Примеры отечественных разработок в области наноматериалов и нанотехнологий, имеющих ближайшую перспективу промышленного освоения

Конструкционные и функциональные наноматериалы: нанопорошки; наноструктурные цветные металлы и сплавы с особыми свойствами и характеристиками; композиционные материалы, армированные, в том числе, высокопрочными наночастицами тугоплавких соединений Al₂O₃, SiC, ZrO₂; высокопрочные, хладо- и коррозионностойкие наноструктурные стали для магистральных нефтегазопроводов высокого давления; дисперсно-упрочненные наночастицами жаропрочные стали; наноструктурные магнитные материалы; аморфные металлы и сплавы, в том числе, для использования в качестве припоев; новые термопластичные нанокомпозиционные материалы с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами.

Наноматериалы, ориентированные на применение в авиа- и судостроении, космической технике, нефтегазовой, автомобильной, атомной и других отраслях промышленности, позволят производить отечественную продукцию, конкурентоспособную на мировом рынке.

Важным аспектом применения наноматериалов является противодействие террористической деятельности. В России существует производство приборов с использованием наноматериалов для высокоточного экспресс-анализа пищевых продуктов, определения наличия взрывчатых, отравляющих, а также наркотических веществ.

Наноструктурные покрытия значительно улучшают эксплутационные характеристики изделий: например, за счет повышения износостойкости увеличивают ресурс обрабатывающего инструмента, по меньшей мере, в 2 – 2,5 раза, резьбовых соединений в 2,5 – 3 раза. В настоящее время в России разработан и частично освоен ряд эффективных и конкурентоспособных технологий нанесения наноструктурных пленок и покрытий.

Наноматериалы и нанотехнологии для медицины: комплексные высокочистые вакцины, быстро адаптируемые к мутируемым вирусам; тест-системы на основе биочипов для диагностики туберкулеза, ВИЧ, гепатитов В и С, сердечно-сосудистых и онкозаболеваний (существующий в России объем производства составляет 1 млн. в год, потребность – 30 млн. в год.); нанокристаллическая керамика для костной хирургии; внутрикостные имплантанты с биоактивными нанокерамическими покрытиями, способствующими быстрому вживлению и закреплению костной ткани в поверхности имплантатов (существующий в России объем производства составляет 3 тыс. шт., ежегодная потребность – 100 тыс. шт.); лекарственные препараты (в частности, препарат «Фосфоглив» для лечения вирусных гепатитов В и С включен в список жизненно необходимых лекарственных препаратов).

Биочипы для выявления лекарственно-устойчивых форм туберкулеза сокращают время диагностики с 6 – 10 недель до 1 дня, что позволяет оперативно назначить адекватную терапию. Экономический эффект от внедрения «биочип-диагностики» составляет от 22 до 72 тысяч рублей в расчете на каждого больного.

Наноматериалы и нанотехнологии для экологии: селективные катализаторы; адсорбенты; химически стойкие мембраны для химической, атомной, нефтеперерабатывающей промышленности и выделения ценных (или токсичных) компонентов из жидких технологических сред; многофункциональные фильтрационные установки на основе наноструктурных пористых материалов (для атомной, аэрокосмической, медицинской, биологической, пищевой, химической и электронной промышленности), в том числе, специальные реакторы для переработки легкого углеводородного сырья.

С применением мембран и катализаторов производится до 15% ВВП России. По экспертным оценкам, в ближайшей перспективе рост мирового рынка мембранных технологий может составить до 8%. в год.

По предварительным оценкам, используя специальное оборудование с элементами из нананоматериалов, возможно перерабатывать до 30% выбрасываемых в российскую атмосферу попутных нефтяных газов (примерно 10 млрд. м3/год). Это увеличит ежегодный объем производимой товарной продукции и услуг, одновременно способствуя выполнению обязательств России по Киотскому протоколу.

Наноматериалы и нанотехнологии для энергетики и энергосбережения. С 2007 года в России налажено производство сверхпроводящих наноструктурных проводов и кабелей для атомной техники, а также наноструктурных электротехнических проводов, сочетающих высокую прочность и электропроводность. В настоящее время объем производства наноструктурных высокотемпературных сверхпроводящих материалов составляет в России 2,5 тонны в год. При этом ежегодная потребность в таких материалах составляет не менее 60 тонн.

