Становление наноиндустрии в КНР (часть I)

Исследования в области нанотехнологии в Китае были начаты в конце 80-годов ХХ века, когда несколько академических организаций страны заинтересовались ультрачистыми материалами. Интерес был также стимулирован разработкой перспективных инструментальных средств проведения исследований на наноразмерном уровне, в частности сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), что привело к созданию новых технологий и наноструктур с уникальными свойствами

.

Уже в 1990 году в стране начата реализация ориентированного на исследование материалов и рассчитанного на 10 лет проекта «Climbing Mountain»[1]. Вскоре к финансированию работ, связанных с развитием нанонауки, подключились Китайская академия наук (CAS), Национальный фонд естественных наук (NSFC), Государственная научно-техническая комиссия (SSTC). Работы, в частности, касались изучения атомного и молекулярного строения поверхности материалов и исследования их оптических и электронных свойств посредством прецизионного контроля строения структур на наноразмерном уровне [2].

• Китай также стал активно участвовать в международных конференциях, посвященных развитию нанонауки и нанотехники – с 1990 года в стране были проведены десятки международных и национальных конференций. Так, например, уже в 1993 году состоялась 7-я Международная конференция по сканирующей туннельной микроскопии, в 1996 – 4-я Международная конференция по наноразмерной науке и технике.

Резко возросло количество публикаций в области нанотехнологии: если в 2000 году было опубликовано 1197 работ, то в 2004 в свет вышло уже 4138 публикаций. Первая заявка на патент в области нанотехнологии в Китае была подана в 1986 году, а в октябре 2007 количество таких заявок на патенты составило 18629, причем примерно 30% из них были утверждены Государственным офисом интеллектуальной собственности Китая (SIPO). В 1999 году Министерство науки и техники КНР, предшественником которого была SSTC, приступило к реализации национального базового проекта «Наноматериалы и наноструктуры», в числе объектов которого – фундаментальные исследования таких материалов, как нанотрубки [3].

Результаты не замедлили сказаться:

• Ученые физического института CAS создали в 1996 году метод выращивания многостенных углеродных нанотрубок (УНТ), характеризующийся тем, что удалось контролировать как диаметр, так и их направленный рост. Эти особенности определяют свойства и технологический потенциал таких материалов. Эта же самая исследовательская группа в 1999 году синтезировала УНТ с самым маленьким в мире диаметром (0,5 нм).

• Сотрудники университета Tsinghua изготовили УНТ, которые после соответствующей термической обработки могут быть использованы в различных макроскопических объектах, например, в пуленепробиваемых жилетах, а также в изделиях, блокирующих электромагнитные волны.

• В институте исследования металлов CAS (г. Shenyang) в 2002 году обнаружены сверхпластичные свойства наноструктурированной меди, прочность которой на растяжение в 10 раз выше, чем у обычного аналога при сохранении электропроводности, сравнимой с этим параметром для чистой меди.

• Ученые Fudan университета разработали и продемонстрировали стратегию синтеза стабильных многокомпонентных материалов, таких, как например, смешанные фосфаты и оксиды металлов, а также бораты металлов, характеризующихся разнообразием пористых структур. Создание таких материалов может привести к появлению новых катализаторов, приборов фильтрации, появлению технологий, связанных с молекулярными взаимодействиями, возникающими на наноразмерных расстояниях [1].

• Отделы физики исследовательского центра в области нанотехнологии Foxconn университета Синьхуа и Пекинского университета в 2008 году провели совместную разработку термоакустического громкоговорителя на основе тонких пленок из УНТ. Выращенная на кремниевой пластине диаметром 100 мм суперсовмещенная УНТ-матрица может быть полностью преобразована в непрерывную тонкую пленку шириной 10 см и длиной 60 м, на которой в дальнейшем могут быть размещены около 500 громкоговорителей размерами 10х10 см. Это – прозрачные, гибкие и растягиваемые громкоговорители, которым могут быть приданы различные формы. Они могут монтироваться без пространственных ограничений на различных изолирующих поверхностях. Кроме того, тонкие пленки из УНТ могут использоваться в малогабаритных приборах – головных телефонах и устройствах звуковой сигнализации. Эксперты отмечают, что разработанная технология открывает возможности создания новых подходов для реализации громкоговорителей и других акустических устройств [4].

