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования атомами и
молекулами. Согласно разъяснениям Нобелевского лауреата, академика РАН
Ж.И.Алферова, если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум
или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое
качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти
образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и
дальнейшую работу с ними к нанотехнологиям [3]. Подавляющее большинство новых
физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц
(электронов и т.д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики.
Технологии от метровой до микрометровой можно считать классическими. Однако
классические законы перестают работать при размерах объектов менее 0,5 мкм
(менее 500 нанометров). Здесь начинается территория, подвластная квантовым
законам. Именно там осуществляются нанотехнологии [3]. В настоящее время во
всем мире имеется 10-12 стран-лидеров в области нанотехнологий [5]: – США
является лидером по совокупности критериев; – Израиль – специфический лидер: эта
страна обладает очень высоким уровнем НИОКР и развитой инновационнофинансовой сферой, включая венчурные фонды, но при этом объем производства
инновационной продукции не высок, поскольку, как правило, производство такой
продукции израильтяне размещают за рубежом; – на Тайване, наоборот, с
фундаментальной наукой прорыва нет, зато остров вносит значительный вклад в
мировое производство жидкокристаллических экранов и плазменных панелей; – в
Европе лидируют Франция, Германия, в меньшей степени Англия, в Скандинавии —
Финляндия; – Китай славится колоссальными инвестициями – бюджетными и
частными, в значительной степени зарубежными. Он создает инфраструктуру для
наноиндустрии и закладывает почву для мощного рывка. Через 5-10 лет Китай в этом
плане может выйти на уровень технологического развития США, а возможно, даже и
превзойдет его; – в Республике Корея, в конце 1960-х годов директивным порядком
была создана своя микроэлектроника. В настоящее время Южная Корея экспортирует
свою высокотехнологичную продукцию на 200 млрд. долларов в год. В соответствии с
Протоколом заседания Высшей научно–технической комиссии при Правительстве
Республики Казахстан от 29 января 2007 года № 24–5/007–526 приоритетными
направлениями инвестиционной деятельности Общества являются: – нанотехнологии
и новые материалы; – биотехнологии; – технологии для углеводородного и горно–
металлургического секторов и связанных с ними сервисных отраслей; – ядерные
технологии и технологии возобновляемой энергетики; – информационные и
космические технологии [6]. Перед казахстанской нанотехнологией стоит задача
найти свое место в международном разделении труда, не вступая в конкуренцию на
заведомо проигрышных направлениях, получивших развитие в других странах.
Наступление по всему фронту исследований лишено смысла. Необходимо
концентрировать усилия на прорывных направлениях, базирующихся на достижениях
отечественных научных школ. В Казахстане есть научные коллективы, занимающиеся
проведением исследований в области нанотехнологий и смежных дисциплин. Это
исследования в области нанокластеров и наноструктур полупроводниковых и
металлических систем, разработки в области наноразмарных катализаторов,
сенсорных наноструктурных материалов и углеродных наноструктур. В стране
создано 5 национальных и 15 инженерных лабораторий. Только на создание
лабораторий при КазНУ им. Аль-Фараби потрачено около трех миллионов долларов.
Было закуплено дорогостоящее оборудование, настолько уникальное, что образцы
для исследования в лабораторию привозят даже россияне. Стены в лаборатории
покрыты металлической сеткой для уменьшения влияния электромагнитных полей,
которые могут негативно воздействовать на процесс измерения. Начиная с 2003 года,
исследования наноструктур проводятся по программе фундаментальных
исследований МОН РК. С 2006 года прикладные исследования по наноматериалам и
нанотехнологиям финансируются Министерством индустрии и новых технологий.
Одно из таких направлений исследований связано с физической химией полимеров.
КазНУ им. Аль-Фараби и Алматинским институтом энергетики и связи (АИЭС)
сформулирована казахстанская инициатива в области наноэлектроники,
свидетельствующая о том, что Казахстан реально может претендовать на
собственное место в международном разделении труда в данной сфере: имеется ряд
разработок, объединенных общей идеей – логическими элементами молекулярного
уровня. Руководитель отечественной нанотехнологической школы профессор
Григорий Мун и его ученик Валерий Хуторянский, работающий в Англии, занимают
две первые позиции в мировом рейтинге Institute of Scientific Information (США) среди
ученых в области интерполимерных комплексов, на основе которых развивается
отечественная нанотехнология, создавшая, в частности, принципы
функционирования нанороботов медицинского назначения [2]. Исследовательская
группа Г. Муна ввела в научный оборот термин «инновационный кластер».
