Линн Фостер

Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Предисловие сенаторов Джозефа Либермана и Джорджа Аллена

В декабре 2003 года президент США подписал одобренный Конгрессом Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке (Public Law 108–153), что определило направления и цели научно-исследовательских работ и внедрения результатов в этой новой, захватывающей области науки, обещающей в близком будущем преобразовать окружающий нас мир. Манипуляции веществом на молекулярном уровне, являющиеся основой нанотехнологии, позволяют создавать новые типы материалов и устройств с уникальными свойствами, недостижимыми для существующих технологий. Естественно, такое развитие науки должно привести к весьма значительным изменениям в существующих технологиях и создать целый ряд совершенно новых отраслей промышленности, что будет иметь фундаментальное значение для развития американской и мировой экономики. По мнению специалистов, экономический эффект внедрения нанотехнологий в глобальном масштабе уже в ближайшем десятилетии может достигнуть сотен миллиардов и даже триллиона долларов. Потенциальные возможности новой науки представляются фантастическими, а сфера возможного применения охватывает самые разные области: от создания лекарств «направленного» действия против опасных болезней (включая рак) и энергетики до новых методов сохранения окружающей среды.

Разнообразие и богатство потенциальных возможностей нанотехнологий не остались незамеченными общественностью и правительством. За последние годы появилось множество публикаций о научных, экономических и инвестиционных проектах в этой области. Нанотехнологии стали составной частью мейнстрима средств массовой информации, наглядно свидетельствуя не только о повышении интереса к этой области, но и доказывая, что новые технологии и научные достижения уже вышли из стадии лабораторных разработок. Нанотехнология становится, как говорят американцы, фронтиром (расширяющейся границей, передовой линией) развития, и сейчас настало время задуматься о том, как фундаментальные научные открытия и интересные лабораторные опыты могут быть воплощены в новые технологии и новые товары. Речь идет не только о чисто экономических проблемах, а еще и о том, что, исходя из предыдущего опыта, мы обязаны думать и о серьезных опасностях, связанных, например, с воздействием новых производств на экологию и т. п. Как показывают помещенные в книге обзорные статьи по разным проблемам нанотехнологии, уже сейчас достигнут значительный прогресс во многих направлениях.

сенатор Джо Либерман

сенатор Джордж Аллен
Вашингтон, округ Колумбия, ноябрь 2005

Предисловие редактора

За прошлое столетие технический прогресс неузнаваемо изменил окружающий нас мир. Стоит отметить, что средняя продолжительность жизни возросла вдвое, а транспортные и информационные системы достигли уровня, который казался фантастическим еще пару поколений тому назад. Одной из характерных особенностей современной науки и жизни вообще стало немыслимое ранее ускорение темпов самого развития, постоянное обновление образа жизни, обусловленное научным прогрессом и техническими инновациями.

В наши дни наука вплотную подошла к возможности прямого воздействия на отдельные атомы и молекулы, что создало новое метанаправление развития, получившее общее название нанотехнологии и имеющее огромное значение как для самой науки в целом, так и для промышленного применения. Размеры объектов и связанных с ними процессов, представляющих интерес для нанотехнологии (и предлагаемой книги). составляют 100 нанометров и меньше (напомним, что 1 нанометр = 10-9 м, то есть равен одной миллиардной части метра, а для сравнения просто укажем, что толщина человеческого волоса составляет 50 000 нанометров). Основной особенностью новой науки с точки зрения чистой физики является то, что при таких размерах и масштабах перестают работать привычные законы физики (прежде всего, так называемая классическая, или ньютоновская механика), а развитие процессов определяется законами и постулатами квантовой механики.

В некоторых конкретных, причем наиболее передовых областях (компьютерная техника, биотехнология, материаловедение) использование нанотехнологий позволяет уже в ближайшем будущем надеяться на результаты, сопоставимые с тем, что было достигнуто за несколько последних десятилетий. Например, она делает реальным создание сверхмощных компьютеров, очень легких и прочных материалов для авиации, новых лекарственных препаратов против самых опасных болезней, высокоэффективных преобразователей солнечной энергии и т. п. Подчеркну, что речь идет о множестве достижений самого разного масштаба в разнообразных областях науки и техники, то есть о целом «каскаде» или «волне» открытий и применений, а не об одном крупном открытии сверхкрупного масштаба. Историки науки и техники любят использовать термин «новая великая вещь» (подразумевая под этим, например, транзистор или лампу накаливания Эдисона). Нанотехнология обещает нам целый набор новых великих вещей, сводящихся не к существенному изменению окружающего мира и бытовых условий (подобно тому как лампочка Эдисона преобразовала жизнь общества), а к масштабному изменению глобальных принципов наук и технологий. Например, нанотехнологии позволит нам создать систему автоматического управления всем освещением (или даже электроснабжением) в целых городах или регионах, что подразумевает принципиальное изменение жизни общества.

Для больших современных городов, кстати, создание автоматической и «умной» системы управления движения может оказаться столь же важным событием, что и лампочка Эдисона для освещения индивидуальных жилищ. Не боясь повториться, скажу, что нанотехнология представляет собой не конкретное, одиночное открытие, а целый набор физических явлений и их применений (обусловленных размерными эффектами), используемых в качестве инструментов, приемов или идей в самых разных научных дисциплинах. Именно в этом и состоит основное значение и роль нанотехнологий, поскольку свойства материалов и процессов в наномасштабе существенно отличаются от свойств в привычном нам макроскопическом окружении, что и создает совершенно неожиданные возможности нового применения. Например, наноматериалы могут существенно отличаться от привычных нам веществ по своей реакционной способности (в пересчете на единицу поверхности), вследствие чего их применение в качестве лекарственных препаратов приводит к эффектам, невозможным в классической медицине.

В качестве наглядного примера можно привести строение углеродных соединений, столетиями бывших объектами изучения физики и химии. Общеизвестно, что уголь и алмаз состоят из атомов углерода, а поразительная разница в их свойствах обусловлена лишь строением кристаллической решетки. За последние годы ученые обнаружили, что помимо этих известных форм в нанометрическом масштабе атомы углерода образуют цилиндрические трубки, которые нельзя даже сравнивать по характеристикам с алмазом или углем, поскольку они одновременно прочнее стали и прекрасно проводят электричество. Неудивительно, что за последние десять лет ученые интенсивно занимались такими материалами и уже нашли для углеродных нанотрубок множество фантастических применений в электронике и медицине, так что сейчас основной вопрос заключается лишь в правильном и эффективном внедрении новых открытий. Другой практический пример относится к производству солнечных батарей, о которых читатель наверняка слышал. Основная техническая проблема, связанная с ними, заключается в том, что создаваемый в них поток электронов (электрический ток) необходимо многократно отражать от одной поверхности к другой. Нанотехнология неожиданно позволяет уже сейчас существенно повысить площадь электродов и тем самым значительно увеличить коэффициент полезного действия таких батарей, а также ввести ряд других принципиальных улучшений в работу этих устройств. Не стоит даже говорить о том, что использование более дешевых, безопасных в обращении и экологически безвредных источников электричества может кардинально повлиять на экономику и социальную жизнь общества.

Очень важной особенностью нанотехнологии является то, что размер изучаемых в ней объектов практически совпадает с размерами многих микроорганизмов и (что представляется особо ценным) биологических клеток организма человека, что сразу открывает широчайшие перспективы применения наноматериалов в медицине. Например, нанотехнологии позволяют создать «бомбу» в виде ультрадисперсной частицы (начиненной требуемым препаратом), которая внедряется в намеченные клетки организма и «взрывается» там, выделяя препарат в клетку или систему кровообращения. Уже сейчас слияние нанотехнологий и биотехнологий позволяет проектировать множество удивительных устройств медицинского назначения (например, есть проект создания устройств, в которых электричество будет вырабатываться не из имплантируемых в организм батарей, а непосредственно на месте, за счет разложения содержащейся в крови глюкозы).

Другой принципиальной особенностью нанотехнологии (создающей одновременно и новые возможности и новые трудности) выступает ее многодисциплинарность, так как нанонаука почти во всех своих проявлениях выступает в качестве объединяющего начала исследований в считавшихся разными науках (химия, биология, материаловедение, физика, вычислительная техника и т. д.). Одной из острейших проблем развития самой нанотехнологии выступает тот очевидный факт, что в каждой из этих наук плодотворно трудятся очень талантливые и независимые люди, владеющие приемами и терминологией собственных отраслей знаний и не желающие менять их. Все знают старую притчу о слепцах, которые пытаются описывать слона, ощупывая разные части его тела (хобот, ноги, хвост), и эта ситуация очень напоминает нынешнее состояние дел в нанотехнологиях. Научная и даже, отчасти, лингвистическая проблема заключается в том, что специалисты из самых разных областей знаний (химики, физики, биологи, материаловеды и т. д.), привыкшие десятилетиями работать на атомно-молекулярном уровне и взаимодействовать с коллегами в рамках своих дисциплин, вдруг оказались вынужденными общаться друг с другом при решении конкретных и совместных задач. Все знают, что многие распространенные термины часто означают разные понятия в разных науках, так как во всех дисциплинах давно установились своя строгая систематика, система парадигм и авторитетов (и даже особый жаргон!), поэтому многие специалисты считают, что для развития нанотехнологии принципиальной сложностью может оказаться проблема общения и выработки общей терминологии. Острота проблемы связана и с тем, что речь идет не только о науках, но и о связанных с ними целых отраслях производства и бизнеса. В качестве редактора и составителя данной книги, я хочу сразу заявить, что ее основная цель сводится именно к организации взаимодействия и сотрудничества исследователей и промышленников, вследствие чего она и составлена из статей и обзоров высокопрофессиональных специалистов и ученых, имеющих богатый опыт общения.

Будущее нанотехнологии обеспечивается талантом и энергией множества людей, уже работающих в этой области и заложивших основы как самой новой науки, так и ее частных приложений. Можно с уверенностью констатировать, что возможности нанотехнологий значительно превосходят все, что привычно вкладывалось в понятие биотехнологий или информационных технологий. Практически проблема состоит в том, что промышленность еще не готова к пониманию и «перевариванию» новых возможностей и открытий, что можно объяснить как недопониманием их смысла, так и неспособностью коммерческого рынка приспособиться к стремительному темпу технического прогресса. Строго говоря, скорость внедрения любых научных открытий определяется некоторым, очень трудным и сложным средним этапом между самим открытием и созданием определенного прототипа возможного его применения на практике (физик придумал бы для этого некие «коэффициенты трения» между наукой, производством и рынком потребления). Для появления на рынке в качестве полноценного коммерческого продукта каждое научное открытие должно пройти сложные этапы (объединение с уже существующими товарами, общая оценка возможностей, обсуждение проблем контроля и т. д.), после чего реальный рынок реагирует на появление нового товара и «голосует» за него (долларовыми вложениями). Предлагаемая книга создавалась с целью ознакомления возможно большего числа интересующихся нанотехнологиями читателей с реальными перспективами и возможностями этой новой области деятельности.

В связи с этим книга разбита по темам на четыре раздела, объединенных общим замыслом. В первом разделе рассмотрены общие вопросы истории и инновационной политики в области технологий. Глава 1 посвящена самым общим урокам, которые следовало бы извлечь (как самим исследователям, так и инвесторам) из недавней истории развития биотехнологии, также ставшей вехой в развитии науки и связанной с ней промышленности. В главе 2 обсуждаются очень важные для современного мира возможности использования нанотехнологий в энергетике, причем авторы уделяют много внимания тем проблемам, которые неизбежно должны возникнуть после внедрения новых методов. В третьей главе рассмотрены вопросы промышленного применения новых технологий.

Раздел II является, по-видимому, центральным в книге, поскольку посвящен непосредственно тому кругу талантливых людей (ученым и организаторам), чьей волей и знанием осуществляется прогресс в рассматриваемой области. В главах 4 и 5 с экономической точки зрения теоретически рассматриваются абстрактные фигуры и формы деятельности «венчурных капиталистов», то есть предпринимателей, которые учитывают связь технологий и производимых товаров в долгосрочной исторической перспективе и осуществлят вполне реальные капиталовложения в нанотехнологические производства. В главе 6 анализируется роль и текущая деятельность правительства США в качестве координатора эффективного развития новой отрасли науки и промышленности, а главы 7 и 8 посвящены специфической проблеме академических исследований (научно-исследовательских работ в рамках высших научных заведений) и возможностям их последующей коммерциализации, то есть внедрения в реальное производство. Глава 9 показывает, какие проблемы ставит развитие нанотехнологий перед юристами, связанными с патентным и коммерческим правом США. В главе 10 объясняется, почему именно частное предпринимательство должно играть ключевую роль в развитии новых областей и брать на себя риск организации первичных производств, а в главе 11 обсуждаются сложности, которые ожидают крупные корпорации и организации, желающие связаться с новыми технологиями и продуктами. Последняя глава второго раздела содержит краткий очерк деятельности национальных лабораторий США в области нанотехнологий и коммерциализации получаемых ими результатов.

Третий раздел посвящен некоторым конкретным инновационным направлениям в развитии нанотехнологий: материалам (глава 13), наноразмерным датчикам (глава 14), микроэлектронике (глава 15) и так называемой «адресной доставке» лекарственных препаратов в организме (глава 16). В завершающей раздел главе 17 обсуждается теоретическая проблема слияния нанотехнологий с уже существующими биотехнологиями, что в перспективе может означать невиданный расцвет медицины и здравоохранения.

В четвертом разделе рассмотрены самые общие вопросы нанотехнологии, которые уже сейчас волнуют многих исследователей. Речь идет о том, что на наноуровне исследований все известные нам научные дисциплины как-то «сливаются» в единое целое, что не только является новым научным подходом, но и обещает в будущем формирование новой науки, что означало бы революционный прорыв в познании природы (глава 18). С этим связано и беспокойство некоторых ученых относительно этических проблем, которые неизбежно будут возникать по мере развития нанотехнологий (глава 19). Книгу завершает очень интересный эпилог (глава 20), где приведен текст ранее не публиковавшейся беседы на эту тему с легендарным физиком Ричардом Фейнманом, который справедливо считается «пророком» нанотехнологий.

Практические исследования на уровне отдельных атомов и молекул должны привести к серьезным изменениям в жизни человечества, и уже сейчас можно предсказать, что описываемые в книге исследования изменят мир и общество значительно сильнее, чем компьютеры и биотехнологии.

В заключение я хотел бы выразить глубокую благодарность многим людям и организациям, помогавшим мне не только в создании данной книги, но и на протяжении всей моей профессиональной деятельности. Особую благодарность я выражаю своей жене Мириам.

Линн Э. Фостер Лос-Анжелес, июнь 2005

Сведения о редакторе и составителе сборника

Линн Э. Фостер входит в число руководителей отдела развития новейших технологий одной из крупнейших в США юридических фирм (Greenberg Traurig LLP), специализирующихся в области внедрения и передачи новых технологий, лицензирования и патентного права, а также организации сотрудничества и инвестиций в технические проекты.

До перехода на работу в фирму Greenberg Traurig, Линн Э. Фостер приобрел огромный опыт в области внедрения технологических разработок, участвуя в реализации множества частных и государственных технических проектов, руководя исследованиями в сфере программного обеспечения в аэрокосмической промышленности, а также внедрении и коммерциализации научных достижений при «запуске» многих инновационных фирм. Он является членом консультативных советов многих авторитетных организаций, связанных с инновационной политикой правительства США (Институт нанонауки и технологии, Международный консорциум инженерных разработок, Форум внедрения знаменитого института Калтех и т. д.). Линн Э. Фостер провел когда-то первую конференцию по коммерческому применению нанотехнологий (Nanotechnology Trade Study), а затем был организатором восьми конференций и коммерческих совещаний на самом высоком уровне по проблемам нанотехнологий. Более 20 лет он был на службе и в резерве армии США, участник первой войны в Персидском заливе и военных оперций в Боснии. Имеет ученые степени в области науки и административного управления.

Раздел I Руководство и организация

Глава 1 Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные с биотехнологической революцией

Джеральд Голлвас

Джеральд Голлвас имеет богатый опыт по внедрению биомедицинских технологий еще с середины 60-х годов, когда он занялся бизнесом, связанным с созданием и поставкой диагностического оборудования в известной фирме Beckman Instruments. Возглавляемая им группа успешно внедрила новую аппаратуру, основанную на кинетических измерениях скоростей химических реакций первого порядка, используемую при клинической диагностике крови. Многие годы он занимался испытаниями и поставками медицинского оборудования в США, Европе и Японии и руководил многими очень важными проектами развития и внедрения новой техники. Является специалистом международного класса по вопросам планирования, организации, маркетинга и управления. Имеет степень бакалавра по химии, полученную в университете Сан-Диего.

...

«Мы создаем и формируем инструменты, а позднее они начинают формировать нас самих».

Маршалл Мак-Люэн

Вообще говоря, современное общество создано успехами химии, которую можно рассматривать в качестве наиболее общей науки о веществах и материалах, из которых построены почти все используемые нами объекты, от орудий труда до принимаемых лекарств. Процесс формирования и использования новых объектов продолжается: кремниевые и германиевые чипы составляют основу электроники, водород и кислород являются главными компонентами ракетного топлива, а рекомбинантная ДНК служит для создания новых лекарственных препаратов или растений, устойчивых к воздействию пестицидов. Интересно, что роль химии в истории для многих остается до сих пор не до конца понятной, неоцененной и неясной, в результате люди чаще склонны обращать внимание скорее на недостатки химии (например, ее вред для окружающей среды), чем на то, что именно она создает множество привычных условий существования. Древнекитайская поговорка гласит, что «только дураки могут заниматься предсказанием будущего», но предлагаемая читателю книга целиком посвящена размышлениям о грядущем развитии науки, и мы вправе спросить себя хотя бы о том, какие уроки мы, собственно, извлекли из анализа бурного развития химии в предыдущее столетие? При серьезном рассмотрении выясняется, что никакого общего вывода из развития химии пока не существует, так что в качестве примера мощного развития одной из областей науки (особенно с точки зрения инноваций и коммерциализации) удобнее рассмотреть историю биотехнологии, протекавшую на наших глазах в новейшее время.

1.1. История биотехнологии

Разумеется, начало истории биотехнологии может быть отнесено к глубокой древности, однако истинным моментом зарождения современной биотехнологии можно вполне обоснованно считать открытие в 1953 году Джимом Уотсоном и Френсисом Криком структуры ДНК. Их работа придала молекулярной биологии совершенно новое научное и общественное значение [1] , а предложенная модель двойной спирали была не только одновременно простой, элегантной и эффектной, но и позволила вполне разумным образом объяснить процесс воссоздания и репликации жизни на молекулярном уровне.

Открытие структуры ДНК привело к множеству новых исследований и открытий, наиболее важным из которых стала разработка техники «вырезания и склеивания». Эта работа, выполненная группой Пола Берга из Стэнфордского университета, позволила получить рекомбинантную ДНК, состоящую из кусочков от двух разных молекул ДНК [2] . Придуманная ими методика напоминает процесс монтажа в студии звукозаписи, когда оператор получает новую запись, просто вырезая и «склеивая» друг с другом куски разных магнитофонных лент. Вставив затем такую ленту в магнитофон, вы услышите единую запись, составленную из обрывков исходных мелодий.

За эту блестящую работу Пол Берг в 1980 году удостоился Нобелевской премии по химии. Интуиция с самого начала подсказывала ему, что рекомбинантные ДНК могут найти практическое применение в генной терапии. За несколько лет до этого, в 1973 году двое американских ученых (Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета) стали первыми на свете генными инженерами, так как именно им удалось не только использовать рестрикционные ферменты для избирательного «разрезания» и «соединения» кусочков ДНК, но и сделать этот процесс «промышленным». Вводя полученную таким образом составную или смешанную ДНК в организм бактерии, они смогли осуществить процесс размножения бактерий и получить миллионы «копий» своей искусственной ДНК. Это можно считать созданием первой «фабрики» по генетическому производству ДНК [3] .

Новость быстро облетела научный мир, после чего множество ученых по всему миру занялись интенсивными исследованиями в области генной инженерии. Вскоре после этого генными манипуляциями всерьез заинтересовалась общественность, средства массовой информации и даже Конгресс США. Разумеется, публику напугали разговоры о возможности создания «смешанных» существ, и она настойчиво пыталась понять – не занимаются ли ученые конструированием современного Франкенштейна? Поэтому общее внимание было обращено на создание эффективной системы контроля над разработками и попытками их практического применения. Беспокойство общественности было столь велико, что в 1975 году более 100 представителей заинтересованных организаций из разных стран мира собрались в городке Алисомар (Калифорния) на конференцию, посвященную перспективам и потенциальным опасностям исследований в области рекомбинантных ДНК [4] . Конференция прошла под руководством самого Пола Берга и утвердила набор рекомендаций для Национального института здоровья США (National Institute of Health, NIH). Позднее именно эти рекомендации стали основой национальной политики США в этом научном направлении, отраженной в официальных документах 1976 года [5] .

Научный успех Бойера и Коэна, сумевших внедрить определенный ген в бактерию и «размножить» его, с самого начала привлек внимание так называемых венчурных капиталистов, то есть предпринимателей, любящих вкладывать капитал с риском или в разработку и производство совершенно новых продуктов. Один из них, молодой и энергичный Роберт Свансон из Сан-Франциско, еще в 1976 году запросил Бойера и Коэна о возможности применения их технологии для организации коммерческого производства белковых продуктов, содержащих требуемые компоненты (в частности, Свансона интересовала возможность выпуска пищевых продуктов, содержащих инсулин человека) [6] . Уже в апреле этого же года Свансон и Бойер вложили по 500 долларов в организацию фирмы Genentech, ставшей первой в мире биотехнологической компанией. Почти немедленно в этой области возникла и торговая конкуренция, так как очень скоро была зарегистрирована и компания Biogen. Образно говоря, возник совершенно новый сектор наукоемкой продукции, а его первой целью стало производство коммерческих продуктов, содержащих инсулин человека.

Фирмы Genentech и Biogen выбрали различные технические средства для получения таких продуктов. Ученые Genentech бросили все свои силы на химический синтез человеческого гена, связанного с выработкой инсулина, в то время как Biogen стал развивать технику клонирования, причем выбор путей развития был обусловлен уже сложившимися обстоятельствами и условиями. Например, интерес Genentech к химически синтезируемому гену объяснялся тем, что последний не подпадал под ограничения, уже введенные Национальным институтом здоровья США, в то время как клонирование могло производиться только под контролем NIH.

Интересно и поучительно, что в начальный период развития фирма Genentech фактически представляла собой лишь зарегистрированное название, так как не имела ни денег, ни сотрудников, ни оборудования. Бойер обратился к двум своим коллегам в Национальном медицинском центре (City of Hope) с предложением заключить контракт на разработку методов синтеза инсулина человека. Речь шла об Артуре Риггзе и Кэйити Итакуре, которые в этот момент подали заявку в Национальный институт здоровья, пытаясь получить грант на изучение возможностей синтеза человеческого гормона соматостатина (эта задача выглядела более скромной, чем синтез инсулина, но ее решение открывало перспективы дальнейших разработок). Поэтому естественной кажется реакция Риггза, запросившего Бойера о возможности спонсорства фирмой Genentech сначала разработок по синтезу соматостатина. Получив положительный ответ, он образовал смешанную исследовательскую группу из сотрудников City of Hope и Genentech, которая сумела быстро добиться значительного успеха. Риггзу и Итакуре удалось внедрить кусочек ДНК человека (содержащий 21 нуклеотид) в бактерию кишечной палочки E.Coli, а затем (вместе с молодым химиком Хербом Хейнекером из лаборатории Бойера) и впервые продемонстрировать возможность функционирования искусственной ДНК в живой клетке.

Через шестнадцать месяцев команда исследователей не только успешно синтезировала ген соматостатина человека и клонировала его, но и смогла продемонстрировать возможность, как говорят биохимики, экспрессии протеинового гормона соматостатина в микробы [7] , что стало первым примером успешной экспрессии белка в генетически модифицированные микробы вообще. Это достижение только подхлестнуло научную «гонку» в синтезе инсулина человека. Ценность метода Риггза – Итакура заключается в его универсальности, позволяющей использовать его для производства множества требуемых белков в бактериях-носителях. Очень быстро на его основе были разработаны разнообразные технологии, на которые было выдано много патентов (как в США, так и в других странах), а конечным результатом стало возникновение коммерческого производства фармацевтических продуктов, объем которого оценивается в миллиарды долларов. Забавно и очень поучительно, что упоминавшееся выше обращение Риггза и Итакуры к Национальному институту здоровья (с просьбой о гранте на разработку соматостатина) было отвергнуто институтом, специалисты которого посчитали проект слишком амбициозным и не имеющим практической ценности!

После успеха с синтезом соматостатина Свансон начал энергично подыскивать инвесторов для финансирования работ по синтезу инсулина. В июне 1978 года фирма Genentech наняла сотрудников и создала лабораторию вблизи аэропорта Сан-Франциско, а уже к концу августа (менее чем через три месяца!) объединенная команда City of Hope и Genentech получила инсулин человека, используя синтезированный ген. Казавшееся невозможным начинание увенчалось блестящим успехом. Замечательная история создания фирмы Genentech и возникновения целой отрасли промышленности на основе биотехнологии описана в книгах Холла и Эванса [8] [9] . Особенную ценность этим событиям придает то, что речь идет об очень редкой ситуации, когда результаты фундаментальных, академических исследований смогли очень быстро привести к блестящему коммерческому успеху, тем более что речь шла о создании промышленности буквально из «ничего», а не о «раскрутке» производства на базе уже существующего мощного рынка фармакологических препаратов.

В наши дни, через тридцать лет после возникновения, биотехнология представляет собой огромный сектор промышленности и коммерции (оцениваемый примерно в триллион долларов), производящий сотни видов разнообразных биологических, медицинских и лекарственных средств [10] , и поэтому предложенные истории могут служить поучительными примерами при обсуждении проблем нанотехнологий. Речь идет в первую очередь о двух описанных ниже важнейших концепциях развития науки и технологии, связанных с инновационной политикой и коммерциализацией научных достижений вообще.

1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой

Первая концепция связана с так называемой S-образной (сигмоидальной) кривой, предложенной в книге Ричарда Фостера [11] в качестве типичной Фихарактернойдлямножествапроцессов развития в науке и технике. Кривая описывает зависимость между вложениями ресурсов в технологию или процесс и соответствующей этим вложениям «отдачей» (то есть повышением продуктивности, качества и т. п.). Исследования в истории разнообразных технических устройств и их характеристик привели Фостера к выводу, что такие зависимости (напоминающие на графике латинскую букву S, как показано на рис. 1.1) являются весьма распространенными и типичными. Практический смысл S-образной кривой очень прост. В любой области усилия на разработку, затраты времени и просто капиталовложения приносят на начальном этапе развития или исследования (когда уровень фундаментальных знаний о процессе или объекте невелик) лишь небольшую пользу. Затем, по мере роста знаний и накопления опыта, эти вложения или усилия становятся все более эффективными, вследствие чего скорость развития значительно увеличивается. После некоторой критической точки развития общий процесс роста замедляется, а затем и почти прекращается, что свидетельствует о достигнутой «зрелости» технологии или изделия. В дальнейшем рост прекращается вообще.

Рис. 1.1. Типичный вид так называемой S-образной (сигмоидной) кривой развития

В качестве очень характерного примера можно привести показанную на рис. 1.2 кривую роста скорости (основной параметр) развития одномоторных винтовых самолетов практически за всю историю авиации, по данным работы [12] . Самолет братьев Райт в первом полете (1903 год) достиг скорости около 35 миль/час. Через семь лет, в 1910 году Гордон Беннет победил на авиагонках в Белмонт-Парке (Нью-Йорк), разогнав машину до 60 миль/час. По мере накопления опыта и знаний скорость самолетов медленно возрастала: 139,66 миль/час (1914 год), 145,7 миль/час (1922) и т. д. В 1925 году лейтенант Джеймс Дулитл на самолете Curtiss R3C-2 достиг 232,57 миль/час. В 1939 году рекорд скорости составил 463,9 миль/час, но на графике уже явно заметно замедление темпов роста. Следующий рекорд скорости на одномоторном поршневом самолете был установлен на гонкав в Рено (штат Невада) почти через тридцать лет и составил 520 миль/час. В 1989 году эта цифра возросла, но лишь на 9 миль/час! что наглядно свидетельствует о том, что все возможности повышения скорости одномоторных поршневых самолетов практически исчерпаны и никакого дальнейшего технологического прогресса в этой области ожидать нельзя. Продукт (в данном случае винтовые самолеты) достиг своего совершенства, и любые капиталовложения в развитие бессмысленны.

Рис. 1.2. Увеличение скорости одномоторных винтовых самолетов описывается характерной S-образной кривой
Появление и использование реактивных двигателей привело, естественно, к качественному скачку и последующему улучшению характеристик самолетов, что также описывается S-образной кривой. При сопоставлении этих кривых (рис. 1.3) отчетливо проявляется разрывность характеристик при переходе, то есть при принципиальном обновлении или смене технологий.

Рис. 1.3. Повторение S-образных кривых в истории техники
Приведенный пример роста скорости одномоторных винтовых самолетов демонстрирует одновременно две характерные особенности практически всех процессов, связанных с инновациями и коммерциализацией научных достижений. Речь идет о том, что параметры выходят на некоторые предел, а при смене технологий наблюдается разрыв в непрерывных кривых развития. Легко понять, что в начальный период развития любой технологии (нижняя часть S-образной кривой) инвестиции связаны со значительным риском и неопределенностью, но зато открывают в случае удачи большие перспективы роста и, соответственно, высокий уровень прибыльности. На среднем участке кривой возникает большая определенность ожиданий (иногда, кстати, создающая даже избыточное чувство уверенности), что приводит, конечно, и к уменьшению шансов значительного роста и быстрых успехов. Наибольший интерес представляет конечная часть кривой, соответствующая полному исчерпанию возможностей используемой технологии, но таящая в себя возможности перехода к новой S-образной кривой. На практике это означает конец развития технологии и подготовку к существенному рывку в техническом развитии. Следующий этап начинается с появления новых методов или устройств, что означает, например, переход от винтовых самолетов к реактивным, от электронных ламп – к транзисторам, от конных повозок – к автомобилям и т. д.

В описанной выше истории возникновения биотехнологии исходная S-образная кривая соответствовала существовавшей ранее коммерческой технологии производства животных белков для фармацевтической промышленности, в частности инсулина. Дело в том, что уже давно существовало развитое производство бычьего и свиного инсулина, экстрагируемого из туш животных и подвергаемого очистке. Коммерческий процесс был доведен до предела, поэтому и возник разрыв, приводящий к следующей S-образной ветви развития, основанной на принципиально новой технологии (введение синтезированного гена в бактерии и производство инсулина человека). Научное открытие непосредственно привело к развитию совершенно новой отрасли фармацевтической промышленности.

1.3. Концепция 2. Уроки коммерциализации технических новшеств

Вторая концепция, связанная с коммерциализацией технических достижений и инновационной политикой вообще, относится непосредственно к тем лицам, которые стремятся успешно внедрить новые методы и продукты. Говоря образно и одновременно просто, можно утверждать, что любая инновационная инициатива представляет собой сочетание креативности или способности к творчеству и способности к реализации замыслов. В действительности, конечно, успех предпринимателя в столь сложной ситуации требует гораздо большего. Например, успешный опыт развития биотехнологий показывает, что для успеха необходимо найти правильное сочетание нескольких факторов:

• Креативность, творческое начало

• Система управления, менеджмент

• Удачно подобранная команда

• Разумные капиталовложения

• «Попадание» в потребности рынка

Для осуществления удачного инновационного научно-технического проекта необходимо создать мощный и целенаправленный аппарат управления и междисциплинарную группу талантливых исследователей, которые при правильно спланированных капиталовложениях могут не только создать новый биотехнологический продукт, но и довести лабораторную разработку до коммерческого рынка и вернуть исходные затраты. Иными словами, коммерциализация инновационного продукта сложным образом зависит от сочетания многих факторов, то есть является, как говорят математики, сложной функцией, которая может быть выражена формальным произведением:
Коммерциализация = (Творчество х Менеджмент х Команда) (Вложения) (Запрос)
Аналогией коммерциализации, как ни странно, может служить организация музыкального концерта, успех которого тоже определяется сложным сочетанием творческого начала (композитор), менеджмента (руководитель и дирижер) и команды (состав оркестра). Кроме этого, очевидно, для успешного проведения концерта необходимы указанные в формуле вложения (они определяются верой спонсора в эстетическую ценность исполнения) и запросы (предлагаемая программа должна быть привлекательной и интересной для конкретной аудитории). При соблюдении всех этих условий и требований концерт не только доставит удовольствие аудитории, но и окупит расходы на его организацию, что и можно будет назвать успешным осуществлением инновационного проекта (в данном случае в области музыки).

В приведенном выше примере, относящемся к производству инсулина человека, творческим элементом программы стал принципиально новый метод Бойера – Коэна, вдохновивший Роберта Свансона на создание коммерческого производства синтетического инсулина. Эту задачу, конечно, нельзя было решить без создания высокопрофессиональной команды из специалистов City of Hope и Genentech. При этом Свансону удалось одновременно организовать «запуск» фирмы Genentech и найти достаточный инвестиционный капитал на стороне, то есть заинтересовать будущих потребителей (учесть потенциальный запрос рынка). Разумеется, ключевую роль сыграло то, что междисциплинарной исследовательской группе удалось, используя технологию Риггза – Итакуры, действительно получить полноценный и важный препарат, представляющий коммерческую ценность.

1.4. Общие выводы из анализа S-образных кривых развития любых технологий

• Начальный этап развития любой новой технологии представляет собой медленный инкубационный период «созревания», когда возникает множество важных проблем, требующих своего решения. Например, потребовалось около 22 лет, чтобы скорость самолетов достигла заметного значения 232 миль/час (аналогично потребовалось около 24 лет, чтобы предложенная в 1953 году Уотсоном и Криком структура ДНК воплотилась в реальную технологию производства белков в микробных носителях по методу Риггза– Итакуры). Период в 20 лет является характерным временем превращения новой научной идеи в «зрелую» технологию, что обычно и выражается S-образной кривой развития. Возможно, это просто обусловлено необходимостью разработки соответствующей инструментальной и технической базы. Отметим, что биотехнология еще находится на восходящем участке кривой, вследствие чего сейчас в лабораториях мира разрабатываются сотни новых препаратов и коммерческих продуктов.

• Каждая технология имеет собственные пределы роста. Поэтому рано или поздно описываемый процесс производства инсулина на основе биологических источников перестанет удовлетворять требованиям времени и окажется недостаточно эффективным.

• Следует помнить, что внедрение любой новой технологии всегда вызывает массу скептических замечаний с самых разных сторон (включая другие группы исследователей, средства массовой информации, Конгресс, правительственные учреждения и «сообщество» инвесторов). Разрыв между повторяющимися ветвями S-образной кривой развития всегда вызывает тревогу, означая разрыв с установившимся порядком, то есть потерю определенности и уверенности. С другой стороны, именно эта ситуация позволяет перейти к следующему витку развития и существенному повышению качества продуктов.

1.5. Общие выводы из анализа коммерческих инноваций в области биотехнологий

• Развитие инновационных технологий всегда требует творческого подхода и решительных действий. Конечно, ключевым моментом выступает само научное открытие или изобретение, однако его технологическая реализация и связанный с этим коммерческий успех могут быть обеспечены лишь эффективным менеджментом и сильной командой исследователей, зачастую из разных отраслей науки.

• Очень часто ценность новых технологий трудно оценить или обосновать. Выше уже упоминалось, что Национальный институт здоровья США отказался финансировать проект производства соматостатина по методу Риггза – Итакуры, посчитав его амбициозным и не имеющим практической ценности. Позднее выяснилось, что научные эксперты, средства массовой информации и правительственные организации ошибались.

• Для успеха в инновационных проектах необходимо обладать развитой фантазией и даже некоторой «мечтательностью». Именно такими качествами обладал Роберт Свансон, сумевший воодушевить целую группу других исследователей, что привело не только к значительному научному успеху, но и к созданию новой отрасли промышленности с многомиллиардным объемом производства.
• Нахождение источников финансирования затруднено на начальном участке S-образной кривой развития, когда инвесторы не уверены в потенциальной ценности исследований и будущих продуктов. Например, производство соматостатина вообще не вызывало энтузиазма у инвесторов до тех пор, пока научные достижения не продемонстрировали реальную возможность коммерческого получения инсулина человека. На следующем этапе, разумеется, проблема инвестиций решается значительно легче.
1.6. Будущее нанотехнологии

Только дурак может заниматься предсказаниями будущего

(древнекитайская поговорка)

Предсказание будущего действительно является рискованным и неблагодарным занятием. Для предвидения возможностей развития в любой области человеческой деятельности недостаточно иметь только обширные знания и опыт, а необходимо еще обладать интуицией, позволяющей угадывать фантастические возможности, скрытые в парадигмах существующей науки и технологии. Речь действительно идет об угадывании, а не о расчете, прежде всего потому, что физические законы окружающего нас мира могут «изменяться» при переходе к другим условиям или другому окружению. Особенно заметны такие изменения в ситуациях, когда технология используется в иных масштабах (например, в атомномолекулярных). В мире нанометровых объектов и процессов зачастую совершенно теряют смысл привычные физические понятия типа массы, инерции и т. п., так что обычная механика (используемая, например, для создания и вождения автомобиля в нашем мире) становится бесполезной.

Представим, например, что мы опускаем соломинку в стакан с водой или коктейлем. В привычном нам макромире уровень воды в соломинке совпадает с общим уровнем в стакане (или, строго говоря, близок к нему). Однако если вместо соломинки использовать капиллярную трубку, то уровень жидкости в ней будет значительно превышать общий, поскольку внутри очень тонких трубок начинают проявляться капиллярные свойства жидкости, связанные с молекулярными взаимодействиями. Говоря проще, изменение масштабов объекта или процесса приводит к резкому изменению правил физической «игры» и проявлению новых свойств, которые нельзя было предвидеть заранее. Именно это и происходит в науке и технологии, как только исследователи начинают работать в диапазоне наноразмеров.

Вообще говоря, для успешного исследования явлений природы от ученого требуется прежде всего здравое понимание фундаментальных принципов науки и границ их применения. Ученый должен проверять применимость этих принципов на каждом этапе исследований, что, кстати, наглядно демонстрирует упоминавшаяся выше история с синтезом инсулина группой Бойера, Риггза и Итакуры. Отказавшие в гранте специалисты Национального института здоровья вовсе не были недобросовестными или неквалифицированными экспертами, но им просто не хватило опыта и «фантазии», чтобы представить себе процессы, основанные на совершенно новых принципах. Таким опытом и интуицией обладал Бойер, которому удалось убедить в своей правоте (попросту говоря, «продать» идею) Свансона, взявшего на себя практическую организацию новой технологии. Ему удалось найти финансирование для исследований по синтезу соматостатина, что и привело в дальнейшем к успеху в производстве инсулина.

Приведенные выше примеры и концепции из истории биотехнологий, конечно, весьма упрощают картину развития, которая в действительности выглядит значительно более сложной, однако наличие S-образных кривых и разрывов на них является фундаментальным и общим явлением для развития любой научной или технической отрасли. Кстати, эта закономерность прекрасно подтверждается и на современном этапе перехода от привычных биотехнологий к нанотехнологиям. Например, существующие биотехнологии основаны на использовании природных ферментов, которые химики и биологи (благодаря своим знаниям и мастерству) научились «вырезать» и «вставлять» в нужные места на молекулах ДНК. Такие генные манипуляции с естественными ферментами и являются основой технологии, превращающей бактерии в своеобразные фабрики или химические реакторы для производства требуемых препаратов и веществ. Однако сейчас становится ясным, что дальнейший прогресс в этой области будет связан с множеством новых явлений, наблюдаемых в нанометрической области. Для коммерциализации новых методик ученым необходимо получить более достоверные сведения об этих процессах и научиться уверенно управлять ими. Любое серьезное открытие в этой области имеет шанс найти свой «рынок», получить инвестиции и быстро развиться в полноценное и высокоэффективное коммерческое производство.

В качестве интересного и поучительного примера можно привести следующий. Еще в 1905 году Вильям Кобленц из Национального бюро стандартов США (Вашингтон, округ Колумбия) сумел обнаружить и изучить связь между химической структурой молекул и их спектром поглощения в инфракрасном диапазоне излучений [13] . Это замечательное научное открытие долгое время оставалось лишь базой для красивых теоретических работ, и лишь в 1942 году на его основе был создан первый коммерческий образец инфракрасного спектрометра. В настоящее время такие приборы (позволяющие измерять поглощение света в виде функции от длины волны) используются практически в любой лаборатории, но их развитие сдерживалось отсутствием спроса. Острая потребность в таких спектрометрах возникла только в годы Второй мировой войны (в связи с развитием производства синтетического каучука), в результате чего почти немедленно было создано мощное коммерческое производство, удовлетворяющее постоянно растущую потребность рынка. Возможно, в случае нанотехнологий мы столкнемся не с бурным развитием, а с постепенным, эволюционным расширением рынков и производств.

Прогнозирование будущего – сложная и рискованная затея, но я предложу читателям простой мысленный эксперимент. Попробуйте представить себе историю развития и постепенного улучшения свойств волокон. Когда-то человечество пользовалось только натуральными волоконными материалами (пенька, шелк и хлопок). Улучшение характеристик описывалось одной S-образной кривой до тех пор, пока не появились синтетические волокна типа нейлона. Количество и качество таких волокон постоянно увеличивается, а общие тенденции их развития описываются другой, но тоже S-образной кривой. В настоящее время нанотехнология позволяет создавать совершенно новые материалы и волокна на их основе, так что я предлагаю читателю (опираясь на технический опыт, интуицию и фантазию) попробовать представить следующую S-образную ветвь развития, а также подумать о необычных применениях таких волокон, возможной технологии их производства и коммерческой ценности в различных областях.

Именно такие размышления можно назвать прогнозом развития нанотехнологий, и им посвящена данная книга.

Глава 2 Нанотехнология и глобальная энергетика

Ричард Смолли

Знаменитый ученый Ричард Э. Смолли, выпускник Принстонского университета, прославившийся своими работами в новейших областях химической физики, долгое время (1996–2002) возглавлял Центр нанонауки и технологии в университете Райса, а затем до своей смерти (октябрь 2005 года) был директором Лаборатории нанотехнологии углеродных материалов в этом университете. Он получил огромное число научных премий и наград, включая Нобелевскую премию 1996 года по химии. Наибольшую известность Р. Смолли принесло открытие молекулы Ctio (более известной под названием бакминстерфуллерен или просто бакиболл и фуллерен), представляющей собой сферу типа футбольного мяча из 60 атомов углерода. Эта молекула и другие ее модификации стали еще одной формой существования углерода в природе (помимо алмаза и графита). Фуллерены не только стали объектом для множества интересных физико-химических исследований, но и позволили организовать производство самых разнообразных материалов нового типа, на основе чего уже возникла новая отрасль производства. Р. Смоли основал в феврале 2000 года весьма успешно развивающуюся инновационную компанию Carbon Nanotechnologies Inc.

В последнее время я все более утверждаюсь в мысли, что основной проблемой, стоящей перед мировым сообществом или даже человечеством вообще, станет то, что мне хочется назвать «тераваттным вызовом». Я хочу сказать, что изучение всех материалов, связанных с развитием энергетики, показывает, что в ближайшем будущем нам понадобятся тераватты энергии (напомню, что приставка тера означает триллион, то есть увеличение в 1012 раз). Население планеты в ближайшем будущем достигнет десяти миллиардов человек, и для обеспечения достойного существования и развития этого огромного количества людей мы должны существенно повысить объем используемой энергии.

Собственно говоря, энергетический вызов всегда стоял перед человечеством. Энергетика обеспечивает существование человечества, и нам нельзя забывать, что объемы запасов нефти и природного газа уже сейчас вызывают серьезное беспокойство специалистов. Жизнь должна продолжаться, и это диктует настоятельную необходимость поиска новых источников энергии для начинающегося столетия. Даже самые простые расчеты демонстрируют, что к середине XXI века уровень энергопотребления человечества возрастет по меньшей мере вдвое, так что мы должны срочно научиться производить большие количества энергии за счет новых процессов. Задача осложняется и тем, что источники энергии должны быть не только воспроизводимыми, но и экологически чистыми, то есть не связанными, например, с дальнейшим повышением уровня двуокиси углерода в атмосфере, что уже сейчас становится крайне опасным. Источники энергии должны быть также дешевыми, хотя бы для того чтобы человечество могло сохранить международный мир и процветание, а не погрязнуть в войнах за природные ресурсы.

Энергетика представляет собой сейчас наиболее крупный и основной сектор мировой экономической системы вообще, и годовые расходы на нее можно оценить примерно в 3 триллиона долларов. Следующим по размеру сектором выступает сельское хозяйство, на которое человечество затрачивает примерно в два раза меньше (несмотря на его важность и распространенность), а глобальные расходы всех стран (включая США) достигают примерно 0,7 триллиона долларов в год. Человечество стоит перед настоятельной проблемой нахождения новых источников энергии, которые должны заменить нефть, бывшую основой развития в прошлом столетии.

Мне приходится довольно часто выступать перед публикой, и я обычно прошу слушателей составлять списки проблем, которые они считают наиболее важными для развития человечества вообще. На основании многочисленных опросов разных аудиторий я составил приведенный ниже общий список, который возглавляет слово энергия, практически всегда упоминаемое в таких перечнях одним из первых. Вот как выглядит перечень важнейших мировых проблем на основе моих простых опросов:

1. Энергия

2. Водные ресурсы

3. Пища

4. Состояние окружающей среды

5. Бедность и нищета

6. Терроризм и войны

7. Болезни

8. Малограмотность

9. Демократия

10. Перенаселенность

Я придаю энергетической проблеме важнейшее значение еще и потому, что ее решение значительно облегчило бы нам борьбу с бедностью, нищетой, болезнями и другими трудностями. С другой стороны, я также убежден, что без новых источников энергии мы просто не сможем справиться с большинством из перечисленных выше проблем, и попробую доказать это следующими рассуждениями.

Например, недостаток водных ресурсов является серьезнейшей проблемы для многих регионов мира. Собственно говоря, на планете полным-полно воды, но она по большей части является соленой, а во многих случаях просто находится очень далеко от тех мест, где в ней ощущается острая потребность. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что эффективное опреснение морской воды технически вполне осуществимо, так как некоторые нанотехнологии обеспечивают практически 100 %-ную очистку (впрочем, воду всегда можно очистить от солей, просто вскипятив ее и осадив пары). Проблемы опреснения и водоснабжения упираются только в возможности энергетики, так как, имея достаточно энергии, мы могли бы спокойно перекачивать воду из одних районов (где она в избытке) в другие, тем самым гарантируя процветание целых регионов. Столь же очевидно, что решить проблему водных ресурсов без достаточного количества производимой энергии невозможно.

Следующей проблемой в списке обычно выступает обеспечение населения Земли питанием, что очевидно связано с сельским хозяйством и проблемой водоснабжения. Для повышения урожайности требуются удобрения, производство которых тоже зависит от энергетики, не говоря уже о пищевой промышленности, транспортировке продуктов и т. п. Во всех случаях решение большинства задач упирается в возможности производить и передавать энергию.

Столь же очевидно значение энергетики для экологии, так как состояние окружающей среды в огромной степени определяется способами производства, хранения, передачи и потребления энергии. Собственно говоря, именно создание экологически безопасных источников энергии является важнейшей задачей почти для всех природоохранных мероприятий и действий.

Производство дешевой, экологически чистой и доступной энергии и является сейчас основной проблемой человечества. Только новые источники энергии могут обеспечить процветание человечества и дальнейший прогресс науки. Возвращаясь к списку, отмечу, что ни одна из других проблем не является столь объединяющей и важной, как энергетическая.

Таким образом, человечество просто вынуждено срочно искать новый источник энергии, который помимо всех указанных требований должен быть чрезвычайно мощным, поскольку речь идет о тераваттах энергии. Как ни странно, такой источник существует и его использование зависит только от нашего таланта и изобретательности. Я говорю о солнечной энергии, которая превращает в безлюдные пустыни обширные участки нашей планеты. Именно эту задачу я называют «тераваттовым вызовом» человечеству – для дальнейшего роста и развития оно должно в ближайшие десятилетия найти методы утилизации солнечной энергии.

О других источниках энергии не стоит даже говорить серьезно. Запасы полезных ископаемых (например, каменного угля) незначительны, а их добыча представляется малоэффективной. Чудовищное количество необходимой человечеству энергии (десятки тераватт!) может быть обеспечено только ядерной энергетикой. Источником энергии Солнца также являются ядерные и термоядерные реакции, так что в настоящий момент ее использование представляется единственным выходом из положения. Каждый день наша планета получает от Солнца 165 000 тераватт энергии, а для решения всех энергетических проблем необходимо лишь 20 тераватт. Природа создала огромный источник энергии, но человечество еще не научилось достаточно эффективно им пользоваться.

2.1. Транспортировка и хранение энергии

Я потратил много времени, пытаясь придумать какую-либо глобальную схему энергоснабжения планеты, разумную с точки зрения экономики и технологии. Основная идея заключается в том, что к 2050 году человечество должно прекратить совершенно бессмысленную транспортировку огромных масс топлива (угля, нефти и т. д.) по всей планете, а должно научиться передавать энергию именно в виде «энергии». Для этого нам следует прежде всего создать нечто вроде глобального «хранилища» энергии в виде сетки или «паутины» (из сотен миллионов соединенных друг с другом энергетических сайтов), позволяющей наиболее эффективным образом перераспределять потоки электрической энергии.

Рассмотрим, например, существующую сейчас систему электроснабжения всей Северной Америки, от Полярного круга до Панамского канала. К 2050 году эта система будет действительно включать в себя сотни миллионов узлов или сайтов, так что для создания реальной сети хранения энергии нам необходимо решить лишь технические вопросы, из которых существенными являются два. Во-первых, необходимо существенно снизить потери при передаче тока на большие расстояния, а во-вторых – мы должны как-то обеспечить само «хранение» электроэнергии в узлах.

Принципиально важными для функционирования и надежности такой энергетической сети являются именно вопросы хранения энергии в узлах, особенно если нам удастся создать устройства, вырабатывающие электричество на основе энергии солнечного света или ветра. Естественно, что хранение получаемой при этом энергии выгоднее организовывать вблизи центров потребления. В качестве заманчивой перспективы можно представить, что к 2050 году каждый дом, производственное помещение или организация будут снабжены собственным локальным устройством хранения электроэнергии, работающим круглые сутки. В идеале такие устройства должны быть небольшими по размеру и достаточно дешевыми, чтобы владельцы могли менять их на новые модели каждые несколько лет, поддерживая развитие такой сети и обновляя оборудование.

К сожалению, существующие устройства хранения электроэнергии еще очень далеки от предлагаемого идеала и являются очень громоздкими и дорогими (даже самые современные свинцовые аккумуляторы мощностью 1000 киловатт/час занимают несколько квадратных метров и стоят около 10 000 долларов). Однако в последние годы (во многом благодаря достижениям в нанотехнологиях) появилась реальная возможность существенного уменьшения размеров и стоимости батарей. Разработки продолжаются, и уже в близком будущем можно ожидать появления на рынке батарей такой же мощности, имеющих размеры небольшой стиральной машины стоимостью лишь около 1000 долларов. Массовое использование таких батарей будет иметь огромное значение для стабильности и надежности работы всей энергетической сети в целом, поскольку позволит снизить влияние местных флуктуаций, аварий и нарушений режима работы. Особую ценность такие устройства приобретут при внедрении новых источников энергии, связанных с использованием энергии ветра и Солнца.

Еще одно очень важное изобретение необходимо для того, чтобы мы могли передавать электроэнергию в огромных количествах (сотни гигаватт) на очень большие расстояния, например, от солнечных батарей в штате Нью-Мексико к потребителям в Новой Англии, что позволило бы производителям энергии на месте не беспокоиться об удаленности потребителей. Другими словами, необходимо создать достаточно обширную и связную энергетическую систему, объединяющую самых разных производителей энергии: экологически чистые угольные шахты в Вайоминге, ветряные установки в Северной Дакоте, газовые месторождения на Аляске, гидроэнергетические установки на севере Британской Колумбии, установки по выработке энергии из биомассы в Миссисипи, ядерные станции Хэнфорда, солнечные батареи на обширных пространствах западных пустынь и т. п. В такой сети удаленные производители и потребители энергии из самых разных областей континента могут свободно соединяться, несмотря на разделяющие их пространства. Пока такая единая электрическая система выглядит фантастикой, однако в последние годы возник проект создания нестандартной системы передачи электроэнергии, основанной на достижениях нанотехнологии. В узлах связи такой сети планируется использовать устройства из нанотрубок особого вида (так называемые а£а-нанотьюбы, образующие квантовые соединения в виде «кресла»). Научные открытия во всех отраслях энергетики (производство, передача и хранение энергии) и инновационные проекты на их основе в сочетании со здоровой конкуренцией и свободным предпринимательством производителей позволят не только решить перечисленные выше проблемы, но и создать рынки новых товаров и услуг в глобальном масштабе.
Наиболее важной технической задачей остается, по моему мнению, проблема локального хранения получаемой энергии, причем обеспечение «локальности» имеет ключевое значение. Дело в том, что основным недостатком любых установок, использующих энергию солнца и ветра (а именно эти источники рассматриваются сейчас в качестве основы будущей энергетики) является естественная неравномерность режима их работы и связанные с этим большие колебания в объеме вырабатываемой энергии, что особенно заметно при эксплуатации ветряных установок. Для таких устройств проблема хранения вырабатываемой энергии зачастую является основной, что вновь приводит нас к научным проблемам, решением которых может и должна заниматься нанотехнология. Напомню, что практически все физико-химические процессы в устройствах, обеспечивающих аккумулирование и хранение энергии (батареи, конденсаторы, топливные элементы, химические системы со связанным водородом и т. п.), происходят именно за счет наномасштабных процессов. Почти во всех случаях конечный процесс передачи заряда осуществляется группой из нескольких атомов на какой-либо поверхности. Поэтому, почти наверняка следующее поколение устройств хранения энергии будет создано на основе нанотехнологической модификации поверхностей, наноразмерных частиц катализаторов и т. д. Именно в энергетике (и особенно в решении проблем хранения энергии) нанотехнологии могут проявить свою исключительную эффективность.
2.2. Энергия для всех

Еще раз подчеркну, что я считаю проблему энергии наиболее важной для дальнейшего развития человечества. Все остальные задачи могут быть решены лишь при наличии достаточно мощных и доступных источников энергии. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить население планеты (10 миллиардов человек в ближайшие десятилетия!) экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Я уверен, что эта задача может быть решена теми направлениями современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне. Именно эти направления и объединяет нанотехнология.

Глава 3 Причудливые, странные и туманные перспективы нанотехнологии. Корабль в Саргассовом море с опасными капризами моды и агрессивными требованиями рекламы

Питер Коффи

Питер Коффи является одним из редакторов очень популярного в деловых кругах США журнала eWEEK (издание концерна Ziff Davis Media), посвященного проблемам предпринимательства и инновационной политики. Более 20 лет является одним из ведущих экспертов в области научно-технического развития вообще, выступая в качестве аналитика и консультанта и составляя обзоры по состоянию рынка и качеству новейших технических товаров в радиоэлектронике и информационных технологиях. Он также ведет известную среди специалистов редакторскую колонку «Epicenters», часто выступает по общенациональным каналам телевидения (CBS, NBC, CNN, Fox и PBS) по различным проблемам теории и практики новейших информационных технологий, организует конференции и семинары, а также выпускает книги и брошюры.

До перехода в журнал eWEEK (предыдущее название PC WEEK) П. Коффи занимал руководящие посты в фирмах Exxon и Aerospace Corporation, участвовал во многих правительственных и частных проектах, связанных с новыми технологиями (включая анализ жизненного цикла многих технологий типа x86, микропроцессоров RISC, Windows, OS/2 и т. п.), и преподавал во многих известных организациях и университетах. С его регулярными еженедельными заметками, озаглавленными Peter Coffee’s Enterprise IT Advantages, читатель может ознакомиться на сайте www.eweek.com/petercoffee.

У читателей книги и широкой общественности почти наверняка возникает наивный вопрос – а не является ли нанотехнология просто очередной модой, причудой и забавой самих ученых? Не придумывают ли они сами все эти фантастические возможности или опасности? Каковы реальные перспективы ее развития? Начальный период развития уже позади, поэтому серьезные инвесторы и ответственные спонсоры научных исследований все чаще ищут ответы на эти вопросы, решая конкретные проблемы финансирования и планирования. Мне кажется, следует начать со спокойного перечисления тех возможных сценариев развития нового направления, которые могут привести нас к разочарованию и потерям. Ввиду того что речь пойдет не о самой науке нанотехнологии, а лишь о том, как общество воспринимает ее и реагирует на связанные с ней изменения, я позволю себе несколько раскованный и образный стиль изложения. Начну с перечисления возможных вариантов развития нанотехнологии.

• Нанотехнология может оказаться еще одним «холодным синтезом», то есть научной идеей, в далекой перспективе обещающей исключительно важный результат. Ценность идеи вначале безмерно преувеличивается, а позднее все это научное направление оказывается бесплодным и «умирает», оставляя лишь память об ожесточенных дискуссиях и загубленных научных авторитетах некоторых участников.

• Нанотехнология может развиваться и по сценарию открытия «синтетического топлива» и многих других проектов, представляющих собой вначале вполне разумное и перспективное научное направление, которое позднее оказывается бесплодным (из-за экономических соображений, затянувшегося на многие годы решения побочных технических проблем или непрерывного усовершенствования и т. п.).

• Нанотехнология может представлять собой вариант проблемы «искусственного интеллекта», то есть абстрактного, но разумного научного понятия (или, точнее, наклейки, «лейбла»), которое при дальнейших исследованиях теряет собственный смысл и создает целый ряд отдельных научных направлений. Например, сейчас никто не занимается созданием «искусственного интеллекта» вообще, так как эта грандиозная научная проблема давно «распадалась» на множество конкретных задач, относящихся к вычислительной технике, компьютерам, исследованию операций, теории игр и многим другим научным дисциплинам.

Мне лично наиболее разумной в настоящее время представляется концепция развития, в соответствии с которой «корабль» под гордым флагом «Нанотехнология» действительно плывет к новым методикам преобразования энергии и вещества, хотя не исключена и возможность, что он будет бесконечно блуждать в Саргассовом море возможностей, незавершенных проектов и постоянных ожиданий.

3.1. Как не ошибиться в поисках успеха?

В этой главе мы рассмотрим некоторые весьма общие доводы и закономерности, относящиеся к развитию нанотехнологии. Существует выражение «порочный круг», описывающее ситуацию, когда каждый неправильный поступок или ошибка немедленно порождают такие же неправильные последствия. В жизни и науке этому хочется противопоставить «добродетельный круг» (тем более что по-английски эти прилагательные рифмуются: vicious и virtuous circles), когда каждое новое достижение или успех тут же создает возможность для дальнейшего успеха и прогресса. Возвращаясь к метафоре корабля, я бы сказал, что он плывет в море, полном опасностей, главные из которых можно назвать «капризами моды» и «агрессивной рекламы» в развитии самой нанонауки.

Я воспользуюсь словом fad, которое имеет много значений и оттенков смысла (фантазии, увлечения, причуды, капризы моды и т. п.), сводящиеся, в сущности, к различным определениям, которыми люди стараются как-то приукрасить или оправдать свое неправильное поведение. Термину нанотехнология грозит опасность стать примерно таким же богатым на смыслы и неопределенным понятием, так как сейчас его используют в самых разнообразных проектах и разработках, от вполне реалистических до самых фантастических. В информатике и теории связи очень важным параметром является отношение сигнал/шум, позволяющее оценить долю ценной и действительно важной информации в потоке данных, но, к сожалению, мы не можем пока классифицировать по этому параметру огромное число данных и публикаций, относящихся к нанотехнологиям, особенно учитывая их специфические и иногда поразительные особенности.

Вообще говоря, отношение общества к новым технологиям постоянно меняется, по мере того как их достижения воплощаются в реальные изделия, товары и услуги. Поэтому, задумываясь о будущем, серьезные исследователи, стремящиеся привлечь интерес инвесторов к своим разработкам, стараются быть сдержанными и точными в оценке своих возможностей. В этой связи интересно отметить, что многие из них стали в последнее время избегать излишне общего термина нанотехнология и стараются просто точно определять свою «нишу» деятельности в рамках привычных дисциплин.

Ситуация с определениями в науке и технике достаточно сложна и требует некоторых пояснений. Дело в том, что приставка нано – и определение нанотехнологический превратились сейчас в какие-то своеобразные «наклейки», которые многие авторы и организации беззастенчиво используют лишь для демонстрации высокой технологичности предлагаемых процессов или товаров. Кстати, такое поведение неоднократно повторялось в истории техники. Парадоксально, но длительное время могут существовать лишь научные «наклейки», относящиеся к очень трудным или неосуществимым замыслам (например, «вечный двигатель»), а реализация большинства технологий приводит к быстрому привыканию публики, которая затем быстро теряет интерес к новинке, после чего соответствующие термины просто исчезают из разговорной речи и рекламных объявлений. Можно вспомнить, что в 60-е годы производители новейшей радиоаппаратуры постоянно подчеркивали, что их продукция является полупроводниковой и транзисторной (в противовес старым «ламповым» приемникам и т. п.), а позднее перестали об этом упоминать вообще. Образно говоря, многие технические определения просто «выцветают», подобно обычным наклейкам на товарах.

Это явление легко заметить и в современной жизни. Старшее поколение пользователей еще использует сочетания мобильный телефон, цифровая камера и т. п., но подростки говорят просто телефон (в США подростки говорят просто фон) и камера, поскольку считают определения очевидными и привычными. Можно с уверенностью предсказать, что в период 2010–2020 гг. (когда ожидается широкое внедрение нанотехнологических товаров и услуг) приставка нано– начнет постепенно, но неизбежно исчезать из названий и рекламных плакатов.

Я хочу подчеркнуть, что нанотехнологии уже потеряли необычность и статус научной причуды, а представляют собой одну из основных тенденций развития науки и техники, своеобразный мейнстрим общественного прогресса вообще. Исследователи, инвесторы и фирмы уже оценили возможности новых технологий и все шире внедряют их в коммерческое производство (иногда с энтузиазмом, иногда – вынужденно). Нанотехнологии, которые можно назвать системой управления веществом на атомарномолекулярном уровне, уверенно занимают новые позиции в промышленности и общественной жизни.

Часто приходится читать и слышать, что нанотехнологии возникли на основе удивительных предсказаний и видений Ричарда Фейнмана и Эрика Дрекслера, которые затем нашли много практических применений. Реальная ситуация выглядит сложнее, так как, разумеется, нанотехнологии стали результатом общего развития научных концепций и методик второй половины прошлого века. Мне хочется напомнить читателю американский фильм «Старшекурсник» (1967 год), в котором преподаватель объясняет студенту, что обобщающим термином для всех веществ на свете является слово полимеры. В те годы происходило широкое внедрение полимерных товаров и изделий, вследствие чего многим людям казалось, что слова полимеры или пластики лучше всего характеризуют вещества вообще. Примерно такое же отношение наблюдается сейчас по отношению к нанотехнологиям, которые многие ученые и предприниматели стали считать самым общим символом научнотехнических возможностей.

Уже сейчас, незаметно для общественности, созданные на основе нанотехнологий отдельные детали и изделия широко используются в производстве многих бытовых товаров (например, плоские экраны телевизоров и компьютеров), а их роль и стоимость должны учитываться фирмами-производителями и экономистами. Со временем процесс внедрения новых технологий станет принимать все более широкие масштабы, существенно изменяя базовую стоимость многих распространенных товаров и услуг, а также саму структуру рынка и производства.

3.2. Агрессивная реклама

Капризы и увлечения модой могут отрицательно влиять на развитие нанотехнологий, но оборотной стороной увлечений является уже возникшая агрессивная реклама возможностей новых технологий, постоянное обещание быстрых и невиданных успехов, включая самые фантастические проекты (я обозначаю эту деятельность термином hype, которым в Америке называют беззастенчивую агитацию на выборах). Рекламная шумиха вокруг научных достижений возникала всегда, и обычно ее считают неизбежным побочным фактором технического прогресса, однако иногда она может стать серьезным препятствием на пути развития новых технологий (например, она может отвлекать внимание общественности и инвесторов от действительно интересных и важных идей и разработок).

Ответственный и серьезный исследователь всегда старается избегать участия в разработках, носящих рекламный или фантастический характер. Кроме того, настоящие ученые, хотя бы в общих чертах, хорошо знакомы с реальными возможностями существующих методик и поэтому не берутся за слишком общие и сложные задачи. Например, ответственный разработчик не будет даже пытаться быстро научить компьютер воспринимать обычную человеческую речь, так как прекрасно понимает, насколько сложна такая задача. Несмотря на огромные усилия и расходы, никому пока не удалось добиться ощутимых результатов в этом направлении, что, разумеется, нисколько не смущает создателей фантастических фильмов, в которых ЭВМ уже десятилетиями беседуют с людьми. Этот пример можно считать показательным для финансирования исследований, так как не обладающий техническими знаниями инвестор может вкладывать значительные средства во внешне эффектный проект с броским названием и привлекательной для публики идеей, оставив без внимания действительно ценную и перспективную разработку.

Аналитики известной фирмы Gartner, специализирующиеся на исследовании информационных технологий, разработали даже общую модель реализации и развития таких проектов, названных ими просто «циклами преувеличенных ожиданий». Для начала такого цикла обычно необходимо сочетание нескольких ярких технических достижений, играющих роль психологических «триггеров», то есть спусковых механизмов, вызывающих серьезный интерес и даже ажиотаж инвесторов. В истории нанотехнологии можно указать набор таких факторов, важнейшим из которых, по-видимому, явилось издание в 1986 году получившей весьма широкую известность книги Э. Дрекслера «Машины творения».

Образно говоря, сейчас в области коммерциализации технологий вообще (включая прогнозирование развития рынка и вложения венчурных капиталов) сложилась очень сложная и напряженная обстановка, которую можно сравнить с «горючей смесью», готовой вспыхнуть от небольшой искры, то есть от незначительных технических усовершенствований, ничтожного изменения условий и т. д. Для рынка этот цикл, скорее всего, будет означать безудержную рекламу и «раскрутку» того, что физики и техники называют «новым великим изделием» (эту роль в свое время сыграли лампочка накаливания, транзистор, персональный компьютер и т. п.). Серьезная опасность для развития нанотехнологий вообще состоит в том, что неправильный выбор приоритетов может привести к глубокому и долгому разочарованию в новых технологиях.

Не стоит преувеличивать мудрость и проницательность венчурных капиталистов, которые вполне могут ошибиться, особенно в критический, начальный период развития малоизвестных технологий. Как ехидно отмечал Дэвид Истмен, один ведущих экспертов крупной консалтинговой фирмы Prospector Equity Capital: «…у инвесторов есть дурная привычка подражать друг другу, в результате чего они часто начинают наперебой вкладывать капиталы в некоторые модные отрасли промышленности. Мы видели это на примере производства дисководов, оптических сетей связи и запоминающих устройств. Если в этой ситуации вложения не приносят быстрой прибыли, многие из инвесторов после 3–4 неудачных попыток быстро разочаровываются в инвестиционном бизнесе и перестают им интересоваться. При этом из-за собственной нетерпеливости они часто попадают в смешное положение, покидая созданные фирмы незадолго до того, как организуемое производство начинает приносить реальную прибыль».

Такие неудачи надолго отбивают у многих инвесторов желание заниматься инвестиционными проектами, не говоря уже о том, что создают крайне тяжелую ситуацию для основателей и технического персонала фирм. Очень часто исходного капитала хватает на первый этап развития, при котором удается довести лабораторные результаты до технологического уровня, и именно в этот ответственный момент молодая фирма отчаянно нуждается в новых капиталовложениях (на оформление документации и патентов, закупку оборудования и т. п.). Эта ситуация является довольно стандартной, и многие энтузиасты нанотехнологий уже неоднократно попадали в нее за последние годы.

Спасти растущую фирму в таких условиях может лишь умелая техническая и финансовая политика, привлечение новых инвесторов, а также энергичные поиски новых практических применений разработанных материалов и изделий. Последнее условие является очень важным, так как современное состояний нанотехнологий вообще характеризуется именно нарастанием числа приложений. Инновационная деятельность в этой области связана больше с нахождением сфер приложения, а не с обычными «войнами» на рынках сбыта традиционных товаров. Успех в развитии нанотехнологий обусловлен сочетанием научного таланта с энергичной предпринимательской деятельностью, а не с выискиванием мелких экономических выгод (например, с распространением старых музыкальных хитов по Интернету).

Следующим, менее драматичным, но очень важным этапом развития новых технологий, по мнению экспертов фирмы Gartner, выступает «закат эпохи Просвещения», выводящий производителей и потребителей на «плато производства», при котором новые идеи начинают приносить реальную прибыль. На этом этапе развития неизбежно появляются предупреждения об исчерпанности возможностей новых технологий, их неизбежной гибели и т. п., подобно тому как в развитии кремниевой полупроводниковой технологии был период мрачных прогнозов (начало 1990-х годов), закончившийся широким внедрением в практику новых материалов (арсенида галлия и т. п.).

Впрочем, поскольку нанотехнологии имеют дело с веществом в его самых фундаментальных формах (атомы и молекулы), сейчас не имеет смысла даже фантазировать о том, что ожидает нас на следующем витке развития прогресса.

3.3. Факторы, затрудняющие прогнозирование

Вообще говоря, общую картину развития нанотехнологий даже на ближайшее время сейчас трудно прогнозировать, не в последнюю очередь из-за очевидных сложностей с определениями и терминологией. Например, многие фирмы спокойно относят свои производства к нанотехнологическим, аргументируя тем, что в процессе изготовления они давно оперируют размерами точностью в несколько нанометров. В качестве наглядных примеров можно указать производство осциллоскопов (которые должны обладать полосой пропускания около 10 ГГц, для точной регистрации сигнала шириной 1 ГГц) и полупроводниковых устройств, которые давно добились нанометрической точности в некоторых производствах, где уже изготовляют детали толщиной всего 20 нм. Эта величина составляет всего 1/1000 толщины человеческого волоса, но является уже вполне разумной для промышленного производства, доказательством чего может служить обещание фирмы Intel достигнуть ее к 2012 году [14] во всех чипах для быстродействующих запоминающих устройств.

Некоторые специалисты настаивают на том, что к «настоящим» нанотехнологиям следует причислять не те, в которых обрабатываются нанометрические объекты, а лишь те, в которых на молекулярном уровне осуществляется реальный технологический контроль над размерами изготовляемых деталей. Рассмотрим, например, процесс создания углеродных нанотрубок, представляющих собой просто цилиндрические образования из пятиугольных колец диаметром около 1 нм. Должны ли мы формально причислять их к нанотехнологическим материалам, если процесс синтеза контролируется лишь в самых общих чертах? Строго говоря, мы можем утверждать, что умеем производить новый материал лишь тогда, когда научимся управлять молекулярным процессом синтеза нанотрубок и будем способны выращивать из них, например, монолитные изделия со степенью точности, уже достигнутой в полупроводникой технике. Представляется очевидным и справедливым, что реально говорить о создании новых технологий мы сможем лишь после того, как научимся не только применять, но и строго контролировать точность используемых процессов. Ради справедливости стоит отметить, что за последнее время в этом направлении достигнут замечательный прогресс, о котором раньше нельзя было и мечтать. Например, в ноябре 2004 года появились сообщения о возможности использования искусственных молекул ДНК для ориентации углеродных нанотрубок и создания на этой основе устройства типа транзистора [15] . Важным фактором современного этапа развития выступает эффект, который физики называют синергией, то есть взаимным усилением воздействия разнородных факторов или методик. Например, это может означать применение методов молекулярной инженерии не в биологии, а для совершенно новых целей и процессов.

Более того, некоторые фирмы-производители уже преодолели сложности научно-конструкторских разработок и готовы перейти к коммерческому производству новых материалов и продуктов. Например, известная южнокорейская фирма Samsung объявила о скором массовом выпуске изделий следующего поколения с использованием углеродных нанотрубок. В частности, фирма уже создала прототип нового типа плоского телевизионного экрана (известного под названием «дисплей с полевой эмиссией») и собирается в ближайшее время запустить его в производство [16] . В новом устройстве очень большая решетка высокоточных и компактных электронных излучателей будет обеспечивать свечение экрана с исключительно высокой точностью и яркостью, значительно превосходящей существующие аналоги плоских экранов. Кроме того, фирма обещает значительно снизить энергопотребление новых типов телевизоров.

Тем самым фирма Samsung бросает вызов своим конкурентам, которые должны либо быстро начать агрессивную политику инвестиций в развитие аналогичных технологий, либо заранее смириться с поражением. Читателю можно напомнить историю с положением дел в радиоэлектронике начала 1960-х годов, когда фирмы Sony и Panasonic первыми выпустили на рынок карманные транзисторные приемники, ставшие позднее символом технической революции в области полупроводников [17] . Интересно отметить, что фирма Sony вовсе не была пионером в производстве самих материалов, а начинала со сборки. Транзисторы для выпуска своих первых радиоприемников 1955 года Sony закупала на стороне, но позднее активно занялась материалами и устройствами, быстро создав технологию производства целого ряда очень популярных образцов бытовой радиоэлектроники. В настоящее время новые материалы и устройства столь же энергично разрабатывает специализированный исследовательский институт фирмы Samsung (Advanced Institute of Technology) в южном пригороде Сеула.

В этой связи следует особо отметить разнообразие свойств наноматериалов и связанную с этим возможность их применения для совершенно новых целей, которые зачастую даже не предполагались в исходных разработках. Например, многие из читателей наверняка неоднократно читали о необычных электрических характеристиках углеродных нанотрубок, позволяющих создавать новые устройства и приборы. При этом редко отмечается, что углеродные нанотрубки одновременно обладают очень высоким коэффициентом теплопроводности, что делает их весьма перспективным материалом для решения совершенно иной задачи компьютерной техники, а именно – для создания так называемой «тепловой смазки» между микропроцессорами и теплоотводами [18] .

При этом производственные проблемы могут выглядеть по-разному для одних и тех же материалов, используемых с разной целью. Например, если технология обеспечивает высокий выход нанотрубок, но не позволяет гарантировать постоянство их длины, то фирме-производителю следует подумать о возможность выпуска упомянутой выше «тепловой смазки» или других теплоизолирующих составов, для свойств которых длина трубок несущественна. Углеродные нанотрубки являются очень наглядным примером, так как исследователи неожиданно для себя обнаружили для них множество интересных и необычных применений. Введение трубок в качестве наполнителя позволило улучшить свойства теннисных мячей, повысить механические свойства тканей, создать новые типы косметических и лекарственных препаратов и многое другое [19] . Для многих наноматериалов массового производства трудно указать конкретные применения, так как специалисты продолжают изучать их свойства и возможности. Например, неожиданно выяснилось, что нанотехнологическая обработка значительно улучшает некоторые характеристики тканей (повышает их стойкость к загрязнению, прочность и т. д.), в результате чего известная фирма рабочей одежды Dockers подвергает такой обработке более половины своей продукции.

Можно вспомнить и о том, что наноматериалы ценны и благодаря многим физическим характеристикам, которые прежде не изучались учеными просто в силу того, что были недоступны для исследователей. Подобно тому как лазерная техника (возникшая после создания когерентных источников монохроматического излучения) позволила начать изучение и использование множества ранее неизвестных процессов, так и нанотехнологии предлагают нам то, что можно образно назвать «когерентными объектами». Например, уже существует техника, позволяющая создавать так называемые наносферы или «наноснаряды», размеры которых «подгоняются» таким образом, что они могут преобразовывать в тепло световое излучение с заданной длиной волны. Такие наносферы представляют особый интерес для врачей-онкологов, которые вводят их в пораженные раком ткани организма и пытаются создать на этой основе новые методики разрушения раковых клеток (интересная статья на эту тему была опубликована в июньском номере журнала Cancer Letters за 2004 год). Предварительные исследования показали, что эти методы обладают значительными преимуществами по сравнению с используемыми в настоящее время [20] .
Интересно, что новое применение находят даже казавшиеся фантастическими проекты создания так называемых инфинитезимальных (бесконечно малых, исключительно малых) механизмов или машин. Некоторые из таких устройств уже внедряются. Например, в 2004 году были созданы поразительно малые сопла для струйного принтера (диаметром около 35 нанометров), конструкция которых построена примерно всего из 75 000 атомов! Кстати, они могут служить примером разнообразия нанотехнологических устройств, так как разработчики действительно создавали их для использования в особо точных принтерах (их производство запланировано на 2008 год), однако позднее выяснилось, что такие инжекторы могут быть очень эффективны в медицинских имплантируемых устройствах для целевой доставки и введения медицинских препаратов внутри организма. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института продемонстрировала возможности этой методики и пообещала начать выпуск устройств к 2015 году [21] .
3.4. Добродетельный круг

В заглавии этого раздела я пытался обозначить ситуацию, противоположную тому, что принято называть «порочным кругом» (когда одна неудача влечет за собой другую, одна ошибка – несколько других и т. д.). Правильно организованная технология подразумевает очень удачно подобранную комбинацию использования вещества, энергии, методов управления, производственных процессов и систему маркетинга производимых товаров. Отсутствие любой компоненты из перечисленного списка фактически не позволяет технологии реализоваться, даже если она прекрасно проявляет себя в лабораторных или модельных испытаниях. Мне кажется, что сейчас нанотехнологии удачно сочетают в себе все эти элементы, предлагая ученым и производственникам, собственно говоря, самые высокие достижения науки в различных областях.

Более того, сейчас складывается очень благоприятная для развития нанотехнологий обстановка, так как число их сторонников явно превышает число противников. Их наличие не представляет собой очевидной угрозы практически ни одной существующей отрасли промышленности, а скорее обещает многим производствам появление новых возможностей для создания следующих поколений материалов или изделий. Перспективы такого развития кажутся весьма обнадеживающими, так как нанотехнологии означают повышение производительности, беспрецедентные возможности, снижение стоимости и много других преимуществ.

Что может стать существенным препятствием для развития нанотехнологий? Мне кажется, основная опасность заключается в том, что люди, определяющие пути и методы использования новых технологий, не смогут разумно определить их возможности, воздействие и ограничения. Другими словами, новые технологии должны быть правильно восприняты и использованы обществом. Представьте себе, что кто-то пытается заменить обычную пуговицу или застежку-молнию на современную систему фирмы Velcro, но солдаты не желают ее видеть по каким-то психологическим причинам. Поэтому любое производство нанотехнологических продуктов или изделий должно начинаться с тщательного изучения уже существующей практики использования аналогичных изделий. Психологический аспект внедрения должен учитывать все эффекты неожиданных и непривычных свойств новых изделий, их способность соответствовать уже сложившимся условиям и требованиям.

В то же время, появляясь на рынке с новыми товарами и изделиями, производитель должен вести себя достаточно смело, то есть стараться не только угадать скрытые ожидания потребителей, но и предлагать им совершенно неожиданные возможности использования своих изделий. Очень часто покупатели вообще не понимают принципиальной разницы в изделиях и желают (или даже требуют!), чтобы производители продолжали оказывать им привычные услуги, потерявшие смысл после внедрения новых материалов. Можно вспомнить, что при внедрении полупроводниковой техники многие потребители требовали от фирм обеспечить систему визуальной проверки исправности транзисторов, ссылаясь на то, что перегоревшие электронные лампы было очень легко определить по замутнению поверхности стекла. Фирмы-производители в те годы потратили много времени и усилий, убеждая потребителей, что число дефектов при массовом производстве изделий твердотельной электроники настолько мало, что потребность в такой упрощенной проверке просто исчезает. Я уверен, что с такими же нелепыми требованиями и запросами придется столкнуться и создателям наноматериалов и нанообъектов.

С другой стороны, захват каких-то секторов рынка может быть значительно облегчен, если предлагаемое инновационное устройство по каким-то параметрам действительно отвечает ожиданиям потребителей или сразу демонстрирует свое превосходство перед уже существующими прототипами. В области нанотехнологий удачным примером такого подхода может служить появление в мае 2004 года на коммерческом рынке нового типа компьютерных запоминающих и логических устройств с большим объемом памяти (на основе углеродных нанотрубок), которые неожиданно стала выпускать фирма Nantero Inc. в штате Массачусетс [22] .

Кроме того, конечно, остается и возможность неожиданного выпуска совершенно новых, непривычных для потребителя товаров и материалов. Например, фирма Zettacore Inc. (Инглвуд, штат Колорадо) стала выпускать запоминающие устройства, в которых используются органические молекулы (производные хлорофилла), способные к удерживанию электронов. Исследовательская группа университета в Бостоне сумела поразить всех специалистов, продемонстрировав в конце 2004 года аналог компьютерного устройства, в котором привычным для электронщиков состояниям 0 и 1 соответствуют изгибы (в ту или иную сторону) микроскопической балки длиной всего 8000 нанометров. Испытания показали, что такое устройство позволяет не только уверенно осуществлять вычислительные операции и запоминать данные, но и создать запоминающее устройство с объемом памяти 100 Гигабит/дюйм2, работающее на частоте около 1 Гигагерца. Такое устройство значительно превосходит по характеристикам все полупроводниковые аналоги.

Выше я привел три примера, относящиеся к разным направлениям развития нанотехнологий (молекулярная инженерия, использование биологических молекул, новые физические эффекты в нанометрических масштабах), которые наглядно демонстрируют широкие возможности, открывающиеся перед учеными и разработчиками в новых технологиях. Давайте забудем о приставке нано – и попробуем еще раз понять, что означает для нас слово технология. В качестве общеизвестного примера мы можем взять, например, технологию производства стрелкового оружия, которая означает, формально говоря, лишь возможность концентрировать энергию в требуемых масштабах и ее дальнейшее использование в удобной форме при требуемых условиях. Источник энергии при этом должен оставаться стабильным и включаться только после срабатывания детонирующих устройств и т. п. Технология должна обеспечивать безопасность изделий во всех остальных ситуациях. Примерно то же можно сказать о нанотехнологиях – они должны обеспечивать концентрацию и использование энергии в требуемых целях, а разница сводится лишь к тому, что эта энергия имеет иные формы и виды (электронная, фотонная или даже механическая).

Продолжая аналогию, стоит вспомнить, что технологии стрелкового оружия непосредственно связаны с материаловедением. Простых материалов достаточно лишь для изготовления очень примитивных устройств (типа пушек), но сложные устройства требуют разработки и исследования свойств множества деталей из разных материалов. Примерно такая же ситуация возникнет при производстве достаточно сложных нанотехнологических изделий.

Завершая сравнение, отмечу, что технология оружия требует развития точных и воспроизводимых методов производства, что подразумевает создание инструментальной базы и целого набора измерительной аппаратуры. С крайне формальной точки зрения, нанопроизводство имеет дело лишь с атомами и молекулами, однако и в этом случае необходимо по крайней мере иметь аппаратуру, позволяющую описывать и оценивать структуры нанометрического масштаба. Кроме того, такое производство требует наличия инструментальной базы, обеспечивающей манипуляции с «нанодеталями», а оценка свойств вещества на этом уровне точности представляет собой совсем не простую техническую задачу.

Я пытаюсь объяснить, что развитие нанотехнологии (подобно любой другой существующей технологии) невозможно без разработки большого числа вспомогательных устройств, измерительных приборов и т. д. К счастью, в последние годы наблюдается заметный прогресс в этом направлении. Например, компания EEI Co (Хиллсборо, штат Орегон) в 2004 году сообщила о возможности получения изображений с точностью около 1 ангстрема, что соответствует размерам отдельного атома водорода [23] . Министерство энергетики США приступило к созданию микроскопа с разрешением 0,5 ангстрема, в котором применяются магнитные «линзы», позволяющие корректировать искажения [24] . В настоящее время первое устройство такого типа монтируется в Национальной лаборатории имени Лоуренса (Беркли, штат Калифорния), а ввод в эксплуатацию намечен на 2008 год.

3.5. Превращение науки в технологию и бизнес

Образно говоря, в настоящее время нанотехнология переживает свою юность, переходя от неоформленного детского состояния к зрелому и ответственному этапу развития. Для технологии, как и для человека, существуют характерные особенности «юношеского поведения», некоторые из них читатель может заметить сам. На рынке наноматериалов уже стали происходить смешные и анекдотические истории, характерные для начального этапа развития любых новых технологий (история техники полна такими историями). Например, какие-то мошенники смогли продать партию обычной сажи, выдав ее за углеродные нанотрубки, а другим удалось «всучить» покупателям партию очень дорогих в изготовлении нанотрубок специального типа, на одну треть состоящую из использованного при синтезе катализатора, который жулики «забыли» отделить. Такие истории свидетельствуют не только о развитии и становлении рынка, но и о реальном спросе на новые материалы.

Уже можно заметить, что наибольшее число жалоб и споров вызывают поставки тех материалов, которые требуют особой чистоты молекулярных структур и точности производства (например, нанотрубок и фуллеренов). Появление на рынке и внедрение материалов, свойства которых связаны со статистическими характеристиками и легче подаются проверке и измерению (например, нанопористые покрытия), происходит гораздо проще и быстрее. Это вновь напоминает нам о необходимости разработки точной измерительной аппаратуры, систематизированной программы испытаний и не в последнюю очередь согласованных стандартов на количественные и качественные характеристики для нарастающего числа новых материалов с новыми свойствами.

