Обзор ведущих страновых инициатив в области нанотехнологий

Описание истории возникновения и целей наноинициатив США и Германии

Национальная нанотехнологическая инициатива США

• Попытки координирования федеральной деятельности в области нанотехнологий начались в ноябре 1996 года, когда сотрудники нескольких агентств (министерств, ведомств) решили организовывать регулярные встречи для обсуждения своих планов и программ в области нанонауки и нанотехнологий. Такая организация существовала неформально до сентября 1998 года, когда была создана Межведомственная Рабочая Группа по Нанотехнологиям (Working Group on Nanotechnology – IWGN) при Национальном Совете по Науке и Технологиям (National Science and Technology Council – NSTC). Данная группа спонсировала многочисленные встречи и исследования, посвященные состоянию дел в нанонауке и нанотехнологиях, а также прогнозам развития области. Кроме того, эта группа опубликовала 2 работы в 1999 г. (Nanostructure Science and Technology: A Worldwide Study, Nanotechnology Research Directions), которые показали, что необходимо выводить нанонауку и нанотехнологии в ранг национальной инициативы.

Таким образом, в США Национальная Нанотехнологическая Инициатива (the National Nanotechnology Initiative — NNI) была организована в 2001 году. Кроме того, рабочая группа была заменена на специальный комитет при президенте, координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и военных ведомствах (Nanoscale Science, Engineering and Technology (NSET) Subcommittee). Этот комитет был основан как часть Комитета по Технологиям в Национальном Совете по Науке и Технологиям (Committee on Technology – CT), состоящий из представителей федеральных органов, ведомств и министерств. В дополнении к этому был создан Национальный Координационный Офис по Нанотехнологиям (The National Nanotechnology Coordination Office – NNCO), служащий секретариатом этого комитета, а также сопровождающий его исследования в области нанотехнологий. Таким образом, NNCO является контактным лицом федеральных властей (по NNI) по отношению к другим государственным и академическим органам и ведомствам, международным организациям и др.

• С 2003 года программа исследований в рамках наноинициативы США включает решение проблем нанотехнологий как в фундаментальном, так и в прикладном направлениях с выделением свыше тысячи поисковых тем. В 2011 году бюджет в рамках NNI составит 1,8 млрд. долл., а инвестиции в рамках NNI увеличиваются каждый год. Общие инвестиции с 2001 по 2011 гг. включительно составляют уже 14 млрд. долл. Бюджет NNI 2011 года предполагает проведение НИОКР в области нанонауки и нанотехнологиях в 15 агентствах. Наиболее крупные инвестиции получают следующие из них: 1) DOE – Department of Energy; 2) NSF – National Science Foundation; 3) NIH – National Institutes of Health (DHHS – Department of Health and Human Services); 4) DOD – Department of Defense; 5) NIST – National Institute of Standards and Technology (DOC – Department of Commerce). Участие остальных агентств с каждым годом увеличивается за счет прикладных исследований в рамках NNI: 1) NASA – National Aeronautics and Space Administration; 2) EPA – Environmental Protection Agency; 3) USDA (NIFA) – U.S. Department of Agriculture; 4) DHHS (NIOSH) – Department of Health and Human Services; 5) USDA (FS) – U.S. Department of Agriculture; 6) DOJ – Department of Justice; 7) DHS – Department of Homeland Security; 8) DOT (FHWA) – Department of Transportation.

Таким образом, для реализации NNI характерен широкий охват, т.к. нанотехнологии имеют потенциал практически в любой области (подобно интернету), что выражается в огромных масштабах взаимодействия среди: ведомств (всего 25, из которых 15 имеют свой бюджет исследований), регионов (штатов, многие из которых приняли собственные наноинициативы), частных компаний, академических учреждений и др.

• Согласно NNI Strategic Plan 2011, общее видение результатов данной инициативы – это будущее, в котором возможности понимания и контролирования свойств материалов на наноуровне приведут к революции в технологиях и промышленности, имеющей исключительно положительное влияние на жизнь общества. При этом основные задачи NNI остаются неизменными с начала ее реализации и включают следующие направления деятельности:
• Разработка программы НИОКР мирового класса
• Содействие внедрению новых технологий в продукты коммерческой и общественной важности
• Поддержка и развитие образовательных ресурсов и квалифицированной рабочей силы, а также создание инфраструктуры и инструментов для продвижения нанотехнологий
• Поддержка ответственного отношения к развитию нанотехнологий

Среди составляющих программы деятельности NNI выделяют 8 предметных областей нанотехнологий, которые идентифицированы согласно проводимым и запланированным НИОКР и проектам в области нанотехнологий. Такое разделение обеспечивает организацию деятельности в рамках NNI.