Следует отметить также ряд реализуемых в настоящее время программ в области нанотехники:

• Исследование микроструктур и физических свойств материалов на наноразмерном уровне (начата в 2002 г.).

Цель: поиск новых принципов, методологий и технических приемов снятия на наноразмерном уровне характеристик микроструктур, а также физических свойств наноструктур; разработка спектроскопии потерь энергии электронов, совмещенной с просвечивающей электронной микроскопией с высокими пространственным (2 А) и энергетическим (0,2 эВ) разрешениями; одномолекулярной вибрационной спектроскопии и криогенной сканирующей туннельной микроскопии с поляризацией спина.

• Свойства и применение наноразмерных материалов и структур (начата в 2005 г.).

Цель: разработка контролируемого синтеза нескольких видов наноматериалов и наноструктур, интеграция технических требований с процессами совместимости с ИТ, обеспечение базы для дальнейшего исследования наноматериалов и конструкций наноприборов; взаимосвязь микроструктуры и внутренних свойств материалов с точки зрения перспективности и потенциальных их применений.

• Нанотоксикологическое исследование синтезируемых наноматериалов (начата в 2006 г.).

Цель: исследование взаимодействий между наночастицами и биологическими барьерами, выяснение внутренних биологических маршрутов и способов проникновения наночастиц в человеческий организм, исследование их биологической активности; связанные с наночастицами абсорбция, распределение, метаболизм, выделения и их токсичность в организме; взаимосвязь между нанотоксичностью и наноразмерными характеристиками; моделирование биологической защиты от наноматериалов.

• Фундаментальные исследования в молекулярной электронике (начата в 2006 г.).

Цель: изучение материалов для молекулярной электроники на молекулярном уровне.

• Фундаментальные и прикладные исследования микроструйной техники в химии и биомедицине (начата в 2007 г.).

Цель: обеспечение высокопроизводительного, недорогого, низкорасходного химического синтеза в микроструйных каналах; теория микроструйной техники, технические приемы и методы отбора лекарств, диагностика болезней [1].

Организационная структура развития нанотехнологии Китая представлена на рис.1 [5]. (cм. Полную PDF-версию статьи)

• Нанотехнологическая отрасль промышленности Китая характеризуется высокими темпами роста. Общий объем рынка наноматериалов в 2005 году составил 513,5 млн. долл., а в 2006 – уже 601,5 млн. Ежегодный прирост этого рынка в последние шесть лет составляет 15%. В коммерческую деятельность с изделиями на базе нанотехнологии вовлечены около 1000 предприятий. Около 50% из них расположены в провинциях Пекина, Шанхая, Гуандонга, Джиангсу, Джеджианг. Основные продукты – наноразмерные порошки оксидов, УНТ, фуллерены, содержащие наноматериалы покрытия различных типов. Всего в Китае установлено более 30 линий по производству материалов с годовым выпуском, оцениваемым в 30 т. Другие продукты включают антибактериальные катализаторы и фотокатализаторы [1].

Основные фирмы и организации, выпускающие наноматериалы, представлены в табл.1 [6, 7].

• На рис.2 приведено распределение нанотехнологии по областям применения.
• На рис.3 приведены данные по распределению учреждений, выполняющих исследования и разработки в области нанотехнологии [1].

(Иллюстрации см. в Полной PDF-версии статьи)

В июле 2001 году Министерством науки и техники Китая по согласованию с Национальным комитетом развития и программ, Министерством образования, Китайской академией наук, Национальным комитетом фонда естественных наук был разработан план стратегии развития национальной нанотехнологии на период 2001–2010 годы [8].

В 10 пятилетнем плане (2001–2005) был сделан акцент на следующих моментах:

• усиление фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологии;
• исследование возможных применений нанотехнологии в зависимости от требований рынка и в соответствии с целями национального развития; содействие промышленному освоению нанотехнологии с акцентом на массовое производство, образование и исследования;
• создание нанотехнологического центра и активное формирование инновационной национальной нанотехнологической системы.

Основные задачи в сфере развития нанотехнологии:

• совмещение исследований и разработок с требованиями рынка;
• ускорение междисциплинарных исследований и разработок;
• поддержка фундаментальных и прикладных исследований с уделением особого внимания защите прав интеллектуальной собственности.