Еще одной особенностью, характерной для «молодых» технологий, становится проблема безопасности использования материалов и изделий неизвестных ранее видов. Например, только сейчас становится ясным, что наночастицы могут беспрепятственно проникать практически через все защитные системы человеческого организма, включая кожу и стенки сосудов кровеносной системы. Эти свойства уже изучались учеными для различных медицинских применений, однако сейчас наступила пора задуматься о возможности токсичного воздействия частиц на организм в целом. Медицина накопила некоторый опыт в этом отношении, так как наночастицы содержатся в автомобильных выхлопах, многих медицинских и косметических препаратах, промышленных отходах и т. п., однако нанотехнологии приведут к значительному росту количества поступающих в окружающую среду частиц и их разнообразия. Все эти вопросы требуют тщательного рассмотрения, законодательного оформления и выработки общественной позиции.

3.6. Возвращение к реальности

Я начал главу с обсуждения вопроса о реальном содержании нанотехнологий, скрытом под большим числом фантазий, модных веяний и научных капризов. На самом деле представляется очевидным, что нанотехнологии уже доказали свою особую важность для решения фундаментальных проблем, стоящих перед человечеством. Они, безусловно, являются не просто интересными в научном смысле, но могут занять достойное место на коммерческом рынке, так как наноматериалы уже не только продемонстрировали свою конкурентоспособность, но и открыли новые горизонты применения.

Пройдя начальный период развития, нанотехнологии уже перестали быть предметом интереснейших физических исследований и философских рассуждений, превратившись в мощный механизм создания совершенно новых материалов и производственных процессов. На их основе в настоящее время уже созданы и производятся многочисленные и разнообразные изделия (от новых типов тканей до устройств направленной доставки лекарств в организме). Более того, уже создано огромное число успешно функционирующих прототипов других нанотехнологических устройств и материалов, включая готовые к производству образцы новейших радиоэлектронных устройств.

Нанотехнологии являются не научным капризом, а одной из основных тенденций развития современной промышленности. Английская поговорка гласит, что отсутствие новостей – хорошая новость. Исходя из этого парадоксального определения, будем считать хорошей новостью тот факт, что нанотехнологии не только уже существуют, но и превратились в новый товар, новую общую ценность! Умение управлять веществом в нанометрическом, атомно-молекулярном масштабе обещает невиданные изменения в промышленном производстве и связанные с этим огромные прибыли в ближайшее десятилетие или, самое позднее, к концу 2020-х годов.

В качестве еще одной хорошей новости (то есть отсутствия особой новизны!) отмечу, что новейшие открытия в области нанотехнологий позволяют надеяться в близком будущем на достижение поразительных результатов в производстве новых товаров, медицине и образе жизни вообще!

Раздел II Участники гонки

Глава 4 Коммерциализация нанотехнологии. Работает ли закон Мура в микро– и наноэлектронике?

Стив Джарветсон

Стив Джарветсон является административным управляющим фирмы Draper Fisher Jurvetson (DFJ.com), а также основателем крупных венчурных фирм Hotmail, Interwoven и KANA. Кроме этого, он руководит вложениями своей фирмы в предприятие Tradex and Syras (приобретенное недавно фирмой Ariba and Siena за 8 миллиардов долларов), связанное с молекулярной электроникой и нанотехнологией. Стоит отметить, что Стив Джарветсон является классным специалистом в этой области, поскольку он ранее работал в фирме Hewlett-Packard, где по эго проектам выпускалось семь типов кремниевых чипов. Кроме того, он разрабатывал и занимался маркетингом разнообразных материалов и устройств, выпускаемых рядом ведущих фирм (Apple, NeXT Software), и является одним из крупных и авторитетных экспертов в новых технологиях, инновационной политике и организации новых производств. Его деятельность неоднократно отмечалась, оценивалась и обсуждалась ведущими экономическими газетами и журналами США. Стоит отметить, что журналы Worth и Fortune помещали портрет С. Джарветсона на обложке (Fortune назвал его одним из лучших инвесторов научных разработок), а VC Journal включил его в «десятку наиболее влиятельных венчурных капиталистов США». Журнал Fortune отметил его в своей подборке «Мозговой трест из десяти главных специалистов» (Brain Trust of Top Ten Minds).

Вообще говоря, история любой технологии представляет собой серию резких скачков или разрывов, между которыми развитие описывается возрастающей экспоненциальной кривой, получившей (в очень упрощенной форме) широкую известность в качестве так называемого закона Мура. Он оказался характерным для развития самых разных технических устройств или их характеристик, причем, как это ни странно звучит, действие закона часто кажется независимым от экономических условий роста. Первоначально закон Мура был предложен только для описания процессов развития очень узкой и весьма специфической отрасли электронной промышленности (производства компьютерных чипов), однако его универсальность и популярность неожиданно проявилась во многих других областях (точно так же, как нанотехнология оказалась связанной с множеством наук и технических применений). В этой главе мы подробно обсудим закон Мура, а также его применимость к описанию эволюции нанотехнологии.

Собственно говоря, абстрактные рассуждения о природе закона Мура необходимы автору лишь для одной цели – оценки перспектив развития молекулярной электроники. Дело в том, что теоретические и практические успехи в развитии именно этого направления электроники позволяют очень наглядно и детально обсудить все проблемы, связанные с коммерциализацией нанотехнологических разработок вообще.

4.1. Экспоненты технологического роста

Психологически человек всегда склоняется к линейному восприятию соФбытийизависимостей, однако естественным законом (паттерном) развития в биологической и технической эволюции почти всегда выступает ускоряющий рост, что обусловлено заложенной в природных явлениях положительной обратной связью. В настоящее время технология в целом преодолевает некий порог, после которого «разрывы» в развитии перестанут выглядеть случайными, а начнут обретать значимость, связанную с реальными событиями и так называемыми жизненными циклами производимых продуктов.

Сейчас венчурный капитал (ВК) в нанотехнологиях переживает ранний этап развития, для которого характерным является поиск новых «прорывных» технологий (которые можно назвать даже «разрушительными», поскольку они уничтожают старые производства и представления).

Ученые и предприниматели на этом этапе стремятся изменить мир или по крайней мере существующие технологии. При этом для достижения успеха им необходимо проанализировать и «преодолеть» основные тенденции развития предыдущей «технологической волны» развития. Коллектив компании FFJ (Draper Fisher Jurvetson), в которой я работаю, убежден в том, что нанотехнология действительно создает очередную волну технологического развития, способную привести к следующей технической революции и преобразованию не только промышленности, но и всей социальной жизни. Я уверен, что позднее историки будут сравнивать переживаемый нами период с промышленной революцией конца XVIII века, преобразовавшей мир.

Многие специалисты уже сейчас серьезно думают не о краткосрочных проектах и планах, а пытаются угадать среднесрочные тенденции или даже далекие перспективы развития науки и промышленности, связанные с этой волной развития. В связи с этим постоянно возрастает как число предпринимателей, так и разнообразие инновационных проектов в области нанотехнологий. Число новых компаний, в которые инвестирует наша фирма, активно вовлеченная в эту инновационную политику, постоянно растет.

Из предыдущего опыта известно, что в среднесрочной перспективе успех прорывных технологий относительно слабо связан с циклами общей экономической активности, что наглядно доказывает вся история полупроводниковой техники и промышленности. Например, в течение последних 40 лет ее развитие прекрасно укладывается на теоретическую кривую закона Мура, несмотря на множество драматических событий, связанных с политикой и экономикой. Более того, знаменитый автор прогнозов в области нанотехнологий Рэй Курцвейль осуществил даже «абстрагированный» обратный прогноз действия закона Мура. Он рассмотрел прогресс в области мощности вычислений и емкости запоминающих устройств (не только основанных на транзисторах, но и всех вычислительных машин вообще), то есть исторически расширил границы анализа на сотни лет. Результатом его исследований стал удивительный факт: развитие этих параметров прекрасно описывается экспоненциальной зависимостью, на которую почти никакого влияния не смогли оказать исторические катаклизмы, включая две мировые войны и Великую депрессию США на рубеже тридцатых годов. Аналогичный экспоненциальный рост самых разных показателей научных и технических достижений легко проследить в истории развития Интернета, медицинской диагностики, расшифровки генных структур, использования трехмерных паттернов (изображений) внутренних органов или белковых структур и т. д.

Курцвейль попытался свести наблюдаемый экспоненциальный рост наших технологических возможностей (и эволюции в целом) к довольно простой и близорукой схеме: он предположил, что прогресс науки и техники в течение ближайших 20 лет будет просто эквивалентен или сравним с прогрессом за весь предыдущий век. Для большинства специалистов по прогнозированию (вовсе не считающих, что длительность человеческой жизни как-то увязана с периодом в 100 лет) его метафоры и сравнения выглядят полной абстракцией. Всякие сравнения в этой области бессмысленны, поскольку, например, в начале прошлого века в США было всего 144 мили асфальтированных дорог. Условия жизни основной части населения существенно отличались от тех, которые мы сейчас считаем цивилизованными и приемлемыми, например, большинство людей (более 94 %) рождалось дома (а не в благоустроенных больницах), а примерно 86 % населения не имело никакого представления о ванных комнатах, телефоне и электричестве. Читатель может сам представить себе тот уровень технического прогресса, который неминуемо ожидает человечество в 2020 году, задумавшись о предсказываемых возможностях генетики, нанотехнологии и других наук. Экспоненциальный рост технологических возможностей и их применений давно превышает все наши способности к «линейному» прогнозированию будущего. Обещанный социологами «шок будущего» в свете открывающихся возможностей выглядит очень скромным и простым.
История человечества формируется ростом уровня общего знания и технических возможностей, которые и позволяют нам создавать новые инструменты и возможности преобразования мира или познания его закономерностей. Сейчас мы вступаем в эпоху совершенно фантастического роста возможностей человечества, связанных с экспоненциальным развитием в области биотехнологии, молекулярной инженерии, вычислительной техники и множества других областей. «Перекрестное опыление» (на жаргоне биологов) между разными науками и технологиями должно неизбежно привести к множеству новых и неожиданных возможностей. В связи с очевидной тенденцией к «оцифровыванию» любой информации, относящейся к веществам и биологическим процессам, ученые очень скоро получат возможность управлять биологическими информационными системами с невиданной эффективностью, что позволит им начать создание новых структурированных материалов по методике снизу вверх, пользуясь принципами самоорганизации и самосборки.
4.2. Закон Мура

В своей самой простой формулировке закон Мура сводится к утверждению, что плотность монтажа транзисторных схем возрастает вдвое за каждые 18 месяцев. Авторство закона приписывают одному из основателей известной фирмы Intel Гордону Муру. Строго говоря, в действительности эта формулировка представляет собой «смесь» разных прогнозов Мура, который в 1965 году предсказал ежегодное удвоение числа транзисторов в электронных чипах, обладающих наилучшим показателем эффективности, то есть минимальным отношением стоимость/качество. Позднее, в 1974 году Мур пересмотрел свою оценку и стал считать, что удвоение плотности монтажа должно происходить за два года. В общественном сознании эти предсказания постепенно слились в одно с периодом удвоения плотности монтажа 18 месяцев.

Основная идея закона Мура сводится к тому, что сложность электронных микросхем (в пересчете на стоимость) возрастает с некоторой постоянной скоростью, однако в настоящее время научная общественность воспринимает этот закон либо слишком абстрактно и общо, либо, наоборот, придает ему чрезмерно конкретный характер. Например, некоторые специалисты пытаются уточнить и конкретизировать закон, полагая, что речь идет только о двухмерной плотности монтажа транзисторных схем, а другие относят его к вычислительной мощности схемы вообще, то есть произведению скорость х плотность.

Поскольку нас интересуют в первую очередь долгосрочные прогнозы развития нанотехнологии, мы рассмотрим наиболее абстрактную форму наблюдаемой зависимости, позволяющей (но только формально!) проследить действие закона Мура в течение целого столетия. Кроме того, отклоняясь от собственно электронной техники, мы попробуем оценить значимость и действенность закона Мура вообще, то есть для других областей промышленности.

4.2.1. Важность закона Мура

Закон Мура долгое время связывали только с электронной промышленностью (чипы, коммуникационные системы, компьютеры), однако позднее оказалось, что им же определяется развитие и производство лекарственных препаратов, биоинформационных технологий, методов медицинской диагностики и многих других научно-технических направлений. Эта общность приобретает особое значение в наше время, когда многие «лабораторные» (то есть экспериментальные) исследования меняют свой характер, а ученые перестают изучать природу классическими методами «проб и ошибок», переходя к моделированию процессов на ЭВМ, что наглядно демонстрируют приводимые ниже примеры.

Недавно в Исследовательском центре НАСА имени Эймса была демонтирована большая аэродинамическая труба, использовавшаяся для продувки крупных моделей авиационно-ракетной техники. Причиной можно считать действие закона Мура, в соответствии с которым мощность и возможности вычислительной техники возросли настолько, что ученые могут математически моделировать турбулентные потоки обтекания, а не «запихивать» образцы техники в аэродинамические трубы. Разумеется, новый подход создает огромные возможности ускорения любых исследовательских работ.

Гигантская фармацевтическая компания Eli Lilly сейчас выпускает, образно говоря, в 100 раз меньше молекул, чем 15 лет назад, хотя число и разнообразие разрабатываемых и выпускаемых лекарств за это время значительно возросло. И в этом случае исследования и производственные процессы стали намного эффективнее, благодаря чему компания выбрала своим рекламным слоганом фразу «Меньше атомов, но больше битов!»

Известно, что основная проблема моделирования сводится к очень большому объему и высокой точности необходимых вычислений. Почти в любой области науки можно указать некий «порог точности» расчетов, преодолев который ученые могут отказаться от лабораторных экспериментов и перейти к использованию компьютерного моделирования. Уже сейчас во многих областях моделирование «конкурирует» с экспериментальными исследованиями в качестве движущей силы технического прогресса. В качестве примера преодоления «порога точности» в последние годы стоит упомянуть метеорологию (рост вычислительной мощности ЭВМ сделал возможным точное прогнозирование погоды на 6 часов вперед), испытание автомобилей на прочность (любые процессы столкновения можно изучать на компьютере, исследования динамики трехмерных белковых структур (фолдинг) и т. п.

Возвращаясь к проблеме формулировки закона Мура, отметим, что инженеры, связанные с производством компьютерных чипов и озабоченные оптимизацией производственных процессов, конечно, не занимаются подсчетом числа транзисторов в схемах. Точно так же потребителей вычислительной техники интересует не плотность монтажа транзисторов, а обобщенные рабочие параметры созданного на их основе компьютера (прежде всего скорость обработки информации и объем запоминающих устройств). Сказанное может быть отнесено и ко многих другим технологиям, поэтому имеет смысл «отделить» закон Мура от конкретного производства транзисторов (для которого он был первоначально предложен), то есть избавить его, образно говоря, от транзисторной «метрики». При этом закон становится весьма общей закономерностью научно-технического развития и может быть использован для создания долгосрочных прогнозов.

Например, в вычислительной технике действие закона Мура может быть гладко «аппроксимировано» примерно на 100 лет назад, то есть продлено «назад» до момента, когда никакой полупроводниковой техники вообще не существовало. Как показано на рис. 4.1, история вычислительной техники за последнее столетие может быть представлена в виде пяти сменяющих друг друга периодов, соответствующих указанным на рисунке парадигмам развития (электромеханические калькуляторы, релейная техника, вакуумные лампы, транзисторы, интегральные схемы). В этом случае собственно закон Мура (в его строгой исходной формулировке) может быть отнесен только к пятой парадигме, однако легко заметить, что характеристики вычислительных устройств за 100 лет развития действительно очень точно соответствуют общему закону экспоненциального роста. Говоря более просто, за последнее столетие мощность, или производительность вычислительной техники (computational power), в среднем удваивалась каждые два года (в пересчете на некоторую фиксированную цену, например, на 1000 долларов). Последние тридцать лет удвоение характеристик происходило в течение каждого года. Вертикальная ось на рис. 4.1 является логарифмической, так что горизонтальные линии на рисунке соответствуют возрастанию характеристик в 100 раз. Строго говоря, экспоненциальному росту должна была бы соответствовать прямая линия по диагонали, но рисунок взят из книги Рэя Курцвайля, который обнаружил некоторое ускорение и описал его, используя так называемую двойную экспоненту.

Рис. 4.1. Развитие вычислительной техники за последнее столетие в соответствии с формальной «версией» закона Мура Каждая точка соответствует параметрам конкретного вычислительного устройства (из книги Рэя Курцвейля)

Каждая точка относится к конкретной модели, создаваемой в попытке добиться рекордных показателей вычислительной техники. Очевидно, что за каждой точкой стоят интересные, драматические события в жизни конкретных талантливых людей (интересно, что все они действовали практически независимо друг от друга, но параметры создаваемых ими устройств почти точно укладываются на предсказуемую кривую). Например, первая точка на рисунке соответствует электромеханическому калькулятору, созданному в 1890 году для обсчета результатов переписи населения США. Одна из точек соответствует знаменитому устройству, позволившему в годы Второй мировой войны расшифровать используемый немцами код «Энигма» (этому событию посвящено несколько книг и кинофильмов), другая – той машине, которая сумела предсказать неожиданную победу Эйзенхауэра на президентских выборах 1952 года вопреки мнению всех политологов и средств массовой информации! Какие-то точки означают известные всем системы Apple II и Cray и т. д. Этот процесс продолжается, так как мы продолжаем постоянно совершенствовать технические параметры, алгоритмы вычисления и программное обеспечение ЭВМ, продолжая и развивая приведенную на рисунке кривую. Для того чтобы продемонстрировать ее возможности в настоящем, я просто обратился к рекламным проспектам, выписал параметры современного дешевого и доступного персонального компьютера (фирма Wal-Mart.com) и нанес еще одну дополнительную точку на рисунок Курцвейля (серая точка в правом верхнем углу).

Особо следует подчеркнуть тот факт, что кривая практически не связана с экономическими циклами развития, то есть на ней нельзя уловить воздействия кризисов промышленности (включая знаменитую Великую депрессию 1929 года в США), двух мировых войн и иных геополитических событий. Конечно, эти события и связанные с ними важнейшие экономические факторы (скорость внедрения новой техники, нормы прибыли, доходность вложений и т. д.) приводят к случайному разбросу параметров точек на рисунке, однако общая долговременная тенденция представляется очевидной.

В соответствии с описанными закономерностями любая отдельная новая технология (например, связанная с производством так называемых комплементарных МОП-структур) будет проходить в своем развитии одинаковые стадии, соответствующие S-образной кривой. При каждом конкретном процессе внедрения технического продукта наблюдается медленный рост в начальный период развития, резкое ускорение в фазе широкого внедрения и естественное замедление, обусловленное насыщением рынка и падением спроса из-за появления новой техники. Смысл закона Мура состоит в том, что при этом, однако, наиболее общие и важные технические характеристики целого класса устройств (быстродействие, объем памяти, ширина полосы пропускания и т. п.) всегда изменяются по экспоненте, как-то неожиданно объединяя разные технологии, каждая из которых описывается собственной последовательностью S-образных кривых развития.

Если история техники имеет некий смысл и общие закономерности, то действие закона Мура приведет к обнаружению новых структур и материалов, свойства которых будут качественно превышать характеристики упомянутых кремниевых комплементарных МОП-структур. В истории вычислительной техники за последнее столетие уже сменилось пять парадигм, и этот процесс будет продолжаться.

4.2.2. Проблемы современной парадигмы

Гордон Мур за прошлые десятилетия неоднократно посмеивался над скептиками, предсказывавшими скорую «кончину» сформулированного им закона, однако нельзя не заметить, что традиционная полупроводниковая техника действительно подходит к некоторым последним границам развития, обусловленным фундаментальными законами природы. Кстати, недавно об этом заявил и сам Мур, признавший, что его закон к 2017 году потеряет первоначальный смысл для любых кремниевых устройств.

Одна из главных проблем состоит в том, что увеличение плотности монтажа неизбежно приводит к повышению температуры работающих устройств, так что уже сейчас фирмы-производители озабочены поиском возможностей охлаждения схем, вырабатывающих (в пересчете) около 100 ватт энергии на 1 см2. Существующие технологии явно исчерпали себя, так что в долговременной перспективе следует ожидать принципиально нового, прорывного подхода, то есть возникновения новой парадигмы.

Еще более сложной выглядит проблема физических размеров устройств, поскольку технологии вплотную приблизились к размерам отдельных атомов. Например, уже сейчас оксидные полупроводниковые электроды в выпускаемых фирмой Intel изделиях имеют толщину 1,2 нм, а в ближайшем будущем фирма обещает довести толщину до трех атомов. Естественно, что никто не может ожидать дальнейшего уменьшения размеров вдвое и т. д. за счет разработки новых материалов изоляции. Сама фирма связывает дальнейший прогресс с наноструктурами из принципиально новых материалов (диэлектрики с высоким значением коэффициента k и новые типы металлических контактов), к реальному использованию которых она должна приступить в 2007 году. Примечательно, что ни одна из фирм, занятых коммерческим производством, уже не создает привычные планы разработок на ближайшие 50 лет (так называемые «дорожные карты») в области КМОП-структур. Основной проблемой в использовании тонких оксидных электродов и диэлектриков с высоким значением коэффициента k остается возможность так называемого квантового туннелирования. По мере уменьшения толщины оксидного слоя туннельный ток управляющего электрода может достигать значений тока канала или даже превосходить его, после чего фактически теряется возможность регулирования работы транзистора.

Другая серьезная проблема состоит в том, что из-за технических сложностей чрезвычайно возрастает стоимость производственных линий по изготовлению полупроводниковых устройств, или чипов. Цена оборудования такой производственной линии также примерно удваивается каждые три года (забавно, но такая закономерность получила название второго закона Мура) и сейчас уже составляет около 3 миллиардов долларов. Другими словами, нам удается уменьшать размеры транзисторов только за счет резкого удорожания стоимости оборудования и производства. Удорожание производства объясняется прежде всего возрастающей стоимостью литографического оборудования, которое используется для создания многослойных субмикронных паттернов (шаблонов) на полупроводниковых пластинах. В настоящее время производственники возлагают очень большие надежды на так называемую наноимпринтную литографию и молекулярную электронику, что обещает существенно снизить расходы и повысить качество производимых изделий.

Наша фирма уже сейчас инвестировала значительные капиталы в компании, которые стараются угадать характер следующей смены общей парадигмы в производстве элементов вычислительной техники. Мы уверены, что принципиально новые технические решения будут найдены и кривая, описывающая действие закона Мура на рис. 4.1, будет расти и после 2017 года (несмотря на скептицизм самого Гордона Мура!). С другой стороны, выше уже отмечалось, что закон Мура сложным образом связан с отношением характеристики/стоимость, вследствие чего некоторые исследователи в поисках краткосрочных решений пытаются изменить это соотношение именно за счет массовости, то есть резкого удешевления цены отдельных элементов. Читатель может представить себе огромные рулоны (типа бумажных обоев), узоры на которых составлены из массы исключительно дешевых транзисторов. Одна из сотрудничающих с нами компаний сейчас осваивает процессы «осаждения» традиционных транзисторных структур на полимерных матрицах при комнатной температуре, что позволяет организовать массовое и очень дешевое производство некоторых изделий, которые ранее изготовлялись по весьма сложной технологии с выращиванием кремниевых кристаллов, вырезанием из них и обработкой сверхтонких пластин и т. д.

4.3. Молекулярная электроника

При размышлениях о смене парадигмы в вычислительной технике и новых материалах на следующий период развития (его можно назвать посткремниевым) сразу вспоминается молекулярная электроника, которая постепенно становится нанотехнологической альтернативой КМОП-транзисторам. Молекулярные переключатели обещают революцию в вычислительной технике, так как они позволят вместо планарного формирования элементов КМОП-структур (методами осаждения) использовать их объемные сочетания, что приведет к решительным изменениям в методах производства и компоновки схем. Возможно, в начальный период такие молекулярные переключатели будут применяться лишь в некоторых «узких местах» схем, чтобы можно было дольше использовать процессы и стандартные внешние соединения, к которым привыкли специалисты за десятилетия развития кремниевой технологии.

Например, нанотехнологическая фирма Nantero в Вобурне (штат Массачусетс) использует углеродные нанотрубки, «подвешенные» к металлическим электродам на кремнии таким образом, что они образуют так называемые энергонезависимые запоминающие устройства (nonvolatile memory), или чипы с очень высокой плотностью соединений. Идея метода заключается в том, что слабые молекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы способны удерживать изогнутые нанотрубки в заданном положении практически бесконечно долго, не требуя дополнительных затрат энергии. К этому можно добавить, что углеродные нанотрубки имеют очень малое сечение (примерно 10 атомов в диаметре) и обладают прекрасными прочностными характеристиками. Будучи в 6 раз легче стали, этот материал в 30 раз прочнее ее, вследствие чего нанотрубки могут одновременно выполнять роль проводов, микроконденсаторов и транзисторов. Помимо сказанного, новая технология позволяет значительно повысить рабочие параметры устройств (быстродействие, плотность монтажа и т. п.) и снизить их стоимость. Одним из важнейших преимуществ энергонезависимых запоминающих устройств выступает то, что на их основе можно создать «мгновенно включающиеся» персональные компьютеры.

Некоторые компании (например, Hewlett-Packard и ZettaCore) пытаются создавать запоминающие элементы на поверхности кремния, используя органические молекулы, способные к самосборке под воздействием химических сил, причем общий ход процесса задается заранее нанесенными на кремниевый чип паттернами или соответствующей экспозицией.

Ниже перечисляются некоторые основные характеристики устройств и их особенности, позволяющие реально рассматривать молекулярную электронику в качестве главного направления для смены парадигмы в изготовлении элементов вычислительной техники, то есть для дальнейшего развития по закону Мура.

•  Размеры. Особую привлекательность молекулярной электронике придает то, что она потенциально позволяет осуществить принципиальную миниатюризацию элементов вычислительной техники, сравнимую с той, которая произошла при переходе к пятой парадигме прошлого века (производство интегральных схем) и обеспечила рост характеристик в соответствии с законом Мура еще на тридцать лет. В 2002 году специалисты фирмы IBM, пользуясь сканирующим туннельным микроскопом, разработали методику манипуляций с отдельными молекулами моноксида углерода, что позволило им создать «триодный» анализатор импульсов на поверхности меди. Размеры этого устройства были в 260000 раз меньше, чем у соответствующей схемы в коммерчески выпускаемых чипах. Воображение человека с трудом воспринимает такие огромные цифры, но для сравнения размеров молекул и создаваемых человеком устройств читатель может представить себе каплю воды и вспомнить, что число молекул в ней в 100 раз превышает число всех транзисторов во всех электрических схемах, выпущенных промышленностью. Особую роль для миниатюризации играет то, что в природе молекулы располагаются в объеме, в то время как создаваемые нами интегральные схемы всегда представляют собой чрезвычайно сложные и тонкие структуры, располагающиеся только на плоской, двухмерной поверхности весьма большой (естественно, по молекулярным масштабам!) и совершенно не используемой кремниевой подложки.

•  Мощность . Одна из главных причин, по которой конструкторы не могут создавать объемные структуры из транзисторов, заключается в тепловыделении, приводящем к расплавлению кремниевых подложек. Строго говоря, даже самые современные транзисторы являются крайне неэффективными устройствами, и их коэффициент полезного действия значительно уступает, например, двигателям внутреннего сгорания. Потребляемая энергия расходуется транзисторами в процессе вычислений крайне расточительно и бесполезно. Для сравнения укажем, что человеческий мозг по эффективности энергопотребления и способности к расчетам превосходит лучшие из существующих процессоров в 100 миллионов раз, уступая последним только в быстродействии (менее 1 кГц). Эффективность работы мозга (в качестве вычислительного устройства) обеспечивается исключительно высокой плотностью внутренних связей в очень небольшом объеме (примерно 100 триллионов синапсов связывают между собой 60 миллиардов нейронов). Будущее вычислительной техники связано только с резким снижением энергопотребления (в пересчете на количество операций) и повышением скорости самих операций.

•  Стоимость производства . Создаваемые в настоящее время молекулярные электронные устройства очень просты и чаще всего представляют собой «покрытия» или самоорганизующиеся структуры из органических соединений. Собственно говоря, требуемая от них сложность как бы предварительно «заложена» в сложную структуру синтезируемых молекул, поэтому процесс изготовления может быть сведен упрощенно к «расплескиванию» химической смеси на подготовленную кремниевую поверхность. Сложность устройства в целом при этом обеспечивается не сложностью технологических процессов обработки и инженерного замысла, а свойствами самих молекул. Нанотехнологии концептуально отличаются от привычных процессов примерно так же, как биологический рост организма отличается от вытачивания детали на станке. Главное отличие заключается в том, что сложность в наноструктурах возникает в результате идущих «снизу вверх» процессов, то есть «задается» какими-то внутренними конформационными изменениями материала, а также слабыми молекулярными силами и поверхностным взаимодействиям участвующих в процессе молекул. Легко заметить, насколько такие процессы отличаются от обычной инженерной технологии изготовления объектов «сверху вниз», основанной на точных операциях и статическом состоянии обрабатываемых изделий.

•  Возможность производства при низких температурах . Одной из замечательных особенностей биологических процессов является то, что они позволяют создавать очень сложные объекты без применения температур около тысячи градусов, высокого вакуума и т. п. Большинство реакций органических молекул осуществляется при комнатной температуре или температуре человеческого тела. В массовом производстве это означает переход от дорогостоящих и сложных в изготовлении кристаллических подложек к гораздо более дешевым и удобным полимерным материалам.

•  Элегантность технических решений. Немаловажным фактором выступает то, что молекулярная электроника зачастую позволяет находить, как говорят инженеры, элегантные технические решения многих сложных проблем, особенно в области создания так называемых энергонезависимых и «внутренне цифровых» (inherent digital) запоминающих устройств. Для придания этих абстрактно задуманных характеристик устройствам на основе КМОП-структур, технологам приходится применять самые «неестественные» и сложные методы обработки. В связи с этим интересно отметить, что многие объекты молекулярной электроники исходно являются энергонезависимыми и «цифровыми»!
Существует множество других интересных проектов (от создания квантового компьютера до использования ДНК в качестве структурирующего материала для направленной сборки нанотрубок). Число таких разработок постоянно возрастает, а объединяет их лишь то, что все они с полным правом могут быть отнесены к нанотехнологиям.
4.4. Коммерциализация нанотехнологии

В определении нанотехнологии часто используется или упоминается возможность манипуляции и управления объектами нанометрического размера (обычно речь идет о диапазоне 1—100 нм). Давно замечено, что использование масштаба длины в определении целой науки выглядит необычным и даже странным (ведь никому не приходит в голову, например, называть какие-то технологии «дюймовыми»!). Венчурных капиталистов интересуют прежде всего какие-то качества материалов или необычные процессы, позволяющие им создавать новые, нестандартные товары и услуги. Нашей фирме часто приходится консультировать так называемые старт-ап, то есть венчурные фирмы, создаваемые именно для «раскрутки» новых товаров, основанных на передовых технологиях, новейших научных разработках и т. п. Обычно мы начинаем разговор с клиентами со стандартных вопросов, относящихся к мотивации их деятельности (почему вас это интересует? почему сейчас? почему вы не занялись этим бизнесом 10 лет назад?). При разговоре о нанотехнологических проектах мы практически всегда слышим, что в результате последних исследований появилась возможность производить очередной наноматериал с необычными свойствами, которые никогда ранее не наблюдались в известных веществах.

Вещества и процессы в нанометрическом диапазоне размеров обладают множеством необычных характеристик, которые кажутся нам странными просто в силу того, что наши органы чувств и даже способность к восприятию сформировались в «большом» (макроскопическом и статистическом) мире. Действительно, мы не способны видеть отдельный фотон, заряд электрона или квант энергии, точно так же как молекулярные взаимодействия. Человек видит и описывает лишь макроскопические, усредненные объекты и явления, проявляющиеся в больших масштабах (типа трения и т. п.). При переходе к наноразмерам перестают действовать и становятся неточными привычные законы ньютоновской физики, место которых занимают постулаты квантовой механики. Я еще раз повторю, что нанотехнология вовсе не означает простое уменьшение размеров и использование связанных с этим преимуществ. Речь идет о принципиальном изменении законов природы на этом уровне. Для наноразмерных объектов естественными становятся квантовое «переплетение» событий, туннелирование (прохождение частиц через преграду), баллистический перенос электронов, протекание жидкостей без трения и многие другие загадочные явления, которые ставили в тупик всех физиков-теоретиков, начиная с Эйнштейна.

В качестве простого примера «разрыва» свойств вещества при переходе от обычных размеров к атомарным можно рассмотреть поведение обычной алюминиевой банки из-под пива. Если вам удастся измельчить эту банку в алюминиевый порошок с размерами частиц 30–40 нм, то вам придется обращаться с ним крайне осторожно, так как он представляет собой мощную взрывчатку (такую алюминиевую пудру военные используют в качестве катализатора горения ракетных топлив). Другими словами, мы получаем возможность целенаправленного и существенного изменения свойств вещества изменением размера составляющих его частиц. Например, в случае с алюминием принципиальное значение имеет изменение отношения площадь/объем, а возможно, и нарушение межатомных расстояний в кристаллической решетке из-за поверхностных эффектов.

4.4.1. Инновации происходят на границе познания

Прорывные инновации, являющиеся движущей силой развития и обновления технологий, естественно, происходят, образно выражаясь, на границе познания, то есть на передовых рубежах науки. Говоря в самом широком смысле и используя биологическую терминологию, можно сказать, что перспективные инновации не могут возникать в теплой, безопасной и уютной обстановке середины «стада». Инновации можно уподобить биологическим мутациям, происходящим где-то на краю среды обитания, то есть на границе выживаемости и поиска новых возможностей. Интересно, что в теории сложности объекты, обладающие структурой и сложностью (как физикоматематическим свойством), тоже возникают на границе хаоса, где проходит линия раздела между областями предсказуемого поведения систем и хаотической неопределенности. Точно так же в науке ценные прорывные инновации чаще всего возникают в междисциплинарных, необычных и комплексных исследованиях, далеких от академического формализма.

Возможно, особая притягательность и очарование нанотехнологий связаны именно с человеческим фактором отношения к науке. Нанонаука неожиданным образом выявляет целые области взаимного «перекрывания» фундаментальных наук и создает возможности для их «перекрестного опыления» идеями из чуждых научных дисциплин (квантовая физика и химия, биология, вычислительная техника и т. д.). Дело в том, что в процессе своего исторического развития каждая из академических наук выработала собственную систему ценностей, парадигм и даже собственный язык (или хотя бы терминологию), которые изолируют и отделяют ее от смежных дисциплин. Нанонаука (в самом общем смысле) дает ученым возможность вновь объединить свои системы и языки, предлагая им общие методы и объекты исследования. Объединяющее положение нанонауки среди прочих дисциплин схематически представлено на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Нанонаука представляет собой «перекресток» многих научных дисциплин

Развитие нанотехнологии вызывает интересные и ценные дискуссии в учебных заведениях и правительственных лабораториях, способствуя междисциплинарным исследованиям. Во многих институтах открываются отдельные факультеты и учебные центры, специализирующиеся в области нанонауки и нанотехнологии. Интересно, что здание факультета по нанотехнологиям в Стэнфордском университете располагается между учебными корпусами других специальностей (инженеры, вычислительная техника, медицина), что как бы символизирует объединяющую роль новой науки. Более того, эту объединяющую и интегрирующую функцию она сохраняет и вне академической сферы, неожиданно создавая новые и непривычные комбинации в бизнесе и социальных оотношениях. Например, нанотехнологические товары и изделия имеют самое разное назначение (солнечные батареи, компьютерные чипы, лекарственные препараты и т. п.), что привело к активизации и появлению новых связей между специалистами по маркетингу, распределению и продаже в этих далеких отраслях. Расширение и обновление таких связей практически всегда оказывает благотворное воздействие на участников, создавая возможности для обмена знаниями и методами (физики назвали бы это синергетическим эффектом).

4.4.2. Хронология событий на рынке нанотехнологий

В литературе уже устанавливается простое и короткое название нанотех для коммерческих нанотехнологий, которым я буду пользоваться ниже для обозначения уже существующих прорывных инновационных проектов. Они охватывают множество разных производств (электроника, энергетика, фармацевтическая промышленность, материаловедение), но пока в основном находятся на начальной стадии развития. В дальнейшем ситуация может сильно измениться – Национальный научный фонд США предсказывает рост общего объема нанотеха через 15 лет до 1 триллиона долларов!

Вообще говоря, в далекой перспективе использование нанотехнологий приведет к революционным изменениям практически во всех отраслях промышленности, поскольку речь идет о весьма общих возможностях управления веществом на атомарном уровне, включая неорганические, органические и даже биологические структуры и вещества. При этом само управление новыми производствами может поменять свой характер и превратиться из аналогового в цифровое.

Футуристические и фантастические прогнозы развития нанотеха приносят в сущности большую пользу, поскольку привлекают к новой науке и ее проблемам внимание молодых и самых одаренных исследователей. Ученых всегда привлекали сложные и интересные задачи, а нанотехнология представляет им прекрасный шанс проявить свои способности.

Большинство венчурных капиталистов осознает реальность нанотеха, так что основной проблемой становится правильное вложение капиталов и расчет временных сроков коммерциализации тех или иных разработок. Короче говоря, проблема сейчас состоит в выборе объемов и секторов вложения инвестиций. Учитывая разнообразие возможных приложений нанотеха, существующая ситуация означает для серьезного аналитика и инвестора решение сложнейшей задачи: «прогонку» массы вариантов через интеллектуальный фильтр экспертной и экономической оценки для выделения наиболее перспективных направлений развития рынка. Такая оценка означает непрерывный процесс сбора информации (например, постоянно возникающих бизнес-планов разнообразных производств) и ее последующей экономической, технической и чисто интуитивной оценки. Кроме того, нельзя не упомянуть два блестящих научных достижения последних лет, вызывавшие большой интерес у научной общественности и в коммерческих кругах. Я говорю о расшифровке генома человека и получении визуальных изображений на основе выходных сигналов сканирующего туннельного микроскопа (читатель наверняка видел логотип фирмы IBM, написанный отдельными атомами ксенона на кремниевой поверхности). Такие события, символизирующие прогресс так называемой диджитализации, или оцифровывания (информации) в физике и биологии, служат пропаганде научных достижений и способствуют появлению инновационных проектов.

В самое последнее время число публикаций, посвященных нанотеху, значительно возросло, напоминая о временах появления Интернета. Речь идет не только о популярных статьях, но и о научных работах, количество которых за последнее десятилетие увеличилось примерно в 10 раз. Еще поразительнее выглядит статистика по патентам, выдаваемым в области различных приложений нанотехнологий. Согласно данным Ведомства США по патентам и торговым маркам (USPTM), их число ежегодно возрастает в три раза на протяжении последних семи лет. О стремлении захватить рынки и методы производства с очевидностью и даже какой-то символичностью свидетельствует тот факт, что в упомянутой выше фирме IBM уже сейчас вопросами нанотехнологий занимается больше юристов, чем инженеров!

В связи с последними действиями в рамках Национальной нанотехнологической инициативы федеральное финансирование этих исследований продолжается и возрастает. Например, в 2004 году намеченная сумма 847 миллионов была не только предоставлена (несмотря на общие сокращения в бюджете), но и повышена. Среди статей федеральных расходов на науку нанотехнология занимает второе место (уступая только расходам на освоение космоса). Америка не одинока в своих пристрастиях: хотя расходы США на эти цели в 2003 году составили 1/3 от общемировых, Япония например, затрачивает на эти цели даже большие суммы.

Именно финансирование со стороны федерального правительства позволяет развивать инновационную деятельность в области нанотехнологий. Практически все компании, которым наша фирма оказывает юридические и консалтинговые услуги, относятся к разряду так называемых «раскручиваемых» и занимаются тем, что пытаются внедрить новейшие технологические разработки в промышленное производство. При этом они пользуются результатами исследований, полученных в высших учебных заведениях или государственных лабораториях (то есть используют передаваемую интеллектуальную собственность). Очень часто такие компании нуждаются в специальном оборудовании и дорогостоящих лабораториях для дополнительных исследований, необходимых для «подгонки» результатов к выпуску каких-то конкретных продуктов (нормальный предприниматель, конечно, не держит такое оборудование, согласно поговорке, «в углу гаража»). Ситуация с необходимостью проведения дополнительных исследований является типичной для всех так называемых стартовых (start-up) и инновационных компаний.

В общем плане сейчас есть множество корпоративных инвесторов, готовых вкладывать серьезные деньги в нанотехнологические инновационные проекты, осуществляемые стартовыми компаниями, получившими извне данные НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок) и начальное финансирование. Кроме того, многие крупные инвесторы выражают готовность покупать целиком новые фирмы, связанные с производством перспективных продуктов (например, совсем недавно крупный производитель чипов компания AMD захотела приобрести небольшую венчурную компанию Coatue, специализирующуюся на разработках устройств молекулярной электроники).

Сказанное вовсе не означает, что все инвестиции в этой области будут успешными, так как значительная часть стартовых компаний все-таки прогорает. От фирм-консультантов, подобных нашей, это требует непрерывного совершенствования методов анализа и оценки (образно говоря, мы должны постоянно «прочищать» фильтры, через которые «прогоняем» оцениваемые проекты). Организаторы и предприниматели всегда стараются представить свои планы в наиболее выгодном свете, и только интуиция опытного специалиста помогает выбрать правильные направления развития.

4.4.3. Проблема вертикальной интеграции стандартов и технических условий

Нанотех предлагает обширные инженерные программы, начинающиеся с низшего уровня физической основы нашего мира (с атомов и связанных с ними процессов) и заканчивающиеся реальным бизнесом. В этих условиях естественно возникает вопрос о вертикальной интеграции стандартов производства на стадиях, предшествующих выпуску коммерческого продукта для продажи. Если, например, специалист по молекулярной электронике сумел создать чип, совместимый с уже существующими динамическими оперативными запоминающими устройствами (DRAM), то ситуация выглядит весьма выигрышной. Изделие может быть «состыковано» с остальной аппаратурой, попадает на так называемую «горизонталь» стандартизации, и производитель может не беспокоиться о дальнейшей, «вертикальной» интеграции стандартов. Однако гораздо более вероятной является ситуация, когда созданное устройство (например, трехмерное запоминающее устройство) не совмещается с другим используемым оборудованием, и тогда производитель обязан ввести какой-то промежуточный блок, позволяющий использовать новое устройство в общей системе. Такая подгонка часто требует от инновационной фирмы поиска партнеров по производству, что, естественно, означает дополнительные затраты времени и денег. Внедрение в производство новой трехмерной логической схемы с повышенным числом внутренних связей будет означать не только новый дизайн и новое программное обеспечение, но и удлинение сроков коммерциализации продукта. Большинство инновационных фирм к концу разработок начинают срочно искать партнеров, способных правильно представить новый продукт на уже существующем рынке сбыта. Успех и своевременность выполнения всего проекта зависят не только от технического совершенства, но и от множества других факторов, включая правильно организованную защиту интеллектуальной собственности, удачный подбор партнеров, возможность дальнейших усовершенствований, технических сложностей (наличие требуемого оборудования и т. п.), а также признание достоинств нового товара на возможно более высоком уровне.

Так называемая временная линия развития продукта связана обратной связью с циклами научно-технических разработок. Например, слишком затянутые (по сравнению с кристаллическими аналогами) сроки испытания органических светоизлучающих диодов (LED) могут оказаться неприемлемыми для партнеров и значительно осложнят процесс коммерциализации.

4.4.4. Проблемы взаимодействия

При любых оценках возможностей инновационных проектов в области нанотехнологий следует учитывать, прежде всего, проблемы финансового обеспечения, рыночных запросов и получения прибыли в какие-то разумные сроки, например в течение 5 лет. В нанотехе существует множество разнообразных возможностей, но общая линия поведения и развития должна быть определена четко. Следует ли затягивать исследования (надеясь на получение правительственных грантов в течение 20 лет) или необходимо найти ориентированную на рынок бизнес-структуру, способную привлечь венчурный капитал? Не окажется ли поставленная задача слитком сложной и не потребуется ли для внедрения нового продукта перестраивать целые отрасли промышленности?

В качестве мысленного эксперимента представьте себе, что кто-то предлагает вам очередное нанотехнологическое «чудо», которое можно назвать молекулярной машиной (это может оказаться суперкомпьютером, микроскопической подводной лодкой для плавания по кровеносной системе или машинкой, производящей алмазные стержни). Выбор объекта не является принципиальным. Попробуйте на этих примерах разобраться со сложностью инновационных проектов.

Представьте себя венчурным капиталистом и задумайтесь над некоторыми простыми вопросами. Почему изобретатель предлагает его вам, а не занимается внедрением самостоятельно? Насколько автономными являются эти устройства? Какие источники питания необходимы для их использования? Каким образом будет осуществляться связь и управление при работе с новыми молекулярными машинами?

Именно такие вопросы взаимодействия и взаимосвязанности создаваемых объектов с окружением часто являются основными при оценке возможностей разнообразных инновационных проектов. Например, может оказаться, что для работы выбранной вами конкретной молекулярной машины необходимо наличие уже развитой системы нанотехнологической энергетики и машинной базы. В качестве поучительной аналогии попробуйте представить себе, что вам попал в руки устаревший процессор типа Intel Pentium. Каким образом, собственно говоря, вы можете использовать его на практике? Вспомните, что для подключения его к компьютеру вам необходимо проводом присоединить этот чип к более крупному проводу, который должен быть присоединен к пульту на крупных печатных платах, требующему мощного источника питания. На каждом из последовательных этапов присоединения чипа вы будете сталкиваться с проблемой поиска все более крупных по масштабу вспомогательных и соединительных устройств, которые давно вышли из употребления (отметим, что эти устройства изобретались в обратном хронологическом порядке). Каждый технический объект требует для своей эксплуатации наличия целой иерархической системы взаимосвязанных устройств, сочетание которых и обеспечивает не только его потенциальную важность, но и саму возможность использования.

4.4.5. Как выглядит масштабная иерархия в молекулярной нанотехнологии?

Описанная выше иерархия взаимодействий представляет собой одну из важнейших проблем в развитии любой техники. Интересно, что нанотехнология предлагает нам одновременно два пути преодоления этого препятствия, в первом из которых иерархия создается в направлении «снизу вверх» (этот подход очевидно связан с биологическими процессами), а второй – в направлении «сверху вниз» (такой подход, естественно, повторяет историю развития полупроводниковой техники). В настоящее время усиленно разрабатываются различные небиологические микро-электро-механические системы (МЭМС), позволяющие создавать крошечные устройства и «загоняющие» исследования в «спираль», или «воронку», миниатюризации, знакомую всем специалистам в области полупроводников. При таком развитии каждый этап уменьшения размеров с неизбежностью влечет следующий, вследствие чего многие эксперты считают, что нанотехнология обречена на повторение истории полупроводниковой техники.

С другой стороны, нельзя не заметить многочисленных успехов, достигнутых на пути «биологического» преобразования вещества. Создание новых лекарств, манипуляции с биологическими тканями и генная инженерия наглядно демонстрируют огромный потенциал и возможности построения иерархии отношений в направлении «снизу вверх». Из последних достижений, полученных методикой «снизу вверх», можно особо выделить генетическую модификацию микробов, осуществляемую либо направленным генетическим сплайсингом, либо так называемой искусственной эволюцией.

4.4.5.1. Построение структур методом «сверху вниз». «Путь чипа»

О создании структур методом «сверху вниз» говорил в своей известной речи (лекция 1959 года в Калифорнийском технологическом институте, с которой многие специалисты связывают зарождение нанонауки вообще) знаменитый физик Ричард Фейнман, предложивший задуматься о последовательном процессе миниатюризации инструментов и соответственно изделий вплоть до наномасштабов. Кстати, именно по этому пути уже пошли некоторые связанные с полупроводниковой техникой компании, которые начали с создания упомянутых выше МЭМС и постепенно перешли к разработкам наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Проектирование МЭМС уже привело к появлению заметных коммерческих продуктов, среди которых стоит отметить газонаполненные нанодатчики (используемые в автомобильной промышленности), насадки или сопла в современных струйных принтерах, некоторые новейшие медицинские устройства, фотонные переключатели в коммуникационных системах и мобильных телефонах. По прогнозамм In-StatJMDR, коммерческая прибыль от использования МЭМС должна возрасти от 4,7 миллиарда долларов (2003 год) до 8,3 миллиарда в 2007 году. Прогресс в этой области сейчас сдерживается главным образом возможностями существующей полупроводниковой промышленности, а также длительностью и сложностью монтажа новых производственных линий.

Характеристики очень многих нанотехнологических изделий, уже широко используемых в различных отраслях (энергетика, полупроводниковая техника, молекулярная электроника), могут быть значительно улучшены в близком будущем. Дело в том, что сейчас происходит интенсивное развитие новых технологических приемов и оборудования, специально создаваемого для нужд нанотехнологии. Из наиболее важных направлений развития в этой области необходимо выделить три.

• Нанолитография. В Техасском университете (город Остин) разрабатывается уникальный метод наноимпринтной литографии, который в настоящее время внедряется в серийное производство фирмой Molecular Imprint. Новая технология основана на использовании отвердеваемых под действием света жидких сред и кварцевых пластин, подвергаемых травлению, что позволяют существенно снизить стоимость изделий, получаемых нанолитографией. Эта литографическая технология недавно была специально введена в известный справочник ITRS Roadmap «Дорожная карта ITRS», где отмечается, что она имеет особую ценность в нанотехнологии, производстве МЭМС, микрогидродинамике, оптике, а также молекулярной электронике.

• Оптические ловушки. Фирма Arryx разработала прорывную технологию в обработке наноматериалов, в которой используются известные в лазерной технике оптические ловушки. Новая технология основана на использовании одного лазерного источника, излучение которого проходит через адаптивную голограмму. Она позволяет генерировать одним лазером сотни так называемых «лазерных пинцетов», каждый из которых может иметь собственную систему управления, в результате чего установка дает возможность манипуляции молекулярными объектами в трехмерном пространстве (включая перемещение, вращение, разрезание и установку в заданном месте). Не стоит и говорить о широчайших возможностях такой технологии: от работы с клетками и «монтажа» структур из нанотрубок до непрерывной обработки материалов, напоминающей механическую. Новая методика позволяет даже управлять движением органелл внутри живой клетки без повреждения последней, включая введение ДНК в ядро клетки.

• Метрология. В настоящее время атомные зондовые микроскопы производства фирмы IMAGO LEAP, позволяющие получать трехмерные изображения химических соединений и атомарную структуру объектов, уже применяются в производстве чипов и дисководов. В отличие от традиционных микроскопов, дающих просто изображение микроскопического объекта, микроскопы IMAGO (которые, конечно, следует называть наноскопами) позволяют анализировать структуру, так как их «сигналы» соответствуют положению атомов в данный момент времени. Они позволяют «сжимать» наблюдаемую картину и в оцифрованном виде получать изображение изучаемого объекта со скоростью около миллиона атомов в минуту. Такой подход открывает совершенно фантастические перспективы в получении визуальных изображений и исследовании атомарных структур вообще.

Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля. Обобщая сказанное, основные закономерности развития нанотехнологии «сверху вниз» можно свести к двум следующим основополагающим положениям:

• Подход «сверху вниз» создает множество преимуществ и удобств из-за своего очевидного родства (или преемственности) с полупроводниковой техникой и промышленностью. Прогресс в этом случае часто выступает в виде преодоления недостатков планарной технологии, что (в сочетании с новыми возможностями) значительно облегчает коммерциализацию и проблемы рынка, поскольку позволяет пользоваться установившимися стандартами и условиями.
• Иерархия масштабов и взаимодействий при этом, естественно, определяется и устанавливается в направлении «сверху вниз».
4.4.5.2. Биологический подход, или развитие технологии «снизу вверх»

В отличие от описанного выше развития технологии «сверху вниз», архетип биологического подхода «снизу вверх» характеризуется следующим набором особенностей:

• Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.

• Основные ограничения взаимодействий обусловлены контактом с неорганическим окружением.

• Возможности теоретического исследования процессов ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.

• Все рассматриваемые в технологиях «снизу вверх» процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы цифровым генетическим кодом.

Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого организма, происходят за счет иерархически выстроенных процессов передачи информации. Биологам уже известно, что внутри клеток посредством рибосом постоянно осуществляется пересылка «оцифрованных инструкций» (в виде матричной или информационной РНК, мРНК), в соответствии с которыми и происходит формирование белков из аминокислот. Эти процессы имеют очень сложный характер и осуществляются через образование последовательности так называемых конкатенатов (комплексов из топологически связанных замкнутых молекул ДНК). Сама рибосома представляет собой поразительно эффективный и надежный образец «молекулярной машины», о которой так часто говорят в нанотехнологии. Эта структура с характерными размерами около 20 нм содержит всего 99 000 атомов, и с нее начинается процесс репликации и усложнения биологических систем. В соответствии с механизмом роста происходит непрерывное считывание генетического кода, заложенного в ДНК, который по очень многим каналам обратной связи вызывает последовательное укрупнение масштабов роста, вплоть до образования макроскопических живых организмов. В настоящее время биологи, образно говоря, поступают подобно компьютерным хакерам, взламывающим коды чужих систем и использующим содержащуюся в них информацию.

Можем ли мы использовать столь сложные процессы в молекулярной электронике и нанотехнологии вообще? В чем состоит их привлекательность для ученых и технологов? Прежде всего, использование биологических процессов дает нам возможность быстро находить новые технические решения, пользуясь уже созданными природой рецептами и компонентами. Биология предоставляет нам огромный выбор самых разнообразных «заготовок» в виде молекул и субсистем, которые уже сейчас используются для совершенно иных целей. Ниже приводятся удачные примеры инженернотехнического применения биологических систем.

Например, специалистам НАСА из Центра имени Эймса удалось выделить самоорганизующиеся белки из так называемых термофильных бактерий и, подвергнув их генетической модификации, создать на их основе абсолютно новое техническое устройство. Белки были осаждены на электродах таким образом, что из них образовалась регулярная решетка, или сетка (с промежутками в 17 нм), которая оказалась очень удобной средой для магнитной записи информации в дисководах или для производства солнечных батарей.

Сотрудники Массачусетского технологического института методом искусственной, ускоренной эволюции смогли не только быстро вывести новые штаммы бактериофага М13, но и инфицировать этими штаммами бактерии, в результате чего последние неожиданно оказались способны перерабатывать полупроводниковые материалы, изменяя их структуру с молекулярной точностью.

Крейг Вентер и Гамильтон Смит из Института альтернативной биологической энергетики (Institute for Biological Energy Alternatives, IBEA) в настоящее время осуществляют интересный проект под названием «минимальный геном» (Minimal Genome Project). Им удалось выделить из мочеполового тракта человек микроорганизм Mycoplasma genitalium и удалить из него 200 «бесполезных» генов, после чего в их распоряжении оказался как бы простейший организм, способный к саморепликации (заинтересовавшийся читатель может более подробно ознакомиться с этой работой по статье «Неестественный отбор» в газете «Время новостей» зот 03.07.2007. Прим. перев. ). Сейчас исследователи пытаются использовать созданный искусственный геном в технических целях, придавая ему новые функциональные способности, позволяющие, например, получать водород при фотолизе воды под воздействием солнечного света.

Основные трудности в разработках, связанных с процессами «снизу вверх», обусловлены тем, что мы плохо понимаем закономерности явлений в этих микроскопических, но очень сложных системах, и нас может утешать лишь наблюдаемое в последние годы стремительное накопление экспериментальных и теоретических данных о них. Бурное развитие нанонауки привело к тому, что за последнее десятилетие в некоторых разделах генетики и медицины было получено больше сведений, чем за всю предыдущую историю науки. Кстати, упомянутый выше проект изучения микробов с минимальным геномом имеет особую ценность для биологии, поскольку с его помощью ученые надеются понять принципиально важный для биологии в целом механизм функционирования целостной протеомы и ее метаболизма. Дело в том, что действие генетического кода человека является исключительно сложным и связано с очень запутанной системой обратных связей, вследствие чего ученые надеются разгадать некоторые его тайны, пользуясь такими простейшими организмами, построенными по принципу «один ген – один белок».

4.4.5.3. Поучительный пример – гибридная молекулярная электроника

В ближайшие годы сразу несколько фирм приступят к реализации проектов, нацеленных на объединение достоинств обоих описанных выше подходов. Речь идет о попытках практически организовать самосборку органических молекул по принципу «снизу вверх» на изготовленных методами «сверху вниз» кристаллических подложках. Заранее подготовив некоторые участки подложек для самосборки, технологи надеются получить коммерческую продукцию, большим преимуществом которой будет наличие уже сформированного рынка.

Например, фирма ZettaCore в Денвере приступает к производству молекулярных запоминающих устройств, принцип действия которых напоминает механизм усвоения энергии хлорофиллом. Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина, которые на поверхности облучаемой кремниевой пластины способны к самоорганизации, или самосборке. При этом образуются мультипорфириновые наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться (теряя или присоединяя электроны соответственно). Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надежных сред записи информации в различных электронных устройствах. Более того, такая среда не только может хранить информацию достаточно долго, но и позволяет записать значительно больший объем информации, чем обычные диски, так как благодаря возможным пространственным конфигурациям каждая молекула имеет восемь разных устойчивых состояний.

В будущем технологи планируют создать на этой основе крупные трехмерные запоминающие устройства с ничтожным энергопотреблением, а сейчас им удается только довести характеристики новых сред до стандартного уровня существующих двухмерных дисков. Наиболее интересным и перспективным для коммерциализации обстоятельством выступает тот факт, что конечный продукт, то есть производимый фирмой ZettaCore чип для запоминающих устройств, внешне ничем не отличается от существующих кремниевых чипов, так что потребитель может даже не догадываться о его сложном внутреннем «нано-устройстве». Новый чип будет обеспечивать большую плотность записи всего устройства в целом, но при этом разъемы, контакты, декодеры, усилители и т. п. будут производиться обычными методами и соответствовать всем существующим стандартам полупроводниковой техники. Лишь на последней технологической стадии поверхность кремниевых кристаллов будет «заливаться» требуемыми молекулами, которые и начнут процессы самосборки на подготовленных участках.

С точки зрения коммерциализации проект сулит безусловные и важные преимущества, поскольку новые устройства могут сразу занять свою «нишу» на рынке, так как они совместимы со всем ранее выпущенным оборудованием. Кроме того, реорганизация производства не будет очень сложной, поскольку в процесс изготовления следует добавить лишь несколько технологических операций, причем на конечных этапах. Последнее условие имеет особое значение, поскольку любое изменение технологии на ранних этапах обработки может оказывать какое-то косвенное воздействие на последующие операции (обычно такие изменения в технологии всегда сопровождаются дополнительными проверками, что, естественно, затягивает процесс внедрения).

Уже накопленный опыт фирмы ZettaCore позволяет предположить, что первых успехов в молекулярной электронике можно ожидать в производстве простых, одномерных структур (например, химических датчиков) или двухмерных самоорганизующихся структур на стандартных кремниевых подложках, таких как чипы для запоминающих устройств, решетки из датчиков, дисплеи, солнечные батареи и т. п.

4.4.6. Проблемы интеллектуальной собственности в разных моделях бизнеса

Сроки коммерциализации любого научного проекта определяются не только техническими трудностями создания конкретного продукта, но и весьма существенно зависят от его стоимости и масштабов производства. Инновационный бизнес очень часто строится на взаимоотношениях разработчика с более крупными фирмами-производителями, успешное сотрудничество с которыми может значительно ускорить продвижение нового товара на рынок. Это обстоятельство, естественно, связано с правами на интеллектуальную собственность.

Степень защиты прав на интеллектуальную собственность в нанотехнологии обычно определяется областью бизнеса, к которой относится инновация, и желаемой степенью защиты. Например, если разработчик желает серьезно защитить патентами состав предлагаемого им нового материала, он может воспользоваться системой патентования и лицензирования, уже существующей в биотехнологии. Создатели устройств молекулярной электроники, например, должны подбирать себе в качестве партнеров (для организации производства, маркетинга и продажи) крупные компании, связанные с полупроводниковой техникой, а биотехнологические лаборатории ищут связи с крупными фармакологическими компаниями (для проведения клинических испытаний, маркетинга, продажи и распространения). В каждом таком случае более крупный и влиятельный партнер несет значительные расходы на этапе подготовки производства и оформления документов (в настоящее время они обычно составляют около 100 миллионов долларов), а инновационная фирма надеется получить прибыль в виде так называемой лицензионной платы (роялти).

Легко заметить, что стоимость сделок с интеллектуальной собственностью сильно зависит от того, к какой области бизнеса относится инновация и насколько защищены в ней права на используемую интеллектуальную собственность. Например, в производстве программного обеспечения ситуация такова, что у любого разработчика очень мало шансов завязать партнерские отношения с фирмой Microsoft и получить от нее лицензионную плату. Производственное партнерство является распространенной практикой в полупроводниковой промышленности, где часто используется модель бизнеса, при которой принято разделять на части общую стоимость продукта. Обычно эта стоимость рассматривается в качестве единого параметра, складывающегося из стоимости отдельных этапов изготовления продукта: концептуализация, проектирование, производство, испытания, упаковка. Разделение стоимости по этапам обусловлено тем, что производство в полупроводниковой промышленности требует больших капитальных затрат. Эта модель иногда очень удобна для малых компаний, желающих быстро организовать производство своих товаров, однако в дальнейшем такие компании могут столкнуться с проблемами обеспечения доступа к рынку, маркетинга, распределения и продажи.

Серьезное рассмотрение проблем программного обеспечения устройств молекулярной электроники в свете рассматриваемого нами закона Мура приводит нас к необходимости анализа целой последовательности, или «лестницы», абстрактных понятий, связанных с объединением и усложнением систем вообще.

4.5. Системы, программное обеспечение и другие абстракции

В отличие от обычных чипов или интегральных схем (представляющих собой просто упорядоченный набор элементов) использование процессоров и логических схем всегда основано на сложной и многоуровневой системе связи с окружением. Разработчиков логических микросхем постоянно беспокоит не число используемых транзисторов, а проблема правильной компоновки и соединений. Некоторые компании, связанные с разработкой процессоров следующих поколений, даже выработали новый подход к усовершенствованию «кремниевых систем» с распределенными связями, при котором локализуются «зашитые» программы, после чего проектировщики могут повышать качество не за счет монтажа и новых логических вентилей, а используя языки высокого уровня. Введение такой иерархии элементов (и абстрактных понятий) может значительно облегчить работу проектировщиков компьютерной техники.

Интересно рассмотреть следующую проблему, которая на первый взгляд может показаться слишком общей и расплывчатой. Дело в том, что когнитивные (познавательные) возможности человека представляются относительно ограниченными и постоянными, в то время как закон Мура как бы безоговорочно (и даже «безжалостно») диктует непрерывный рост совершенствования. Экспоненциальный рост интеллектуальной мощи человека действительно происходит, но он обеспечивается использованием все более совершенных инструментов и вычислительных устройств. Например, за последние десятилетия человеческий разум добился блестящих успехов в развитии аппаратных средств вычислительной техники. Сейчас дальнейший рост чисто технических возможностей аппаратуры усложняется, и это наводит на мысль, что следующие этапы развития интеллекта могут быть связаны лишь с развитием абстракций в области программного обеспечения (поясню, что слово «абстракция» в данном случае – возможность описания и использования сложной системы без детального знания реальной внутренней структуры). По-видимому, дальнейшее усложнение и повышение характеристик вычислительных систем будет неизбежно связано с развитием так называемых сложно-распределенных систем (иногда упоминается возможность создания «распределенного интеллекта»). Образно говоря, это означает возникновение новых идей и «вдохновения» на основе биологии.

В настоящее время ученые многих стран включились в «гонку», связанную с полным описанием генома человека и расшифровкой протеомы. Конечно, эти исследования имеют огромное значение собственно для медицины (они и начинались с поисков новых методов диагностики и лечения), однако, мне кажется, что они приведут к возникновению множества интересных идей и моделей в программировании и развитии теории сложных систем.

4.5.1. Биологическая муза нанотехнологий

Уже сейчас многие важные задачи программного обеспечения оказываются связанными с развитием и функционированием очень сложных систем, напоминающих биологические, а в некоторых случаях эти задачи имеют прямые биологические аналоги (которые, по-видимому, можно назвать биологическими метафорами). Я перечислю лишь наиболее известные из проблем и конкретных проектов, родство которых с биологией проявляется даже в названиях: «Биомиметика», «Искусственная эволюция», «Генетические алгоритмы», «A-жизнь», «Возникновение» (Emergence), Automatic Computing initiative фирмы IBM, Viral Marketing, Mesh «Сито», Hives «Пчелиные улья», Neural Network «Нейронная сеть», Subsumption architecture в робототехнике и т. п. В известном институте Санта-Фе недавно приступили к реализации исследовательского проекта с символическим названием BioComp.

Иными словами, сейчас биология вдохновляет и направляет информационные технологии (ИТ), которые, в свою очередь, способствуют бурному развитию самой биологии. Связь ИТ с биологией представляется почти очевидной. Предлагаю читателю подумать о следующей проблеме. Генетический код каждого человека представляет собой полную биологическую программу, описывающую рост и работу клеток, органов, тела и мозга. Эта программа вполне может быть записана на компакт-диске CD, причем эта запись займет меньше места, чем программа Microsoft Office. Ничего сложного в этом нет, так как речь идет о цифровой записи текста, закодированного всего четырьмя «буквами», в качестве которых выступают четыре химических основания, входящие в состав ДНК (их обозначают буквами A, B, C и D). Объем всей записи составляет 750 MB и может быть очень сильно сжат из-за наличия в цепочке ДНК «ненужной» информации. Многие ученые убеждены в том, что основную часть генома человека занимают «отходы» эволюционного процесса, то есть большие участки ДНК не имеют практической ценности для жизнедеятельности. Это позволяет снизить объем требуемой информации до 60 MB. Устанавливая недавно офисную программу, я вновь поразился тому, сколь малым количеством информации описывается чудо человеческой жизни. Речь идет, конечно, о биологическом организме, а исключительная сложность нашего поведения объясняется использованием в мозгу нелинейной (так называемой нечеткой) логики с множеством обратных связей через электрические, физические и химические взаимодействия.

Например, уже в мозгу человеческого зародыша закладывается первичная межнейронная «связь», основанная на существовании химических градиентов. в мозгу взрослого человека существует такое огромное количество нейронных связей, что для их записи и описания объем ДНК является просто недостаточным (мозг содержит около 100 триллионов так называемых синапсов, или каналов связи, между 60 миллиардами нейронов). Столь сложная система не может быть просто «инсталлирована» (подобно обычной программе Microsoft Office), а ее появление скорее следует описывать термином «выращивание». Рост системы происходит сначала посредством образования связей между «статическими вихрями» положительной электрохимической обратной связи, а позднее за счет усиления наиболее часто используемых обратных связей и их непрерывного роста. Примерно к возрасту 2–3 года человеческий мозг формируется в общих чертах, образуя систему с квадрильоном синапсов.

Мозг человека давно служит образцом или целью множества исследований, посвященных искусственному интеллекту (ИИ). Исходной моделью для программистов часто выступала нейронная сеть с очень развитой (или даже полной) связью между узлами, которая затем развивается за счет усиления и развития связей, использующихся чаще. Итерационные процессы, приводящие к усилению таких соединений, заставляют систему развиваться и создают в ней новые цепочки обратных связей. Вначале развитие систем ИИ такого вида происходит по заданным правилам, однако постепенно они начинают «выходить» за рамки исходных программ, после чего часто приобретают способность осуществлять некоторые характерные для человека действия. Такие искусственные нейронные сети можно научить распознавать человеческую речь и некоторые образы, преодолевать внешние «шумы» и т. д. Очень часто, пользуясь именно таким «саморазвитием» систем, ученым удавалось решить сложные задачи, с которыми не справлялись традиционные компьютерные программы.

Закодированная в ДНК программа является исключительно мощной, поскольку в ней «спрятано» множество обратных связей, обусловленных сложными взаимодействиями между множеством генов. Например, так называемые регуляторные гены производят белки, которые способны реагировать на внешние или внутренние сигналы, регулируя активность ранее созданных белков или других генов. В результате работы этой сложнейшей биохимической «машины» возникает то, что можно назвать разветвленной системой прямого и косвенного управления.

Высокий уровень общей сложности рассматриваемых систем обрекает на неудачу многие попытки регулировать их поведение за счет очень ограниченного знания относительно побочных эффектов (это часто проявляется в тех случаях, когда исследователи изменяют лишь один ген ДНК и пытаются проследить и понять последствия этого действия). Например, недавно генетические эксперименты позволили повысить способность к запоминанию, но оказалось, что одновременно это повышает чувствительность организма к болевым ощущениям!

Продолжая аналогию, можно сказать, что наш генетический код представляет собой очень плотную сеть с множеством гиперссылок, напоминающую паутину связей в Интернете. Компьютерщики и программисты уже не раз с удивлением обнаруживали, насколько эффективным может оказаться использование непрямых указателей или так называемых рекурсивных связей. В самое последнее время биологические системы «вдохновили» исследователей на развитие эволюционного программирования, при котором создаваемые программы могут изменяться и развиваться за счет взаимной конкуренции, что весьма напоминает процессы естественного отбора при мутациях в биологии. Попытки такого рода позволяют перекинуть мостик от локальных процессов оптимизации (давно известных в математике) к общим задачам эволюции.

Нельзя забывать, что мы имеем дело с очень сложными системами и практически не имеем опыта долговременного общения с искусственно эволюционирующими системами. Наши знания в этой области очень ограниченны. Одним из примеров может служить появление в биологических системах нейронов, что привело к детерминистическому развитию многих важных функций живых существ. Именно с появлением нейронов биологи связывают с так называемый кембрийский взрыв в развитии биологических форм, когда за короткое время резко возросла структурная сложность организмов и на планете появилась разумная жизнь. До этого биологическая жизнь на Земле ограничивалась только существованием капель из клеток, но возникновение у них нейронов позволило быстро сформироваться значительно более сложным формам.

Последние достижения в робототехнике напоминают об архитектуре, характерной для биологической эволюции, когда полный набор правил поведения и реакций всей системы создается постепенно и по принципу «снизу вверх». Наиболее простые «рефлексы» таких роботов вырабатываются на самых ранних стадиях развития и остаются в дальнейшем неизменными, хотя вся система в целом продолжает усложняться. Субсистемы, возникающие в самом начале развития, входят затем в состав более сложных образований, выполняя более сложные функции, и т. п. В этих случаях разработчики часто не могут предсказать поведение развиваемой ими модели, поскольку ее архитектура напоминает строение нейронной цепи.

Мировую паутину (Web) можно считать первым в истории крупномасштабным экспериментом выращивания распределенной технологической системы по законам биологии. Развитие новых видов программного обеспечения и появление связанных с сетью дешевых «встроенных» систем служат косвенным доказательством того, что новые формы искусственной жизни скорее самопроизвольно возникнут в Интернете, чем в результате усилий программистов. Кстати, выше я уже использовал чисто биологическую метафору viral (вирулентный, вирусный) в названии одного из проектов, посвященных существующей в сети экономике.

4.5.2. Ускорители нанотехнологии. Квантовое моделирование и масштабные эксперименты

Выше говорилось о том, что научные достижения имеют тенденцию «эмигрировать» из лабораторий и превращаться в инновационные проекты, причем этот процесс протекает ускоренно, что и описывается законом Мура. Многие компании пользуются для расчета новых систем различными вычислительными приемами, но при этом следует помнить, что моделирование наномасштабных объектов и процессов связано с серьезными теоретическими проблемами. Дело в том, что неоднократно упоминавшиеся уникальные свойства наноматериалов обычно бывают связаны с квантовыми эффектами, которые до сих пор во многом остаются непонятными и загадочными. Физики почти сто лет назад вывели уравнения для квантовых систем и даже умеют аналитически решать некоторые из них. Однако эти уравнения настолько сложны, что и самые совершенные компьютеры могут пока численно моделировать поведение лишь очень простых квантовых систем, типа атома водорода. К глубокому сожалению, это означает, что в нанонауке и нанотехнологии ученые вынуждены пока пользоваться почти исключительно эмпирическими методами, то есть создавать некие нанообъекты в лабораториях, а затем классическим методом проб и ошибок выяснять свойства и характеристики этого объекта.

Разумеется, это обстоятельство весьма огорчит и разочарует многих ученых и инженеров, уже привыкших при проектировании пользоваться разнообразными компьютерными программами (подобными CAD, Computer Aided Design), позволяющими еще на стадии разработок визуализировать объекты. Ничего подобного нельзя осуществить на компьютерах с традиционной архитектурой, и моделирование нанообъектов представляет собой пока неразрешимую задачу, что имеет не только теоретическое, но и сугубо практическое значение. Дело в том, что обычно компьютерное моделирование позволяет значительно сократить время и расходы на стадии разработок нового товара, и это очень важно для любого серьезного коммерческого проекта. Серьезных инвесторов отпугивает возможность затягивания (и соответственно удорожания) стадии научно-исследовательских и конструкторских работ, что может грозить зарождающейся науке и технологии большими сложностями. Кстати, когда-то в таком положении оказалась биотехнология, но ее спасло то, что в качестве инвесторов выступали могущественные и богатые фармацевтические компании, сумевшие довести продукты до коммерциализации.

Представляется удивительным и символическим, что одно из решений проблемы компьютерного моделирования квантовой механики предлагает сама квантовая физика, посдавшая идею создания совершенно нового типа вычислительных устройств (квантовых компьютеров), позволяющих фантастически повысить быстродействие и другие характеристики компьютеров. Более того, принцип действия квантового моделирования напоминает поведение естественных систем, то есть позволяет буквально обойти препятствия традиционной вычислительной техники за счет квантовых эффектов! Можно лишь надеяться, что как только такие квантовые компьютеры будут реально созданы, то именно их начнут использовать ученые для немыслимо сложных расчетов характеристик наномасштабных объектов. На этой стадии нанотехнология станет напоминать современное моделирование и проектирование авиационно-космической техники, которое уже сейчас может осуществляться виртуально, то есть без использования данных, получаемых экспериментально в аэродинамических трубах или их химических аналогах.

На первый взгляд ситуация кажется странной и необычной, но, в сущности, она является совершенно естественной. Обычные компьютеры очень удобны для расчета привычных макроскопических (то есть не квантовых) систем, например автомобилей или самолетов, а для моделирования квантовых систем мы должны придумать и создать именно квантовые компьютеры! Каждый уровень реальности должен описываться собственным языком и собственным типом компьютеров!

Одна из компаний, нацеленных на создание квантовых компьютеров, сейчас пытается заменить кремниевые технологии алюминиевыми, и очень надеется, что в 2008 году сможет сконструировать вычислительную схему размером с ноготь, превосходящую по мощности все существующие на планете компьютеры вместе взятые. Возможно, подобные устройства смогут действительно решать задачи квантовой механики и позволят нам поставить проектирование наносистем и нанообъектов на промышленную основу, что будет означать принципиально новую стадию в развитии нанотехнологий. Потенциальные возможности квантовых компьютеров представляются настолько фантастическими, что профессор Оксфордского университета Дэвид Дейч даже заявил: «Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, на которые современным ЭВМ потребовалось бы время, превосходящее возраст Вселенной!»

Иногда утверждается, что каждый физический эксперимент может быть сведен к сложной процедуре расчета, и для подтверждения (или реализации!) этой точки зрения квантовые компьютеры совершенно необходимы расширения действия закона Мура на квантовые (нанометровые) объекты. С другой стороны, продолжаются и должны продолжаться научные эксперименты в этой области. Стоит особо отметить, что вплоть до самого последнего времени методы создания новых функциональных материалов практически не отличались от тех, которыми руководствовались ученые сотни лет назад. Создание новых материалов и сейчас в огромной степени зависит от личного мастерства и искусства ученого, обычно интуитивно угадывающего удачное сочетание компонент из немыслимого множества вариантов, а затем старательно исследующего и улучшающего полученное вещество. Неожиданные открытия в этой области обычно требуют нескольких лет изнурительного труда!

Некоторые компании (Affimetrix, Intematix и Symyx) предложили новый методологический подход к решению описываемых задач, который может быть назван «массовым экспериментированием». Метод фактически означает применение в материаловедении давно используемого химиками и фармацевтами скрининга, то есть массового обследования веществ с заданной целью. Новый подход с комбинированием огромного числа компонент уже доказал свою высокую эффективность, позволяя получать новые материалы в 100 раз быстрее, чем по традиционным методам. Указанным фирмам уже удалось разработать таким способом некоторые материалы для топливных элементов, батарей, полупроводниковой техники, светоизлучающих диодов и т. п.

Метод, который может быть по праву назван «материаловедческой комбинаторикой», обещает в будущем вытеснить все традиционные способы, поскольку он позволяет образовывать и испытывать сочетания огромного числа известных веществ. В дальнейшем, вполне возможно, речь будет идти и о полном «переборе» всех возможных сочетаний, то есть создании полной «библиотеки материалов», возможность применения которых в конкретных задачах будет изучаться параллельным массовым тестированием, типа применяемого в комбинаторной химии и фармацевтической промышленности. Автоматизированные системы смогут за короткое время «вырабатывать» ту информацию, на получение которой исследователи раньше тратили годы изнурительного труда, что, естественно, существенно ускорит научно-исследовательские и конструкторские разработки во многих областях.

4.6. Попытки прогнозирования

Завершая разговор о коммерциализации нанотехнологий, автор предлагает некоторые соображения и прогнозы развития в этой области.

4.6.1. Краткосрочная перспектива, быстрое получение прибыли

• Изготовление инструментов и некоторых новых материалов (порошки, композиты) на основе нанотехнологий. Некоторые компании организовали такие производства и уже становятся доходными.

• Производство одномерных химических и биологических датчиков, портативных медицинских и диагностических устройств.

• Начало производства микроэлектромеханических устройств (МЭМС)

4.6.2. Среднесрочная перспектива

• Начало производства двухмерных наноэлектронных устройств (запоминающие устройства, дисплеи, солнечные батареи).

• Появление иерархически структурированных наноматериалов и освоение самосборки биомолекул в нанотехнологических процессах.

• Эффективное использование наноустройств для аккумулирования и преобразования энергии.

• Развитие методов пассивной доставки лекарств в организме и диагностики. Производство имплантируемых медицинских наноустройств.

4.6.3. Далекая перспектива

• Развитие трехмерной наноэлектроники.

• Развитие наномедицины. Разработка искусственных хромосом.

• Использование квантовых компьютеров для расчета характеристик молекул и других нанообъектов.

• Начало массового производства нанотоваров.

Разумеется, наиболее честным прогнозом в долгосрочной перспективе стало бы заявление, что самые важные и интересные открытия еще подлежат «открытию» и таят в себе множество непредсказуемых возможностей. Вообще говоря, будучи последовательным, разумно предположить, что нанотехнологии со временем смогут достигнуть такой миниатюризации объектов, которую мы не можем себе даже представить, особенно с учетом тенденции к «оцифровыванию» всего окружающего, в результате чего (как это ни странно звучит) неким кодом может оказаться и сама материя. Как и в случае оцифровывания музыкальных произведений, процесс изучения неожиданно может привести нас не только к высочайшей точности воспроизведения, но и к новым возможностям «перераспределения» элементов текста. Иными словами, мы сможем обращаться с веществом примерно так, как современные музыканты и композиторы обходятся с текстами любых музыкальных произведений, варьируя и перетасовывая их в любых сочетаниях (собственно говоря, это означает превращение науки в технологию).

После создания самовоспроизводящихся молекулярных машин физика (возможно, неожиданно для самих физиков) рискует быстро превратиться в одну из отраслей цифровых технологий. Основой любого производства новых устройств и материалов до сих пор всегда выступало обнаружение новых закономерностей, но новая парадигма позволит осуществлять «планирование» открытий, логистику развития и оптимальное использование ресурсов почти без участия человека, что в течение нескольких десятилетий должно радикальным образом изменить подход к научному творчеству. Гибкое, быстрое, автоматизированное и предельно экономное производство любых физических объектов может изменить не только общий подход к производству, но даже и само представление о правах собственности.

Серьезнейшие грядущие перемены в процессах производства любых товаров (буквально «всего на свете») должны, конечно, как-то отразиться в социальной структуре. Когда-то автор одного из фантастических романов придумал производство стоимостью в 1 доллар за фунт «чего угодно», но реальный переход к технологическим процессам типа биологических должен привести нас к каким-то принципиальным проблемам, относящимся к основам самого существования человечества и пределам его развития.

4.7. Этические проблемы. Гены, мемы и оцифровывание

Протекающие при таком развитии событий общественные процессы вовсе не будут «гладкими» или простыми, особенно если учесть возникающие возможности изменения самой наследственности человеческих существ. Вообще говоря, до сих пор человеческая история строилась по принципу свободной «генетической беседы» и вариантах ее развития (представьте себе генетический код в качестве одного из текстов, требующих обсуждения и голосования!). Историк Лэрри Лессиг предупреждает, что мы можем вновь попасть в ситуацию, которая возникла более 200 лет назад при заключении знаменитой Декларации независимости США. Любые высказывания в пользу ограничения «свободной речи» будут восприниматься как «дурные» или неправильные, поскольку при строгом научном подходе должны быть рассмотрены все «высказывания», а истина устанавливается именно при свободном обмене идеями. Появление в жизни или на рынке искусственных хромосом (особенно с возможностью их воздействия на граждан в зрелом возрасте) приведет к ожесточенным спорам относительно прав родителей и наследственного права вообще (в качестве шутки можно только предложить, чтобы такие социальные эксперименты осуществил Китай, с его известной традицией почитания предков!).

Реальная проблема состоит в том, что подсознательно мы, люди считаем себя венцом эволюции. В любых спорах относительно искусственного интеллекта и генетического улучшения человеческой природы можно заметить глубоко укоренившийся страх перед теми стремительными переменами (буквально в течение жизни одного поколения), которые наука неожиданно предложила человечеству. Например, совершенно неясно, как должен реагировать человек на возможность существенного изменения собственной природы (проще говоря, желаете ли вы, чтобы ваши внуки значительно превосходили вас по интеллекту и физическому развитию?). В этой ситуации мы стоим перед непростым выбором между собственным эгоизмом и вечной мечтой человечества о хотя бы символическом бессмертии.

4.8. Заключение

Предсказания будущего трудны и становятся все труднее по мере ускорения развития науки. Можно считать, что именно нанотехнология является следующей великой «волной» в этом процессе, подтверждающей общность и величие закона Мура. Нанотехнологические инновационные разработки обещают возникновение множества прорывных бизнес-проектов, которые могут «взорвать» социальное равновесие и одновременно позволят нам «свести» вещество к какому-то коду, поддающемуся нашему воздействию и изменению. В близком будущем человечеству придется, по-видимому, пережить период бурного, экспоненциального роста новых технологий, связанного со слиянием целого ряда традиционных наук (особенно биологии, информатики и т. д.) и их взаимным обогащением и «перекрестным опылением».

Специалисты фирмы DFJ, которую я представляю, считают наше время наиболее подходящим периодом для инвестиций в инновационные компании (старт-апы). Эволюционный «взрыв» в далекой кембрийской эре породил множество новых форм жизни. Тогда каким-то организмам пришлось исчезнуть, но возникшие при «взрыве» виды смогли преобразовать окружающий их мир.

Глава 5 Инвестиции в нанотехнологию

Объем и направления развития нанотехнологий в будущем определяются теми инвестициями, которые вкладываются в них сейчас. Вложения в нанотехнологии осуществляются главным образом посредством заключения партнерских соглашений и лицензирования, а не создания новых компаний, нацеленных на безудержный рост. Венчурным капиталистам (ВК) можно смело рекомендовать вкладывать капиталы даже в тех случаях, когда направления развития новых технологий очень слабо связаны с привычной областью деятельности. Венчурными вложениями занимаются капиталисты, склонные рискнуть не очень большими деньгами в надежде на значительную прибыль в будущем. В этой главе рассматриваются некоторые проблемы финансирования нанотехнологических разработок венчурными фирмами и государственными организациями.

5.1. Инвестирование венчурного капитала

Даниэл В. Лефф

Долгие годы Даниэл В. Лефф был старшим компаньоном известной юридической фирмы Sevin Rosen Funds (Даллас, штат Техас), занимаясь проблемами финансирования организаций и производств, связанных с полупроводниковой промышленностью. Затем он перешел на работу в коммерческую группу Harris&Harris Group, где координировал финансовую деятельность многих известных инновационных фирм, включая Nanomix, InnovaLight, Sana Security и D2Audio.

Д. В. Лефф защитил докторскую диссертацию в отделении химии и биохимии в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса (UCLA) под руководством профессора Джеймса Р. Хита (кстати, лауреата 2000 года премии Фейнмана в области нанотехнологий). Он является автором многих научных публикаций и двух патентов в этой области, а также входит в состав консультативных советов двух влиятельных инновационных организаций (NanoBusiness Alliance и California NanoSystems Institute, CNCI).

Обычно венчурный капитал вкладывается в начинающие, необеспеченные фирмы, единственным преимуществом которых является интересная научно-техническая разработка или идея, позволяющая надеяться на развертывание широкого производства и получение серьезных прибылей. В последние годы именно венчурный капитал был и остается важнейшим источником финансирования новых компаний, связанных с высокими технологиями (так называемых старт-апов). При этом венчурные капиталисты выступают в качестве агентов, находящих финансовые ресурсы для разработок и продвигающих новые товары на рынок, в обмен на оговоренное участие в собственности и будущих доходах. При этом они надеются добиться успеха за несколько лет (обычно за период от 4 до 7 лет), обеспечив в дальнейшем прибыльность 30–50 % в год от исходных вложений. Как показывает опыт, за указанный промежуток времени инновационные фирмы либо добиваются заметного начального успеха, либо разоряются, сливаются с другими и т. д.

Конечно, для венчурных капиталистов представляет интерес лишь небольшая часть высокотехнологических стартовых компаний, что особенно важно для нанотехнологий, поскольку коммерциализация нанонауки вообще только начинается. Принимая решение об инвестициях в стартовые компании, ВК-инвесторы обычно оценивают ситуацию на основе пяти следующих требований: (1) наличие инновационной или прорывной научно-технической идеи (с достаточно хорошо защищенными правами на интеллектуальную собственность), обещающей в будущем появление конкурентоспособного продукта; (2) существование обширного и быстро растущего рынка; (3) возможность быстрой (1–3 года) организации коммерческого выпуска каких-то новых продуктов; (4) наличие слаженной и опытной команды менеджеров и (5) возможность быстрого нахождения рынка сбыта и стратегических партнеров по бизнесу на основе разумных прогнозов высокой прибыльности.