Значительные экономические и промышленные перспективы для России представляет постоянно растущий (примерно на 30% в год) мировой рынок солнечных фотоэнергосистем. Отечественные фотоэнергосистемы на основе наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей из арсенида галлия и родственных ему соединений, имея КПД до 30%, способны вытеснить с мирового рынка традиционные солнечные батареи на основе кремния, КПД которых составляет примерно 14%. При сроке службы новых российских фотопреобразователей около 25 лет стоимость вырабатываемой ими энергии составит 1,5–2,5 руб./кВт-час. Светодиоды и осветительные системы на их основе обладают принципиальными преимуществами по сравнению с традиционными источниками света. К основным преимуществам относятся: высокая светоотдача (100 и более Люмен/Вт, что в 2–5 раз выше, чем у люминесцентных ламп); длительный срок службы (до 100000 час, что в 10 раз больше, чем у люминесцентных ламп); малые габариты; механическая прочность.

В настоящее время на освещение расходуется около 30% всей вырабатываемой электроэнергии. Внедрение твердотельных источников света позволит экономить до 50% электроэнергии, затрачиваемой на освещение. Светодиодные источники света практически безынерционны, пригодны к работе в режиме частых включений/выключений. При этом низкое напряжение питания делает их незаменимыми в условиях высокой влажности, в агрессивных и взрывоопасных средах.

Наноматериалы и нанотехнологии для машиностроения. В настоящее время потребность российского рынка металлорежущего оборудования на 80% удовлетворяется за счет импорта. Промышленные средства измерений в нанометровом диапазоне для позиционирования инструмента в машиностроении обеспечивают условия для высокоэффективной модернизации действующего парка оборудования. Суммарный объем производства новых российских прецизионных станков и услуг по модернизации действующих станков может возрасти в течение 4 – 5 лет до 10 млрд. руб.

Группой российских предприятий разработана и освоена технология промышленного производства особо высокопрочного крепежа (болтов, винтов и гаек широкой номенклатуры, диаметром от 6 до 14 мм) из новой мартенситной стали с наноразмерной структурой. В 2007 году закончена паспортизация этой стали для применения в качестве высоконагруженного крепежного материала для авиационной техники и других ответственных применений, что открывает дорогу для промышленного производства таких изделий, имеющих прочность на 30–50 % выше, чем у обычных изделий, изготовленных из высокопрочных легированных сталей.

Особое место занимает направление создания инструмента из наноалмазного порошка для стройиндустрии. К концу 2011 года в России будет освоено промышленное производство алмазного режущего инструмента, обеспечивающее ежегодную потребность строительного комплекса страны не менее чем на 20%, а также экспорт в страны СНГ и дальнее зарубежье.

Оборудование для научных исследований, образовательных нужд и производства нанотехнологической продукции. В России существует производство необходимого в сфере наноиндустрии уникального оборудования, включая сверхвысоковакуумные комплексы, зондовые нанолаборатории, сканирующие зондовые микроскопы. Российские предприятия уже поставляют его в 40 стран мира. Существует реальная перспектива закрепить за собой в данной области 10 – 15% мирового рынка.

Наноэлектроника и нанофотоника. Гетероструктурная СВЧ-электроника, основанная на использовании наноразмерных гетероструктур, определяет прогресс современных средств связи, включая сотовую цифровую телефонию, высокоскоростной Интернет, спутниковую и оптоволоконную связь, цифровое ТВ, беспроводные системы связи широкополосного доступа, современные электронные средства вооружения (бортовые и наземные радиолокаторы, средства радиоэлектронной борьбы). Одним из ключевых направлений развития геоинформационных и связных систем является создание нового поколения малогабаритных сканирующих фазированных антенных решеток высокого разрешения с наносекундным быстродействием для размещения на мобильных системах, работающих в области сантиметровых и миллиметровых длин волн. Для этого в России создается современная промышленная технологическая линия по производству СВЧ микросхем с проектными нормами до 100 нм и объемом выпуска до 1 млн. шт. в год.

Широкое практическое применение в мире (от волоконно-оптических и космических линий связи до медицины и технологического оборудования) находят полупроводниковые лазеры, для производства которых в России имеются необходимые условия и технологии.

Технологические и конструктивные принципы формирования материалов и элементов молекулярной фотоники и электроники основаны на самоорганизации структур, обусловленных физико-химическими свойствами применяемых функциональных молекул. Это значительно упрощает технологические процессы, удешевляет производство приборов, эффективно решает проблемы системотехники. Генеральной линией развития в данном направлении является уменьшение размеров активных областей приборов до нанометрового диапазона. Кардинальный переход, к которому в настоящее время готовятся ведущие мировые производители электроники, связан с освоением диапазона экстремального ультрафиолетового излучения (УФ) с длиной волны 13,5 нм. Данный переход, по прогнозам, будет осуществлен к 2015 году. В настоящее время в России активно разрабатываются технологии для производства материалов и многослойных структур, обеспечивающих создание дешевых органических светодиодов повышенной яркости, устройств записи и хранения информации, фотоуправляемых молекулярных переключателей, а также проводятся работы по УФ-литографии с целью уменьшения топологических размеров до 10 нм.