Подразумевается, что «длинные» инновации, т.е. те, что могут принести отдачу
только через много лет, и обеспечивают фундаментальность исследований, должны
сопровождаться и проверяться «короткими». Профессора Г. Мун и И. Сулейменов
(АИЭС) считают: «Если ориентироваться только на «короткие» инновации, мы придем
к тому, к чему сейчас привела мир англосаксонская модель образования и науки,
принятая в США и в итоге отправившая всех нас прямо в объятия кризиса. В то же
время, если ориентироваться только на «длинные», то существует неоднократно
доказанный историей риск «поставить не на ту лошадь» … Только разумное
сочетание «коротких» и «длинных» инноваций может объективно способствовать
развитию науки именно как цивилизационного стержня» . Понятие «инновационный
кластер» помогает снять указанные противоречия – «длинные» инновации должны
проверяться и подкрепляться «короткими» (прикладными исследованиями). Новые
информационные технологии на основе гидрофильных полимеров являются
примером формирования инновационного кластера, в котором имеется стержневая
идея или сверхзадача, относящаяся к достаточно отдаленной перспективе – создание
компьютера, логические операции в котором будут выполняться на уровне
фрагментов макромолекул. На пути решения указанной сверхзадачи реализуется ряд
более простых проектов, внедрение которых способно принести экономическую
выгоду уже сегодня, которая станет источником финансирования развития
соответствующей инфраструктуры. Примером таких проектов являются созданные
магистрантами КазНУ и АИЭС телеэкраны и принтеры, функционирующие на новых
физических принципах, основанных на нанотехнологических эффектах.
Исследования в области нанотехнологий проводятся не только в г. Алматы, но и в
регионах. Одним из ведущих казахстанских центров нанотехнологий и получения
новых материалов является восточный, горно-металлургический регион страны, в
котором ведется разработка и реализация ряда прорывных проектов. Еще в 1995 году
нанотехнология сверхизмельчения, уникальные мельницы-механоактиваторы и
продукция в виде нанодисперсных и наноструктурных порошков были представлены в
г. Усть-Каменогорске Президенту РК Н.А.Назарбаеву, который одобрил результаты
многолетней работы и дал соответствующие поручения по развитию инновационной
нанотехнологий сверхизмельчения материалов как соответствующей высшему
мировому уровню. Нанотехнология сверхизмельчения не имеет мировых аналогов.
Ее можно использовать, в частности при переработке зерна с целью получения муки (
пшеничной, ржаной, кукурузной и т.п.). Нанотехнология "SB: Сверхизмельчение
Башкирцева" дает возможность перерабатывать цельное зерно в цельносмолотую
наноструктурированную муку моментального приготовления с целебными
свойствами. В сверхизмельченных, цельносмолотых с оболочками зернах крахмал
целиком трансформируется в растворимые формы, сохраняется полноценный набор
пищевых волокон, минеральных веществ (фосфор, калий, магний, кальций, железо,
медь, цинк и др.) и витаминов (групп В, С, PR E, В-каротина, провитамины А). В
результате обработки по технологии сверхизмельчения продукт сразу же на 100%
полностью усваивается организмом человека без дополнительного приготовления [3].
В Усть-Каменогорске для эффективной реализации нанопроектов на базе ВосточноКазахстанского государственного технического университета (ВКГТУ) имени Д.
Серикбаева совместно с признанными в мире лидерами – японскими фирмами JEOL
и Interactive Corporation создан учебно-научно-консультационный и сервисный центр
по электронной микроскопии и нанотехнологиям. Центр призван вести подготовку и
переподготовку специалистов, проведение научных исследований и оказание
сервисных услуг для организаций Казахстана, Центральной Азии и Западной Сибири.
В ВКГТУ работают научно-исследовательский институт по нанотехнологиям и новым
материалам, проектный научно-исследовательский институт строительной индустрии,
а также региональная учебно-научно-исследовательская инженерная лаборатория
«IРГЕТАС» по направлению «Высокие технологии получения новых материалов на
основе комплексного использования ресурсов горно-металлургической
промышленности». Лаборатория укомплектована научным оборудованием и
приборами мирового уровня, приобретенными у ведущих производителей Японии,
США и Голландии, и имеет статус открытой лаборатории. Ученые университета ведут
исследования по природным наноминералам, технологии извлечения природных
углеродистых наночастиц, нанотехнологии вскрытия руд цветных и благородных
металлов, нанопленкам и нанопокрытиям, нанотехнологиям получения технической
керамики на основе соединений редких металлов и т.п. В настоящее время развитие
металлургического кластера невозможно представить без нанотехнологий.