Разумеется, большинство стартовых инновационных компаний не может обладать всеми этими достоинствами, или (что еще более вероятно) такие оценки провести невозможно. В реальной жизни стартовые компании обычно начинают существование без достаточного финансирования, с неполной командой менеджеров, без заказчиков и стратегических партнеров по бизнесу и т. д. Все эти недостатки часто с лихвой искупаются только тем, что во главе старт-апов стоят пассионарные и воодушевленные руководители, верящие в успех, способные организовать разработки и объединяющие сотрудников в единую группу.

5.1.1. Вложение венчурных капиталов в нанотехнологии

Представляется очевидным, что нанотехнологии относятся не к отдельному, сектору рынка, а скорее представляют собой целый набор уже существующих (и бурно развивающихся) новых технологий, способных внести весьма существенные изменения практически во все высокотехнологические отрасли промышленности. Уже сейчас отчетливо прослеживаются огромные возможности применения новой науки в телекоммуникационной технике, биотехнологиях, микроэлектронике, текстильной промышленности и энергетике. Многие инвесторы, кстати, вкладывая деньги в нанотехнологии, исходят исключительно из уникальных возможностей и свойств новых товаров, материалов и процессов. Разумеется, о проблемах нанотехнологий не задумываются и покупатели новых товаров и услуг, которых привлекают лишь преимущества новых товарам по стоимости либо свойствам (или по обоим параметрам).

Применение нанотехнологии для производства новых товаров связано либо со свойствами получаемых нанотехнологией материалов, либо с процессами их обработки на нанометрическом уровне. Следует сразу отметить, что наноматериалы в некоторых случаях действительно обладают множеством уникальных характеристик (включая оптические, электронные, магнитные, физические и химические), что само по себе создает чрезвычайно интересные возможности для их использования и комбинирования с уже существующими технологиями. Неожиданно выяснилось, что фундаментальные свойства и характеристики веществ можно варьировать в широких пределах, изменяя не их химический состав (обычный путь технологов и материаловедов), а физические масштабы элементов системы.

5.1.2. Нанотехнологические инновационные фирмы

По-видимому, в отличие от бурного и непредсказуемого развития Интернет-компаний в 90-е годы прошлого века, рост нанотехнологических инновационных фирм не будет нарушать фундаментальные законы бизнеса, то есть может быть охарактеризован стандартными представлениями промышленной и деловой активности. Другими словами, развитие нанотехнологий может быть связано, как всегда в бизнесе, с возможностью личного выбора, привычной стратегией торговых операций, стремлением к расширению производства, эффективным распределением капиталов, маркетингом обычного типа и другими параметрами, описывающими развитие новых отраслей производства и бизнеса.

С другой стороны, общее сходство инновационных компаний в области нанотехнологий проявляется в наличии некой научно-технической платформы и команды высокопрофессиональных ученых. Чаще всего такая команда не имеет формального бизнес-плана, сведений о рыночной конъюнктуре, продуманной стратегии выпуска товаров и даже состава менеджеров. Еще одной важной особенностью таких групп часто является их связь с крупными учеными и ведущими научными центрами. Иногда проблема развития сводится к тому, что такие группы и их руководители пользовались ранее лишь грантами на научные исследования, и испытывают затруднения, когда приходится переходить от лабораторных разработок к проектированию и набирать дополнительный персонал из других областей науки и техники или взаимодействовать с другими инновационными компаниями.

Естественно, что почти всегда такие группы состоят из классных специалистов (химиков, физиков, биологов, электронщиков и материаловедов), связанных с междисциплинарными исследованиями (это обстоятельство характерно практически для всех наноразработок, требующих высокого профессионализма). Обычно инновационные компании в области нанотехнологий начинают с поиска более крупных и финансово обеспеченных партнеров, надеясь получить от них не только техническую и инвестиционную поддержку, но и некоторый доступ к уже существующим каналам сбыта и распределения планируемых к коммерческому производству товаров и услуг.

С точки зрения коммерциализации инновационные фирмы (старт-апы) в области нанотехнологий удобно с самого начала разделить на шесть больших групп, в соответствии с областью научных интересов и приложений (наноматериалы и их обработка, нанобиотехнологии, нанопроекты в области программного обеспечения, нанофотоника, наноэлектроника и инструментальная база нанотехнологии). Особый интерес для коммерциализации представляет первая из упомянутых категорий, поскольку многие компании, связанные с наноматериаловедением, уже выпускают множество материалов. Такие фирмы часто пытаются одновременно расширить производство и развить методы обработки или применения новых материалов исходя из их необычных свойств и возможностей, поскольку новые материалы действительно значительно превосходят существующие по важнейшим характеристикам (прочность, сопротивление нагрузкам и «царапанью», высокие коэффициенты электро– и теплопроводности, износостойкость и т. д.). Многие из таких материалов уже выпускаются коммерчески, вследствие чего большинство инновационных фирм в области нанотехнологий связано именно с материаловедением, хотя можно отметить, что по объему инвестиций сейчас лидируют фирмы, занятые наноэлектроникой, нанофотоникой и оборудованием для исследований в области нанонауки.

Нанобиотехнологией называют огромную область разнообразного применения нанотехнологий к биологическим системам, начиная с традиционных разделов биологии и медицины. Достигнутые в этом направлении успехи достаточно известны (новые методы терапии, направленная доставка лекарств в организме, диагностические датчики и т. п.). В дальнейшем можно ожидать новых успехов не только в традиционных отраслях медицины, но и в принципиально новых направлениях, связанных с молекулярной биологией (детектирование и изучение генов, белков, фрагментов ДНК, отдельных молекул и т. д.), что означает существенный прогресс в развитии медицины в целом.

Весьма перспективным направлением является наноэлектроника, где уже сейчас создано множество интересных устройств, которые могут применяться отдельно или в сочетании с другими элементами. Новые электронные устройства значительно превосходят существующие по цене и важнейшим техническим характеристикам, включая очень низкое энергопотребление (~наноВатт), исключительную плотность монтажа (~1 триллион элементов/см2) и сверхвысокое быстродействие (частота переключения ~1 тераГц). Кроме того, многие наноустройства обладают совершенно новыми функциональными особенностями, вследствие чего на их основе могут создаваться и новые типы приборов. В последнее время все большее внимание производителей привлекают логические элементы с большим числом состояний, многоцветные фотоизлучающие диоды с высоким квантовым выходом, энергонезависимые запоминающие устройства, лазеры на квантовых точках, датчики универсального типа и т. п.

Компании, связанные с фотоникой, все чаще начинают использовать наноматериалы и нанотехнологии для выпуска оптических устройств с высокой степенью интеграции, работающих на парциальных волнах, и использовать такие устройства в сочетании с коммерчески производимыми стандартными комплементарными МОП-структурами. Новые устройства позволяют объединить электронные и фотонные компоненты в одном чипе за счет достаточно дешевых технологических операций. В перспективе можно ожидать скорого появления на рынке дешевых и высокоэффективных оптоэлектронных устройств разного типа, включая преобразователи длин волн, перестраиваемые фильтры, устройства совмещения поляризации пучков, перестраиваемые мультиплексоры, оптические приемопередатчики и т. п.

Все большее значение приобретает разработка и производство контрольно-измерительной аппаратуры для нанонауки. Приборы и инструменты, позволяющие изучать химический состав и строение вещества в необходимом диапазоне (значительно ниже 100 нм), можно разделить на две группы. Первая включает хорошо известную и широко применяемую микроскопическую технику: сканирующие и трансмиссионные электронные микроскопы, атомно-силовые микроскопы и т. д. Ко второй группе можно отнести новейшую технику, прежде всего нанолитографию, а также атомные зондовые микроскопы, позволяющие изучать трехмерную структуру и атомарный состав твердых тел и пленок. Такие инструменты и приборы сейчас используются практически во всех нанотехнологических исследованиях.
Особое положение занимает новая область программного обеспечения нанософтвэа (nanosoftware), которую можно разделить на связанную с моделированием и расчетом новых материалов хеминформатику (cheminformatics) и биоинформатику (bioinformatics), относящуюся к специализированной разработке средств изучения и тестирования новых биотехнологических препаратов. Разумеется, деление программного обеспечения для сложных и бурно развивающихся нанотехнологий является довольно условным, поэтому в последнюю категорию иногда зачисляют также разработки архитектуры электронных и фотонных устройств, методы моделирования и автоматической обработки данных по электронным структурам, квантовое моделирование и т. п. Кроме того, при желании в эту же категорию можно занести и разрабатываемые сейчас программы по автоматическому управлению приборами и микроскопами в нанотехнологических исследованиях, программы по обработке данных, получаемых на приборах нового типа.
5.2. Нанотехнологические компании и открытые рынки

Р. Дуглас Моффат

Р. Дуглас Моффат является руководителем двух фирм, одна из которых (Moffat Capital LLC) занимается активной брокерской и дилерской деятельностью, а вторая (Nanotech Financing Solutions LLC) – консалтингом в области новейших нанотехнологических разработок. Более тридцати лет Р. Моффат остается одним из наиболее крупных брокеров и аналитиков на Уолл-стрит, вследствие чего обладает огромным опытом реализации научно-технических проектов. Он имеет большое число публикаций, посвященных проблемам коммерческого внедрения новых методов в самых разных отраслях промышленности (металлургия, оборонные проекты, нанотехнологии и т. п.). Будучи по образованию инженером-электротехником, Р. Моффат сумел даже предложить экономистам новую модель развития технологий вообще, основанную на строгой технической оценке их достоинств и недостатков. В настоящее время он является, по-видимому, крупнейшим специалистом США в области внедрения нанотехнологий, к мнению которого прислушиваются инвесторы.

Р. Моффат принадлежит к группе наиболее известных и влиятельных аналитиков рынка (Chartered Financial Analyst, CFA) и пять раз получал от ведущего экономического журнала Wall Street Journal почетный титул «Звезда экономической аналитики» (All-Star Analyst). Одновременно он выступает в качестве активного и успешного коммерсанта, являясь владельцем крупной фирмы Astec Industries Inc., действующей на рынке строительных материалов и соответствующего оборудования.

Свободный рынок акций традиционно является одним из главных источников финансирования для быстро развивающихся фирм, нуждающихся в дополнительных капиталовложениях. Периодически на рынке акций появляются новые компании, связанные с новыми технологиями и моделями корпоративного роста. В результате предлагаемых ими проектов возникают мощные финансовые потоки и происходят биржевые спекуляции, а затем появляются новые технологии или производства. Множество примеров такого рода дает развитие биотехнологии за последние 20 лет, а бурное развитие Интернета в конце 1990-х годов вообще не имеет прецедентов в истории биржи с точки зрения немыслимых ожиданий и поразительных спекуляций. В качестве последнего примера резкого всплеска биржевой активности в связи с техническими разработками можно упомянуть бум 2000–2001 годов, относящийся к организации производств различных топливных элементов.

Успех продаж акций новой компании (первое предложение, как говорят биржевики) на рынке во многом зависит не только от самого бизнеса, но и от предыдущих примеров удачного развития похожих проектов. Например, стремительный рост биотехнологий связан с тем, что крупные фармацевтические фирмы, вкладывавшие деньги в их развитие, получая прибыль, «входили во вкус» и легко соглашались финансировать новые проекты в успешно развивающейся отрасли. С другой стороны, многие разработчики программного обеспечения смогли добиться больших успехов, не прибегая к крупным заимствованиям.

Нанотехнология сейчас выступает главным «хитом» сезона на Уоллстрит, однако дальнейший поток инвестиций будет, естественно, зависеть от того, насколько быстро появятся на рынке новые продукты. В некоторых отраслях достигнут значительный успех, то есть нанопродукты уже заняли некоторую часть солидного рынка и маленькие фирмы уступили место крупным производителям (сказанное относится, например, к плазменным телевизионным экранам, нанодобавкам в косметические товары и т. п.). Небольшое число малых компаний рискует организовывать коммерческое производство нанотоваров в краткосрочный период, но большинство фирм предпочитает дождаться смены общей парадигмы развития технологий. Коммерциализация всегда является опасным и рискованным бизнесом, так как новые товары подразумевают «совместимость» наноустройств с макроокружением, организацию крупномасштабного производства и (с учетом заботы американцев о своем здоровье!) получение разрешений соответствующих федеральных агентств.

Инвесторы с Уолл-стрит почти всегда предпочитают простую модель развития бизнеса, основанную на быстром наращивании узкого сектора технологий и производства небольшой группы продуктов, поскольку такая схема обещает принести дивиденды вкладчикам в самые короткие сроки. Однако нынешняя стадия развития нанотехнологий имеет свои особенности, препятствующие развитию по указанной схеме. Дело в том, что сейчас права на интеллектуальную собственность инновационных компаний основываются главным образом на патентах общего действия (зачастую полученных в лабораториях высших учебных заведений). Оформленные таким образом права на интеллектуальную собственность могут быть во многих случаях оспорены при появлении новых продуктов на рынке или в других вариантах использования, поэтому некоторые фирмы даже «накапливают» в своих портфелях такие патенты, надеясь заработать позднее на ранней стадии их коммерциализации. Разумеется, такое положение не устраивает обычных инвесторов и акционеров. С другой стороны, стоит отметить, что указанные тонкости имеют смысл не только с точки зрения научной ценности, но и несколько снижают риски, связанные с возможностью последующих судебных разбирательств по поводу патентов. Вообще говоря, ситуация с патентованием в области нанотехнологий сейчас напоминает дни золотой лихорадки на Клондайке, когда золотоискатели пытались «забить» большее число участков и предъявляли друг другу иногда нелепые требования.

Нанотехнология в некоторых отношениях значительно отличается от других «волн» технологического прогресса. Прежде всего, нанотехнология связана с очень существенной сменой парадигм развития, поэтому она создает не только новые товары, но и новые потребности или рынки, одновременно обещая существенно сократить стоимость товаров и повысить их качество. Многие запатентованные идеи нанотехнологии могут иметь множество приложений, что, естественно, создает сложности для инвесторов. Скорее всего, через какое-то время инвесторы и юристы смогут разобраться с проблемой «многозначности» достижений нанонауки и выработают некую новую модель развития, разделив права интеллектуальной собственности в этой области на «ядро» идеи и возможные приложения, позволяющие создавать новые продукты. В любом случае практика приведет к выработке какой-то модели бизнеса на бирже, соответствующей особенностям нанотехнологических инноваций и желаниям инвесторов расширить рамки возможного применения и коммерциализации.
В настоящее время биржа «гудит» от разговоров о нанотехнологиях, а ведущие фирмы Уолл-стрит уже вкладывают реальные деньги в научные разработки, результатом чего может стать успешное и широкое внедрение продуктов и процессов нанонауки в общественную жизнь и экономику. Следует отметить, что спекулятивный бум и биржевые махинации 2000 года фирм, связанных с развитием Интернета, заставили широкие круги акционеров с некоторой осторожностью относиться к научно-техническим проектам. Многие инвесторы после печальных событий предпочитают иметь дело с крупными компаниями, имеющими надежные и обширные рынки сбыта. Поэтому на рынке частных акционерных компаний нанотехнологические инновационные фирмы фигурируют редко, однако ситуация вполне может измениться после нескольких удачных примеров коммерциализации, демонстрирующих разумность капиталовложений в новую отрасль. В ближайшие несколько лет можно ожидать постепенного возрастания объема акций, выпускаемых нанотехнологическими фирмами для продажи частным лицам, что может, в случае успеха начинания, позднее стать обычной практикой.

Глава 6 Государственная политика США в области нанонауки и нанотехнологии

Джеффри М. Холдридж

Джеффри М. Холдридж является вице-президентом некоммерческой корпорации WTEC Inc., обеспечивающей юридическое обслуживание федеральных министерств и агентств при заключении контрактов на выполнение правительственных заказов и проектов. Корпорация осуществляет финансовую оценку проектов реализации различных программ в США и за рубежом, а также консультирует правительственные организации при разработке перспективных направлений развития (см. сайт http://www.wtec.org ). В настоящее время Дж. Холдридж является ведущим аналитиком и руководителем отдела контрактов в Национальном управлении координации нанотехнологических исследований (National Nanotechnology Coordination Office), а также осуществляет связь WTEC с Подкомитетом по нанотехнологиям (Nanoscale Science, Engineering Technology Subcommittee, NSET) Совета по науке и технологии (President’s National Science and Technology Council, NSTC) при президенте. Отметим, что NSET выступает в качестве ведущей организации, осуществляющей координацию работ, планирование и проведение огромного числа проектов и мероприятий в рамках Национальной нанотехнологической инициативы США (см. сайт http://www.nano.gov ). Одновременно Холдридж руководит деятельностью Рабочей группы по межотраслевому развитию тканевой инженерии (Multy-Agency Tissue Engineering Science, MATES), также связанной с NSTC и координирующей биомедицинские исследования в этой области, часто именуемой просто регенеративной медициной (см. сайт http://www.tissueengineering.gov ). Ранее Дж. Холдридж занимал во WTEC должность исполнительного вице-президента и координировал международные связи WTEC по обеспечению финансовой оценки проектов по всему миру. Кроме того, он руководил американским Центром оценки технологических возможностей Японии (Japanese Technology Evaluation Center, JTEC), который следит за уровнем научно-технических достижений японской промышленности и сравнивает их с возможностями США. Стоит особо отметить, что в этой должности Дж. Холдридж обладал окончательным правом разрешать открытую публикацию более 70 специальных докладов, регулярно составляемых WTEC и NNCO, включая даже те, публикация которых была разрешена Советом NSTC при президенте.

Еще раньше Дж. Холдридж занимал высшие должности в Национальном научном фонде США, где занимался анализом и возможностями финансирования новейших технологий, особенно связанных с энергетикой, сохранением окружающей среды и полупроводниковой техникой. Холдридж также является членом влиятельного Консультативного совета национальной Академии наук США. Он имеет ученую степень по истории, полученную в Йельском университете.

Одним из основных принципов государственного устройства в США и частного предпринимательства, позволившим стать одной из богатейших стран в мире, является то, что центральное правительство занимается только проблемами, имеющими общенациональное значение, то есть теми, которые по разным причинам не могут быть решены отдельными гражданами, частным бизнесом, правительствами штатов и местными органами самоуправления. Исходя из этого одной из задач федерального правительства отцы-основатели США в конституции объявили необходимость «… способствовать прогрессу науки и полезных искусств» [25] . Ранее считалось, что эта обязанность правительства сводится только к защите интеллектуальной собственности граждан, и именно это положение конституции стало основой создания Ведомства по патентам и торговым знакам США (Patent and Trademark Office, USPTO).

Однако по мере развития науки и технологии выявилось, что они играют значительно более серьезную роль в обеспечении благосостояния нации, вследствие чего правительство США взяло на себя многие дополнительные обязательства по этой статье конституции. Эти обязательства включают сейчас финансирование множества проектов, связанных с научными исследованиями, создание необходимой инфраструктуры научнотехнических работ, а также обеспечение максимально эффективных условий превращения «науки» в «полезные искусства», чтобы граждане страны могли использовать их в частном бизнесе. В этой главе автор постарается описать и объяснить ту непростую (а иногда и уникальную) роль, которую федеральное правительство США вот уже несколько лет играет в очень сложном процессе развития науки и технологии, связанном с изучением и использованием свойств вещества в нанометрическом масштабе. Вообще говоря, правительства других стран тоже будут вынуждены играть какую-то роль в развитии описываемых процессов.

Основная роль федерального правительства в развития нанонауки и нанотехнологий сводится к поддержке НИОКР (научно-исследовательских и конструкторских разработок), особенно в области фундаментальных долгосрочных исследований и тех приложений, которые они могут иметь для прикладных разработок, связанных со специфическими национальными приоритетами (например, с вопросами национальной обороны). Другая, возможно, столь же важная роль правительства заключается в организации национальной системы требуемого образования, включающей профессионально-техническую подготовку, а также формирование поддерживающей инфраструктуры и лабораторно-инструментальной базы обеспечения нанотехнологических исследований. Правительство также должно играть ключевую роль в организации системы передачи новых технологий (развивать которые пока способны главным образом лаборатории в высших учебных заведениях и национальные лаборатории самого правительства) в частный сектор экономики. Пользуясь переданной информацией, промышленность и экономика должны внедрять новые технологии, то есть коммерциализировать их и предоставлять населению страны непосредственные преимущества от их использования (включая новые продукты и услуги, новые рабочие места и поддержку постоянного экономического роста).

Кроме того, правительство должно нести ответственность за развитие столь важной области новых технологий с учетом не только их потенциально положительного влияния, но и опасностей, которые всегда сопровождают технические новинки. Это означает организацию службы контроля состояния окружающей среды и здоровья населения при развитии новых отраслей промышленности и появлении новых товаров.

Наконец, следует выделить еще одну специфическую для нанотехнологий проблему, решение которой тоже должны взять на себя федеральные организации. Дело в том, что нанотехнология создает уникальную ситуацию в истории человечества, когда неожиданно стали сближаться и даже «сливаться» в единое целое научные дисциплины, которые всегда были далеки друг от друга. В качестве яркого примера можно привести биологию и физику, объединение которых ставит перед наукой и образовательной системой страны новые и очень важные задачи. Необходимо разработать и внедрить новые программы обучения, позволяющие легче преодолевать междисциплинарные границы, а также облегчить контакты между исследователями, привыкшими к работе в замкнутых профессиональных сообществах. Можно выделить три основных направления деятельности, в которых правительство может существенно влиять на образовательные и научные процессы, связанные с междисциплинарным характером нанотехнологий: (1) всемерная поддержка развития методов и инструментальных средств работы и визуализации результатов в области нанонауки; (2) создание специальных исследовательских центров и групп, нацеленных на проведение именно междисциплинарных исследований; (3) разработка широкой образовательной программы, позволяющей давать студентам более широкое и многопрофильное образование для развития у них интереса к междисциплинарным и смешанным исследованиям.

6.1. Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ) и Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке

Программа, получившая название Национальная нанотехнологическая инициатива США (ННИ), была принята в 2000 году, когда стало очевидным, что преобразования вещества в нанометрическом масштабе и научное объяснение наблюдаемых при этом процессов должны привести к революционным изменениям в науке, технологии и промышленности. Ученые и правительство осознали фантастические перспективы нового этапа развития науки и создали первую программу, позволяющую как-то регулировать и направлять надвигающуюся научно-техническую революцию. Вследствие того что нанонаука охватывает очень широкий круг научных дисциплин и технологий, упомянутая программа с самого начала была достаточно обширной и в ее реализацию оказались вовлечены очень многие федеральные ведомства и правительственные органы США.

Вначале ННИ относилась лишь к восьми федеральным министерствам, однако уже к моменту подписания документа президентом США выяснилось, что сугубо нанотехнологические разработки уже финансируют одиннадцать ведомств, а еще одиннадцать принимают участие в смешанном финансировании, поскольку развитие нанотехнологии существенно затрагивает их интересы и позволяет повысить эффективность работы. Для координации столь сложной и взаимозависимой деятельности президент США организовал при Национальном совете по науке и технике специальный орган – Подкомитет по науке, инженерии и технологии в области наноисследований (Subcommitee on Nanoscale Science, Engineering and Technology, NSET), объединяющий усилия всех связанных с новой наукой 22 правительственных агентств. В дальнейшем этот подкомитет создал Национальное ведомство по координации развития нанотехнологий (National Nanotechnology Coordination Office, NNCO) с очень небольшим числом сотрудников на постоянной и полной ставке. Ведомство обеспечивает техническую и административную поддержку деятельности NSET во всех вопросах, связанных с внутриведомственными контактами федеральных организаций в описываемой области, а также занимается юридическим обеспечением операций, связанных с общественными отношениями и передачей технологий.

Несколько необычной чертой нанотехнологий (в общественном и юридическом смысле) является то, что они уже получили особый статус и удостоились акта Конгресса США. Каждый год Конгресс принимает тысячи биллей, но лишь очень небольшая их часть относится именно к науке и технологиям (не считая стандартных биллей, связанных с ежегодным возобновлением действия старых законов и т. д.). Очень редко решения о технологиях принимают законодательную форму, но именно это произошло в 2003 году с нанотехнологиями. Конгресс США принял Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке (21st century Nanotechnology Research and Development Act), после его подписания президентом Джорджем В. Бушем превратившийся в официальный закон (Public Law 108–153), в котором задачи Национальной нанотехнологической программы определяются следующим образом:

(1) Установление целей, приоритетов и параметров, позволяющих точнее оценивать состояние нанотехнологических исследований в государственном масштабе и вырабатывать соответствующие программы развития; (2) финансировать из федерального бюджета исследования в нанотехнологии и смежных науках, необходимые для достижения поставленных целей, и (3) обеспечивать межведомственную координацию действий для повышения эффективности исследований и выполнения программы.

ННИ сохраняет свое значение в качестве основного документа, которым руководствуется исполнительная власть при выполнении Национальной нанотехнологической программы и осуществлении многих функций, в число которых входят развитие новых технологий и их коммерциализация.

В декабре 2004 года, следуя указаниям и рекомендациям закона 108–153, руководство ННИ выработало Стратегический план развития, определяющий перспективы, цели и стратегию правительства в этой области, описанные выше [26] . В данной главе автор пытается очень кратко обрисовать основные подходы и роль правительства США в руководстве развитием нанотехнологий.

6.2. Научные исследования и развитие

Вплоть до начала Второй мировой войны правительство США играло очень незначительную роль в финансировании научно-технических исследований. Основное финансирование научных разработок осуществлялось частными фондами, корпорациями и высшими научными заведениями, в состав которых входили лаборатории. Из бюджета Министерства обороны США финансировались лишь некоторые прикладные разработки (обычно связанные с новым оборудованием или технологиями для армии и военноморского флота), но не фундаментальные исследования. Серьезную поддержку в 1930-х годах получали только некоторые лаборатории, связанные с разработкой и испытаниями нового авиационного оборудования, которые финансировал Национальный консультативный комитет по аэронавтике (гораздо позднее преобразованный в Национальное управление по авиации и космонавтике, НАСА). Правительство финансировало некоторые фундаментальные исследования в агротехнике через Министерство сельского хозяйства, руководствуясь законом Хэтча (Hatch Act) 1887 года о поддержке науки в провинциальных колледжах. Несколько лучше обстояло дело с фундаментальными исследованиями в области медицины (и соответственно биологии), финансовая поддержка которых со стороны федерального правительства началась с конца XIX столетия. В 1930-е годы это финансирование возросло с образованием Национального института здоровья США (NIH). Существовали и некоторые другие механизмы финансирования и содействия, помимо перечисленных выше, однако в целом следует признать, что до начала Второй мировой войны в США не существовало системы федеральной поддержки научно-технических исследований.

Вторая мировая война наглядно продемонстрировала возросшее значение науки и технологии и заставила правительство США взять на себя поддержку и финансирование не только прикладных разработок, связанных с конкретными военными потребностями, но и серьезной фундаментальной науки. Читатели наверняка слышали о знаменитом письме Альберта Эйнштейна президенту Рузвельту, сыгравшем важную роль в истории ядерного оружия. С тех пор федеральное правительство продолжает финансировать множество фундаментальных и прикладных научнотехнических исследований в физике и других науках. Финансирование и разносторонняя поддержка осуществляются через целый ряд специализированных правительственных учреждений: Научно-исследовательская служба военно-морского флота США (Office of Naval Research, ONR), Комиссия по атомной энергии, Национальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) и некоторые другие, большей частью возникшие в годы войны или сразу после нее.

В период холодной войны федеральная поддержка фундаментальных научно-исследовательских работ непрерывно возрастала, охватывая все новые направления, связанные с вооружением (ядерная физика, электроника, материаловедение, космические исследования и т. д.). Применение этих разработок одновременно оказалось исключительно полезным для гражданского сектора экономики, включая ядерную энергетику, производство дешевых и надежных интегральных схем в электронике, внедрение вычислительной техники в банковскую систему, развитие гражданской авиации и т. п. Почти все эти достижения прямо или косвенно связаны с ростом научных знаний о строении вещества на атомномолекулярном уровне.

В конце 1960-х годов общий уровень федерального финансирования фундаментальных исследований и НИОКР несколько снизился (с учетом реального курса доллара), однако в конце 1970-х и середине 1980-х годов вновь стал резко увеличиваться, особенно в области энергетики и обороны [27] . Кроме того, значительно возросла поддержка, получаемая Национальным институтом здоровья США, что было связано сначала с объявлением президентом Ричардом Никсоном «войны с раком», а затем с совместным обещанием республиканской и демократической партий удвоить финансирование Национального института здоровья в первые годы XXI века.

Все послевоенные годы федеральное финансирование фундаментальных исследований оказалось исключительно полезным и плодотворным не только для обороны США, но и для развития гражданских секторов экономики и здравоохранения. Из наиболее крупных достижений за этот период стоит отметить оснащение вооруженных сил США электронной техникой, значительные успехи в медицине и бурное развитие Интернета. Нельзя не заметить, что после окончания Второй мировой войны стандарты американского образа жизни и благосостояния значительно возросли, что в немалой степени связано с научно-техническим прогрессом и новыми научными разработками, щедро финансируемыми федеральным правительством.
Особо следует отметить тот факт, что большая часть фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц и физического материаловедения во второй половине XX века осуществлялась (и продолжает осуществляться) в национальных лабораториях правительства США. Эти исследования значительно продвинули наше понимание свойств материи на атомно-молекулярном уровне и создавали новые возможности для измерения, визуализации и управления этими свойствами. Медицинские исследования, проводимые в Национальном институте здоровья, расширяют наши познания о фундаментальных принципах существования жизни и т. д. Еще раз отмечу, что все эти работы щедро финансировались правительством США в течение полувека, и именно это позволило создать научно-техническую основу грядущей нанотехнологической революции наступившего столетия.
6.2.1. Участие федерального правительства в развитии нанотехнологий. Проблема разделения фундаментальных и прикладных исследований

Политические партии в последние годы часто спорят об участии федерального правительства в различных научно-технических разработках прикладного характера, однако они единодушны в том, что фундаментальные исследования должны финансироваться государством. Такое согласие вызвано очевидным пониманием как важности таких исследований, так и столь же очевидным фактом, что частные организации никогда не смогут их финансировать. Фундаментальные исследования могут продолжаться десятилетиями, зачастую не обещая никаких прямых прибылей или преимуществ. Более того, в последние годы роль федеральной поддержки таких исследований значительно возросла, так как многие научно-технические разработки стали исключительно дорогостоящими, вследствие чего даже очень крупные и богатые корпорации, такие как AT&T и RCA, вынуждены сворачивать или ограничивать свои научноисследовательские отделы. В этих условиях ключевую роль в организации фундаментальных исследований в нанонауке начинают играть связанные с ННИ организации, такие как Национальный научный фонд, Отдел науки в Министерстве экономики (это министерство занимается в США проблемами ядерной физики) и т. д.

В отличие от фундаментальных исследований (где значение правительственной поддержки никем не оспаривается) участие федеральных ведомств в прикладных научно-технических разработках часто вызывает серьезные общественные дебаты. Разделение исследований на фундаментальные и прикладные не очень существенно для специализированных правительственных ведомств (Министерство обороны, НАСА или Национальный институт здоровья), поскольку они чаще всего бывают заинтересованы именно в прикладных разработках или даже в конкретных материалах или изделиях. Этим агентствам обычно легко вводить нанотехнологические разработки в свои планы и находить для них соответствующие источники финансирования. Например, Министерство обороны всемерно поддерживает проекты создания нанодатчиков (для регистрации или обезвреживания опасных химических, биологических, радиологических или взрывчатых веществ), а НАСА – щедро финансирует работы по созданию сверхлегких и сверхпрочных наноматериалов для космической отрасли. Через Национальный институт здоровья давно финансируются исследования наноструктур, способных проникать в больные ткани и использоваться при радиационной или химической терапии.

Гораздо сложнее обстоит дело с финансированием междисциплинарных исследований, связанных одновременно с несколькими научными или техническими дисциплинами. Именно такие разработки часто являются очень важными и перспективными в нанотехнологических исследованиях, и правительственным ведомствам приходится придумывать новые механизмы для их организации, поддержки и финансирования. С одной стороны, уже существуют и продолжают создаваться небольшие междисциплинарные исследовательские команды, нацеленные на решение конкретных задач. С другой стороны, одновременно правительственные агентства стремятся организовать крупные научно-исследовательские центры, оборудованные разнообразной аппаратурой, а также внести изменения в существующую систему высшего образования для подготовки новых научных кадров – молодых исследователей, не связанных с традиционными специальностями.

6.3. Образование и подготовка научных и технических кадров

Организация системы обучения и подготовки следующего поколения ученых и инженеров, способных решать связанные с нанотехнологией специфические научные проблемы, является одной из важнейших задач федеральных органов. Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ) включает в себя прямую поддержку программ обучения для студентов-старшекурсников, аспирантов и постдоков в университетах, государственных лабораториях и других организациях. Кроме того, связанные с ННИ федеральные министерства и организации имеют собственные системы для привлечения молодых специалистов и их обучения.

Агентства ННИ разрабатывают новые учебные курсы для вузов, специально предназначенные для профессиональной подготовки следующего поколения исследователей и инженеров. В этих курсах особый упор делается на междисциплинарный характер изучаемых явлений и объектов. Кроме того, подготавливаются учебники и программы, призванные ознакомить с основными идеями нанонауки учеников старших и средних классов в общеобразовательных школах и колледжах. Блестящие перспективы, которые открывает нанотехнология для карьеры и бизнеса, служат дополнительным стимулом для привлечения студентов в научно-технические высшие учебные заведения.

Столь же важной представляется задача профессионального обучения техников и рабочих, которым в близком будущем придется организовывать новые нанотехнологические производства. Решение этой задачи помимо прямого профессионального обучения включает в себя создание нового учебного оборудования. Агентства ННИ серьезно занимаются этой проблемой, создавая программы подготовки технических кадров, подготовленных для производства и дальнейшей эксплуатации новых устройств и оборудования. Эти программы предназначаются в первую очередь для молодежи в местных колледжах и училищах, так как они будут способствовать созданию новых рабочих мест.

Очень интересной и сложной задачей является проведение продуманной политики подготовки населения страны к грядущим изменениям, связанным с развитием нанотехнологии в целом. К сожалению, широкое распространение научно-фантастической литературы невысокого качества и легкомысленная информация, распространяемая многими сайтами в Интернете, уже привело к массовым заблуждениям и предрассудкам относительно нанотехнологии. Широкая общественность чаще всего воспринимает нанотехнологию в качестве либо фантастической возможности решения всех стоящих перед человечеством проблем, либо наоборот – в качестве страшной опасности. Предсказывать будущее (особенно будущее столь сложного явления, как развитие нанотехнологий и их воздействие на жизнь общества) всегда очень трудно, однако правительство обязано разъяснять гражданам, что в близкой перспективе новая наука не способна ни решить все мировые проблемы, ни превратить все окружающее в «серую слизь», как любят предсказывать некоторые мрачные фантасты.

Ознакомление населения с достижениями нанотехнологий удобнее всего осуществлять организацией выставок (например, в научных музеях), а также лекциями, которые работники научных центров ННИ могли бы проводить в школах и колледжах. Конечно, население должно быть предупреждено и о реальных опасностях, которые могут быть связаны с развитием новых технологий (например, уже сейчас ясно, что некоторые виды наночастиц могут вызывать аллергию или другие заболевания). Было бы очень полезно, если бы агентства ННИ могли объяснять населению задачи и цели правительства в этой области и шире знакомить людей с реальным состоянием исследований и ситуации в целом (например, следует пропагандировать сайт ННИ, посвященный воздействию нанотехнологий на здоровье населения и состояние окружающей среды) [28] .

6.4. Оборудование и аппаратура

Нанотехнологические исследования все чаще требуют разработки очень сложного оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры. Можно даже сказать, что одним из ключевых моментов в создании нанонауки стала разработка сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) лабораторией фирмы IBM (Цюрих) в 1980-х годах. Именно аппаратура типа СТМ позволяет ученым «изображать, измерять, моделировать и манипулировать материальными объектами в нанометрическом диапазоне» [29] . Эффективное использование столь сложных инструментов создает, в свою очередь, дополнительные технические трудности, например, требует строительства специальных помещений и зданий, способных обеспечить очень высокий уровень вибро-, термо– и звукоизоляции, и т. д. Многие нанотехнологические исследования и процессы просто не имеет смысла проводить без создания мощной и сложной инфраструктуры.

Программа ННИ предусматривает несколько вариантов решения этой сложной проблемы, поскольку лишь некоторые, очень крупные исследовательские организации могут создавать такую инфраструктуру за счет собственного бюджета. Известно, что интересные научные открытия часто осуществляются небольшими исследовательскими группами или даже учеными-одиночками, которые не могут закупать сложное и дорогое оборудование. Кроме того, даже самое блестящее научное достижение должно пройти длительный путь, прежде чем сможет стать полноценным коммерческим продуктом, вследствие чего на этапе внедрения любой исследователь сталкивается с необходимостью иметь доступ к специальной и сложной контрольно-измерительной аппаратуре. Повторю, что только очень большая корпорация или организация может позволить себе организовать собственную инфраструктуру для решения нанотехнологических задач, а правительство США заинтересовано в максимально широком вовлечении небольших высокотехнологических стартовых компаний, которые всегда служили «двигателем» американской экономики и осуществляли наиболее важные инновационные и коммерческие проекты в нашей истории.

Поэтому, возможно, самой важной задачей правительства и связанных с ННИ агентств станет именно обеспечение возможностей использования сложной аппаратуры и оборудования самым широким кругом ученых и инженеров, работающих в университетах, лабораториях фирм или в одиночку. Руководство ННИ придает этому аспекту своей деятельности очень большое значение и предпринимает серьезные шаги для того, чтобы все исследователи в данной области могли получить доступ к современной аппаратуре и приборам, основываясь лишь на профессиональной квалификации и личных достижениях. Наиболее важными элементами программы ННИ в этом направлении выступают два очень крупных проекта: (1) создание Министерством обороны США пяти крупных региональных центров Национальной сети для разработчиков нанотехнологий (Nanoscale Science Research Center, NSRC) по всей стране и (2) создание Национальным научным фондом так называемой Национальной сети инфраструктуры нанотехнологических исследований, объединяющей тринадцать ведущих университетов и находящуюся в их распоряжении аппаратуру [30] . Кроме того, Национальный научный фонд поддерживает и другую систему, в которую входят семь университетов со своим специализированным оборудованием, относящимся к моделированию поведения наноструктур и связанных с ними систем [31] . [Более подробно читатель может ознакомиться с политикой ННИ в создании инфраструктуры наноисследований и другими программами в книге «Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований». М., Мир, 2002. Прим. перев. ]

Еще одна очень важная обязанность правительственных организаций состоит в поддержке разнообразных исследований, связанных с разработкой дорогостоящей аппаратуры для наноисследований. Все последние годы прогресс в описываемой области был связан с атомно-силовыми и другими зондовыми микроскопами, позволяющими оперировать отдельными атомами. Естественно ожидать, что дальнейшее развитие нанонауки потребует создания какой-то совершенно новой аппаратуры и новых приборов. В разработке инструментальной базы ключевую роль может играть Национальный институт стандартов и технологии (NIST), а также связанные с нанотехнологиями некоторые университеты, получающие финансирование от Национального научного фонда.

6.5. Передача технологии

Программа ННИ рассматривает нанонауку и нанотехнологию в качестве следующей «научно-технической и промышленной революции» [32] , однако для реализации этой концепции требуется, чтобы результаты научно-исследовательских и конструкторских разработок могли быть быстро и эффективно переданы частным корпорациям, которые обеспечат коммерциализацию новых товаров или услуг. Роль правительственных организаций в этом случае выглядит крайне простой и сводится к обеспечению прямого контакта (поскольку задачу коммерциализации нанотехнологий как таковую частный сектор экономики способен решить наиболее эффективно), и поэтому проблема передачи технологий включена в число четырех основных целей программы ННИ. Сложность связана лишь с конкретным механизмом передачи технологий, который может осуществляться несколькими путями: публикацией результатов финансируемых правительством исследований, направлением в промышленные корпорации подготовленных по программам ННИ специалистов или лицензированием прав на интеллектуальную собственность, возникшую в результате финансируемых федеральным правительством научно-технических разработок.

Естественно, что в последнем из предложенных вариантов ключевую роль должно играть Ведомство патентов и торговых знаков США, которое уже включилось в выработку юридических норм, связанных с правами на интеллектуальную собственность в области нанонауки и нанотехнологии. В частности, задействованы учебные программы по патентованию в этой области, налажены деловые отношения с патентоведами Европы и Японии и начата работа по идентификации и классификации патентов, связанных с нанотехнологиями, что должно значительно облегчить патентный поиск и оформление лицензий. Наиболее сложной проблемой в передаче технологий в целом всегда была организация связи между специалистами, осуществлявшими научно-исследовательские и конструкторские разработки, и теми лицами или организациями, которые организуют на этой основе коммерческое производство, продажу и последующее обслуживание выпускаемых товаров. Деятельность по организации передачи информации от участвующих в ННИ научных организаций в конкретные секторы промышленности осуществляет Подкомитет по науке, инженерии и технологии в области нанотехнологий (NSET). Такое взаимодействие уже создано и успешно функционирует в электронике, полупроводниковой технике и химии, а в настоящее время оно устанавливается и в других отраслях производства (биотехнологии, аэрокосмическая техника и автомобильная промышленность).

Агентства, вовлеченные в ННИ, постоянно организуют встречи и конференции, на которых ученые из университетов и правительственных лабораторий встречаются с представителями промышленности и бизнеса, рассказывая о последних результатах и их возможных приложениях. Совместное использование аппаратуры и приборов в упомянутых выше региональных центрах Национальной сети для разработчиков нанотехнологий также способствует развитию связей между всеми заинтересованными сторонами, повышая вероятность интересных научных идей и их коммерциализации. Очень важную роль при этом играют и две более обширные программы правительства США, нацеленные на развитие инновационных фирм и малого бизнеса в целом: Small Business Innovation Research и Small Business Technology Transfer. Эти программы часто поддерживают нанотехнологические инновации на самой ранней стадии развития, особенно если мелкие предприятия возникают на основе академических исследований.

Наконец, следует отметить очень важную роль правительственных учреждений в разработке и поддержанию системы стандартов, которые жизненно необходимы для успешной коммерциализации любой технологии. Этой проблемой занимаются два института, отвечающие в США за систему стандартов. Во-первых, еще в сентябре 2004 года Национальный институт стандартов США (American National Standards Institute, ANSI) образовал специальный Совет по нанотехнологическим стандартам (Nanotechnology Standards Panel, NSP), в котором сопредседателем со стороны правительства выступает директор Национальной службы координации нанотехнологических исследований (National Nanotechnology Coordination Office, NNCO). Кроме того, известный и весьма авторитетный Национальный институт стандартов и технологии NIST (National Institute of Standards and Technology) отдельно разрабатывает по правительственному заказу систему стандартов в области нанотехнологий.

6.6. Проблема ответственности за развитие нанотехнологий

Важность и разнообразие нанотехнологических исследований, а также возможность их революционного воздействия на промышленность и социальную структуру общества, требуют от правительства очень серьезного изучения всех потенциальных последствий применения новых технологий, включая опасности и риски. Ответственное развитие нанотехнологии было названо одной из четырех главных целей принятого в 2004 году Стратегического плана ННИ. Важность проблемы ответственности отмечалась и в предыдущих программах и документах руководства ННИ, особенно относящих к образованию и исследованиям. Конкретные действия в рамках ННИ включают разнообразные исследования по воздействию развития нанотехнологий на состояние окружающей среды, здоровье граждан и безопасность условий жизни. Кроме того, многие исследовательские и образовательные программы в этой области посвящены различным аспектам влияния новых технологий и наноматериалов на общественную и социально-экономическую ситуацию в широком смысле слова, включая вопросы образования, трудоустройства, этики и законодательства.

Некоторые потенциально опасные последствия развития нанотехнологий уже начали беспокоить общественное мнение и средства массовой информации. Из них следует прежде всего выделить действительно серьезную проблему возможной опасности новых технологий и наноматериалов для окружающей среды и здоровья людей. Упоминавшийся выше Подкомитет по науке, инженерии и технологии в области наноисследований (Subcommitee on Nanoscale Science, Engineering and Technology, NSET) уже сформировал специальную межведомственную рабочую группу для обмена информацией между всеми заинтересованными исследовательскими и правительственными организациями, включая Исполнительный комитет (Executive Office) при президенте США [33] . Эта рабочая группа помогает также организовывать теоретические и прикладные социологические разработки, имеющие отношение к развитию нанотехнологий и научным прогнозам последствий их развития, а также содействует сбору и распространению информации по всем вопросам, относящимся к этим технологиям. Некоторые промышленные группы и организации уже неоднократно выражали желание, чтобы правительство выработало ясную юридическую процедуру безопасной и разумной коммерциализации нанотехнологических процессов и товаров, считая выработку такой правовой базы одной из основных задач правительства для успешного развития бизнеса в новой отрасли.

6.6.1. Существующее законодательство и ответственное развитие нанотехнологий

Проблема юридического обоснования деятельности сейчас волнует многих специалистов, промышленников и бизнесменов, которые опасаются, что развитие нанотехнологий приведет к появлению в дальнейшем новых законодательных актов и ограничений, связанных с обеспечением охраны окружающей среды, здоровья населения, техники безопасности на производстве или даже экономической стабильности страны. Эти вопросы действительно очень сложны, поскольку у нас пока слишком мало серьезных исследований возможных социальных, экологических и медицинских последствий широкого применения нанотехнологий. С другой стороны, представляется разумным, что развитие нанотехнологий не должно привести к значительному изменению существующих сейчас правовых и юридических норм регулирования научной и коммерческой деятельности. Ниже обсуждаются некоторые юридические нормы, процедуры и правила, относящиеся к здоровью населения и безопасности, которые могут быть связаны с развитием нанотехнологий. Возможно, опыт прошлого позволит нам в будущем избежать серьезных изменений в законодательстве, регулирующем коммерческую деятельность.

6.6.2. Юридические проблемы организации исследований

Федеральные ведомства и правительственные организации, занимающиеся руководством и финансированием различных научно-технических исследований, к настоящему времени накопили огромный опыт решения связанных с наукой этических, медицинских и социальных проблем. Любая организация, лаборатория или юридическое лицо, пользующиеся финансовой поддержкой Национального научного фонда (ННФ), обязаны дать письменное обязательство подчиняться всем правилам и ограничениям, определяемым федеральным законодательством и дополнительными актами. Это касается, в первую очередь, любых разработок в области рекомбинантных ДНК и опытов над людьми, экспериментов с животными и т. д. ННФ обладает вполне достаточной властью и возможностями, чтобы приостановить или вообще прекратить любые осуществляемые с его участием исследования, ссылаясь на то, что они нарушают условия финансирования или просто на «другие разумные причины» [34] . Обычно представители ННФ строго контролируют финансируемые ими программы, проводя регулярные проверки на местах, во время которых тщательно изучаются условия работы, а также методы и цели конкретных исследований. Все другие связанные с научные исследованиями правительственные организации также создали подобные системы контроля.

6.6.3. Проблемы контроля

Естественно, что для исследований в частных фирмах (без финансирования со стороны правительства) давно существуют и другие методы юридического и практического контроля, многие из которых могут быть применены и к нанотехнологическим разработкам. В частности, к коммерческим товарам вполне применимы ограничения закона 1972 года о безопасности потребительских товаров (разработанного Комиссией по контролю безопасности потребительских товаров), который накладывает на производителей и торговцев серьезную ответственность за качество товаров. При обнаружении недостаточной безопасности выпускаемых товаров, по закону требуется отозвать их из торговой сети и обеспечить замену уже проданных образцов или компенсацию [35] . Существует также закон 1970 года об охране здоровья трудящихся и обеспечении безопасности производства (разработанный Комиссией по безопасности на производстве при Министерстве труда), регулирующий условия производства и технику безопасности на рабочих местах, в том числе в государственных и частных научно-исследовательских лабораториях [36] .

Национальный институт техники безопасности и здоровья (NIOSH) руководит сетью центров контроля за условиями работы на производстве, которые осуществляют регулярные проверки и информируют заинтересованные министерства об обнаруженных нарушениях [37] . Уже сегодня NIOSH сотрудничает с правительственными организациями, вырабатывая правила обращения с наноматериалами при исследованиях, а также стандартные условия проверки безопасности выпускаемых коммерческих наноизделий или наноматериалов.

Далее, производство, импорт и использование любых новых или существующих химических веществ регулируется правилами Акта о токсических веществах 1976 года, разработанного Агентством по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) [38] . Это же агентство выработало несколько других постановлений и правил (включая акты о чистоте воздуха и воды), которые могут быть связаны с применением нанотехнологий. Внутри Национального института здоровья создан специальный отдел, занимающийся экологическими проблемами медицины, который тоже разрабатывает рекомендации, регулирующие деятельность правительственных организаций в научно-технической сфере [39] . Очень важное юридическое значение для всех рассматриваемых вопросов имеет известный федеральный закон о продуктах питания, лекарственных препаратах и косметических средствах (ставший продолжением и развитием Акта о чистоте продуктов и лекарств 1906 года), в соответствии с которым любой новый фармацевтический и медицинский препарат подвергается тщательной проверке при контролируемых условиях [40] .

Согласно большинству этих юридических норм при проведении любых разработок с частным финансированием исследователи обязаны сообщать правительственным органам о непредвиденных и опасных эффектах от применения нового материала или процесса. Кроме того, те же правительственные постановления позволяют немедленно организовать судебный процесс против любых лиц или организаций, выпускающих или импортирующих опасные для населения продукты и лекарства. В настоящее время все указанные организации сотрудничают с упомянутым выше Подкомитетом по науке, инженерии и технологии в области наноисследований (NSET) и его рабочими группами.

В качестве интересного примера такого сотрудничества, представляющего одновременно научный и юридический интерес, можно отметить проводимую сейчас членами подкомитета NSET большую и сложную объединительную работу в университетах, промышленности и научных учреждениях по созданию ясной системы номенклатурных обозначений для создаваемых наноматериалов. Стандарты и номенклатура необходимы как для юридического и правового оформления результатов нанотехнологических разработок, так и для последующей коммерциализации и использования производимых материалов. Другим примером может служить организованные в 2005 году Агентством по защите окружающей среды (EPA) публичные слушания и дискуссии относительно применимости к наноматериалам закона о контроле над токсическими веществами, причем идея таких слушаний возникла почти случайно на основе одной из пробных программ Агентства [41] .

В Акте о развитии нанотехнологии в XXI веке учтена даже специфика развития новой науки, так как в нем особо оговариваются дополнительные меры предосторожности при проведении междисциплинарных исследований. Одной из целей этого закона называется «строгое соблюдение этических, юридических и социальных норм» при любых исследованиях. Кроме этого, закон предусматривает контроль за деятельностью ННИ со стороны Национального совета по науке и технологии при президенте США, наличие отдельной Комиссии советников по нанотехнологии и составление регулярных (раз в три года) обзоров деятельности ННИ для Академии наук США. Надзор и контроль осуществляются также NNCO и Отделом политики в области науки и технологии (при исполнительном комитете президента), что позволяет тщательно следить за научно-технической деятельностью в рамках ННИ.

Подводя итоги, можно сказать, что в США уже созданы механизмы, позволяющие контролировать развитие нанотехнологии, а сейчас эти механизмы постепенно совершенствуются.

Джефри М. Холдридж является вице-президентом обслуживающей правительственные службы фирмы WTEC Inc. (http://www.wtec.org), а в настоящее время работает аналитиком Службы координации национальной нанотехнологической программы США (http://www.nano.gov.html.about/nnco.html). Мнения, заключения, выводы и рекомендации автора отражают его личную точку зрения и не обязательно отражают позицию правительства США или фирмы WTEC Inc. Часть текста взята непосредственно из Стратегического плана Национальной нанотехнологической инициативы (см. http://www.nano.gov/NNI_Strategic_Plan_2004.pdf).

Глава 7 Обзор академических исследований США в области нанотехнологии

Джулия Чен

Джулия Чен является директором Нанотехнологического центра университета Лоуэлл (штат Массачусетс), где одновременно заведует лабораторией композитных материалов и тканей. Ее научная специальность – механические свойства и деформационные характеристики волокнистых структур, наноматериаловедение, моделирование поведения новых систем, получение разнообразных композитных материалов, а также их возможности их применения (включая биомедицину). В 2002–2004 гг. она возглавляла программу развития нанотехнологий и наноматериалов, осуществляемую Национальным научным фондом США.

В качестве исследователя и руководителя Джулия Чен участвовала во многих конкретных проектах, связанных с наномеханикой и наноматериаловедением, проводимых различными организациями и федеральными агентствами. Она является членом редколлегии многих научных журналов и входит в состав нескольких консультативных советов фирм и правительственных организаций.

В настоящий момент очень большая часть нанотехнологических исследований США осуществляется в лабораториях высших учебных заведений и университетов, поэтому именно эти академические разработки формируют образ новой технологии в обществе. Основная часть таких исследований финансируется Национальным научным фондом, а часть работ поддерживают заинтересованные в результатах министерства и правительственные ведомства (Министерство обороны, Министерство энергетики, Национальный институт здоровья, НАСА, Министерство сельского хозяйства и Агентство охраны окружающей среды).

Национальный научный фонд является независимым федеральным учреждением, которое обеспечивает финансирование научно-технических исследований в колледжах и университетах, относящихся к самым разнообразным научным дисциплинам (от математики и компьютерной техники до социологии). Нанотехнологией называют всю совокупность наук, занимающихся теми свойствами веществ, устройств, структур и систем, которые существенно зависят от нанометрического масштаба объектов или процессов. Поэтому представляется совершенно естественным, что именно фундаментальные исследования в университетских лабораториях должны стать решающим этапом превращения абстрактных наноэлементов в коммерческие товары.

Нанонаука возникает на «стыке» наук и направлений, и практически все университеты в какой-то степени всегда занимались и занимаются сейчас той областью нанотехнологий, которая соответствует их традиционной направленности. Большинство учебных заведений широко пользуются правительственным финансированием для стипендий молодым исследователям, закупке оборудования и т. п. Это требует от правительственных организаций серьезного анализа эффективности существующих механизмов финансовой поддержки и общей оценки состояния дел в этой новой, обширной и бурно развивающейся области исследований и образования. В этой главе читатель найдет общую информацию о финансировании нанотехнологических исследований Национальным научным фондом США (NSF) и главных направлениях научного поиска в настоящее время.

7.1. Механизмы финансирования исследований Национальным научным фондом США (NSF)

Национальный научный фонд (NSF) давно разработал многоступенчатую систему финансирования нанотехнологических исследований. Важнейшую роль в этом играет принятая пять лет назад специализированная Программа для центров поддержки нанонауки и наноинженерии (Nanoscale Science and Engineering, NSE). Эти центры охватывают финансовой поддержкой проекты самого разного масштаба и длительности, от небольших грантов (на один год или конкретное исследование) до выделения крупных сумм на долговременные (5 и 10 лет) фундаментальные разработки. Каждый тип предлагаемых грантов представляет исследователям разные возможности сотрудничества и предполагает определенный уровень технологической «зрелости» фирм и организаций, желающих связаться с академическими лабораториями для получения технической информации. Кроме того, NSF финансирует также ряд так называемых первичных программ (не обязательно связанных непосредственно с нанотехнологиями) по математике, физике, технике и биологии. Многие из таких программ позднее объединяются с нанотехнологическими исследованиями. Краткие данные о финансируемых NSF проектах можно найти на веб-сайте NSF (www.fastlane.nsf.gov).

7.1.1. Центры по нанонауке и наноинженерии (Nanoscale Science and Engineering Centers, NSEC)

Обычно центры по нанонауке и наноинженерии выделяют гранты на пятилетнюю программу исследований, продлевая ее при необходимости на следующие пять лет. Объем финансовой помощи, особенно индивидуальным исследователям, обычно невелик, но основная задача центров состоит в поддержке междисциплинарных и системных исследований, а также в организации развитой инфраструктуры исследований и системы образования. Каждый из центров имеет специализацию и руководствуется собственным видением развития нанотехнологий, собирая полную информацию о работах, относящихся к конкретной области нанонауки. В настоящее время существует 14 таких центров (см. таблицу 7.1), а организация еще двух планируется по результатам конкурса в 2005 финансовом году.
Табл. 7.1. Центры по нанонауке и наноинженерии (Nanoscale Science and Engineering Centers, NSEC), финансируемые Национальным научным фондом

Финансирование нанотехнологических исследований, осуществляемых междисциплинарными группами (NIRT)

Обычно междисциплинарные исследовательские группы получают на нанотехнологические проекты четырехгодичные гранты. При этом в состав группы должны входить по меньшей мере три ведущих исследователя, имеющих некоторый опыт и известность в области исследований. Такие гранты представляют особый интерес для разработчиков технических и промышленных методик, уже добившихся определенных успехов и желающих завершить свои разработки в короткие сроки. Ежегодно выдается от 50 до 70 грантов этой категории.

7.1.2. Гранты на поисковые работы в области нанотехнологий

Обычно такие гранты выдаются только на год и связаны с очень интересными и важными проектами на самой ранней стадии исследований, когда требуется быстро выяснить саму возможность развития в данном направлении. Ежегодно выдается от 50 до 70 грантов этой категории. Стоит отметить, что помимо самого гранта Национальный научный фонд предоставляет соискателям возможность пользоваться двумя весьма важными национальными сетями для разработчиков нанотехнологий, то есть дает доступ к развитой инфраструктуре измерительной аппаратуры и вычислительной техники.

7.1.3. Национальная сеть нанотехнологической инфраструктуры (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN)

Пятилетний план (с возможностью последующего продления на 5 лет) развития Национальной сети нанотехнологической инфраструктуры (NNIN) с годовым бюджетом 14 миллионов долларов был утвержден в 2004 году. Он стал продолжением предыдущего успешного проекта создания так называемой Национальной сети для разработчиков нанотехнологий (National Nanofabrication Users Network, NNUN). Начало организации NNUN относится к 1994 году, когда Корнеллский университет объединил с этой целью разработчиков из ведущих учебных заведений США, в число которых вошли Корнелльский университет, Технологический институт штата Джорджия, Гарвардский университет, университет Говарда, университет штата Северная Каролина, Пенсильванский университет, Стэнфордский университет, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, Мичиганский университет, университет штата Миннесота, Мичиганский университет, университет штата Нью-Мексико в Остине и Вашингтонский университет. План изначально подразумевал дальнейшее значительное расширение, что и стало возможным при переходе к описываемой сети NNIN. [C начальным этапом развития сети NNUN читатель может ознакомиться в книге «Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований». М., Мир, 2002, глава 11. Прим. перев. ] Целью создания сети NNIN является создание инфраструктуры, обеспечивающей всем заинтересованным в развитии нанотехнологий исследователям легкий доступ к информации и связь с другими специалистами по синтезу, исследованию, изготовлению и применению нанообъектов.

7.1.4. Сеть вычислительной нанотехнологии (Network for Computational Nanotechnology, NCN)

Созданная в 2002 году университетом Пердю (город Лафайет, штат Индиана) сеть вычислительной нанотехнологии (NCN) объединяет несколько крупных университетов, связанных с новейшими разработками (Северозападный, Стэнфордский и Иллинойский университеты, Техасский университет в Эль-Пасо, университет штата Флорида и т. д.). Основное назначение NCN состоит в обеспечении доступа потребителей и участников к новейшим алгоритмам, методам моделирования, программному обеспечению и вычислительной технике.

7.1.5. Программы образования и подготовки технических кадров

Еще в 2003 году Национальный научный фонд предложил добавить в программу развития нанотехнологий специальные курсы нанотехнологического образования для студентов (Nanotechnology Undergraduate Education, NUE), к которым в 2004 году были присоединены общие курсы образования в области нанотехнологий (Nanoscale Science and Engineering Education, NSEE). Помимо этого, в планы Национального научного фонда входит финансирование нескольких других независимых общенациональных программ обучения: центры специализированного обучения (Centers for Learning and Teaching, NCLT), система неформального научного образования (Informal Science Education, NISE) и инструкции по развитию материаловедения (Instructional Material Development, NIMD). Целью всех этих программ является повышение интереса молодежи не только к самим нанотехнологиям, но и к связанным с ними перспективам карьеры и бизнеса.

7.2. Главные направления исследований, финансируемых ННИ и ННФ

Во многих работах подчеркивается, что характерной особенностью нанотехнологий является их «многогранность» и связь с множеством технологий в самых разных отраслях промышленности. Это отчетливо прослеживается при анализе направленности финансируемых проектов и инициатив. Ниже очень кратко рассмотрена проблема тематики наноисследований в США за последние пять лет.

В исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы [42] были обозначены девять основных задач (или, как любят говорить американцы, вызовов), причем авторы уделили большое внимание проблеме стыковки интересов различных ведомств и согласованности их работы. Начальный список приоритетов имел следующий вид:

1. Создание наноструктурных материалов с заданными свойствами.

2. Наноэлектроника, оптоэлектроника и магнитные материалы.

3. Наноэлектроника для здравоохранения, диагностики и т. д.

4. Нанопроцессы и охрана окружающей среды.

5. Использование нанотехнологий для преобразования и аккумулиро¬вания энергии.

6. Разработка и использование микроспутников для космической техники.

7. Разработка биологических нанодатчиков для диагностики и предот¬вращения угрозы применения биологического оружия.

8. Проблемы экономики и безопасности транспорта.

9. Нанотехнологии и национальная безопасность.

Позднее к этому списку были добавлены еще две важные задачи, а именно «Изготовление нанообъектов» и «Создание инструментов и метрологической базы для нанотехнологии». Кроме того, три последних пункта программы были объединены под общим названием «Использование нанотехнологий для обнаружения химических, биологических, радиологических и взрывчатых веществ, а также для защиты от их применения». В самом последнем официальном документе под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива. Стратегический план» (декабрь 2004 года) главные задачи нанотехнологических исследований в США перечислены в следующем порядке:

1. Фундаментальные исследования нанометрических объектов, явлений и процессов.

2. Наноматериалы.

3. Наноустройства и системы.

4. Разработка инструментов и аппаратуры, а также метрологии и стандартов в области нанотехнологии.

5. Нанопроизводство.

6. Создание возможностей для исследований, обеспечение аппаратурой и т. д.

7. Социальные проблемы, связанные с развитием нанотехнологий.

Легко заметить, что речь идет лишь о новой формулировке основных задач, поставленных в исходном варианте Национальной нанотехнологической инициативы. Еще проще свести всю программу к четырем следующим задачам, которые поставило себе правительство США: (1) создать научно-исследовательскую базу самого высокого уровня в области нанотехнологий; (2) создать возможность «превращения» новых технологий в реальные коммерческие продукты, новые рабочие места и т. п.; (3) развить необходимую для нанотехнологий инфраструктуру, систему высшего и технического образования, подготовить квалифицированные рабочие кадры, начать производство аппаратуры и инструментов; (4) обеспечить гармоничное и разумное развитие нанотехнологий.

Анализируя и классифицируя направления развития нанотехнологий, Отделение нанонауки при Национальном научном фонде рекомендовало разделить все исследования в данной области на девять главных разделов:

• Нанометрические биосистемы.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами.

• Наноустройства и архитектура систем.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде.

• Теория многомасштабных и комплексных явлений; моделирование нанопроцессов.

• Наномасштабные производственные процессы.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий.

Широкий охват тематики делает обсуждение предлагаемых проектов на технических семинарах и заседаниях подкомитетов очень интересным, причем не только для руководства ННФ, но и для самих ученых. Объединение по столь широко определенным отраслям знаний и связь отделов делает обсуждение более плодотворным и ценным. Любая компания, заинтересовавшаяся какой-либо конкретной разработкой, может при обсуждении гораздо лучше представить себе возможности применения новой продукции. С другой стороны, предложивший новый материал или устройство ученый (например, придумавший новый тип биомедицинских датчиков) может получить грант не только по разделу «Нанометрические биосистемы», но и по разделу «Наноустройства и архитектура систем» и т. д. Во всех случаях принятие решения о финансировании исследований сопровождается весьма интересным и полезным обсуждением всеми заинтересованными сторонами. Более того, в результате обсуждения в широком кругу специалистов могут быть преодолены ограничения и предполагаемые слабости некоторых проектов, например, за счет их объединения с другими проектами или использования для новых целей. Такая специфика обсуждения очень характерна для нанотехнологий с их разнообразием применения и междисциплинарным подходом.

Ниже приводится более подробное описание тематики по указанным разделам, составленное на основе рекомендаций ННФ [43] .

• Нанометрические биосистемы. Под это определение подпадают проекты фундаментальных исследований в области нанобиоструктур и связанных с ними процессов, нанобиотехнологии, биосинтезу и биообработке материалов, а также к решению нанотехнологических проблем, относящихся к биоматериалам, биоэлектронике, сельскому хозяйству, энергетике и здравоохранению. Особое внимание уделяется проектам по установлению зависимости биологических функций вещества в нанометрическом масштабе от его химического состава, поведения отдельных молекул и физических характеристик. В качестве характерных примеров исследований по этому разделу можно указать проекты по изучению органелл и субклеточных комплексов (типа рибосом, или так называемых молекулярных моторов); создание наноразмерных зондов и устройств для геномики, протеомики, клеточной биологии и изучения биотканей на наноуровне; синтез наномасштабных материалов на основе принципов биологической самосборки.

• Наноструктуры, новые явления и управление квантовыми процессами. Исследования по этому разделу связаны с изучением новых эффектов и свойств материалов в нанометрическом масштабе, включая фундаментальные физические и химические явления, а также с разработкой аппаратуры, необходимой для экспериментальных работ и методик синтеза. В этом направлении особый интерес представляют проекты, нацеленные на преодоление факторов, препятствующих миниатюризации устройств до нанометрических размеров. Область возможной коммерциализации и применения проектов этой группы очень широка и охватывает важнейшие направления развития. К этой группе относятся: молекулярная электроника, наноструктурные катализаторы, новые лекарственные препараты, квантовые компьютеры, расчеты ДНК-структур, разработка чипов с очень высокой степенью интеграции, создание и двух– и трехмерных наноструктур заданной формы, наномасштабная гидродинамика (флюидика), биофотоника, обработка поверхности, процессы смазки наноповерхностей и т. д.

• Наноустройства и архитектура систем. К этой группе относятся разработки новых устройств и аппаратуры для сборки, обработки и изготовления нанообъектов, а также для любых других манипуляций, связанных с изменениями масштабов и размеров. Кроме того, к данной группе причисляют многие побочные проекты, связанные с обработкой наноструктур: теория проектирования и архитектуры нанообъектов, специализированное программное обеспечение, создание автоматических систем сборки систем из большого числа разнообразных нанообъектов. В далекой перспективе можно мечтать о создании «умных» систем, способных самостоятельно не только собирать и анализировать информацию, но и адекватно реагировать на нее.

• Наномасштабные процессы в окружающей среде. Исследования в этом направлении нацелены на понимание роли наноструктур и нанопроцессов в окружающем нас мире (от ядра Земли до верхних слоев атмосферы). Особый интерес вызывает изучение происхождения, распределения и состава множества наноструктур, естественным образом возникающих в природе под воздействием самых разнообразных физико-химических условий. Очень важным является изучение наномасштабных взаимодействий на различных поверхностях (органические и неорганические твердые тела, жидкости и газы, живые и неживые системы). Типичными темами проектов этого раздела являются исследования процессов биоминерализации наноструктур, молекулярного связывания на поверхностях минералов, переноса ультрадисперсных частиц в коллоидах и аэрозолях, изменения пылевых частиц в межпланетном пространстве. Изучение таких систем не только помогает лучше понять молекулярные процессы в окружающем нас мире, но и обещает помочь в будущем выработать более действенные методы борьбы с загрязнением окружающей среды, развить новые методики очистки воды, создать экологические чистые источники энергии (например, на основе искусственного фотосинтеза) и биотехнологические производства, понять роль микробов в геологических процессах взаимодействия поверхности минералов с водой и воздухом и т. д.

• Теория многомасштабных и комплексных явлений, моделирование нанопроцессов. Развитие нанотехнологий связано с изучением множества новых часто непонятных объектов, устройств и процессов, что требует не только создания новых приборов и инструментальной базы исследований, но и разработки принципиально новых теоретических подходов, включая программное обеспечение для крупномасштабного компьютерного моделирования. Новые технологии ставят перед учеными исключительно сложные задачи в квантовой физике и химии, моделировании многочастичных систем, молекулярной динамике, развитии моделей поведения дискретных и сплошных сред, стохастических методов и так называемой наномеханики. Особый интерес сегодня представляет изучение многомасштабных и комплексных явлений во времени, когда взаимодействия в больших атомно-молекулярных системах позволяют исследователям «уловить» связь между структурами, их свойствами и функциональными характеристиками. Успехи в этом направлении позволят реально создавать наноструктуры с заданными свойствами и архитектурой, что представляет огромную важность для развития химии и биологии, а также для разработки электронных устройств, многофункциональных материалов и т. д.

• Наномасштабные производственные процессы. Конечной целью исследований в этом направлении является разработка различных методов создания наноструктур (включая самосборку) и дальнейшего их объединения в более крупные наносистемы, а затем, возможно, и в макроскопические объекты. В настоящее время изучаются механизмы процессов в нанометрическом масштабе и возможности использования новых инструментов, вырабатываются общетеоретические концепции высокоскоростного синтеза наноструктур и их обработки, а также разрабатываются методы увеличения «объема производства» в уже существующих методиках создания таких структур. Темами исследований в этом направлении выступают теоретические и экспериментальные методики производства и обработки, моделирование процессов создания наноустройств, экономическая оценка имеющихся или предлагаемых способов производства, поиск новых возможностей применения и т. п. В будущем такие работы должны позволить нам создать крупномасштабные производства, развить новые методы работы, организовать эффективную промышленную инфраструктуру в новых отраслях.

• Социальные и образовательные процессы, связанные с бурным развитием нанотехнологий. Известно, что серьезный прогресс в технике всегда нуждается в организованной социальной поддержке и одновременно почти всегда сам приводит к значительным изменениям в общественной жизни, причем зачастую эти изменения имеют неожиданный характер. Учитывая особую важность нанотехнологий для науки и производства в целом, мы обязаны очень серьезно изучить этические, социальные и другие проблемы, которые неизбежно будут возникать по мере увеличения масштабов промышленной революции, ожидаемой в связи с бурным развитием нанотехнологий. Помимо этого, мы не должны забывать, что развитие нанонауки и технологии автоматически означает значительное возрастание уровня наших знаний о фундаментальных законах природы. Результатом этого станут важные изменения во всех существующих научных дисциплинах (от биологии до астрономии), которые, безусловно, также будут проявляться в самых разных явлениях общественной жизни, включая множество новых товаров и услуг. Предварительное изучение или прогнозирование воздействия научно-технического прогресса на социальные явления должно помочь нам, с одной стороны, лучше подготовиться к возможным экономическим проблемам, а с другой – более точно определить будущее место нанотехнологий в коммерции, здравоохранении и охране окружающей среды. Помимо сугубо практических целей (развитие новых производств потребует существенных изменений в программах научной и профессиональной подготовки нового поколения), мы должны задуматься и об этических проблемах, которые нанотехнологии уже ставят перед правительствами разных стран и даже человечеством в целом. Например, сейчас существует непростая задача выбора приоритетов развития, и некоторые проблемы уже можно определить достаточно точно. Должны ли мы выделять средства на исследование возможностей искусственного интеллекта, в потенциале способного превзойти интеллект человека? Должны ли мы способствовать созданию все более разнообразных наночастиц или следует ограничиться лишь теми частицами, которые мы в какой-то степени уже изучили и представляем себе их воздействие на здоровье человека и окружающую среду? Каким образом совмещать разноплановые интересы ученых из разных областей науки и техники? Каким образом может быть учтен риск использования и широкого внедрения новых технологий? Этот список вопросов можно легко продолжить и расширить по конкретным проблемам, и мы сейчас очень нуждаемся в разумных оценках социальных, этических и экологических последствий тех процессов, которые возникнут при широком и бурном развитии новых технологий.
Помимо семи перечисленных и обсужденных направлений развития нанотехнологий, Национальный научный фонд заключил специальное соглашение (торжественно озаглавленное Меморандум согласия) с огромной Корпорацией исследований полупроводниковой техники (Semiconductor Research Corporation) о включении в список восьмого направления приоритетных исследований, связанного с наноэлектроникой на кремниевой основе и даже вне этого ограничения! Национальному научному фонду пришлось пойти на включение этого специализированного направления (названного Silicon Nanoelectronics and Beyond) в список приоритетов, поскольку корпорация щедро финансирует многие университетские разработки исходя из интересов входящих в нее компаний. В этом направлении речь идет об исследованиях в конкретной области (наноэлектронике), которые поддерживаются совместно Национальным научным фондом и конкретным сектором экономики, что позволяет финансирующим организациям более рационально и продуманно использовать свои возможности. По-видимому, эта форма сотрудничества является достаточно эффективной, поскольку сейчас некоторые другие крупные правительственные организации (Министерство обороны, Министерство энергетики и т. д.) также стараются выработать смешанные формы финансирования, составляя собственные списки интересующих их проектов и затем согласовывая выделение грантов по специфической тематике с Национальным научным фондом.
7.3. Направления исследований в будущем

Механизм федерального финансирования нанотехнологических исследований можно сравнить с тем, как мальчишки бросают камешки в пруд. Выделение гранта на пять лет создает первый «круг» результатов, который постепенно распространяется по всей поверхности пруда, соответствующего всей области исследований. Следующий камень, попавший в другое место пруда, создает второй «круг», который в процессе распространения накладывается на первый, создавая между работами определенное взаимодействие, возможно, таящее в себе интересные научные результаты. Можно сказать, что в «пруду» нанотехнологий уже расходится много взаимодействующих кругов, обеспечивающих появление все новых идей и разработок. Первичный импульс задается в основном пятилетними грантами, что и было подтверждено в декабре 2003 года Конгрессом США, принявшим Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке [44] .

Сказанное определяет и логически продолжает существующую практику государственного финансирования нанотехнологических разработок, однако стоит вспомнить, что (по мере получения практически ценных результатов) в процесс поддержки и направления разработок включаются промышленные группировки, заинтересованные обычно в скорейшем коммерческом использовании уже полученных результатов. Как правило, важные научные открытия приводят к появлению на рынке новых коммерческих товаров примерно за 20–30 лет, однако темпы промышленного прогресса постоянно возрастают, поэтому сроки появления нанотехнологических «новинок», по-видимому, будут сокращаться [45] . Можно с уверенностью полагать, что в ближайшие годы широкая общественность познакомится с больших числом таких товаров и услуг, причем многие новинки будут относиться к здравоохранению и экологии. Учитывая этот прогноз, важнейшие федеральные ведомства и учреждения, связанные с медициной и охраной, уже начали финансировать дорогостоящие разработки, направленные на методики выявления, переработки и оценки токсичности наночастиц и наноматериалов [46] .

Многие из последних открытий в области нанотехнологий связаны с тем, что исследователи стали изучать в нанометрическом масштабе уже известные квантово-механические явления или физико-химические свойства обычных материалов. С другой стороны, специалисты надеются, что наиболее интересные открытия в будущем будут связаны с исследованиями на границах научных дисциплин и с комбинациями различных методик и технологий. Стоит вспомнить, что уже в самых первых работах по нанотехнологиям исследователи отмечали явное сближение или даже «слияние» ранее казавшихся далекими областей науки. В нанотехнологиях как бы объединяются в единое целое микроэлектроника, биотехнологии, информационные технологии и так называемая когнитивистика (сочетание наук, относящихся к изучению процессов познания), что обещает в будущем значительно расширить не только наши знания, но и сами возможности человеческого организма и человеческого интеллекта.

Столь серьезные задачи лишь подчеркивают важность координации научно-исследовательских работ, осуществляемых самыми разными специалистами. Возможно даже, что процесс организации делового сотрудничества между учеными, инженерами, промышленниками и социологами в очень обширной области новых технологий окажется весьма поучительным и полезным.

7.4. Поддержка специальных направлений академических исследований со стороны некоторых ведомств, связанных с ННИ

В Национальной нанотехнологической инициативе участвуют многие федеральные ведомства США, поддерживающие особые или специализированные направления нанотехнологических исследований.

Прежде всего стоит отметить Министерство обороны, которое финансирует многие разработки, относящиеся к материаловедению и широкому кругу других технических проблем, представляющих интерес для вооруженных сил. Во многих случаях, однако, цели проектов носят весьма общий характер, а их результаты могут быть использованы и в гражданском секторе (например, некоторые из финансируемых военными разработок относятся к новейшим типам катализаторов, датчикам, солнечным батареям, энергетическим устройствам и средствам защиты от химического, биологического или радиологического оружия). Кроме того, Министерство обороны, в рамках ННИ широко участвует в финансировании множества исследований, относящихся к наноэлектронике, нанофотонике и наномагнитным материалам, а в последнее время уделяет особое внимание проектам по спиновой электронике и квантовой информатике. При известном Массачусетском технологическом институте Армия США создала Институт армейской нанотехнологии (Institute for Soldier Nanotechnology), специализирующийся на передаче и использовании тех результатов нанотехнологий, которые могут применяться для повышения боеспособности вооруженных сил. Особо можно отметить инициативу Министерства обороны по финансированию ряда так называемых межинститутских исследований (Multi-University Research Initiative, MURI), нацеленных на решение сложных и специфических проблем.

Очень большое число наноисследований в высших учебных заведениях финансируется Министерством энергетики (которое в США традиционно занимается и проблемами ядерного оружия). Министерство проявляет основной интерес к изучению фундаментальных свойств вещества в нанометрическом масштабе, созданию новых видов катализаторов, энергетическим установкам, сборке и архитектуре нанообъектов и созданию новых материалов [47] . Кроме того, Министерство энергетики участвует в финансировании работ по созданию новейшего программного обеспечения, позволяющего моделировать наномасштабные и обычные системы и процессы вообще.

Следует также особо отметить, что Министерство энергетики создало собственную специализированную сеть из пяти научно-исследовательских центров по нанотехнологиям (Nanoscale Science Research Centers, NSRCs) на базе мощных национальных лабораторий правительства США, предоставляющую академическим разработчикам свои микроскопы, источники излучения, высокоэффективную аппаратуру и сложное оборудование. Этот подход представляется весьма важным и интересным, поскольку многие небольшие университеты и колледжи не могут позволить себе закупать дорогостоящее новейшее оборудование для сложных экспериментов в области нанонауки. Впрочем, эта проблема относится и к большим университетам, руководство которых, по понятным причинам, также часто отказывается закупать дорогие и высокоспециализированные приборы (например, особые источники света и т. д.) для интересных, но, возможно, разовых экспериментов. Возникающее противоречие легко решают упомянутые центры NSRC, предоставляющие свою аппаратуру не только финансируемым министерством исследователям, но и многим другим участникам нанотехнологического «сообщества».

Эти центры были созданы при национальных лабораториях в Окридже, Аргонне, Брукхейвене и имени Лоуренса в Беркли (кроме того, один объединенный центр был создан совместно лабораториями Сандия и Лос-Аламос). В тех случаях, когда пользователи соглашаются публиковать результаты исследований открыто (то есть поделиться ими с научной общественностью), центры NSRC предоставляют рабочее время, материалы и свою техническую помощь совершенно бесплатно, а при желании сохранить полученные данные в тайне – пользователи оплачивают только фактические расходы лабораторий. Перечисленные центры уже сейчас оказывают серьезную помощь разработчикам, особенно в материаловедении и теоретических расчетах, требующих мощных компьютеров. Они представляют собой важные элементы общенациональной сети инфраструктуры нанотехнологических исследований (National Nanotechnology Infrastructure Network) и сети вычислительной нанотехнологии (Network for Computational Nanotechnology), которые последовательно создаются в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. [Заинтересовавшийся организацией исследований министерствами обороны и энергетики читатель найдет их подробное описание в книге. Прим. перев. ]

Национальный институт здоровья, объединяющий множество организаций и ведомств, широко финансирует нанотехнологические исследования медицинской направленности, которые могут быть позднее использованы для диагностики, предотвращения и лечения различных заболеваний, а также разработки многих видов новой медико-биологической аппаратуры, как для научной, так и для практической работы. Ценность нанотехнологий для медицины и биологии связана, прежде всего, с тем фактом, что новые методики позволяют ученым проводить измерения и осуществлять манипуляции в масштабах, сравнимых с размерами отдельных клеток. Уже сегодня на основе нанотехнологий созданы ценные приборы и устройства, позволяющие получать информацию о макромолекулярных процессах, происходящих в отдельных клетках или органах организма. Некоторые финансируемые разработки относятся к весьма перспективному направлению, связанному с ранней диагностикой опасных заболеваний, так как в настоящее время выявлены контрастные агенты, позволяющие обнаруживать даже очень небольшое количество раковых клеток в тканях на начальной стадии развития опухоли. Ценность таких работ повышает и то, что нанотехнологии создают возможность так называемой «направленной» доставки препаратов в пораженные участки тканей без хирургического вмешательства. Вообще говоря, стоит отметить, что в биологии и фармацевтике очень сложно ввести четкие определения, и поэтому Национальный институт здоровья финансирует множество других исследований, которые не относятся формально к нанотехнологиям, но основаны на молекулярном подходе, то есть на исследовании и учете процессов, происходящих в нанометрическом масштабе.

Агентство защиты окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) финансирует проекты, прямо или косвенно связанные с методами обнаружения и обезвреживания экологически опасных веществ. Помимо этого, в последние годы EPA уделяет все большее внимание изучению воздействия самих наноматериалов и нанопрошков на здоровье населения и состояние окружающей среды. В частности, в 2004 году EPA начало осуществлять (совместно с Национальным институтом здоровья и Национальным научным фондом) обширную специализированную программу исследования реакций человеческого организма на различные наноматериалы, уже поступившие в коммерческое производство. Агентство намерено не только расширять эту программу, но и финансировать аналогичные исследования в других странах.

Комическое агентство НАСА финансирует большое число разнообразных программ, некоторые из которых носят общий характер. Например, НАСА курирует часть проектов, относящихся к гипотетическому будущему «слиянию» нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий (по мнению некоторых специалистов, этот подход позволит понять самоорганизацию структур в природе). С другой стороны, НАСА, естественно, поддерживает много проектов, непосредственно относящихся к развитию авиационно-космической техники (включая датчики для анализа внеземных материалов, системы контроля состояния космонавтов и т. д.) или к материаловедению (большое внимание сейчас уделяется весьма популярным исследованиям возможностей использования нанотрубок в получении особо прочных и легких материалов). Кроме того, стоит отметить, что НАСА организовало четыре центра поддержки академических исследований (University Research, Engineering and Technology, URETI), многие разработки в которых относятся к междисциплинарным проблемам, связанным именно с нанотехнологиями. Центры организованы на базе отделения Калифорнийского университета в Лос-Аламосе (UCLA), Техасского университета A&M, Принстонского университета и университета Пердю. Гранты выдаются на исследования в течение 5 лет, но НАСА обещает при необходимости продлевать их еще на пять лет.

7.5. Заключение

Возможности правильного использования результатов академических исследований во многом зависят от правильной системы организации их поддержки и финансирования. Финансирующие организации должны внимательно изучать собственные потребности и намечать конкретные цели, то есть решить, желают ли они создать совершенно новую технологию, довести уже существующую в лабораториях новую технологию до внедрения в коммерческое производство или получить чисто научную информацию о неизвестных процессах и революционные идеи. Каждая из таких задач требует собственного подхода. Наметив конкретную цель в какой-то области науки, финансирующие ведомства далее могут начать поиск исполнителей по имеющимся базам данных и определить форму своего участия (организация центров, новых групп или финансирование индивидуальных исследований).

Существует и более активный подход к использованию академических исследований, когда именно промышленные организации или бизнесмены становятся организаторами или инициаторами процесса передачи информации. Например, деловые круги могут организовывать конференции и семинары (для создания реальных связей с академическими учреждениями), поддерживать конкретные исследования или просто поддерживать в разной форме талантливых студентов, способных в перспективе к творческой работе.

Глава 8 Механизмы передачи и использования результатов академических исследований в области нанотехнологий

Ларри Джильберт, Майкл Кригер

В настоящее время Ларри Джильберт возглавляет работу по передаче технологий в знаменитом Калтехе (Калифорнийский технологический институт). Отдел передачи технологий (Office of technology transfer, OTT) был создан Калтехом совместно с известной Лабораторией реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) для защиты интеллектуальных прав сотрудников обеих организаций и эффективно осуществляет самую разнообразную деятельность в области внедрения новейших технологий. ОТТ всячески поощряет развитие инновационных проектов не только в крупных международных корпорациях, но и в самых мелких, старт-ап компаниях. На основе достижений Калтеха Л. Джильберт сумел организовать более 60 новых малых фирм, некоторые из которых уже выросли до организации серьезных коммерческих производств. Сам Джильберт при этом играет роль «катализатора» процесса, способного объединять усилия, обеспечивать связи исследователей и технологов, находить венчурных инвесторов и т. д.

Ранее Л. Джильберт являлся руководителем отделов лицензирования и патентования в ряде известных организаций (включая Массачусетский технологический институт, MIT), консультировал по указанным вопросам многие университеты, центры и правительственные организации. Он является основателем и секретарем Ассоциации университетских менеджеров по технологиям (Association of University Technology Managers, AUTM), членом исполнительного комитета организованного университетами известного Форума предпринимателей (MIT/Caltech Enterprise Forum) и занимает ряд других ответственных постов в организациях, связанных с передачей технологий, развитием промышленности и т. п. Л. Джильберт известен также своими лекциями по лицензированию и патентному праву, публикациями на эту тему и активной общественной позицией.