1. Фундаментальные наноразмерные явления и процессы

Открытие и развитие фундаментальных знаний, относящихся к новым явлениям на наномасштабе в физических, биологических и инженерных науках. Объяснение научных и инженерных принципов, имеющих отношение к наномасштабным структурам, процессам и механизмам.

2. Наноматериалы

Исследования, направленные на открытие новых наномасштабных и наноструктурированных материалов, а также всеобъемлющее понимание свойств наноматериалов (изменения в диапазоне линейных масштабов, включая механизмы взаимодействия). Проведение НИОКР с целью получения возможностей контролируемого конструирования и синтеза наноструктурированных материалов с целевыми свойствами.

3. Наномасштабные устройства и системы

Проведение НИОКР, в которых используются принципы науки и инжиниринга на наномасштабе для создания (или улучшения существующих) устройств и систем. Использование наномасштабных и наноструктурированных материалов для достижения улучшенных показателей производительности или новых функциональных свойств. При этом внедряемые технологии и научные достижения должны быть наномасштабными, а получаемые устройства и системы не ограничены в размерах.

4. Инструментальные исследования, метрология и стандарты для нанотехнологий

НИОКР, которые относятся к инструментам, необходимым для продвижения исследований и коммерциализации в области нанотехнологий, включая инструментальное обеспечение следующего поколения, используемое для определения характеристик, измерений, синтеза и разработки материалов, структур, устройств и систем. НИОКР и другая деятельность, связанные с разработкой стандартов, включая стандарты номенклатуры, характеристик материалов, тестирования и производства.

5. Нанопроизводство

НИОКР, направленные на запуск масштабируемого, надежного и рентабельного производства наномасштабных материалов, структур, устройств и систем. НИОКР по интеграции ультра-миниатюризированных нисходящих процессов и усложняющихся восходящих процессов (самосборка).

6. Основные исследовательские центры и приобретение инструментов

Создание объектов коллективного использования, приобретение основных инструментальных средств и другая деятельность, направленная на развитие, поддержку и усиление национальной научной инфраструктуры для проведения наномасштабных научных, инженерных и технологических НИОКР.

7. Окружающая среда, здоровье и безопасность

Исследования, в основном направленные на понимание влияния развития нанотехнологий на окружающую среду, здоровье и безопасность, а также получение оценки соответствующих рисков, риск-менеджмент и методы снижения рисков.

8. Образование и социальные вопросы

Деятельность в области образования, в том числе разработка материалов для школ, учебных программ, технических тренингов и общественных коммуникаций (охват и привлечение). Исследования, направленные на идентификацию и количественную оценку широкого диапазона влияния нанотехнологий на общество, включая социальные, экономические, образовательные, этические, законодательные вопросы, а также вопросы трудовых ресурсов.

• Для ускорения развития нанотехнологий в рамках NNI идентифицировали отдельный набор областей, в которых возможны значительные улучшения или даже прорывы посредством тесного и таргетированного сотрудничества. Такое сотрудничество планируется наладить в рамках отдельных ключевых нанотехнологических инициатив, которых на настоящий момент принято 3:

1. Нанотехнологии в получении и преобразовании солнечной энергии:

• Соответствует президентским приоритетам США по развитию углерод-нейтральных альтернативных источников энергии для предотвращения глобального потепления, уменьшения зависимости от нефти, улучшения экономики и окружающей среды.

• Включает направления: 1) улучшенная генерация солнечной энергии в фотовольтаике; 2) улучшенная генерация и конверсия солнечной термической энергии; 3) улучшенная конверсия солнечной энергии в топливо.

2. Устойчивое нанопроизводство – создание промышленности будущего:

• Соответствует требованиям NNI в развитии подходящих производственных технологий для экономически эффективного и надежного производства продуктов, основанных на нанотехнологиях в коммерческих масштабах.