Намечаются следующие направления применения нанотехнологии.

Обработка материалов.

Ожидается, что будет обеспечено их экологически чистое массовое производство при низкой стоимости. Изобилие полезных ископаемых в Китае создает базу для развития инновационных наноструктурных и нанофункциональных материалов. Акцент сделан на разработке теплостойких высокопрочных и легких материалов, перспективных для использования в космической навигации и на транспорте. Серьезное внимание уделяется подготовке и обработке нанофункциональных материалов для применения в информационных технологиях, технике связи, медицинской аппаратуре, здравоохранении, для охраны окружающей среды.

• Другие области связаны с разработкой нанокатализаторов, нанодетергентов и веществ, поддерживающих горение с целью улучшения традиционных источников энергии; использованием нанотехники для очистки воздуха и обработки воды. Благодаря значительному сокращению количества выделяющихся нежелательных продуктов горения разрабатываемые технологии могут также улучшить использование традиционных источников энергии.

В план включены исследования по негативному воздействию нанотехнологии на окружающую среду, программы стимулирования использования нанотехнологии в таких отраслях промышленности, как химическое приборостроение, конструкционные материалы, текстильная промышленность.

• Особое внимание уделяется ускоренному выполнению междисциплинарных работ и объединению нанотехнологии с биотехнологией, биомедицинскими разработками и традиционной медицинской техникой. Цели работ: использование нанотехнологии для биологического обнаружения, диагноза и лечения болезней; подготовка высокоэффективной медицины; улучшение диагностики; разработка технологий для повышения сопротивляемости растений болезням и насекомым, обеспечения гибкой связи со средой; рост урожайности в сельском хозяйстве [9].

Изготовление и интеграция наносистем на кристалле.

• Нанотехнология позволит обеспечить устойчивое и воспроизводимое манипулирование атомами и самовыращивание структур, а также технологию создания сверхплотных устройств памяти, выполнение операций интеграции и герметизации при реализации наносистем на кристалле. Развитие многофункциональных систем с высокой степенью интеграции, обеспечивающих повышенные значения быстродействия и плотности хранения информации и снижение потребляемой мощности по сравнению с современными системами.

Планируется разработка наноэлектромеханических систем (НЭМС), систем для оптической обработки сигнала, оптоэлектронных приборов посредством совмещения традиционной технологии (top-down) и нанотехнологии (bottom-up), используя микролучевую обработку, технологии травления, физические, химические и биологические методы формирования рисунка.

• Признано, что использование сканирующей туннельной микроскопии и трехмерных измерений позволит определять характеристики отдельных молекул, наноструктур, а также параметры биохимических реакций в клетках.

В ходе выполнения десятилетнего плана правительство Китая осуществляло поддержку промышленной ориентации нанотехнологии, стимулировало корпорации, занимающиеся перспективными технологиями и построением производственной базы. За основу был взят принцип тесного сотрудничества между правительственными и научными организациями, университетами и промышленными фирмами с целью объединения усилий ученых, технологов, администраторов, производственников и финансистов, интегрирования технологического, промышленного и финансового капитала, совмещения промышленного механизма и рисковых инвестиций для ускорения индустриализации нанотехнологии и обеспечения экономического роста благодаря их использованию [9].

• По категории правительственного финансирования в 2005 финансовом году по текущему курсу валют Китай занимал пятое место. По категории финансирования по паритету покупательной способности Китай был на втором месте после США [10].

По статистическим данным, финансирование нанонауки и нанотехнологии в Китае возрастало из года в год и в 2005–2009 годах.

В этот же период, по крайней мере, 1536 проектов в названии имели слово «nanometer», а финансирование составило 680 млн. юаней [11].

В 11 пятилетнем плане (2006–2010) особый акцент сделан на стратегическую роль независимой инновационной деятельности.

Считается, что это может быть достигнуто при соблюдении пяти инициатив:

• Ускорение освоения технологических инновационных систем, что будет способствовать организации как базового, так и рыночного предприятия.
• Улучшение рыночной среды для технологических инноваций.
• Реализация политики, связанной с финансовыми, налоговыми, банковскими операциями и правительственной поддержкой.
• Использование мировых научно-технических ресурсов.
• Усиление мероприятий по защите авторских прав [12].