Майкл Кригер является ведущим адвокатом крупной фирмы Willenken Wilson Loh & Stris (Лос-Анджелес) и одним из крупнейших специалистов в области прав на интеллектуальную собственность. Более 20 лет он активно занимается юридическим оформлением отношений в бизнесе, связанном с высокими технологиями. Он имеет огромный практический опыт судебных разбирательств и исков, относящихся к защите патентных прав, прав на интеллектуальную собственность, оформлению лицензий, торговых знаков и т. п. В разное время его клиентами являлись мелкие стартовые фирмы, крупные корпорации, Организация Объединенных Наций и даже международные Интернет-образования.

М. Кригер имеет одновременно ученые степени по математике и праву (полученные в самых престижных университетах). Некоторое время он занимался теоретической математикой в Массачусетском университете, но затем переключился на юриспруденцию, где быстро завоевал огромный авторитет, благодаря двойному образованию и высокому интеллекту. На начальной стадии развития сети Интернет было множество сложных юридических проблем, связанных с возникновением новых понятий и новых правовых норм в отношении собственности, прав и обязанностей. М. Кригер принимал участие в дискуссиях и выработке новых законодательных актов. Например, он участвовал в спорах по проблемам «шифровальных ключей», был консультантом при выработке решений о названиях/торговых марках доменов в Сети, занимался формулировкой прав на открытый доступ к программному обеспечению и стал одним из основателей Ассоциации компьютерного права (Computer Law Association) в 1978 году. Стоит упомянуть, что он был юридическим советником Джона Постеля, одного из основателей сети Интернет и даже сумел предсказать приватизацию ее административных органов.

Кригер является членом правления важнейших организаций, поддерживающих и развивающих венчурное предпринимательство, например, упомянутого выше Форума предпринимателей (MIT/Caltech Enterprise Forum). В 1997 году он организовал действующие до сих пор учебные курсы для персонала инновационных фирм, программа которых охватывает вопросы организации бизнеса, защиты прав на интеллектуальную собственность, патентное право и т. д. Он является редактором известного журнала New Matter и возглавляет Ассоциацию компьютерного права.

На первый взгляд непосредственная коммерциализация академических исследований представляется сложным процессом, в котором множество обстоятельств должны точно «совпасть» друг с другом при благоприятствующей обстановке. Успешный процесс передачи результатов академической разработки в производство трудно описать единой идеализированной моделью (прежде всего, из-за большого числа «игроков» и «элементов» процесса), поэтому ниже предлагается его схема, в которой основное внимание уделяется элементам, а не процессу в целом.

Университеты были и остаются основным источником новых идей в области нанотехнологий, что объясняется широкой поддержкой таких исследований со стороны федерального правительства, обеспечиваемой постоянно развивающейся и расширяющейся системой грантов и правительственных контрактов [48] . К сожалению, такие работы (в противоположность обычным исследованиям, проводимым корпорациями или частными лицами) остаются малоизвестными или малодоступными для широкого круга заинтересованных предпринимателей, инвесторов и т. д. Сложность проблемы нанотехнологий связана еще и с тем, что их внедрение зачастую требует крупных капиталовложений и команы талантливых исследователей (а не изобретателей-одиночек). В настоящее время в научных лабораториях получено множество интересных результатов (главным образом благодаря правительственной поддержке), так что перед предпринимателями и инвесторами стоит реальная задача – найти ценные идеи и превратить их в коммерческие товары и услуги.

Процесс превращения знаний в рыночные продукты специалисты называют передачей технологий (конечно, это относится к знаниям в целом, а не только к нанотехнологиям). Практически и формально этим процессом управляют отделы передачи технологий (Office of technology transfer, OTT) или отделы патентования и лицензирования университетов [49] . В идеализированном варианте процесс передачи складывается из следующих этапов:

1. Научный сотрудник, условно называемый профессором, обнаруживает некое интересное явление, имеющее отношение к технологии (этот этап можно назвать «открытием»).

2. Открытие регистрируется в отделе передачи технологий универ – ситета.

3. Отдел оформляет получение предварительного патента (provisional patent) для защиты прав на связанную с открытием интеллектуальную собственность (intellectual property, IP).

4. Отдел «продает на рынке» открытие или передает каким-либо путем право представлять коммерческие интересы профессора тем лицензиатам (фирмам, имеющим государственное разрешение на ведение операций), которые готовы оплатить патентование, развить технологию до уровня коммерческого производства и выставить ее на продажу.

Чтобы процесс передачи технологии не показался читателю слишком простым и легким, следует напомнить о трех условиях или трудностях, стоящих на пути реализации каждого открытия.

Во-первых, в указанных последовательных операциях должны постоянно участвовать все три заинтересованные стороны (ученые, организации и компании), причем сотрудничество должно быть связано со всеми видами деятельности, от технической разработки до коммерческого производства. Любое существенное недоразумение или нарушение условий сотрудничества (например, навязывание или использование неразумных условий лицензирования) в этой ситуации приводит к нарушению «графика» появления товара на рынке или не позволяет запатентовать данное изделие вообще.

Во-вторых, результат открытия (продукт и т. д.) может попасть из университетской лаборатории на полки магазинов и другими путями (некоторые из них описываются ниже).

Наконец, третье (и наиболее серьезное) препятствие заключается в сложности самого процесса продажи открытия. Мы недаром взяли в кавычки слова «продает на рынке», описывая деятельность отделов передачи технологии. Дело в том, что торговля научно-техническими идеями и разработки носит весьма специфический характер и происходит, строго говоря, на основе весьма странной и противоречивой информации. С одной стороны, из университетских отделов передачи технологий (компетенция которых является явно недостаточной) поступают фантастические предложения о немыслимых ранее технологиях, а с другой – «достоверность» этой информации подтверждается научными публикациями, сообщениями на веб-сайтах и т. п., составляемыми самими авторами, журналистами, бывшими студентами и т. п. [50]
Ниже описываются некоторые особенности, закономерности и «ловушки» процессов передачи технологий, которые необходимо учитывать всем лицам и организациям, вовлеченным в процесс коммерциализации научных идей, то есть передачи информации из академической сферы в промышленность.
8.1. He существует стандартных методов передачи технологий!

Характерной особенностью процессов передачи технологий является их разнообразие и неповторимость. Выше уже отмечалось, что в данной статье рассматривается не столько сам процесс передачи технологий (как нечто цельное), а его отдельные стадии и компоненты. Такой подход может показаться читателю неправильным, но в действительности он диктуется характерными и фундаментальными особенностями описываемого социально-экономического явления. Дело в том, что хотя каждая коммерциализация технической идеи может рассматриваться в виде отдельного процесса, сами эти процессы очень плохо подаются обобщению. Слово процесс предполагает наличие некоторого повторяющегося набора действий, критериев, последовательных операций и т. д., что, в свою очередь, как бы подразумевает наличие «рецепта успеха», то есть правильного поведения, приводящего к успеху при разных ситуациях и различных внедряемых технологиях.

Иными словами, предполагается существование набора точных рекомендаций, во всех случаях обеспечивающих (по крайней мере теоретически) успех научно-технических инноваций. На практике все обстоит совсем не так! Проблема заключается именно в том, что каждая успешная коммерциализация возникает из уникального набора условий и элементов. Удачное развитие каждой блестящей инновационной компании оказывается связанным с сочетанием множества разнородных элементов и случайностей (начиная с человеческого фактора и кончая счастливо угаданной суммой авторского вознаграждения).

Удивительно, но часто многообещающие и перспективные проекты коммерциализации научных идей проваливаются по простой причине – их организаторы считают свою задачу просто «процессом», требующим правильного осуществления всех этапов, в то время как любое внедрение требует «искусства», то есть учета совершенного уникального сочетания компонент. Раскручивая инновационные проекты, организаторы должны постоянно уделять внимание научному персоналу, решению интересной научно-технической задачи, срокам работ и их финансовому обеспечению, меняющемуся состоянию рынка и многим другим факторам.

Главными слагающими успеха при этом часто выступают мотивации человеческого поведения и отношения между всеми участниками проекта. Необходимо учитывать отношения исследователей с руководством и администрацией университета, а также отношения самого руководства с коммерческими структурами. Ниже рассматриваются отдельно различные факторы, правильное сочетание которых обеспечивает успех при передаче научных идей или новых технологий из университетских лабораторий в промышленность.

8.2. Почему университеты занимаются передачей технологий?

Возможно, заголовок станет понятнее, если учесть, что по статистике лишь очень небольшое число университетских отделов передачи технологий приносит прямую прибыль, хотя бы оправдывающую расходы на их содержание. Собственно говоря, у руководства и администрации университетов нет прямой финансовой выгоды от этих отделов и их деятельности, но необходимость передачи технологий диктуется и другими факторами, некоторые из которых перечисляются ниже.

• Отношения с правительством. Финансируя деятельность университетов, правительство США требует от них (по меньшей мере), чтобы результаты проводимых исследований становились доступными для лиц и организаций, желающих их внедрять.

• Справедливое желание получать прибыль. Коммерциализация открытий может оказаться весьма доходным делом, если университет заранее оговорит свое финансовое участие в работе стартовой инновационной компании.

• Желание профессорско-преподавательского состава. Очень многие преподаватели и работники университетских лабораторий, конечно, серьезно заинтересованы в коммерциализации своих научных идей по самым разным причинам (от желания прославиться, заработать больше денег или перейти на работу в частный сектор до стремления просто получить авторское вознаграждение за патент или изобретение).

• Человеческие отношения. В тех случаях, когда профессора, преподаватели и выпускники университета добиваются успеха в области бизнеса, они часто выступают в качестве «доноров», вовлекая своих коллег в новые проекты внедрения или коммерциализации [51] .

8.3. Как происходит передача технологии?

Технологии могут передаваться из университетских лабораторий в коммерческое производство различными путями, пять из которых описаны ниже в разделе «Виды деловых отношений». Обычно университет оформляет для профессора, сделавшего открытие или получившего интересный научный результат, временный или даже полноценный патент, затем (как предложено в описанной выше простейшей модели передачи технологии) какая-то коммерческая структура изъявляет желание внедрить это открытие или результат в промышленность, для чего ей необходимо прежде всего заключить с университетом лицензионное соглашение. На основе такого соглашения может быть организована стартовая инновационная компания (старт-ап) с участием университетских исследователей. В соглашении оговариваются условия оплаты, которые в зависимости от вида лицензии могут включать в себя выплату единовременной суммы, авторского вознаграждения после внедрения изобретения и т. д.

На практике предлагаемая простая картина взаимоотношений бизнеса и науки значительно усложняется из-за нескольких дополнительных факторов. Прежде всего, любое серьезное и успешное внедрение научного открытия требует (помимо очевидной необходимости приобретения соответствующего патента) знания некоторых конкретных технических приемов, так называемого «ноу-хау», которым обычно обладает сам изобретатель-профессор, его аспиранты или другие сотрудники. Из этого вытекает, что помимо лицензии фирма должна заручиться и личной поддержкой профессора и его сотрудников, как правило, это достигается заключением соответствующего соглашения о сотрудничестве или найме на работу. Отсутствие информации «ноу-хау» обычно делает использование патента бессмысленным.

В данной работе очень кратко (и с учетом всего сказанного выше) рассматриваются общие вопросы, связанные с возникновением технологий, особенностями академических исследований и отношений науки с бизнесом при коммерциализации научно-технических разработок.

8.3.1. Источники технологии

Выше уже отмечалось, что передача информации осуществляется посредством лицензирования или другой формы приобретения интеллектуальной собственности, принадлежащей университетам и защищенной существующей патентной системой [52] . Действительно, право собственности на изобретение и практически любое открытие, совершенное в стенах высших учебных заведений, остается за последними (разумеется, если они не отказываются от этих прав). Эта система основана как на служебных обязательствах профессорско-преподавательского состава, студентов и служащих, так и на ограничениях закона Бэя – Доула (Bayh– Dole Act) – основного юридического акта, регулирующего вопросы права в университетах, финансируемых федеральным правительством США [53] .

Каким образом администрация университета узнает об открытии и разрешает сообщить о нем? В данном случае она ведет себя точно так же, как администрация крупной корпорации, в лаборатории которой совершено какое-то открытие. Обычно администрация позволяет исследователю обнародовать свои результаты после того, как обеспечивается их предварительная патентная защита. Во многих случаях общая информация о технологии становится открытой, например, после публикации или доклада о результатах исследования на научных конференциях и т. п. Слишком слабая или слишком жесткая патентная «защита» может затруднить внедрение любой технологии, особенно в тех случаях, когда коммерциализация требует вложения больших средств.

8.3.2. Какими мотивами руководствуется администрация, раскрывая информацию?

Одной из целей открытой публикации результатов исследований является поиск и привлечение инвесторов для оплаты полной патентной защиты ценных изобретений и внедрения технологии в промышленность. Многие фирмы с разумным и «просвещенным» руководством финансируют связанные с образованием специальные программы, позволяющие самим ученым провести дополнительные исследования и выяснить более точно, какова ценность новой технологии и может ли она стать объектом патентования? Поиск дополнительных инвестиций приводит к тому, что многие организации демонстративно раскрывают содержание принадлежащих им патентов, выплачивая своим исследователям вознаграждение за публикацию более подробных сведений.

С другой стороны, некоторые университеты проводят совершенно противоположную политику в области информации и патентных прав. Администрация таких университетов сама патентует открытия и сохраняет права на интеллектуальную собственность, практически не выплачивая исследователям единовременного вознаграждения. Преимуществом этой системы является то, что в тех случаях, когда ценная технология доходит до коммерциализации, университет (сохранивший права на интеллектуальную собственность) может выплачивать своим изобретателям очень высокие авторские вознаграждения. Процентные отчисления изобретателям (royalty) в таких случаях могут доходить до 25–50 %, что значительно выше суммы, которую они могли бы получить, передав открытие в частный сектор.

8.3.3. Необходимость создания атмосферы доверия

Несмотря на очевидную привлекательность политики, направленной на получение высоких авторских вознаграждений, руководство университетов обычно официально заявляет, что оно поддерживает стремление правительства шире внедрять новые технологии и поэтому является сторонником открытой публикации результатов. Таким образом, реальное отношение самих ученых, то есть профессорско-преподавательского и технического состава, к деятельности собственных университетских отделов передачи технологий (доверие или недоверие) является ключевым моментом в проблеме опубликования результатов и последующей защите этих результатов патентами, лицензиями от этих отделов и т. д. При этом вполне вероятна ситуация, когда отделы передачи технологий вообще бездействуют, так что обсуждать их работу не имеет смысла.

Однако психологическая проблема доверия, играющая столь важную роль в процессах передачи технологий, заслуживает особого рассмотрения. В широком смысле слова, отсутствие доверия в рассматриваемых ситуациях может быть обусловлено целым рядом совершенно независимых причин и обстоятельств:

• Общее недоверие ко всякому административному руководству.

• Убежденность профессорско-преподавательского состава в том, что руководство университета зависит от правительственных или деловых кругов, вследствие чего не способно защитить интересы исследователей и самого университета.

• Многие из ученых относятся к отделам передачи технологий вполне благосклонно, но не верят, что они действительно умеют «торговать» изобретениями и добиваться выгодных лицензионных условий для исследователей.

• Во многих университетах давно сложилось общее мнение (справедливость которого здесь не обсуждается), что отделы передачи работают плохо: безответственно и неэффективно.

С другой стороны, представляется очевидным, что любое серьезное высшее учебное заведение (даже с учетом перечисленных выше предрассудков или претензий) должно разрабатывать и предлагать обществу или промышленности какое-то количество новых технологий, хотя бы для оправдания своего существования. Собственно говоря, так оно и происходит на самом деле, так как с развитием науки возникают новые технологии, которые внедряются в производство разными путями. Иногда преимущества новых технологий очевидны, иногда для их коммерциализации требуются незаурядные творческие и деловые способности, а в некоторых случаях описанное выше общее недоверие к официальной процедуре передаче технологий удается преодолеть за счет личных контактов заинтересованных сторон.

Однако, рассматривая эту проблему с государственных позиций, следует отметить, что организация действительно масштабной и эффективной системы внедрения открытий, безусловно, требует создания атмосферы высокого доверия исследователей и преподавателей к ОТТ (и наоборот, доверия ОТТ к самим исследователям). Речь идет не только о формальном поощрении и распространении практики открытия информации и публикации результатов, но и об изменении характера работы отделов. Сотрудники ОТТ должны вовлекаться в деятельность лабораторий еще на ранних этапах исследований и затем направлять их развитие, привлекая к работе студентов-старшекурсников, способных впоследствии составить ядро инновационных компаний, получать лицензии и т. д. Более того, ОТТ должны привлекать исследователей и консультироваться с ними при всех переговорах с потенциальными покупателями лицензий, бизнесменами и т. д.

8.3.4. Особенности академической деятельности и культуры

Потенциальный лицензиат и любой другой представитель делового мира, желающий завязать какие-то отношения с профессорско-преподавательской и студенческой средой, должен осознавать, что стиль общения в академических кругах разительно отличается от свойственного бизнесменам и финансистам. Эта проблема вовсе не является формальной, например, для соблюдения секретности при переговорах о сотрудничестве. Ниже мы очень кратко опишем некоторые факторы, непривычные для бизнесмена и инвестора, но играющие важную роль в жизни научного сообщества.

8.3.4.1. Проблема публикации результатов

В университетском мире царствует принцип «публикуйся или погибай!». Количество публикаций является основным фактором, влияющим на уровень зарплаты и положение преподавателя в университетской системе. Для ученого, работающего в исследовательском институте, столь же важной характеристикой при распределении или получении финансовой поддержки выступает список его публикаций. Участие в исследованиях, опубликованные научные труды, выступления на конференциях и т. п. создают соответствующую репутацию автора в кругу коллег. Это означает, например, что он может легче получить финансовую поддержку из внешних источников (например, федеральных ведомств), занять более высокое положение в администрации университета и т. д. Все эти факторы постоянно стимулируют ученого быстрее публиковать результаты своих исследований. Кроме того, само стремление к открытой публикации новых данных соответствует духу академической свободы, то есть убежденности в том, что общественность (в данном случае университетский кампус) имеет полное право обсуждать любую интересную тему и новую проблему. Можно вспомнить, с какой неприязнью академические круги относятся ко всякой попытке введения ограничений на распространение любой информации.

Что означает такая культура взаимоотношений для рассматриваемой нами проблемы? Прежде всего она подразумевает, что коммерциализация ценных научных идей должна быть связана с их публичным обсуждением, с ранним опубликованием патентов на открытия или даже с тем, что лицензированные патенты (или их приложения) могут быть позднее аннулированы. Во-вторых, необходимо постоянно учитывать, что любое партнерство в этой области чревато множеством непривычных для бизнесменов противоречий. Общаясь с учеными, представители бизнеса и правительства должны постоянно помнить о сложных отношениях между степенью засекреченности исследований и отношениями внутри коллектива и организации в целом. Разумеется, не существует непреодолимых конфликтов между обязательствами перед государством и свободой мысли в академических или научных кругах.

Практическая потребность в публикации результатов исследований должна постоянно учитываться при любых переговорах, связанных с коммерциализацией научных идей, независимо от того, относятся ли эти переговоры к контракту с представителем профессорско-преподавательского состава или к заключению патентной лицензии. В качестве конкретного примера можно привести ситуацию, сложившуюся в связи с юридическими соглашениями о конфиденциальности информации, связанной с формами ДНК. В самом общем смысле можно сказать, что самые авторитетные факультеты и кафедры, связанные с этой важнейшей тематикой, ведут себя при переговорах с представителями бизнеса совершенно по-разному: одни категорически отказываются от общения, другие проявляют удивительную наивность в деловых вопросах, некоторые демонстрируют полную готовность к сотрудничеству. Общаясь с ними, следует подготовиться прежде всего к тому, что никакая известная университетская кафедра не согласится создать «единую команду» с любой компанией и не может примириться с корпоративной практикой бизнеса. Основная причина связана с тем, что ученые психологически всегда нацелены на участие в конференциях и скорейшую публикацию интересных результатов, а не на длительную и тайную разработку коммерческого продукта, который, по мнению руководства компании, можно будет создать на основе этих результатов.

8.3.4.2. Отделы передачи технологий и администрация университетов

Как ни странно, сама природа и сущность научно-исследовательских и университетских центров (это можно назвать их общим настроем) сопротивляется механизмам передачи технологий и новых идей в коммерческие структуры. Это противоречие объясняется разницей между близкими и долговременными интересами участников, связанных с внедрением разработок. Передача идей и технологий обычно приносит лишь очень небольшие доходы их истинным авторам, в то время как содержание отделов передачи технологий остается постоянной головной болью руководства научных учреждений. Получение доходов от лицензирования и патентования новых идей кажется естественным решением проблемы, однако именно в этом вопросе и возникает глубокое противоречие интересов.

Дело в том, что авторы идей и исследователи в университетах финансово слабо заинтересованы во внедрении. Даже лицензирование (продажа юридического права на использование новых результатов) со стороны инновационной компании (старт-ап) приносит в первые годы лишь весьма незначительные дивиденды, а в некоторых случаях не выплачиваются даже эти незначительные вознаграждения. Какие-то существенные авторские или лицензионные платежи (роялти) изобретатели и ученые могут получить лишь позднее, когда коммерческий продукт начнет приносить ощутимую прибыль. В этой ситуации руководство университетов, озабоченное оплатой патентования и содержания штата отделов передачи технологий, естественно, начинает требовать от этих отделов патентования только «жизнеспособных» и ценных разработок, что фактически означает требование точно «угадать» перспективные направления. Любому специалисту в области внедрения новой техники ясно, что предсказать коммерческий успех научно-технической разработки практически невозможно, и лучше всего это понимают венчурные капиталисты, занятые коммерциализацией научных идей. Напомним, что большинство таких проектов проваливается несмотря на то, что деловые люди начинают вкладывать деньги лишь на гораздо более поздней стадии исследований, когда ценность последних становится достаточно ясной.

С другой стороны, психологическая сложность ситуации связана и с тем, что большинство авторов и изобретателей уверены: предлагаемые ими идеи безусловно заслуживают патентования, они чувствуют себя глубоко разочарованными, получая отказы от отделов передачи технологий относительно своих разработок.

Еще одно очень непростое обстоятельство связано с тем, что работники отделов передачи технологий испытывают постоянное давление в связи с требованиями максимально ускорить процессы патентования или лицензирования. Учитывая сложность и длительность процессов оформления заявок, очень часто такие требования приводят к тому, что руководство вообще не может правильно оценить эффективность работы сотрудников таких отделов в разумные сроки (3–5 лет). Результатом такого взаимного недопонимания и недоверия становится быстрая смена персонала отделов передачи технологий, вследствие чего их работники просто не успевают наладить деловые и научные контакты с профессорско-преподавательским составом и не могут затем организовывать правильные операции с публикацией данных и последующим закреплением авторских и патентных прав.

8.3.5. Варианты деловых отношений

Лицензирование открытий, связанных с возможностью их дальнейшего патентования, является сейчас основным способом передачи технологий, однако стоит отметить, что существуют и другие практические методы достижения той же цели. Ниже перечислены варианты получения и использования интеллектуальной собственности, создаваемой в исследовательских организациях.

8.3.5.1. Лицензирование

Этот метод является основным в процессах передачи технологий и заключается в том, что университет предоставляет определенные права на интеллектуальную собственность третьей стороне, называемой лицензиатом (фирма, пользующаяся государственным разрешением на ведение дальнейших операций). В свою очередь, лицензиаты подразделяются на две большие группы, к первой их которых относятся уже существующие компании, желающие как-то использовать полученные в исследовательском учреждении результаты, и так называемы старт-апы, то есть инновационные компании, специально создаваемые для разработки данной идеи или продукта. Предоставляемые университетом лицензии могут быть эксклюзивными или неэксклюзивными и обычно означают передачу патентов, хотя иногда в качестве продукта выступает и программное обеспечение [54] .

Основные проблемы при этом методе передачи информации сводятся к тому, что обычно университеты стараются предельно ограничить область применимости лицензии, в то время как фирмы, естественно, стараются всячески расширить возможную область использования. Фирмы совершенно справедливо исходят из того, что коммерческая ценность идеи за время действия лицензии остается неясной и может гораздо четче проявиться уже в процессе внедрения и начального использования. По этой же причине университеты (особенно при эксклюзивном лицензировании) стараются добиться от лицензиатов обязательств на строгое выполнение условий использования передаваемых технологий, что чаще всего приводит к тому, что лицензии перестают быть эксклюзивными или область их возможного применения значительно сокращается.

Даже при выдаче эксклюзивных лицензий университеты сохраняют определенные права (включая право использовать открытие для дальнейших исследований и разработок), а за федеральным правительством остаются права третьей стороны, оговоренные упоминавшимся законом Бэя-Доула. Стоит отметить, что очень многие проблемы, связанные с соблюдением или истолкованием этих прав, были и остаются источником разочарования для участников инновационных проектов.

8.3.5.2. Сотрудничество с профессорско-преподавательским составом и самими исследователями

Профессорско-преподавательский состав и ученые-исследователи всегда сами создавали (и даже определяли) задачи передовых рубежей научнотехнического прогресса, и поэтому именно эти люди являются наиболее ценными консультантами и советчиками во всех вопросах, относящихся к внедрению и коммерциализации научных исследований. Подавляющее большинство достойных патентования научных разработок может быть лучше всего реализовано при участии самих авторов, так как именно они обладают бесценным опытом практического применения методики (того, что принято называть ноу-хау), который чаще всего и не раскрывается в формальном тексте патента. Поэтому условия лицензионных соглашений часто включают в себя и непосредственное участие в дальнейшей работе самих авторов идеи или открытия.

В этом случае преподаватели и ученые-исследователи вступают в дополнительные отношения с третьими сторонами, не связанными с академической деятельностью, вследствие чего могут возникать многочисленные правовые проблемы, обусловленные разными ожиданиями сторон и их различным отношением к основным правилам и неформальным условиям поведения. Проблема связана с тем, что преподаватели и исследователи чаще всего уже связаны со своими учреждениями множеством обязательств относительно прав на интеллектуальную собственность. Неудивительно, если у консультирующего фирму специалиста из университета могут возникнуть сложные проблемы относительно информации об исследованиях, имеющих патентную ценность, особенно в тех случаях, когда сотрудничество с фирмой обещает специалисту или консультанту значительные финансовые выгоды.

8.3.5.3. Стратегическое партнерство со стартовыми компаниями, связанными с университетами

Наиболее интересные и перспективные технологии удобнее всего развивать в специально созданной компании, так как университетских средств и возможностей может оказаться недостаточно для превращения лабораторного результата в ценный коммерческий продукт. С другой стороны, такая компания должна оставаться связанной с университетом, так как доводка технологии может потребовать серьезных научных изысканий. Такие стартовые компании могут быть образованы как сотрудниками кафедры и студентами-старшекурсниками, так и внешней корпорацией, заключившей лицензионное соглашение с университетом. В любом случае, основой такой фирмы является лицензия и инвестиции со стороны фирмы. Очень часто такие отношения возникают после того, как представители фирмы узнают о последних научных достижениях из выступлений на конференциях или публикаций в научных журналах. Иногда такие связи формируются в результате направленной деятельности самих кафедр или университетов, организующих демонстрационные выступления и лекции для бизнесменов и промышленников.

8.3.5.4. Специальные виды финансирования научноисследовательских работ

Многие фирмы предпочитают создавать постоянные связи с университетскими кафедрами и лабораториями, работающими в интересующих фирмы направлениях. Наиболее простой формой такого сотрудничества могут быть гранты, выделяемые фирмами за составление обзоров по состоянию дел в определенных областях науки и техники, что позволяет руководству компаний быть в курсе последних достижений, а также регулярно консультироваться со специалистами.

8.3.5.5. Основные и побочные исследования

Сотрудничество корпораций с высшими учебными заведениями может заключаться и в выполнении последними небольших исследований по конкретным вопросам, а также в регулярных отчислениях фирм в обмен на участие в проводимых университетом конференциях, семинарах и других мероприятиях. Наконец, существует практика прямого финансирования какой-либо заинтересованной компанией крупной исследовательской программы, за что она получает, например, эксклюзивное право на закупку лицензии при успехе и перспективности финансируемых ею исследований.

8.3.6. Риски

Возможно, самой большой риск для бизнесменов, желающих получить университетскую научную разработку в целях коммерциализации, представляет проблема обеспечения и проверки прав на интеллектуальную собственность. Проблема кажется простой в момент заключения ясного лицензионного соглашения с университетом, однако затем она усложняется, и бизнесмен начинает понимать, сколько потенциальных трудностей таит в себе партнерство с учеными. Запутанность отношений в этой сфере часто тормозит внедрение открытий, хотя дело редко доходит до судебных разбирательств. Чаще всего проблемы оказываются связаны со сложностью и неопределенностью представлений об интеллектуальной собственности и передаваемыми правами. Ниже указаны наиболее общие и распространенные ошибки и ситуации, которые могут привести бизнесмена к судебным разбирательствам при передаче технологии.

8.3.6.1. Судебные риски, связанные с лицензированием

Многие проблемы возникают из-за недостаточного внимания к деталям заключаемых соглашений. Прежде всего компания должна потребовать от университета доказательств или юридических заверений, что передаваемая технология действительно является собственностью университета. Иногда позднее оказывалось, что такая же технология одновременно развивалась и третьей стороной, не связанной с университетом, продающим лицензию. Еще важнее убедиться, что университет представляет себе всю область применения технологии, которая предлагается данной лицензией. Далее, необходимо удостовериться, что университет не предлагал похожей лицензии другим фирмам, так как руководство отделов передачи технологий часто (совершенно законно) ведет переговоры о перспективных разработках сразу с несколькими компаниями, в результате чего неумышленно может возникнуть ситуация, когда несколько фирм получают «перекрывающиеся» эксклюзивные лицензии. Кроме того, иногда позднее выясняется, что какие-то фирмы давно заключили какие-то неэкслюзивные лицензионные соглашения, по которым так называемый «начальный» лицензиат обладает некими правами по отношению к другим.

8.3.6.2. Риски, связанные с научными консультациями

Наиболее распространенным и эффективным методом ознакомления фирмы с новейшими достижениями в какой-либо области исследований является приглашение для консультаций одного из признанных университетских профессоров, специалиста в требуемой области знаний. Следует помнить, что такие консультации также могут быть связаны с риском судебного разбирательства, поскольку корпорация должна удостовериться, что описываемая экспертом технология не является интеллектуальной собственностью университета. Такие ситуации чреваты сложными судебными делами, и компании следует прежде всего получить список предлагаемых и выданных университетом патентов, чтобы убедиться, какими советами можно воспользоваться законно.

Обычно патентная политика университетов определенным образом учитывается в контракте, заключаемом с профессорско-преподавательским составом. Поэтому корпорации следует оговорить с профессором гарантии того, что его консультации или дополнительная работа в компании не будут являться нарушением патентной политики университета. При этом следует убедиться, что профессор действительно хорошо ознакомлен с патентной политикой и не нарушает ее, например, составлением обзоров для фирмы.

Далее, корпорации следует тщательно проверить, не связан ли консультант в какой-то форме с третьей стороной таким образом, что это нарушает права интеллектуальной собственности (например, профессор может одновременно организовать со своим аспирантом венчурную компанию, связанную с производством по схожей технологии). В этой ситуации также необходимо получить от консультанта заверения в том, что он не будет сотрудничать с третьими сторонами в развитии подобной технологии и т. д.

И наконец, наличие профессора-консультанта может создать юридические проблемы в тот момент, когда корпорация начнет «торговаться» с университетом относительно конкретной технологии. Несмотря на то, что университеты обычно бывают весьма заинтересованы в продаже своих технологий, профессору и компании следует быть особо осторожными, чтобы избежать обвинения в коррупции. Это означает, что профессор не должен использовать свое положение в университете для создания консультируемой им корпорации каких-либо преимуществ в покупке лицензии по сравнению с конкурентами. В простейшей ситуации это означает, например, что профессору не стоит организовывать деловые встречи между представителями университета и компании в своем кабинете и т. д. Иными словами, консультант должен вести себя так, чтобы его нельзя было обвинить в лоббизме, и придерживаться юридических норм, соответствующих его обязанностям по отношению к обеим сторонам.

8.3.6.3. Другие риски возникновения судебных разбирательств

Внешне ситуация выглядит простой, поскольку университеты действительно крайне заинтересованы в распространении и продаже разрабатываемых технологий, а фирмы желают их приобрести, но дополнительную сложность создает необходимость конфиденциальности всех переговоров относительно технологий и обязательств сторон происходят. Университетские исследователи при этом всегда тщательно следят за тем, чтобы посещающие кафедры и лаборатории сотрудники не собрали «по мелочи» всю важную информацию относительно обсуждаемой технологии (в конце концов, очень многое можно выяснить, просто беседуя с техническим персоналом лаборатории).

Обобщая сказанное, представителям фирмы, желающей вести серьезные переговоры о передаче технологий из университетских лабораторий и получении лицензий, можно посоветовать следующие основные правила поведения, снижающие риск возможных споров или судебных разбирательств: (1) старайтесь вести все переговоры в письменной форме; (2) тщательно проверяйте, не обладает ли третья сторона правами на приобретаемую вами интеллектуальную собственность; (3) сделайте условия соглашения предельно ясными и тщательно оговорите ответственность сторон за возможные риски.

8.4. Заключение

Основой любой успешной программы передачи технологий является наличие доверия между представителями коммерческой организации, с одной стороны, и руководством и исследователями университета – с другой. Только доверие может обеспечить эффективное внедрение и использование научного открытия, особенно если учесть, что разработчики будут гораздо охотнее раскрывать свои секреты перед техническими специалистами фирмы, чем перед сотрудниками университетских отделов передачи технологий. Доверительные отношения всегда способствуют незаметной «утечке» информации. Все сказанное еще раз подтверждает справедливость слов Джона Паттерсона, основателя корпорации NCR, который около 100 лет назад сказал, что «…реально ценность любой компании определяется только ее сотрудниками, идеями и отношениями с другими организациями».

Глава 9 Проблемы охраны интеллектуальной собственности

Чин X. Пхам и Чарльз Берман

Чин X. Пхам занимается адвокатской деятельностью в известной юридической фирме Greenberg Traurig LLP (www.gtlaw.com), где возглавляет отдел нанотехнологий, специализирующийся на лицензировании, патентовании и защите прав на интеллектуальную собственность в области высоких технологий, особенно связанных с биологией и медициной. Фирма обслуживает как очень крупные, так и совсем небольшие стартовые компании, связанные с производством медицинского оборудования, электромеханических устройств, электроники и т. д. Чин X. Пхам является специалистом по оценке портфелей патентов и ценных бумаг развивающихся фирм, что позволяет ему успешно консультировать руководство фирм относительно капиталовложений и стратегии общего развития. Он является основателем известного и популярного ежемесячного семинара специалистов в этой области (NanoTechnology and Business Forum), часто выступает с лекциями и статьями по темам, связанным с внедрением нанотехнологий.

Чарльз Берман является основным владельцем той же фирмы Greenberg Traurig LLP (Санта-Моника, штат Калифорния), где занимается вопросами патентования. Более 35 лет он занимается проблемами защиты прав на интеллектуальную собственность и имеет богатый опыт практической работы как в США, так и за рубежом. Он защищал права своих фирм-клиентов перед Ведомством по патентам США, а также представлял США в переговорах с европейскими и японскими организациями, связанными с патентованием и лицензированием. В настоящее время он занимает один из руководящих постов в Американской ассоциации защиты прав на интеллектуальную собственность (American Intellectual Property Law Association, AIPLA), а также часто выступает в качестве лектора и автора публикаций на указанные темы.

В течение двух десятилетий мы стали свидетелями развития новых методов изучения, управления и использования свойств вещества на атомарном уровне. За эти годы было обнаружено множество крайне интересных явлений и создано множество совершенно новых материалов, что позволяет говорить о возникновении новой междисциплинарной науки, получившей название нанотехнологии и объединяющей все представления и методики работы с веществом на расстояниях в одну миллиардную часть метра (1 нанометр = 10-9 м). Некоторые общие сведения о новой науке читатель найдет на сайте http://www.nano.gov/hmtl/facts/whatIsNano.hmtl. Область приложения и исследований нанотехнологий очень широка и разнообразна: физика, техника, электроника, материаловедение, молекулярная биология и химия.

В последние годы рынок товаров и услуг, связанных с развитием нанотехнологий, стремительно растет качественно и количественно, вследствие чего очень многие фирмы стараются, как говорили когда-то американские золотоискатели, «застолбить» перспективные участки научных исследований, то есть захватить часть интеллектуальной собственности, возникающей в новой области науки и техники. Высокая научная важность новых исследований, в свою очередь, привела к тому, что общество и бизнес стали в большей степени сознавать значимость проблем владения интеллектуальной собственностью.

Согласно данным известного источника оценок объема научных исследований ISI (Science Citation Index), основанных на статистике научных публикаций в конкретных областях науки и техники, в 1987 году лишь 237 работ содержали нано- в своих заголовках. В 2002 году число таких работ составило уже более 10 000, а по данным Derwent Patents Index, за период 1999–2002 годов число выданных в США патентов, связанных с нанотехнологиями, удвоилось. Беглый поиск в базах данных Ведомства по патентам и торговым знакам США в конце 2004 года выявил около 7780 выданных патентов и примерно 9060 рассматриваемых заявок, в названиях которых содержится приставка нано-.

Многие компании стали не просто придавать большое значение интеллектуальной собственности, но начали создавать на будущее так называемые «портфели» патентов и заявок, подобно портфелям ценных бумаг, обеспечивающим некие гарантии развития и коммерческих преимуществ.

9.1. Методы защиты прав на интеллектуальную собственность

В настоящее время защита прав на интеллектуальную собственность в рамках Конституции США, законодательных актов и общего права обеспечивается патентами, торговыми знаками, авторским правом (копирайтом) и законом о сохранении торговых тайн. Многие инновационные и раскручивающиеся компании при защите своей интеллектуальной собственности полагаются в основном на патенты и сохранение коммерческих тайн, однако на более зрелой стадии развития бизнеса авторское право и торговая марка могут оказаться весьма эффективным и важным средством защиты.

9.1.1. Патенты

В Соединенных Штатах патенты (точнее говоря, патенты на использование, utility patents) обеспечивают владельцу защиту изобретения, связанного с аппаратурой, концепцией и методом или процессом, которые представляются новыми, полезными и неочевидными. Формально это сводится к тому, что между изобретателем и правительством США заключается некое соглашение, в котором от имени правительства выступает Ведомство по патентам и торговым знакам (U.S. Patent and Trade Mark Office, USPTO, обычно именуемое просто Патентным ведомством). В соответствии с соглашением в обмен на публикацию, в которой автор раскрывает суть своего изобретения, правительство обещает ему защиту прав, если изобретение действительно окажется новым, полезным и неочевидным. Механизм действия закона и соглашения построен так, чтобы сделать новое техническое открытие доступным для широкого использования, то есть способствовать развитию науки и технологии в целом.

Вообще говоря, наличие патента вовсе не гарантирует автору право единолично пользоваться плодами своего изобретения. Формально можно сказать, что оно дарит изобретателю так называемые «отрицательные права», то есть запрещает другим людям безвозмездно пользоваться, изготовлять и продавать создаваемые по новому методу объекты или импортировать предложенное изобретение. После недавних изменений в патентном праве США время действия патента составляет 20 лет после его выдачи. Очень распространенной практикой является то, что после получения патента его владельцы стараются всячески повысить его защищенность при помощи дополнительных патентов, обеспечивающих максимальную область применения (другими словами, они стремятся предельно сократить возможности конкурентов использовать «зазоры» и неточности в тексте патента). Такая стратегия создания целых «портфелей» или наборов для защиты основной идеи сохраняет свое значение и в нанотехнологиях.

Юридическая защита прав на открытия в области новых технологий особенно затруднена на ранних стадиях развития производства, когда фирма часто просто не может выделить достаточно средств для обеспечения своих прав. Более того, в нанотехнологиях эта проблема усложняется еще и тем, что в бурно развивающихся областях науки сама техническая экспертиза изобретения часто является крайне трудной или почти неразрешимой проблемой, требующей высокой квалификации экспертов.

Многие новые идеи просто нельзя запатентовать из-за невозможности определить уровень новизны или упомянутой неочевидности. В частности, многие нанотехнологические процессы перекрываются с уже существующими, так что их патентование требует доказательства перехода на существенно более микроскопический уровень обработки вещества. По этой же причине многие нанотехнологические идеи могут быть приняты в качестве патентуемых лишь в очень узком или частичном смысле, отличающем их от потенциальных вариантов применения или подражания. Проблема часто состоит в том, что такая минимальная юридическая защита изобретений не является достаточной, то есть в дальнейшем владельца такого патента может ожидать длительная или разорительная «гонка» с конкурентами с неопределенным исходом.
Поэтому решение о создании защиты прав на интеллектуальную собственность при использовании нанотехнологий (или создаваемых с их помощью продуктов) должно приниматься новой фирмой или инвестором лишь после тщательного изучения всех сопутствующих коммерческих условий. Следует помнить о том, что организация полной патентной защиты нового высокотехнологического продукта может оказаться в конечном счете очень дорогой и не оправдать затраты с чисто деловой точки зрения. Патентная защита выступает лишь одним из членов «уравнения» успешной рыночной инновации, поэтому перед принятием решения об ее организации необходимо тщательно изучить все юридические и стратегические аспекты проекта.
9.1.2. Коммерческие секреты

Помимо патентных прав, нанотехнологические фирмы часто испытывают большие сложности при обеспечении своих прав на информацию и интеллектуальную собственность, связанные с коммерческими или торговыми секретами. Вообще говоря, коммерческие секреты относятся к той конфиденциальной (деловой или технической) информации, которая обеспечивает преимущества компании перед конкурентами, и поэтому раньше не считалось, что информация такого типа должна быть формально каким-то образом защищена юридически (подобно новшествам в технической сфере). Ранее считалось, что запрет на передачу такой информации имеет бессрочный характер и поэтому даже не требует дополнительных юридических оговорок относительно сроков действия (разумеется, подразумевалось, что заинтересованная сторона сама будет заботиться об охране своих торговых секретов). Однако в рассматриваемых нами проблемах, связанных с некоторыми ограниченными сроками сохраннности секретов, система легальной защиты коммерческих тайн перестает действовать и «разрушается».

В частности, для нанотехнологических изобретений правило воссоздания технологии может оказаться очень сложной задачей по сравнению с традиционными методиками, именно в силу в силу их специфического характера и особенностей масштаба операций. Для сохранения коммерческих секретов фирма должна заботиться о контроле не только за внешними, но и за внутренними структурами. Например, инновационным нанотехнологическим фирмам можно рекомендовать заключать соглашения о неразглашении информации (NDA) даже на стадии переговоров о потенциальном партнерстве и сотрудничестве или возможном инвестировании.

Кроме того, учитывая высокую текучесть кадров в данной области, нанотехнологическим компаниям следует сразу заключать с наемными служащими соглашения общего вида о неразглашении информации, к которой работник имеет доступ. Например, при введении специального курса технического обучения компания может потребовать от слушателей подписания соглашения о «конфиденциальности» получаемой информации и юридически обязать сотрудников сохранять коммерческую тайну.

9.1.3. Торговые марки и фабричные знаки

Еще одним классическим методом защиты интеллектуальной собственности являются торговые марки и фабричные знаки. Право на торговую марку (в широком смысле) было введено для защиты названия или символа, который ассоциируется с данной фирмой или ее товарами и услугами. Закон запрещает другим сторонам пользоваться похожими или вводящими в заблуждение названиями и символами, то есть извлекать прибыль от уже признанного качества соответствующих фирм, товаров или услуг. Время использования торговых знаков не ограничивается, но они могут, естественно, обновляться по желанию самих владельцев таких знаков или символов.

По мере увеличения числа вовлеченных в нанотехнологии фирм и компаний возникла тенденция к возрастанию количества и разнообразия торговых марок и коммерческих названий товаров, в которых фигурирует приставка нано-. Читатель может ознакомиться с ними, например, по базе данных федерального Ведомства США по патентам и торговым знакам, где число таких названий (утвержденных и принятых к рассмотрению) к концу 2004 года превысило 1600.

9.1.4. Авторские права (копирайт)

В отличие от патентов (регистрирующих право на использование идеи) авторские права призваны защищать исходную формулировку самой идеи, и они вступают в действие сразу после опубликования идеи на каком-либо материальном носителе (такими носителями могут выступать бумага, компакт-диски или жесткие диски). Время действия авторских прав составляет от 75 до 100 лет, что вполне достаточно для всех идей, связанных с развитием нанотехнологий.

9.2. Законодательные (статутные) требования

Для получения защиты в рамках патентного права законодательство США требует от изобретателя преодоления нескольких юридических барьеров. Прежде всего, автор должен доказать, что его изобретение (в соответствии с определением) является новым, полезным и неочевидным. Патент, естественно, не может быть выдан, если изобретение не является новым. Это требование означает, что изобретение не было ранее известно и не использовалось никем в Соединенных Штатах Америки, а также не было запатентовано и описано в публикациях в США или других странах до момента подачи заявки автором. Более того, заявка на патент должна быть отклонена в тех случаях, когда изобретение было описано или запатентовано где-то за пределами США и использовалось или продавалось в США в течение года, предшествующего дате подачи заявки.

Последний пункт требует некоторого разъяснения, так как является очень важным при патентовании изобретений на территории США. Патентное ведомство США специально оговаривает, что заявка должна быть подана не позднее одного года после раскрытия, использования или продажи открытия в США. Дело в том, что большинство других стран не позволяют такого годичного разрыва и требуют от заявителей «абсолютной новизны», то есть любое раскрытие, использование или продажа открытия в этих странах сразу лишают заявителя права на получение патента. Под раскрытием содержания патента подразумевается обнародование содержания в любой форме, включая презентацию, публикацию в прессе или в электронном виде (он-лайн), публичные выступления, предложения о продаже и обсуждения, не оговоренные формальным соглашением о конфиденциальности. Таким образом, закон устанавливает, что для любых важных открытий в области нанотехнологии, которые авторы желают использовать вне США, заявка должна быть подана до раскрытия, использования или продажи.

Далее, изобретение действительно должно быть признано новым. Проверка этого условия осуществляется патентоведами, являющимися экспертами в данной области технологий и способными оценить состояние исследований в данный момент, которые тщательно изучают всю опубликованную информацию по соответствующему вопросу. В настоящее время большая часть такой работы проводится обработкой данных в электронной форме. Эксперты имеют доступ к базам данных ведомств по патентам и торговым знакам США (USPTO), Европейского Союза (European Patent Office) и Японии (Japanese Patent Office). Просматривается также непатентная литература, однако на практике возможности этого подхода по понятным причинам ограниченны.

Особые сложности при патентовании результатов нанотехнологических исследований связаны с их междисциплинарным характером, поскольку экспертам приходится просматривать патенты и литературу сразу по многим отраслям науки и техники (это может быть связано не только с самим изобретением, но и с многообразием его потенциального применения). Например, изобретение, позволяющее по-новому получать наночастицы, может быть отнесено одновременно к материаловедению, химии и физике. Более того, если эти изготовляемые по новому методу наночастицы предлагается использовать в медицинских целях (например, для направленной доставки лекарств в ткани или получения объемных изображение органов), эксперты вынуждены дополнительно просматривать обширные объемы информации по областям применения (в данном случае в молекулярной биологии и оптоэлектронике).

В настоящее время Патентное ведомство США не имеет специальной группы экспертов по нанотехнологиям, поэтому процесс поиска постоянно тормозится, и эксперты разыскивают информацию в соответствующих разделах других наук и технологий, которые очень часто переполнены заявками по аналогичному применению. Поэтому при подаче патентов следует обращать особое внимание на четкое изложение основной идеи, чтобы облегчить экспертам поиск и продемонстрировать реальную новизну изобретения.

Еще одним требованием к патентным заявкам является их неочевидность. Обычно Патентное ведомство США отвергает множество заявок, считая их очевидными, так как подразумевается, что открытие относится к чему-то, не существовавшему раньше. В некоторых случаях, когда, например, выясняется, что автор заявки имел доступ к специфической информации по конкретной технологии и мог «узнать» нечто, позволившее ему сделать изобретение (или усовершенствовать существующий метод), патентоведы отвергают заявку, объявляя идею очевидной или известной.

Сложнее обстоит дело с требованием полезности изобретения, которое обычно не создает проблем при оформлении заявок на патенты в традиционных разделах техники. В нанотехнологических исследованиях ситуация может выглядеть иначе. Например, инновационная компания может захотеть дополнительно «защитить» используемую методику, «окружив» ее набором дополнительных патентов, в которых подробно перечисляются все другие возможности использования, без указания конкретных целей изобретения. В этом случае компания рискует получить от патентоведов отказ, обоснованный отсутствием полезности патентуемого изобретения.

В условиях патентования оговорено, что изобретение должно быть описано исчерпывающим образом, позволяющим воспроизвести его. Это условие является, естественно, очень сложным и его выполнение требует очень внимательного подхода, поскольку в нанотехнологии вообще (в силу присущей ей новизны) любое такое описание может содержать ссылку на еще непонятые физические эффекты и открывать совершенно новые технологические приемы. Единственным практическим выходом представляется создание специальной межотраслевой команды экспертов, которая будет заниматься именно и только нанотехнологическими заявками. Формирование команды из нескольких экспертов, каждый из которых является специалистом в определенной области, позволит обеспечить качественную и достаточно быструю оценку сложных заявок.

К сожалению, в настоящее время продуктивность работы экспертов Патентного ведомства США оценивается просто количеством обрабатываемых ими заявок, поэтому они часто ограничиваются быстрым просмотром баз данных и доступной литературы по релевантной тематике. Понятно, что при таком подходе неизбежно отвергаются и некоторые из заявок, представляющих очевидную ценность. Обычно позднее соискатели подают заявку повторно, отвечая на возражения экспертов и демонстрируя им преимущества предлагаемых патентом идей и методов. Такая процедура переписки и объяснений между патентным ведомством и соискателем позволяет экономить рабочее время эксперта, так как автору самому приходится находить ссылки, определения и объяснения или опровергать мнение эксперта. Неудивительно, что очень часто после таких объяснений заявка удовлетворяется и автор получает патент, поскольку эксперт, прочитав его объяснения, понимает сущность и новизну предлагаемой идеи.

Такое сотрудничество соискателя и эксперта во многих случаях является совершенно необходимым. Прежде всего, автор должен убедить эксперта, что он правильно описывает состояние дел, что необходимо самому автору по двум важным причинам. Во-первых всего, он сможет получить патент, в котором будет правильно и обоснованно оговорена область применения на будущее. Во-вторых, следует помнить, что если впоследствии выяснится, что автор намеренно дал неверные объяснения при экспертизе, то патент может быть признан недействительным.

9.2.1. Реализация патентных прав

Нарушителем патентных прав формально является лицо, которое намеренно или случайно воспользовалось чужим изобретением. Обнаружив нарушение, владелец патента имеет право требовать через суд как запрета на такое использование, так и возмещения материальных убытков, связанных с нарушением. Масштабы запретительного решения и компенсации ущерба определяются в каждом конкретном случае отдельно и зависят, естественно, от характера и масштаба самого нарушения. Конечно, возмещение не должно быть меньше, чем те разумные авторские отчисления, которые нарушитель должен был бы заплатить автору при законном использовании патента. В качестве альтернативы нарушитель может приобрести у автора лицензию на использование патента включением в себя авторского вознаграждения, которое лицензиат должен был выплатить автору за использование патента или произведенных на его основе товаров.

Ведомство по патентам и торговым знакам США (USPTO) отвечает лишь за проверку заявок и выдачу патентов, но не имеет никакого отношения к практическим вопросам, связанным с их использованием. В частности, USPTO не следит за коммерческими сделками в этой области, не занимается выявлением нарушителей патентного права, а при обнаружении таких нарушений не занимается защитой прав автора патента. Патентные права защищает сам автор, причем за собственный счет. Более того, USPTO не может даже гарантировать полную действительность выдаваемых им патентов, так как законность патента может быть отменена в судебном порядке.

Стоимость защиты патентных прав от потенциальных нарушителей сильно зависит от характера и масштаба нарушения, однако в сложных случаях судебные издержки по делам о нарушении патентных прав могут достигать сотен тысяч и даже миллионов долларов. Лишь очень немногие опытные адвокаты соглашаются вести такие дела по принципу «оплаты в случае выигрыша дела», поэтому стоит отметить, что чаще всего возмещение в таких случаях является недостаточным, а перспективы таких судебных дел сомнительны.

Обладатели патентов обычно извлекают прибыль, продавая эксклюзивные или неэксклюзивные лицензии, а также самостоятельно используя собственное изобретение в коммерческих целях. Чаще всего владелец патента начинает поиск потенциальных покупателей патента или лицензии на его использование. Основная проблема при такой продаже часто состоит в том, что если патент действительно является оригинальным и область его действия еще не охвачена коммерческой деятельностью, то стоимость патента почти невозможно определить с достаточной точностью. В этой ситуации изобретателю можно рекомендовать продать лицензию и пользоваться в дальнейшем лицензионными платежами (так называемыми роялти) от коммерческого использования. О конкретных условиях лицензирования в каждом случае автор должен договариваться с лицензиатом.

9.2.2. Временное и постоянное использование патентов

Основная проблема большинства нанотехнологических инновационных компаний состоит в нахождении источников финансирования для коммерциализации и использования имеющихся патентов. Начальный период развития компаний почти всегда представляет собой непрерывную борьбу за существование, причем руководству фирмы постоянно приходится решать две разные задачи с противоречивыми требованиями и условиями. С одной стороны, инновационная компания обязана вкладывать все финансовые средства в расширение производства, а с другой – эти же средства необходимы для дальнейших исследований (стратегические планы развития) и обеспечения своих прав на создаваемую интеллектуальную собственность.

Оформление документов для получения полноценного патента на постоянное применение метода обходится очень дорого, вследствие чего многие связанные с нанотехнологиями инновационные компании выбирают более легкий и дешевый путь, оформляя временный патент (то есть заявку на временное использование патента). Это позволяет им легко защитить свою интеллектуальную собственность на начальном этапе раскрутки фирмы, так как к оформлению пакета документов для получения временного патента предъявляются менее строгие требования, и оно обходится фирмам значительно дешевле. Недостатком временного патентования является то, что в этом случае документы не подвергаются экспертной оценке, а их регистрация означает для соискателя лишь регистрацию даты первоначальной заявки. С другой стороны, эта регистрация не отнимает у автора права оформлять патент в других странах.

Конечно, получение временного патента также означает раскрытие технического содержания открытия или изобретения, что требует от автора особой тщательности и осторожности при составлении заявки. В частности, соискателю патента можно посоветовать включить в заявку на временное использование патента возможно более широкий круг применения, поскольку временная заявка относится лишь к перечисленным конкретным возможностям. Это условие особенно важно для нанотехнологий, поскольку они часто относятся к междисциплинарным областям науки и техники и требуют большей информации при раскрытии идеи патента. Временная заявка, как следует из ее названия, менее надежно защищает права автора, поэтому часто ее оформляют фирмы, находящиеся в сложном положении (например, когда они ограничены крайним сроком подачи заявки или испытывают серьезные финансовые затруднения). Конечно, руководство фирмы поступит гораздо благоразумнее, если сможет с самого начала тщательно подготовить всю документацию, необходимую для подачи полноценной заявки.

Срок действия временной заявки составляет один год (со дня подачи документов), в течение которого изобретение формально именуется «ожидающим решения о патенте» (patent pending). Как уже было отмечено выше, заявка в этот период не подвергается экспертной проверке, но статус «ожидания» защищает ее автора от действий возможных конкурентов. Немаловажно и то, что, если инновационная фирма ищет потенциальных инвесторов или партнеров для раскрутки проекта, наличие «ожидающей» патентной заявки может служить дополнительным доказательством серьезности разработки.

Американская патентная система основана на принципе (или стандарте) «первичности изобретения» в отличие от патентного законодательства других стран, требующих «первичности оформления». Другими словами, американская патентная система предоставляет преимущества изобретателю, а не лицу, которое первым оформило документы. Поэтому патентоведам США периодически приходится сталкиваться с ситуацией, когда на открытие претендуют два (или большее число) изобретателей, которые самостоятельно и независимо друг от друга стали практически использовать очень похожие изобретения (в патентной практике это называется наложением процессов открытия). Разумеется, любая оценка подобных ситуаций является сложной, дорогостоящей и длительной процедурой, но, с другой стороны, такая система патентования позволяет создать атмосферу острого соперничества в совершенствовании технологий.

9.2.3. Вызовы и проблемы, связанные с интеллектуальной собственностью. Ограничения на инновации

Многие особенности начавшейся «гонки» в области нанотехнологий очень напоминают предыдущие этапы научно-технической революции. Например, если сейчас Патентное ведомство США позволит придавать заявкам расплывчатую и широкую форму, то результатом, конечно, станет замедление инновационного процесса, так как очень небольшое количество «игроков» (крупные и богатые фирмы) смогут запатентовать большие области возможного применения, оттесняя от «соревнования» множество мелких фирм, индивидуальных изобретателей и т. д. С другой стороны, столь же очевидно, что излишнее ужесточение правил патентования и намеренное «сужение» области применимости выдаваемых патентов также приведет к сдерживанию активности изобретателей и ограничению возможностей притока инвестиций в инновационные проекты. Авторам этой статьи кажется, что ситуация с патентами США в области нанотехнологий постепенно переходит к первому из названных вариантов, в результате чего, к сожалению, в некоторых направлениях можно ожидать замедления темпов технического прогресса. Например, именно такая картина наблюдается сейчас в патентовании изобретений, относящихся к производству и использованию углеродных нанотрубок. Патентное ведомство сейчас «завалено» предложениями, многие из которых, безусловно, «перекрывают» друг друга.

Изучение состояния патентования открытий в какой-либо области позволяет сделать интересные выводы и наблюдения общего плана. Например, число подаваемых заявок или уже выданных патентов сразу выявляет точки наиболее бурного роста в отдельных направлениях и одновременно может служить некоторым прогнозом потенциального роста коммерческого производства соответствующих продуктов, поскольку владельцы патентов, естественно, будут стараться внедрить свои изобретения в промышленность. С другой стороны, анализ заявок и патентов позволяет оценить степень риска капиталовложений в новые производства, особенно при наличии информации о владельцах или приобретателях патентов. Зная интересы и финансовые возможности владеющих патентами фирм, можно с некоторой уверенностью предсказать возможные изменения в состоянии соответствующих секторов рынка.

Другие интересные и полезные выводы можно сделать на основе анализа так называемой цитируемости патентов, так как количество ссылок на какой-либо конкретный патент всегда является параметром его потенциальной ценности и возможности лицензирования. Более того, уже сейчас крупные компании, связанные с конкретными нанотехнологиями, стараются приобретать наиболее популярные и цитируемые патенты в данной области, создавая обширные «портфели» новых методов и технологий.

Кроме того, повторяющиеся ссылки (цитирование) одних и тех же патентов разными соискателями довольно четко позволяют выявить те проблемы и «препятствия», которые возникнут на пути изобретателей и фирм в каком-либо конкретном направлении развития. Многие компании, владея ценным патентом, стараются создать вокруг него «изгородь» из побочных патентов и заявок, но такая политика может оказаться недальновидной, поскольку она заставляет конкурентов тщательно изучать возможности «обхода» основного патента. Владеющая ценным патентом фирма из-за излишней «осторожности» может упустить другие интересные возможности, например, создания перекрестного лицензирования со стороны фирм-патентодержателей.

Еще одним заслуживающим анализа показателем являются границы применимости, указанные в патентной заявке. Высокая степень защиты заявки и большая область применимости должны продемонстрировать конкурентам серьезность намерений в заданном секторе рынка.

9.2.4. Судебные разбирательства

Судебные процессы, возбуждаемые нанотехнологическими компаниями, почти всегда сводятся либо к попыткам защитить собственные патентные права от нарушителей, производящих те же товары без лицензии, либо, наоборот, к защите от обвинений в нарушении чужих патентных прав. Следует сразу отметить, что до настоящего времени судебные разбирательства, связанные с патентами в области нанотехнологий, являются очень редкими, однако юристы уверенно предсказывают, что в ближайшие годы число таких процессов значительно возрастет, так как увеличивается не только количество выданных патентов, но и общий уровень связанных с ними производств и коммерческих отношений. Можно смело утверждать, что повышение степени коммерциализации новых идей и методов автоматически приведет к тому, что фирмы начнут энергично отстаивать свои патентные права в судах.

В отличие от некоторых других новых технологий (например, биологических) развитие нанотехнологий, скорее всего, не приведет к серьезным осложнениям и новшествам в законодательстве. Юристы полагают, что незначительная модификация уже существующих законов позволит учесть специфику изобретений, связанных с нанотехнологиями.

9.2.5. Проблемы, связанные с финансированием исследований

В настоящее время большое число федеральных агентств щедро финансирует множество нанотехнологических исследований (в рамках Национальной нанотехнологической инициативы США), однако фирмам не следует забывать о юридических ограничениях, с которыми связаны правительственные гранты. Прежде всего, в соответствии с законом Бэя – Доула, за правительством сохраняются значительные права на интеллектуальную собственность, создаваемую в университетах и небольших инновационных компаниях при финансовой поддержке федеральных ведомств. В частности, правительство формально даже обладает правом взять бесплатную патентную лицензию на любую разработку, выполненную с федеральным финансированием (стоит отметить, что правительство США практически никогда не пользуется этой возможностью). Кроме того, передача или приобретение патентных прав в таких случаях требует соблюдения некоторых формальностей, что может сказаться на развитии компании, стратегических планах и т. п.

9.3. Заключение

Учет хотя бы некоторых предостережений и советов, предложенных выше, может способствовать развитию вашего бизнеса и повысить внимание к проблемам охраны интеллектуальной собственности. Следует помнить, что в каждой отдельной отрасли промышленности (включая и отрасли нанотехнологии) всегда существует разница между краткосрочными, среднесрочными и долгосрочными целями и планами, и это необходимо учитывать при выработке патентной политики фирмы. В любом бизнесе максимальная прибыльность требует тщательного изучения технической и производственной базы, что диктует и необходимость приобретать патенты или лицензии. Конечно, в столь сложном вопросе очень трудно давать точные рекомендации, поэтому авторы ограничились только общими указаниями.

Глава 10 Предпринимательство в технологической экосистеме

Джефф Лоуренс, Ларри Бок

Джефф Лоуренс является президентом фирмы Clivia Systems ( www.cliviasystems.com ). Ранее он возглавлял компанию Trillium Digital Systems, связанную с различными информационными технологиями, лицензированием программного обеспечения и т. п. Эту компанию можно считать очень успешным примером предпринимательства, так как при основании она ничего не производила, имела персонал из двух человек и исходный капитал 1000 долларов. В феврале 1988 года в компании работало более 250 человек, выпускавших более 100 наименований продукции и получавших около 30 миллионов долларов прибыли в год.

Дж. Лоуренс является также основателем и руководителем Фонда Лоуренса (см. сайт www.thelawrencefoundation.org ), выделяющего гранты на исследовательские проекты в области медицины, защиты окружающей среды, образования и т. д. Он часто выступает с лекциями и публикациями на темы предпринимательства, технологии, благотворительности, экономики и этики.

Ларри Бок является основателем и одним из владельцев фирмы Nanosys Inc., а также старшим партнером фирмы CW Ventures, специализирующейся на венчурных проектах в области медицины и биологии. Кроме того, Ларри Бок является специальным советником венчурной фирмы Lux Capital и членом правления корпорации FEI Corporation, финансирующих нанотехнологические разработки и программы. В качестве директора-распорядителя Л. Бок принимал самое активное участие в становлении и развитии многих нанотехнологических фирм (Neuroscrine BioSciences, Pharmacopeia, GenPharm International, IDUNPharmaceuticals, Metra Biosystems, FASTTRACK Systems). Во многих случаях он выступал соучредителем других инновационных компаний (Argonaut Technologies, ARIAD Pharmaceuticals и т. д.).

Свою научную карьеру Л. Бок начинал в исследовательском отделе фирмы Genentech Inc., занимаясь изучением инфекционных болезней. Возглавляемая им группа исследователей получила приз Ньюкомба Кливленда за демонстрацию действия первой вакцины на рекомбинантной ДНК. Позднее получил несколько других наград и премий.

Его деятельность в области инновационных технологий неоднократно высоко оценивалась общественностью и прессой. Журнал Venture Capital Journal включил Л. Бока в «десятку самых успешных венчурных капиталистов», журнал Red Herring – в «десятку руководителей инновационной политики», а журнал Forbes-Wolfe NanoReport назвал его «номером один в нанотехнологиях». Он неоднократно назывался различными журналами и газетами «человеком года» в области инноваций. За деятельность в области биологии и медицины Л. Брок удостоился премии имени Альберта Эйнштейна, присуждаемой Иерусалимским университетом.

Л. Брок и его супруга Диана ведут широкую общественную деятельность. Они основали некоммерческий общественный фонд Community Cousins, выступающий против расовой дискриминации, деятельность которого очень высоко оценил бывший вице-президент США Альберт Гор.

Множество людей на свете имеют идеи. Множество людей умеют управлять и организовывать действия окружающих. Множество людей могут делать самые разные вещи. Но лишь небольшое количество людей, обладающих всеми этими свойствами одновременно, можно назвать предпринимателями. В самом общем смысле, предприниматель – это человек, умеющий не только мечтать и ясно выражать свои мечты, но и способный воплощать их в реальность. Собственно говоря, предпринимателей можно обнаружить в любой сфере человеческой деятельности, ибо именно они занимаются малым бизнесом, организуют огромные промышленные концерны, возглавляют множество общественных, политических и экономических организаций и т. д. Предприниматель любого вида одержим какими-то идеями и видениями, вследствие чего он и старается изменить окружающий мир (неважно, в большом или малом масштабе) таким образом, чтобы он соответствовал его стремлениям. Предприниматель воздействует прежде всего на окружающих, распространяя свои идеи и отстаивая свою точку зрения.

Окружающий нас мир создали и развили предприниматели. Существует множество теорий предпринимательства, а также интересных рассказов и объяснений на эту тему, но мы ограничимся тем, что (в духе модного сейчас экосистемного подхода) попытаемся высказать наиболее общие соображения относительно предпринимательства вообще и предпринимателей в частности. Ниже кратко описывается роль, положение и поведение предпринимателей в обществе. Возможно, это поможет читателям понять, почему предприниматели делают то, что они столь настойчиво делают.

10.1. Биологические аналогии. Львы, тигры и медведи: какую роль играют предприниматели в технической экосистеме?

Известно, что развитие общества и техники происходит в результате очень сложных и противоречивых взаимодействий, связей и циклических процессов, во многом напоминающих взаимозависимые процессы в естественных экологических системах (экосистемах). Сложность таких больших систем объясняется и тем, что их развитие само создает новые связи и циклы. В природе экосистемы представляют собой совокупность большого числа термодинамических, химических и биологических цепочек или циклов, совместное протекание которых обеспечивает существование и развитие жизни на планете. Со временем любая экосистема «стареет» (в локальном, региональном или даже глобальном масштабе), в результате чего исчезают или появляются новые биологические виды и устойчивые популяции живых организмов, между которыми постоянно возникают сложные взаимозависимости.

Примерно так же ведут себя и технологические экосистемы. Циклы, поддерживающие существование такой экосистемы, образуются при взаимодействии людей, технологий, а также информационных и финансовых потоков. Финансы или деньги в этом подходе следует рассматривать в качестве совершенно реального фактора, означающего (в абстрактной форме) просто передачу энергии, эквивалентной некоторой работе или деятельности, между различными отделами или секторами экосистемы. Биологи хорошо знают и широко пользуются представлением о «цепочках питания», описывающих связи между популяциями живых организмов. Систему таких взаимосвязанных цепочек называют иногда сетью или паутиной, чтобы подчеркнуть огромное количество участвующих в ней объектов и связей. В нанотехнологическом сообществе сейчас возникает аналогичная сеть сложных зависимостей, охватывающая пользователей, бизнесменов, торговцев, инвесторов, правительственных чиновников, ученых, участников промышленных форумов, специалистов по стандартизации и т. д.

Каждая из этих популяций, как и полагается по законам биологии, пытается сохранить и распространить себя в рамках единой существующей экосистемы, пользуясь доступными ресурсами на данной стадии развития. Для экосистем характерна постоянная смена популяций в результате эволюции, вследствие чего некоторые популяции размножаются или гибнут, а некоторые – существуют достаточно долго, практически не изменяясь. Иногда причиной гибели популяций могут стать самые различные природные явления или катаклизмы (падение метеорита, мощный лесной пожар, крах фондовой биржи).

Развитие деловых и промышленных предприятий или целых отраслей хорошо описывается биологическим термином «кривые роста». Движение и развитие любой общественной системы или идеи можно образно представить в виде путешествия по горной местности, где мы постепенно преодолеваем «подъем» бурного роста, восходим на «пик» преувеличенных ожиданий, спускаемся в котловину разочарований и по «склону» понимания выходим на «плато» практической реализации и использования. В более широком смысле можно сказать, что любая экосистема такого типа подчиняется общим законам биологического развития, то есть изменение численности каждой из составляющих ее популяций должно описываться одной из двух основных кривых роста: S-образной, соответствующей устойчивому развитию, либо J-образной, соответствующей гибели популяции и ее исчезномению из генофонда. На ранних стадиях развития любая экосистема характеризуется небольшим числом и относительным однообразием составляющих ее видов, их малой инерционностью (биологи обозначают этим термином сопротивление биологических видов возможным изменениям) и высокой «упругостью» (самовосстановление после изменений). По мере старения экосистем их свойства изменяются, и более зрелые экосистемы характеризуются разнообразием видов, ростом инерционности, понижением способности к восстановлению.

В связи с экосистемами интересно отметить, что многие специалисты до сих пор отказываются считать нанотехнологии единой научно-технической дисциплиной и осмысленным общим понятием, полагая, что речь идет скорее просто о некотором наборе разрозненных технологий и продуктов, объединенных случайным образом некоторыми характерными размерами объектов или процессов. Сказанное вовсе не означает недооценки практической полезности и важности нанотехнологий, а отражает сомнения в существовании нанотехнологии в качестве именно единой экосистемы. Причиной этих сомнений является то, что сейчас термин нанотехнология относят к множеству исследований, процессов и продуктов (материалы, медицинские устройства, приборы разного типа, необычные процессы, специализированные инструменты исследования и т. п.). Их трудно объединить с единых научных позиций, поэтому существует опасность, что в дальнейшем не произойдет объединение всех этих разнообразных элементов в единую синергетическую систему.

Говоря об отдельных элементах системы, следует сразу отметить различие в скоростях их развития и внедрения. Например, изучение и промышленное внедрение новых материалов всегда было длительным процессом, поскольку вытеснение с рынка одних веществ и их замена другими представляют собой техническую и финансовую задачу, требующую больших затрат времени и средств. Очень запутанной выглядит перспектива широкого использования весьма модных сейчас медицинских устройств на основе нанотехнологических разработок. Некоторые из предлагаемых аппаратов являются очень дорогими, и их применение ограничивается пока испытаниями и чисто научными достижениями, внедрение которых в широкую медицинскую практику требует огромных капиталовложений. Ученые предлагают сейчас и множество небольших очень ценных устройств, но производителям медицинской техники трудно определить их место на рынке и возможную прибыль от внедрения.

Успешность любого инновационного проекта требует выполнения двух условий. Во-первых, его авторы должны четко определить свои цели и задачи, что может быть оценено с самых разных точек зрения (количество спасенных жизней, улучшение качества жизни вообще, экономическая прибыль, создание новых рынков сбыта). Во-вторых, уровень капиталовложений должен обеспечить выживание фирмы в экосистеме до того момента, когда расширенное производство и получаемая прибыль позволят покрыть начальные расходы на исследования и начать относительно независимое существование. Поэтому на ранних стадиях развития любой инновационной фирме стоит заняться обслуживанием инфраструктуры и материально-технической базы уже существующей развитой и устойчивой экосистемы.

С биологической точки зрения, нанотехнологии первоначально «зародились» в академических и университетских лабораториях, научноисследовательских центрах нескольких крупных корпораций, а также (хотя и в значительно меньшей степени) в малых фирмах, связанных с наукоемким производством. В этих «нишах» постепенно были получены значительные и очень интересные научные результаты, но для дальнейшего развития новой науки потребовались весьма серьезные финансовые и человеческие ресурсы. Оказалось, что техника, приборы и оборудование, необходимые для исследования управления различными свойствами вещества (структурными, электронными, оптическими, магнитными и т. п.) на атомарном уровне, являются крайне сложными и дорогостоящими. Нанотехнологии требовали для дальнейшего развития все больших капиталовложений, которые обеспечивались федеральным бюджетом и средствами, выделяемыми крупными корпорациями на развитие, в результате чего и возникла серьезная проблема финансирования новых и достаточно перспективных исследований.

Разумеется, существуют и источники частного финансирования, но их число, естественно, довольно ограниченно. Частные инвесторы в лице так называемых «бизнес-ангелов» [этот термин раньше применялся к случайным спонсорам музыкальных и театральных постановок, но в последние годы его стали относить также к спонсорам научно-технических разработок. Прим. перев .] или венчурных капиталистов исходя из собственных интересов обычно предъявляют изобретателям или фирмам достаточно жесткие требования:

• наличие энергичной, сильной, разумной и этически правильной команды управления;

• наличие четко определенного и предсказуемого рынка сбыта;

• гарантий достаточно быстрого коммерческого успеха и получения прибылей;

• выработка разумной политики и стратегии в любом случае развития или ликвидации предприятия (то есть при выпуске новых акций, распродажи или необходимости дополнительного финансирования и т. д.).

В настоящее время трудно проверить, насколько достоверны слухи о совершенно немыслимых кредитах, которые исследователи в области нанотехнологий якобы могут получить (или действительно получают) в результате тайных сделок (включая договоры по Интернету) с телекоммуникационными компаниями и фармацевтическими корпорациями. Большинство серьезных инвесторов выжидает, стараясь определить время, когда акции новых фирм и новые товары появятся на рынке с достаточной предсказуемостью.

Разумеется, наиболее правильным путем развития было бы самофинансирование, однако, к сожалению, наноразработки являются дорогостоящими, так что обычно речь идет о миллионах долларов начальных вложений (стоит упомянуть, что еще большие расходы ожидают инвесторов в полупроводниковой промышленности). В этих условиях инвесторы, желающие создавать собственные производства, предпочитают не связываться с самим процессом создания новых технологий и товаров, а просто скупать лицензии и собирать открытую информацию относительно исследований, возможностей и производства аппаратуры.

Нанотехнологическая экосистема очень напоминает модели экосистем, которые уже возникали в обществе при развитии информационных, фармакологических и энергетических систем. Все эти огромные отрасли производства служат примерами того, каким образом нанотехнологии могут «вписаться» (с использованием экологической терминологии) в существующий ландшафт, то есть в «пищевые цепочки» вместе с естественным или регулируемым состоянием окружающей среды, систему капиталовложений, инфраструктуру, модели инновации и развития и т. п. Возможности выживания и роста нанотехнологий (в качестве элемента экосистемы) на всех стадиях развития зависят лишь от способности предпринимателей создавать и заполнять «экологические ниши», разумным образом вписывая новые технические возможности в уже существующие общественные и научно-технические цепочки взаимозависимостей.

Подобно другим отраслям промышленности (рассматриваемым также в качестве элементов экосистемы) новые технологии для развития и распространения должны обладать значительной адаптивностью и гибкостью. Однако следует отметить очень интересное и фундаментальное различие между адаптивностью и гибкостью элементов в естественных (биологических) и техногенных экосистемах. В природе все элементы большой системы (включая «продукты питания» в цепочке) обычно соседствуют друг с другом и их взаимодействие носит свободный и инстинктивный характер, в то время как в технических экосистемах каждый предприниматель волен принимать собственные решения по всем вопросам приспособления, проявления гибкости и стремления к инновациям. Способность самостоятельно делать выбор и «обновлять» характер взаимодействия с окружением является важнейшей особенностью развития индустриальных экосистем, так как именно из-за нее крупные медлительные и консервативные организмы (то есть организации) часто проигрывают более мелким или даже совсем небольшим организмам-организациям. Преимущества малых организаций связаны не с тем, что их руководство более склонно «мечтать» и рисковать, а с тем, что крупным организациям гораздо сложнее перестраивать производство и изменять сложившуюся систему взаимоотношений.

10.2. Сила идеи. Какую идею можно назвать действительно хорошей?

Любое человеческое деяние, включая создание организаций и творчество, начинается с некой идеи. Высказанная вовремя великая идея обладает невероятной мощью и созидательной способностью. Для бизнеса своевременность идеи означает ее удачное сочетание с назревшими или существующими условиями (изменения в экосистеме, потребность в новых продуктах или технологиях и т. д.). В противном случае даже самая блестящая идея рискует остаться всего лишь гениальной догадкой, что неоднократно наблюдалось в истории науки и техники.

Для своего успеха идея должна стать мечтой и найти понимание у людей, которые должны быть восприняты теми людьми, к которым она обращена. Именно в этот момент на «сцене» должен появиться предприниматель, которого можно назвать инициатором действия (или по театральной традиции антерпренером, так как он может развивать как собственную идею, так и заимствовать ее у других). Роль предпринимателя заключается в том, чтобы хоть в некоторой степени представить эту мечту частично возможной (это можно сделать!) и частично реальной (так должно быть!). Для воплощения мечты в реальность предприниматель обычно тратит все время и энергию, но гораздо важнее, что он должен заражать собственной верой окружающих, заставляя их также увлекаться реализацией изначальной идеи. Это качество особенно важно в развитии нанотехнологического бизнеса, многие цели и перспективы которого остаются весьма туманными и отдаленными.

Продолжая разговор о предпринимателях, стоит задуматься о том, каким образом у них возникают сами идеи. Некоторые люди приходят к новым идеям в результате длительных методических размышлений и исследований, другие – на основе неожиданных происшествий, удивительных жизненных событий или того, что раньше называлось откровением или озарением. Удачные идеи, связанные с решением важных практических проблем или созданием очень нужных товаров и объектов, обычно быстро реализуются, а их ценность легко и быстро признается обществом. Однако во многих случаях ценные научно-технические идеи возникают лишь после того, как кто-то из ученых совершенно по-новому воспримет давно известные результаты, сделает из них неожиданные для всех выводы и найдет им прекрасное применение (так получилось, например, с открытием пенициллина).

Идеи можно условно разделить на поддерживающие и разрушительные. Первые из них обычно служат совершенствованию или расширению возможностей уже существующих технологий или продуктов, давно доказавших свою ценность и необходимость, а также имеющих установившийся рынок спроса. Такие идеи способствуют накоплению ценных свойств продуктов, поддерживая и расширяя соответствующие рынки сбыта. Гораздо сложнее обстоит дело с разрушающими (или революционными) идеями, относящимися к совершенно новым товарам или технологиям, которые рынок зачастую не может сразу оценить и воспринять. Разрушительные идеи (особенно на начальной стадии развития) отличаются высокой гибкостью и упругостью, то есть проявляют (в качестве элементов экосистемы) ту неопределенность и неоднозначность функций, которая должна помочь им выжить в уже сложившейся системе сложных взаимоотношений внутри давно сложившейся экосистемы. Интересно, что в этот начальный период развития революционные идеи выглядят малочисленными и разрозненными, но по мере развития успеха и признания становятся гораздо более многочисленными и разнообразными (частично это связано с тем, что к новым идеям адаптируются многие старые элементы системы).

Для развития новых идей (даже самых блестящих и ценных) чрезвычайно важно, чтобы они были удачно спланированы во времени и, более того, попали в «нужное время». Многие прекрасные научные идеи так и осталось нереализованными и «погибли», столкнувшись с проблемами реальной экономики и требований бизнеса. Например, во многих ситуациях важнейшим оказывается фактор времени, необходимого даже не для внедрения новой технологии, а для подготовки квалифицированного персонала. Это обстоятельство может оказаться важным и для нанотехнологий, реализация которых требует серьезной подготовки инженеров и техников на всех уровнях производства. Строго говоря, несмотря на всю популярность нанотехнологий, сейчас лишь очень небольшое число узких специалистов глубоко понимает существующие сложности или может серьезно оценить возможные перспективы их научного, общественного и коммерческого использования. В истории науки много примеров того, как ценные идеи рождались слишком рано и «отторгались» окружавшей их технологической экосистемой, которая оказывалась просто неспособной включить новые идеи и устройства в существовавшие цепочки связей и взаимозависимостей. Другими словами, если экосистема не готова принять новую идею, то идея гибнет или откладывается «в долгий ящик» до тех пор, пока не изменится окружение.
Большинство предпринимателей не придерживаются твердых идеологических убеждений и могут быть отнесены к прагматикам и изобретателям. Такое отношение к общественной жизни легко объясняется тем, что обычно они посвящают все свое время и энергию «пробиванию» своей идеи в жизнь. Деятельность предпринимателей обусловлена, с одной стороны, убежденностью в ценности и полезности предлагаемой идеи для общества в целом, а с другой – желанием возбудить интерес общественности к ее реализации.
10.3. Один человек способен изменить судьбы мира: кем является предприниматель?

Никакая мечта не может существовать абстрактно сама по себе, поскольку она является крайне индивидуальным представлением будущего. Мечта всегда подразумевает существование носителя, то есть конкретного человека, который лично верит в нечто кажущееся другим немыслимым и полагает, что «это возможно!». Мировая литература полна историй жизни великих предпринимателей, каждый из которых добивался своей цели, движимый мечтами, надеждами и упорством. Читатель наверняка знает такие истории, каждая из которых совершенно индивидуальна (как индивидуальны и мечты, заставлявшие предпринимателей действовать!). Рассказы о самых разных великих предприятиях и начинаниях наглядно демонстрируют огромную роль упорства и вдохновения. Объединяющими мотивами этих свершений всегда выступали стремление предпринимателей рисковать и принимать вызовы.

Предпринимателями не рождаются, а становятся – иногда осознанно, чаще непроизвольно. Путь к успеху подразумевает три фазы: обучение, «озарение» и воплощение идеи в жизнь. Обучение у предпринимателей обычно продолжается всю жизнь. Разумеется, получение диплома по экономике всегда полезно, однако история наглядно доказывает, что отсутствие диплома вовсе не является препятствием к успеху. Знание теории и практики бизнеса или технологий помогает в работе, но настоящий предприниматель прежде всего должен развивать в себе и другие (чисто личные и скорее психологические) достоинства, например, внимательно слушать собеседников, вникать в сущность дела, делать быстрые и точные выводы, принимать решения на их основе, завязывать личные связи и т. п. Такие свойства характера вырабатываются обычно в результате длительной практики, при которой предприниматель вырабатывает в себе необходимые для успешной деятельности знания и качества. Обобщая сказанное, можно считать, что предпринимательство требует от человека постоянной подготовки и тренировки для действия в ситуациях, требующих быстроты, сообразительности и смелости.

Помимо обучения «профессиональным» навыкам, предприниматель должен обладать и неким чувством интуиции, «озарения», возникающим в тех случаях, когда он сталкивается с совершенно неожиданными и очень сложными ситуациями или возможностями развития событий. Сложность ситуаций «озарения» в деловой практике объясняется тем, что такие возможности являются обычно опасными, но одновременно весьма перспективными в смысле прибыли. Под термином «озарение» мы подразумеваем решительные моменты в жизни бизнесмена и предпринимателя, когда новая идея настоятельно подсказывает ему резко изменить не только образ мыслей, но и направление всей его деятельности. История любого великого предприятия начинается с этого момента, в котором происходит некая «кристаллизация» всех предыдущих смутных и интуитивных идей, личных убеждений и накопленного опыта.

Говоря проще, после такого «озарения» предприниматель начинает по-другому воспринимать окружающую жизнь и собственную деятельность, подчиняя все овладевшей им идее и возможностям ее реализации. Он старается развить какие-то совсем новые технологии, убедить общественность в необходимости применять и развивать их, добывать деньги для воплощения идеи, искать новую информацию по ее реализации. Овладевшая предпринимателем серьезная и важная идея способна целиком изменить его жизнь, устремления и собственное поведение. Он всеми средствами старается добиться реализации идеи и признания своих заслуг, что, естественно, требует от человека непрерывного психологического самоутверждения.

Реализация «озарения», разумеется, гораздо сложнее ее осознания. На практике любое серьезное начинание требует от человека необычайного напряжения сил и длительной борьбы с множеством возникающих препятствий и неожиданностей. Интересно отметить, что добивающиеся успеха настоящие, прирожденные предприниматели часто находят выход из решения именно там, где другие бизнесмены замечают лишь риск и неопределенность (возможно, это объясняется и тем, что серьезный успех в жизни вообще можно быть достигнут лишь за счет столь же серьезного риска!).

Вообще говоря, оценка риска в какой-либо ситуации не сводится только к рассмотрению объективных показателей, а во многом зависит от отношения к риску конкретного человека, оценивающего ее. В частности, огромную роль играет психологическая настроенность, то есть предпочитает ли человек вспоминать прошлое или смело смотреть в будущее. Люди, избравшие сложную судьбу предпринимателя, обычно предпочитают рисковать и бороться с неопределенностью, тщательно оценивая свои цели, окружение, наличие соперников, а также множество других факторов (от состояния мировой экономики до языковых препятствий), способных повлиять на исход событий. Разумеется, предприниматели прекрасно понимают, что ни один человек не способен полностью оценить все варианты развития или контролировать ситуацию, однако они рискуют принимать решения в неясной обстановке на основе собственного опыта и недостаточной информации. Даже в этих сложных условиях они способны осуществлять плодотворную деятельность, руководствуясь интуицией, принципами и намеченными целями.