• Включает направления: 1) разработка масштабируемых и устойчивых наноматериалов, компонент, устройств и процессов; 2) технологии измерений в нанопроизводстве.

3. Наноэлектроника до 2020 года и далее:

• Соответствует необходимости развития полупроводниковой промышленности, как основного драйвера современной экономики США, а также для дальнейшего выполнения закона Мура, выражающего не только возможности полупроводниковой индустрии, но увеличивающиеся потребности в вычислительных мощностях.

• Включает направления: 1) исследование новых или альтернативных переменных состояния для программирования; 2) появляющаяся нанофотоника совместно с наноэлектроникой; 3) исследование углеродной наноэлектроники; 4) использование наномасштабных процессов и явлений для науки о квантовой информации; 5) Национальное Исследование Наноэлектроники и Производственной Инфраструктуры.

Наноинициатива Германии

• Правительство Германии поддерживало развитие нанотехнологий в стране с 80-х годов, и настоящее время Германия является ведущим игроком в области нанотехнологий в (Западной) Европе как по объёмам финансирования, так и по числу компаний и исследовательских центров (НИИ). Федеральное правительство потратило 330 млн. евро в 2006 году. Эти средства распределяются через сеть НИИ (Fraunhofer, Max Planck и Leibniz) и университеты. Эти институты являются эффективными посредниками между учёными/исследователями, занимающимися фундаментальными НИР, и промышленностью, помогая трансформировать результаты этих фундаментальных НИР в коммерческие продукты.

Помимо государственных учреждений и ведомств, исследования и разработки активно финансируют также такие организации, как BMBF, Фонд науки DFG, общество Фраунгофера ( Fraunhofer Geselschaft), институты Макса Планка (Max Planck institutes), Фонд «Фольксвагена» (Volkswagen Foundation) и фонды немецких земель (German States).

В Европе Германия является ведущей нанотехнологической страной и занимает, при сравнении в мировом масштабе, по реализации в экономике третье место после США и Японии. Примерно 950 предприятий в Германии занимаются на различных ступенях цепочки создания стоимости, разработкой и маркетингом нанотехнологических продуктов, методов и услуг, причем с нарастающей тенденцией. Доля участия инновационных малых и средних предприятий и недавно созданных предприятий (стартапов) составляет примерно 80 %. Более чем 60 000 рабочих мест в промышленности в Германии свзяано от нанотехнологиями. В 2007 г. оборот по нанотехнологиям, достигнутый в мировом масштабе базирующимися в Германии предприятиями, составил около 33 млр.евро.

Для того чтобы комплексно использовать потенциал нанотехнологий в Германии, Федеральное правительство представило «План действий в области нанотехнологии до 2015 года», который образует совместную платформу для безопасного, постоянного и успешного обращения с нанотехнологиями во всех ее гранях.

Федеральное правительство Германии поставило перед собой цели:

• Содействие с помощью нанотехнологий росту (производства) и инновациям в Германии.

• Обеспечение безопасности и устойчивости в области нанотехнологий

• Использование потенциала нанотехнологий в образовании и научных исследованиях.

• Исчерпывающее использование потенциалов нанотехнологии при решении глобальных сверхзадач.

Таким образом, Федеральное правительство Германии хочет:

• обеспечить вклад нанотехнологии в защиту окружающей среды и климата, надежное энергоснабжение, в также в построение научно обоснованной биоэкономики;

• использовать возможности нанотехнологии для здоровья;

• использовать возможности нанотехнологий для устойчивого развития сельского хозяйства и обеспечения полезного питания;

• добиться с помощью нанотехнологий более благоприятной для окружающей среды и энергосберегающей мобильности (транспорта).

Ожидается, что приложения нанотехнологии внесут важный вклад в решение описанных в высокотехнологичной стратегии Федерального правительства глобальных сверхзадач по темам «Климат/энергетика», «Здоровье/питание», «Мобильность», «Безопасность» и «Связь».