Непрерывно возрастает роль порошковых и композиционных материалов. В данной
сфере казахстанские ученые имеют солидный задел в технологиях получения новых
нанокомпозитных покрытийдля увеличения срока службы конструкционных
материалов, легированных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для
высокопрочных и теплостойких деталей машин и механизмов, получения особо
чистых порошков цветных и редких металлов, получения полупроводниковых
материалов для солнечной энергетики и электронной техники [1]. В результате
проведенных исследований на востоке Казахстана предприятием «Альтрейд»
налажено серийное производство технической керамики на основе соединений
редких металлов. Новая продукция имеет экспортно-ориентированный характер и
поставляется в Россию, Украину, Беларусь, Польшу, Израиль, Индию. В УстьКаменогорске в рамках госпрограммы «30 корпоративных лидеров» реализуется
проект по созданию высокоемких порошков из тантала. Визуально образец продукции
с наноструктурой выглядит «серой мышкой». Но неприметные крупинки,
обработанные специальным методом, позволяют создать в одном грамме вещества
свыше 4 кв. метров поверхности. В результате колоссальная емкость в единице
массы гарантирована. Специальные методы, используемые в технологическом цикле,
обеспечивают длительное сохранение заряда при работе конденсатора в
электрической схеме. Из 0,5 граммов высокоемкого танталового порошка с
наноструктурой можно создать конденсатор, который накопит такой же электрический
заряд, как условная сфера с диаметром, равным диаметру Земли. Это позволяет
использовать порошки при производстве сверхминиатюрных конденсаторов, которые
не только отвечают требованиям современной электроники, но и уменьшают расход
тантала, который является весьма дорогим металлом. Срок службы таких
электролитических конденсаторов на его основе превышает 12 лет. Они
используются при производстве компонентов для мобильных телефонов,
компьютеров, аудио- и видеотехники, в автомобильной промышленности, военнопромышленном комплексе. Жаропрочность, пластичность, сверхвысокая
устойчивость к коррозии делают их востребованными в химической отрасли, ядерной
энергетике, в аэрокосмической технике, в медицине. В результате реализации
проекта по организации производства высокоемких танталовых порошков АО «УМЗ»
решает одновременно несколько задач: – инновационные – разработка и внедрение
новых технологий, в том числе содержащих know-how, является базой для
продвижения в новую сферу нанотехнологий; – экономические – производство
продукции с высокой добавленной стоимостью; – коммерческие – поставки на
мировой рынок ликвидной продукции с высоким уровнем рентабельности; –
социальные – реализация проекта сопровождается созданием до 145 рабочих мест; –
стратегические – реализация данного проекта является необходимым условием по
созданию стратегического вертикально интегрированного альянса, включающего
добычу сырья, его переработку и изготовление готовой продукции [6]. Несмотря на
очевидные преимущества нанотехнологий, по мнению экспертов, существуют и не
решенные вопросы, отсутствие адекватного ответа на которые сдерживает их
разработку и внедрение: – появление новых заболеваний связанных с
проникновением наночастиц в организм человека. Токсичность наночастиц; – влияние
наночастиц на генетический аппарат человека, животных и растений; – появление
новых технологий изготовления наночастиц и систем контроля этих объектов; –
изменение эффективности нанолекарств; – проблемы реализации нанопродуктов для
населения (реклама, оповещение о свойствах и последствиях применения). Права и
обязанности госорганов и частного бизнеса в обеспечении безопасности применения;
– нанотерроризм, нановойна; – нанообман; – создание систематики наночастиц; –
создание системы образования специалистов по внедрению нанотехнологий; –
формирование стоимости нанопродуктов; – утилизация наноотходов; – разработка
понятийного аппарата доступного всем людям, сталкивающимся с наноматериалами:
инженерам, врачам, биологам, рядовым потребителям; – решение правовых
вопросов связанных с разработкой и применением наноматериалов; – создание
системы оценки перспектив внедрения нанотехнологий [7].