Эта ситуация, кстати, весьма привычна для ученых и инженеров, которым очень часто приходится принимать решения, оценивая огромные массивы противоречивых данных. Проблема предпринимателей состоит и в том, что (в отличие от ученых) они рискуют гораздо больше, а недостаток информации может быть связан как с ее отсутствием (как в науке), так и с недоступностью (как в бизнесе). Строго говоря, предпринимателям приходится принимать решения и действовать в гораздо более сложной обстановке (исходя из оценки малодостоверных источников информации, неопределенного мнения специалистов и даже слухов).

10.4. Думать о будущем, анализируя прошлое. Что делают предприниматели?

Любая мечта требует для своей реализации весьма значительных затрат в виде времени, энергии, денег, убежденности и просто интенсивной человеческой деятельности, то есть того, что по-английски называется драйвом. Многим кажется, что для достижения цели достаточно убедить людей в своей правоте, но в действительности для достижения цели требуется также заставить их действовать соответствующим образом. Психологически все люди при оценке собственного состояния и перспектив на будущее могут быть разделены на две группы. Некоторые из них рассматривают будущие события исходя из того, что вообще может произойти (образно говоря, они смотрят в будущее и размышляют только о будущем), а другие – из того, что может случиться, и как это связано именно с ними и их прошлым (они смотрят в будущее, анализируя прошлое).

На первый взгляд кажется, что приведенная выше разница является условной и незначительной, но в действительности эти подходы принципиально отличаются. Люди, относящиеся к первой группе, недооценивают собственный и чужой опыт, то есть ограничивают свои возможности поиска новых путей и решений. Представители второй группы, напротив, постоянно «выискивают» в прошлом и настоящем новые возможности изменить свою судьбу и реализовать свои устремления. Практически взгляд в будущее (с одновременным постоянным анализом прошлого) является характерным для активных и деловых людей, способных реально изменять окружение и добиваться успеха, заслуживающих уважения, помощи и поощрения.

Представители обеих групп способны создать прибыльные и интересные предприятия, но именно те предприниматели, которые настойчиво вглядываются в будущее и размышляют о прошлом, чаще всего создают в своих мечтах (а затем и реализуют) наиболее революционные, действительно прорывные проекты. Каждая новаторская идея означает серьезные изменения в функционировании всей экосистемы, что требует от ее автора смелого воображения и готовности к решительным действиям. Поэт и мечтатель Уильям Блейк уподоблял человека ничтожной песчинке в огромном мире. Продолжая его мысль, можно сказать, что горсть отдельных песчинок, слитая в единое целое, может стать грозным оружием, и роль предпринимателя заключается именно в объединении усилий отдельных людей, создании «камня» из ничтожных песчинок. Подытоживая, можно сказать, что настоящий предприниматель должен обладать следующим набором личных свойств и характеристик:

• иметь развитое воображение, позволяющее воспринимать идеи и строить грандиозные планы;

• уметь объединять людей в творческие «команды» или организации;

• четко определять стоящие перед ним задачи и потребности в разнообразных ресурсах (люди, деньги, информация);

• уметь преодолевать препятствия и быстро находить решения в сложных ситуациях.

Все эти характеристики должны рассматриваться в контексте того набора правил, ценностей и принципов, которыми руководствуется предприниматель в своей деятельности и жизни вообще. Эти наборы, конечно, индивидуальны и отражают конкретный характер руководителя и организатора, из которого и вытекают его взаимоотношения с подчиненными, клиентами, инвесторами и т. п. Кроме того, следует помнить, что разнятся представления людей не только об успехе, но и о том, каким образом может или должен он достигаться. Разумеется, бессмысленно описывать конкретно роль жизненных ценностей и принципов в деятельности предпринимателей, однако существуют некоторые общие характеристики, присущие практически всем настоящим лидерам и инновационным предпринимателям. Например, людям этого типа часто присуща открытость и последовательность в отношениях с окружающими, что позволяет сотрудникам лучше понимать общие цели и задачи, то есть стимулирует их интерес к делам фирмы.

Предприниматель должен постоянно заниматься проблемами своего проекта, тщательно изучая все аспекты реализации планов и множество документов (от самых общих статей в прессе до подробного технического отчета). Создание любой, а не только инновационной фирмы связано с решением множества сложных и ответственных задач, некоторые из которых перечисляются ниже:

• создание новых ценностей в виде технологий, продуктов, услуг и т. п.;

• оценка материальных и нематериальных активов, финансового и стратегического значения новых товаров, услуг и т. п.;

• защита создаваемых ценностей с использованием коммерческой тайны, патентов, авторских прав, торговых знаков, соглашений о сотрудничестве, контрактов и т. п.;

• позиционирование фирмы, а также создаваемых продуктов, услуг, содержания и т. п. в уже существующей технологической экосистеме;

• создание и поддержание разнообразных связей и отношений с заказчиками, персоналом, акционерами, советниками, средствами массовой информации, аналитиками и поставщиками.

Эффективное руководство любой фирмой требует от предпринимателя непрерывной работы по всем указанным вопросам, что означает необходимость ежедневно выслушивать доклады, изучать документы, выносить решения, поддерживать постоянные контакты с нужными людьми и т. д. Эта работа является весьма утомительной и тяжелой, но предприниматели занимаются этим как в силу собственного выбора и врожденных склонностей, так и вследствие того, что такого поведения ждут от них сотрудники фирмы и окружающие.

10.5. Хорошие, плохие или ужасные. Чего следует ждать каждому предпринимателю?

Забота о реализации своих планов обычно не оставляет руководителю инновационного проекта свободного времени. Руководитель, переставший заниматься мучительной работой по реализации своей мечты и потерявший интерес к проекту до его завершения, не может считаться настоящим предпринимателем. Кстати, сказанное вовсе не означает, что предприниматели являются бесчувственными и черствыми людьми. Скорее можно утверждать обратное, так как путь от мечты или проекта к реальному успеху всегда связан с множеством острых переживаний и эмоций. Стоит напомнить, что рабочий день предпринимателя, осуществляющего руководство любым серьезным начинанием, является практически неограниченным и заполнен непрерывными и сложными переговорами, деловыми встречами, проверкой и т. д., особенно на ранних стадиях осуществления проекта. Очень часто такая жизнь продолжается годами, то есть предприниматель с утра до вечера занимается одним большим делом, которое становится для него жизненной задачей и необходимостью. Отдых, работа и семейная жизнь сплетаются в единое целое, и такая маниакальная одержимость целью, естественно, тоже создает сложные проблемы. Иногда предприниматель нуждается просто в психологической поддержке, которую ему может обеспечить любящая и понимающая семья или беседы с человеком, который понимает проблемы фирмы и проекта, но не имеет в них личной заинтересованности.

Понятно, что самая прекрасная и красивая мечта или идея никогда не будет реализована, если предприниматель не сможет объяснить ее окружающим и заинтересовать их ее воплощением. Иногда идея оказывается слишком сложной для объяснения, иногда обгоняет свое время настолько, что общество и существующие условия просто не позволяют ей реализоваться. Создаваемые по новым технологиям товары и услуги могут не найти своих потребителей и т. п.

Необходимость постоянной борьбы за свое детище заставляет руководителя инновационного проекта очень внимательно относиться к проблемам общения и постоянно учитывать «язык», на котором ему следует разговаривать с самыми разными людьми, так или иначе вовлекаемыми в проект. Нельзя забывать, что в раскрутку технологической компании неизбежно вовлекаются люди самых разных классов и профессий (ученые, инженеры, финансисты, продавцы, биржевики и т. д.), обладающие совершенно разными или даже диаметрально противоположными взглядами на жизнь, цели проекта и т. д. Все эти люди по-разному решают поставленные задачи, мыслят и даже говорят фактически на разных языках. Хороший предприниматель прекрасно понимает это, выбирая для каждой аудитории наиболее подходящие язык, доводы и манеру изложения. Разумеется, это не мешает ему иметь собственные взгляды и формы выражения, но предприниматель должен постоянно «подлаживаться» под аудиторию, стараясь добиться ее одобрения и интереса. Кстати, это означает, что предпринимателю (по мере развития проекта и роста числа контактов) приходится непрерывно расширять свой словарный запас.

Понятно, что в большинстве случаев предприниматель не имеет никаких научных знаний или опыта по увлекшей его красивой технической идее, однако предприниматели обычно быстро учатся и впитывают информацию, а также подбирают круг специалистов. Ни один человек не может охватить сложную проблему целиком, вследствие чего одной из сложнейших и важнейших задач любого руководства является правильный подбор работников и создание из них эффективно работающей единой команды.

Сказанное имеет особое значение для развития нанопроектов, в которых менеджер сразу вынужден выбирать между известными специалистами из других областях или «новичками» из нанотехнологических лабораторий. Первые обладают опытом и авторитетом, а молодые ученые – энергией и энтузиазмом. Очень часто решения приходится принимать быстро, в условиях недостаточной информации по важным вопросам, что неизбежно приводит к ошибкам. Мудрость руководителя состоит и в том, чтобы вовремя признать ошибку и принять меры к ее исправлению. К ошибкам настоящий предприниматель относится как к неизбежному злу (без ошибок не было бы никакого прогресса!), а умение вовремя и расчетливо рисковать можно вообще считать высшим проявлением предпринимательского и организаторского таланта. Разумеется, предприниматель должен всегда критически относится к любым статистическим и деловым выкладкам, помня о том, что манипулируя цифровыми показателями, можно доказать все что угодно.

Особо можно отметить огромную разницу в управлении большими и малыми компаниями. Очень крупные фирмы, обладающие большими ресурсами (людскими, финансовыми, техническими) и устойчивой репутацией, представляют собой особые учреждения, так что можно даже говорить о разных мирах, в которых существуют мелкие и крупные компании. Переходы между этими мирами очень редки, хотя и возможны в принципе. Различие между ними тоже носит экологический характер, так как крупные фирмы, благодаря многим обстоятельствам, существуют в более «безопасном» окружении. Крупные фирмы давно «обосновались» в экосистеме, составляют ее неотъемлемую часть и имеют прочные связи, вследствие чего они не озабочены проблемой выживания и могут рисковать (или, если угодно, экспериментировать) в довольно комфортных условиях. Мелкие фирмы, постоянно находящиеся под угрозой быстрой гибели и занимающиеся поиском экологической «ниши» в экосистеме, вынуждены непрерывно маневрировать, в результате чего они часто жертвуют стратегическими интересами развития ради очень кратковременных преимуществ и выплат. С другой стороны, стоит также отметить, что мелкие фирмы (именно благодаря своим небольшим объемам производства и простой системе управления) обладают очень высокой приспособляемостью и гибкостью по отношению к изменению условий и места существования в технологической экосистеме, чего естественно лишены большие и мощные корпорации.

С чисто практической точки зрения, к сожалению, большинство вовлеченных в инновационный бизнес истинных предпринимателей могут рассчитывать (независимо от источника финансирования) лишь на продолжение такой сумбурной и напряженной жизни до конца своих дней. Мечты обычно реализуются лишь в отдаленном будущем. Инновационный бизнес действительно характеризуется высоким уровнем риска, так что многим предпринимателям часто приходится стоять на грани разорения и финансового краха.

Успех любого крупного начинания обеспечивается прежде всего его участниками. Люди очень часто ведут себя непоследовательно и даже нелогично, что хорошо известно ученым и инженерам, связанным с производством. Серьезный предприниматель на протяжении своей жизни получает возможность познакомиться со всем диапазоном человеческого поведения и отношения к работе. На начальном этапе развития, пока фирма остается относительно небольшой, эти различия в психологии не играют существенной роли, однако по мере роста организации предпринимателю приходится все чаще сталкиваться с необычными и удивительными проявлениями человеческой природы.

Для многих предпринимателей и крупных организаторов очень болезненным является момент, когда им приходится передавать часть своих полномочий и право решения другим людям. Со стороны это представляется освобождением от рутинной работы и возможностью заняться более легкими и интересными делами, однако часто бывшему руководителю трудно найти «экологическую нишу» в экосистеме созданной им самим организации и наблюдать за ее дальнейшим развитием.

Воплощая свои мечты в жизнь, предпринимателям часто приходится сталкиваться со скептицизмом, критикой, конфликтами, сюрпризами и ошибками, в результате чего многие из них вырабатывают в себе способность спокойно воспринимать критику и скептические замечания. Они учатся отделять суть сообщения от его формы и иметь дело с фактами, даже самыми неприятными. Они начинают извлекать уроки из своих поражений и находят удовольствие в неожиданных поворотах судьбы. Со временем у большинства предпринимателей вырабатывается твердая уверенность в своих силах и осознание своих реальных возможностей.

Лидерство в простейшей форме сводится к тому, что человек может убедить других людей поступать по-новому. Этому противостоит врожденная инерция человеческой психики и консерватизм, на преодоление которых любой руководитель тратит много времени и энергии. От самого предпринимателя такое поведение требует постоянной готовности к изменениям и гибкости в новых и сложных ситуациях.

10.6. Стоит ли вообще заниматься предпринимательством и инновациями?

Предпринимательством занимается множество людей, но лишь очень немногие добиваются успеха и могут видеть реализованными свои мечты и ожидания. Люди начинают заниматься предпринимательством из самых разных побуждений, например, из любопытства, из желания выразить себя или доказать что-то (себе или окружающим) и просто из стремления разбогатеть. Объединяющим началом можно считать волю к победе и большие надежды, которые возлагает будущий предприниматель на себя и других.

Успешный предприниматель всегда руководствуется мечтой и создает новые организации в соответствии со своим видением будущего экосистемы. Такие люди часто самоотверженно отдаются своему делу и поэтому испытывают какое-то удовольствие от самой атмосферы риска, неопределенности и неоднозначности, всегда соответствующей процессу созидания нового. В процессе создания собственной организации предпринимателю приходится постоянно учиться, быть внимательным слушателем (а иногда и убеждать других людей), гибко реагировать на изменение обстановки и выработать прагматический подход к принятию быстрых решений в сложных ситуациях. Все эти качества можно приобрести только в результате долгой и упорной практической работы, в процессе общения с множеством людей, от которых следует перенимать новые навыки и приемы.

Помимо всего сказанного, настоящему предпринимателю, конечно, должна сопутствовать удача. Невозможно переоценить важность оказаться в нужном месте в нужный момент или встретиться с нужным человеком. Напряженность жизни предпринимателя иногда компенсируется удачными и радостными событиями. Постоянная борьба за реализацию своей мечты, создание команды классных специалистов и победа над соперниками делают жизнь предпринимателя интересной, интенсивной и напряженной. В некоторых случаях могут сбыться все его мечты, и новая компания начнет приносить огромную прибыль.

Предпринимательство предоставляет человеку редкую и ценную возможность реализовывать свои мечты. Несмотря на множество сложностей и препятствий, истинные предприниматели всегда скажут, что их жизнь была очень интересной (независимо от того, насколько удачной оказалась в конечном счете их деловая активность), и они не хотели бы себе другой судьбы.

Глава 11 Большие корпорации. Технология, бизнес и культура «удачи»

Джим Дункан

В компании Meggitt PLC Джим Дункан является руководителем подразделения (Meggitt Aerospace Equuipment, MAE), связанного с разработкой аэрокосмического оборудования, а также известного своими проектами в области аэро– и гидродинамики, материаловедения, связи, разнообразных датчиков и т. п. Он выступает также соучредителем и организатором новых фирм, связанных с инновационными проектами в области высоких технологий, особенно система связи и информационных технологий. В частности, он занимает должность вице-президента в фирме Zone5 Wireless Systems Inc., являющейся инновационным подразделением исследовательского центра известной компании Роквелл (Rockwell Science Center). Он имеет большой опыт организации международных высокотехнологических компаний, а также организации производства и внедрения новых продуктов информационных технологий.

Я могу с уверенностью утверждать, что читатель является либо представителем бизнеса (заинтересовавшимся новой наукой и ее перспективами), либо – научным работником или технологом, решившим ознакомиться с методами инновационного бизнеса. Понятно, что эти люди будут читать книгу и оценивать ее достоинства с совершенно разных позиций и точек зрения. Такое противоречие характерно для всех ситуаций, в которых каким-то образом переплетаются интересы науки и бизнеса, но в случае нанотехнологии взаимное непонимание и недоверие становятся особенно заметными в силу ее новизны и научной специфичности. Нанотехнологии уже являются довольно обширной и развитой областью науки и промышленности, и на коммерческом рынке появилось первое поколение товаров и услуг, произведенных с их использованием. Многие фирмы в спешном порядке готовятся запустить технологические линии по производству множества разнообразных изделий, а другие фирмы столь же энергично разрабатывают новые устройства и процессы, основанные на новейших достижениях нанонауки.

Процесс превращения научных знаний в коммерческие продукты является очень сложным, тем более когда речь идет о новой и бурно развивающейся науке, но автор попробует в основных чертах описать классические закономерности в развитии бизнеса, основанного на научных достижениях или внедрении новых технологий.

11.1. Культура использования возможностей: модели и циклы

Реализации возможностей коммерциализации научно-технических достижений посвящено множество теоретических работ. Разработано немало подходов, основанных как на соображениях научной ценности инновационных процессов, так и на чисто деловых перспективах. Каждый из подходов имеет собственные достоинства и недостатки, но наиболее удачливые проекты обычно осуществляют смешанные команды специалистов, способные одновременно учитывать интересы и науки, и бизнеса.

При создании инновационных компаний очень важно, чтобы структура и стиль управления соответствовали уровню и типу развиваемой технологии. Например, почти не имеет смысла внедрять новые технологические процессы в производство давно известных товаров. Следует помнить, что практическое использование новой технологии всегда остается творческим процессом, требующим гибкого и заинтересованного подхода. Внедрение любого процесса, тщательно изученного и испытанного в научно-исследовательских центрах (финансируемых правительством или крупными корпорациями), в реальное производство связано с множеством трудностей и проблем.

Разговор об отношениях науки и бизнеса можно начать с констатации факта, что лишь очень небольшое число организаций могут позволить себе заниматься чисто научными проблемами, не думая о возможности их дальнейшего коммерческого использования. Основной причиной заинтересованности крупного бизнеса в научных разработках всегда была и остается возможность получить огромные прибыли при коммерциализации какой-либо ценной научной идеи. С точки зрения коммерсанта, естественно, наиболее «блестящими» идеями следует считать те, которые способны приносить наибольшую прибыль. С другой стороны, лишь очень небольшое число бизнесменов в состоянии позволить себе осуществить дорогостоящую проверку научного открытия и довести его до производства успешного коммерческого продукта, не говоря уже о больших затратах на юридическое обеспечение прав возникающей при этом интеллектуальной собственности. Поэтому неудивительно, что между бизнесом и наукой существуют непростые, но тесные отношения.

В среде ученых, инженеров и техников часто ведутся острые дискуссии относительно новых технологий и связанных с ними надежд и опасностей. Ученые склонны предлагать множество самых фантастических вариантов применения своих научных достижений, но, конечно, большая часть таких проектов остается несбыточной мечтой их создателей. Чаще всего при здравом рассуждении исследователи понимают, что реализация предлагаемой интереснейшей идеи слишком сложна и требует дополнительных исследований в малоизученных областях науки и техники. Однако сам процесс поиска сфер применения новых научных результатов очень важен для ученых, так как он развивает воображение и придает дополнительные стимулы для продолжения исследований и развития новых технологий.

С другой стороны, новые технологии постоянно обсуждаются в среде бизнесменов и коммерсантов, каждый из которых мечтает создать новый прибыльный и популярный товар, позволяющий занять достойное место на коммерческом рынке. Поэтому крупные бизнесмены и торговцы стараются следить за научными новинками, а руководители корпораций, озабоченные поддержанием уровня прибыльности своих предприятий и понимающие необходимость обновления ассортимента товаров, постоянно пытаются «уловить» зарождение новых масштабных технологий. Многие научные достижения могут быть доведены до уровня успешного коммерческого продукта, но каждый, кто хоть раз сталкивался с внедрением научно-технических идей, знает, насколько сложным и «капризным» является этот процесс.

Прежде всего, следует помнить, что он состоит из двух весьма разных стадий, а именно – научно-технической идеи и коммерческого проекта. Первая часть также легко раскладывается на чисто научную стадию исследований и инженерно-технологические разработки. Наука, строго говоря, подразумевает лишь изучение законов окружающего нас мира специфическими научными методами (наблюдение, построение гипотез, проведение испытаний), а технология – применение полученных научных знаний для создания новых инструментов, техники, материалов или систем.

Коммерческий проект можно также разделить на части, соответствующие поиску применения, созданию требуемого продукта и собственно коммерции или маркетингу. На первой фазе бизнесмен обязан выяснить, для производства каких новых продуктов или удовлетворения каких потребностей заказчиков может использоваться предлагаемая научно-техническая идея. Новые изделия или услуги представляют собой товар (в широком смысле слова), для которого система маркетинга должна найти или создать потребителей.

Легко заметить, что научная и коммерческая часть внедрения существенно отличаются по общему подходу, задачам и методам их решения. Образно говоря, эти части не только относятся к разным культурам общения и поведения, но и разделены пропастью, или «проливом», взаимного непонимания и разного восприятия мира. Ученые и инженеры привыкли верить в научные теории и могущество научного подхода, то есть считают, что жизнь и их конкретное начинание управляются какими-то высшими законами и истинами. С другой стороны, вполне разумные коммерсанты все же привыкли жить в соответствии с весьма жесткими и строгими законами бизнеса, в которых, кстати, всегда находится место и для могущественных сил рынка и для счастливых случайностей. Именно силы рынка определяют истинную ценность создаваемых наукой возможностей развития бизнеса.

Чаще всего научная и коммерческая деятельность вообще развивается в совершенно разных сообществах и организациях. Лишь очень крупные компании могут позволить себе содержать собственные научноисследовательские отделы, а большинство фирм и компаний получают научную и техническую информацию из внешних источников, оставаясь далекими от академических учреждений. В этом и заключается пропасть между двумя «культурами», обусловленная не только языковым барьером, но и значительной разницей в формулировке и целей, и самих критериев успеха или неудачи. При этом трудно даже определить, на какой стороне «пролива» люди испытывают больший дискомфорт от этого разрыва целей и средств. Ниже автор пытается сформулировать проблему исходя из научно-технического отношения к процессу внедрения в целом.

Построение «моста через пролив» означает в рассматриваемом случае создание технологии, производящей реальные продукты. Другими словами, ученые и бизнесмены одинаково заинтересованы в сотрудничестве, так как ни одна сторона не способна решить задачу самостоятельно. Технология должна служить бизнесу, но бизнес должен «уважать» технологию и способствовать ее росту. Коммерсанты должны осознать, насколько важную роль играют наука и технология в конкурентной борьбе, понять ценность обладания серьезной интеллектуальной собственностью и перестать считать только чистую прибыль реальным мерилом успеха своей деятельности.

Дальновидные и инициативные руководители научных и коммерческих организаций должны приложить все силы к тому, чтобы преодолеть разделяющие их границы, обеспечить взаимную поддержку и даже научиться вдохновлять друг друга.

11.2. Поиски чаши святого Грааля

Можно сказать, что самым замечательным открытием стал бы метод превращения новых научных знаний в полноценные коммерческие продукты, особенно в больших масштабах. Поиски методов такого превращения давно ведутся как со стороны науки, так и со стороны бизнеса, потому что обе стороны понимают, насколько полезным и плодотворным может быть их сотрудничество. Обычно ученые и технологи, обращающиеся к коммерсантам за помощью, ожидают, что руководство фирмы (убедившись в ценности и реализуемости предлагаемой научной идеи) легко и охотно поможет разработчикам провести сложный этап доведения идеи до производства конкретных продуктов. С другой стороны, бизнесмены обычно ожидают, что технологи предложат им практически готовый продукт, который следует только правильно выставить на рынок и продать с изрядной прибылью. На самом деле практически никогда ситуация не выглядит столь простой и ясной.

Возможно, сотрудничество между наукой и бизнесом стало бы значительно более эффективным, если бы заинтересованные стороны лучше понимали потребности и «культурные» правила друг друга. Например, технологам следовало бы внимательнее относиться к насущным проблемам и специфическим требованиям деловой жизни фирм, а бизнесменам – более серьезно относиться к неожиданным предложениям об изменениях и объединениях технологий. Общий успех определяется в конечном счете правильностью выбранной стратегии, которая должна быть гибкой и учитывать возможные изменения требований и обстановки в целом. Такого результата может добиться лишь междисциплинарная команда из энергичных, творчески мыслящих специалистов, обладающих помимо прочих достоинств организаторским талантом. Доказательством верности избранной стратегии в инновационных проектах может служить лишь успех, то есть реальное «преобразование» ценного лабораторного результата в технологию, производящую коммерчески необходимый продукт. Не стоит и упоминать, что такая сложная задача может быть решена только при тщательно организованной и согласованной работе всей команды, что требует от менеджеров проекта особого мастерства и терпения. Умение подобрать команду классных специалистов, внутри которой царит дух уважения и сотрудничества, можно считать одним из важнейших условий успеха.

Особо отметим, что «культура» внедрения научных достижений зависит лишь от правильности действий и удачно подобранной команды, а не от того, какая организация (научная или коммерческая) осуществляет общее руководство. Основная проблема в любом инновационном проекте сводится к тому, каким образом должны быть согласованы многочисленные действия и операции, приводящие к возникновению «зрелой» технологии. Особенно большие сложности, естественно, должны возникать при создании совершенно нестандартных технологий, характерных именно для нанонауки. В этом случае процесс создания новых технологий почти всегда сопровождается многочисленными ошибками, переоценками и заблуждениями, которые иногда приводят к полному провалу интересных проектов. С другой стороны, успех в решении именно таких сложных задач демонстрирует высокое организаторское искусство руководителя или предпринимателя, возглавляющего проект.

Профессионалы, входящие в руководящую группу проекта, должны удовлетворять общим и специальным требованиям, обычно предъявляемым к высшим менеджерам практически в любой важной отрасли науки или технологии. Приступая к реализации инновационного проекта, связанного с внедрением новейших технологий, следует проверить, насколько члены команды (и команда в целом) удовлетворяют следующим восьми признакам успешного менеджмента:

• Уверенность в успехе. Уверенность в успехе возникает лишь в результате длительной практической деятельности, высокой квалификации и большого опыта, что позволяет специалисту лично принимать важные решения в сложных ситуациях, избегая излишне рискованных или безрассудных действий.

• Сосредоточенность. Сосредоточенность означает постоянное стремление к достижению конечного результата.

• Самостоятельность. Под этим подразумевается способность работника действовать и даже добиваться больших успехов без связи с организационной инфраструктурой, то есть самостоятельно и независимо преодолевать препятствия и находить нестандартные, творческие решения при возникновении непредвиденных проблем.

• Приспособляемость, или адаптивность. Это важное свойство означает способность персонала к активному обучению, анализу и оценке ситуаций, принятию решений и т. д.

• Эмоциональная и психическая устойчивость. Каждый член команды в процессе работы подвергается эмоциональным стрессам, вызываемым разными психологическими причинами (страх, гнев, глубокое разочарование, возбуждение), но должен сохранять в таких ситуациях спокойствие и принимать уравновешенные решения.

• Проницательность. В рассматриваемых задачах проницательностью можно считать просто способность выявлять основные и важные для решения общей задачи факторы возникающих ситуаций и отсеивать резкие и фантастические решения.

• Смелость и уверенность. Жизнь и предпринимательство постоянно ставят перед членами команды сложные задачи, и они должны уметь преодолевать возникающие проблемы быстро и эффективно.

• Мотивация действий. Все члены команды управления проектом должны быть настроены на успех, выполнение поставленных перед ними задач и продолжение деятельности.
Культура взаимодействия бизнеса и науки (ее можно назвать также техникой «выращивания» новых возможностей вообще) включает в себя разные аспекты и должна одновременно учитывать особенности научной деятельности, человеческой психологии и бизнеса. Достижение равновесия в этих сложных отношениях позволяет построить хрупкий мост между научными исследованиями и коммерческой деятельностью.

Глава 12 Развитие нанотехнологий в федеральных лабораториях США

Мейя Мейяппан

Мейя Мейяппан является директором Центра нанотехнологий и старшим научным сотрудником в Центре НАСА имени Эймса (см. сайт http://www.ipt.arc.nasa.gov ), а также одним из руководителей межотраслевой Рабочей группы по нанотехнологиям (IWGN), координирующей в рамках Национальной нанотехнологической инициативы США. [Подробнее с деятельностью рабочей группы IWGN можно ознакомиться в книге «Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований». М., Мир, 2002. Прим. перев.] Он является весьма известным специалистом в области наномеханики и наноэлектроники, одним из главных руководителей Нанотехнологической инициативы США, видным лектором и организатором научных проектов. Особо можно отметить, что Мейя Мейяппан является представителем президента в Совете по нанотехнологиям, а в 2004 году был награжден президентом США почетной медалью за свою деятельность в развитии нанотехнологий.

Из федеральных национальных лабораторий США, играющих важную роль в развитии нанотехнологий, следует особо отметить Центр имени Эймса (НАСА), Исследовательскую лабораторию военно-морского флота США, военно-исследовательские лаборатории Армии США, Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST). Нанотехнологиями занимается также целая сеть национальных лабораторий, принадлежащая Министерству энергетики (Department of Energy, DOE), отвечающему в США за все вопросы, относящиеся к атомному оружию и атомной энергетике. Естественно, проводимые в них исследования непосредственно связаны с нуждами управляющих ведомств.

Например, в лабораториях НАСА давно велись научно-технические разработки миниатюрных датчиков и устройств с низким уровнем энергопотребления, предназначенных для разнообразных космических аппаратов. Для многих проектов специалистам пришлось решать специфические задачи (создание устойчивой к радиации электронной аппаратуры и т. д.), которые требовали изучения структуры вещества в нанометровом диапазоне. Особую важность для космонавтики нанотехнология приобрела в последние годы в связи с популярной сейчас программой создания микроспутников (к этому классу относят спутники весом менее 10 килограмм). Дальнейшее развитие космической техники неизбежно связано с уменьшением размеров и веса космических аппаратов, что потребует создания легких и прочных наноматериалов, разработки разнообразных датчиков для исследования небесных тел и т. п.

Военно-исследовательские лаборатории Министерства обороны осуществляют крупномасштабные разработки в нескольких направлениях. Прежде всего, можно выделить интенсивную разработку разнообразных высокочувствительных датчиков для регистрации наличия химического, биологического и ядерного оружия. С другой стороны, безусловный интерес специалистов Министерства обороны вызывают революционные изменения в целом ряде наук (электроника, оптоэлектроника, фотоника), имеющих прямое отношение к процессам сбора, обработки и передачи информации. Эти открытия позволят уже в ближайшем будущем значительно снизить вес индивидуальных средств связи без снижения функциональных возможностей. Министерство энергетики США не только продолжает работы в области энергетики, ядерной физики и т. д., но и активно создает национальную инфраструктуру нанотехнологических исследований. Сегодня в США работают пять крупных региональных центров поддержки наноразработок, обеспечивающие пользователей базовой аппаратурой и т. д.

12.1. Роль и значение федеральных лабораторий

В настоящее время основные федеральные ведомства (и соответственно подчиненные им лаборатории) включены в программу действий Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) и принимают активное участие в разнообразных исследованиях в рамках этой инициативы, включая разработку материалов для энергетики, метрологию, наноэлектронику, химию, медицинское оборудование, космические проекты и т. п. Помимо этого, федеральные ведомства поддерживают академические исследования развитой системой грантов и контрактов, включая две крупные программы поддержки инновационных исследований для малого бизнеса (Small Business Innovation Research, SBIR) и передачи технологий малому бизнесу (Small Business Technology Transfer, STTR). Все эти мероприятия часто способствуют собственным разработкам национальных лабораторий.

Естественно, федеральные лаборатории создают новые устройства, процессы или даже целые технологии исходя из заказов и потребностей руководящих ими ведомств, однако эти результаты часто находят и чисто коммерческое применение. Исторически сложилась ситуация, при которой национальные лаборатории являются богатым источником идей и возможностей внедрения для частного сектора экономики США, доказательством чего могут служить сотни проектов успешного коммерческого освоения передаваемых разработок. За последние сорок лет особенно успешной представляется передача технологий в частный сектор из лабораторий НАСА. Известно, например, что сложные и высокоэффективные устройства, использованные астронавтами при бурении поверхности Луны, позднее стали широко применяться в гражданских целях. Передаваемые технологии могут относиться как к очень простым бытовым товарам, так и к сложным или специальным. Фирма Wilson Sporting Goods, торгующая спортивным инвентарем, успешно применила технологию изготовления баков для космических кораблей типа «Шаттл» в производстве мячей для гольфа с улучшенной поверхностью (благодаря «научному» расположению выпуклостей такие мячи пролетают большее расстояние), а технология создания термостойкого покрытия «Шаттлов» сейчас используется в производстве гоночных автомобилей. Широко применяемые в быту датчики сигаретного дыма были разработаны для программы Скайлэб и т. д. Из последних событий этого рода стоит отметить разработанную в лабораториях Министерства энергетики сложнейшую технологию получения так называемой «искусственной паутины» из алмазных нанокристаллических пленок, которую начала выпускать новая фирма, производящая наноматериалы специального назначения.

Федеральные лаборатории очень редко сами занимаются «раскруткой» созданных ими коммерческих продуктов, и, по-видимому, эта тенденция сохранится и в отношении нанотехнологий. Обычно результаты разработок посредством хорошо налаженного механизма передачи технологий поступают в коммерческий сектор экономики. Например, в НАСА лицензированием новых технологий занимается специальный Отдел технологического партнерства (Office of Technology Partnership). Помимо этого, НАСА издает специальный ежемесячник NASA Tech Briefs, в котором ведомство само предлагает и описывает инновационные разработки, готовые к лицензированию и продаже.

В настоящее время НАСА создало по стране сеть центров передачи технологий, нацеленных на использование конкретных проектов для развития промышленности в конкретных регионах. В таких центрах регулярно проводятся научно-технические и практические конференции с участием представителей НАСА, занимающихся инновациями.
В качестве наглядного примера передачи важных технологий можно отметить работу одной из нанотехнологических лабораторий в Центре имени Эймса (НАСА), которая ведет очень широкие исследования в области материаловедения (углеродные нанотрубки, неорганические нанопроволоки, проводящие органические молекулы и белковые нанотрубки). Область применения таких материалов потенциально охватывает множество отраслей науки и промышленности: наноэлектроника, вычислительная техника, запоминающие устройства, наноразмерные лазеры, химические и биологические датчики, детекторы УФ– и ИК-излучения. Новые материалы также найдут множество применений в системах жизнеобеспечения космонавтов, включая переработку отходов, очистку воды и воздуха, контроль состояния организма и т. п. Разумеется, многие из этих материалов могут быть использованы в создании ценных коммерческих продуктов. Ниже рассказывается о практических методах передачи технологий.
12.2. Передача технологий

Исследовательский Центр имени Эймса уже имеет обширный портфель прав на интеллектуальную собственность в этой области, причем лицензии на некоторые технологии продаются частным компаниям. Например, одна инновационная компания (старт-ап) купила технологию, позволяющую применять углеродные нанотрубки для охлаждения электронных чипов, и сейчас производит популярные коммерческие товары, созданные на этой основе. В настоящее время ведутся переговоры о лицензировании биодатчиков, генетических чипов и некоторых типов химических детекторов. Стоит отметить, что сотрудники нанотехнологической лаборатории Центра имени Эймса сами организовали компании, занимающиеся передачей технологий.

Методы передачи технологий уже отработаны. Отдел технологического партнерства Центра имени Эймса регуярно проводит однодневные семинары, на которых рассказывается о разрабатываемых или готовых технологиях. Кроме того, организаторы семинаров постоянно информируют представителей бизнеса и промышленности не только о собственных разработках и мероприятиях, но и о встречах в других исследовательских центрах НАСА, центрах регионального развития, конференциях, симпозиумах и т. д.

Помимо регулярных встреч и хорошо организованной информационной работы, Центр имени Эймса развил еще одну форму сотрудничества с заинтересованными в передаче технологий компаниями, называемую Соглашением (SAA – Space Act Agreement). Этот юридический документ представляет собой типовое соглашение о сотрудничестве между двумя сторонами в разработке какого-либо продукта или процесса. Важным достоинством SAA является то, что в нем четко оговорены права и обязанности сторон при коммерциализации и маркетинге продукта. Центр имени Эймса уже заключил несколько таких важных соглашений и продолжает поиск партнеров.

Министерство обороны разработало несколько собственных механизмов передачи технологии. Дело в том, что лаборатории этого министерства не стремятся к коммерциализации результатов своей деятельности, а руководствуются принципом решения конкретных проблем, которые возникают перед военными ведомствами и отдельными родами войск. Армейские службы выявляют проблемы, сложности и задачи, которые возникали перед военными при выполнении своих обязанностей и боевых заданий, и на этой основе составляют списки приоритетных потребностей соответствующих родов войск и передают их армейским научно-исследовательским лабораториям для поиска решений. После рассмотрения задач руководство лаборатории обычно сообщает (устно или письменно) о возможностях их решения и требуемых для этого ресурсах (например, финансирования). Окончательное решение о начале разработки принимается с учетом важности поставленной задачи.

Помимо этого, для проведения дополнительных исследований и оценки научной ценности результатов армейские научно-исследовательские лаборатории могут заключать соглашения о сотрудничестве с внешними компаниями, университетами или другими учреждениями в рамках так называемого Соглашения о совместных исследованиях (Cooperative Research and Development Agreement, CRADA). Такая практика помогает лабораториям одновременно сберегать финансовые средства и получать квалифицированную научную помощь или экспертную оценку. В тех случаях, когда развитие проекта доходит до стадии изготовления прототипа, лаборатория может рассчитывать на дополнительное финансирование исследований из других источников Министерства обороны или по вспомогательным программам (например, материаловедческие разработки могут финансироваться за счет проектов создания истребителя F-22 или спутников системы глобального позиционирования). Армейские исследовательские лаборатории редко занимаются «раскруткой» коммерческих фирм, однако Министерство обороны, подобно другим ведомствам, осуществляет значительные по масштабу программы коммерциализации и лицензирования получаемых научных результатов.

Министерство энергетики содержит центры по нанотехнологическим исследованиям (Nanoscale Science Research Centers, NSRC), которые проводят регулярные встречи между специалистами из разных организаций, а также постоянно информируют пользователей о возможностях приборов и контрольно-измерительной аппаратуры, предоставляемой этими центрами. Исследователи, согласившиеся публиковать результаты исследований в открытой печати, получают приборы, материалы и техническое обслуживание бесплатно, а те, кто желает сохранить права на полученную информацию, оплачивают только прямые расходы центра на их обслуживание.

12.3. Заключение

Во многих федеральных лабораториях активно осуществляются значительные научно-исследовательские программы, связанные с нанотехнологиями. Лаборатории проводят такие исследования исходя из краткосрочных или перспективных задач руководящих ими ведомств, однако многие результаты могут быть внедрены в производство, вследствие чего почти все лаборатории уже выработали собственные программы и процедуры коммерциализации и передачи технологий в промышленность. Подобно университетам, национальные лаборатории являются одним из важнейших источником получения интеллектуальной собственности в области нанотехнологий.

Раздел III Материалы и производство

Глава 13 Наноматериалы

13.1. Общее введение и содержание

Марк Рид

Марк Рид получил ученую степень по физике в Сиракузском университете (1983), после чего поступил на работу в фирму Texas Instruments, где возглавил научные исследования в области нанотехнологий. Областью его научных интересов стал электронный перенос в нано– и мезоскопических системах и сложных молекулах, структурированные материалы и наноустройства, квантовые эффекты и т. д. Он автор 6 книг и более 150 научных публикаций по указанным темам, а также является обладателем 24 американских и зарубежных патентов по квантовым явлениям, гетеропереходам в полупроводниках и молекулярным устройствам. Является известным лектором и популяризатором идей нанотехнологии. М. Рид получил множество престижных премий и наград, является членом Американского физического общества.

В основе каждой достаточно развитой системы технологий лежат общие представления о методах их обработки. Нанотехнологии не составляют исключения, и мы должны начать с их классификации. Существует много методов описания и деления технологий, но даже простейшая схема содержит три уровня: (1) материалы, (2) проектирование и изготовление, (3) интеграция, или объединение. Стоит отметить, однако, что в некоторых сложных нанотехнологиях переход от первой стадии к двум следующим очень трудно сформулировать. С другой стороны, наука и технология, связанные с наноматериалами, пока находятся в стадии становления, а некоторые специалисты полагают, что нанонаука вообще сводится к материаловедению на определенном уровне масштабов.

Наиболее важное отличие наноматериаловедения от классических наук (химия, физика и т. п.) действительно заключается в пространственновременных масштабах процессов, которые новая наука и технология пытаются регулировать или действительно регулируют. Вот уже более ста лет классические науки занимаются изучением явлений на атомарном уровне, а наноматериаловедение вдруг предоставило нам возможность не столько изучать, сколько самим создавать и осуществлять такие явления, лежащие за гранью привычной для ученых стохастической теории.

Некоторые специалисты даже предлагают считать новую науку разновидностью инженерного или художественного творчества в общем смысле, поскольку в ней вместо изучения некоторых объектов мы начинаем сами создавать совершенно новые объекты на беспрецедентном для науки и искусства уровне возможностей. О некоторых таких попытках рассказывается в данной главе.

Одним из наиболее неожиданных и оригинальных направлений нанонауки считается изготовление и изучение наночастиц из разных материалов, но стоит заметить, что в действительности человечество неосознанно использовало такие частицы еще с древности. Занимаясь строением и синтезом частиц вещества на атомарном уровне, ученые во многих странах научились изготовлять поразительные физические объекты типа квантовых точек со структурой «ядро – оболочка». Наночастицы почти сразу нашли применение в медицине и биологии (диагностика, изучение токсичности веществ, исследования функциональности тканей организма и т. п.).

В последние годы визитной карточкой (или, если угодно, рекламным щитом) нанотехнологий стали углеродные нанотрубки, представляющие собой как бы листы или плоскости из атомов углерода, свернутые в практически идеальные цилиндры диаметром около нанометра и длиной в несколько микрометров. Ученых сейчас больше всего интригует то, что электронные свойства таких структур очень сильно зависят от размеров и направления «закрутки» цилиндров. Эти свойства у углеродных структур могут открыть перед проектировщиками электронных устройств огромные возможности, если ученые научаться их регулировать или, наоборот, создать массу осложнений пока эту проблему зависимости не удастся решить. В настоящее время многие исследователи тщательно изучают открывшиеся перед ними удивительные электрические, термофизические и структурные характеристики так называемых одностенных углеродных нанотрубок (single-walled nanotube, SWNT). Проблема состоит не только в самих закономерностях, но и в их связи с условиями синтеза, а также практическим использованием новых веществ в разных целях.

В самое последнее время все больший интерес ученых, инженеров и производственников привлекают неорганические полупроводниковые нанопроволоки, так как обнаружилось, что их электронными свойствами управлять значительно легче, чем характеристиками углеродных трубок. Собственно говоря, такие монокристаллические игольчатые объекты с толщиной десятые доли нанометра (следуя традиции, их называют нановискерами) были известны еще с начала 1990-х годов, но интерес к ним возродился после того, как появились разнообразные методы их синтеза. Кроме того, обнаружилось, что нанопроволоки могут быть изготовлены из множества неорганических материалов, что, естественно, значительно расширяет возможности создания новых устройств на их основе. Пока реальные успехи таких разработок весьма незначительны (хотя и очень интересны!), но это направление, которое можно назвать функциональным наноматериаловедением, считается одним из самых перспективных в нанотехнологии.

Наконец, в конце главы читатель найдет информацию о материалах, которые не относятся собственно к нанометрическим, но чрезвычайно важны для развития отрасли в целом. Дело в том, что множество интереснейших сфер применения нанотехнологии (особенно при создании биомедицинских устройств, датчиков и т. д.) настоятельно требует от ученых и инженеров создания так называемых интерфейсов (переходных структур), соединяющих наноматериалы или нанообъекты с микроскопическими устройствами или тканями. Обеспечение требуемого контакта в таких соединениях неожиданно оказалось очень непростой научно-технической задачей, для решения которой необходимо не только синтезировать новые вещества с нестандартными характеристиками, но и тщательно изучить их особенности и возможности для применения в совершенно необычных ситуациях, не имеющих аналогов в истории науки и техники. Сложность и нестандартность таких задач читатель может оценить сам, задумавшись, например, о возможностях обеспечения надежных контактов мономолекулярных структур (играющих роль переключателей в электронной схеме) с подложкой из полимерных или гибридных материалов. Подобные проблемы все чаще возникают при попытках создания прототипов инженерных устройств на основе наноструктур.

Материаловедение переживает сложный этап развития, и специалистам предстоит еще многому научиться, прежде чем они реально смогут управлять свойствами материалов на атомарном уровне и использовать эти свойства. Решение поставленных задач может быть получено лишь на основе комбинированного подхода, сочетающего новые методы синтеза, новые методы описания материалов и разработку новых теоретических механизмов физико-химических процессов (включая флуктуации) на атомарном уровне. Сложность поставленных задач соответствует революционным изменениям, которые нанонаука и наноматериаловедение могут внести в нашу жизнь.

13.2. Наночастицы
Шерил Эрман Шерил Эрман является выдающимся специалистом по химическому синтезу и проектированию материалов в области нанотехнологий. Область ее научных интересов относится к получению и использованию самых разнообразных наночастиц в новейших нанотехнологиях (включая термодинамику их образования, изучение процессов переноса, образование кристаллов льда и т. п.). В настоящее время она работает профессором в Мэрилендском университете и занимается исследованием образования наночастиц и возможностей их взаимодействия.
В последнее время исследователи все чаще проявляют интерес к изготовлению и изучению свойств наночастиц (частиц с диаметром менее 100 нм). Эти объекты обещают стать основой реального внедрения новых технологий, вследствие чего их производство уже сейчас стало важным и неотъемлемым сектором возникающего рынка коммерческих нанопродуктов. Как выяснили историки науки, частицы нанометрового размера использовались (разумеется, без всякого научного обоснования) еще в глубокой древности, и, например, прославленная окраска древнеримских стеклянных ваз объясняется присутствием в стекле нанокластеров атомов золота [55] . В качестве современного примера использования наночастиц можно указать на угольную сажу, добавляемую в автомобильные покрышки для повышения их прочности и износостойкости. Масштабы коммерческого производства сажи для этих целей весьма внушительны: в 2000 году годовой объем ее выпуска составлял 6 миллионов тонн [56] . Интерес к наночастицам диктуется тем, что при высокой степени измельчения существенно изменяются физико-химические свойства (механические, оптические, магнитные и т. д.) практически всех веществ. Кроме того, размеры наночастиц позволяют им вступать в прямой контакт на молекулярном уровне с биологическими тканями и системами, осуществляя необходимое взаимодействие.

На рис. 13.1 изображены стандартных наночастиц, из которых (для наглядности) сформирована более крупная частица микронного размера.

Рис. 13.1. Частица TiO2 микронного размера, сформированная из наночастиц (микрофотография предоставлена фирмой Altair Nanotechnologies, Inc.)

13.2.1. Применение наночастиц

Многие читатели наверняка помнят, что еще несколько лет назад крем от загара представлял собой непрозрачную молочно-белую мазь, цвет которой объяснялся наличием в ней микронных частиц окиси цинка, которые и поглощали вредную для кожи ультрафиолетовую часть солнечного излучения. В настоящее время производятся прозрачные кремы, гораздо более удобные и привлекательные для потребителей. Коммерческий успех новых косметических препаратов объясняется тем, что в их состав входят частицы той же окиси цинка, но измельченные до нанометрических размеров. Такие частицы по-прежнему пропускают большую часть солнечного света, но сохраняют способность поглощать опасные волны УФ-области спектра. Позднее для этих же целей стали использоваться наночастицы другого известного белого красителя (двуокиси титана), то есть простая замена микронных частиц на нанометрические позволила создать новый и весьма успешный коммерческий продукт в косметической промышленности [57] .

Изменение свойств частиц двуокиси титана позволило им найти еще одно важное техническое применение при так называемой сенсибилизации красителем рабочего вещества солнечных батарей. Эффективность преобразования света такими батареями определяется в первую очередь способностью частиц вещества поглощать солнечное излучение. Обнаружилось, что наночастицы двуокиси титана благодаря своей очень большой суммарной площади поглощают свет в тысячи раз (!) сильнее обычных, объемных кристаллов того же состава [58] , не говоря уже о том, что солнечные батареи с сенсибилизацией красителем оказались намного дешевле в производстве, чем известные фотоэлектрические устройства на основе кремния. Сейчас наноматериалы такого типа все шире используются в промышленности, доказательством чего стала организация их промышленного выпуска в Австралии (2001 год) [59] .

Еще один очень важный коммерческий рынок наночастиц связан с полупроводниковой техникой. Речь идет о процессе так называемой химикомеханической планаризации (chemical mechanical planarization, CMP) в производстве чипов (микросхем), когда на поверхность обрабатываемой пластины в нескольких точках наносятся требуемые компоненты, которые затем «размазываются» по этой поверхности ровным слоем с почти атомарной точностью. Обработка большой по размерам (до 300 мм) кристаллической поверхности с такой немыслимой точностью является очень сложной технической задачей, которую невозможно решить существующими методами! В новом методе на поверхность устройства наносится суспензия наночастиц, которые затем используются в комбинированном процессе химического удаления и механического трения, в результате чего поверхность «полируется» с атомной точностью. Такой процесс оказался весьма эффективным при использовании наночастиц многих распространенных полупроводниковых материалов (оксиды алюминия, кремния, церия), в результате объем рынка изделий, полученных методом CMP, вырос с 250 миллионов долларов в 1996 году почти до 1 миллиарда в 2000 году. При этом производство исходных компонент для самого процесса CMP (суспензии наночастиц, полировальные установки), естественно, стало самостоятельным сектором рынка материалов, и его объем в 2005 году составлял около 800 миллионов долларов [60] . Учитывая постоянную тенденцию полупроводниковой промышленности к миниатюризации и повышению точности обработки, можно быть уверенным, что рынок товаров и услуг, связанных с процессом CMP, будет и далее развиваться.

Упомянутые выше технологии относятся к известным и уже внедренным, но стоит упомянуть, что сейчас идет процесс коммерциализации и технической доработки многих других технологий, основанных на применении наночастиц. Например, профессора Пол Аливисатос (Калифорнийский университет, Беркли) и Мунджи Бавенди (Массачусетский университет) предложили новые процессы изготовления полупроводниковых наночастиц из материалов типа селенида кадмия (CdSe) и теллурида кадмия (TeSe). Частицы этих веществ, покрытые слоем сульфида цинка, приобретают способность поглощать свет в ультрафиолетовом диапазоне волн, а затем излучать свет в видимом диапазоне, что связано с так называемыми эффектами квантового удержания, причем длина волны излучения при этом зависит от размера используемых наночастиц. Такие источники намного превосходят известные излучатели (на флуоресцентных химических красителях) по стабильности работы и яркости излучения, но особую ценность им придает то, что наночастицы могут быть химически связаны с белками, олигонуклеотидами или просто небольшими молекулами. Наночастицы придают этим соединениям совершенно новые функциональные характеристики и тем самым открывают перед биологическими структурами и молекулами огромные перспективы в медицине и биотехнологиях в качестве флуоресцентных «меток» [61] . Более того, исследования показали, что длина волны излучения нанокристаллов кремния (диаметром менее 4 нм) в видимом диапазоне также зависит от размера кристаллов. Созданные на этой основе излучатели оказались гораздо более эффективными, чем используемые сейчас в твердотельной технике флуоресцентные и другие источники, что позволяет найти им много возможностей технического применения [62] . [Наночастицы многих веществ демонстрируют совершенно удивительные свойства, позволяющие использовать их в качестве катализаторов и т. п. Читатель может ознакомиться с этой проблемой в статье Ф. Болла «Новая алхимия» в журнале «Химия и жизнь», № 1, 2006. Прим. перев. ]

С уменьшением размеров кристаллитов до нанометров существенно изменяются их не только физические, но и химические свойства (в частности, каталитическая активность), ярким примером чего может служить поведение золота. Известно, что в обычном объемном состоянии золото химически является достаточно инертным элементом. Однако осажденные на поверхность золота частицы диоксида церия в неметаллической форме (в виде нанокластеров) в очень низких концентрациях (около 0,2–0,9 ат. %) становятся исключительно активными катализаторами известной реакции конверсии водяного газа [63] , при которой моноксид углерода и вода превращаются в двуокись углерода и водород. Эта реакция является ключевой в механизме действия топливных элементов на углеводородном топливе, которое в таких элементах превращается в водород и углеродсодержащие продукты. Давней мечтой разработчиков и производителей топливных элементов было доведение до максимума выхода водорода, то есть снижение до минимума количества непрореагировавшего моноксида углерода, который является «катализаторным ядом» электрокаталитической реакции внутри самого элемента. Использование наночастиц с указанным и очень небольшим количеством золота исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в используемых ранее катализаторах содержание благородного металла доходило до 10 ат. %.
Очень интересные перспективы перед исследователями открывают также значительные изменения магнитных свойств вещества при переходе к наномасштабам, позволяющие даже надеяться на возможность создания так называемых суперпарамагнетиков. Суперпарамагнитные наночастицы в отсутствие магнитного поля и при температурах выше точки Кюри ведут себя подобно обычным магнетикам, то есть их магнитные моменты располагаются случайно, однако при наложении внешнего поля они легко «выстраиваются» вдоль поля, создавая мощный общий магнитный момент. Этот механизм может быть использован для самых разных целей, в том числе и для формирования изображений на основе магнитного резонанса (magnetic resonance imaging, MRI). Метод теоретически был известен давно, но его практическое применение сдерживалось тем, что контрастность получаемых изображений обеспечивалась лишь очень небольшим числом природных входящих в состав организма веществ (например, дезоксигемоглобином). Эффективность метода и контрастность изображения могут быть существенно повышены за счет использования суперпарамагнитных наночастиц из оксидов железа, получивших название SPION (superparamagnetic iron oxide, SPION). Такие частицы, изготовленные на основе магнетита (Fe3O4), магемита (гамма Fe2O3) или их сочетаний, естественно, должны быть покрыты слоем вещества, повышающим стабильность коллоидной системы и обеспечивающим биологическую совместимость с организмом. Преимуществом описываемого метода магнитного резонанса выступает то, что он позволяет получать четкие изображения тканей, содержащих большое количество жидкости (например, пораженные органы или раковые опухоли). Уже сейчас такие наночастицы коммерчески производятся несколькими организациями [64] . Понятно, что поверхность частиц SPION может быть дополнительно химически модифицирована, чтобы придать ей способность взаимодействовать с контрастными агентами, специфическим тканями или видами клеток. Этот подход является очень перспективным, что уже привело к возникновению активно развивающихся областей разнообразных медико-биологических исследований [65] .
13.2.2. Производство наночастиц

Методы производства наночастиц можно грубо разделить на три основные группы, традиционно называемые сухим синтезом, мокрым синтезом и химическим размолом. При этом первые два метода относятся к так называемому восходящему производству (снизу вверх), поскольку наночастицы в них создаются из атомных прекурсоров (веществ-предшественников), а третий метод является очевидным примером нисходящего (сверху вниз) производства, когда мелкие частицы производятся за счет дробления и измельчения более крупных. Мокрый синтез включает в себя преципитацию и методику золь-гель, а сухой синтез – получение наночастиц множеством разных способов (горением, печным синтезом, плазмохимией и т. д.).

Независимо от метода производства основная цель состоит в получении нанопорошков с узким гранулометрическим распределением (то есть с узкой функцией распределения по размерам), а также в предотвращении возможной агломерации образующихся частиц. Ни один процесс не обеспечивает синтеза абсолютно одинаковых по размеру частиц, что заставляет исследователей искать новые методы «исправления» гранулометрического распределения. Чаще всего так называемые хвосты распределений убирают при вспомогательных технологических операциях, что обычно приводит к снижению производительности. Гораздо более сложной является проблема агломерации (слипания) частиц, так как наночастицы всегда характеризуются очень высоким значением отношения поверхность/объем, и для них процесс слипания является термодинамически очень выгодным. По этой же причине из нанопорошков тугоплавких соединений можно «сплавлять» объемные изделия при температурах ниже точки плавления, что уже давно применяется в промышленных производствах.

Требования к гранулометрическому распределению и агломерации порошков, естественно, сильно зависят от целей их дальнейшего использования. Например, эти требования должны очень строго выполняться при создании некоторых специальных нанообъектов (типа упоминавшихся выше флуоресцентных квантовых точек), но они не столь важны при использовании порошков для упомянутой выше химико-механической планаризации полупроводниковых кристаллов. Как и в любой другой отрасли производства, каждый метод получения нанопорошков обладает своими достоинствами и недостатками, а выбор обычно определяется конкретными задачами и условиями. Классическое измельчение является очень энергоемким, не говоря уже о том, что оно непригодно для получения порошков из целого ряда очень перспективных веществ, особенно из чистых металлов. В популярном и распространенном методе преципитации для предотвращения слипания частиц обычно в суспензию наночастиц вводят так называемые защитные лиганды, что, естественно, осложняет производственный процесс в целом, так как при последующих технологических операциях эти лиганды приходится химически удалять с поверхности частиц.

Проблемы агломерации для некоторых материалов исчезают при высокотемпературном синтезе частиц, когда разделение частиц и их закалка происходят одновременно. Однако такие процессы трудно осуществлять в промышленных масштабах, и они требуют больших затрат энергии. Кроме того, такой метод непригоден для получения порошков из некоторых материалов (например, окиси кремния), так как они при высокой температуре могут переходить в так называемое вязкое стеклообразное состояние. В некоторых случаях агломерация не происходит вообще из-за физических особенностей самого процесса производства, например, вследствие того, что образующиеся при дуговом распылении или в плазменной струе наночастицы оказываются электрически заряженными.

13.2.3. Общий обзор состояния производства наночастиц

Коммерческое использование любого метода должно быть обосновано экономически. В лабораторных условиях ученым удалось разработать множество интересных и красивых способов синтеза нанопорошков, но очень многие из них не удается довести до промышленного использования из-за сложности или экономических соображений (создание устойчивых рабочих режимов, стоимость исходных веществ и т. п.). Следует особо отметить, что проблема внедрения научно-технических разработок (то есть фактически масштабного воспроизведения физико-химических эффектов в коммерческом масштабе) является, вообще говоря, исключительно сложной как в техническом, так и в социальном аспекте. Некоторые известные фирмы (Cabot, Degussa, DuPont) уже давно организовали производство нанопорошков основных типов (оксиды алюминия, кремния и титана) на основе аэрозольного пиролиза. В настоящее время многие фирмы начали промышленно изготовлять нанопорошки методами плазмохимии, обеспечивающими не только высокую производительность, но и возможность, как отмечалось выше, существенного снижения агломерации в продуктах [66] . Существует много других перспективных и интересных методов, коммерциализация и широкое использование которых упирается в известную проблему, наверняка знакомую американским читателям по названию романа Курта Воннегута «Уловка-22», ставшего символом внутренней противоречивости ситуации (в нашем случае – производство нанопорошков сдерживается отсутствием развитого рынка, а слабость рынка объясняется малым объемом производства самих порошков).

В последние годы общественность стала проявлять интерес не только к наночастицам и нанотехнологиям, но и к тому потенциальному риску, с которым может быть связано их широкое использование [67] . Некоторые авторы обратили внимание на корреляции между промышленным использованием наночастиц, уровнем загрязнения атмосферы и состоянием здоровья населения [68] . Основная и очень серьезная проблема состоит в том, что многие вещества, совершенно безопасные в обычной объемной форме, могут стать токсичными после измельчения до наноразмеров, то есть существующие нормы безопасности для их использования могут оказаться недостоверными. Поэтому уже сейчас ряд правительственных организаций США (включая Агентство по охране окружающей среды и Национальный научный фонд) активно занимаются изучением потенциального риска, связанного с производством и использованием новых материалов [69] .

13.3. Углеродные нанотрубки

Брент Сегал

Брент Сегал представляет фирму Echelon Ventures (Бирлингтон, штат Массачусетс), которая занимается с наиболее «взрывными» технологиями на стыке наук. Он принимал участие в раскрутке многих инновационных фирм, связанных с биохимией, нанотехнологиями, полупроводниками и т. д. Он является активным членом многих организаций, связанных с развитием нанотехнологий, в штате Массачусетс (в котором разработана собственная Massachusetts Nanotechnology Initiative, MNI) и соседних регионах. Можно отметить, что инновационные планы ряда штатов США вполне сопоставимы с планами некоторых стран. Б. Сегал занимает важное место среди ученых в развитии инновационных технологий в ряде северо-западных штатов США. Он является специалистом по биохимии, имеет множество публикаций в научных журналах, соавтор многих патентов в области нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки, открытые Сумио Иидзима в 1991 году, продолжают поражать ученых своими необычными свойствами [70] . Обычно они представляют собой свернутые в цилиндр (диаметром около 1–2 нм) «листы» (плоскости) графена, которые заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольных циклов углерода (рис. 13.2). В книгах по истории химии читатель наверняка видел иллюстрации открытия нового химического вещества, где химик стоит среди реторт и перегонных кубов, с удивлением наблюдая свечение или пары из колбы, где возникло новое соединение. В случае с нанотрубками все обстояло иначе, поскольку они были обнаружены специалистом по электронной микроскопии, исследовавшим осадок на поверхности катода после экспериментов по синтезу фуллеренов (бакиболлов, на жаргоне химиков).

Рис. 13.2. Упрощенная схема строения углеродной нанотрубки (рисунок предоставлен доктором Петером Берке из Калифорнийского университета в Ирвине)
Это открытие стало одним из важнейших в истории нанотехнологий (и науки вообще), поскольку оно не только позволило обнаружить новые вещества и свойства (естественно, существовавшие задолго до их открытия), но и создало массу возможностей для их дальнейшего исследования. Открытие Иидзимы казалось фантастическим, но затем было разработано множество других методов синтеза углеродных нанотрубок, связанных с использованием дугового разряда, лазерной абляции (испарения) и осаждением из газовой фазы [71] . Во всех этих технологиях при высоких температурах создаются свободные и активные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры (паттерны) на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Наиболее распространенным методом является синтез в дуговом разряде, при котором в большом количестве формируются многослойные нанотрубки (обычно диаметром более 5 нм) в виде вложенных цилиндров, напоминающих по строению «русскую матрешку». В последние годы этот метод удалось модифицировать для получения большого количества и более ценных для практического использования однослойных нанотрубок. Метод лазерного испарения позволяет изготовлять высококачественные однослойные нанотрубки, но, к сожалению, он требует применения очень мощных лазеров, а его продуктивность весьма незначительна. Группа специалистов из университета Райса, возглавляемая Нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (чей авторитет в этой области остается непререкаемым), предложила использовать для получения нанотрубок широко распространенный метод осаждения из газовой фазы. Нанотрубки по этой методике выращиваются с использованием распространенных неорганических реактивов и специфических катализаторов на переходных металлах, позволяющих формировать однослойные нанотрубки. Типичная схема строения углеродной нанотрубки представлена на рис. 13.2.

13.3.1. Необычные свойства нанотрубок

Легко заметить, что углеродные нанотрубки имеют очень интересные и необычные структуры, однако их физико-химические свойства являются еще более удивительными и предоставляют исследователям массу возможностей для практического применения, высокой коммерческой ценностью. Вообще говоря, эти трубки принято подразделять на однослойные и многослойные, но, учитывая значительное сходство характеристик, мы ограничимся для простоты обсуждением лишь однослойных трубок.

Прежде всего следует отметить необычные физические свойства таких трубок, точнее – материалов на их основе, которые отличаются очень высокими значениями коэффициентов прочности, упругости, теплопроводности и электропроводности. Конкретные показатели имеют большой разброс (в зависимости от методов получения нанотрубок), но во всех случаях они представляются поразительными. Например, по данным некоторых авторов [72] , прочность однослойных углеродных нанотрубок (SWTN) на разрыв превышает соответствующий показатель для стали в 50—100 раз! Одновременно SWTN обладают очень высокой упругостью, то есть способностью к восстановлению формы после упругой деформации. Читатель может почувствовать необычность новых материалов, пытаясь представить себе молекулярную структуру, значительно превосходящую сталь по прочности на разрыв, но одновременно гибкую, как резина!

При этом, несмотря на свою сложную структуру SWTN проводят тепло вдвое лучше алмаза, считающегося одним из лучших теплопроводных материалов а также обладают исключительно высоким коэффициентом электропроводности (около 109 А/см2), что в сто раз выше электропроводности меди, являющейся наиболее распространенным материалом для изготовления бытовой электропроводки.

Следует отметить еще одну особенность строения SWTN, имеющую важнейшее значение для их возможного применения в электронике и электротехнике. Рассматривая атомарную структуру нанотрубок даже на схематическом рисунке, легко заметить, что связи атомов углерода в цилиндрах нанотрубок, подобно привычным органическим молекулам, могут быть ахиральными (то есть однородно располагаться вдоль оси) или хиральными (то есть «закрученными» в двух разных направлениях относительно оси). Оказалось, что ахиральные и хиральные формы SWTN отличаются не только геометрически и эстетически, но и придают структурам свойства металла и полупроводника соответственно.

К этому списку удивительных физико-химических характеристик следует добавить, что SWTN представляют собой очень легкий и термостойкий материал. Его плотность вдвое меньше, чем у алюминия, а температура плавления в вакууме достигает 2700 °C, что сравнимо с показателями для многих тугоплавких металлов (рутения, иридия и ниобия) [73] . Положения атомов углерода и образуемые ими связи могут варьироваться (как и в плоскостях графена), что открывает перед исследователями огромное поле деятельности. Некоторые специалисты полагают, что нанотрубки могут стать основой совершенно нового направления органической химии.

Дополнительные свойства и характеристики углеродным нанотрубкам могут быть приданы не только изменением структуры, но и прямым присоединением функциональных групп или биологически активных соединений, что можно использовать в биологии и медицине. Уже сейчас материалы на основе фуллеренов используются в качестве антиоксидантов, а также для доставки лекарств в организме и замещения аминокислот, что позволяет надеяться на создание нового класса лекарственных препаратов. В этом направлении ведутся интенсивные исследования, и появились публикации о возможности присоединения к таким наноструктурам специфических антител к некоторым видам вирусов, а также о возможности их использования в качестве «основы» для выращивания сетки из эпителиальных клеток для пересаживания в сетчатку человеческого глаза при некоторых поражениях.

13.3.2. Проблемы получения и промышленного производства нанотрубок

За последние годы методы производства углеродных нанотрубок заметно улучшились, в результате чего наблюдается как рост производительности внедряемых технологий, так и снижение стоимости продуктов. Понятно, что превращение нанотрубок из интереснейшего объекта научных исследований в полноценные коммерческие продукты требует прежде всего разработки промышленных технологий их производства в достаточно больших количествах и по разумной цене. Кроме того, для практического использования необходимо, чтобы производимые порошки были достаточно однородными. Для многослойных углеродных нанотрубок (MWNT) эта задача практически решена, так как метод синтеза в электрической дуге уже позволяет производить большие объемы порошка по сравнительно невысокой цене. Сложнее обстоит дело с производством гораздо более важных в научном и практическом отношении однослойных углеродных нанотрубок (SWTN), так как синтез в электрической дуге обеспечивает лишь высокую производительность установок, но не гарантирует чистоту продуктов. Наличие углеродистых примесей разного типа в SWTN сейчас является основным препятствием для множества интересных возможностей коммерческого применения. В самое последнее время была разработана и получила большую популярность плазменная модификация метода химического осаждения из газовой фазы (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PEVCD), позволяющая получать большие количества SWTN микронной длины с достаточно высокой чистотой, удовлетворяющей спецификации ряда возможных сфер применения. На рис. 13.3 приведена микрофотография решетки из однослойных углеродных нанотрубок, выращенной по этому методу.

Рис. 13.3. Решетка из однослойных углеродных нанотрубок, выращенная методом химического осаждения из газовой фазы с использованием плазмы
Сообщается, что метод PEVCD позволяет значительно понизить рабочую температуру процесса выращивания нанотрубок за счет того, что активные атомы углерода возникают в плазменной струе, а не под воздействием сверхвысокой температуры (как это имеет место при выращивании химическим осаждением из газовой фазы). Наиболее интересным представляется применение однослойных нанотрубок в электронике, но именно там к их чистоте предъявляются самые строгие требования. В настоящее время высокочистые SWTN коммерчески производят лишь немногочисленные компании, поэтому стоимость порошков остается слишком высокой для широкого применения.

Понятно, что при любом коммерческом использовании нанотрубок в электронике основной технической проблемой станет создание схем из трубок на поверхности пластинок разного типа (из кремния, из кремния на изоляторе и т. п.). При этом трубки должны укладываться с учетом специфической ориентации, что представляет собой сложную проблему. В настоящее время существуют два основных подхода к решению этой задачи. Прежде всего, трубки могут выращиваться на подложке с предварительно распределенными специфическими катализаторами, что позволяет создавать структуры типа показанной на рис. 13.4, внутри которых может быть обеспечен рост трубок в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от нанесенных на участок специфических катализаторов роста). В других случаях требуемая схема может формироваться из неориентированных трубок за счет использования особенностей растворов и т. д.

Рис. 13.4. Выращивание решетки многослойных углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы
Выращивание трубок в вертикальном направлении, уже осуществленное рядом исследователей, имеет особую ценность для создания электронных устройств с так называемой автоэлектронной эмиссией. Классические методики осаждения из газовой фазы дают хорошие результаты в лабораторных условиях, но их трудно реализовать в промышленных масштабах, прежде всего, из-за необходимости использовать высокие температуры (более 800 °C для выращивания SWTN). Это ограничение является весьма серьезным, так как высокотемпературная обработка может стать причиной возникновения дефектов в материале подложки, нанести вред контрольной аппаратуре и т. д. Поэтому сейчас ведутся интенсивные поиски возможностей применения упомянутого выше метода PEVCD для выращивания однослойных углеродных нанотрубок. Многие методики вертикального выращивания наноструктур находятся в стадии разработки, но инженеры и технологии возлагают на них большие надежды.

Существует также подход, при котором наноструктуры не выращиваются, а формируются на подложке горизонтально, то есть осаждением слоев заданной толщины за счет регулирования концентрации растворов и условий осаждения. В развитии таких методик также приходится решать трудные задачи, связанные с очисткой растворов нанотрубок, однородностью распределения структур по большой поверхности подложки, необходимостью создавать сложные паттерны из проводящих нанотрубок и т. д. Производственные процессы при таких методиках могут оказаться излишне долгими и трудными.

Многослойные трубки SWTN уже выпускаются коммерчески многими поставщиками, которые производят их модифицированными методиками осаждения из газовой фазы. Для использования в электронике такие трубки должны быть очищены от примесей металлов (например, элементов групп IA и IIA периодической таблицы, используемых в процессе синтеза) и различных углеродистых соединений. Затем трубки подвергаются солюбилизации и наносятся на поверхность подложек для дальнейшей обработки.

13.3.3. Возможности применения

Существует огромное количество предложений по практическому использованию углеродных нанотрубок для самых разных целей, в связи с чем интересно отметить, что самые первые предложения относительно использования многослойных трубок относились к созданию композитных материалов для батарей и излучателей для пульта переключения телевизоров [74] . В настоящее время, по мере снижения стоимости производства исходных материалов, число предлагаемых проектов постоянно возрастает, хотя основное внимание авторов все еще привлекает создание композитных материалов.

Очевидно, что перечисленные выше электромагнитные, механические, химические и оптические особенности углеродных нанотрубок или материалов на их основе (так называемых нанотканей) позволяют считать их потенциально исключительно ценным материалом для создания новых интегральных электронных устройств. Число и разнообразие сфер применения только возрастает по мере накопления новых данных. В качестве примера стоит отметить теоретическую возможность создания на их основе так называемых энергонезависимых запоминающих устройств (речь идет о компьютерах с «мгновенным» запуском). Кроме того, те же характеристики позволяют проектировать множество других имеющих практическую ценность устройств. В настоящее время наибольший интерес вызывают разнообразные датчики (химические, биологические, радиационные), пассивные переключатели с очень низким сопротивлением и емкостью, электромагнитные устройства с автоэлектронной эмиссией. В медицине и биологии предлагаются проекты структур для выращивания биологических клеток, создания антиоксидантов, мишеней для получения изображений (тканей или отдельных клеток) в ближней инфракрасной области спектра и т. п. Список возможного применения очень велик и постоянно растет, поэтому в таблице 13.1 предлагается общая схема систематизации областей применения материалов (тканей) на основе однослойных углеродных трубок в основных направлениях развития нанотехнологий [75] .
Табл. 13.1. Примеры возможного применения материалов на основе однослойных углеродных нанотрубок и нанотканей

Одна из наиболее интересных и перспективных возможностей широкого применения однослойных нанотрубок связана с созданием упоминавшихся выше энергонезависимых запоминающих устройств, то есть компьютеров с «мгновенным запуском» [76] . В этом направлении достигнут значительный прогресс в использовании поверхностных структур (сборок) из однослойных трубок, дополняющих интегральные схемы [77] , способных сохранять свои молекулярные характеристики без внешнего физического контроля на атомарном уровне (в данном случае без подачи напряжения). Для организации возможного промышленного производства очень важно, что такие мономолекулярные и атомарные поверхностные структуры могут быть созданы в результате достаточно простых операций. Сначала на поверхность кристалла при комнатной температуре наносится слой специального раствора, содержащего SWNT и полупроводниковые компоненты. После испарения растворителя на поверхности остается мономолекулярная пленка, на которую может быть литографически нанесена требуемая схема (паттерн). На последней стадии процесса пластина подвергается обычному травлению в кислородной плазме. Особенно важно, что метод позволяет наносить слой наноматериала на поверхности с наклонными участками, резкими перепадами, острыми краями структур и т. п. Возможность покрывать сложные поверхности «нанотканью», а затем обрабатывать ее хорошо отлаженными традиционными технологическими операциями позволяет исследователям мечтать о замене существующих «горизонтальных» интегральных схем на трехмерные, или «вертикальные». Не стоит и говорить, что переход к объемному дизайну интегральных схем и устройств будет означать революционные изменения для электроники.

Комбинируя сложные паттерны (образно говоря, выкройки из ткани, образованной нанотрубками) со специально спроектированными углублениями на плоскости вокруг ткани, можно создать объемные структуры, или пустоты. Электронную «выкройку» схемы в пространстве можно «подвесить», закрепив ее в местах контакта с электродами. Такие устройства, называемые молекулярными микропереключателями (molecular microswitcher, MMS), уже существуют, и сейчас разработчики стараются создать на их основе запоминающие или логические устройства.
Используемые в описанном подходе схемы (то есть специальным образом обработанные участки наноткани из SWNT толщиной 1–2 нм) в дальнейшем могут быть объединены в единое целое со стандартными полупроводниковыми устройствами (например, с известными комплементарными МОП-структурами). Присоединяя новые схемы не в плоскости, а в пространстве (снизу или сверху), можно управлять работой молекулярных микропереключателей. Использование такой техники позволяет создавать смешанные интегральные схемы (наносхемы + КМОП-структуры) практически любого размера. Размеры нанообъектов или участков единой схемы настолько малы, что единственным фактором, ограничивающим уменьшение размеров новых устройств, остаются границы возможностей существующей литографической техники. Исходя из описанного подхода, можно даже сказать, что существует лишь абстрактный физический предел интеграции электронных схем, определяемый размерами элементарного устройства из двух металлических нанотрубок, связанных собственным электромеханическим взаимодействием.
13.4. Нанопроволоки

Джонг Лин Ванг

Джоне Лин Ванг (Zhong Lin Wang) является руководителем Центра по производству и изучению наноструктур в фирме Georgia Tech. Он является автором и соавтором 4 книг и учебников в данной области и участвовал (в качестве автора, редактора и соавтора) в опубликовании более 400 научных материалов обзоров и книг по нанотехнологиям. Он имеет много патентов в данной области и (по данным Science Watch, ISI) входит в число 25 самых цитируемых авторов по нанотехнологии за период 1992–2002 годов. Индекс цитирования Дж. Ванг является исключительно высоким (его работы упоминаются более 9000раз).

Дж. Ванг в 2001 году сумел первым синтезировать наноленты (нанополоски), что стало важным открытием в наноматериаловедении, в результате чего его статья на эту тему заняла второе место по цитируемости среди работ по химии за 2001–2003 годы. Статья Ванга о пьезоэлектрических «нанопружинах» стала наиболее цитируемой публикацией по материаловедению в 2004 году. В 1999 году Вангу и его сотрудникам удалось создать самые микроскопические «весы», что было объявлено Американским физическим обществом «прорывом» в нанотехнологических исследованиях. Он был избран членом Европейской академии наук ( www.eurasc.org ) в 2002 году и принят в члены Мирового фонда инноваций (World innovation Foundation, www.thewif.org.uk ) в 2004 году, а также получил большое количество премий и наград. Дж. Ванг продолжает активно заниматься научными исследованиями в области нанопроволок и нанолент, измерения характеристик нанообъектов, сборки наноструктур и использования нанодатчиков и наноустройств в медико-биологических целях. Подробности читатель может найти на сайте http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang .

Проволоки толщиной несколько нанометров никогда не существовали в природе и могут считаться искусственными объектами в самом строгом смысле этого понятия. В настоящее время они представляют собой весьма обширный и коммерчески ценный класс наноматериалов, так как они могут быть синтезированы в виде заранее спланированных монокристаллических структур, обладающих заранее спланированными и строго заданными характеристиками, которые могут регулироваться в процессе синтеза или выращивания. В число этих характеристик входят такие важные параметры, как химический состав, диаметр, длина, степень и тип легирования и т. п. Производство полупроводниковых нанопроволок (НП) можно считать наиболее изученным и технологически разработанным направлением в изготовлении наноматериалов (в данном случае правильнее будет называть НП строительными блоками для создания других материалов или устройств), позволяющим осуществлять дальнейшую модификацию или интеграцию. В качестве примера возможностей методики выращивания нанопроволок на рис. 13.5 представлена микрофотография одной из структур рассматриваемого типа. Такие полупроводниковые НП или структуры на их основе уже с успехом применяются для создания распространенных и коммерчески важных полупроводниковых устройств, среди которых можно упомянуть нанометрические полевые транзисторы (FET), p-n-диоды, светоизлучающие диоды (LED), плоскостные биполярные транзисторы, инверторы, сложные логические схемы и даже целые вычислительные устройства. Отдельные устройства или блоки из НП могут быть объединены в схемы, которые вообще не имеют аналогов в обычной электронике, не говоря уже о том, что после химической модификации поверхности неорганических полупроводниковых НП можно создавать не просто новые устройства, но даже новые принципы или копцепции развития вычислительной техники.

Рис. 13.5. Упорядоченная структура нанопроволок из полупроводника ZnO. Однородность структуры (места роста, плотность) и весь процесс выращивания проволок регулируются предварительным нанесением на твердую подложку катализаторов, содержащих золото
В последние годы возник и стал широко использоваться еще один уникальный класс объектов, названных нанолентами (НЛ). Эти квазиодномерные наноматериалы обладают хорошо выраженной структурой и поверхностью и отличаются разнообразием, связанным с их химическим составом и кристаллографической структурой. НЛ действительно представляют собой ленты и полоски (иногда их называют нанополосками) из полупроводниковых оксидов цинка, олова, кадмия и галлия (на рис. 13.6 приведена микрофотография наноленты из ZnO). Такие ленты легко можно получить известными коммерческими методами испарения порошков оксидов при высоких температурах. Уже сейчас можно производить оксидные монокристаллические НЛ с заданными размерами и правильной прямоугольной формой сечения, обладающие высокой химической чистотой и структурной однородностью. На основе таких нанолент или полосок уже созданы разнообразные устройства: полевые транзисторы, высокочувствительные газовые датчики, нанорезонаторы, нанокронштейны для атомносиловых микроскопов и т. п. В настоящее время многие исследователи заняты изучением физических свойств НП (например, их теплопроводности и т. д.), а также успешно пытаются синтезировать новые объекты этого класса (в частности, нанопружины и нанокольца), которые могут найти широкое применение для изготовления датчиков, преобразователей, приводных устройств и т. д.

Рис. 13.6. Нанолента, полученная осаждением паров ZnO при высокой температуре. Продукт характеризуется высокой однородностью поверхности и размеров прямоугольного сечения

13.4.1. Применение нанопроволок

13.4.1.1. Биологические датчики на основе нанопроволок

Известно, что электрический заряд многих биомолекул (включая белки и ДНК) меняется в зависимости от их функционального состояния, что может быть использовано для их детектирования специально спроектированными датчиками. В частности, наличие таких молекул можно зарегистрировать при их химическом связывании с обработанной поверхностью нанопроволок. Например, создан датчик на основе кремниевой нанопроволоки (SiNW), поверхность которой после обработки биотином приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, как показано на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Регистрация связывания белка. Модифицированная биотином поверхность кремниевой нанопроволоки SiNW (слева) приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, образуя комплекс биотин-стрептавидин (справа). Для наглядности процесс представлен лишь схематически, без указания точных размеров нанопроволоки SiNW и белковых молекул

13.4.1.2. Светоизлучающие диоды с пересечением р-п-переходов

Оптоэлектронные детекторы необычного типа могут быть созданы на основе светоизлучающих нанодиодов и нанолазеров из полупроводников с прямыми оптическими переходами типа InP. На рис. 13.8 показано устройство, позволяющее проверять согласованность режима работы перекрестных светодиодов на основе трехмерных «изображений» интенсивности электролюминесценции и фотолюминесценции. Контроль характеристик изделий осуществляется по специальной методике, основанной на цветовых оттенках излучения. Такие методы могут оказаться очень полезными в будущем, например, для контроля качества изделий при промышленном производстве фотонных устройств и т. п.

Рис. 13.8. Трехмерная картина интенсивности электролюминесценции скрещенных светодиодов на основе нанопроволок

13.4.1.3. Логические устройства на основе нанопроволок

Комбинируя пересекающиеся решетки из нанопроволочных светоизлучающих диодов и передатчиков, можно создавать новые устройства с высокими коэффициентами усиления и другими ценными характеристиками, а затем даже формировать из них более сложные схемы. Таким сложным устройствам можно будет придавать новые функциональные способности, включая осуществление логических операций, что может привести к созданию мощных компьютеров нового типа.

Для создания вычислительных устройств необходимо, в первую очередь иметь два основных структурных элемента (транзисторы и диоды), причем транзисторы обеспечивают усиление по напряжению, а диоды – ряд важных операций. Малые размеры наноустройств делают их очень удобными для монтажа, а комбинирование нанодиодов и полевых транзисторов позволяет создавать логические вентили разных типов (AND, OR, NOR), являющиеся основой аппаратного обеспечения современной вычислительной техники (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Логическая схема, построенная на основе решетки (1 х 3) пересекающихся нанопроволок с переходами. Врезка на рисунке схематически соответствует изображению на сканирующем электронном микроскопе, а также подключению к символической электрической схеме

13.4.2. Наноструктуры с полярными поверхностями

В качестве материала для коммерческих приложений одним из самых перспективных выглядит упомянутый выше оксид цинка ZnO, обладающий тремя достоинствами. Во-первых, он относится к классу полупроводников с прямыми оптическими переходами и широкой запрещенной зоной, а также способен излучать в ближней (длинноволновой) ультрафиолетовой области и оставаться фотопрозрачным при температурах выше комнатной. Благодаря нецентральной симметрии этот кристалл относится к пьезоэлектрическим, что позволяет создавать на его основе разнообразные электромеханические датчики и устройства связи, тем более что пьезоэлектрический коэффициент поляризованной наноленты ZnO примерно втрое выше, чем у объемного образца. Кроме того, материалам из ZnO можно легко придать биологическую безопасность и совместимость с тканями живых организмов без нанесения специальных покрытий. Биологическая совместимость придает этим материалам исключительную ценность при изготовлении различных биомедицинских устройств или датчиков как для исследовательских, так и для коммерческих целей. Наконец, стоит отметить и то, что этот материал легко подается обработке и на его основе создано множество изделий, о которых кратко рассказывается ниже.

Одним из распространенных методов промышленного изготовления наноструктур является их синтез или формирование из паров при термической сублимации (возгонке) твердых исходных материалов, обычно засыпаемых в виде порошка в центральную часть так называемых трубчатых печей. По мере повышения температуры исходные материалы сублимируются, а затем их ионы осаждаются в зонах печи с более низкой температурой, формируя различные наноструктуры. Процесс может регулироваться (и в эксперименте, и в производственных условиях) сразу по нескольким параметрам, включая кинетику роста, локальную температуру, химический состав исходных веществ и т. д. К настоящему времени разработано множество самых разнообразных процессов, позволяющих получать из ZnO нанообъекты с полярными поверхностями, причем большинство процессов легко воспроизводятся и обеспечивают высокую производительность. В зависимости от условий процесса исследователям иногда удается выращивать удивительные по форме объекты, которым трудно подобрать определения и их приходится условно называть пропеллерами, клетками и т. п. (рис. 13.10).