Кластер «Климат/энергетика»

Перестройка энергоснабжения, замена исчезающих ресурсов и возрастающие требования к защите климата относятся к наиболее настоятельным задачам будущего. Нанотехнологии дают большой потенциал для внедрения промышленных процессов на всех уровнях создания стоимости, которые потребляют заметно меньше сырья и энергии. При поддержке развития нанотехнологий высокий приоритет имеют цели, обеспечивающие устойчивое развитие, как, например, энерго- и ресурсоэкономичность, обеспечение кругооборота сырья, получение качественной природной окружающей среды и защита климата. Еще одной целью являются сокращение использования в целом и замена в перспективе особого сырья, например, редких металлов, а именно индия. В рамках запланированной научно-исследовательской стратегии в области биоэкономики, для использования биологических ресурсов могут быть привлечены нанотехнологические разработки.

Основные направления в кластере:

• Наноматериалы для адаптивной техники зданий

• Наноматериалы для децентрализованного энергоснабжения

• Разработка фильтровальной техники

• Улучшение гигиены

• Программа NanoNature (Наноприрода)

• Эффективность материалов, замещение дефицитного сырья и регенерация

• Углеродные наноматериалы — замена и эффективность материалов

• Малоизнашиваемые и совместимые с окружающей средой фрикционные материалы

• Новые материалы для устойчивого развития водного хозяйства

• Поддержка направления «Нанотехнологии идут в производство»

• Новые и безопасные компоненты благодаря многошкальной имитации

• Изучение потенциалов улучшения окружающей среды

Кластер «Здоровье/питание» и «Сельское хозяйство»

Новые возможности нанотехнологии дают важные импульсы для лучшей диагностики и лечения болезней. Новые разработки для диагностики и терапии, выполняемые с помощью нанотехнологических способов, могут быть доведены в рамках мероприятий Общей программы «Обследование здоровья» Федерального правительства до ранних клинических исследований.

Сельское хозяйство и экономика питания может получать все большую выгоду от нанотехнологических инноваций, которые совершаются по большей части в подготовительной области (например, в машиностроении, электронике, фармацевтике). В рамках своих ведомственных исследований (Федеральный институт оценки рисков, Институт Макса Рубнера и т.д.) Федеральное правительство финансирует к тому же сопутствующие исследования и исследования по обеспечению безопасности для ответственного применения нанотехнологии в области сельского хозяйства и питания.

Основные направления в кластере:

• Молекулярное сканирование.

• Специальные терапевтические средства и наномедицина.

• Персонализированные имплантаты и протезы для длительной реабилитации.

• Регенеративная медицина и наноструктурированные биоматериалы.

• Применение нанотехнологий для защиты растений с целью повышения эффективности, сокращения количества действующих веществ и улучшения состава агрохимикатов.

• Управляемые системы-носители для целевого высвобождения действующих веществ и специфического физического или химического воздействия (например, значение pH, УФ-излучение, ферменты).

• Оценка последствий использования наноматериалов для контролируемого применения в сельском хозяйстве (оценка рисков химических, физических и экотоксикологических свойств действующих веществ и веществ-носителей и занесения в природное хозяйство, а также сырьевых потоков).

• Применение нанотехнологий для более быстрых, недорогих и точных методов диагностики заболеваний у животных и растений.

• Аналитические методы для обнаружения и для количественного определения нанометрических добавок в продуктах питания.

• Применение легко очищаемых поверхностей с нанопокрытиями при хранении, транспортировке и переработке продуктов питания.

• Применение нанотехнологий для функциональных упаковок продуктов питания.

• Применение нанотехнологии для повышения биодоступности желаемых пищевых добавок.

• Разработка моторов и механизмов с учетом высоких требований к производительности в сельском хозяйстве.

• Разработка принципиально новых концепций вдоль всей цепочки создания стоимости в области электроэнергии для задействования энергии из возобновляемых источников энергии и использования электричества в сельском хозяйстве.