В табл.2 представлены 10 технологий, с которыми связываются наиболее вероятные прорывы в последующие 10 лет.

Как видно из табл.2, в области нанотехнологии намечено промышленное освоение интегральных схем с проектными нормами 90 нм и менее, развитие наноматериалов и нанотехнологии [12].

• В январе 2006 года в Китае состоялся научно-технический конгресс, на котором была принята программа среднесрочного и долгосрочного научно-технического развития (2006–2020). Были идентифицированы приоритеты и подтверждена цель увеличения инвестиций на исследования и разработки до 2,5% от ВВП к 2020 году (табл.3) [13].

Таблица 3. Затраты на исследования и разработки

Год Затраты на исследования и разработки (все источники, млрд. долл.) % от ВВП Государственное финансирование млрд. долл. % от общих затрат

2004 24,60 1,23 8,70 35

2010 45,00 2,00 18,00 40

2020 113,00 2,50  –  –

Финансирование осуществляется по четырем фундаментальным стратегическим программам, на выполнение которых уже выделены значительные суммы. По каждому из направлений на последующие 15 лет ожидается выделение более 1 млрд. долл. [13].

• Одно из этих направлений представляет нанотехнология. Считается, что освоение новых наноматериалов и нанооборудования – главная задача развития современных материалов. Основные проекты в области нанотехнологии включают базовые технологии наноэлектроники и нанобиологии, исследования, разработки и промышленное освоение новых функциональных материалов, развитие МЭМС на субмикронном уровне.
• Рынок нанотехнологических приборов и систем Китая, составлявший в 2005 году 5,4 млрд. долл., увеличится в 2010 году до 31,4 млрд.долл. и в 2015 – до 144,9 млрд. Их доля на мировом рынке превысит 6% в 2010 году и 16% – в 2015. Основные сегменты – наноматериалы, наноэлектроника, нанотехника для биологии и науки о жизни [14].

Естественно, для выполнения поставленных планов и реализации программ требуются значительные научно-технические и производственные ресурсы. По неполным статистическим данным, к выполнению планов и программ в области нанотехники в КНР привлекаются более 250 университетов, свыше 20 исследовательских институтов CAS и 300 промышленных предприятий с использованием труда свыше 6000 научных сотрудников [15].

В.Юдинцев

Литература

1. Research Report on Chinese High-Tech Industries. U.S. China Economic and Security Review Commission. Prepared by NSD Bio Group, LLC. January 2009

2. Ch. Bai. Abscent of Nanoscience in China. Science, 1 July 2005, v. 309, no. 5731, pp. 61–63.

3. C.L. Bai. Nanotechnology Centers in China. Asia Pacific Nanotech Weekly, 2004, v. 2, № 11.

4. X. Lin et al. Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers. Nano Letters., 2008, v. 8, № 12, pp. 4539–4545.

5. R.R. Appelbaum. China's Industrial Policy and its Impact on U.S. Companies, Workers and the American Economy. March 24, 2009. www.usscc.gov/hearings.

6. Nanomaterial Suppliers. www.nanowerk.com/…es_alist.php?…

7. World Largest Carbon Nanotube Manufacturing Plant With Annual Capacity of 500 tons Commissioned. www.nanowerk.com.

8. R.R. Appelbaum et al. China's (Not So Hidden) Developmental State: becoming a Leading Nanotechnology Innovator in the 21st Century.

9. H. Gu, Ju. Schulte. Scientific Development and Industrial Application of Nanotechology in China.

10. R.R. Appelbaum. Nanotechnology in a Global Context: The Case of China March 29–30, 2007.

11. China Nano Status. www.nanotechchina.org

12. D.F. Simon. China's Emerging Innovation Trajectory: Nanotechnology and the Role of the Year Medium to Long-Term S&T Plan. February 6, 2007.

13. H. Xin, G. Yidong. China Bets Big on Big Science. Science, 17 March 2006, v. 311, pp. 1548–1549.

14. Nanotechnology in China is focusing on innovations and new products. www.physorg.com.

15. Nanotechnology in China. www.aznano.com

Полная PDF-версия статьи (461 Кб)

«Наноиндустрия», Выпуск #2/2010, 46 – 53

http://www.nanoindustry.su/…article/1777