Рис. 13.10. Разнообразные нанообразования из ZnO с индуцированной или постоянной поляризацией поверхности. Изделия получают термической сублимацией исходных порошков (или другими, указанными ниже способами) и последующим осаждением их паров при контролируемых условиях роста и формообразования. (а) Сотовые структуры, формирующиеся при асимметричном росте на поверхности Zn-(0001); (б) растущие на каталитически активных поверхностях Zn-(0001)стрyктyры с «ножками»; (в) получаемые химическим синтезом из раствора гексагональные диски или кольца; (г) образующиеся при быстром росте частицы в виде «пропеллеров»; (д) образующиеся в результате самосборки спирали без деформаций; (е) спирали из нанолент с постепенно возрастающей толщиной; (ж) пружины; (з) бесшовные монокристаллические нанокольца, образуемые намоткой поляризованных нанолент; (и) сложное «архитектурное» образование из стержней, дуг и колец. На микрофотографиях указаны цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температурой
В настоящее время оксид цинка ZnO можно считать одним из наиболее перспективных материалов нанотехнологии, который может использоваться в катализе, производстве датчиков, приводов и пьезоэлектрических преобразователей разнообразного применения, а также в создании новых видов акустической и лазерной техники. Интерес к новым материалам и изделиям проявляют также коммерческие производители оптоэлектроники и биомедицинского оборудования. Поляризация поверхности описанных выше структур требуется для некоторых сфер применения и придает наноматериалам дополнительные свойства. Неполярные нанообъекты из ZnO также обладают большим разнообразием и найдут много областей практического применения, причем в их производстве могут быть использованы дополнительные механизмы регулирования процессов роста и формообразования (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Различные типы нанообъектов, синтезируемые из ZnO с неполяризованной поверхностью. Изделия получают при термической сублимации исходных порошков и последующим осаждением паров при контролируемых условиях роста и формообразования. В число регулируемых параметров процесса входят материалы, температура выращивания, температурные градиенты при осаждении, типы подложек. (а) Ленты; (б) упорядоченные массивы проволок; (в) трубки; (г) «пропеллеры»; (д) мезопористые трубки; (е) «клетки» и ядра; (ж) иерархическая структура из клеток и пропеллеров. На микрофотографиях приводятся цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температурой

13.5. Мягкая нанотехнология
Фиона Кейс
Фиона Кейс более 15 лет занимается разработкой и внедрением в промышленное производство новых разновидностей полимеров и поверхностно-активных веществ. Еще в конце 80-х годов она приступила к работе в исследовательском отделе английской фирмы Courtaulds Research, где участвовала в разработках по химической модификации и приданию новых свойств целлюлозным волокнам, делающим их более безопасными для окружающей среды и удобными для переработки. Затем она перешла к изучению микроструктуры углеродных и полимерных волокон методами компьютерного моделирования. Это привело к сотрудничеству с американской фирмой Biosym/Molecular Simulations Inc., являющейся одной из ведущих организаций в этой области. Фиона Кейс переехала в США, где проработала 9 лет в Biosym, а затем стала по контрактам выполнять исследовательские работы для крупнейших американских и европейских фирм, связанных с производством и использованием полимеров. Возглавляемая ею группа подготовила и провела в разных странах десятки семинаров и курсов по моделированию поведения полимерных и волоконных систем. Кроме того, она активно занимается организацией производства и маркетингом новых товаров.
С 1999 года Фиона Кейс возглавляла исследовательскую группу в фирме Colgate Palmotive, занимающуюся изучением структуры и свойств самых разнообразных косметических и пищевых продуктов (зубные пасты, детергенты, лаки, покрытия и т. п.), а также разработкой технологии их производства, упаковки и т. д. В 2003 году Ф. Кейс (совместно с мужем Мартином Кейсом) основала собственную компанию Case Scientific ( www.casescientific.com ), занимающуюся научными консультациями и заказными исследованиями в области так называемой «мягкой» нанотехнологии, моделирования поведения разнообразных материалов, полимерной химии, поверхностно-активных веществ и т. п. Фиона Кейс является членом Королевского химического общества Англии, американского Химического общества, а также Национальной ассоциации писателей, популяризирующих достижения науки.
Многие жидкие или мягкие потребительские товары и изделия (к ним относятся продукты питания, краски, моющие средства, предметы личной гигиены, косметика и т. п.) содержат микро– или наноструктуры, которые образуются обычно методами естественной самоорганизации многих натуральных или синтетических поверхностно-активных веществ и блок-сополимеров. Для получения разнообразных структур и материалов разработана сложная технология получения нужных смесей из поверхностно-активных веществ (ПВА) и полимерных материалов. Эта область наноматериалов и методик их обработки получила название мягкой нанотехнологии.

На рис. 13.12 показана схема действия очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества, а на рис. 13.13 приведены некоторые механизмы образования более сложных структур в растворах ПАВ и блок-сополимеров. Образующиеся при этом конкретные структуры определяются множеством условий, среди которых важнейшими являются относительные размеры гиброфильной «головки» и гидрофобного «хвоста» химической молекулы (эта терминология является привычной для специалистов по полимерам и коллоидной химии). Например, ионогенные ПАВ (характеризующиеся наличием заряженных головных групп) в показанных на рисунках механизмах легко образуют сферические мицеллы, неионогенные ПАВ-структуры в виде стержней или нитей, а молекулы ПАВ с несколькими концевыми группами – ячеистые структуры или ламеллы со слоистой, иногда почти плоской структурой. Естественно, в мягкой нанотехнологии форма структур может легко изменяться за счет введения в растворы небольшого количества различных дополнительных веществ, регулирующих параметры жидкой среды и условия роста.

Рис. 13.12. Пример очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Структурная химическая формула (вверху), общий вид в растворе (слева внизу), схема (внизу справа)
Рис. 13.13. Схематическое представление образования структур различными поверхностно-активными веществами в водной среде: сферические мицеллы (вверху); стержни, или нити (средний рисунок); пузырьки (внизу). На рисунке показаны разрезы наноструктур, показывающие роль гидрофильных головных групп и гидрофобных концевых групп при взаимодействии с окружающей водной средой

Мягкая нанотехнология отличается исключительной чувствительностью к изменению условий процесса. Стоит добавить немного горячей воды в реакционный сосуд с примесями и жирами, как соотношение компонент чуть-чуть изменится, и в среде начнут образовываться мицеллы совершенно новых форм, а примеси начнут объединяться совсем по-другому. Нанося аккуратно на любую поверхность самую высококачественную эмульсионную краску, необходимо помнить, что через некоторое время структура краски (а следовательно, ее вязкость и другие физико-химические свойства) неизбежно изменится, хотя бы в незначительной степени. Многие такие процессы, относящиеся именно к мягкой нанотехнологии, играют очень важную роль при смешивании компонент коммерчески важных изделий, то есть о них следует постоянно помнить при оценке вкуса и текстуры пищевых продуктов типа шоколада, мороженого или йогурта.

Очень трудно или почти невозможно объективно или точно описывать и оценивать характеристики многих продуктов мягкой нанотехнологии, поэтому до самого последнего времени большинство технологов (например, в производстве продуктов питания) руководствуется просто личным опытом, эмпирическими правилами и секретами производства, передаваемыми из поколения в поколение. Проблема заключается в том, что интересующие нас процессы в этой области осуществляются простой молекулярной самоорганизацией, законы которой нам неизвестны, вследствие чего мы не можем предсказывать изменение характера растущих структур при изменении состава смеси. Кроме того, в косметике или пищевой промышленности вообще очень трудно определить, какой именно получаемый продукт следует считать коммерчески успешным (например, очень трудно угадать, какое именно мороженое потребители сочтут вкусным?). Вкусовые и потребительские предпочтения публики остаются неопределенными и изменчивыми, вследствие чего исследователям и технологам часто даже непонятно, к созданию каких структур им следует стремиться и что является важным для конкретных приложений.

Новейшие методы позволяют использовать более строгие и физически обоснованные параметры оценки качества продуктов мягкой нанотехнологии, например, мы может объективно оценивать их характеристики, применяя методики динамического рассеяния света в веществе, ядерного магнитного резонанса, рентгеновского и нейтронного рассеяния, электронной микроскопии и т. п. Более того, для оценки таких продуктов уже предлагаются и применяются автоматические методы, однако следует помнить, что формулы и исходные оценки должны как-то задаваться человеком-программистом. С другой стороны, развиваются совершенно новые теории восприятия, оценки вкуса и методы компьютерного моделирования поведения, что, возможно, позднее и приведет к революционным преобразованиям в самых консервативных производствах, связанных с мягкими нанотехнологиями.
В заключение хотелось бы отметить еще одно важное обстоятельство. Выше рассказывалось лишь о возможностях использования мягких нанотехнологий в производстве продуктов питания, косметики и других товаров бытового назначения, но читатель не должен полагать, что эти технологии не могут быть применены и для более серьезных целей. Наоборот, многие исследователи считают, что самоорганизация и структурирование нанообъектов в жидкой среде позволит в будущем разработать надежные и дешевые способы промышленного производства новых материалов и очень сложных устройств. Например, фирма IBM уже изучает возможности синтеза наноструктур для электронной промышленности в процессах молекулярной самосборки и блок-сополимеризации. В последнее время наметился еще путь к созданию совершенно новых материалов для электроники, связанных именно с разнообразными «мягкими» или гибкими наноструктурами, подобными описанным выше. Идея метода состоит в том, что получаемые в жидких и эмульсионных средах структуры используются затем в качестве своеобразных шаблонов, или матриц, для производства «жестких» объектов с заданными свойствами. Образуемые при блок-сополимеризации эмульсионные формирования (ячейки, мембраны, пузырьки) могут быть химически стабилизированы и применены в качестве «устройств», обеспечивающих перенос лекарственных препаратов внутри организма (включая введение препаратов внутрь клеток). В целом можно сказать, что методы мягкой нанотехнологии, связанные со стабилизацией разнообразных коллоидных систем (растворы и гели наночастиц) и их дальнейшим использованием, представляют новую и весьма перспективную область исследований. [Читатель, заинтересовавшийся возможностями использования эмульсий, мембран и коллоидных систем для практических целей (особенно в области медицины и биохимии), найдет много полезной и разнообразной информации в книге М. Накагаки «Физическая химия мембран». М., Мир, 1991. Прим. перев. ].

Глава 14 Нанодатчики: разработки, перспективы и разнообразие применения

Дэвид Дж. Нагель, Шарон Смит

Дэвид Дж. Нагель стал ученым лишь в зрелом возрасте, сменив множество занятий. До этого он служил в военно-морском флоте США, дослужившись до звания капитана. Позднее он перешел на работу в Лабораторию военноморских сил США (Naval Research Laboratory, NRL). Его научную деятельность отличает разнообразие интересов, однако основным занятием стало конструирование разнообразных микроскопических устройств и приборов.

В настоящее время Д. Нагель руководит отделом конденсированных сред и радиационных исследований в NRL. Он является автором и соавтором более 150 статей, отчетов и книг по микроэлектромеханическим устройствам и смежным вопросам нанотехнологии.

Шарон Смит возглавляет исследовательское отделение известной фирмы Lockheed Martin в городе Бетеста (штат Мэриленд), где занимается разнообразной научно-технической деятельностью, связанной не только с наукой, но и с внедрением разработок в промышленное производство. Одновременно она руководит группой по изучению возможностей нанотехнологий. До этого Ш. Смит успешно работала во многих фирмах и организациях, связанных с организацией научных исследований, управлением производством и внедрением инновационных разработок в США и Европе. Она обладает огромным опытом и считается выдающимся организатором.

Шарон Смит является автором многих ценных публикаций, входит в состав Объединенного комитета по развитию нанотехнологий в штате Виргиния, а также в Совет по материаловедению национальной Академии наук. Имеет несколько научных степеней в различных областях химии.

Возникновение и развитие нанотехнологий оказало огромное воздействие на многие отрасли науки и техники, однако можно смело утверждать, что наиболее революционные изменения произойдут в производстве и использовании датчиков разных типов. Нанотехнологии создают для разработчиков, производителей и пользователей беспрецедентную возможность одновременно решать все основные задачи данной области, а именно – снизить вес и размеры изделий при уменьшении энергопотребления и повышении специфичности. В данной главе предлагается очень краткое описание возможностей (и, естественно, ограничений) новых технологий, основанных на обработке и использовании свойств вещества на размерах порядка нанометра (одна тысячная доля микрометра). Уже сейчас нанодатчики (включая и те, где возможности новых технологий используются лишь дополнительно) очень широко применяются в промышленности и науке, включая транспорт, медицину, коммуникации, строительство, проблемы обороны и национальной безопасности и т. п. Потенциальные возможности применения различных нанодатчиков представляются просто фантастическими, так как в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут вводиться в отдельные биологические клетки, что позволяет регистрировать, например, конкретное химическое или радиационное воздействие на организм астронавтов или следить за развитием болезни в отдельном органе пациента медицинской клиники [78] . Многие такие устройства сейчас раскручиваются инновационными компаниями, что привлекает внимание «большого бизнеса» как к самой нанотехнологии вообще, так и к коммерческим применениям нанообъектов и наноэффектов.

Огромную роль нанотехнологий в области создания и использования различных датчиков легко понять, если вспомнить, что механизм действия практически всех используемых на практике химических и биологических датчиков основан на регистрации какого-либо взаимодействия на атомномолекулярном уровне. Вообще говоря, нанотехнология сводится к возможности создавать новые функциональные материалы, устройства и целые системы, а также использовать атомно-молекулярные процессы или физические эффекты для практических целей [79] .

Нанотехнологии можно рассматривать в качестве очередного этапа развития науки, направленного к созданию более мелких, более быстрых и более дешевых материалов и устройств. В свое время стремление к миниатюризации технических устройств привело к развитию микротехнологий (читатель может вспомнить поразительное уменьшение электронных, оптических и механических приборов за последние десятилетия), результатом чего, кстати, стало бурное развитие производства датчиков и измерительных устройств самого разного типа. Следующим, современным этапом процесса миниатюризации стало использование интегральных схем, оптоволоконной техники и так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС). В настоящее время нанотехнологии ставят перед исследователями и производственниками еще более интересные и сложные задачи, связанные с дальнейшим уменьшением масштабов действия и процессов, что обещает существенный прогресс в науке и технологии.

Общая тенденция к уменьшению размеров строительных «блоков» привела науку к использованию в качестве таких элементов отдельных молекул и даже атомов, что означает, кстати, сближение и слияние технологических процессов разного типа. В этой связи стоит отметить, что в настоящее время наблюдается сближение или синтез различных научных дисциплин, общий смысл которого пока трудно уловить (например, мы наблюдаем явное объединение нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий в единое целое). Такое «перекрывание» и наложение наук должно приводить, как говорят физики, к синергическому эффекту, то есть их взаимодействию, усилению и созданию новых возможностей технологического развития.

14.1. Возможности

Интерес к нанотехнологиям возник в результате нескольких фундаментальных научных достижений конца XX века, первым из которых следует считать прямую возможность точной манипуляции отдельными атомами, ставшую возможной после создания так называемых атомно-силовых зондовых (или сканирующих) микроскопов (SPM). Следующим важным фактором развития новой науки стала возможность синтеза или производства в больших количествах наночастиц, или нанокластеров определенного вида (например, серебра или золота). В дальнейшем общее внимание к наноматериалам и устройствам на их основе привлекло то, что новые вещества и структуры проявляли совершенно неожиданные свойства, связанные с квантовыми и поверхностными эффектами. Наглядными примерами таких научно-технических «сюрпризов» стали абсолютно непривычные новые объекты типа квантовых точек с неожиданными оптическими свойствами и т. п.

Другим важным достижением в этой области стал синтез так называемых углеродных нанотрубок (CNT), представляющих собой очень узкие пустые цилиндры, образованные сеткой углеродных атомов. Уже синтезировано множество типов таких однослойных и многослойных CNT, потенциальные возможности которых кажутся совершенно фантастическими. Даже представленные на рис. 14.1 структуры из самых простых однослойных углеродных нанотрубок могут (в зависимости от структуры и точной ориентации атомов углерода) являться либо проводящими (как металлы), либо полупроводниковыми материалами. Учитывая то, что свойства CNT могут дополнительно регулироваться условиями роста, конкретными схемами соединения и т. п., понятно, что они представляют собой новый класс уникальных материалов для полупроводниковой техники вообще и для датчиков в частности. Углеродные нанотрубки находят самое неожиданное применение как в качестве независимых элементов структуры, так и в сочетании с другими, уже известными элементами.

Рис. 14.1. Углеродные нанотрубки могут образовывать множество структур, способными быть и проводниками (металлами), и полупроводниками (рисунок предоставлен Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)
Эти серьезные и весьма перспективные открытия привели к тому, что за очень короткое время (примерно с 1997 по 2003 год) финансирование нанотехнологий многократно увеличилось [80] . Стремительный рост капиталовложений продолжается, и значительную его часть составляют вложения в развитие и производство разнообразных датчиков. По некоторым оценкам, к 2009 году объем рынка датчиков с использованием нанотехнологий может составить около 0,6 миллиарда долларов [81] , а под другим – даже 2,7 миллиарда долларов в 2008 году [82] . Конкретные показатели в данном случае не очень важны, поскольку несомненно речь идет о действительно перспективной и бурно развивающейся отрасли промышленности, связанной с новейшими научно-технологическими разработками.

14.1.1. Неотвратимое объединение

Исторически мы привыкли рассуждать о технологиях, оперируя привычными представлениями о различиях между материалами, устройствами и системами. Между тем развитие науки и техники за последние десятилетия явно свидетельствует о том, что происходит некий процесс сближения (или слияния) различных типов технологий. Например, во многих современных приборах уже сейчас трудно провести границу между оптической и микромеханической частью устройства. Эта тенденция явно расширяется, так как новейшие технологии (особенно в микроэлектронике) все чаще позволяют придавать некоторые требуемые свойства непосредственно в печатных схемах или материалах подложки, то есть «вводить» их внутрь устройства, что размывает по смыслу классические представления о различии между материалом и изготовляемым из него изделием. В так называемых микроэлектромеханических системах (МЭМС) используются весьма сложные и многофункциональные так называемые умные (или интеллектуальные) наноматериалы, которые часто и образуют то, что мы привыкли называть устройством. Как остроумно заметил один из основателей фирмы Nanosys Ларри Бок: «В нанотехнологии следует говорить о сложности не системы, а составляющего ее материала» [83] .

В настоящее время исследователи всерьез задумываются о том, какими новыми терминами и представлениями следует обозначать и описывать, например, процессы и явления, при которых нанометрические структуры (включающие в себя лишь очень небольшое число молекул и электронов) оказываются способны перерабатывать и хранить огромный объем информации. Для записи и получения информации иногда стали применяться методики, которые раньше использовались лишь для описания физического состояния отдельной молекулы (флуоресценция и т. п.) или даже положения отдельных звеньев полимерной цепочки. Эти принципиально новые подходы позволяют доводить плотность записи информации до фантастических пределов (1 триллиона бит на квадратный дюйм), которые не имеет смысла даже сравнивать с плотностью записи на современных магнитных носителях [84] .

Создание реальных технических устройств на этой основе представляет собой очень интересную задачу, но несомненным результатом внедрения новых методов станет массовое производство разнообразных «умных» и крошечных по размерам датчиков с ничтожным энергопотреблением. Процессы широкого внедрения нанодатчиков затронут многие области науки, техники, общественной жизни и т. п. Из наиболее очевидных областей применения можно отметить слежение за текущим состоянием самых разных систем (например, биологических или экологических), развитие космической техники и т. д.

Подготовка производства нанотехнологических датчиков естественным образом разделяется на отдельные задачи или этапы, включающие в себя получение необходимых материалов, изготовление или выращивание на их основе необходимых нанообъектов и, наконец, создание самого специфического датчика в виде конструкции с заданной функциональностью, правильной геометрией и т. п. Три указанных направления исследований (материалы, способы их обработки, создание самих датчиков) теоретически удобно описывать, пользуясь абстрактной трехмерной системой координат, показанной на рис. 14.2. При необходимости этот подход позволяет сводить в единое целое и анализировать разнородные данные по типам используемых материалов, методам обработки или синтеза и конкретным измерениям, осуществляемым датчиками. Положения точек в такой системе отвечают на основные вопросы любого производства (что? как? с какой целью?). Очевидно, что из определенного типа материалов можно изготовить разные виды датчиков, а требуемый параметр можно измерить различными датчиками на основе разных материалов.

Рис. 14.2. Схематическая связь между материалами, процессами их обработки и создаваемыми на этой основе датчиками

14.1.2. Методы обработки материалов

Читатель наверняка знаком с общим делением технологических процессов на нисходящие (сверху вниз) и восходящие (снизу вверх), поэтому мы не будем давать лишних пояснений. В последние десятилетия нисходящие технологии непрерывно развивались, что и привело к созданию микротехнологий, естественным образом переходящих в нанотехнологии. В настоящее время наиболее развитые технологии этого типа используются в электронике и позволяют создавать очень сложные интегральные схемы, используя литографию, травление и технику осаждения. Постепенно совершенствуя эти классические технологии, специалисты микроэлектроники добилась фантастических успехов. Достаточно упомянуть, что толщина «проводов» в современных микросхемах уже достигла 100 нанометров и продолжает уменьшаться. Миниатюризация сверху вниз используется и при создании весьма популярных сейчас МЭМС, причем очень часто новые устройства используются именно для дальнейшей миниатюризации деталей (подобно тому как на обычном токарном станке создаются детали для сборки значительно более мелких устройств).

Нанотехнологии вообще возникли в результате совершенствования и развития методов и процессов сверху вниз, которые дошли до своего практического предела, когда предметом манипуляций стали отдельные атомы и молекулы. Стоит вспомнить, однако, что в природе существуют и разнообразные восходящие (снизу вверх) процессы и методики, наиболее распространенной из которых является молекулярная самосборка (самоорганизация), когда при определенных условиях атомы и молекулы сами объединяются в более крупные структуры [85] . Это заставило ученых и технологов задуматься о возможности организации производства на основе самосборки или так называемой направленной сборки на атомномолекулярном уровне [86] . Регулирование таких процессов является исключительно сложной научно-технической задачей, поскольку требует от исследователя умения «выращивать» вещество требуемого вида в геометрически правильной форме и в заданных местах. Существует и возможность сочетания нисходящих и восходящих технологий, что дает проектировщикам дополнительные возможности для создания материалов, устройств и инструментов. Кроме того, при создании новых видов датчиков могут комбинироваться технологии разного уровня (например, микро– и нано-) или типа.

14.1.3. Разнообразие наноматериалов

Использование наноматериалов и структур предоставляет конструкторам много принципиально новых возможностей для создания датчиков, что обусловлено, прежде всего, следующим важным обстоятельством, имеющим прямое отношение к нанотехнологиям вообще. Строго говоря, большинство практически используемых датчиков (особенно химических и биологических) по своему назначению должны осуществлять две (в сущности, разные) задачи, а именно – выявлять в окружении молекулы определенного типа и каким-то образом преобразовывать полученную информацию (то есть сам факт выявления) в некий сигнал, передаваемый или регистрируемый достаточно просто и быстро. Нанотехнологии позволяют исследователям совершенно по-новому решать обе эти задачи, что предоставляет разработчикам неожиданные возможности, принципиально превосходящие те, которые предоставляли МЭМС и другие типы микродатчиков.

В связи с этим стоит отметить и то, что в нанотехнологиях пока (в силу молодости новой науки!) используются в основном лишь химически однородные типы материалов или структур. Ситуацию можно уподобить еще недавно существовавшей в обычном материаловедении, до появления так называемых композиционных материалов, представляющих собой сочетание разнородных физико-химических компонент или веществ (типа армированных стеклопластиков и т. д.). Нет никаких препятствий к созданию, изучению и использованию в будущем различных сочетаний разнородных наноматериалов. Как и в случае обычных, объемных материалов и веществ, мы можем получить большое число новых материалов (зачастую с неожиданными характеристиками), просто комбинируя имеющиеся вещества. Разумеется, число комбинаций стремительно увеличивается при создании композиций из возрастающего числа веществ, однако даже для двух типов материалов количество возможных сочетаний выглядит внушительно, что и показано на рис. 14.3. Увеличение числа используемых веществ одновременно создает новые возможности для физико-химической обработки материала и его потенциального применения, поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы мы станем свидетелями создания разнообразных композиционных материалов, разрабатываемых специально для производства нанодатчиков с новыми функциями и возможностями.

Рис. 14.3. Возможные бинарные сочетания различных нанообъектов при создании композиционных материалов. В верхнем ряду представлены так называемые нульмерные (0-D) наноматериалы, во втором – одномерные (1-D), в третьем – двухмерные (2-D), а в нижнем – трехмерные (3-D). Сочетания этих объектов позволяют теоретически говорить о 28 возможных типах композиционных материалов

14.1.4. Новые типы инструментов и приборов

Отдельного рассмотрения заслуживает следующий аспект развития нанотехнологий вообще и датчиков в частности. В настоящее время благодаря развитию и применению новейших физических методов (типа синхротронного излучения и ядерного магнитного резонанса) можно легко установить структуру многих сложных молекул. Проблема состоит в том, что простое знание об атомарной структуре на наноуровне является зачастую недостаточным, поскольку для исследований (и для работы датчиков в особенности) необходимо оценить степень взаимодействия атомов и обеспечить преобразование полученной информации в выработку соответствующего сигнала, вызывающего срабатывание датчика, и т. д. Определение сил взаимодействия на атомно-молекулярном уровне является очень сложной задачей, поскольку их пока невозможно определить экспериментально, а можно лишь рассчитать, используя весьма сложные программы и алгоритмы. Поэтому новейшие типы нанотехнологических датчиков могут работать лишь при условии существенной «поддержки» в виде достаточно мощных компьютеров с соответствующим программным обеспечением. Уже сейчас в нанонауке широко используются вычислительные методы молекулярной динамики, квантовой химии и т. п., а в будущем такие методы могут стать важным средством создания разнообразных датчиков, основанных на использовании нанотехнологий [87] .

14.2. Реальное состояние исследований в настоящее время

Всеобщий ажиотаж относительно блестящих перспектив нанотехнологий не должен скрывать того простого факта, что разработка и внедрение нанодатчиков требуют от исследователей решения еще очень многих сложных проблем. Некоторые из них относятся к конкретным научным задачам (в физике, химии, биологии и т. д.), а некоторые – к техническим, производственным и организационным. Например, любое использование наноустройств подразумевает их совмещение с уже существующими макроскопическими устройствами и приборами для обеспечения контроля над потоками вещества, энергии и информации. Даже простая калибровка нанодатчиков (или наноустройств вообще) представляет собой трудную задачу, поскольку речь идет об анализе очень небольшого количества измеряемых или реагирующих веществ. Кроме того, нельзя забывать, что общие размеры новых датчиков будут определяться не самими измерительными структурами и устройствами (которые при использовании нанотехнологий являются пренебрежимо малыми), а размерами сопутствующего и вспомогательного оборудования, в которое по-прежнему должны входить какие-то запоминающие и вычислительные устройства, радиочипы и (что особенно важно!) источники питания и антенны. С этими проблемами уже давно сталкивались разработчики микродатчиков, и использование нанотехнологий в некоторых случаях лишь усложнило их решение и показало сложность возникших задач.

14.2.1. Реальные проблемы проектирования нанодатчиков

Как отмечалось чуть выше, многие проблемы развития нанодатчиков просто повторяют те, с которыми разработчики сталкивались и продолжают сталкиваться при создании устройств, которые раньше именовались мини– или микродатчиками. В первую очередь речь идет об обеспечении интерфейса, то есть переходника между микроскопическим устройством и макроскопической системой регистрации. Наличие любого интерфейса автоматически подразумевает существование потоков (в термодинамическом смысле) электрических, механических, химических и других величин, не говоря уже о «шумах», связанных с процессами переноса. Работа любого датчика основана именно на регистрации таких потоков, поэтому, естественно, проблема детектирования особенно усложняется, когда они являются очень слабыми, то есть когда речь идет о регистрации ничтожных химических, электрических или акустических сигналов. Часто исследователям при регистрации сигналов от очень малых систем приходится применять крупногабаритное оборудование, позволяющее немного снизить уровень шумов (например, за счет понижения температуры и т. п.).
Анализ состава и состояния потоков особенно важен для химических и биологических датчиков, действие которых основано на быстром опознавании и регистрации состава сложных газовых и жидких сред. Разработчики таких устройств постоянно озабочены тем, что высокочувствительные и тщательно «спланированные» на наноуровне регистрирующие поверхности (именно они выступают часто в качестве интерфейса) могут легко разрушаться не только под воздействием регистрируемых соединений, но и просто под воздействием температуры, внешнего давления и т. п. С другой стороны, нанотехнологии предлагают уникальную возможность создания и практического использования огромного числа датчиков широкого профиля, то есть создание распределенной системы, в которой часть нанодатчиков может постоянно уничтожаться в процессе эксплуатации (образно говоря, погибать) без снижения эффективности общей способности системы к отслеживанию ситуации.
14.2.2. Риски коммерциализации

Развитие любой научно-технической идеи через инженерную разработку к производству коммерческого продукта представляет собой очень сложный многоступенчатый процесс при любых масштабах создаваемых устройств, но это общее правило особенно справедливо для внедрения новейших нанотехнологических технологий. Проблема коммерциализации наноизделий не сводится к обычному недоверию к новым товарам и процессам, а частично обусловлена тем, что исходные наноматериалы остаются пока достаточно дефицитными, и это, естественно, приводит к высокой стоимости производства новых систем или устройств. Постепенно цены на исходные материалы понижаются, однако существующая ситуация не позволяет малым компаниям быстро развертывать производство и получать прибыль, необходимую для дальнейшего развития. С конкретными проблемами коммерциализации нанодатчиков читатель может ознакомиться, прочитав один из последних обзоров по этой теме [88] .

14.3. Разнообразие возможностей

В настоящее время выпускается лишь небольшое число датчиков, которые могут быть с полным правом названы нанотехнологическими (и вообще можно считать, что эта область промышленного производства находится на самой ранней стадии развития), однако некоторые тенденции и особенности представляются ужедостаточно ясными. Ниже приводятся некоторые конкретные примеры, демонстрирующие возможности и перспективы использования нанотехнологий для создания разнообразных датчиков (или сенсоров) для регистрации физических, химических и биологических параметров окружающей среды. Интересно, что первоначально разработчики пытались использовать нанодатчики почти исключительно для измерения физических величин, и лишь позднее выяснилось, что они представляют также научную и практическую ценность в химии, биологии, охране окружающей среды и медицине. Именно в этих направлениях сейчас ведутся наиболее интенсивные научно-технические исследования, некоторое представление о которых дает обзор Во-Дина и др. [89] , посвященный возможностям нанодатчиков и так называемых биочипов для детектирования биомолекул. Стоит отметить, что внимание к разработке нанодатчиков стали проявлять в последнее время многие крупные корпорации, связанные с этой тематикой.

14.3.1. Физические датчики

На рис. 14.4 показан один из самых первых нанодатчиков, созданный сотрудниками Технологического института штата Джорджия специально для демонстрации поразительных электрических и механических свойств нанотрубок [90] . Это устройство представляет собой самые маленькие «весы» в мире, позволяющие измерять вес отдельных биологических молекул, причем показанная на рисунке нанотрубка играет роль упругого стержня в аналогичных механических устройствах. Под действием нагрузки (например, при закреплении на ее конце маленькой заряженной частицы) резонансная частота колебаний трубки несколько изменяется, что позволяет измерять массу частицы с удивительной точностью. Авторы планируют создать на этой основе измерительные устройства для взвешивания молекул и т. п.

Рис. 14.4. Резонансная частота колебаний нанотрубки несколько смещается после закрепления на ее конце наночастицы, что позволяет определить массу частицы со сверхвысокой точностью (микрофотография предоставлена Уолтером де Хиром из Технологического института, штат Джорджия, Атланта)

На рис. 14.5 показана схема и характеристики субмикронного механического электрометра, созданного Клиландом и Руксом из Калифорнийского технологического института [91] . Это новейшее нанотехнологическое устройство позволяет измерять величину заряда с точностью, превышающей заряд отдельного электрона в пересчете на ширину полосы пропускания (~0,1 электрон/sqrt (Гц) при 2,61 МГц), что значительно выше показателей всех существующих полупроводниковых устройств данного типа.

Рис. 14.5. Нанометрический механический электрометр состоит из торсионного механического резонатора, детекторного электрода и электрода затвора, связывающего заряд с механическим устройством (печатается с разрешения, © Nature Publishing Group)

14.3.2. Химические датчики

За последние несколько лет появилось много публикаций, посвященных созданию новых типов газовых датчиков на основе нанотрубок. Например, группа Моди и др. [92] на основе углеродных нанотрубок создала миниатюрный ионизационный газовый детектор, который авторы предлагают использовать в газовой хроматографии. Группа авторов во главе с Гримсом [93] предлагает измерять концентрацию водорода в атмосфере, пользуясь целой сетью автономных датчиков в виде нанотрубок из двуокиси титана. Сообщается [94] о создании химических датчиков на молекулярных нанопроволоках для регистрации некоторых газовых молекул (например, NO2 и NH3), а в одной из последних публикаций предлагалось «впечатывать» углеродные нанотрубки в гибкие пластиковые покрытия и использовать их для регистрации паров органических соединений [95] .

Другим направлением проектирования датчиков стало создание и использование так называемых наноразмерных кронштейнов (консолей). Например, в работе Дацкоса и Тундата [96] такие нанокронштейны были сформированы технологией фокусированных ионных пучков, а затем движение кронштейнов преобразовывалось в электронные сигналы. На рис. 14.6 показана решетка таких датчиков, которая обладает исключительно высокой чувствительностью и способна регистрировать наличие индивидуальных химических и биологических молекул. Показано, что датчики с кронштейнами могут быть созданы и из модифицированных нанолент ZnO, описанных в предыдущем разделе [97] .

Рис. 14.6. Решетка из химических датчиков с МЭМС-кронштейнами и электронной схемой преобразования сигналов. Фотогафия предоставлена Томасом Дж. Тундатом, Национальная лаборатория Оак-Ридж

14.3.3. Биодатчики

Нанотехнологии предоставляют множество возможностей для создания высокочувствительных и избирательных датчиков, регистрирующих самые разные виды биомолекул. В настоящее время уже существует технология производства цилиндрических стержней из металлических секций длиной от 50 нм до 5 мкм, получившие название Nanobarcodes. Такие наночастицы формируются последовательным электрохимическим восстановлением ионов металла на подложке из окиси алюминия, и они имеют самое различное применение. В частности, на их поверхность могут быть нанесены аналитические препараты и соединения (например, антитела), позволяющие избирательно регистрировать наличие в среде сложных молекул заданного типа. Схема действия устройств (этот механизм можно назвать наномасштабным «кодированием»), показанная на рис. 14.7, основана на оптическом сигнале, возникающем при избирательном связывании молекул на заданном участке, содержащем требуемые реагенты. Уже сейчас датчики этого типа способны регистрировать наличие молекул ДНК.

Рис. 14.7. Оптическое детектирование биомолекул, избирательно связываемых с антителами на заданном участке наночастиц типа Nanobarcodes
Исследователи из Центра НАСА имени Эймса предложили еще один подход для регистрации молекул ДНК [98] , в котором углеродные нанотрубки диаметром 30–50 нм в огромных количествах (миллионы трубок) располагаются вертикально на поверхности кремниевого чипа или кристалла, как показано на рис. 14.8. На вершины трубок наносятся так называемые «зонды», специфичные к определенным ДНК. При погружении такого чипа в жидкость, содержащую смесь ДНК, происходит связывание соответствующих ДНК на подложке (субстрат) и в растворе (мишень), что регистрируется по изменению электрической проводимости. Метод требует доработки (в частности, доведения чувствительности до уровня техники флуоресцентных меток), однако ожидается, что на его основе удастся создать новые портативные датчики.

Рис. 14.8. Вертикально направленные углеродные трубки на поверхности кремниевого чипа. Молекулы ДНК на концах нанотрубок способны специфически связывать (то есть регистрировать) определенные типы ДНК или другие вещества в анализируемом растворе (иллюстрация предоставлена Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)

14.3.4. Датчики массового и военного применения

В настоящий момент мы являемся свидетелями интересной картины все более широкого практического распространения наноматериалов и устройств в окружающем мире, наглядным примером чего может служить производство и использование специализированных датчиков SnifferSTAR. Это наноустройство является не только одним из первых представителей целого поколения новых датчиков, но и демонстрирует уникальные возможности новых технологий, так как объединяет в себе два совершенно разных устройства: наносистему сбора и концентрирования изучаемых веществ и так называемую лабораторию на чипе (lab-on-a-chip), способную осуществлять быстрый и эффективный анализ собираемых образцов [99] . Как показано на рис. 14.9, устройство легко монтируется на миниатюрных беспилотных летательных аппаратах и обладает целым набором преимуществ, позволяющих широко использовать его для обнаружения в атмосфере различных соединений и веществ. Устройства такого типа могут быть очень полезны при решении различных задач, связанных с обороной и общественной безопасностью (детектирование боевых и отравляющих веществ, быстрый анализ экологической обстановки и т. п.).

Рис. 14.9. Использование химических нанодатчиков в сочетании с миниатюрными беспилотными летательными аппаратами. Видеоматериал предоставлен Национальной лабораторией Скандия (Альбукерке, штат Нью-Мексико) и фирмой Lockheed Martin Corporation
К настоящему моменту определился довольно широкий круг областей науки, техники и общественной жизни, в которых использование нанодатчиков представляется перспективным, и работы по их внедрению уже начаты. К этим отраслям следует отнести транспортные и коммуникационные системы всех видов (включая космические), городскую инфраструктуру, системы, связанные с медицинским и экологическим мониторингом (контроль состояния, учет и т. п.), робототехнику. Возможности массового использования нанодатчиков постоянно растут, не говоря уже о том, что возрастает объем и разнообразие выпускаемых наноматериалов. Производящие новые материалы фирмы крайне заинтересованы в коммерческих и военных приложениях своей продукции, а массовое производство датчиков позволяет создать весьма интересный и важный сектор рынка.

В целом можно констатировать, что внедрение нанотехнологий в промышленное производство датчиков началось и это направление развития новейших технологий является весьма перспективным. Разработчики аппаратуры добились больших научных успехов, однако для создания настоящего коммерческого рынка им предстоит преодолеть ряд серьезных препятствий, связанных как со стоимостью используемых материалов и создаваемых устройств, так и с повышением их надежности. Кроме того, конструкторам следует обратить внимание на придание нанодатчикам соответствующей формы и их совмещение с уже существующей техникой. В ближайшие годы, по-видимому, процесс производства и внедрения нанодатчиков может приобрести массовый характер, и они начнут использоваться для контроля самых малых и распространенных объектов. Некоторые специалисты мечтают о введении нанодатчиков в отдельные клетки организма и т. п., другие ставят перед собой очень серьезные научные задачи, надеясь, что датчики нового типа позволят им количественно и качественно изучать процессы молекулярного взаимодействия, наблюдать кинетические явления на атомно-молекулярном уровне и т. д. В практической жизни можно ожидать, что очень крупные системы будут снабжаться огромным числом встроенных или вмонтированных нано– и микродатчиков, которые позволяют, с одной стороны, отслеживать состояние отдельных материалов или элементов системы, а с другой – анализировать общее состояние системы и эффективность ее работы.
Обобщая сказанное, хотелось бы подчеркнуть, что нанотехнологии представляют специалистам в области создания датчиков, сенсоров и всех других контрольно-измерительных приборов и элементов уникальные (можно даже сказать, исторические) возможности весьма существенного повышения эффективности уже существующих устройств, а также создания множества новых разнообразных датчиков для промышленного и коммерческого внедрения. В заключение следует указать, что эта глава написана на основе статьи «Нанотехнологические датчики: возможности, реальные достижения и приложения», опубликованной в ноябрьском номере (2003 год) журнала Sensors (www.sensorsmag.com).

Глава 15 Микроэлектроника

Вот уже несколько десятилетий микроэлектроника является одной из главных движущих сил развития науки и промышленности, обеспечивая непрерывный рост возможностей и эффективности вычислительной техники, а также создание огромного разнообразия все более дешевых и коммерчески привлекательных товаров. Характерной особенностью ее развития является знаменитый закон Мура (предложенный еще в 1965 году Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel), в соответствии с которым плотность монтажа транзисторов на чипе должна возрастать примерно вдвое каждые два года. Этот закон давно стал символическим «метрономом», определяющим темпы развития микроэлектроники, и публика настолько привыкла к его существованию и справедливости, что некоторые экономисты даже используют его при оценках роста производства конкретных полупроводниковых товаров или объема будущих секторов рынка, связанных с коммерческими изделиями на их основе.

При всем уважении к этому закону, необходимо признать, что эта парадигма развития уже исчерпала себя, а развитие транзисторов и других полупроводниковых устройств в соответствии с законом Мура упирается в ограничения физических законов природы. Кривая, описывающая параметры микроэлектронных устройств, неизбежно выходит на пологую часть так называемой S-образной кривой роста, а единственным (и очень удачным) выходом из создавшего положения представляется развитие нанотехнологий, способных обеспечить дальнейший прогресс вычислительной техники. Однако следует помнить, что основу промышленности составляют огромные компании, имеющие собственные корпоративные интересы и обладающие гигантскими производственными мощностями, стоимость которых трудно представить. Несмотря на всеобщую заинтересованность в новых технологиях, такие корпорации никогда не станут экспериментировать с инновациями, то есть вкладывать большие деньги в развитие нанотехнологий, пока не получат убедительных доказательств их действенности и способности приносить прибыль.

В этой главе обсуждаются общие вопросы состояния микроэлектронной промышленности, стратегия развития нанотехнологических производств, а также коммерческие перспективы некоторых новых устройств и товаров. В конце главы рассматриваются возможности фотоники, которая сейчас выступает одним из главных претендентов на роль того «лидера» среди существующих технологий, который сможет обеспечить дальнейший прогресс вычислительной техники в соответствии с критериями закона Мура.

15.1. Стратегия производства нанотехнологических продуктов

Джордж Томпсон

Джордж Томпсон возглавляет группу стратегического планирования (Technology Strategy Group) в известной фирме Intel. Ранее он успешно занимался разработкой и внедрением в производство новых материалов и продуктов, организовал несколько крупномасштабных производств. Область его научных интересов довольно широка и включает в себя полупроводниковую технику, прикладную оптику, твердотельные лазеры, молекулярную спектроскопию и т. д. Дж. Томпсон имеет докторскую степень по физической химии.

Реальное использование нанотехнологий зародилось в производстве микроэлектроники, поэтому данная глава книги представляет собой попытку оценить стратегические подходы к коммерческому внедрению нанопродуктов и нанообъектов на основе предыдущего опыта, накопленного именно в микроэлектронике при производстве новых товаров в очень крупных объемах (это и соответствует духу закона Мура). Поэтому глава начинается с общих рассуждений о возможностях внедрения новых технологий и коммерциализации новых продуктов, после чего рассматриваются вопросы, связанные с внедрением собственно нанотехнологий и их особенностями.

История техники знает множество примеров, когда внедрение блестящих новых технологий приводило инициаторов к очевидному коммерческому провалу при выпуске новых товаров, поэтому рассмотрение вопросов стратегии производства нанопродуктов стоит начать с оценки состояния существующего рынка и возможностей, которые предлагают новые технологии. Серьезные коммерсанты никогда не станут фундаментально менять существующую технологию, не убедившись предварительно, что это изменение способно привести к реальным прибылям и преимуществам в конкурентной борьбе. Любая корпорация, занимающаяся инновационными проектами в области нанотехнологий, начинает свою деятельность с серьезной оценки состояния рынка по нескольким позициям. При этом основной проблемой, конечно, выступает вероятность коммерческого успеха запускаемого продукта, поскольку совершенно очевидно, что большинству покупателей и потребителей безразлично, какие конкретно технологии используются при производстве данного товара. Технология (как таковая) не имеет никакого значения для коммерческого рынка и приобретает некую ценность, воплотившись в конкретный товар, пользующийся повышенным спросом.

С коммерческой точки зрения, выбор стратегии определяется отношением к новой технологии. Речь идет о том, что любой коммерсант и инвестор, занимающийся инновационной деятельностью, должен решить для себя основной вопрос: относится ли он к новой технологии лишь как к средству временного, частичного, одноразового улучшения своей продукции или считает ее важным изменением всей существующей системы производства товаров данного класса. Кратковременные и случайные изменения в технологии можно назвать статическими (поскольку они не меняют существенно состояния рынка и уровня производимых товаров), а долговременные и революционные изменения технологий следует называть динамическими, так как именно они в конечном счете определяют развитие науки, техники, производства и бизнеса. Можно даже сказать, что способность отличать простые изменения технологий от революционных преобразований (то есть оценивать масштабы предлагаемых нововведений) является наиболее важной для бизнесмена, связанного с инновационными проектами. Проблеме можно придать философский и психологический смысл, так как любому человеку приходится решать подобные задачи в обычной жизни, пытаясь угадать, является ли какое-то событие (например, встреча с незнакомцем) простой случайностью или поворотным, судьбоносным моментом биографии? С деловой точки зрения это означает, что бизнесмен должен угадать, стоит ли вкладывать небольшие деньги в кратковременные улучшения выпускаемого товара или следует вложить сразу большую сумму в коренную перестройку всего производства.

Предлагаемые нанонаукой процессы и материалы, конечно, относятся к тем революционным и прорывным технологиям, закономерности развития которых очень трудно угадать (можно лишь с уверенностью предсказать, что на этом пути нас ожидают большие неожиданности). Сложность и революционность новых технологий чрезвычайно затрудняют попытки специалистов (и экономистов, и технологов) выработать какую-нибудь разумную стратегию в области коммерциализации нанотехнологий. Поэтому имеет смысл обсудить сначала более простую и распространенную ситуацию, когда новая технология внедряется производство или сбыт какого-то продукта или товара. Естественно, коммерческая ситуация определяется, в первую очередь, стадией так называемого жизненного цикла товара, на которой осуществляется внедрение (понятно, что о новой технологии стоит задуматься на стадии инженерно-конструкторских разработок, а не перед массовым выпуском товара на рынок). Обычно производство любого товара связано с целым набором различных технологий и материалов, не говоря уже о таких иррациональных мотивах коммерческого производства, как мода, реклама и фантастические проекты завоевания рынка.

Даже в самом простом случае, когда речь может идти о применении новых материалов и веществ в уже выпускаемых товарах, возникают серьезные проблемы конкурентоспособности новой технологии по отношению к аналогичным изделиям, исходя из сложных соотношений между степенью улучшения продукта и стоимостью его производства. Обычно предполагается, что потребители быстро отметят реальные преимущества новых продуктов по качеству и стоимости, что позволит производителям быстро захватить целые секторы коммерческого рынка. Однако при этом следует учитывать, что на практике популярность новых товаров вовсе не определяется только стоимостью и качеством. Реальная коммерческая ценность и объем продаж новых продуктов зависят от множества побочных и внешних факторов, помимо очевидных стоимости и качества. В число этих факторов входят функциональность, внешняя привлекательность товара, форма и размеры, надежность, система доставки и обслуживания, стоимость эксплуатации, потребление электроэнергии, необходимость в охлаждении и множество других требований, о которых прекрасно знают коммивояжеры и специалисты по сбыту. Кроме того, при внедрении любого нового товара нельзя забывать о неожиданной возможности возникновения разных юридических и этических затруднений, связанных с опасностью для здоровья, экологией, безопасностью и т. п.

Приступая к планированию, то есть созданию бизнес-плана или так называемого технологического «путеводителя» для возможного внедрения нанотехнологий в схему производства уже существующих товаров, экономист должен прежде всего тщательно изучить основные характеристики нового продукта или материала, а также оценить потребности рынка вообще в новых товарах. Выработка стратегии требует точного перечисления и оценки всех свойств нового материала или процесса, что позволит команде разработчиков определить направления работы. Известно, что рабочее задание команде исследователей иногда дается в очень общей форме (в шутку это именуется выбором между проектированием грузовика или гоночного автомобиля), однако в случае нанотехнологий задача может носить совсем иной характер и состоять, например, в поиске сфер возможного применения совершенно нового, никому не известного материала или технологического процесса! Любые оценки такого рода являются рискованными и ненадежными, но без ясного представления о потребностях рынка, желаниях потребителей и возможностях новых запросах инновационный проект обречен на провал.
Чрезвычайно полезно для планировщиков и дизайнеров составлять полные перечни характеристик продукта и запросов покупателей (такие перечни следует составлять при планировании производства и грузовиков, и гоночных автомобилей), так как это позволяет выявить как явные, так и скрытые возможности новых технологий. Вообще, планировщикам и экономистам следует помнить, что теоретически любой товар или продукт представляет собой специфический «набор свойств», который должен быть достаточно привлекательным для потребителей и обеспечивать при заданной стоимости разумную прибыль фирме-производителю и акционерам.
15.1.1. Возможные перспективы

Ниже описываются некоторые особенности новых материалов и объектов, которые могут служить основой для оценки возможностей применения нанотехнологий, однако читатель должен помнить, что эти технологии переживают сегодня период динамического роста и развития. Поэтому любые перспективы в этой области остаются туманными, однако, вообще говоря, именно нанотехнологии являются сейчас стратегическим направлением развития микроэлектронной промышленности. Более того, планировщики всегда должны думать и том, каким образом принятые ими решения могут влиять на развитие самих новых технологий.

Технический и экономический прогноз дальнейшего развития требует понимания и оценки специфических особенностей нанотехнологий и тех характеристик будущих продуктов, которые могут быть обеспечены новыми методами. Серьезный проектировщик должен задуматься также о пересмотре самих характеристик микроэлектронных устройств, поскольку новые технологии могут сделать некоторые из них ненужными. Кроме того, следует помнить, что внедрение нанотехнологий приведет к острой конкурентной борьбе между производителями, что само по себе может изменять параметры рынка сбыта.

В идеальном варианте развития нанотехнологий можно ожидать, что они приведут к дальнейшему непрерывному улучшению свойств выпускаемых товаров, что будет достойно оценено потребителями и заказчиками продукции. В качестве наглядного примера такого непрерывного роста и развития можно привести полупроводниковую промышленность, которая несколько десятилетий снабжала рынок (постоянно возрастающий по разнообразию товаров и объему сбыта) новыми, все более совершенными устройствами. Новые изделия оказывались быстрее, лучше и дешевле, что позволяло бизнесменам и производителям постоянно создавать новые рынки, новые потребности и новые товары, непрерывно наращивая объемы производства и сбыта. Читатель может вспомнить непрерывный процесс замены старых компьютеров на новые, более быстродействующие, эффективные и привлекательные.

Полупроводниковая промышленность смогла обеспечить этот беспрецедентный рост производства, непрерывно повышая качество изделий и столь же непрерывно снижая их стоимость лишь за счет невиданного научнотехнического прогресса в микроэлектронике (транзисторы каждого нового поколения не только значительно превосходили предыдущие по миниатюрности и быстродействию, но и одновременно оказывались более дешевыми). Рост качества и удешевление производства создавали возможности для значительного расширения производства, увеличения объема продаж и получения прибыли, часть которой вновь возвращалась в полупроводниковую технику в виде дополнительных инвестиций в исследовательские работы, разработку новых технологий, создание инфраструктуры и т. д. Такой механизм взаимного усиления и упорядочения процессов физики называют синергетикой, и именно такая модель стала основой невиданного расцвета полупроводниковой техники. Еще раз повторю, что это стало возможным лишь благодаря действию закона Мура, то есть такому течению научнотехнического развития, когда плотность монтажа электронных схем действительно длительное время возрастала со стандартной скоростью (а именно, примерно удваивалась каждые два года). Обобщая сказанное, можно предположить, что в этой закономерности заключается некая естественная синергетическая связь между размерами и качеством электронных устройств, которая и обеспечила в последние десятилетия невиданный расцвет бизнеса и экономики в области электронных технологий.

15.1.2. Определение синергетических связей

Любому технологу, занявшемуся проблемами стратегического планирования в рассматриваемой области, необходимо выяснить прежде всего, какое сложное (синергическое) воздействие может оказать внедряемая технология на свойства и характеристики выпускаемого продукта, учитывая и то, что некоторые параметры могут оказаться бесполезными при использовании новых методик. Серьезный экономист задумается и о сроках внедрения, которые должны быть подобраны таким образом, чтобы заставить большинство потенциальных потребителей «захотеть» обновить используемое оборудование.

Говоря о сроках коммерциализации продукта (то есть о времени, необходимом для приобретения популярности у основной массы заказчиков), нельзя забывать о субъективных факторах. В частности, очень важным обстоятельством коммерческого успеха практически любого нового товара (особенно радиоэлектронного) является то, насколько удачно он «вписывается» в уже существующую систему рынка и дополняет или «украшает» привычный набор изделий в данной области. Новый продукт прежде всего должен прекрасно совмещаться с тем, что называется архитектурой и инфраструктурой области, то есть новые изделия должны дополнять и усиливать возможности ранее установленной клиентами аппаратуры.

Коммерческая оценка новых товаров зачастую основывается вовсе не на реальных потребностях потребителях и преимуществах новых материалов или технических решений, а на многих сложных экономических соображениях. Для экономиста задача сводится вовсе не тому, что новые материалы позволяют выпускать прекрасные изделия в достаточном количестве и по приемлемой цене, а к тому, чтобы угадать потребности рынка в конкретный момент. Это приобретает особое значение для нанотехнологий, поскольку рационально мыслящие заказчики и потребители вполне могут отдать предпочтение существующим привычным, надежным и дешевым устройствам, а не потенциально более ценным продуктам, производимым по новым технологиям.

В настоящее время нанотехнологии, образно говоря, не просто бросают вызов, а буквально «запугивают» представителей бизнеса и производства во многих отраслях науки и промышленности. Многие бизнесмены боятся, что даже частичное использование нанотехнологий в производственных процессах позднее заставит их кардинально менять методы, подходы и номенклатуру выпускаемых изделий. С другой стороны, многие производственники уже понимают, что только внедрение новых технологий может позволить им продолжить улучшение качества выпускаемых товаров, создание новых товаров и расширение рынков сбыта. Кроме того, для многих венчурных предпринимателей и изобретателей новые технологии предоставляют уникальные возможности осуществить «скачок» в развитии и обогнать конкурентов.

Подытоживая сказанное, можно еще раз напомнить, что выработка разумной стратегии при коммерциализации нанотехнологий основана на следующих принципах: ясное представление о научно-технических возможностях нанотехнологий, уверенность в революционной природе новых технологий и неизбежности их быстрого развития, точное знание существующей структуры рынка, его потребностей и ожиданий.

15.2. Современное состояние микроэлектронных технологий

Стивен Гудник

Стивен Гудник является деканом факультета нанотехнологии одного из отделений (Ira A. Fulton School of Engineering) университета штата Аризона. До этого он занимался исследовательской и преподавательской деятельностью во многих известных организациях (включая Национальную лабораторию Скандия) и университетах в США и за рубежом. Является автором более 150 научных публикаций и книг, посвященных проблемам переноса в полупроводниковых устройствах, вычислительной технике, квантовым и нанометрическим устройствам и т. п. В соавторстве с Дэвидом Ферри написал известный учебник по переносу в наноматериалах (Transport in Nanostructures, Cambridge University Press, 1997).

Мне хотелось бы напомнить читателям, как именно осуществлялся рост микроэлектронной промышленности в последние десятилетия. Экспоненциальный рост плотности монтажа интегральных схем, предсказанный законом Мура (и действительно наблюдаемый на практике!), долгое время обеспечивался просто тем, что новые технологии позволяли уменьшать размеры используемых полупроводниковых устройств. Используя более миниатюрные элементы, технологи, естественно, могли значительно уменьшать рабочую площадь интегральных схем и других изготовляемых устройств, незначительно повышая стоимость производства. С другой стороны, уже тогда наметилась тенденция к существенному повышению качества и функциональности новых элементов, что в целом увеличивало размеры интегральных схем, заставляя на ранних этапах производства выращивать все более крупные пластинки кристаллов для чипов.

Рис. 15.1. Повышение плотности монтажа микропроцессоров в соответствии с законом Мура за последние десятилетия. По вертикали отложено число транзисторов на отдельном чипе (Рисунок перепечатан с разрешения фирмы Intel Corporation; © Intel Corporation)
Вот уже почти тридцать лет «рабочей лошадкой» полупроводниковой промышленности выступают все новые разновидности так называемых полевых МОП-транзисторов (metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor, MOSFET). Каждый из них представляет собой структуру из двух проводящих областей (исток и сток, пользуясь физическим жаргоном), разделенных изолированным (оксидным) затвором с каналом, который может находиться в открытом или закрытом состоянии (включено/выключено), что вполне достаточно для создания базового элемента вычислительной или логической схемы компьютера и т. п.

Основной характеристикой этих устройств выступает длительность отпирающего импульса затвора Lgate (называемая диной строб-импульса и соответствующая, грубо говоря, расстоянию между истоком и стоком транзистора), так как уменьшение этого параметра почти автоматически приводит к уменьшению размеров всех остальных размеров устройства по достаточно строгим правилам и закономерностям. Кроме того, с точки зрения физики процессов, уменьшение длины отпирающего импульса означает и сокращение времени переноса требуемого заряда (то есть некоторого числа электронов) от истока к стоку, что, естественно, повышает скорость переключения транзистора и быстродействия логической схемы в целом.

Сказанное объясняет, почему именно этот параметр размеров основного устройства многие авторы считают ключевым и используют для оценки качества полупроводниковых устройств. Собственно говоря, началом зарождения реальных нанотехнологий следует считать момент, когда расстояние между истоком и стоком коммерчески выпускаемых транзисторов стало меньше 100 нм и инженеры действительно начали измерять размеры производимых изделий в нанометрах. На рис. 15.2 представлены полученные на сканирующем электронном микроскопе микрофотографии стандартных полевых ΜОΠ-транзисторов, выпускаемых фирмой Intel. Сегодня фирма относит свои изделия к так называемому поколению «меньше 65 нанометров», а в лабораториях уже создаются образцы с размерами около 15 нм (разумеется, методы их изготовления и формально, и практически относятся именно к нанотехнологиям).

Рис. 15.2. Последовательное уменьшение размеров полевых МОП-транзисторов, выпускаемых и разрабатываемых фирмой Intel. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation
Основная и исключительно важная проблема (как с научной, так и с производстввенной точки зрения) заключается в том, что в изделиях с такими характерными размерами начинают проявляться совершенно новые, квантово-механические особенности и эффекты, приводящие к серьезнейшим изменениям свойств самого вещества. Прежде всего, отметим, что канал транзистора длиной около 15 нм состоит всего из нескольких атомов кремния, вследствие чего понятно, что дальнейшее уменьшение размеров такой структуры невозможно. Это означает, что используемая сейчас полупроводниковая технология достигла физических пределов применимости закона Мура, то есть дальнейшая миниатюризация полевых МОП-транзисторов невозможна.

Реальная ситуация для организаторов производства выглядит достаточно сложной. В частности, уже при размерах устройств около 25 нм, как предсказывали еще авторы документа, известного под названием «Международного путеводителя по полупроводниковым технологиям» (International Technology Roadmap of Semiconductors, ITRS [100] ), длина затвора или толщина слоя диоксида кремния, отделяющая металл от затвора, должна составлять около 1 нм. Длина затвора определяется физическими требованиями возможности контроля сигнала и т. д., но проблема заключается в том, что при этой толщине (составляющей, как отмечалось чуть выше, несколько атомных размеров) чистота материала диэлектрика должна быть исключительно высокой. На расстояниях около 1 нм любые утечки становятся неприемлемыми, как из-за нарушений точности работы самого устройства, так и надежности его работы. Другими словами, производственники должны применять новые диэлектрические материалы с гораздо более высокими показателями.

Следующим фактором, препятствующим дальнейшему уменьшению размеров устройств в соответствии с законом Мура, выступает тот простой факт, что если размеры используемых устройств действительно сводятся лишь к нескольким атомам, то требования к чистоте исходных материалов становятся исключительно высокими. Например, каждый специалист в полупроводниковой технике прекрасно знает о процессах допирования (легирования), когда в кристалл кремния или другого материала случайным образом вводится ничтожное количество атомов другого вещества, изменяющих вольт-амперные характеристики вещества. В достаточно крупных устройствах влияние таких атомов усредняется и создает требуемые значения параметров, однако понятно, что в очень небольших структурах, содержащих лишь несколько атомов, любой «неправильно» помещенный атом примеси может нарушить весь механизм работы полупроводниковой системы. Другими словами, переход к нанотехнологическим, атомарным структурам требует применения материалов с исключительно высокой, атомарной чистотой.

Столь же высокие требования нанотехнологии предъявляют и к точности любых побочных методик (в частности, к точности изготовления соединений, формируемых разнообразными литографическими приемами). Мы вновь сталкиваемся с проблемой случайных флуктуаций или разброса параметров изготовляемых устройств, так как при переходе к атомарным структурам такие флуктуации могут выходить за рамки технологических требований. Ситуация осложняется и тем, что позднее такие устройства должны объединяться в более крупные системы, и тогда проектировщик сталкивается с очень непростой задачей «стойкости» системы в целом к случайным сбоям отдельных элементов.

При переходе к наномасштабам (как в случае описанного сокращения длины затвора) инженеры и технологи вынуждены одновременно решать противоречивые задачи сохранения качества и функциональности материалов, что ставит перед ними сложнейшие производственные проблемы. В частности, в полупроводниковой технике инженерам приходится все чаще уходить от привычной, ставшей классической планарной компоновки устройств и создавать необычные, «объемные» полевые МОП-транзисторы. При этом они не только меняют схемы устройств, но и начинают применять новые, необычные для полупроводниковой техники материалы (кремниевые структуры с предварительными механическими напряжениями, сплавы кремния и германия или даже полупроводниковые соединения, которые раньше были лишь предметом лабораторных исследований). Другими словами, инженерам приходится искать альтернативы кремниевым кристаллам и структурам, которые использовались десятилетиями.

Как упоминалось чуть выше, одним из решений проблемы сокращения длины затвора является использование не планарных, а объемных, трехмерных полупроводниковых структур, которые в результате приобретают все более необычные и непривычные для технологов формы. Например, достаточно давно применяются технологии с так называемым утопленным оксидным слоем (buried layer), изолирующим полупроводниковое устройство от кремниевой подложки, двойными затворами или «окутывающими» затворами, окружающими канал сверху и со сторон. Сами каналы при таких технологиях все чаще приобретают вид нанопроволочных соединений. В качестве типичного примера на рис. 15.3 показана структура одного из самых современных устройств такого типа, полевого транзистора FinFET, в названии которого Fin относится к сложной форме затвора (fin-shaped gate). Структура является трехмерной, а канал в ней напоминает одномерную нанопроволоку сверхминиатюрных размеров. Такая одномерная структура канала может оказаться очень важной при выработке будущих технологий, поскольку канал построен на основе самосборки одномерных проводников (речь в данном случае идет об углеродных трубках).

Рис. 15.3. Полупроводниковое устройство с неклассической структурой. Слева представлена схема полевого транзистора FinFET, а справа – полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография общего строения этого устройства. На снимке отчетливо заметны возможные отводы и места присоединения. Перепечатывается с разрешения Intel Corporation; © Intel Corporation
Помимо проблем с материалами и их обработкой, существуют и более серьезные ограничения на сокращение размеров полупроводниковых устройств, связанные с фундаментальными законами природы, то есть с тем, что на этих расстояниях начинают проявляться квантовые закономерности строения вещества. Например, известно, что на столь малых расстояниях носители заряда – электроны ведут себя подобно волнам и описываются соответствующими уравнениями. При этом возникают новые физические эффекты, такие как квантование (дискретизация) некоторых параметров движения, интерференция волн, туннелирование частиц через энергетические барьеры и т. д. Наличие таких явлений, с одной стороны, нарушает нормальную работу полупроводниковых устройств, но с другой – позволяет создавать при малых размерах устройства совершенно нового типа.

Еще оно важное ограничение связано с дискретностью электрического заряда. Очень небольшие по размеру структуры не могут рассматриваться в качестве некоторой непрерывной электропроводящей среды. При очень малой силе передаваемых зарядов возникают так называемые эффекты дискретности заряда, в результате чего даже отдельный электрон, проникающий по какому-то механизму (например, вследствие туннелирования) из одной области проводника в другую, может приводить к значительному колебанию (флуктуациям) напряжения. Физический механизм такой сверхчувствительности легко объясняется тем, что электрическая емкость С любой системы (определяемая, вообще говоря, через коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением посредством формулы ΔQ = C ΔV) связана с геометрией и меняется скачками при переходе к очень малым размерам. Поэтому при достаточно малых значениях С (~10–17 Ф и меньше) изменение напряжения заряда ΔV, связанное с перемещением одного-единственного электрона (ΔQ = 1,6 х 10–19 Кл), может оказаться больше, чем так называемое термонапряжение полупроводника, составляющее при комнатной температуре 25 мкВ.

Все описанные эффекты ухудшают характеристики широко распространенных полевых МОП-транзисторов (как обычных, так и неклассических) и наглядно демонстрируют, что возможности стандартных методов уменьшения размеров полупроводниковых устройств практически исчерпаны. На первый взгляд может показаться, что общее направление или, образно говоря, «путеводитель» развития полупроводниковой техники заканчиваются тупиком (связанным с фундаментальными законами природы). Однако к будущему стоит относиться с оптимизмом, если вспомнить, что за последние десятилетия физики неожиданно для себя «натыкались» или целенаправленно открыли множество совершенно неожиданных и интересных явлений и закономерностей на границе микромира, которые позволяют создавать устройства и структуры, работающие на новых принципах. Иными словами, развитие полупроводниковой техники привело ученых к пределам применимости старых технологий, но одновременно открыло перед ними принципиально иные возможности миниатюризации и совершенствования устройств, о чем рассказывается ниже.

15.2.1. Перспективные наноэлектронные технологии

Выше уже отмечалось, что по мере того как характерные размеры полупроводниковых устройств уменьшались до нескольких десятков нанометров или даже дальше, физические механизмы и законы, управляющие работой этих устройств, значительно усложнялись. Это не должно удивлять читателя, так как с уменьшением размеров физическая картина требует все более детального описания. Действительно, в макроскопических электротехнических приборах протекание тока напоминает обычный поток непрерывной среды, элементами которой выступают заряженные частицы. Аналогия является настолько полной, что движение такого потока описывается привычными уравнениями гидродинамики жидких сред. С физической точки зрения понятно, что гидродинамическая модель теряет смысл при очень малых масштабах рассматриваемых процессов, и в наносистемах мы должны переходить к рассмотрению дискретных сред вместо непрерывных, то есть описывать электроны в виде отдельных частиц и учитывать особенности их индивидуального поведения.

Переход к созданию и производству так называемых одноэлектронных устройств, естественно, должен приводить к нежелательному снижению их уровня надежности и стандартности характеристик из-за возможности случайных флуктуаций и сложности процессов контроля. С другой стороны, именно эти трудности как бы заранее определяют некоторые грядущие границы применимости наноэлектроники вообще, что будет рассмотрено ниже.

Другое принципиальное отличие наноустройств от их макроскопических аналогов связано с тем, что на малых расстояниях начинают действовать законы квантовой механики. Поведение частиц при этом характеризуется четко выраженным корпускулярно-волновым дуализмом (то есть одновременным проявлением свойств волн и частиц), причем важнейшим характерным размером для определения границ применимости классической теории к описанию движения электрона является так называемая длина волны де-Бройля. Если электрон вступает во взаимодействие с какой-либо структурой, имеющей близкие к этой длине размеры, то его поведение следует описывать скорее методами оптики (а не классической динамики!), то есть в описание должны входить и такие чисто оптические эффекты, как дифракция, интерференция, квантование движения, туннелирование через энергетический барьер и т. п. Естественно, что учет таких явлений принципиально изменяет привычное физическое описание процессов переноса, основанное на законах гидродинамики. Особое значение приобретает и тот факт, что при некоторых условиях волновые свойства электрона могут длительное время сохраняться и на больших расстояниях или в крупных структурах, что заставляет с особым вниманием относиться к когерентности электронных «волн».

С когерентностью волн, описывающих поведение электронов, связана еще одна новая и очень важная парадигма развития компьютерной техники. Дело в том, что на основе фазовых состояний электронных волн теоретически можно создать информационные и вычислительные системы, которые по своим возможностям будут значительно мощнее всех существующих компьютеров, действующих, как известно, на основе простой бинарной логики, связанной с двумя возможными состояниями. Будущие устройства, уже названные квантовыми компьютерами, представляют собой сейчас одно из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники. С другой стороны, из-за упомянутой чувствительности квантовых систем придется постоянно учитывать, что квантовые когерентные состояния являются очень «хрупкими» и могут легко разрушаться при взаимодействии электрона с окружением. В квантовых компьютерах будет возникать множество диссипативных процессов, в первую очередь – из-за колебаний молекул в органических и неорганических материалах самого устройства. Когерентность и другие квантовые эффекты резко ослабляются при нагреве любых атомно-молекулярных структур, вследствие чего для практического наблюдения и использования этих эффектов необходимо работать при низких температурах (для справки отметим, что при комнатной температуре длина когерентности в кристалле кремния составляет всего несколько десятых долей нанометра).

Вообще говоря, квантовые эффекты в полупроводниковой технике сейчас выступают в несколько необычной и даже забавной роли. С одной стороны, как отмечалось выше, они являются основным препятствием к дальнейшей миниатюризации и совершенствованию привычных полевых МОП-транзисторов на основе кремния. С другой стороны, при отказе от весьма распространенного и ценного полевого эффекта, эти же квантово-механические явления позволяют создать целый ряд совершенно новых устройств, работающих на иных принципах и имеющих гораздо меньшие размеры. К числу физических явлений, которые начинают проявляться в нанометрическом масштабе и вполне могут быть использованы для конструирования новых приборов, следует отнести, прежде всего, квантовую интерференцию, отрицательное электрическое сопротивление, одноэлектронные процессы и т. п. Особую ценность многим квантовомеханическими эффектам придает их связь именно с наномасштабами процессов и устройств, а не с конкретными материалами, то есть новые принципы могут быть реализованы в самых разных системах (металлы, полупроводники, нанопроволоки, углеродные нанотрубки, молекулярные соединения и т. п.). Некоторые из этих разнообразных возможностей более подробно рассматриваются ниже.

Еще раз повторим, что как только размеры используемых структур становятся меньше характерной длины фазовой когерентности, физическая картина изменяется и протекающие через вещество электроны начинают проявлять квантовые, волновые свойства, характеризующиеся интерференцией, туннелированием через энергетический барьер, квантованием энергии и импульса и т. п. Свойства таких систем еще требуют изучения, систематизации и классификации. Например, известный физик Рольф Ландауэр из фирмы IBM сумел в очень элегантной теоретической работе показать, что уравнения, описывающие характеристики одномерного проводника (типа нанопроволоки), почти совпадают с теми, которые используются для описания давно применяемых в физике электромагнитных волноводов. Напомним, что такие волноводы обладают несколькими «режимами» работы, проводимость которых ограничена значением фундаментальной константы 2e2/h.

Квантование проводимости вещества было впервые экспериментально доказано в работах конца 80-х годов, осуществленных в лабораториях университетов Кембриджа и Дельфт (Голландия) на специально изготовленных полевых транзисторах при очень низких температурах. Характерной особенностью этих транзисторов был так называемый «расщепленный» затвор, создающий одномерное устройство с полевым эффектом. Позднее выяснилось, что квантование проводимости в разной форме проявляется во многих явлениях переноса и в самых разных системах (общие флуктуации проводимости, шумы, квантовый эффект Холла и т. п.). На основе аналогии этих явлений с уже известными эффектами (в поведении пассивных микроволновых структур) было предложено много схем и устройств, использующих новые явления. Из них стоит отметить так называемые «направленные» элементы связи (ответвления) и вычислительные квантовые устройства на связанных волноводах. Интересные результаты были получены исследователями из Лундского университета (Швеция), изучавшими так называемые разветвленные структуры с баллистическим механизмом переноса электронов (баллистическая мода переноса наблюдается в полупроводниках при очень малой толщине проводящего материала и характеризуется отсутствием электрического сопротивления). В этих работах была доказана возможность создания устройств нового типа (нелинейных переключателей, простейших логических устройств), работающих на квантовых эффектах даже при комнатной температуре.

Выше уже отмечалось, что квантовые эффекты не позволяют просто уменьшать размеры уже существующих полевых МОП-транзисторов. По этой же причине завершаются неудачей многие попытки создать квантовые когерентные устройства, исходя из их аналогии с волноводами. Исследователям никак не удается обеспечить точную работу таких волноводов из-за квантовых флуктуаций, связанных как с наличием случайных атомов примесей в материале, так и из-за сложности регулирования процессов и размеров в наномасштабе вообще. Со временем эти недостатки будут преодолены, однако следует помнить, что фундаментальными ограничениями для наноустройств этого типа останутся характерная длина когерентности и время существования квантовых состояний с фазовой когерентностью. Это заставляет еще раз задуматься о новых материалах для электронной промышленности, поскольку эти характерные величины имеют очень малые значения для кремния при комнатной температуре.

В последние годы ученые все чаще пытаются использовать для создания наноустройств еще одну чисто квантовую характеристику электронов или любых других заряженных частиц. Речь идет о «спине», под которым физики подразумевают внутренний (иногда его называют собственным) магнитный момент, присущий всем элементарным частицам, обладающим электрическим зарядом. Наличие спина обнаруживается при взаимодействии частиц с полем и проявляется в том, что спин в электромагнитных полях может иметь лишь два направления или ориентации, которые условно можно назвать спин-вверх и спин-вниз. Этому квантово-механическому свойству вещества за весь XX век не удалось подобрать удачного классического аналога или объяснения, а его название (оно происходит от английского слова spin, означающего вращение) связано с тем, что магнитный момент заряженной частицы обычно объясняют ее вращением вокруг собственной оси.
Существование двух спиновых состояний у элементов любой системы позволяет использовать множество материалов для создания запоминающих устройств, в качестве примера можно упомянуть выпуск магнитных запоминающих устройств на основе ферромагнетиков (объем производства в этой области давно превышает десятки миллиардов долларов!). В реальной жизни все такие запоминающие устройства устроены очень просто и работают на основе записи или считывания информации в двоичной системе, когда одна ориентация спина соответствует цифре 1, а другая – цифре 0. При переходе к нанотехнологиям исследователи могут не только продолжить традицию записи информации в двоичном коде, но даже воспользоваться совершенно новым, квантовым принципом записи информации. Прототипом вычислительных элементов, построенных на принципах квантовой механики, могут стать так называемые «кубиты», под которыми подразумеваются гипотетические устройства или системы, способные достаточно долго сохранять квантовые состояния с фазовой когерентностью. Выше уже упоминалось, что время существования квантовых состояний электрона с фазовой когерентностью очень мало. Речь шла о когерентности волн де-Бройля, между тем когерентность спиновых состояний электронов в полупроводниках уже сейчас варьируется в пределах от наносекунд до миллисекунд, что позволяет исследователям серьезно относиться к проектированию квантовых вычислительных и запоминающих устройств.
Далее, при уменьшении размеров обычных транзисторов исследователи сталкиваются с проблемой обеспечения исключительно высокой чистоты используемых материалов, так как даже один случайный атом примеси может менять характеристики сверхмалых полупроводниковых устройств. Однако, преодолев это препятствие и научившись реально манипулировать отдельными электронами в наномасштабных системах, ученые получили возможность создать целый набор совершенно новых типов устройств или даже приборов. Для пояснения принципов и особенностей работы таких одноэлектронных систем можно рассмотреть задачу о емкости одноэлектронного транзистора с очень небольшим туннельным переходом (речь идет о емкости системы из двух очень малых проводников, разделенных сверхтонким слоем изолятора).

Как уже говорилось выше, электрическая емкость такой системы теоретически представляет собой коэффициент пропорциональности между разностью потенциалов этих проводников и разностью их зарядов (отрицательного и положительного). В простейшей, школьной модели проблема емкости рассматривается на примере двух параллельных обкладок конденсатора, разделенных слоем изолятора. В применении к рассматриваемой структуре, туннелирование одного-единственного электрона между слоями проводников должно приводить к изменению электростатической энергии системы на величину e2/C. Поэтому изменение емкости (которая, напомним, по своей физической природе связана с геометрией) в очень малых системах может оказаться больше, чем характерное значение тепловой энергии (равное 3kT/2), вследствие чего может возникнуть эффект так называемой «кулоновской блокады», уменьшающей проводимость системы для преодоления требуемого электростатического барьера. Этот эффект позволяет экспериментаторам реально регулировать «поштучное» движение электронов вдоль канала проводимости (в данном случае перехода в транзисторе), контролируя тем самым напряжение.

Этот эффект наглядно иллюстрируется данными рис. 15.4, описывающими механизм действия так называемого одноэлектронного транзистора, состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком» или «квантовой точкой» с вторичным источником напряжения Vg, присоединенным к системе через дополнительную емкость затвора Cg . Как показано на рисунке, «включение» кулоновской блокады при повышении напряжения на затворе происходит лишь при целочисленных значениях количества электронов, туннелирующих через структуру, что и позволяет осуществлять «поштучное» управление движением электронов. К настоящему времени удалось экспериментально доказать возможность создания множества одноэлектронных вычислительных устройств (транзисторы, устройства накачки, или «насосы», простейшие логические схемы, запоминающие устройства и т. п.), работающих на этом принципе. Более того, некоторые из этих устройств уже сейчас способны функционировать даже при комнатной температуре, что представляется исключительно важным для практического применения, поскольку позволяет отказаться от очень сложной, дорогой и капризной системы криогенного охлаждения. Организация производства одноэлектронных устройств (как и описанных выше структур с квантовой интерференцией) связана с множеством технологических сложностей, вызываемых как случайными флуктуациями, так и очень высокими требованиями к литографической методике. Напомним, что для успешной работы устройств такого типа необходимо, прежде всего, чтобы энергия одноэлектронной «зарядки» структуры превышала тепловую энергию (25 мкэВ при 300 К).

Рис. 15.4. Схема устройства одноэлектронного транзистора (single-electron transistor, SET), состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком», на который через емкость затвора подается смещающее напряжение V. Как показано на рисунке слева, в обычном (нерезонансном) состоянии такой системы туннелирование электронов невозможно из-за широкой запрещенной зоны. Подача через затвор на проводящий «островок» требуемого смещающего напряжения создает в системе резонанс (правая часть рисунка), при котором электроны по одному туннелируют через барьер, в результате чего возникают характерные пики проводимости

Другим направлением быстрого и перспективного развития функциональных электронных наноустройств стала самосборка (самоорганизация) разнообразных структур из полупроводниковых нанопроволок (ПНП) и углеродных нанотрубок. Особое внимание в последнее десятилетие вызывали именно ПНП, поскольку выяснилось, что они обладают очень интересными особенностями проводимости (вольт-амперными характеристиками), позволяющими использовать их в качестве резонансных туннельных диодов, одноэлектронных транзисторов и структур с полевым эффектом. В самое последнее время интерес к изучению ПНП дополнительно усилился после того, как была доказана возможность направленной самосборки ПНП в процессе эпитаксиального выращивания.

На рис. 15.5 приведена полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография характерной структуры такого типа, изготовленной методом сложного эпитаксиального выращивания, в котором принимают участие компоненты, находящиеся в газовом, жидком и твердом состоянии. Изготовляемые этим методом нанопроволочные структуры могут относиться как к классу простых, одноэлементных полупроводников (Si, Ge), так и к интерметаллическим полупроводникам (типа III–V). Этот факт является исключительно важным с точки зрения коммерциализации и производства, поскольку он сразу позволяет использовать при их изготовлении стандартные, давно разработанные и высокоэффективные технологические приемы существующей полупроводниковой промышленности (контролируемое легирование в процессе роста, изменение состава, позволяющее создавать так называемые резкие D-гетеропереходы, и т. п.). Используя методы самоорганизации ПНП, некоторые группы исследователей (в частности, в Гарвардском и Лундском университетах) смогли синтезировать и продемонстрировать возможности целого ряда интересных в коммерческом плане структур, таких как нанопроволочные полевые транзисторы, биполярные устройства, инверторы на дополняющих структурах и т. п. На основе ПНП со специально изготовленными гетероструктурами уже созданы резонансные туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы и другие наноэлектронные устройства. Кроме того, исследователи все чаще задумываются о возможностях использования организованных массивов или решеток из ПНП, что, естественно, ставит перед ними новые технологические задачи, связанные с обеспечением требуемого распределения ПНП и их направленности.

Рис. 15.5. Полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография структуры из кремниевых ПНП, выращенной эпитаксией в сложной системе газ/жидкость/твердое тело. По данным работы T. Picraux et al.
Очень важное направление исследований возникло после того, как выяснилось, что углеродные нанотрубки, представляющие собой еще одну структурную форму атомарного углерода, обладают множеством интересных физико-химических особенностей. На рис. 15.6, а представлены некоторые возможные, все более усложненные структуры из атомов углерода, завершающиеся изображением конфигурации в виде нанотрубки с вершиной в виде полусферы, представляющей собой половину знаменитой молекулы C60 (бакибол). Легко заметить, что эта структура в целом практически является «сверткой» так называемой графеновой пленки углерода (из шестигранных колец), свернутой соответствующим образом в трубки диаметром несколько нанометров. Исключительно важным и принципиальным открытием стало обнаружение того факта, что трубки такого типа, свернутые разных направлениях и соединенные между собой по-разному, могут образовывать новые материалы с совершенно неожиданными свойствами. Химики и физики давно знакомы с тем, что направление «закрутки» структуры может существенно менять физико-химические свойства вещества, и обозначают этот параметр термином «хиральность». Структуры из углеродных нанотрубок, в зависимости от хиральности, неожиданно могут оказываться металлами, полупроводниками или изоляторами, что, естественно, вызывает огромный интерес у материаловедов и технологов. Особое значение это открытие имеет для специалистов по полупроводниковой технике, поскольку позволяет им обобщить теоретические представления о всех материалах, используемых в информационных технологиях, поскольку устройства связи, проводники, диэлектрики оказываются разновидностями одних и тех веществ в разных структурных состояниях. На рис. 15.6, б дана схема и характеристики полевого транзистора, созданного специалистами фирмы IBM на основе углеродных нанотрубок и пригодного для использования в простейших логических и вычислительных устройствах. Стоит добавить, что проводимость таких нанотрубок очень сильно меняется при любых процессах присоединения атомов и молекул к стенкам или концам структуры, что делает подобные устройства почти идеальными датчиками для регистрации химических соединений, биологических агентов и т. п. Естественно, эта особенность НПН и трубок привлекла внимание разработчиков и производителей разнообразных химических и биологических датчиков. Для технологов основные проблемы заключаются в изучении процессов роста структур, особенно связанных с обеспечением заданной хиральности и направленности углеродных трубок, а также методов соединения трубок с материалом подложки и других побочных методик, необходимых для организации промышленного производства.

Рис. 15.6. а – Различные образования из атомов углерода: алмаз, графит, фуллерен С60 и углеродные нанотрубки (по данным сайта Ричарда Смолли http://smalley.rice.edu/smalley.cmf). б – Инвертор на основе углеродных нанотрубок, образованный полевыми транзисторами с n– и p-каналами (данные фирмы IBM, воспроизводится с разрешения)
Представляется очевидным, что на этом пути миниатюризации мы быстро приходим к электронным устройствам, сформированным внутри отдельных молекул, вследствие чего это направление давно получило у физиков название молекулярной электроники или просто мольтроники (moltronics). Типичным примером устройств такого типа может служить показанный на рис. 15.7 наномасштабный электрический контакт в виде органической молекулярной цепочки и соответствующей ему схемы. Необычные функциональные свойства таких молекулярных контактов обеспечиваются боковыми химическими группами или молекулами. Например, показанная в правой части рисунка молекулярная цепочка (изученная Марком Ридом из Йельского университета и Джеймсом Туром из университета Райса) характеризуется так называемой «отрицательной дифференциальной проводимостью» вольт-амперной характеристики, то есть величина протекающего через нее тока уменьшается с ростом прилагаемого к контактам напряжения! С точки зрения электротехники мы имеем дело просто с «отрицательным» сопротивлением, что может быть использовано для создания новых электрических схем и устройств разного назначения (новые типы усилителей сигнала, создание бистабильных систем и т. п.). Другим перспективным направлением развития молекулярной электроники стали логические устройства нового типа и т. п.

Рис. 15.7. Молекулярное устройство в виде сложной органической цепочки, помещенной между электродами из золота
Очень интересной особенностью молекулярных систем является их способность к дальнейшей самоорганизации, приводящей к созданию сложных функциональных структур и устройств. Именно такая самоорганизация по заданным «шаблонам» обеспечивает построение сложнейших биологических структур в живых организмах и множество природных явлений, которые биологи объединяют термином саморепликация. Известно, что стоимость технологических линий для производства полупроводниковых устройств непрерывно растет по экспоненте и уже достигает миллиардов долларов (что, кстати, можно считать еще одним проявлением действия закона Мура!). Удорожание производства по принципу «сверху вниз» заставляет многих исследователей все чаще рассматривать методы самосборки «снизу вверх» в качестве возможной альтернативы. Такие методы обычно называют биомиметическими, чтобы подчеркнуть их сходство с биологическими процессами, но, к большому сожалению технологов и инвесторов, в настоящее время ученые не могут пока теоретически описывать и практически воспроизводить процессы самосборки в больших масштабах.

Еще одна очень сложная проблема в понимании и использовании молекулярных электронных устройств состоит в том, что в их поведении необходимо тщательно изучить связь их собственного поведения с состоянием электрических контактов. В традиционных устройствах такая проблема практически не возникает, поскольку контакты считаются почти идеальными, а их роль заключается лишь в соединении устройств с внешним миром, источниками тока и т. п. Работая с молекулярными устройствами, исследователи должны постоянно учитывать зависимость их характеристик от флуктуаций сопротивления и паразитических токов в самих контактах. С точки зрения теории систем, ситуация объясняется очень просто и сводится к тому, что при экспоненциальном росте плотности монтажа число соединений между устройствами возрастает в совершенно немыслимых пропорциях, в результате чего надежность системы в целом начинает определяться не надежностью самих элементов системы, а совокупностью их соединений. В наноустройствах роль соединений становится настолько доминирующей, что мы должны как минимум рассматривать контакты в качестве важной составляющей части всей системы (разумеется, такая точка зрения является совершенно непривычной и чуждой любому радиотехнику и производственнику). Физический смысл проблемы прекрасно иллюстрирует показанная на рис. 15.7 схема молекулярного переключателя, в которой размеры и свойства контакта определяют, собственно говоря, основные параметры устройства в целом, то есть контакт, в некотором смысле, и представляет собой устройство. Для развития молекулярной электроники это обстоятельство может сыграть решающую роль, как в теоретическом, так и в практическом отношении.