Кластер «Мобильность»

В прошлом нанотехнологии уже внесли важный вклад в автомобильный сектор и в обеспечение безопасности, устойчивости и комфорта. Центральным направлением применения нанотехнологий в области мобильности сегодня являются электромобильные ресурсы. Федеральное правительство с помощью «Национального плана развития электромобильных ресурсов» и Программой поддержки в объеме 500 миллионов евро в рамках конъюнктурного пакета II установило вехи на пути к современной и устойчивой мобильности. В рамках национальной платформы «Электромобильность», которая была создана 3 мая 2010 г., при согласованном взаимодействии политики, промышленности и науки, сообществ, а также потребителей должна быть разработана и продвинута устойчивая стратегия от фундаментальных исследований до внедрения на рынок. Основой для этого является Национальный план развития электромобильных ресурсов. Для того чтобы к 2020 г. превратить Германию в ведущий рынок электромобильных ресурсов, сегодня необходимы инвестиции в НИОКР, а также в нанотехнологии. Только так удастся создать в ближайшие годы пользующиеся спросом на рынке компоненты и системы, а также соответствующую инфраструктуру.

Основные направления в кластере:

• Нанотехнологии для недорогой и ресурсосберегающей мобильности.

• Нанотехнологии для электромобилей.

• «Умные» наноматериалы на улице.

Кластер «Связь»

Среди сновные направлений в кластере значатся:

• Квантовая связь как основа для защищенной от подслушивания связи

В области нанофизики наблюдаются новые квантофизические эффекты, которые можно использовать для разработки квантового компьютера. Квантовая связь дает совершенно новый и вытекающий из основополагающих физических принципов абсолютно надежный доступ к передаче информации.

Федеральное правительство поощряет исследования по изучению научных основ квантовой связи, которая обеспечит присущую ей надежную передачу данных в будущих телекоммуникационных сетях. Для обеспечения передачи на большие расстояния квантовая информация после некоторого расстояния передачи должна быть снова обработана так, чтобы стала возможна дальнейшая надежная пересылка. Для этого шага необходимо разработать совершенно новый вида компонента, так называемый квантовый ретранслятор. Для реализации этого компонента должны использоваться нанотехнологически контролируемые системы, а именно атомы, ионы или полупроводниковые структуры. Особое внимание должно быть уделено применению новых материалов с перспективными свойствами когерентности, как например, графен или цветовые центры в алмазе.

• Органическая или печатная электроника

Основой такой новой устойчивой электроники является уже не кремний, не являющийся гибким и требующий больших затрат при фотолитографии, а органические молекулы или системы наночастиц, которые позволяют производить простую и экономичную печать или напыление. Таким образом, можно реализовать приложения с большой площадью, например, для осветительных средств, дисплеев на основе органических светодиодов или органических фотогальванических модулей, но и также для произвольно сформированных или гибких субстратов. Во многих отношениях нанотехнологии играют выдающуюся роль в печатной электронике. Так, приложения с большой площадью, как, например, органические светодиоды или фотогальванические элементы, базируются на точном отделении нескольких нанометрических слоев. Нанесение слоев органических молекул или наночастиц требует применения новых концепций для специально изготавливаемых паст, чернил и других печатных составов.

Кластер «Безопасность»

Защита граждан от разнообразных угроз, а именно от стихийных бедствий, крупных технических аварий, а также от усиливающегося во всем мире терроризма является важной целью Федерального правительства. С возникновением глобальной сети террористической и криминальной активности, а также с повышением требований к социальной безопасности, например, при обеспечении международных транспортных и товарных цепочек, отмечается повышенный спрос на технологические продукты безопасности. В этом проявляется также возросшая потребность общества в обеспечении безопасности.

Наряду с защитой от опасностей и созданием безопасных региональных условий относящиеся к безопасности продукты и услуги являются перспективными и для экономики. Лишь в 2008 г., согласно исследованию, проведенному по поручению Федерального министерства экономики и технологии, в Германии рыночный объем относящихся к безопасности продуктов и услуг составил примерно 20 миллиардов евро. Многообещающим является потенциал роста создания стоимости для немецких предприятий на мировом рынке. Так как эффективность мер и продуктов по обеспечению безопасности предполагает реализацию технологического преимущества, нанотехнологии в области нанометрических функциональных материалов могут способствовать улучшению будущих приложений в сфере безопасности.

Основные направления в кластере:

• Защита документов и обеспечение безопасности продуктов с помощью систем идентификации продуктов и маркировки для получения оптических признаков.

• Разработка нанотехнологических материалов для преодоления возможных последствий крупных аварий

• Разработка пуленепроницаемых и устойчивых к колющим воздействиям нанометрических материалов для систем защиты полиции и сил спасения

Василий Лобачев

http://www.startbase.ru/…articles/10/