15.3. Фотоника
Аксель Черер Профессор Аксель Черер работает в Калифорнийском технологическом институте. Получив диплом в 1985 году, он специализировался на изготовлении микроустройств и проработал 8 лет в отделении фирмы Bellcore, занимавшемся разработкой и производством квантовых устройств и приборов. В дальнейшем он стал известным специалистом по микроскопической полупроводниковой технике, создав крошечные лазеры с вертикальным резонатором (шириной около 400 нм), исключительно малые структуры травления (размером ~6 нм), а также очень узкие решетки (с шагом около 30 нм). Возглавляемая им лаборатория создает наноструктуры, позволяющие формировать новейшие оптоэлектронные и магнетооптические устройства очень небольших размеров, что позволяет легко объединять их с уже существующими устройствами и системами.
В последние годы фотоника стала все чаще рассматриваться в качестве альтернативы электронике во многих отраслях науки и техники, связанных с коммуникациями или информационными технологиями. Эту тенденцию легко объяснить тем, что использование фотонов вместо электронов в процессах передачи и переработки информации создает существенные преимущества, прежде всего, вследствие быстродействия и помехоустойчивости фотонных каналов связи. Результатом возрастающего интереса исследователей и технологов стала быстрая миниатюризация множества оптических устройств (резонаторов, волноводов, интерферометров и т. д.). На этой основе уже возникла мощная отрасль производства, позволяющая выпускать различные устройства такого типа с размером структур около 100 нм и меньше. Конструкторов и технологов, занятых разработок фотонных устройств, очень часто вдохновляют те же идеи и тенденции, на основе которых происходила и происходит миниатюризация электронной техники.

Фотонные вычислительные устройства не только значительно превосходят полупроводниковые аналоги по быстродействию, но и избавляют пользователей от многих сложностей, связанных с тепловыделением и электропитанием. С другой стороны, слабым местом и источником постоянного беспокойства при использовании любых приборов и устройств на основе фотоники было и остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющих преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Решение проблемы быстрого и надежного преобразования таких сигналов имело бы огромное значение для коммерческого приложения и информационных технологий в целом. Кроме того, эта задача представляет особый интерес для применения в военной сфере, где фотоника рассматривается в качестве весьма перспективного направления развития многих отраслей (средства связи, датчиков, радаров и т. д.), в которых требуется быстрая и надежная обработка больших массивов оптической и иной информации.

Для внедрения в практику последних достижений в области кремниевой оптоэлектроники необходимо разработать достаточно дешевые и надежные источники света многочастотного типа. Речь идет не столько о принципиальной возможности повышения эффективности, а о чисто технических задачах создания новых и недорогих материалов и устройств. Уже сейчас применение кремниевых КМОП-структур в аппаратуре ограничивает возможности уплотнения, регулирования и обработки большого числа параллельных потоков оптической информации в едином чипе, а дальнейшее развитие этой области настоятельно требует создания следующего поколения микропроцессоров, снабженных оптоэлектронными переключателями. Некоторого снижения стоимости аппаратуры можно ожидать от внедрения оптических волноводов из материалов типа SOI (silicon on insulator, кремний на изоляторе), способных заменить полупроводниковые материалы типа GaAS, InP и ниобата лития LiNbO5, используемые сейчас в телекоммуникационных и информационных устройствах.

Главными недостатками существующей кремниевой оптоэлектроники остаются низкие значения коэффициентов усиления сигнала и эффективности светового излучения отдельными чипами. Исследователи затратили много времени и средств, пытаясь создать достаточно эффективные лазеры на кремниевых кристаллах, однако, к сожалению, им пока не удалось добиться серьезного успеха, хотя разработки в наиболее перспективных направлениях (усиление в пористом кремнии, создание волноводов из легированного эрбием кремния) продолжаются.

Изделия кремниевой нанофотоники исключительно малы, и поэтому многие из них (например, спектральные мультиплексоры) можно легко «вводить» в обычные электронные чипы, не нарушая плотности монтажа. В настоящее время многие оптические наноустройства можно изготавливать на основе стандартных и дешевых материалов полупроводниковой техники (таких как кремний на изоляторе, арсенид галлия и фосфид индия), поэтому нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания фотонных и электронных компонент, позволяющего наиболее эффективным образом использовать их преимущества. Размеры многих оптических устройств могут быть значительно уменьшены за счет замены традиционных материалов (стекло, ниобат лития) на кремний, арсенид галлия, фосфид индия. Такие сверхмалые оптические устройства могут быть в дальнейшем объединены в единую систему, что, возможно, позволит воплотить в жизнь мечту специалистов по информационным технологиям о создании эффективного и многофункционального оптического устройства переработки информации, размещающегося на отдельном чипе. Более того, поскольку такие устройства могут, как упоминалось выше, создаваться на основе обычных полупроводниковых материалов, разработчики вполне могут вводить их в уже существующие приборы, создавая гибридные электронно-фотонные системы с очень сложной структурой.

Возможность использования в нанофотонике кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о наличии весьма развитой технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов новые оптические наноустройства (резонаторы, фильтры, волноводы, модуляторы, детекторы и т. п.) могут быть легко интегрированы в существующие системы на чипах, не говоря уже о том, что их можно будет легко и быстро внедрить в производство. Кроме того, новые устройства обещают значительно расширить функциональные возможности существующих схем с КМОП-структурами, особенно при создании высокоэффективных транзисторов.

Очень важной технической проблемой является разработка генераторов с синхронизированными модами, позволяющими одновременно подавать выходные сигналы на большом числе частот с высокой надежностью. В оптических чипах с пассивной фильтрацией и обработкой информации входной сигнал обычно сильно искажается из-за разнообразных потерь (так называемые вносимые потери, потери в волноводах, резонаторах и т. д.), вследствие чего необходима также разработка для таких устройств методов усиления входного сигнала перед обработкой. Надежная и качественная синхронизация мод требует использования в схемах резонаторов с высокой добротностью и высококачественных оптических модуляторов, и эти устройства уже сейчас практически могут быть созданы в чипах из кремния на изоляторе. В сущности, сегодня разработаны все основы для создания кремниевых устройств, включающих в себя внутренний генератор света с синхронизацией мод, и главной нерешенной проблемой остается усиление сигналов в оптическом диапазоне. Конечной целью разработок в этом направлении остается создание многочастотного источника оптического излучения, интегрированного с системой обработки информации в рамках единого оптоэлектронного чипа.

В самое последнее время внимание исследователей привлекают разнообразные фильтры, изготовляемые на основе оптической связи дисковых и кольцевых резонаторов. Новые методы оказались эффективными для стеклянных световодов разных видов, включая монолитные и составные (оптические волокна с наполнителем в виде микросфер). Группа, возглавляемая Литтлом, недавно разработала устройство в виде сложной решетки (8 х 8) с планарной геометрией, в которой над световодами размещены диски из стекла с очень высоким показателем преломления. Такая конструкция позволяет обеспечить высокие значения коэффициента Q (добротности), то есть создать оптические фильтры с высоким спектральным разрешением.

Минимальные размеры устройств, обеспечивающих связь между дисками резонаторов и волноводами, составляют 150–500 нм, так что они уже сейчас могут изготавливаться на основе наиболее развитых литографических технологий (например, с использованием ультрафиолетового излучения, электронных пучков и т. п.). Дальнейший прогресс в области практического применения таких устройств зависит от того, удастся ли использовать для их производства более распространенные, дешевые и простые литографические методики, обеспечивающие достаточное разрешение.

Очень важным направлением миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы является использование так называемых фотонных кристаллов. Они представляют собой искусственно создаваемые периодические наноструктуры, сформированные таким образом, что в них электромагнитные волны некоторых частот (или даже диапазонов частот) не могут распространяться вообще, независимо от направления. Например, на основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрный и очень эффективный нанорезонатор, позволяющий локализовать мощные электромагнитные поля в очень малых объемах в течение длительного времени. Более того, на основе фотонных кристаллов могут быть созданы резонаторы, позволяющие «концентрировать» свет в воздухе, что делает такие устройства весьма перспективным инструментом изучения процессов взаимодействия между светом и веществом в нанометровом масштабе. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных и перспективных направлений развития фотоники, представляющим большую практическую и научную ценность.
Например, очень интересным представляется использование фотонных устройств для создания биодатчиков новых типов. Метод основан на том, что, помещая микродозы органических веществ в описанные выше резонаторы и подвергая эти образцы воздействию очень мощных электрических и оптических воздействий, можно получить для этих веществ так называемые оптические сигнатуры (зависимости параметров выходного сигнала от длины резонатора). Вследствие малых размеров резонаторов такой подход теоретически позволяет создать принципиально новые интегральные спектроскопические системы (например, объединить на одном чипе все возможности рамановской спектроскопии). Кроме того, следует отметить, что высокая добротность нанорезонаторов в фотонных кристаллах (коэффициент Q в них часто имеет значения > 10000), в сочетании с их исключительно малыми размерами (около 5 мкм), делают такие кристаллы самым перспективным материалом для разработок разнообразных мультиплексных устройств в системах уплотнения и переработки оптических сигналов.
Общие выводы

В заключение можно констатировать, что в настоящее время микроэлектронная промышленность (составляющая весьма важный сектор экономики США в целом) переживает большие трудности, связанные с тем, что существующие технологии исчерпали физические пределы возможного использования КМОП-структур, лежащих в основе полупроводникового производства. Долгие годы и даже десятилетия своеобразным «метрономом и компасом» развития микроэлектронной промышленности служил знаменитый закон Мура, однако сейчас развитие соответствует плато на S-образной кривой роста, так что ближайшее десятилетие будет характеризоваться лишь незначительными улучшениями качества продукции, а не непрерывным ростом качества и эффективности. Возможно, что впоследствии, после периода некоторого замедления темпов развития, будут разработаны новые методы и технологии (к которым в первую очередь следует отнести фотонику и создание новой, так называемой ошибкоустойчивой архитектуры), позволяющие микроэлектронике по-прежнему развиваться по экспоненте закона Мура.

Глава 16 Адресная доставка лекарств

Джинджун Ченг, Сюзи Хуанг Пун

Джинджун Ченг работает профессором материаловедения в Иллинойском университете. Она получила образование в Китае, но затем продолжила научную деятельность в США, где успешно занимается проблемами биотехнологии и генной инженерии. В качестве постдока она работала в Массачусетском технологическом институте под руководством знаменитого Роберта Лангера. Дж. Ченг имеет много публикаций и патентов, связанных с направленной доставкой препаратов в организме (с использованием магнитных наночастиц) и новейшими методиками диагностики и лечения опасных заболеваний, включая рак простаты.

Сюзи Хуанг Пун работает на факультете биоинженерии Вашингтонского университета. Она занимается проблемами создания синтетических генов и средств направленной доставки лекарственных препаратов внутри организма. В своей дипломной работе она смогла успешно применить для этой цели полимерные носители, что стало впоследствии основным направлением ее исследований. В настоящее время она имеет множество публикаций, патентов и заявок на патенты по указанной тематике. Журнал Массачусетского технологического института MIT Technology Review включил Сюзи Пун в список «100 блестящих инноваторов» 2002 года и наградил ее премией. Кроме этого, она заслужила ряд других премий и наград от ведущих медицинских организаций США.

В классической фармацевтике любые лекарственные препараты назначаются пациенту в форме так называемых разовых доз с указанием числа приемов и методов введения (обычно прием перорально или инъекция заданного типа). Целью и результатом этих методик является создание и поддержание определенной концентрации вводимого препарата в крови пациента. Обычно сразу после введения лекарства его концентрация в крови «подскакивает» и даже несколько превышает требуемый уровень, но затем быстро спадает (вследствие разложения препарата, его вывода из организма и т. д.), после чего происходит прием следующей разовой дозы и т. д. При постоянном вводе разовых доз в крови организма достаточно быстро устанавливается требуемая врачом концентрация лечебного препарата, которая сохраняется в течение всего курса лечения, как показано на рис. 16.1. В 1970-х годах возникла и развилась новая медицинская концепция, основанная на контролируемой «доставке» лекарств с использованием вносимых в организм или даже в отдельные органы носителей, из которых затем необходимый препарат выделяется в заданном режиме и требуемых количествах. В идеальном варианте лекарственные препараты из такого «контейнера» выделяются по программе, поддерживая в течение длительного времени оптимальный уровень содержания препарата в крови или конкретном органе, в результате чего достигается максимальный лечебный эффект. Первым лекарством такого типа, разрешенным к применению в США, стал используемый при лечении рака мозга хемотерапевтический препарат Gliadel на биополимерной основе, которая обеспечивала медленное, постепенное выделение требуемого вещества внутри организма. Покрытые препаратом Gliadel кристаллиты хирургически вводились непосредственно в злокачественную опухоль, а затем «выделяли» требуемое вещество на заданном месте в течение нескольких месяцев.

Рис. 16.1. Схема изменения концентрации лекарственного препарата в плазме крови при стандартной методике введения лекарств в организм и при использовании регулируемого выделения препарата (направленной доставке)
Перспективы предлагаемого направления можно оценить, если вспомнить, что множество очень ценных медицинских препаратов не применяются (или даже не доходят до клинических испытаний) вследствие присущих им чрезвычайно сильных побочных эффектов. Например, к глубокому сожалению врачей и пациентов, большинство низкомолекулярных хемотерапевтических препаратов представляют собой очень токсичные и плохо растворимые вещества. С другой стороны, многие ценные препараты на основе белков и нуклеиновых кислот очень неустойчивы и часто легко разрушаются внутри организма при обычных физиологических условиях. Создание системы временной «защиты», обеспечивающей сохранность и доставку препаратов в нужные органы пациента, представляет исключительную ценность для фармакологии и медицины вообще. Во многих случаях такие системы могут стать принципиальным фактором лечебной процедуры, например, когда исключительно ценный препарат оказывается малорастворимым, нестабильным в условиях организма и т. п.

Использование различных технологий описываемого типа позволяет решать несколько задач медицины и фармакологии: повысить эффективность используемых препаратов, обеспечить большие удобства пациентам, продлить время хранения и гарантийные сроки применения многих редких лекарств и т. д. Применение этих технологий связано с развитием конкретных методов направленной доставки препаратов, что включает в себя достаточно сложные задачи создания биосовместимых материалов или устройств, необходимых для применения этих методов, а также разработку сложных и интересных конкретных вариантов выделения нужных веществ в заданных тканях или органах организма пациента в требуемые моменты времени.

Методы применения новых устройств и лекарственных средств мало отличаются от тех, которые уже используются в традиционной медицине, то есть препараты могут вводиться заглатыванием (перорально), ингаляцией, инъекцией, через кожу (трансдермальный ввод) и т. д. Наиболее привычным и распространенным методом остается простое заглатывание лекарств, и в 2003 году к этому классу относились примерно 50 % выпускаемых на рынок препаратов, а доля лекарств, вводимых в организм другими путями (ингаляцией, через кожу, инъекцией или имплантацией, в виде капель) равнялась 19 %, 12 %, 10 % и 7 % соответственно. Стоит отметить, что за последние тридцать лет в методы введения лекарств в организм значительно расширились, что обусловлено как чисто научными успехами, так и использованием новых технологий в фармацевтической промышленности. Прогресс в этой области во многом связан с широким применением биотехнологий. По оценкам специалистов [101] , объем соответствующего рынка фармакологической промышленности США (который в 2003 году составлял 43,7 миллиарда долларов) будет возрастать примерно на 11 % в год в течение ближайших нескольких лет.

16.1. Использование нанотехнологий для направленной доставки препаратов

Нанотехнология удивительно подходит для решения проблем направленной доставки лекарственной препаратов в организме, во-первых, в силу своей междисциплинарной природы, а во-вторых – из-за присущей ей общей тенденции к миниатюризации изделий. Поэтому представляется естественным, что за последнее десятилетие наноматериалы и нанотехнологии неоднократно и очень успешно использовались при решении разнообразных задач фармакологии вообще и доставки лекарственных препаратов в частности. Первые попытки такого рода относятся еще к 1970-м годам, когда (без упоминания новых представлений и технологий) было предложено использовать наноразмерные частицы в качестве носителей для введения противораковых препаратов в больные органы. Эти опыты оказались весьма успешными, и на их основе возникло новое направление исследований, в результате чего для указанных целей сейчас используется множество видов наночастиц, из которых можно выделить, в первую очередь, биополимерные носители.

В качестве конкретных систем, перспективных для практического применения, ниже подробно рассматриваются полимерные конъюгаты, полимерные мицеллы, наносферы, нанокапсулы и так называемые полиплексы. Кроме того, для направленной доставки лекарств часто используются и сложные наночастицы, созданные из неорганических материалов или металлов. В частности, за последние годы в качестве носителей лекарственных препаратов все чаще стали использовать биочипы и микроиглы. Учитывая бурное развитие нанотехнологических материалов и методов, можно не сомневаться, что в ближайшее десятилетие мы станем свидетелями весьма существенного прогресса в области направленной доставки лекарственных препаратов.

16.1.1. Наночастицы и направленная доставка препаратов

Использование наночастиц для направленной доставки лекарственных препаратов преследует обычно одновременно две разные цели: улучшение так называемой фармокинетики (поддержания необходимого уровня содержания препарата в крови и тканях для более эффективного его усвоения) и повышение химической стойкости самих лекарств. Дело в том, что любой живой организм снабжен целым рядом защитных механизмов, нацеленных на выделение или биологическое разрушение всех чужеродных соединений и веществ, поступающих извне. Например, большинство вводимых в организм извне небольших молекул очень быстро удаляется из крови при попадании в почки. Наиболее удобным для медицинского использования оказываются частицы с размерами в диапазоне от 5 до 200 нм, так как частицы крупнее 5 нм не захватываются в почках, а частицы с размерами меньше 200 нм могут достаточно долго оставаться внутри клеток, не подвергаясь воздействию макрофагов (которые реагируют на более крупные посторонние объекты). Наночастицы удобнее всего принимать в виде обычных пероральных лекарственных средств.

Начиная с 2000 года рынок пероральных средств направленной доставки лекарственных препаратов непрерывно расширяется со скоростью около 8,6 % в год (стоит отметить, что рост связан в основном с продажей белковых препаратов). Известно, что большая часть микрочастиц проникает в организм, всасываясь через стенки кишечника. Проникающая способность через стенку при этом обычно обратно пропорциональна размеру частиц, что естественно делает наночастицы чрезвычайно удобными носителями любых веществ и препаратов. Сказанное не означает, что наночастицы не могут вводится в организм другими перечисленными выше методами, вследствие чего продолжаются разработки многих других методик и средств. Ниже последовательно рассматриваются существующие типы наносоединений и наноустройств, используемых для направленной доставки лекарственных препаратов, их достоинства и недостатки, а также некоторые перспективы дальнейшего развития.

16.1.1.1. Полимерные конъюгаты

Полимерные конъюгаты (этим термином объединяют химически связанные с полимерной основой препараты и просто молекулярные соединения на полимерной подложке) имеют размеры от 5 до 20 нм и представляют собой наиболее простой тип наночастиц, используемых в фармакологии. С учетом медицинского назначения таких частиц для их создания обычно используются легкорастворимые в воде полимеры. В качестве основы применяются как синтетические (например, известный полиэтилен-гликоль), так и естественные полимеры (например, декстрин), способные присоединять к себе небольшие гидрофобные молекулы и тем самым при необходимости придавать последним недостающую им способность растворяться в воде, что препятствует их применению в медицине. Преимущества использования полимерной подложки в качестве носителя можно наглядно показать на примере истории применения известного хемотерапевтического препарата под названием камптохецин. Несмотря на лечебную ценность, его использование раньше сильно ограничивалось тем обстоятельством, что он практически не растворяется в воде и других удобных для применения средах. Ситуация полностью изменилась при использовании подложки, так как присоединение молекулы камптохецина к полимерному носителю (на основе циклодекстрина) позволяет повысить растворимость этого препарата на три порядка!

Небольшие молекулы или белки обычно связываются с полимерной основой при помощи механизма так называемой конъюгации (сопряжения связей в молекуле). Такие соединения слабо «захватываются» очистительными механизмами почек человека, что и позволяет им длительное время циркулировать с кровью внутри организма. Например, весьма эффективным средством при остром лимфобластном лейкозе является L-аспарагиназа, которую раньше больным приходилось принимать 2–3 раза в неделю, поскольку эта молекула легко удалялась из крови почками (врачи называют этот процесс клиренсом, или почечной фильтрацией). В настоящее время федеральные власти США дали разрешение на применение препарата с коммерческим названием ONCASPAR, производимого фирмой Enzon и представляющего собой конъюгат PEG-L-аспарагиназу (то есть L-аспарагиназу на носителе из полиэтиленгликоля, PEG), безусловным и важным преимуществом которого является то, что его можно принимать один раз в две недели. Полиэтиленгликоль вообще оказался очень удобным носителем для лекарственных препаратов. В продаже уже появились и другие лекарства описанного выше типа, например, применяемый при лечении острых форм СПИДа препарат ADAGEN фирмы Enzon (PEG-аденозин-деаминаза) и PEG-интерферон, используемый при лечении гепатита С (выпускается фирмами Roche and PEG – INTRON и Schering– Plough под коммерческим названием PEGASIL) [102] . В настоящее время целый ряд аналогичных лечебных препаратов (конъюгаты молекулярных и белковых веществ на полимерной основе) проходит клинические испытания. Особо следует отметить препарат Paclitaxel (разработанный и запатентованный совместно фирмами American Pharmaceutical Partners и American BioScience), который проходит завершающую фазу клинических испытаний и обещает стать весьма эффективным средством в лечении метастаз при раке молочной железы.

В последнее время внимание специалистов привлекают так называемые дендримеры, представляющие собой симметричные и монодисперсные макромолекулярные соединения в виде сложных глобул, типа показанной на рис. 16.2. Иногда их называют древовидными полимерами, поскольку структура напоминает «ветви», послойно растущие вокруг центрального ядра. Размеры таких систем достаточно легко контролируются (например, подавлением роста молекулярных цепей на очередном этапе ветвления структуры), что позволяет использовать их в качестве носителей лекарственных препаратов.

Рис. 16.2. Схематическое представление дендримера, используемого в качестве носителя для направленной доставки лекарственного препарата в организме. Воспроизводится с разрешения авторов (Thiagarajian Sakchivel, Ph.D. and Alexander T.Florence, Ph.D, D.Sc.) по данным источника «Dendrimers & Dendrons: Facets of Pharmaceutical Nanotechnology» (см. сайт http://www.drugdeliverytech.com/cgi-bin/articles.cgi?idArticle=153)

16.1.1.2. Полимерные мицеллы (самоорганизация структур из полимеров и препарата)

Известно, что амфифильные блок-сополимеры (то есть полимеры, содержащие одновременно и гидрофильные, и гидрофобные участки) в водных растворах могут самопроизвольно образовывать сложные сферические структуры, называемые мицеллами. Обычно такие полимерные мицеллы обладают гидрофобным ядром, окруженным гидрофильной оболочкой, поэтому основным направлением в использовании таких веществ для направленной доставки лекарств стало образование ядра из гидрофобных препаратов (например, доксорубицина, цисплатина, амфотерицина В), окруженного гидрофильным слоем, в результате чего в водной среде образуется достаточно устойчивая дисперсия.

Стабильность структуры полимерных мицелл предотвращает быстрое разложение вводимых веществ in vivo (в живом организме) и их выведение, то есть обеспечивает длительность воздействия препаратов. Очень удобно, что полимерные мицеллы имеют обычно размеры около 60 нм и отличаются узким распределением по величине, не говоря уже о том, что оболочка мицелла может быть химически модифицирована группами и веществами заданного типа (например, определенными антителами). Сочетание таких методик позволяет настолько точно вводить препараты в намеченные органы или ткани, что такой механизм иногда называют «адресной» доставкой. Исследование возможностей полимерных мицелл в указанных целях еще не достигло стадии практического использования, и многие разработки только готовая к клиническим испытаниям [103] .

16.1.1.3. Полимерные наночастицы (дисперсия или инкапсуляция лекарственных препаратов в полимерных структурах)

Этот класс фармакологических объектов основан на использовании коллоидных частиц из твердых полимеров, имеющих размеры от 50 до нескольких сотен нанометров. В зависимости от методов изготовления такие частицы могут быть разделены на два основных типа, получивших названия наносфер и нанокапсул соответственно. К первому типу относятся так называемые наносферы (матричные системы, в которых препарат распределяется достаточно однородно), ко второму – нанокапсулы, или «резурвуары», в которых препарат содержится в ядре частицы и окружен полимерными мембранами. Деление является достаточно простым и понятным, а выбор типа носителя определяется свойствами самого препарата. В качестве материала таких частиц обычно выбирается какой-либо из так называемых биоразрушаемых (биодеструктируемых) полимеров. На рис. 16.3 приведен типичный образец наносфер, изготовленных из сложного поли(орто) эфира, что позволяет даже регулировать «выделение» содержащихся в них препаратов изменением показателя pH среды. Полимерные наночастицы второго типа (нанокапсулы) применяются в тех случаях, когда требуется предотвратить разрушение переносимого частицей препарата ферментами или химическим воздействием организма. Естественно, этот тип частиц создает большие преимущества при доставке химически неустойчивых веществ и лекарственных препаратов (например, белков или нуклеиновых кислот) [104] .

Рис. 16.3. Изображение нано– и микросфер из сложного поли(орто)эфира, полученное на сканирующем электронном микроскопе. Указанный на рисунке масштаб соответствует 5 нм. Перепечатывается с разрешения авторов из статьи Chun Wang, Qing Ge, David Ting, David Nguyen, Hui-Rong Shen, Jianzhu Chen, Herman N. Eisen, Jorge Heller, Robert Langer and David Puthman «Molecularly engineered poly(orthoester) microspheres for enhanced delivery of DNA vaccines», Nature Materials 3 (2004): 190—196
Наночастицы описываемого типа давно испытывались для доставки препаратов самого разного типа (небольшие молекулы, белки, нуклеиновые кислоты) и при разных способах введения в организм (ингаляция, глотание, инъекция) и во многих случаях наглядно продемонстрировали свою эффективность. Например, в экспериментах доктора Эдит Матиович (университет Брауна) было показано, что с помощью полимерных наночастиц из смеси ангидридов (фумаровой и себациновой кислот) можно перорально вводить в организм инсулин, что представляет большой практический и теоретический интерес [105] .

16.1.1.4. Полиплексы (комплексы полимеров и нуклеиновых кислот, образуемые при взаимодействии с обменом зарядов)

Методы генотерапии принято делить на два класса. В первом из них используется плазмида ДНК, вводимой в клетки для экспрессии лечебных белков, а во втором (олигонуклеотидном) – небольшие интерферирующие РНК (siRNA) используются для подавления экспрессии генов, связанных с заболеванием. Во всех этих случаях существенным препятствием к применению генетических препаратов выступают клеточные мембраны тканей организма, естественной функцией которых является защита клеток от ввода любого постороннего генного материала. В настоящее время одним из наиболее перспективных методов «внедрения» в клетку лекарственных препаратов, содержащих нуклеиновые кислоты, стало создание химических комплексов этих кислот с другими веществами, способными «обманывать» защитные механизмы клетки.

В частности, такими комплексами являются комплексы (образуемые положительно заряженными полимерами и отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами при сложных взаимодействиях, обусловленных обменом зарядов), получивших название полиплексов (polyplexes). Размеры таких наночастиц (один из типов которых представлен на рис. 16.4) составляют обычно от 40 до 200 нм. Одним из важнейших направлений олигонуклеотидной терапии сейчас является использование интерференции РНК (RNAi), вследствие чего в настоящее время многие исследователи занимаются активной разработкой материалов для направленной доставки интерферирующих РНК (siRNA) внутри организма.

Рис. 16.4. Образованные поликатионами циклодекстрина полиплексы, синтезированные группой Дэвиса в Калифорнийском технологическом институте [106] . Эти вещества перспективны в качестве носителей при генотерапии в программе Insert Therapeutics. Указанный на рисунке масштаб соответствует 100 нм. Перепечатывается с разрешения авторов из статьи S. J. Hwang, N. C. Bellocq and M. E. Davis «Effects of Structure of beta-cyclodextrin-containing Polymers on Gene Delivery», Bioconjugate Chemistry 12(2) (2001): 280—290
16.1.1.5. Липосомы

Липосомы представляют собой наноразмерные частицы (от 25 до нескольких сот нанометров) из фосфолипидов и холестеролов, вследствие чего их иногда называют «жировыми пузырьками». Обычно они содержат двухслойные липидные структуры, в которых легко могут быть инкапсулированы лекарственные препараты, что делает липосомы очень удобным материалом для создания объектов, обеспечивающих направленную доставку лекарств в организме. В зависимости от состава, размеров и способов получения липосомы могут принимать очень разные формы, что также представляет ценность для описываемых нами методик. Например, насыщенные фосфолипиды с длинными гиброфобными молекулярными цепочками обычно образуют жесткие и плотные двухслойные структуры, в то время как слоистые структуры из ненасыщенных фосфатидил-холиновых липидов являются рыхлыми и неустойчивыми. Такие различия, естественно, могут и должны учитываться при создании разных форм лекарственных препаратов.

Возможности липосом в качестве носителей при направленной доставке активно и очень успешно изучались в последние годы, в результате чего некоторые препараты на их основе уже выпускаются коммерчески, а другие – проходят клинические испытания. В качестве показательного примера стоит упомянуть препарат AmBisome, представляющий собой амфотерицин В на липидном носителе, что обеспечивает необходимый механизм его доставки и распределения в организме. Препарат производится фирмами Fujisawa Healthcare Inc. и Gilead Science и является эффективным средством лечения ВИЧ-инфицированных пациентов, страдающих тяжелыми формами менингита. В 2003 году объем продаж AmBisome составил около 200 миллионов долларов (рост объема на 7 % по сравнению с предыдущим годом). Другим известным лекарством этого типа является препарат Doxil, разрешение на выпуск которого фирма Alza получила еще в 1999 году. Он применяется при лечении рака яичника и пока остается единственным липосомным цитотоксическим веществом, разрешенным к применению при лечении некоторых форм рака. В 2000 году объем продаж препарата Doxil составил 80 миллионов долларов.

16.1.1.6. Неорганические и металлические наночастицы

За прошлые годы было синтезировано множество новых типов неорганических и металлических наночастиц, некоторые из них уже выпускаются промышленностью. Естественно, многие исследователи заинтересовались возможностью использования таких частиц в качестве подложек или носителей (как говорят биологи, векторов) различных лекарственных препаратов. Эта новая концепция наномедицины сейчас находится в стадии становления и лабораторного исследования. В частности, особое внимание привлекают молекулы C60 в виде «футбольного мяча», известные под названием фуллеренов [107] . Стоит также упомянуть попытки использования в качестве носителей хемотерапевтических препаратов магнитных наночастиц, движением которых в организме (по крайней мере, в принципе) можно управлять посредством внешнего магнитного поля.

В самое последнее время стали изучаться возможности применения для указанных целей специальным образом сформированных наночастиц неметаллической природы. Например, возглавляемая доктором Наоми Халас (университет Райса) группа предложила новый тип частиц (которые образно можно назвать наноснарядами), представляющими собой ядро из диэлектрической окиси кремния, покрытое сверхтонким слоем золота [108] . После введения в злокачественную опухоль такие наноснаряды могут быть термически активированы (за счет поглощения излучения в ближнем инфракрасном диапазоне излучения), создавая требуемый для лечения температурный режим.

16.1.2. Имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов

Имплантация устройств доставки лекарственных препаратов является очень перспективным направлением медицины, так как она в сложных условиях часто позволяет не только гарантировать введение требуемых лекарств в конкретном органе или месте, но и обеспечить заданный режим и количество выделяемого препарата. Наиболее простым вариантом является имплантация в нужном месте полимерной матрицы, содержащей необходимые вещества, которые постепенно с некоторой скоростью выделяются в окружающие ткани организма. В качестве уже известных примеров можно привести имплантируемые препараты типа Norplant (противозачаточное средство фирмы Wyeth Laboratories), Gliadel (хемотерапевтическое средство фирмы Guilford Pharmaceuticals, используемое при раковых поражениях мозга) и Viadur (гормональный препарат фирмы Bayer, применяемый при лечении рака простаты). Объем продаж препарата Gliadel составил около 20 миллионов долларов в 2003 году (увеличение на 32 % по сравнению с предыдущим годом), а Viadur – около 150 миллионов долларов.

С учетом общих тенденций специалисты предсказывают, что к 2012 году товарооборот рынка имплантируемых средств направленной доставки лекарств может превысить 2 миллиарда долларов, причем основной рост производства связывается с двумя описанными ниже направлениями развития нанотехнологий (нанопористые мембраны и биочипы).

16.1.2.1. Нанопористые мембраны

В качестве носителей иногда используются мембранные устройства (типа показанного на рис. 16.5) с оболочкой, поры которой имеют строго заданный размер (диаметром несколько десятков нанометров), что позволяет вводить в организм по заданной программе необходимое количество препаратов (в виде малых молекул, пептидов, белков и т. п.). Возможности применения таких структур очень велики и разнообразны, например, в настоящее время разрабатывается устройство, содержащее панкреатические «островные» клетки, вырабатывающие инсулин. Однородность и точность размеров пор позволяет регулировать скорость выделения таких клеток через мембрану. Размеры пор устройства подобраны таким образом, что питательные вещества для клеток и выработки инсулина свободно поступают из организма внутрь структуры, в то время как белки и клетки иммунной системы организма почти не могут проникать внутрь биокапсул и воздействовать на чужеродные клетки, вырабатывающие инсулин.

Рис. 16.5. Имплантируемое мембранное устройство с наноразмерными порами, предлагаемое для организации регулируемого обмена веществ в организме [109] . Рисунок воспроизводится с разрешения авторов из статьи S. I. Tao and T. F. Desai «Microfabricated drug delivery systems: From particles to pores», Advanced Drug Delivery Reviews 55 (2003): 315—328

16.1.2.2. Биочипы

К сожалению, даже имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов на полимерной основе не могут гарантировать абсолютной точности дозируемого ввода препаратов, и в них могут происходить ошибки и разрушения структур, результатом чего становится «взрывное» выделение препаратов. Еще одним недостатком имплантируемых полимерных структур является то, что после имплантации врачи теряют возможность регулировать их поведение, то есть как-то изменять исходную схему лечения. Этих недостатков лишено следующее поколение имплантируемых устройств доставки, а именно так называемые биологические чипы, представляющие собой наноразмерные искусственные устройства (рис. 16.6). Обычно они изготавливаются из кремния и содержат большое количество крошечных резервуаров (микроконтейнеров) с тщательно контролируемым объемом (около нескольких сот нанолитров), заполненных необходимым препаратом. Резервуары покрываются тонкой металлической (обычно золотой) пленкой и соединяются тончайшими проводами с управляющим устройством на поверхности чипа, как показано на рисунке [110] . Проволочки настолько тонки, что при подаче электрического сигнала расплавляются вместе с фольгой, в результате содержимое резервуара, то есть заданное количество препарата выделяется в окружающие ткани организма. Вследствие своих крошечных размеров такие биочипы могут быть легко имплантированы практически в любой орган или ткань организма, включая кожу, нервные волокна или даже головной мозг. Электронное управление чипом осуществляется извне по радиосигналам, воспринимаемым встроенной антенной и приводящим, как было описано выше, к плавлению металлической фольги и выделению препарата. Эта технология была разработана фирмой MicroCHIPS Inc., играющей ведущую роль в производстве биочипов. В настоящее время устройство описанного типа проходит клинические испытания на животных, и эти испытания уже доказали высокую биологическую совместимость чипа с живыми тканями и отсутствие побочных эффектов. Специалисты уверены, что новая методика может стать исключительно ценным средством тщательно контролируемого ввода лекарственных препаратов.

Рис. 16.6. Схематическое изображение биочипа (а) и отдельного микроконтейнера (б). Рисунок воспроизводится с разрешения авторов из статьи J. T. Santini, M. J. Cima and R. Langer «A controlled-release microchip», Nature 397, № 6717 (Jan.28, 1999): 335—338

16.1.3. Трансдермальное введение лекарственных препаратов

Еще в 1979 году в США был разрешен выпуск пластырей (аппликаторов, накладок), обеспечивающих постепенный ввод лекарственных препаратов через кожу пациента. Затем эта методика получило достаточно широкое распространение, и в настоящее время объем рынка трансдермальных пластырей (аппликаторов) составляет более 3 миллиардов долларов в год [111] . Популярность метода легко объясняется его простотой, удобством и тем фактом, что вводимые вещества не подвергаются так называемому «первичному» метаболизму в почках и сохраняют свои биологические особенности. Еще одним преимуществом такой методики является то, что она позволяет поддерживать устойчивый уровень содержания препарата в плазме крови гораздо эффективнее, чем инъекции и т. д.

Существенным ограничением методов трансдермальной доставки лекарств в организме выступает тот факт, что кожный покров человека является очень эффективным «барьером» против проникновения большинства молекул и веществ. С одной стороны, кожные поры не пропускают большие молекулы из-за их размеров, а с другой – поверхностный слой кожи содержит много липидов, препятствующих проникновению в организм любых водорастворимых молекул. Таким образом, особенности человеческой кожи не позволяют применять методику для обширных классов лекарственных препаратов (например, содержащих небольшие гидрофильные молекулы, пептиды, белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), в результате чего применение лечебных накладок длительное время оставалось весьма ограниченным по ассортименту самих препаратов. В частности, выпускаемые пластыри содержали никотин (при подавлении стремления к курению), скополамин (при лечении расстройств двигательного аппарата и т. п.) и заменители некоторых гормональных средств.

Проницаемость кожного покрова для макромолекул и гидрофильных соединений (а следовательно и эффективность описываемого метода) может быть значительно повышена за счет создания микроскопических пор в кожном слое. Сложность состояла в том, что микроотверстия должны быть достаточно большими для пропускания макромолекул препарата, но настолько малыми, чтобы не вызывать болезненных ощущений у пациента. Раньше такая задача казалась неразрешимой, однако современные технологии (в частности, разработанные в электронике) позволяют создать массивы микроскопических иголок требуемого размера.

На рис. 16.7 схематически показана структура из кремниевых наноразмерных иголок, предложенная в 1998 году Р. Просницем для создания нового поколения аппликаторов. Позднее для введения лечебных препаратов разных видов были созданы и другие структуры этого типа на основе специально подбираемых материалов (стекло, полимеры, металлы, кремний), позволяющие вводить в организм через кожу небольшие молекулы, олигонуклеотиды, плазмиды и протеины. Такие структуры прикладываются к коже, а затем покрываются обычным пластырем. Проницаемость кожного покрова при использовании аппликаторов возрастает на несколько порядков, а эффективность методики в целом может быть повышена за счет использования дополнительных веществ (замедляющих процесс всасывания препарата с поверхности игл) или создания микроканалов внутри игл, позволяющих регулировать подачу препаратов.

Рис. 16.7. Микроиголки из кремния длиной —150 нм, позволяющие безболезненно осуществлять трансдермальный перенос лекарственных препаратов. (Печатается с разрешения автора работы M. R. Prausnitz, S. Mitragotri and R. Langer, «Current Status and future potential of transdermal drug delivery», Nature Reviews Drug Discovery 3, no. 2 (2004): 115—124

Практическое применение продемонстрировало, что наложение таких средств действительно является совершенно безболезненным [112] . Трансдермальный перенос препаратов оказался очень удобным и простым, вследствие сейчас несколько компаний проводят испытания, готовясь к коммерческому производству. Можно не сомневаться, что по мере развития технологии этот метод доставки приобретет популярность и получит широкое распространение.

16.2. Тенденции развития методов доставки препаратов
Нанотехнологии играют важную роль в развитии методов введения и доставки препаратов внутри организма, особенно в отношении малых и белковых молекул. В настоящее время ведутся очень интересные разработки методик ввода и доставки новых классов лекарств, включая препараты на основе нуклеиновых кислот. Характерная для нанотехнологий возможность управлять свойствами вещества и процессами на атомно-молекулярном уровне, безусловно, окажет большое воздействие на классические методики фармакологии, и мы с уверенностью предсказываем появление в будущем новых устройств доставки лекарственных препаратов в организме, обладающих более высокой специфичностью и более точным контролем применения и дозировки.

Глава 17 Слияние био-нано-информационных технологий

Чин Мин Xo, Дин Xo, Дан Гарсия

Чин Мин Хо является профессором Калифорнийского университета (UCLA) и одновременно директором Института исследований миметики клеток (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE). Он окончил Национальный университет Тайваня, после чего сделал блестящую научную карьеру в США, где стал одним из наиболее авторитетных специалистов в области МЭМС, наногидродинамики и био-нанотехнологий. Профессор Хо является автором более 200 публикаций и обладателем 7 патентов. Он имеет множество почетных званий и является членом самых авторитетных научных организаций, включая Американское физическое общество. Он известен также своей плодотворной деятельностью по координации научных усилий различных стран (Франция, Китай, Израиль, Тайвань, Япония) в области нанотехнологий и микротехники. Неоднократно организовывал различные международные конференции по указанной тематике.

Дин Хо работает в Калифорнийском университете (UCLA). Он является одним из наиболее известных специалистов в области био-нанотехнологий, обладающим огромным авторитетом в научных кругах, связанных с нанотехнологиями, и имеющим исключительно высокий коэффициент цитируемости работ. Кроме того, Дин Хо известен своей общественной активностью и выступлениями на тему о возможном влиянии нанотехнологий на социальные отношения.

Дан Гарсия сейчас работает над докторской диссертацией в Калифорнийском университете под руководством доктора Чин Мин Хо. Он изучает проблемы использования мышечных белков для создания наноструктур (по принципам снизу вверх и сверху вниз) и их дальнейшего объединения с микроэлектромеханическими устройствами (МЭМС), что должно позволить организовать направленную доставку лекарственных препаратов внутри организма. До этого Дан Гарсия занимался проблемами генной инженерии и иммунной реакции организма при различных заболеваниях и трансплантации тканей.

Микроэлектронная промышленность, возникшая на основе достижений физики твердого тела в конце 1940-х годов, в течение нескольких десятилетий была и остается одной из главных движущих сил экономики США. В 1980-х годах появились первые микроэлектромеханические системы (так называемые МЭМС), показавшие, что новые технологии могут изготавливать механические устройства и изделия с удивительной точностью, недоступной традиционным методам машинной обработки вещества. Например, в 1988 году Фан, Тай и Мюллер [113] сумели создать микроскопический электродвигатель размером около 100 мкм, пользуясь процессами производства МЭМС, основанными на методах изготовления интегральных схем в микроэлектронике. Появление МЭМС в некоторой степени стало знаком «размывания» границ между механикой и электроникой.

Дальнейшее уменьшение размеров устройств до нанометрических масштабов привело к «слиянию» нанотехнологий с биологическими процессами. В частности, когда детали устройств стали близки по размерам к некоторым функциональным макромолекулам (типа ДНК или нуклеиновых кислот) возникла возможность создания совершенно удивительных гибридных механизмов. Например, в работе Сунга и др. [114] описан нанодвигатель, созданный на основе «объединения» митохондриальной АТФазы и металлического наностержня. В этом направлении исследований наблюдается замечательный прогресс, и мы постоянно узнаем о все более неожиданных устройствах исключительно малых размеров. Нанотехнология фактически уничтожает разницу между обычными технологиями и биологическими процессами, создавая новые направления и новую границу исследований и развития.

Целью любых технологический инноваций, включая нанонауку, было и остается улучшение или «обогащение» условий человеческого существования. Нанотехнологии кажутся нам странными лишь потому, что имеют дело с объектами и процессами фантастически малых масштабов (девять порядков разницы величин между метром и нанометром очень трудно представить). Однако, в конечном счете, нанотехнологии изобретаются и должны использоваться людьми, вследствие чего мы обязаны как-то связать эти крошечные масштабы с реалиями человеческой жизни и собственного поведения.

Прежде всего, можно вспомнить, что человеческий организм представляет собой чрезвычайно сложную, самоорганизующуюся, многофункциональную и адаптивную систему, которая развивается и управляется набором некоторых природных процессов, осуществляемых специальными видами молекул (типа ДНК и белков), имеющих именно нанометрические размеры. В изучении и понимании того множества процессов, которые протекают в человеческом организме и определяют его существование, мы очень часто сталкиваемся со сложными проблемами из-за того, что эти процессы имеют самые разные масштабы. Эту идею задолго до возникновения нанонауки, еще в 1972 году выразил П. В. Андерсон в статье, опубликованной в журнале Science: «На каждом уровне сложности системы возникают новые свойства, поведение системы приобретает новые особенности и требует нового исследования. Мне кажется, что изучение каждого уровня сложности имеет фундаментальное значение для понимания природы системы в целом». Строго говоря, нанонаука внесла лишь некоторые дополнительные уровни изучения человеческого организма. Например, нам предстоит еще понять, каким образом клетка может получать, перерабатывать и использовать содержащуюся в ДНК генетическую информацию, используя наномасштабные датчики и «приводы», представляющие собой микроскопические, но весьма сложные, эффективные и автономные «устройства», которые некоторые сравнивают по сложности с целыми заводами.

Человеческому сознанию трудно охватить и оценить все многообразие процессов, происходящих в разных масштабах, отделяющих наномир от привычного нам мира макрообъектов. Еще сложнее представить себе цепочку зависимостей, связывающих процессы на молекулярном уровне с теми конечными свойствами макросистем, которые определяют ценности человеческой жизни. Интеграция отдельных компонент на атомно-молекулярном масштабе, на более высоких уровнях сложности приводит к достаточно сложному поведению, то есть к появлению развивающихся свойств. Это заставляет нас задуматься о том, что в процессах на уровне наномасштабов оказываются объединенными или «слитыми» те характеристики и свойства, которые на более высоких уровнях изучения описываются отдельно биологией, физикой, химией (обобщенно, нанонаукой) и информационными технологиями. Проблема такого слияния наук на наноуровне представляется исключительно важной и может иметь революционное значение для дальнейшего развития науки вообще.

Приступая к коммерциализации нанотехнологий, мы должны значительно углубить наши познания во всех науках, связанных с процессами на атомарно-молекулярном уровне. В течение последних десятилетий мы накопили множество новой информации относительно физических, химических и биологических закономерностей, но нанонаука (как единая дисциплина, объединяющая все эти закономерности) пока находится в зачаточном состоянии. Хочется подчеркнуть, что именно создание такой объединенной науки могло бы стать ключевым моментом в новой «технической революции» и, возможно, осуществление Национальной нанотехнологической инициативы США станет одним из первых шагов в этом направлении.

Для достижения поставленной цели, то есть для установления закономерностей между процессами, происходящими в разных масштабах (от атомарных до тех, которые мы можем заставить непосредственно служить людям), необходимо решить три основные задачи. Во-первых, создать основные, фундаментальные методики, позволяющие наблюдать, описывать, перемещать и объединять наночастицы с высокой точностью. Во-вторых, разработать приемы, позволяющие уверенно и систематически объединять наночастицы, создавая композиционные объекты больших масштабов при условии, что мы можем оценивать степень возрастания сложности на новом уровне. Наконец, на последнем этапе мы можем создавать технологии, представляя себе, каким образом возникающие на наноуровне и способные к развитию свойства вещества будут позднее проявляться в функциональности создаваемых нами материалов и устройств.
Вместо подробных обзоров по отдельным темам мы закончим эту главу несколькими примерами, наглядно демонстрирующими (или иллюстрирующими) проблемы, связанные с возможным слиянием био-нано-информационных технологий, и потенциальные возможности их решения.
17.1. Наблюдение нанообъектов

Возможно, наиболее важной задачей в развитии потенциала нанотехнологий вообще является создание приборов и инструментов, позволяющих визуализировать молекулярные процессы в реальном масштабе времени. Такие приборы непрерывно совершенствуются, постоянно расширяя границы изучаемых и описываемых явлений, относящихся к наномиру.

В первую очередь следует отметить флуоресцентную микроскопию, которая существенно усилила возможность визуализации поведения микро– и наночастиц в биологических образцах. Например, использование конфокальной микроскопии для усиления сигналов от флуоресцентных меток позволяет получать изображение биообъекта в самых разных масштабах (от отдельного белка до клетки в целом). Прогресс достигнут за счет того, что в конфокальной микроскопии стали использовать новые фильтры, позволяющие снижать фоновый уровень флуоресценции за счет дополнительной защиты фокальной точки линзы. В конфокальной микроскопии используются источники с большим числом флуоресцентных меток, что позволяет одновременно визуализировать большое число деталей изучаемого объекта. В частности, становится возможной, например, визуализация процессов в сложных системах нейронных клеток мозга, как показано на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Визуализация участка 10-дневной культуры мозговых клеток мыши с использованием меток, нейронных маркеров (типа бета-III-тубулин) и так называемых маркеров de novo для ДНК-метилтрансферазы по данным работы Фенга и др. [115]

В последние годы для изучения топографии поверхности различных структур на нанометрическом уровне все шире используются атомносиловые микроскопы (ACM), снабженные гибкими кантилеверами (консолями) и наноразмерными иглами-наконечниками. В одной из недавних работ с применением ACM удалось провести успешное исследование наноразмерных пор в клеточных мембранах, обеспечивающих обмен растворенными соединениями и питательными веществами между цитоплазмой клетки и ее окружением. Например, выяснилось, что внешняя мембрана известной бактерии кишечной палочки Escherichia coli пронизана сетью ионных каналов из особых белков (получивших название поринов), способных открываться и закрываться при изменении параметра pH среды и трансмембранного напряжения. Применив АСМ для изучения конформационных изменений поринов, Мюллер и Энглер [116] еще в 1999 году сумели получить достаточно точную картину поведения пориновых каналов при изменении внешних параметров и прямые изображения изменения структуры образующих эти каналы белков-поринов, как показано на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Микрофотографии, полученные на атомно-силовом микроскопе высокого разрешения, позволяют визуализировать конформационные изменения белков-поринов, образующих трансмембранные каналы OmhF, при изменении ионного градиента и параметра pH среды. (А) каналы OmhF в закрытом состоянии; (В) каналы OmhF в открытом состоянии
В дальнейшем, используя материалы, позволяющие усиливать оптические сигналы ближней зоны, удалось получить изображения объектов с точностью, значительно превышающей так называемый дифракционный предел разрешения [117] [118] , что открыло (особенно перед биологами) обширное новое направление исследований. Непрерывный прогресс в нанотехнологических методах визуализации позволил обнаружить и изучить целый ряд интересных и сложных процессов, относящихся к взаимодействию лигандов и рецепторов, транслокации ДНК в клеточных мембранах и т. д. Дальнейшее развитие таких методик позволит нам в будущем непосредственно наблюдать реакции и процессы, обеспечивающие функциональность создаваемых нами наноустройств и нанообъектов.

17.2. Возможности манипуляции атомами и молекулами

Для разумного использования сложных макромолекул необходимо прежде всего тщательно изучить их характеристики и научиться целенаправленно манипулировать ими, например, изменяя положение и конформацию наночастиц и создаваемых из них объектов. Например, выше неоднократно говорилось о том, что биологические системы способны к самоорганизации и представляют собой типичный образец создания материалов и устройств по принципу «снизу вверх». Слияние методов биологии и нанотехнологии означает не только использование биологической самосборки для производства нанообъектов, но и возможность вмешательства в биологические процессы и их развития или оптимизации.

Современные технологии дают возможность механически воздействовать или деформировать некоторые виды молекул (например, белки и ДНК). В принципе, молекула ДНК (рассматриваемая на ноноуровне) представляет собой очень длинную макромолекулу, поведение которой напоминает привычные механические системы из шариков и пружинок. Например, закрепив один конец молекулы ДНК и поместив ее в вязкий поток (то есть, прилагая к молекуле продольные механические напряжения), можно постепенно вывести ее из равновесного состояния в виде «клубка» и растянуть в виде нити. Экспериментально такое растяжение молекулы ДНК осуществила группа П. К. Вонга7: им удалось спроектировать систему из двух микрофлюидных каналов буферных потоков, между которыми протекал раствор, содержащий ДНК. Описанная методика позволяла практически «растянуть» молекулу ДНК, а затем наблюдать процесс ее релаксации и возвращения в равновесное состояние, показанный на рис. 17.3. Метод позволяет проводить прямые измерения механических характеристик за счет варьирования скорости буферных обтекающих потоков, причем воздействие внешних факторов может быть минимизировано.

Рис. 17.3. Релаксация молекулы ДНК после «растяжения» в потоке, фиксируемая с интервалом времени 2,5 секунд по данным работы Вонга и др. [119]

17.2.1. Исследование и описание свойств ДНК/РНК

Любому практическому использованию нанообъектов должно предшествовать тщательное изучение и описание их свойств, а также исследование зависимости свойств от состава, структуры и т. д. Например, биомолекулярное описание белков естественно подразумевает установление их трехмерной структуры, а также измерение механических характеристик этих структур, в дальнейшем полученная информация может быть использована для создания наноустройств, способных выполнять именно описанные биомолекулярные функции. Примером использования такого подхода может служить работа Д. Хо и др. [120] Нанотехнологии создают новые возможности для повышения качества жизни человечества, однако их развитие и применение требует значительного повышения уровня наших знаний об окружающем мире (включая и гораздо более подробную информацию о функциях и возможностях ДНК).

Одним из важнейших событий конца прошлого века стала обширная международная программа под названием «Геном человека». Исследования велись более десяти лет и позволили осуществить общее, как говорят биологи, картирование наследственного кода человека. После этого одной из важнейших задач биологии стала разработка методов, позволяющих быстро и легко устанавливать последовательность нуклеотидов в ДНК отдельных людей, что позволит осуществлять лечение и профилактику с учетом индивидуальных особенностей пациента и приведет к революционным преобразованиям в медицине. В настоящее время этой проблемой занимаются многие ведущие ученые, и нанотехнологии представляют для таких исследований новые и неожиданные возможности. В частности, ценную информацию относительно состава и строения различных белков и ДНК можно получить, исследуя процессы в разнообразных нанопорах. Например, в работе Меллера и др. [121] изучалась электропроводность ионных каналов клеток Staphylococcus aureus. В экспериментах измерялась зависимость от температуры проводимости каналов из α-гемолизмина при трансмембранном переносе ДНК, а полученные данные позволяли оценивать состав и конфигурацию нуклеиновых кислот. На рис. 17.4 приводятся результаты Меллера, относящиеся к процессам переноса полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Эта методика позволяет определять различные характеристики полимерных носителей, включая длину молекулярной цепочки, структуру и точный состав.

Рис. 17.4. Транслокация полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Время трансмембранного переноса выступает характеристикой состава и строения. По данным Меллера и др.
Метод изучения и описания сложных молекул по характеристикам процессов их переноса через каналы или микропоры оказался очень перспективным и стал новым направлением классификации. Использование мембранных белков для изучения нитей ДНК ограничено, конечно, условиями существования и свойствами самих мембран и белков, образующих ионные каналы. Например, границы измерений в описанных выше экспериментах определяются оптимальными условиями функционирования каналов из α-гемолизмина, когда эти каналы обладают достаточной и регулируемой активностью.

Для создания общей и стандартной экспериментальной основы описания белков и липидов, в работе Чена и др. [122] была предложена единая методика, основанная на использовании нанопор в неорганических материалах (в частности, на основе Si3N4), что, естественно, значительно расширяет диапазон исследований, поскольку активность и работа таких каналов перестают зависеть от температуры и биохимических условий. Метод можно назвать описанием и характеристикой по твердотельным нанопорам, он позволяет достаточно надежно определять особенности ДНК по процессам переноса (транслокации) через наборы пор в твердых материалах. Современные модификации метода твердотельных нанопор позволяют охватывать широкий диапазон изменения внешних условий, включая показатель pH среды, температуру и напряжение. Более того, использование пор из твердых неорганических материалов дает возможность проводить измерения при очень высоких потенциалах, которые в органических системах разрушили бы исследуемые белковые или липидные структуры. Нанотехнологии дают нам возможность изучать и описывать широкие классы молекул в самых различных условиях окружения.

17.3. Другие возможности описания

Атомно-силовая микроскопия, которая первоначально создавалась для изучения топографических особенностей кристаллических поверхностей, в дальнейшем нашла гораздо более широкие области применения. Прежде всего, исследователи оценили возможности АСМ для описания молекулярных структур и манипуляций атомами или наночастицами. Например, уже существуют методы атомно-силовой литографии, при которых АСМ используются для «переноса» наноразмерных паттернов на фоторезист, после чего изделия фабрикуются с применением УФ-излучения или химически активных полимеров. Разрешающая способность такого метода является исключительно высокой, поэтому АСМ-установки могут стать идеальным инструментом нанолитографии, то есть литографии на атомарно-молекулярном уровне.

Далее, АСМ стали широко применяться для прямого исследования поведения биомолекул и связанных с ними структур типа мембран и белков, обеспечивающих движение молекул. Например, используя АСМ, удалось провести измерения так называемого фолдинга (укладки в трехмерную структуру) белковых образований, содержащих иммуноглобулиновые домены [123] . Эта работа заслуживает особого внимания, поскольку понимание процессов образования трехмерных белковых конформаций имеет исключительную важность не только для так называемой белковой инженерии, но и для исследования индивидуальных особенностей организма, связанных с особенностями укладки белков в отдельных организмах.

Описанные методы использования АСМ могут служить наглядным примером связи наук и слияния в будущем науки или технологий.

17.4. Интеграция на атомарно-молекулярном уровне

Прогресс в области нанотехнологий означает, что люди не только научатся управлять поведением вещества на атомарном уровне, но и найдут возможности «преодолеть» чудовищную разницу в масштабах между микромиром частиц и окружающим нас макромиром, к которому должны относиться новые производства. В макромире мы привыкли изготовлять требуемые нам изделия методами нисходящего производства «сверху вниз», которое практически всегда означает уменьшение размеров исходного обрабатываемого объекта (например, из крупного бревна можно постепенно вырезать много мелких деревянных деталей и т. п.). Между тем стоит вспомнить, что природные процессы почти всегда связаны с восходящими производствами «снизу вверх», и все природные объекты, включая человека, создаются сборкой и самосборкой молекул, то есть в результате направленной интеграции и объединения атомов и молекул, постепенно приводящей к возникновению макрообъектов.

Возможности целенаправленного создания изделий по принципу «снизу вверх» довольно разнообразны, хотя пока они используются лишь очень ограниченно. Например, самые простые приводы (актуаторы) удается создать даже на основе хорошо известного химикам процесса самоорганизации мономолекулярных слоев [124] . Более сложные и интересные устройства могут быть созданы, например, на основе молекул необычного класса, называемых ротаксанами. В самой простой форме такая молекула представляет собой «ось» с двумя крупными и активными соединениями на концах (их называют центрами распознавания), которая как бы механически «продета» через циклическое соединение, как показано на рис. 17.5. Особо следует отметить, что такая структура образуется в процессе сложного синтеза, и кольцо не может «соскользнуть» с оси из-за пространственных и энергетических препятствий. При окислении одного из центров общее распределение потенциальной энергии вдоль этой молекулярной структуры изменяется таким образом, что кольцу энергетически выгоднее сместиться вдоль оси к другому центру [125] . Затем осуществляется реакция восстановления, энергетический профиль принимает прежний вид и кольцо возвращается к исходному положению. Простые реакции окисления и восстановления центров заставляют кольцо двигаться в противоположном направлении, что позволяет «переводить» химическую энергию молекулярных реакций в механическое движение кольца (строго говоря, мы имеем дело с простейшим молекулярным двигателем).

Рис. 17.5. Схематическое изображение молекулы ротаксана. Окисление и восстановление групп на концах молекулы заставляет кольцевую структуру двигаться вдоль оси молекулы
Существуют и более сложные структуры этого типа, например, ротаксан может включать в себя два кольца и четыре центра распознавания. Химически связав кольца жесткой связью или структурой (ее можно назвать кронштейном или балкой), мы получаем систему, напоминающую молекулярный «мускул», так как при наличии окислителя оба кольца будут смещаться к центру оси, что приведет к изгибу «кронштейна». Объединив эти структуры на микроскопических кантилеверах (рычагах), авторам работы [126] удалось создать реальное механохимическое наноустройство, показанное на рис. 17.6. «Балка» искривляется или возвращается в исходное состояние при воздействии окислителя и восстановителя соответственно, причем эти смещения легко и надежно регистрируются лазерным датчиком. Отметим еще, что механическая часть устройства (система кронштейнов) создается методами микромеханики, так что описываемый эксперимент наглядно демонстрирует богатые возможности, возникающие при одновременном использовании подходов «снизу вверх» и «сверху вниз». Объединение механических, химических и других технологий для создания интегральных устройств является одним из перспективных направлений нанотехнологии.

Рис. 17.6. Наномасштабный молекулярный двигатель, в котором смещение кронштейна активируется воздействием окислителя или восстановителя. По данным работы Т. Дж. Хуанга и др. [127]

17.5. Возникающие и самоорганизующиеся структуры

В некотором смысле можно считать, что клетки человеческого организма представляют собой кульминацию развития природы. Действительно, в результате эволюции за миллионы лет природа создала совершенно уникальную, автономную и реагирующую систему из датчиков и актуаторов (приводных механизмов), которая способна действовать в соответствии с программами и командами. Часть этих программ закладывается в систему при рождении, а часть – вырабатывается некоторой структурой управления, которую можно назвать распределенным по системе интеллектом. Клетка является саморегулируемой и самоуправляемой системой, или устройством, а ее ядро можно уподобить центральному процессору, который способен воспринимать и перерабатывать разнообразную поступающую информацию. В клетке выявлены разнообразные механизмы передачи и обработки информации, приводящие к выработке соответствующих реакций. Например, биологи подробно изучили так называемый хемотаксис (клеточное движение, инициируемое химическими агентами), при котором поступление химического сигнала порождает механическое движение так называемой цитоскелетной сети.

В качестве сложной системы биологическая клетка может служить символом концепции «возникающего поведения», когда реакция системы на входные сигналы определяется сложной обратной связью. В качестве примера можно привести поведение клеток нейтрофильных лейкоцитов (нейтрофилов), способных обволакивать и пожирать бактерии типа Staphylococcus aureus, как показано на рис. 17.7. Процесс захвата и уничтожения бактерий, называемый фагоцитозом, демонстрирует достаточно сложное, согласованное и целенаправленное поведение клеток нейтрофила, которые оказываются способными не только чувствовать химические градиенты, создаваемые бактериями, но и двигаться по сложным траекториям (определяемым этими градиентами) по направлению к бактерии, окружая ее с разных сторон. Процесс фагоцитоза обеспечивается регистрацией химических сигналов сенсорами клетки нейтрофила и внутриклеточной системой обработки этих сигналов, позволяющей менять траектории движения клетки и осуществлять требуемые маневры.

Рис. 17.7. Процесс фагоцитоза, то есть «погони» нейтрофила за бактерией типа Staphylococcus aureus. Нейтрофил регистрирует химические градиенты, создаваемые бактерией, и осуществляет сложные маневры по ее окружению и захвату. По данным работы Д. Роджерса [128]
Основной задачей в создании крупномасштабных и сложных молекулярных систем является обеспечение именно такого согласованного, «возникающего» из оценки ситуации поведения (биологи называют это подражание естественным клеточным процессам мимикрией), что позволило бы создать аналоги существующих в природе механизмов преобразования энергии, биохимического воздействия и т. п. Непрерывный прогресс в развитии нанотехнологий позволяет надеяться на создание в близком будущем систем описываемого типа, в которых внешние стимулы или сигналы (свет, наличие химических веществ и т. п.) будут приводить к воспроизводимому и согласованному «возникающему» поведению.

В качестве наглядного примера можно привести фотонные кристаллы из пористого кремния, изготовленные по новому методу, предложенному Линком и Сейлором [129] . Нестандартный способ получения этих частиц позволяет формировать кристаллы необычного строения с непривычными физическими свойствами, из-за которых некоторые исследователи называют такие микрочастицы «умными пылинками». Характерной особенностью частиц «умной пыли» выступает то, что они как бы составлены из двух разных пластинок, в результате чего их противоположные поверхности обладают разными свойствами: одна сторона (условно зеленая) является гидрофобной, то есть водоотталкивающей, а другая (условно красная) – гидрофильной. Химики, которые иногда сталкиваются с подобными молекулами (в которых одна часть структуры является гидрофобной, а другая гидрофильной), называют их амфифильными и используют для структурирования различных растворов. Микропылинки пористого кремния описываемого типа сохраняют способность к структурированию, в частности, на водной поверхности они самопроизвольно ориентируются в определенной позиции, формируя монослой, в котором частицы обращены гидрофильными (красными) сторонами к воде, а гидрофобными (зелеными) – к воздуху.

Очень интересным выглядит поведение частиц пористого кремния при добавлении в воду капли гидрофобного растворителя дихлорметана, так как пылинки самоорганизуются на поверхности этой капли, как бы «прилипая» к ней своими гидрофобными участками. В результате такой самосборки в растворе, содержащем никак не связанные друг с другом индивидуальные пылинки, неожиданно возникает макроскопический объект, обладающий собственными оптическими, физическими и другими особенностями (рис. 17.8). Это необычное явление и позволяет говорить об «умной пыли», так как опыты показали, что такие частицы могут достаточно эффективно применяться для детектирования разнообразных химических веществ. Более того, при введении в такие частицы дополнительных распознающих центров, они могут использоваться для детектирования или обеззараживания патогенных микроорганизмов в воде и пище.

Такие вещества могут найти много возможностей практического применения, однако с чисто научной точки зрения в описанном поведении частиц нас должна заинтересовать в первую очередь их способность к самоорганизации, то есть проявлению внутренних закономерностей, управляющих развитием характеристик поведения системы. В рассматриваемом конкретном случае очень важно, что поведение системы на микроскопическом уровне неожиданно меняется при добавлении капли постороннего вещества (дихлорметана), после чего в системе возникают новые макроскопические объекты, то есть проявляется «скрытое» свойство системы.
В настоящее время теория и экспериментальные исследования проявления потенциальных (их можно также назвать скрытыми, внутренними, проявляющимися и т. п.) свойств различных систем переживают период накопления фактов и представлений. Представляется очевидным, что эта проблема является исключительно важной, а ее значение будет непрерывно возрастать по мере создания все более сложных искусственных систем, особенно когда эти системы приобретают новые функциональные способности (сравнимые с функциями биологической клетки), относящиеся, например, к переработке энергии, принятию самостоятельных решений и т. д. Дальнейшее развитие науки и техники (безусловно, связанное с нанотехнологиями) автоматически должно приводить нас к «слиянию» различных научных дисциплин, одним из последствий чего станет доведение «мимикрии» до полного подобия поведения систем. Иными словами, совершенствуя наши знания и технологические приемы, мы будем приближаться к пределу, когда перестанем воспринимать разницу между искусственными и природными системами. Возможно, преодоление этого интеллектуального барьера и позволит нам реально использовать нанотехнологии для улучшения параметров человеческого существования.
Выводы

Авторы этой главы ставили целью самое общее описание процессов малозаметного, но очевидного слияния нанотехнологий с другими науками, а также оценку возможностей использования процессов такого слияния для повышения качества жизни. Фундаментальные исследования в области нанонауки уже сейчас позволяют нам создавать «кирпичики» для построения совершенно новых устройств, которые обещают существенным образом преобразовать важнейшие условия социальной жизни. Мы стоим на пороге революционных изменений в промышленности и науке, включая энергетику, материаловедение, медицину и т. д. Принципиальное отличие проектируемых нанотехнологических систем от существующих заключается не столько в том, что новые системы будут синтезироваться в основном по принципу «снизу вверх», сколько в возможности придавать этим системам способность реагировать на внешние условия. Именно поэтому многие новые материалы часто называют умными или интеллектуальными. Новые качества материалов и устройств достигаются за счет использования возникающих в них новых свойств, а также нанометрических датчиков и приводных устройств. Например, выше описывалось координированное поведение частиц «умной пыли», проявляющей неожиданные коллективные особенности и порождающей даже новые макроскопические объекты, чему нет аналогов в привычных технологиях. Почти наверняка ученым следует готовиться к тому, что создаваемые ими наноустройства и наноматериалы будут все чаще обладать странными, то есть незапланированными свойствами, что может даже приводить к драматическим последствиям. Иными словами, создавая все более сложные устройства, мы должны быть готовы к тому, что они начнут самостоятельно перерабатывать поступающую информацию, то есть реагировать неожиданным образом на различные внешние импульсы. Целью исследователей должно стать использование таких новых характеристик, например, создание материала, который способен автоматически (реакция пептидов, входящих в состав материалов и т. п.) преобразовывать падающий свет в электричество.

Создание нанотехнологических «блоков» и устройств, способных к целенаправленному объединению в макроскопические системы, неотделимо от прогресса в области методологии и инструментальной техники. Прежде всего это подразумевает разработку новых устройств, позволяющих не только наблюдать за атомно-молекулярными процессами и описывать их количественно, но и руководить ими, то есть манипулировать нанообъектами. Понимание процессов изготовления новых объектов (из элементов типа атомов и молекул) должно включать в себя и какое-то представление о возрастании информационного содержания таких систем. Еще раз отметим, что слияние методов нанотехнологии, биологии и электроники в молекулярных системах может означать фактически «истинную мимикрию», то есть воссоздание точных атомарных копий некоторых природных биологических механизмов, обеспечивающих биологические реакции за счет комбинации определенных датчиков и приводных систем.

Нанотехнологии находятся на самой ранней стадии развития, однако обладают огромным потенциалом и обещают стать основой следующей научно-технической революции и дальнейшего прогресса человечества. Например, упомянутая выше возможность быстрого скрининга ДНК в принципе позволяет надеяться на создание «индивидуальной» диагностики, когда медицинское обслуживание пациента будет основываться на анализе его собственного генетического кода. Эта фантастическая возможность может поменять наши представления о роли классической медицины вообще и даже означать «завершение» развития этой науки.

Для достижения намеченных целей человечеству предстоит преодолеть целый ряд существенных препятствий. Прежде всего ученые должны разработать принципиально новые технологии и методологии, которые могут быть названы «творческими» или развивающимися. Создание материалов и устройств, позволяющих непосредственно наблюдать атомно-молекулярные процессы и активно регулировать их, выводит нас на принципиально новый уровень познания и управления биологическими законами. Трудно даже представить те возможности, которые откроются перед учеными после понимания законов функционирования очень сложных систем (типа человеческого организма) и правил, по которым возникают новые закономерности поведения в этих системах. Перед человечеством откроются новые возможности в самых разных областях (от новых методов лечения до создания новых источников энергии), что, возможно, кардинальным образом изменит условия нашего существования.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Институту изучения клеточной миметики для космических исследований при НАСА (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE, a NASA URETI), Национальному институту здоровья (NIH), Национальному научному фонду и Управлению перспективных исследований и разработок Министерства обороны США (DARPA) за финансовую поддержку.

Раздел IV Конвергенция и интеграция

Глава 18 Конвергенция и интеграция

Майкл К. Роко

Майкл К. Роко является одним из крупнейших специалистов и руководителей нанотехнологических исследований в США, также автором и редактором многих основных книг и учебников в данном направлении. Область собственных научных интересов М. Роко связана с многофазными системами, компьютерным моделированием и нанотехнологиями. В 1991 году он возглавил первую федеральную программу США по исследованиям в области нанотехнологий, которая позднее (при его непосредственном участии) преобразовалась в известную Национальную нанотехнологическую инициативу США (NNI), ставшую примером для многих других стран. М. Роко имеет множество почетных званий и наград. Газеты и журналы часто называют его одним из ведущих организаторов научной революции, связанной с нанотехнологиями.

В настоящее время на наших глазах возникает новая целостная наука, основанная на материальном единстве окружающего нас мира, что становится особенно заметным при изучении вещества на атомно-молекулярном, то есть нанометрическом уровне. Новая наука не только открывает широчайшие перспективы для изучения природы, инноваций и развития технологий, но и обещает нечто большее, а именно – возможность объединения наук и технологий на новой основе. Самые разные области деятельности, казавшиеся ранее далекими и разделенными, с появлением нанотехнологий неожиданно стали «переплетаться», воздействовать друг на друга и проявлять синергизм, то есть совместные характеристики, возникающие лишь при взаимодействии. Нанотехнологии демонстрируют настолько отчетливую тенденцию к слиянию с биологическими и информационными технологиями и подходами, что это уже привело к созданию серьезной научной концепции о конвергенции ряда научных дисциплин. Речь идет в первую очередь о слиянии нанотехнологии, биотехнологии, информационных технологий и наук о познании (получивших общее название когнитивистики). Эта концепция, обычно обозначаемая аббревиатурой NBIC (Nano-Bio-Info-Cogno), в сочетании с новейшими достижениями в области системотехники, математики и вычислительной техники, получила широкое распространение. В принципе эта теория позволяет мечтать о создании новой научно-технической картины мира, основанной на представлениях о сложном единстве материального мира, обусловленном иерархичностью, взаимосвязью и трансформацией его компонент.

Возможно, наука и техника переживают сейчас уникальный момент своего развития, результатом которого станут не только новые процессы и товары, но и принципиальное улучшение всех условий человеческого существования. Слияние технологий может оказаться принципиальным условием новой научной революции. Дело в том, что до сих пор отдельные нанотехнологии выступали лишь дополнением или развитием уже существующих технологий, но слияние в рамках концепции NBIC может привести к фундаментальным одновременным изменениям во всех областях человеческой деятельности, включая работу, обучение, медицину, групповые взаимодействия, общественные структуры и т. д. [130] В жизни человеческого сообщества появятся принципиально новые орудия труда, новые технологии и новые товары. В этой главе авторы попытались описать возможные изменения в сфере науки и образования, а также обсудить некоторые проблемы, связанные с ожидаемыми революционными научно-техническими преобразованиями.

18.1. Рамки научно-технического развития

С большой долей уверенности можно предсказать, что исследования в течение ближайших десятилетий приведут ученых к более общей научной картине мира, в которой разные научные дисциплины будут сливаться, демонстрируя единство свойств и законов окружающей нас природы. Объединение и слияние наук будет означать их синергическое воздействие друг на друга, в первую очередь, в четырех направлениях, которые сейчас переживают период бурного развития: (1) нанонаука и нанотехнология; (2) биотехнология и биомедицина, включая генную инженерию; (3) информационные технологии, включая вычислительную технику и средства связи, и (4) когнитивные науки, связанные с изучением самих процессов познания (включая когнитивистику, теорию нейронных сетей мозга и системные подходы). Синергическое объединение этих наук в нанометрическом масштабе объектов и процессов обещает новые значительные достижения. Процесс слияния и развития наук будет носить сложный характер, так что аббревиатуру NBIC следует рассматривать не как перечисление конкретных наук (nano-, bio-, info- и cogno- ), а как «стенографический» значок для обозначения еще не познанных взаимодействий между этими науками и связанными с ними технологиями.

Предполагаемое слияние наук и технологий может привести к невиданному прогрессу в условиях жизни как отдельных людей, так и общества в целом, но только при условии внимательного и серьезного отношения общества к этическим и социальным проблемам развития нанотехнологий. Эта проблема имеет государственное значение, и правительство США подтверждает это своей активной деятельностью. В качестве основных направлений развития указаны следующие шесть: познание и коммуникации, здоровье и физическое совершенство, групповые и социальные преимущества (включая новые товары и услуги), национальная безопасность, наука и образование, бизнес и общественные организации [131] [132] .

Концепция NBIC должна привести не только к созданию совершенно новых товаров, услуг, материалов и устройств, но и к созданию каких-то еще не имеющих названия типов производств, приемов медицинского обслуживания, транспортных систем и даже принципиальных методик научного исследования. Нам сейчас трудно представить, как будет происходить научное исследование, осуществляемое одновременно всем комплексом средств, выработанных в физике, химии, биологии, математике и информатике. Сочетание возможностей этих наук и технологий может стать важнейшим инструментом познания окружающего нас мира, методом проектирования новых устройств и организации неожиданных форм промышленного производства.

Можно с уверенностью предсказать, что в промышленности все шире будут применяться биологические методы и подходы, на чем основаны некоторые из зарождающихся сейчас новейших производств и научных методик. В качестве известных примеров можно назвать фармацевтическую геномику, так называемую нейроморфную технологию, регенеративные методы в медицине, производство многофункциональных биочипов, синтез молекулярных систем с многоуровневой архитектурой, монтаж трехмерных электронных устройств со сложной иерархией, создание новых видов программного обеспечения для моделирования сложных природных явлений и т. п. Во многих случаях биологические методы и подходы используются при изучении сложных явлений на атомно-молекулярном уровне, создании новых материалов, разработке новых вычислительных методик и решении других сложных задач. Все эти комплексные, междисциплинарные исследования объединяют общие подходы когнитивистики, то есть науки о познании в самом широком смысле этого слова. Очень часто используемые или изучаемые системы являются слишком сложными для непосредственного анализа, и в этих случаях когнитивистика позволяет исследователям находить неожиданные и нестандартные решения на разных этапах решения задачи (проектирование новых изделий, производство товаров и услуг, поиск новых форм организации или обслуживания).

Многие ведущие правительственные организации США, включая Национальный научный фонд, Национальное управление по авиации и космонавтике (NASA), Агентство по защите окружающей среды, Министерство обороны и Министерство энергетики (которое в США традиционно занимается разработкой ядерного оружия), уже приступили к осуществлению некоторых смешанных проектов. Речь идет о междисциплинарных научно-технических разработках, относящихся одновременно к двум или трем элементам предложенной выше аббревиатуры NBIC. Пока объем таких исследовании невелик, но проекты рассчитаны на длительную перспективу. Их тематика включает, например, моделирование нервной системы, общее повышение возможностей человеческого организма (что имеет важное прикладное значение в военных нанотехнологиях), «изучение процессов изучения» и исследование возможных социальных последствий широкого внедрения нанотехнологий. Последний пункт должен относиться, в сущности, ко всем планам и проектам в рассматриваемой области, поскольку многие специалисты уже осознали важность этических и социальных аспектов для любых программ в области нанотехнологий. Некоторые крупные компании разрабатывают собственные проекты, так или иначе связанные с конвергенцией наук и технологий. Понятно, что любое широкое и эффективное внедрение новых товаров и услуг потребует участия и понимания со стороны потребителей и различных групп общественности.

Государство и общество должны быстро выработать систематический, обдуманный и ответственный подход к сложнейшей проблеме конвергенции и интеграции наук и технологий. В данной главе автор попытался дать очень сжатое описание существующей ситуации и указать на некоторые тенденции, опасности и преимущества, создаваемые процессом конвергенции в соответствии с концепцией NBIC.

18.1.1. Возможности

Выработка связного и последовательного подхода к весьма сложной проблеме конвергенции технологий должна основываться на приоритетах развития потенциальных возможностей человечества, повышения производительности и создания принципиально новых товаров и услуг. Необходимость и настоятельная потребность в выработке такого подхода диктуется пятью принципами, сформулированными в докладе Организации Объединенных Наций, посвященном общим проблемам науки (особенно в свете возникновения нанотехнологий) и ее воздействия на развитие человечества [133] и в докладе бывшего директора Международного валютного фонда А. Гринспана [134] .

1. Ускоряющийся научно-технический прогресс обещает дальнейшее развитие человечества на индивидуальном и на коллективном уровне. В настоящее время стали возможны получение и обработка сигналов как от отдельных клеток человеческого организма, так и от его нервной системы в целом. Наука получила возможность замещать или регенерировать отдельные части тел, а также создавать аппараты или другие устройства, способные непосредственно взаимодействовать с тканями человеческого организма и нервной системой.

2. Слияние (конвергенция) наук возникает из единства материального мира при рассмотрении на наноуровне и означает объединение знаний, которое может стать основой не только бурного технологического прогресса, но и развития общечеловеческих ценностей (включая философию, искусство и т. п.). Это требует от нас более глубокого понимания поведения биосистем и процессов преобразований вещества в таких системах. Нанонаука требует от ученых разработки новых инструментов и приборов для измерения, контроля и манипуляций на атомно-молекулярном уровне. Такие системы должны обладать какой-то новой, иерархической архитектурой и описываться новыми математическими и информационными теориями. Большинство древних цивилизаций основывалось на представлениях о всеобщей взаимозависимости, однако ценность таких объединяющих подходов признавалась только философами, так как наука просто не могла сформулировать принципы взаимозависимости процессов. Лишь пятьсот лет назад некоторые гении эпохи Ренессанса вновь смогли заметить «единство природы», однако недостаток знаний привел современную науку к высокой специализации и созданию слабо связанных между собой научных дисциплин. Только сейчас человечество вновь получает возможность объединить различные науки и получить последовательные причинно-следственные связи процессов во всем диапазоне изучаемых явлений, от наномасштабных до макроскопических. Такой подход возвращает нас к идеалу Ренессанса и позволяет развить его.

3. Ускоренное развитие и масштабы изменений ключевых технологий настоятельно диктуют необходимость быстрой выработки нового подхода, особенно с учетом появления множества новых процессов, материалов и продуктов. В четырех основных направлениях, объединенных аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno) можно предсказать следующую смену научных парадигм:

• В настоящее время нанотехнологические разработки находятся в переходной стадии от чисто научных исследований к выработке систематического подхода и созданию новых промышленных процессов. Следующим этапом их развития должно стать развитие крупномасштабных коммерческих производств.

• Основными направлениями развития биотехнологий стали молекулярная медицина, наносистемная техника, фармацевтическая геномика и производство биоматериалов. Все эти направления достаточно легко могут быть интегрированы в рамках единого подхода, что может привести к созданию единой технологии с прекрасными перспективами развития и коммерческого производства.

• Информационные технологии сейчас переживают период бурного развития, связанного с миниатюризацией устройств и повышением их быстродействия. Дальнейшее развитие в этом направлении связано с созданием новых архитектур, трехмерным дизайном устройств и повышением их функциональных возможностей, что может быть обеспечено, в первую очередь, использованием биологических систем и подходов, а также так называемой технологии «переработки знаний» (knowledge-based technologies). По понятным причинам особое внимание исследователей сейчас привлекает анализ поведения очень больших и сложных систем с иерархическим внутренним устройством.

• Когнитивные науки по определению нацелены на описание и объяснение работы мозга, сознания и закономерностей человеческого поведения на основе элементарных физических, химических и биологических процессов, происходящих на уровне нейронов, а затем каким-то образом приводящих к целенаправленному, системному поведению. В этом направлении очень интересны исследования по созданию смешанных систем (человек-компьютер) и изучению их эволюции. Кроме того, во многих социальных науках представляют важность работы по изучению общественных структур, описываемых упомянутыми большими и сложными системами с иерархическим внутренним устройством.

4. Процесс конвергенции наук в рамках концепции NBIC является настолько важным и значительным, что любые программы и разработки в этой области должны тщательно контролироваться. Решения и действия должны осуществляться с некоторой долей осторожности (любым действиям должно предшествовать внимательное изучение), осмотрительности, подробного обсуждения (решения должны приниматься на основе логически взвешенных и демократических процедур) и предусмотрительности (исследователи должны постоянно помнить о возможности нежелательных и опасных последствий).

5. Развитие науки и технологии следует рассматривать в качестве основного и главного источника общего прогресса человечества.
Для выполнения задач, сформулированных этим программным документом ООН, необходимо создать инфраструктуру, обеспечивающую развитие всех относящихся к концепции конвергенции NBIC исследований и их приложения к разным отраслям науки и производства. Например, уже сейчас можно перечислить основные задачи, связанные с реализацией концепции NBIC: развитие теории архитектуры и методов синтеза трехмерных наноструктур, а также материалов, устройств и систем на этой основе; направленная сборка атомарных и молекулярных структур; создание темплатов, матриц и шаблонов для синтеза гетерогенных наноструктур; многомерный и многомасштабный дизайн материалов и процессов; новые методы создания интегральных устройств; создание стандартных промежуточных наномасштабных «строительных блоков» и т. д. Особого внимания заслуживают проблемы физической и химической стабильности создаваемых наноструктур, а также обеспечение надежности их работы.
18.1.2. Критерии прогресса

Масштабные изменения, которые ожидают общество в связи с развитием нанотехнологий, настолько значительны, что требуют выработки некоторых новых критериев и социально-экономических показателей. Появление на рынке совершенно новых продуктов, услуг, форм медицинского обслуживания и т. д. делает бессмысленными некоторые старые методы оценки состояния окружающей среды, условий жизни и т. п. Кроме того, существенные изменения в промышленности неминуемо влекут за собой соответствующие трансформации параметров и функций социальной инфраструктуры. Например, развитие нанотехнологий неизбежно должно привести к значительным изменениям системы образования и профессиональной подготовки, что потребует, в свою очередь, изменений в финансировании и т. д. Новые социально-экономические реалии потребуют новых критериев, которые должны вводится на основе более общих и единых принципов оценки (физики называют такой подход целостным, или холистическим), а возможно, даже исходя из научно-технических соображений. Например, в качестве основного параметра социального прогресса можно использовать представление об энтропии социальной системы или ее частей. Этот параметр очень удобен для оценки развития технологий и наиболее наукоемких производств. С физической точки зрения уменьшение энтропии означает повышение и совершенствование используемых методов. Например, в информационных технологиях оно соответствует меньшей диссипации энергии при передаче и обработке сигналов, в нанотехнологиях – оптимизацию использования материальных ресурсов и снижение уровня загрязнения окружающей среды, в биотехнологиях – большую стабильность производимых материалов и т. д. Новые параметры оценки социальной системы должны учитывать те важные изменения, которые развитие нанотехнологий внесет в общественную инфраструктуру, систему образования, производительность оборудования и способность общества создавать новое «знание».

18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности

В настоящее время можно уверенно утверждать, что примерно к 2015 году осуществляемые и планируемые научно-технические разработки в области нанотехнологий приведут к весьма серьезным качественным и количественным изменениям в промышленном производстве. При этом произойдут крупномасштабные и структурные изменения во многих традиционных производствах, а также возникнут и разовьются совершенно новые отрасли промышленности, связанные с новыми научно-техническими приложениями. Развитие нанотехнологий будет определяться, по-видимому, следующими основными особенностями:

• К 2015 году уже будут функционировать коммерческие производства и целые заводы, производящие материалы и устройства на основе нанотехнологий, то есть в этих производствах размеры объектов и процессов будут контролироваться с точностью до нанометров (по крайней мере, в одном из измерений). Для традиционной кремниевой электроники это практически означает снижение размеров транзисторов основных типов до 10 нм. Такое уменьшение размеров устройств означает, что их можно будет интегрировать в схемы с биологическими структурами и т. п.

• Использование нанотехнологий в области медицины и биологии позволит в те же сроки разработать новые методы диагностики и лечения многих хронических и тяжелых заболеваний. Предполагается, что к 2015 году будут созданы датчики, позволяющие надежно регистрировать появление в организме злокачественных образований на самой ранней стадии, что позволит значительно повысить эффективность лечения и заметным образом снизить показатели смертности от раковых болезней.

• В соответствии с упомянутой выше концепцией NBIC удет происходить дальнейшая интеграция наук и технологий, что создаст широкие возможности для внедрения нанотехнологий и их слияния с традиционными методами биологии, электроники, медицины и т. п. В медицине и биотехнологии широкое распространение получат разнообразные нанобиосистемы, которые станут основным средством не только исследования состояния организма, но и самого процесса лечения. При разработке новых материалов и приборов исследователи будут уделять основное внимание увеличению сроков эксплуатации и обеспечению их биосовместимости с тканями организма.

• Естественно, в этот период будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о свойствах атомно-молекулярных систем, что значительно расширит наши знания о строении вещества на нанометрическом уровне. Возможно, накопление новых знаний позволит даже создать некую новую парадигму учебного процесса, основанную не на теориях из разрозненных научных дисциплин, а на представлениях о природе. Образование, по-видимому, будет характеризоваться дальнейшим сближением процессов обучения с непосредственным научным поиском, что может привести к существенному повышению качества и уровня получаемых знаний.

• Значительно активизируется деятельность различных коммерческих и промышленных организаций, связанных с нанотехнологиями. По мере развития новых технологий, то есть появления новых материалов и устройств, все чаще будет возникать проблема их совместимости с существующими приборами и устройствами, а также объединения новых и традиционных технологий в рамках единых производственных процессов, что, кстати, может создать сложные технические проблемы.

Исходя из общих представлений и закономерностей специалисты предполагают, что развитие нанотехнологий будет происходить через перекрывающиеся стадии, характеризующиеся все большим усложнением и развитием средств контроля над веществами и процессами в наномасштабе. Наиболее вероятным представляется появление четырех «поколений» нанотехнологических материалов и продуктов, перечисляемых ниже. Начало каждого этапа может быть отнесено к появлению первых коммерческих прототипов, производство которых связано с определенным уровнем развития нанотехнологий.

• Первое поколение наноматериалов и устройств фактически уже существует. Коммерческие нанотовары, появившиеся в 2001 году, представляют собой так называемые пассивные структуры, синтезированные для обеспечения заранее заданных макроскопических характеристик или функций создаваемых из них объектов. К этому поколению могут быть отнесены нанопокрытия, дисперсии наночастиц и некоторые объемные материалы (например, наноструктурированные металлы, полимеры и керамические изделия). Значительно сложнее выглядят нанообъекты второго поколения, представляющие собой активные структуры, способные реагировать на внешние воздействия (механические, электронные, магнитные, фотонные, биологические и т. д.) и объединенные с другими микроскопическими устройствами и системами. Такие наноизделия и наноматериалы только недавно стали производиться коммерчески, в некоторых случаях сменяя товары первого поколения. К ним можно отнести новые типы нанотранзисторов, некоторые компоненты усилителей на КМОП-структурах, лекарства и химические препараты остронаправленного действия, некоторые типы приводов, так называемые «искусственные мускулы», адаптивные структуры и т. п.

• Через несколько лет можно ожидать появления коммерческих нанопродуктов следующего, третьего поколения, для которых будет характерно использование трехмерных структур, синтезируемых различными методами, включая биологические методы иерархической самоорганизации, при которой структуры напоминают развивающихся микророботов, обладающих собственным и меняющимся поведением. Технически такой синтез представляет собой очень сложную задачу, включающую не только операции по сборке молекулярных соединений, но и создание иерархических структур по неясным пока принципам. В настоящее время исследования в этом направлении сосредоточены на построении гетерогенных наноструктур и супрамолекулярных систем, в поведении которых можно уловить некоторые принципы эволюционного развития. По-видимому, в число типичных нанообъектов и продуктов этого поколения войдут искусственные «органы» чувств и биологические «ткани» человеческого организма, получаемые, например, направляемой и иерархически организованной самосборкой. В электронике появятся вычислительные и информационные наноустройства, действие которых будет основано на квантовых взаимодействиях или принципах фотоники и спинтроники (вычислительная техника на основе использования спина электронов). Можно также предсказать дальнейшее развитие микротехники, то есть производство (например, на основе самоорганизующихся систем) нанометрических механоэлектрических устройств (НЭМС), а также продуктов и материалов неизвестных сейчас типов, которые неизбежно возникнут в результате интеграции и слияния технологий в рамках концепции NBIC. Некоторые из этих материалов и устройств будут производиться многостадийными технологиями, что подразумевает использование различных методик на разных уровнях иерархического производства.

• Еще через 5—10 лет следует ожидать первого появления продуктов гораздо более развитого, четвертого поколения, которые, скорее всего, будут представлять гетерогенные молекулярные наноструктуры. В устройствах этого типа каждая сложная молекула является специализированной наноструктурой с особым строением и высокой функциональностью. Строго говоря, молекулярные структуры четвертого поколения можно назвать молекулярными устройствами, поскольку в эти молекулы еще при «конструировании» и синтезе будут закладываться сложнейшие функциональные возможности. На этом этапе развития новых технологий речь пойдет уже об атомарно-молекулярной инженерии, основанной на пока неизвестных закономерностях самоорганизации вещества. Изучение и использование этих закономерностей позволит осуществлять почти фантастические технологические проекты: «проектирование» макромолекул с заданными свойствами; создание наноразмерных механических устройств; направленная и многоуровневая самоорганизация атомарных структур с квантово-механическим контролем процессов сборки; создание наноустройств для медицинского контроля или лечения и т. п. Особого внимания заслуживает задача обеспечения непосредственного взаимодействия между человеком и вычислительными устройствами на уровне контакта нервных окончаний с электронными сетями и т. д. Перспективы развития в этих направлениях во многом связаны с тем, насколько успешно и быстро будет происходить почти неизбежная конвергенция наук и технологий.

В заключение автор хотел бы подчеркнуть, что многие краткосрочные прогнозы в описываемой области, конечно, могут показаться излишне оптимистичными, однако в долгосрочной перспективе можно утверждать, что большинство специалистов явно недооценивают нарастающее влияние нанотехнологий на развитие промышленности, медицины, экологии и общественных отношений.

Заключение

Многие древние цивилизации возникли на основе представлений о всеобщей взаимозависимости процессов в окружающем нас мире, что позднее нашло отражение в идеалах эпохи Ренессанса, связанных с единством природы. Развитие науки и технологий вновь приводит нас к созданию единой научно-технической картины мироздания, причем построение причинно-следственных связей в разных масштабах объектов и действий (от нанопроцессов до макроскопических событий) позволяет нам расширить и углубить идеи и представления Ренессанса. На основе слияния разных научных дисциплин и их синергизма может произойти бурное развитие новых технологий, способное привести к революционным преобразованиям в промышленности, экономике, социальном устройстве и т. д. Важность новых технологий и связанная с их развитием смена парадигм науки требуют особого внимания к социальным и этическим проблемам, неизбежно возникающим при их планировании, внедрении и реализации.

Работа финансировалась Национальным советом по науке и технологии и Национальным научным фондом, однако высказанные в ней мнения отражают лишь личную точку автора на рассматриваемые проблемы.

Глава 19 Этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий

Вильям Симс Бейнбридж

Вильям С. Бейнбридж окончил Гарвардский университет и является известным специалистом и автором множества книг и статей, посвященных проблемам развития науки и технологий, а также их связи с социальными и религиозными проблемами. В соавторстве с М. Роко он написал несколько книг о возможном воздействии нанотехнологий на развитие человечества. Является автором и пропагандистом многих идей, относящихся к возможному слиянию различных наук и технологий при дальнейшем развитии нанотехнологий. В. Бейнбридж является активным участником многих программ и научных дискуссий, относящихся к информационным технологиям, взаимодействиям в системах (человек/компьютер), возможностям создания искусственного интеллекта и т. п.

Этические проблемы всегда представляли важность для бизнеса, науки и промышленности, как и для общества в целом. Без установившейся профессиональной этики невозможно сотрудничество между людьми, фирмами, общественными группами, правительственными учреждениями и т. д. Наличие доверительных отношений является насущной необходимостью в самых разных областях, от академических учреждений и общественных организаций до крупных корпораций. Соблюдение норм деловой этики является основой любого серьезного бизнеса, связанного с корпоративными интересами и отношениями на коммерческом рынке, а их нарушение всегда приводит к неприятным и тяжелым последствиям как в бизнесе, так и в общественно-политической деятельности.

Соблюдение нравственных норм необходимо прежде всего для установления нормальных отношений внутри любой организации, так как успешная деятельность научного или делового коллектива требует взаимного уважения и доверия. Значение моральных факторов лишь усиливается в фирмах и организациях, связанных с наукоемкими и инновационными технологиями. Нельзя забывать и о том, что моральная репутация любой организации и ее руководства имеет огромное значение для акционеров или потенциальных инвесторов. Представляется очевидным, что эффективное и разумное осуществление сложных, социально значимых научнотехнических проектов требует от руководства и всего персонала не только технической подготовки и дисциплины, но и развитого чувства социальной ответственности.

Вообще говоря, проведение научных исследований, внедрение их результатов в промышленность и связанная с этим коммерческая деятельность всегда ставили ученых и предпринимателей перед сложными моральными проблемами. Нанотехнологии не составляют исключения в этом отношении, а лишь вносят некоторые дополнительные осложнения при рассмотрении этих проблем. Наиболее распространенными и понятными являются следующие вопросы, неизбежно сопровождающие любую научно-техническую и инновационную деятельность.

• Кто должен нести ответственность, если в результате осуществления проекта будет нанесен вред отдельным людям, обществу или окружающей среде?

• Граница между чистой наукой и технологией при изучении и использовании нанообъектов и нанопроцессов является очень условной. Каким образом в новых условиях следует определять права на интеллектуальную собственность и какие юридические нормы защиты должны при этом использоваться?

• Представляется естественным, что общественность должна быть надлежащим образом информирована относительно последствий внедрения новых технологий, связанных с появлением новых товаров и услуг. Каким образом может и должен соблюдаться баланс между требованием о полноте информации и законным требованием изобретателя на защиту авторских прав, секретов производства и коммерческой тайны?

• Развивая новые технологии и создавая новые товары, следует отдавать предпочтение более дорогим товарам для небольших групп населения или дешевым товарам массового потребления?

В этой главе используются многие источники, однако ее основное содержание взято из двух публикаций, непосредственно относящихся к социальным последствиям развития и коммерциализации нанотехнологий [135] [136] .

19.1. Сущность этических проблем

Для удобства изложения и большего понимания автор хотел бы, прежде всего, дать более четкие определения этического поведения вообще и принципов научного или теоретического подхода к проблемам этики. Такое уточнение представляется необходимым хотя бы в силу того, что лишь очень небольшое число этических понятий может отнесено к общепризнанным и бесспорным. Кроме того, этические представления вообще кажутся расплывчатыми и являются не столько следствием серьезного философского анализа, сколько отражением общедемократических идеалов западного общества. Одной из причин этой неопределенности является то, что этическими проблемами занимаются многие социальные учреждения и специалисты по различным общественным наукам, которые никак не могут выработать единой точки зрения и точных определений в этой сложной области человеческих отношений. Кроме того, этические нормы тесно связаны с идеологией и интересами различных общественных групп, зачастую придерживающихся противоположных точек зрения на обсуждаемые вопросы.

Традиционным источником этических и моральных норм человечества выступали различные религиозные доктрины [137] [138] . Считается, что религии западного мира более терпимо относятся к научно-техническому прогрессу (возможно потому, что в них обычно Бог выступает творцом, создающим мир для людей и ради их будущего блага), вследствие чего такие учения легко допускают мысль о господстве человека над природой. Однако и западные религиозные теории могут содержать явные запреты на некоторые виды научных исследований, что особенно остро проявляется сейчас в спорах о допустимости клонирования человеческих существ, использования эмбрионов и т. п. [139] Проблемам теологического анализа этических представлений, связанных с научно-техническим прогрессом, постоянно уделяет внимание журнал Zygon.

Создатели тех современных обществ, в которых церковь отделена от государства, предполагали, что с развитием цивилизации строгие этические принципы будут базироваться не на религиозных догматах, а на философских выводах, носящих характер научных доктрин. На первый взгляд это кажется вполне разумным, поскольку именно философия формально занимается правильной постановкой вопросов (и поиском ответов на них), касающихся отношения людей к окружающему миру. Философия действительно оказалась одной из важнейших компонент образования и развития в окружающем нас мире (по крайней мере, в демократических и либеральных странах), однако стоит признать, к сожалению, что в умении тонко формулировать сложные вопросы философы преуспели гораздо больше, чем в умении давать на них четкие и определенные ответы. Ценность философского образования для тех людей, которые принимают решения и руководят современной общественной жизнью, состоит лишь в том, что оно помогает им быть более последовательными и логичными, то есть учитывать не только очевидные, но и неявные факторы, связанные с этическими проблемами.

Сложность рассматриваемых проблем остро проявилась в ситуации, возникшей несколько лет назад на Международной конференции по социальным аспектам развития нанотехнологии ( Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology II: Maximizing Human Benefit). Серьезнейшие разногласия участников этой конференции привели к тому, что они вообще не смогли сформулировать общую точку зрения по вопросам этики. Философы пытались ввести в коммюнике общие положения о справедливости, равноправии и качестве жизни, в то время как специалисты в области нанотехнологии выразили сомнение в том, что представители общественных и гуманитарных наук вообще способны анализировать возникшую в науке ситуацию ввиду отсутствия специальных знаний. По мнению ученых и инженеров, современная философия перестала вырабатывать идеи и представления, способные приносить реальную пользу общественности или ученому сообществу, так как суждения и выводы философов почти всегда являются просто политическими декларациями.

Основная проблема этики и философии в отношении научных исследований и их применения заключается в том, можно ли дать какие-то объективные, научные оценки представлений о добре и зле или эти величины по-прежнему остаются всего лишь субъективными представлениями, которые люди всегда будут оценивать лишь на основе собственного опыта или интересов [140] [141] [142] .

Философская проблема определения добра и зла является одной из самых сложных в истории человеческой мысли. Среди множества существующих теорий можно отметить известную теорию немецкого философа Фридриха Ницше, который доказывал, что мораль всегда создается правящими общественными классами для подавления угнетаемых [143] . К сожалению, множество людей в мире ведет себя в соответствии с этой теорией. Более разумная позиция сводится к тому, что моральные нормы устанавливаются в обществе по общему соглашению для повышения социальных связей, эффективности совместных действий и индивидуальных усилий каждого из членов сообщества [144] [145] .

Например, основываясь на существующих в обществе моральных принципах и традиционных политических действиях, правительственные организации могут вырабатывать законы, защищающие права отдельных граждан, обеспечивающие защиты окружающей среды, регулирующие трудовые отношения и т. д. Наличие этических норм позволяет судьям разбирать сложные юридические проблемы, глубоко затрагивающие интересы граждан, и выносить разумные решения в запутанных ситуациях. Любые технические и общественные нововведения, особенно те, роль и значение которых остаются неясными для публики, могут привести к дебатам и ожесточенным спорам как в прессе, так и политических организациях. Кстати, именно в этом заключается опасность для развития нанотехнологий, так как некоторые специалисты и промышленники берут на себя смелость слишком активно пропагандировать достоинства новых технологий и их потенциальные возможности. В настоящее время очень трудно выносить какие-то окончательные решения и оценки относительно добра и зла, связанного с развитием многих новых методов, поэтому следует быть особо осторожными в суждениях и прогнозах. Нельзя забывать, что в современном мире любое этическое суждение быстро приобретает политическую окраску.

Строго говоря, проблемы этики являются предметом непосредственного исследования по меньшей мере двух наук – социологии и антропологии, поскольку именно они занимаются систематизацией и изучением факторов, связанных с развитием этических норм в различных сообществах. Социологи и антропологи в своей работе постоянно сталкиваются с динамикой процессов установления этических правил при социальных и научно-технических изменениях в обществе, однако и в этих науках отсутствуют единые критерии и оценки полезности технического прогресса. Исторически сложилась ситуация, когда специалисты в этих областях науки традиционно «симпатизируют» слабым и социально незащищенным группам населения. Известно, например, что социологи почти всегда с недоверием и предвзятостью оценивают действия правительства и крупных корпораций, которые, в свою очередь, чаще всего выступают инициаторами развития новых технологий. С другой стороны, антропологи и социологи не могут договориться даже друг с другом относительно важнейших теоретических принципов возникновения этических норм. Социологи традиционно полагают, что моральные установления отражают материальные интересы различных общественных групп, в то время как антропологи постоянно подчеркивают культурный релятивизм этических норм, связывая их с огромной разницей в условиях существования.

Практически огромную пользу могло бы принести открытое и серьезное обсуждение возникающих проблем. Было бы наивным полагать, что общественные диспуты приведут нас к согласию по сложным этическим проблемам, однако сам факт обсуждения приблизил бы общество к некоторым соглашениям и общим выводам, которые могут оказаться важными в дальнейшем.
С другой стороны, признание того факта, что другие люди и группы населения имеют право на собственную точку зрения, само по себе является большим шагом к достижению консенсуса. Люди должны осознать наличие культурных ценностей и интересов, отличающихся от их собственных, что может стать основой для переговоров между социальными и национальными группами, ведущих к своеобразным «сделкам», позволяющим сторонам прийти к взаимным уступкам и общим соглашениям. Признание чужих ценностей вовсе не означает отказа от собственных, а лишь создает условия для выработки взаимоприемлемых решений или компромиссных законодательных актов.
19.2. Этика индивидуального поведения

Проблемой возникновения и становления нравственных норм отдельного человека (их можно назвать кодом этического поведения личности) занимаются многие науки, в первую очередь – социология, социальная психология и криминалистика [146] [147] . Эти нормы тесно связаны с конкретными условиями существования, поэтому, например, развитие промышленности привело к разработке высоких моральных и юридических стандартов в области защиты окружающей среды, техники безопасности на производстве, определения авторских прав и т. п. С другой стороны, представляется совершенно очевидным, что самые прекрасные законы и правила морали окажутся бесполезными в обществе или организации, где каждый человек в отдельности будет вести себя эгоистично и незаконно, добиваясь собственных преимуществ за счет нарушения порядка и прав окружающих. Этот фактор должен постоянно учитываться в групповой психологии любой фирмы и организации, включая и те, которые вовлечены в нанотехнологические исследования. Основные правила для руководителя, возглавляющего научный или производственный коллектив, могут быть, в самой общей форме, сведены к трем положениям.

1. Каждый член группы или коллектива не должен надолго терять связи с общим ходом работы, коллегами и социальной жизнью внутри организации. Накопленный в научных лабораториях опыт доказывает, что к нарушению этических норм и правил поведения чаще всего склонны те сотрудники, чьи социальные связи внутри и вне коллектива ослаблены или подавлены.

2. Постоянно следите за тем, чтобы требования или условия работы не становились чрезмерно тяжелыми. Стремление к профессиональному росту и заработку часто играет положительную роль и может служить хорошим стимулом для изобретений и рационализаторских предложений, однако повышение требований к производительности труда или активности должно быть разумным. Ситуации, когда требования к сотрудникам превосходят их реальные возможности, опасны и часто приводят к нервным срывам, неэтичному поведению, обману в отчетности и т. д.

3. Следите за тем, чтобы подгруппы или отдельные подразделения коллектива не становились слишком независимыми и замкнутыми. Очень часто именно в таких автономных группах зарождается так называемая девиантная субкультура, для которой характерны нарушения правил и этических норм. Солидарность и слаженность любой рабочей группы представляют ценность лишь до тех пор, пока эта группа действует в соответствии с законными целями и интересами всей организации. Излишняя солидарность и замкнутость какого-либо подразделения или группы должна вызывать у руководителя чувство озабоченности. Социологи хорошо знают, что такая социальная и психологическая отчужденность от коллектива может привести к так называемому узкогрупповому поведению и мышлению, при котором подразделение в рамках большой организации начинает вести «собственную жизнь», то есть перестает учитывать общие интересы, избегает серьезной критики и вносит разлад в общую жизнь коллектива.

19.3. Некоторые замечания, специфичные для нанотехнологий

Нанотехнологии рассматриваются обычно в качестве следующего этапа развития науки и техники, вследствие чего при их обсуждении речь идет чаще всего о повышения качества, надежности и возможности новых изделий. Однако в данном контексте нельзя не отметить, что некоторые особенности нанотехнологий делают их опасными для здоровья человека и состояния окружающей среды [148] [149] . Опасности связаны с тем, что очень часто химические, электрические и механические свойства наночастиц существенно отличаются от свойств тех веществ в объемном состоянии. Из этого следует, что перед внедрением наноматериалов в массовое производство необходимо прежде всего разработать методики тщательного описания и оценки их характеристик (например, задать допустимые распределения частиц по размерам). Кроме того, должна быть исследована потенциальная опасность возможного применения любых конкретных наноматериалов, как это делается обычно, например, при использовании биоматериалов разного типа.

Разумеется, невозможно подвергнуть интенсивному исследованию все возможные типы наноматериалов, поэтому должна быть разработана новая методика, позволяющая выделять характерные вещества, соответствующие классам возможных материалов. Для оценки опасности применения наноматериалов может использоваться уже существующая схема В. Лютера по управлению рисками [150] , включающая в себя четыре этапа: идентификацию опасности, описание опасности, точная оценка опасности и управление рисками в данной ситуации.

Проблема опасности внедрения любых новых технологий осложняется тем, что их реальные последствия выявляются лишь после завершения всего жизненного цикла производства, то есть после этапов научноисследовательских и конструкторских работ, коммерциализации результатов и длительной эксплуатации продуктов, а также их обслуживания, хранения и утилизации. Очень часто опасности и риски отдельных этапов проявляются со значительным запаздыванием, что снижает достоверность оценки. Например, перед практическим использованием углеродных нанотрубок исследователи в соответствии с обычной процедурой проверки, естественно, изучают здоровье контрольных групп животных, вводя определенные инструкциями дозы препарата и выявляя соответствующие реакции. Серьезные проблемы могут возникнуть, когда такие трубки начнут массово использоваться в разнообразных электронных устройствах, например, при производстве компьютерных чипов, причем не в период эксплуатации (когда такие чипы изолированы внутри вычислительных схем), а позднее, когда они поступят в переработку или просто на свалки. Никто не может предсказать последствий внезапного появления в окружающей среде значительного количества углеродных нанотрубок и их воздействия на здоровье населения и экологию. С другой стороны, какие-то опасности могут проявиться на этапе развертывания широкомасштабного производства таких чипов или их монтажа в готовых устройствах. В качестве примера социальноэкономических проблем можно указать ситуацию с рынком рабочей силы, так как внедрение нанотехнологий в будущем может привести к значительным изменениям в его структуре, хотя сейчас эти разработки очень мало влияют на распределение научных и технических специалистов.

Кроме того, следует учитывать возникновение опасностей и рисков, связанных с ошибочным или преступным использованием новых технологий. Например, читатели наверняка знакомы с множеством проектов использования материалов с регулируемой наноструктурой для создания так называемых водородных аккумуляторов, то есть топливных элементов для хранения водорода. Такие водородные «контейнеры» выглядят совершенно безопасными при нормальных условиях эксплуатации, однако пока никто серьезно не попытался оценить степень риска их широкого применения в городских условиях, особенно при авариях. С другой стороны, следует помнить, что опасность неправильного применения присуща практически всем технологиям и было бы несправедливо требовать, чтобы нанотехнологии в этом отношении оказались более безопасными.

Кроме указанных и довольно понятных осложнений, появление нанотехнологий вновь напомнило о старой этической проблеме, связанной со степенью доступности достижений науки (и особенно медицины) для широких слоев населения. Эта социально-экономическая проблема является классической и выступает в качестве постоянного источника острых политических споров, поскольку социологи и общественные деятели никак не могут прийти к соглашению относительно того, следует ли считать социальное неравенство (и естественным образом связанное с этим неравенство в потреблении товаров и услуг) нарушением этических норм. Проблема является слишком общей, а отношение к ней во многом зависит от конкретных обстоятельств и механизмов возникновения этого неравенства. По мнению автора и авторитетных экономистов, принимавших участие в упомянутой выше Международной конференции по социальным аспектам развития нанотехнологии, в настоящее время можно лишь надеяться на то, что свободные рыночные отношения смогут обеспечить более быстрое и широкое распределение товаров и услуг, возникающих благодаря научнотехническому прогрессу. Разумеется, это не означает, что мы должны забывать о существовании проблемы, поэтому правительства могут и должны принимать специальные законы и предпринимать конкретные действия для более справедливого распределения социальных благ, связанных с развитием науки, особенно в сфере медицинского обслуживания.

19.4. Конвергенция технологий

Обсуждавшиеся выше этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий, приобретают все большую остроту из-за конвергенции наук и технологий, в результате чего новые технологии оказываются тесно связанными друг с другом. В ряде работ процесс слияния, или конвергенции, наук на нанометрическом уровне рассмотрен достаточно подробно и формально определен следующим образом:

...

Под термином «конвергенция технологий» следует понимать процесс объединения или слияния четырех наук и технологий, обозначаемых аббревиатурой NBIC (nano-, bio-, info- и cogno), переживающих в настоящее время период стремительного развития. N означает нанонауку и нанотехнологию, B – биотехнологию и биомедицину (включая генную инженерию), I – информационные технологии (включая новейшие вычислительные и коммуникационные системы) и C – когнитивистику, объединяющую науки о познании, включая теорию нейронных сетей мозга. Характерной особенностью процесса слияния выступает отчетливо выраженный эффект синергизма (взаимодействия, влияния друг на друга и совместного действия) законов и возможностей перечисленных наук и технологий [151] [152] .

Особо стоит отметить, что такая конвергенция технологий не означает образования нескольких междисциплинарных, перекрывающихся наук, сложным образом связанных друг с другом. Речь идет о гораздо большем, а именно – о создании единой науки, объединяющей на новых принципах все теории и методы перечисленных дисциплин. Возможно, такое объединение приведет к гораздо более глубокому пониманию законов природы и возможностей их использования.

С наиболее общей точки зрения можно даже утверждать, что конвергенция технологий предоставляет человечеству уникальный шанс продлить технологический прогресс, которым было отмечено все двадцатое столетие. Дело в том, что воздействие научных открытий на общее состояние человечества постепенно уменьшается. Например, демографы давно отмечают, что бурное развитие медицины не приводит больше к заметному увеличению длительности жизни. Новые методы лечения оказываются недостаточно эффективными, а продолжительность жизни сокращается из-за возникновения новых болезней и ухудшения условий существования. Слияние биологии и медицины предоставляет возможность бороться не только с опасными заболеваниями (типа раковых), но и «отодвинуть» пределы биологического старения человеческого организма. С другой стороны, конвергенция нанотехнологий и информатики открывает перед человечеством возможность продлить действие знаменитого закона Мура, в соответствии с которым мощность вычислительных устройств за каждые полтора года возрастает примерно вдвое. Именно по этому закону развивались вычислительная техника (и связанная с ней гигантская полупроводниковая промышленность!) в течение последних десятилетий. Слияние в рамках концепции NBIC позволяет надеяться на то, что этот закон будет определять технический прогресс в кибернетике еще два десятилетия, в результате чего вычислительная мощность используемых нами компьютеров может возрасти еще в 8000 раз!

Некоторые исследователи считают, однако, что конвергенция нанотехнологий будет иметь иной характер, и в течение ближайших лет мы станем свидетелями появления множества новых изделий и процессов. Например, исследования в области оборонных технологий позволят создать следующее поколение датчиков, способных регистрировать совершенно ничтожные количества химических или биологических веществ в окружающей среде, что приведет к существенному изменению не только военных, но и гражданских отраслей науки и техники. Например, в медицине могут произойти существенные изменения, если врачи получат возможность немедленно и совершенно точно оценивать состояние пациента, идентифицировать присутствие любых инфекционных и патогенных агентов, а затем сразу назначать наиболее оптимальные методы лечения.

Слияние био-, нано– и информационных технологий позволяет (возможно, впервые в истории человечества) практически использовать некоторые особенности и закономерности когнитивных технологий, относящихся к процессам познания. Революционные изменения, связанные с новыми технологиями, возможно, приведут в будущем к серьезным преобразованиям не только в отношении этических представлений (связанных с правами собственности, справедливостью и другими важнейшими представлениями), но и к фундаментальным изменениям в принципах человеческого поведения вообще.

19.5. Практические рекомендации

Рекомендации по проблемам этики, которые можно предложить разным организациям и фирмам, связанным с развитием нанотехнологий, можно свести к следующим общим положениям:

Необходимо постоянно повышать профессиональную этику сотрудников. Ни одна организация, особенно относящаяся к разряду мелких или средних, не может поддерживать высокие этические нормы в одиночку, но фирмы и профессиональные организации должны совместно поддерживать и развивать высокие стандарты деловой этики, особенно в периоды быстрых и важных изменений в социальных и технических условиях окружающего мира.

Старайтесь подчеркнуть важность соблюдения этических норм. Нравственная сторона деловых отношений должна контролироваться на всех уровнях управления и производства, особенно в отношении высшего персонала. Это требование особенно важно для крупных фирм и корпораций, в которых отдельные подразделения слабо связаны друг с другом, в результате чего возникают сложные проблемы связи и передачи ответственности.

Не стесняйтесь привлекать консультантов по проблемам управления. Приглашенные специалисты по этике и менеджменту, конечно, не могут и не должны решать конкретные проблемы текущей деятельности фирмы, однако часто они, пользуясь своим богатым опытом, могут предложить альтернативные решения или неожиданные варианты поведения руководства и персонала. Большую пользу приносят семинары и различные учебные мероприятия, направленные на повышение квалификации управляющих кадров. Безусловно, при организации производства наноизделий и наноматериалов следует провести с управляющим и техническим персоналом беседу об этических проблемах, связанных с выпуском и использованием новых товаров и услуг.

Следует всемерно поддерживать стремление персонала к повышению знаний, то есть постоянно снабжать руководителей производства, технических специалистов и неформальных лидеров трудовых коллективов новейшей информацией относительно производимых материалов и товаров. Работники должны не только осознавать возможности, создаваемые нанотехнологиями, но и иметь представление об общих тенденциях их развития, например, о перспективах слияния технологий в будущем и т. п. Настоящий профессионал всегда видит горизонты развития в своей области, а некомпетентность и слабая информированность могут рассматриваться в качестве отсутствия у специалиста профессиональной этики.

Высказанные в статье мнения отражают лишь позицию автора, а не представляемый Национальный научный фонд США.

Эпилог

Майкл Кригер

(см. биографическую справку к главе 8)

Начало истории нанотехнологий часто связывают с выступлением знаменитого физика, Нобелевского лауреата и профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана на рождественской встрече членов Американского физического общества в конце 1959 года. Выступление гораздо позднее получило широкую известность под названием «Внизу полным-полно места» [153] . Позднее Р. Фейнман вернулся к этой теме в своей малоизвестной лекции «Инфинитезимальные машины» 1983 года [154] . Высказанные в этих выступлениях идеи и стали основой того, что сейчас называется нанотехнологией, однако судьба этих работ оказалась довольно странной. Дело в том, что замыслы и фантазии Р. Фейнмана не только значительно обгоняли научную мысль своего времени, но и высказывались в присущем ему шутливом и провокационном стиле. Фейнман считался и считается блестящим стилистом, автор интереснейших и забавных воспоминаний, в результате чего долгие годы специалисты не причисляли эти работы к серьезным научным трудам, а считали их просто беллетристикой, игрой воображения, которой Р. Фейнман прославился в истории физики. Ценность этих работ была неочевидна даже самому автору, что легко заметить в публикуемом ниже тексте лекции «Инфинитезимальные машины». В 1983 году Р. Фейнман говорил: «Я не вижу практического применения этим маленьким машинам и не очень понимаю, зачем я вообще начал их придумывать…» Очень жаль, что он не дожил до наших дней и не прочитал одну из многочисленных книг по нанотехнологиям (например, именно ту, которую держит в руках читатель), чтобы увидеть, к каким неожиданным практическим результатам привели высказанные им фантастические идеи.

Предваряя публикацию, хотелось бы сделать несколько замечаний по истории самого текста, составленного на основе видеозаписи лекции Фейнмана в известной Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в калифорнийском городе Пасадена. В принципе, лекцию «Инфинитезимальные машины» можно было поместить и в начале книги, используя в качестве своеобразного введения в нанотехнологию, так как в ней Фейнман комментирует некоторые вопросы, затронутые в речи «Внизу полным-полно места» 1959 года. В отличие от этой ставшей знаменитой речи предлагаемая читателю лекция долгое время оставалась фактически неизвестной и забытой до 1993 года, когда благодаря усилиям и инициативе сотрудников Калтеха и JPL удалось разыскать запись и издать ее в полном виде [155] .

Особой благодарности за сохранение, изучение и обработку текста, а также публикацию лекции заслуживают издатель Вильям Триммер и профессор Стив Сентуриа, стараниями которых удалось воссоздать лекцию, сохранив научную ценность и личное обаяние выступления Р. Фейнмана. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что данная лекция вовсе не является повторением продающейся видеозаписи телевизионной лекции Р. Фейнмана под названием «Крошечные машины» (Tiny Machines), снятой в 1984 году калифорнийской студией Big Sur специально для ненаучной аудитории (художники, артисты и т. д.).

Разумеется, читатель легко уловит связь между предлагаемым текстом и знаменитой речью Фейнмана, однако лекция позволяет нам проследить ход мыслей великого физика и особенности его отношения к тому, что позднее будет названо нанотехнологиями. Кроме того, живая речь автора позволяет, хотя бы частично, передать обаяние личности и стиля Фейнмана, которое всегда завораживало аудиторию.

Очень важно отметить, как менялось отношение автора к вычислительной технике. Стоит вспомнить, что интерес Фейнмана к вычислительной математике относится еще к годам его работы над первой атомной бомбой в рамках знаменитого «Манхеттенского проекта» в годы Второй мировой войны. В те годы вычислительные машины еще не были созданы, и громоздкие математические вычисления осуществлялись огромной командой из людей-вычислителей, вооруженных арифмометрами. Предложенные Фейнманом новые методы параллельных расчетов позволили значительно повысить эффективность и производительность вычислений и ускорить решение важнейших технических задач. В 1959 году, когда была произнесена речь «Внизу полным-полно места», в полупроводниковой технике широко применялись транзисторы, но в вычислительной технике еще использовались вакуумные лампы, запись на магнитных барабанах и т. п. Возможно поэтому Р. Фейнман уделял тогда мало внимания конкретным проблемам развития кибернетики. Однако 1983 год, когда была записана предлагаемая беседа, может быть отнесен уже к совершенно иной «эпохе», для которой характерно появление персональных компьютеров, развитие первых сетей и нарастание «агрессивных» тенденций закона Мура. Неудивительно, что Фейнман в 1983 году уделил гораздо больше внимания проблемам развития вычислительной техники, тем более что время записи «Инфинитезимальных машин» относится к созданию известного годового курса «Физика вычислительных процессов», который Фейнман читал в Калтехе (совместно с Калдером Мидом и Джоном Хопфильдом). Стоит вспомнить, что до этого Мид и Хопфильд пытались организовать этот учебный курс в 1981–1982 гг. (поскольку сам Фейнман лечился от рака), однако результаты были настолько малоутешительными, что рассматривался вопрос о его отмене. Лишь кратковременное возвращение Фейнмана к активной деятельности и его настойчивость позволили сохранить и расширить курс, что подчеркивает контекст записи этой лекции [156] . Помещая текст «Инфинитезимальные машины» в конце книги, я надеюсь привлечь внимание читателей к богатству идей нанотехнологии, а также просто напомнить о ярком и интересном выступлении блестящего физика и популяризатора науки Р. Фейнмана.

В заключение мне хотелось бы особо отметить деятельность составителя данного сборника не только в издании этой книги, но и в развитии нанотехнологий. Линн Форстер долгие годы выступал в качестве организатора конференций, семинаров и исследований по нанотехногии на самом разном уровне. В предлагаемой читателю книге ему удалось собрать квалифицированных авторов, которые на достаточно высоком уровне, но в популярной и доступной форме представляют общую картину исследований в нанотехнологиях. Книга написана легко, и ее с пользой и удовольствием могут прочитать читатели с самым разным уровнем подготовки вплоть до людей, которым просто интересно понять, что скрывается за постоянными упоминаниями о нанотехнологиях и наноустройствах. Мне бы хотелось выразить особую благодарность Линну Форстеру за его деятельность по пропаганде нанотехнологии вообще и сложную работу по сбору материалов для данной книги в частности.

Майкл Кригер Caltech’63 Willenken Wilson Loh & Stris

Глава 20 Инфинитезимальные машины

Ричард Фейнман

Запись беседы с Ричардом Фейнманом 23 февраля 1983 года в Лаборатории реактивного движения (Пасадена, Калифорния). Печатается с разрешения IEEE Log Number 9210135.

Беседа начинается с вводных слов друга и коллеги Р. Фейнмана, известного физика Ала Хибса.

Я с удовольствием предлагаю вам лекцию «Инфинитезимальные машины», прочитанную моим учителем и старым другом Ричардом, который почти не нуждается в представлении. Он получил образование в Массачусетском технологическом институте (МТИ) и Принстоне, где получил ученую степень в 1942 году. Многие из вас наверняка слышали о его чудачествах и особых талантах. В годы Второй мировой войны он работал в Лос-Аламосе, где прославился умением разгадывать коды и шифры замков. Позднее в Корнелльском университете он экспериментировал с вращающимися обручами, а в Калифорнийском технологическом институте стал известен в качестве барабанщика, умеющего отбивать сложные ритмы южноамериканских и тихоокеанских мелодий. В том же Калтехе он занимался также разгадыванием иероглифов древних майя и выступал в качестве художника, специализировавшегося на изображении обнаженных женщин и т. д. Не стоит и напоминать, что он был большим любителем утренних пробежек трусцой.

Ричард с успехом занимался множеством дел, но Нобелевскую премию ему присудили только по физике. Он уверяет, что не помнит точной даты, но полагает, что это произошло примерно в 1965 году. Для любого другого человека такая забывчивость показалась бы кокетством или странностью, но его знакомые склонны доверять этой фразе, поскольку Ричард никогда не страдал излишней скромностью. Раз говорит, что забыл – значит действительно забыл!

Когда Дик Дэвис попросил меня провести беседу, он ничего не сказал о видеокамере и всем остальном, а просто предложил мне представить, что я разговариваю с приятелями. Мне и в голову не приходило, что приятелей будет так много! Мне было бы легче, если бы я мог рассказать вам много интересных вещей, но в действительности, конечно, я смогу поведать не очень многое, даже если буду говорить долго.

20.1. Мысли о лекции «Внизу полным-полно места»

Когда в 1960 году я выступил с речью, озаглавленной «Внизу полным-полно места» и посвященной будущим технологиям изготовления разнообразных миниатюрных объектов, в сущности, я говорил об известных вещах. Дело в том, что множество важных понятий (например, числа, информация или вычислительные процессы) вообще никак не связаны с конкретными размерами чего-либо. Никто не мешает записать число очень маленькой цифрой, составленной, например, из атомов (я упоминаю атом, потому что невозможно представить себе более миниатюрный элемент для записи!). Из этого сразу следовало, что мы можем научиться записывать огромный объем информации в очень малых физических формах, что, кстати, и произошло затем за весьма короткое время.

Меня много раз просили еще раз поговорить обо всем этом и высказать свое мнение о происшедших переменах, поэтому тему беседы можно обозначить очень просто – возвращение к лекции «Внизу полным-полно места».

Как я и говорил в 1960 году, мы вполне можем обозначить цифру или любой знак комбинацией всего из нескольких атомов. В принципе, нам хватило бы для записи даже одного атома, однако давайте представим себе, что мы имеем две пригоршни разных типов атомов, например, золота и серебра. Сейчас каждый школьник знает, что этого достаточно для записи, поскольку мы можем просто обозначать цифру 1 отдельным сгустком атомов золота, а цифру 0 – сгустком атомов серебра. Для наглядности представьте себе, что эти атомы имеют форму маленьких красивых кубиков, вдоль ребра которых можно уложить всего около сотни атомов. Располагая последовательно такие крошечные кубики, мы можем записать любое число или любую информацию в очень малом объеме пространства. Например, можно легко подсчитать, что содержание всех книг во всех библиотеках мира (включая картинки, графики и т. п.), записанное такими кубиками, не будет превышать по объему куб с ребром 1/20 дюйма, то есть пылинку, едва различимую невооруженным глазом.

Если вы предпочтете не объемную, а простую запись на поверхности, то эффект оказывается столь же впечатляющим. При уменьшении размеров в 25 тысяч раз все содержание знаменитой «Британской энциклопедии» может быть изложено на кончике иголки, огромная библиотека Калифорнийского технологического института вполне разместится на библиотечной карточке, а вся мировая литература вообще может быть записана на площади страниц газеты Saturday Evening Post. Я выбрал уменьшение размеров в 25 тысяч раз по той простой причине, что дальнейшая миниатюризация осложняется проблемами с длиной волны света, которую придется использовать при считывании текста. В сущности, это не является принципиальным ограничением, поскольку, в конце концов, вы можете воспользоваться для считывания электронным микроскопом, пучком электронов и т. п.

Поскольку я сказал о возможность записи и считывания с использованием пучка электронов, необходимо подчеркнуть – это является вполне осуществимым практически, и несколько лет мне назад прислали изображение текста, уменьшенное примерно в 30 тысяч раз. Размеры букв на картинке составляют около одной десятой микрона! ( Показывает аудитории изображение)

Кроме того, в речи 1960 года я много говорил относительно создания крошечных механических устройств типа двигателя или автомобиля, хотя и не мог предложить для них разумного практического применения. Достигнутый в этой области прогресс пока незначителен. Одна из моих идей заключалась в том, чтобы создать микроскопический двигатель, последовательно применяя пантографы (уменьшенные «руки», манипуляторы) или другие механические устройства типа тех, которые используются в дистанционных действиях с радиоактивными препаратами. На каждом этапе механической обработки мы будем пользоваться уменьшающимися в несколько раз (например, в четыре раза) манипуляторами, причем каждый из них начинает свою работу с создания следующего, уменьшенного манипулятора и т. д.

Я тут же предложил приз в 1000 долларов за мотор размером в 1/64 дюйма исходя из того, что такой двигатель невозможно изготовить в обычных условиях простой механической или ручной обработкой металла. Впрочем, это утверждение тоже сложно доказать. Я помню, что после окончания речи Дон Глезер (он потом получил Нобелевскую премию, это что-то да значит!) вдруг сказал мне, что такой мотор искусный мастер сможет изготовить вручную, так что следовало бы сразу указать точность 1/200 дюйма. Помню, как я ответил ему, что такое задание показалось бы невозможным и просто убило бы желание соревноваться у потенциальных мастеров. Поразительно, но Глезер оказался прав, и позднее такой мотор был собран вручную!

Конечно, создание таких микроскопических объектов, хотя бы ради забавы, является очень интересной технической задачей. Взгляните на этот крошечный двигатель, размеры которого примерно соответствуют точке обычного типографского шрифта. Понятно, что невооруженным глазом, собственно говоря, разглядывать нечего. К счастью, изготовивший это устройство и подаривший его мне мистер Мак-Леллан, снабдил игрушку очень красивым и удобным крошечным механизмом с увеличительным стеклом, позволяющим рассматривать двигатель с разных сторон (Фейнман передает аудитории мотор Мак-Леллана для рассмотрения).

20.2. Какими возможностями мы обладаем сегодня?

Конечно, мне хочется заглянуть в будущее и оценить прогресс наших возможностей создавать миниатюрные объекты. В той лекции я говорил об очень многом, от крошечных автомобилей до средств записи, компьютеров и информации. Хотя название сегодняшней лекции связано с бесконечно малыми машинами (мне хочется употребить даже старый термин машинерия), но в действительности, говоря об очень малых объектах, мы не можем уходить от проблем вычислительной техники и информации.

На первом слайде я просто демонстрирую некоторые микроскопические объекты, уже запущенные в коммерческое производство. Речь идет о вычислительных чипах размерами около 3 х 4 мм, в которых толщина соединительных проводов составляет несколько микрон (напомню, что микрон составляет одну миллионную часть метра или тысячную часть миллиметра), причем поперечные размеры при их изготовлении регулируются с точностью около трех мирон. Компьютерные чипы начали производить пять лет назад, поэтому сейчас уже существуют коммерческие образцы с точностью изготовления проводов до 0,5 микрона.

Такие чипы изготавливаются, как известно, напылением последовательных слоев через так называемые маски. ( Фейнман объединяет термином «напыление» все процессы изготовления схем в полупроводниковой технике) Затем можно, например, обработать маской (шаблоном) пластину точно направленными световыми лучами, в результате чего материал несколько изменяется и его можно будет дальше обрабатывать различными химическими методами (например, травлением), получая на нем требуемые паттерны, электрические схемы и т. д. Вытравливая и осаждая различные материалы (оксиды, кремний, кремний с диффузными добавками и т. п.) на последовательных этапах обработки, можно получать очень сложные и интересные паттерны или схемы, позволяющие осуществлять сложные операции. Эта техника четверть века назад казалась немыслимо сложной, но сейчас она стала основой крупномасштабных технологических процессов.

Настоящая и серьезная проблема заключается в том, сколь долго мы можем развивать и углублять эти технологии? Чуть позднее я буду говорить о том, насколько миниатюризация необходима и ценна для вычислительной техники, однако стоит вспомнить, что длина световых волн конечна, то есть вся технология литографического изготовления паттернов и масок принципиально не может обеспечивать точность выше длины полуволны используемого источника света. В настоящий момент в лабораторных условиях удается добиться точности около половины микрона, а в коммерческих технологических процессах она составляет примерно один микрон.

Итак, вы представляете себе наши возможности в лабораториях и на производстве, но я хочу предложить еще одну тему для размышлений. Майкл Исааксон из Лаборатории субмикронных исследований связался с одним моих друзей, художником-модернистом по имени Том Ван-Сант (Tom Van Sant). Я лично восхищаюсь его творчеством и считаю его истинным модернистом, то есть человеком, способным не только понимать современную культуру, технологию, науку и даже сущность природы, но и находить новые возможности их отображения и восприятия.

Позвольте показать вам на следующем слайде одну картин Ван-Санта. На первый взгляд, это просто произведение искусства, не правда ли? Зритель видит изображение человеческого глаза, отчетливо различая ресницы, брови и даже зрачок. Таких изображений в истории искусства было создано множество, но фокус состоит в том, что в данном случае вы видите лишь увеличенную копию самого маленького изображения глаза, созданного человечеством вообще! В действительности размеры картины составляют лишь около четверти микрона, то есть 250 миллимикронов, так что размеры зрачка равны 15–20 миллимикрон, а по диаметру центральной точки в зрачке можно уложить лишь около ста атомов! Легко понять, что художник вышел практически к мыслимым границам миниатюризации, так дальнейшее уменьшение деталей изображения потребует от него использования отдельных атомов. Нельзя представить себе никакого дальнейшего развития этой техники.

Я надеюсь, что картина понравилась и хочу поразить вас еще одним его необычным произведением. Поскольку ему нравится экспериментировать с изображением человеческого глаза, на следующем слайде вы вновь видите глаз. Картина очень хороша по колориту и форме, ее можно отнести к настоящим произведениям искусства, но что-то в ней настораживает, не правда ли? Я прошу зрителей, понявших смысл изображения, не выдавать секрета, поскольку я хочу пояснить секрет картины следующими слайдами, на которых детали даны в ином масштабе. Увеличив изображение, мы вдруг начинаем различать детали и штрихи, которые художник использовал для нанесения «морщинок» и особенностей глазницы, а при дальнейшем увеличении (следующий слайд) мы вдруг понимаем, что изображение глаза особым образом «вмонтировано» в общий вид города Лос-Анжелес на снимке, полученном из космоса! Человеческий глаз на картине представляет собой лишь элемент картины, и сейчас я поясню, как художнику удалось получить столь необычное изображение.

Снимок действительно сделан из космоса по системе LANDSAT, а глаз в углу картины предварительно создал на земле сам художник довольно необычным трюком. Дело в том, что Ван-Сант построил в пустыне рядом с Лос-Анжелесом устройство, моделирующее глаз, как бы имеющий в диаметре около 2,5 километров. Эту совершенно нетривиальную задачу художник решил весьма оригинальным методом. Он специальным образом расположил на очень большой территории набор из 24 зеркал с длиной стороны всего около 2 футов (~60 сантиметров), рассчитав их положение и ориентацию таким образом, чтобы отраженный ими солнечный свет попадал именно в ту точку, где должен находиться спутник LANDSAT, пролетая в очередной раз над городом Лос-Анжелес. Сигналы от зеркал попадают в объектив спутника, накапливаются при последовательных пролетах над городом, обрабатываются запоминающим устройством спутника и, в конечном итоге, создают со временем вполне устойчивые точки или элементы изображения (специалисты по связи называют их пикселями), складывающиеся в картину огромного человеческого глаза на краю города. Именно эту картину я и показал на первом слайде. Вот что я называю настоящим модернистским искусством! Выше я говорил о самом крошечном изображении, а описанное изображение можно считать самым большим произведением искусства, когда-либо созданным человеком. Изучив более внимательно исходную картину, можно заметить небольшое искажение, связанное с отсутствием одной точки на изображении. Когда художник с друзьями стал проверять свою установку, то оказалось, что одно из зеркал действительно сброшено с опоры и на нем легко различимы следы лапок диких кроликов, расплодившихся в окрестностях города. Кролик сумел уничтожить одно из зеркал и лишить Ван-Санта одного из пикселей на изображении.

А теперь давайте сравним обе картины и попробуем провести для них некоторые количественные оценки. Достижение Ван-Санта заключается в том, что он дает нам два изображения человеческого глаза, одно из которых в 100 000 раз меньше, а второе – в 100 000 раз больше нормального, и это неожиданным и странным образом позволяет нам оценить огромную разницу в масштабах изображения. Мы вдруг увидели один и тот же объект одновременно в двух ракурсах: размером в пылинку и в виде структуры, растянувшейся в 2,5 километра по калифорнийской пустыне. Само ощущение такого изменения масштабов является восхитительным, но меня интересует не художественное восприятие, а именно изменение масштабов, причем не столько в сторону уменьшения, сколько в сторону увеличения. Как будет выглядеть глаз, увеличенный еще в 100 000 раз, когда его размеры сравнятся с кольцами Сатурна, а сама планета будет соответствовать зрачку?

Я использовал эти картины, чтобы дать возможность ощутить проблемы, связанные с изменением масштабов, продемонстрировать существующие возможности миниатюризации и оценить прогресс, достигнутый в этой области со времени лекции 1960 года. Чуть позднее я поделюсь мыслями об очень важном вопросе дальнейшего уменьшения размеров вычислительных устройств, а сейчас мне хочется рассказать еще кое-что о миниатюрных машинах и устройствах.

20.3. Как можно изготавливать крошечные машины?

Под термином «машина» я понимаю любое составленное из подвижных частей и деталей (типа колес и других механических деталей) устройство, поведением которого мы можем управлять. В качестве общего термина тут подошло бы несколько устаревшее понятие «машинерия», в котором особо важным для определения является наличие подвижных частей или деталей, представляющих собой четко различимые объекты. Я должен сразу признаться, что относящиеся к миниатюрным машинам мысли и предсказания лекции «Внизу полным-полно места» 1960 года оказались в основном ошибочными. Точнее говоря, мои предсказания о быстром развитии разнообразных механических микроустройств просто не сбылись. Единственным полноценным образцом такого микродвигателя можно считать мотор Мак-Леллана, который я только что вам продемонстрировал.

Возможно, неудача моих предсказаний связана и с тем, что мы так и нашли никакого практического применения для этих маленьких машин, и я сам не понимаю, почему меня так заинтересовала проблема сборки микроскопических механических устройств. Я поделюсь с вами своими мыслями и идеями на этот счет, но повторяю – это только игра, и я сам не понимаю своей увлеченности этими игрушками. Я много раз тщетно пытался найти для них какое-нибудь разумное практическое применение, но пока мне это не удалось. Я понимаю свои неудачи, а вы можете шутить по поводу предложений, которые я сейчас выскажу. Договорились?

Прежде всего, давайте задумаемся о том, как мы можем изготовить такие машины? Повторю, что я говорю об очень маленьких, крошечных машинах и устройствах, размеры которых не превышают десяти микрон (одной сотой миллиметра), что в сорок раз меньше того двигателя, который я показывал. Такие машины практически невидимы при рассмотрении невооруженным глазом. Вы почти наверняка удивитесь, но я начну с утверждения, что современная техника позволяет легко (я повторяю, легко!) изготавливать такие устройства. Напомню, что в каждом измерении такой мотор будет меньше двигателя Мак-Леллана в сорок раз, то есть по объему он будет меньше в 64 000 раз! Я уверен, что, используя современную полупроводниковую технику, можно серийно производить такие двигатели, и я сейчас предложу вполне разумную технологию такого производства.

Дело в том, что, применяя обычную технику последовательного напыления слоев кристаллических структур, можно дополнительно вводить слои или участки из веществ, которые могут быть в дальнейшем удалены из структуры (например, химическим растворением или травлением). Такие «вставки» лишь незначительно увеличат размеры изделий, но, комбинируя их в нужном порядке, можно образовать практически любую механическую конструкцию. От технологов требуется лишь научиться напылять участки требуемой формы и размеров из таких материалов, которые позднее могут быть удалены растворением, выпариваем, испарением и т. п. Вспомните, что классическая техника отливки заключается в изготовлении образцов из разнообразных материалов (типа воска), которые позднее растапливаются и вытекают из формы под воздействием жидкого металла. Ничто не мешает нам использовать такой метод и такие материалы для изготовления миниатюрных устройств, а материалы можно по-прежнему условно называть «мягким воском». В процессе напыления вы лепите из этого «воска» структуры требуемой формы, вводите между ними необходимые детали из кремния или двуокиси кремния и т. п., а затем вытапливаете «воск» удобным способом и получаете запланированную микроскопическую структуру. Я уверен, что, комбинируя такие процессы, уже сейчас вполне можно изготовить двигатель, линейные размеры которого будут в 40 раз меньше, чем у двигателя Мак-Леллана.

Вы помните, что я закончил лекцию «Внизу полным-полно места» обещанием приза в 1000 долларов тому, кто первый изготовит работающий электродвигатель с внешним управлением, объем которого не превышает 1/64 кубического дюйма. По тем временам сумма приза была довольно внушительной, но я был холостяком и не очень беспокоился о расходах. Помню, что когда позднее перед вступлением в брак я объяснял невесте свое невеселое финансовое положение, она удивилась и сказала, что не рассчитывала на многое, но и не представляла таких сложностей. Уже после свадебного путешествия я вдруг вспомнил, что обещал еще тысячу долларов за крошечный моторчик. Боюсь, что жена надолго потеряла доверие к моим способностям управлять семейным бюджетом вообще, выслушав в робкие объяснения по этому поводу.

Сейчас, когда я вынужден заботиться о семье и думать о том, как заплатить за уроки верховой езды для дочки и обучение сына в колледже, я не могу, при всем желании, обещать такие призы за достижения в создании микроскопических изделий. К счастью, мистер Мак-Леллан сказал, что изготовил двигатель не ради приза, а всего лишь из желания принять вызов и решить интересную техническую головоломку.
Изготовив конструкцию с двигающимися частями, можно заставить их перемещаться под воздействием электростатических сил. Внешнее управление может осуществляться по микропроводам (формирование которых, кстати, давно освоено производителями полупроводниковой техники), которые могут быть присоединены к компьютеру для полной автоматизации и точности управления. Таким образом, практически мы можем уже сейчас заняться изготовлением микроскопических роторов, двигателей и других электромеханических устройств.
20.4. Какое применение могут иметь эти малые машины?

Я уже говорил, что не представляю толком, каким образом эти крошечные машины могут применяться на практике. Я много думал на эту тему и хочу предложить некоторые разумные (или хотя бы частично разумные) ответы, а вы попробуйте оценить их здраво. Предположим, человек находится в замкнутом помещении и может открывать или закрывать окошко, пользуясь, например, какой-то рукояткой. Физики прекрасно знают эти устройства и называют их оптическим затвором или светоклапанным устройством. Размещая такие крошечные затворы по всему помещению, можно легко сконструировать масштабное устройство, которое создает светом требуемые картины или изображения. Снабдив систему блоком быстрого электронного управления процессов переключения изображений, мы фактически можем создавать телевизионное изображение по всему помещению. Я вовсе не настаиваю, что предлагаемая мною система телевидения имеет ценность, а лишь вношу предложение. Кстати, я лично вижу мало толку в расширении возможностей телевидения вообще, потому что обычно его роль сводится к рекламе какой-то ерунды, например, туалетной бумаги.

Более серьезным мне кажется возможность использования микроскопических устройств для непрерывной и автоматической очистки поверхностей, что в некоторых случаях может иметь важное техническое значение.

Возможно, кому-то покажется привлекательной идея снабдить такие устройства острыми режущими инструментами (типа сверл) для обработки поверхности, но мне она представляется неразумной по целому ряду причин. Прежде всего, можно вспомнить, что вещество на очень малых масштабах может обладать удивительной прочностью, так что любое микроскопическое режущее устройство окажется бесполезным и грубым. Атомарные силы могут оказаться столь сильными, что режущее устройство придется постоянно затачивать. Кроме того, в процессе любого «бурения» на атомарном уровне пропадают преимущества индивидуального характера использования описываемых машин (я хочу сказать, что множество микроскопических сверл всегда разумнее заменить одним сверлом крупного размера). В целом следует признать, что в качестве инструментов такие машинки имеют мало перспектив, особенно для обработки твердых поверхностей. Наиболее интересным в применении микроустройств (если, разумеется, мы придумаем им какое-то применение) выступает возможность их дифференцированного использования в различных условиях.

Одна из абстрактных возможностей, реализации которой я тоже пока не вижу, состоит в том, чтобы микромашины проверяли качество электронных соединений в компьютерных сетях. Было бы просто замечательно, если бы будут заранее «запускать» микророботов в те участки чипов, где они могли бы сами создавать нужные контакты и соединения. Возможно, для удобства нам следовало бы проектировать внутри схем какую-то систему передвижения (шестеренки или зубчатые передачи) для таких роботов?

А что если мы начнем применять их в процессах создания полупроводниковых устройств и чипов? Разумеется, вы можете законно возразить, что мы уже имеем множество технологических приемов для изготовления чипов (выше я говорил о методах напыления слоев) и поэтому не нуждаемся в новых способах, но я предлагаю задуматься о следующем. Нельзя ли использовать микророботов для механического создания тех самых масок или шаблонов, которые столь широко применяются в полупроводниковой технике? Подумайте, сколь удобными они могут оказаться в регулировании процессов напыления слоев в кремниевых структурах. Используя такие механически собранные шаблоны, мы могли бы очень легко «испарять», то есть удалять атомы с требуемых мест или, наоборот, «вставлять» их в нужные участки структуры. Процессами наслоения можно было бы управлять не химически, а электронными командами по заданной программе.

Я могу напомнить, что в существующих технологиях изготовления полупроводниковых устройств постоянной проблемой является создание так называемых масок (трафаретов или шаблонов), которые необходимо тщательно (очень тщательно!) проектировать. В процессе создания многослойных кремниевых структур формирование каждого слоя требует обработки светом, травления, дальнейшего напыления и множества корректирующих операций. Всем этим можно было бы пренебречь, но при большом числе слоев (например, около нескольких сот) начинают накапливаться ошибки и техническая проблема становится весьма сложной и утомительной.

Неужели эти операции нельзя упростить и убыстрить? Представьте, что у вас есть возможность создавать маски без использования источников света и связанных с этим ограничений. Пусть микроскопические машины сами по заданной программе открывают и закрывают участки схемы, предназначенные для напыления или травления. Разумеется, легко сообразить, что важнейшим недостатком такой машины станет скопление «отходов» на выходе, снижающих чистоту процессов напыления, однако ничто не мешает нам создать сложную трехмерную структуру с трубками, контейнерами и клапанами (все это должно иметь, разумеется, крошечные размеры!), способными обеспечить подачу или удаление требуемых веществ. Такой агрегат, с автоматической регулировкой расхода веществ, сможет двигаться вдоль поверхности кристалла, заливая ее микроскопическими «струями» материалов и создавая заданную программой трехмерную электронную схему. Наращивая последовательно слои структуры, мы можем получать любые трехмерные полупроводниковые устройства и приборы.

Я напомню, что почти все современные кремниевые структуры являются плоскими, то есть двухмерными. Они содержат обычно всего несколько слоев, но даже это создает большие сложности при монтаже. Каждый электронщик знает о так называемом эмпирическом законе Рента, в соответствии с которым число соединений и проводов возрастает по степенному закону (с показателем около 2,5) с числом элементов, входящих в состав устройства. Современная техника позволяет размещать огромное количество устройств и элементов даже на крошечных поверхностях кремниевых чипов, однако плотность монтажа (число необходимых соединений) нарастает столь стремительно, что превращается в серьезнейшую техническую проблему. В шутку можно сказать, что скоро мы будем создавать на чипах одни соединительные сети, так что не останется места для самих транзисторов и других устройств.

С проблемой размещения и соединения нескольких электрических цепей на одной плоскости постоянно сталкиваются электронщики и инженеры, которым приходится в каждом отдельном случае решать сложнейшие задачи монтажа. Переход к трехмерным структурам сразу позволяет избавиться от проблемы соединения элементов, так как провода могут располагаться в пространстве между слоями (как я говорил, внизу полным-полно места!). Я совершенно уверен, что полупроводниковая техника уже в ближайшие годы перейдет к трехмерному монтажу. Кстати, для этого необязательно применять именно предлагаемые мною фантастические и сумасшедшие микромашины, поскольку наверняка можно придумать и другие технологические приемы, позволяющие создавать многослойные (сотни или тысячи слоев!) полупроводниковые структуры.

Таким образом, у нас возникает реальная потребность и возможность создавать микроскопические машины с трубками и клапанами, работающие в очень малых масштабах. Разумеется, мы приступим к их производству лишь после того, как убедимся в их практической ценности, но потом мы сможем использовать их и для других целей, включая изготовление других машин.

До сих пор я говорил лишь о машинах, внутри которых есть движущиеся части или детали (сверла, клапаны и т. п.), которые могут работать по заданной программе в требуемых местах схемы, однако ничто, в принципе, не мешает задуматься о возможности создания подвижных микроустройств. Например, они могут двигаться вдоль поверхности, вдоль заранее созданных щелей и закрепляться в заданных точках посредством шарниров, стержней и т. п. Вполне можно придумать Т-образные щели или пазы, позволяющие машинам при необходимости скользить над поверхностью или приподниматься над нужными участками. Возможно, проблему движения удастся легко решить за счет использования «колес» или простого скольжения.

20.5. Электростатические приводы

Каким образом мы можем «тянуть» такие машины по поверхности? На самом деле эта задача решается легко, и я сейчас продемонстрирую вам схему очень простого устройства. (Фейнман рисует на доске треугольный блок с набором электродов, позволяющих смещать этот блок в требуемом направлении.) Предположим, например, что вам необходимо перемещать диэлектрический микрообъект, двигающийся вдоль паза или прорези. Давайте расположим вдоль паза электроды в указанном порядке и будем подавать на них переменное напряжение. Объект передвинется в новую точку, а вы вновь поменяете полярность напряжения, в результате чего он начнет смещаться дальше и т. д. Используя такие электроды можно легко перемещать устройства (и связанные с ними структуры) в нужные точки, подобно тому как в крупных универсальных магазинах обеспечивают доставку товаров в нужную секцию.

Предложенный метод может оказаться полезным для создания схем на кремниевых чипах, хотя я лично считаю его неудобным. Мое предложение подразумевало, что можно использовать скользящие вдоль поверхности машины для доставки в требуемую точку нужных структур и их монтажу в требуемом порядке, причем процессом сборки можно управлять, например, электрическими сигналами, подаваемыми расположенным под монтажной плитой компьютером. Мне не нравится в этой схеме то обстоятельство, что она не решает основной проблемы существующих технологий, а именно – не позволяет сразу создавать требуемые для схемы контакты. Микромашины лишь обеспечивают доставку элементов схемы, так что для монтажа соединений нам придется вновь прибегнуть к электролитическому осаждению и т. п., то есть вернуться к технологиям послойного напыления.

Еще одна проблема связана с вопросом о том, какой ток (постоянный или переменный) следует использовать в системах управления движением микрообъектов. Еще сложнее выглядит необходимость обеспечить вращательное движение частей или деталей при монтаже. Силы, воздействующие на объект, не должны деформировать его каким-то образом, и мы вновь должны задуматься о малоизвестных нам физических свойствах микроскопических структур. Я думаю, что объекты этого класса будут отличаться жесткостью и хрупкостью.

Упоминание вращения тут же заставляет вспомнить о проблеме вязкости среды в микроскопических объектах, таящей в себе немало неожиданностей. Я лишь напомню слушателям, что воздух в микроотверстиях (диаметром, например, в несколько микрон) вдруг приобретает особую вязкость. Например, никакой силой вы не можете обеспечить быстрое вращение деталей в таких отверстиях, так как потери на трение существенно снижают скорость (миллисекунды вместо микросекунд!).

Мне нравится, что размышления о микроустройствах (независимо от практической ценности самих устройств!) постоянно приводят нас к новым идеям. Мы начинаем говорить о неподвижных микроскопических машинах, задумываемся о возможностях их перемещения или скольжения по поверхности, пытаемся оценить принципы их действия и т. д. Естественно, мы легко приходим к мысли о возможности создания микророботов, способных самостоятельно двигаться в пространстве!

20.6. Подвижные микророботы

Давайте поговорим о свободно передвигающихся машинах! Разумеется, такие объекты можно создавать пока только для развлечения, но разве в этом дело? Это может оказаться просто новой игрой, но вспомните, что никто из великих создателей компьютеров даже не предполагал, что на этой основе когда-нибудь возникнут целые информационные технологии и огромный рынок видеоигр и развлечений! Представьте себе просто, что вы управляете микроскопическим роботом в виде «воина с саблей», попавшего в водную среду, заполненную микроорганизмами типа инфузорий и т. п. Как обычно принято в компьютерных играх, управляемый вами «воин» должен уничтожить эти создания. Разница с видеоигрой формально заключается лишь в том, что «воин» представляет собой микроскопический физический объект.

Разумеется, прежде всего необходимо решить проблему энергообеспечения устройства. На первый взгляд задача кажется сложной, поскольку объект способен передвигаться, но в действительности существует много способов передачи энергии. Например, можно использовать принципы электромагнитной индукции или наложить на среду медленно изменяющиеся электрические и магнитные поля, создающие в объекте внутренние электромагнитные силы. Другой вполне реальный метод состоит в использовании различных химических веществ, вводимых в раствор, когда в среде будут происходить химические реакции, создающиеся источником питания устройства, и т. д. Кроме того, существует достаточно простой метод передачи энергии электромагнитным излучением, когда среда и устройство освещаются светом или излучением любой частоты, способной проникать через воду.

Та же система может одновременно использоваться для управления роботом. Действительно, используя какой-то источник питания (например, индукционный), его можно легко применять в качестве системы управления, то есть применять для передачи соответствующих команд или сигналов о состоянии самого робота. Я говорю не о сложных сетях связи или координации (типа соединения через спутник и т. п.), а об организации простейшего управления на очень небольших расстояниях с очень малыми объектами. Проблема сводится лишь к подаче сигналов и приему ответов на них.

Интересно и поучительно, что настоящие проблемы в создании микроустройств связаны с теми действиями, которые представляются очевидными и забавными. Например, каким образом может вообще передвигаться в воде микроробот? Конечно, мы можем снабдить его, например, микроскопическим вращающимся хвостиком или щупальцами, но стоит вспомнить, что для объекта или существа размером в несколько микрон вода представляет собой (с учетом пропорций тела) чрезвычайно вязкую жидкость. Представьте, что вам приходится плыть в бассейне, заполненном густым медом! Единственным разумным выходом представляется использование изогнутых, S-образных плавников, которые могли бы «ввинчиваться» в вязкую среду и обеспечивать продвижение. Такое движение требует больших усилий, так что следует особо позаботиться об источнике энергии. Кстати, каким механизмом следует воспользоваться при использовании сложных плавников, типа винта?

Существует классический вопрос, который постоянно задают друг другу биологи и физики: почему природа никогда не использует в биологических структурах колесо? Ответ обычно сводится к тому, что колесо представляет собой изолированную структуру, которую организму трудно «обслуживать» (смазывать, снабжать кровью, наращивать и т. п.). Поэтому мы не будем пока вспоминать о колесе, а начнем конструировать наши микророботы из проверенных природой и временем деталей. Вспомним, что бактерии двигаются посредством щупальцев, называемых флагеллами (отростки, имеющие форму штопора), и закрученных ворсинок, позволяющих им перемещаться в вязких средах. Именно флагелла в биологии простейших обладает действительно необычной, отдельной, подвижной (ее можно даже назвать съемной!) деталью. Я говорю о том, что на конце флагеллы обычно располагается некое подобие диска, покрытого белками и ферментами. На этой поверхности могут происходить сложные ферментные реакции с молекулой АТФ (адезинтрифосфорная кислота, обычный источник энергии в биологических структурах), в результате чего диск прокручивается на некоторый угол, позволяя осуществлять вращательные движения отдельными щупальцами или ворсинками. (Фейнман демонстрирует руками молекулярные конформации, приводящие к вращению.) После окончания реакции молекула АТФ отделяется и движение прекращается, но затем к диску присоединяется другая молекула АТФ и т. д., так что вся структура, напоминающая известный в механике храповик, постоянно вращается и заставляет (через трубку) вращаться спиральное щупальце, флагеллу микроорганизма.

Более двадцати лет назад, когда я прочел лекцию, мой друг Ал Хибс, представивший меня аудитории сегодня, первым предложил использовать микроустройства в медицинских целях. Сейчас, когда я заговариваю об этом, мне постоянно отвечают: «Прекрасно! Давайте сделаем устройство размером с клетку и научимся применять его. Если у вас проблемы с печенью – просто проглотите немного клеток печени и постарайтесь выздороветь!» На самом деле в те годы я, естественно, говорил о гораздо более крупных устройствах, а Хибс первым предложил создать микроскопического «хирурга», то есть снабженную инструментами и инструкциями лечебную машину. Ее можно ввести в организм больного и применять для самых различных целей (например, она может просто разыскивать в ваших артериях жировые бляшки и уничтожать их!).

Идея состоит в том, что мы можем научиться вводить в биологические системы управляемые устройства, которые затем по инструкциям или командам будут производить требуемый «ремонт» органов, удаляя или, наоборот, добавляя к ним необходимые структуры. Если сама мысль о создании и использовании микроскопических устройств не кажется вам безумной, то можно сказать, что широкое использование таких автоматических роботов в медицинской практике является лишь вопросом времени. Мне представляется разумной разработка проглатываемых устройств, управляемых по тонким проводам. Многим из нас приходилось в лечебных и диагностических целях заглатывать толстые или тонкие трубочки (например, при обследования желудка и т. д.), а для управления роботами понадобятся лишь очень тонкие провода. Кроме того, провода будут полезны для точной локализации самих роботов.

Вообще говоря, применение проводов в этой методике играет побочную роль, и мы можем даже прекрасно обойтись без них, управляя движением устройств различными внешними источниками (магнитными полями, индукцией и т. п.). Я говорю не о создании особо мелких устройств типа упоминавшихся выше моторов, а об аппаратах вполне разумных и представимых размеров. Почему нам не начать с производства приборов, имеющих размеры около сантиметра или меньше? В таких делах важно начало, а дальнейшее уменьшение размеров изделий будет происходить само собой. Предположим, мы запускаем в организм микроскопического «хирургического» робота и следим за его перемещением при помощи, например, рентгеновской или ЯМР-установки. В требуемый момент мы подаем команду, и робот по сигналу начинает операцию. В любом случае, мы контролируем его положение и поведение.

Мне нравится идея Хибса о «проглатываемом хирурге», однако по-настоящему она получит развитие лишь тогда, когда мы научимся изготавливать очень маленькие устройства, которые могут стать промежуточным этапом на пути создания самых крошечных машин, которые я в названии этой беседы назвал «инфинитезимальными», то сеть бесконечно малыми.

20.7. Изготовление точных изделий грубыми инструментами

При любом разговоре о малых и сверхмалых машинах или устройствах неизбежно возникает проблема точности их изготовления. Стремление к миниатюризации очень быстро сталкивается с границами точности механической обработки деталей. Именно точность обработки (класс точности, как говорят инженеры) определяет реальную ценность устройства. Бессмысленно создавать изделия просто меньшего размера из деталей с низким классом точности обработки поверхностей, так как «шатающиеся» подшипники и неточно подогнанные болты не позволят производить высококачественные детали.

Вопрос о точности заставляет нас задуматься об очень сложных проблемах. Например, в этой связи уместно напомнить, что вся история человечества связана с прогрессом в точности обработки предметов и изделий. Когда первобытные люди впервые начали применять орудия труда и охоты, в их распоряжении были лишь палки и камни, но уже тогда наши предки инстинктивно старались подбирать прямые и длинные палки или более округлые камни, которыми было удобнее пользоваться. Никакой точности обработки не существовало и в помине! Всю дальнейшую историю люди старались сделать свои инструменты совершенными и эффективными, благодаря чему мы сейчас живем среди множества высокоточных, ценных и полезных предметов.

С чего следует начать развитие сверхмалых машин? Каким образом мы обеспечиваем точность изготовляемых изделий? Любой слесарь и механик прекрасно понимает это, но лишь до тех пор, пока речь идет о крупных изделиях. Наши первобытные предки начинали обработку с того, что били камни друг об друга, стараясь придать им более правильную и удобную форму. Отмечу, что, расколов камень на две части, вы получаете куски, которые хотя бы примерно подходят друг к другу, то есть их впадины и выпуклости имеют какие-то соответствия. Попробовав достаточно долго «тереть» куски камня друг об друга, каждый может получить почти ровные, очень гладкие, притертые поверхности. Когда я был мальчишкой, мы с друзьями в Бостоне любили полировать кусочки мягкого песчаника, и у нас это неплохо получалось. Студентом МТИ я забавлялся притиркой снежков из разных видов снега (твердого спрессованного снега и пушистого, свежевыпавшего), и мне удавалось создавать шары с очень аккуратной сферической поверхностью.

В качестве еще одного наглядного примера повышения точности при «притирке» можно привести пару болта и гайки одного размера. Попробуйте многократно вкрутить болт в гайку и выкрутить его, и вы убедитесь, что скоро он будет очень легко и точно входить во все прорези. Это метод достижения точности не кажется мне подходящим для очень малых изделий хотя бы потому, что любая притирка требуем много механических усилий, не говоря уже о том, что ее эффективность на требуемом нам микроскопическом уровне весьма сомнительна.

Существует еще один известный метод точной механической обработки изделий, основанный на так называемом электростатическом пушпульном механизме (что означает движение взад-вперед вдоль одной оси). Метод сводится к тому, что при повторяющемся движении обрабатываемых деталей относительно друг друга, вы можете регулировать напряжение таким образом, чтобы неоднородности при трении взаимно «гасились». Впрочем, должен признаться, что этот метод точной подгонки также не представляется мне эффективным для решения проблемы точности на микроуровне.

С другой стороны, стоит задуматься над тем, что проблемы точности в малых масштабах могут трансформироваться и принимать более приемлемые формы. Подумайте, например, над тем, что если обрабатываемые изделия содержат всего около сотни атомов, а вам необходима точность в 0,5 %, то задача сводится лишь к удалению или добавлению всего нескольких атомов, после чего изделия могут стать почти одинаковыми. На атомарном уровне точности числа атомов в объектах могут различаться на один атом, то есть сверхмалые изделия при этом в некотором смысле должны быть совершенно одинаковыми.

Мне представляется, что в качестве метода изготовления микроскопических объектов может эффективно использоваться классическое «литье» деталей или целых изделий. В сущности, кроме каких-то специфических атомарных ограничений, ничто не мешает нам изготавливать формы и отливать микроскопические объекты по точно заданному образцу. Более того, мы уже частично занимаемся таким производством, поскольку все чаще в технических процессах используются так называемые реплики. В разных производствах их называют образцами, шаблонами, отпечатками и т. д., но это не меняет сути, поскольку речь идет именно о создании копий (чаще всего по биологическим образцам) в виде кремниевых или ацетатных «отливок». Строго говоря, получаемые на электронном микроскопе изображения являются вовсе не «изображениями» реальных объектов, а их репликами, или «отливками», полученными иных средах и материалах. Этот процесс может быть фактически развит для всех масштабов исследования и производства.

Исторически создалась ситуация, когда ученые постоянно оглядываются на биологию, рассматривая природу в качестве образца для подражания. Это отношение сложилось так давно и является столь утвердившимся, что его не могут поколебать даже явные недочеты эволюции (природа действительно не смогла создать колеса!). Очень многие наши успехи связаны именно с отказом от природных аналогов, например, самолеты оказались эффективнее и перспективнее всех вариантов летательных аппаратов типа махолетов, подражающих полету птиц. Я хочу сказать, что биология выступает учителем науки, но она вовсе не является идеалом, и мы вполне можем придумывать методы, не существующие в биологии. Например, если требуется изготовить особо гладкую деталь из твердого материала, мы можем применить заполненные особыми молекулами жидкие «мешочки», способные изменять форму под воздействием электрического поля (в какой-то степени они напоминают хорошо известные в биологии структуры, именуемые «сумками»). Регулируя вязкость этих мешочков в разных местах, мы можем по-новому организовать процесс обработки поверхностей, а именно – организовать его так, чтобы шлифующие частицы «затвердевали» или «размягчались» (под воздействием электрического поля) именно в требуемых участках обрабатываемых деталей.

20.8. Трение и прилипание

Давайте попробуем определить характерные особенности интересующих нас сверхмалых устройств. Прежде всего бросается в глаза, что их малые размеры и ничтожный вес позволяют развернуть производство в огромных количествах экземпляров. Стоимость материала в таких процессах становится совершенно несущественной, так что фактическая цена изделия зависит лишь от расходов на производство деталей и их сборку.

С другой стороны, весьма важно, что свойства микроскопических частиц существенно отличаются от свойств тех же материалов в объемной форме, поэтому, например, две особо чистые частицы металла могут просто слипнуться под воздействием сил молекулярного притяжения, в результате чего детали создаваемого механизма не смогут свободно двигаться из-за непомерно возросшего трения. Конечно, нам придется в этом случае придумывать особые методы борьбы с трением (например, покрывать металлические частицы оксидным слоем или наносить на них специальные вещества, играющие роль смазки), но такие действия, естественно, будут усложнять технологию и создавать новые проблемы.

В целостных объектах силы притяжения и трения отсутствуют, однако и в этом случае могут возникать неожиданные проблемы. Например, любые детали в микроскопическом устройстве могут «трястись» под воздействием броуновского движения до тех пор, пока вся молекулярная «конструкция» не выработает единого характера поведения, что может создавать какие-то дополнительные возможности для практического изготовления и применения таких систем.

Должен признаться, что я никак не могу выработать собственного отношения к проблеме микроскопических машин. Мне самому они кажутся очень интересными и привлекательными, но я несколько устал думать о них и с нетерпением жду, когда кто-либо найдет им, наконец, возможности полезного и эффективного применения. Как только микроустройства станут реально использоваться в промышленности, ученые и инженеры обратят на них серьезное внимание и приступят к решению множества интересных научно-технических задач.

20.9. Вычисления с использованием атомов

А теперь поговорим о возможностях создания сверхминиатюрной вычислительной техники. Со времен лекции 1959 года эта область стремительно развивалась, так что возникла совершенно новая ситуация, и я буду обсуждать только новейшие достижения и перспективы развития. Давайте спросим себя, что нам необходимо для создания компьютера?

Собственно говоря, любое вычислительное устройство всего лишь должно уметь обращаться с числами, то есть воспринимать числа в какой-то записи, обрабатывать их и выдавать ответ в считываемом виде. Поэтому первейшей задачей выступает сама возможность как-то записывать числа!

Новейшие достижения науки дают нам возможность воспользоваться для записи самыми крошечными из известных нам объектов – атомами! Напомню, что проще всего записывать числа в двоичной системе, пользуясь всего двумя числами (обозначающими ноль и единицу), так что любое число может представлено в виде N разрядов двоичной системы. Поведение атомно-молекулярных объектов определяется законами квантовой механики, для которой характерна дискретность значений параметров. Это обстоятельство исключительно удобно для решения поставленным задач, так как эти системы могут находиться в двух разных состояниях (в действительности число таких состояний может быть очень большим, но для вычислительной математики вполне достаточно наличия даже двух четко выраженных разных состояний). В качестве простейших примеров укажу, что спин атома может иметь два противоположных направления (вверх/вниз), молекула аммиака – два основных энергетических состояния (высокое/низкое) и т. п. Короче говоря, в микромире всегда можно найти удобные для использования структуры с двумя характерными состояниями, что вполне достаточно для записи чисел и создания вычислительных систем. Например, вы можете принять, что атом в возбужденном спиновом состоянии (спин направлен вверх) соответствует числу 1 (единице), а атом с направленным вниз спином – числу 0 (нулю). Это означает, что я могу записать любое число, затратив на это столько атомов, сколько разрядов содержит его обозначение в двоичном коде. Запись будет иметь вид цепочки атомов с направленными вверх и вниз атомами (означающими 1 или 0 соответственно). Учитывая малые размеры атомов, для такой записи мне понадобится лишь совершенно ничтожное количество вещества!

20.10. Обратимость вычислительных и управляющих процессов

Далее, нам необходимо решить проблему обработки и вычислений на основе записанных таким образом чисел. Каким образом это можно осуществить на уровне атомов? Вы все знаете, что для «обработки» чисел в компьютерах используется лишь небольшое число операций и разных типов элементов, а сложность действия достигается математиками за счет использования очень большого числа элементов и комбинирования их действий.

Проблема осложняется тем, что мы привыкли рассуждать о работе компьютеров на примере электрических схем и устройств типа транзисторов, к которым по входным и выходным проводам подаются сигналы в виде импульсов напряжения (в простейшем случае наличие импульса означает число 1, а его отсутствие – число 0). Такие схемы не похожи на рассматриваемые нами атомы в разных квантовых состояниях, но эта разница в действительности является несущественной, что я покажу на основе анализа работы простейших вычислительных сетей (Фейнман рисует на доске простую схему с двумя входами и одним выходом). Вот в качестве примера схема AND, с двумя входами (А и В) и одним выходом С, используемая для логического сложения. Наличие сигнала на входящих и исходящей линии означает число 1, а его отсутствие – число 0. Работа такой схемы сводится к тому, что при сигналах 1 на обоих входах она подает на выходе сигнал 1, а при отсутствии сигнала на одном или обоих каналах – сигнал 0. Такое поведение соответствует логическому сложению, вследствие чего ее называют обычно схемой совпадения. Такой системе соответствует структура простейшего транзистора.

Для проведения вычислений принципиально нужна еще небольшая схема NOT (схема отрицания, с одним входом и одним выходом), изменяющая значение сигнала на обратное (то есть при сигнале 1 на входе вы получаете на выходе 0, и наоборот). Удивительно, но этих двух типов простеньких схем практически достаточно для создания компьютера, поскольку их сочетания позволяют создать много новых вычислительных элементов. Например, их комбинация (NOT + AND) дает схему NAND (отрицание + совпадение), когда выходной сигнал 0 соответствует двум сигналам 1 на входах, а выходной сигнал 1 возникает в тех случаях, когда хоть один из входных сигналов не равен 1. Комбинируя такие схемы и соединяя их по определенным правилам, можно смонтировать компьютер, способный осуществлять практически любые вычисления.

Основным препятствием при создании атомарно-молекулярных аналогов вычислительных устройств выступает то, что поведение атомов описывается законами не классической, а квантовой механики, и это каким-то образом должно быть учтено. Все знают, что я люблю квантовую механику, так что мне приятно рассказать о том, как можно построить квантовый компьютер (непосредственно из атомов!) вместо привычных всем устройств на основе законов классической физики.

На первый взгляд кажется странным, что мы можем создать атомарную схему AND, сформировать схему NAND и вообще организовать вычислительный процесс. Я поясню, в чем состоит сложность на уровне общих рассуждений. Вы имеете только два входа и один выход, поэтому, получив на выходе сигнал 0, не можете определить, какие сигналы пришли по входным каналам. Иными словами, процесс работы схемы является необратимым. Я подчеркиваю этот факт, так как законы атомной физики, как известно, являются обратимыми (точнее говоря, эти законы обладают микроскопической обратимостью). Из этого следует, что вы не только обязаны пользоваться обратимыми законами при описании любых атомарных процессов, но просто обязаны применять обратимые атомарные устройства, схемы и «вентили».

Этой проблемой в фирме IBM занимались Беннет, Фредкин и Тоффоли, которые пытались понять, насколько проблемы вычислительной техники связаны с обратимостью процессов, устройств и схем. Выяснилось (и это кажется чудом!), что необратимость не является существенным фактором при проведении вычислений, что и позволило нам создавать вычислительные машины.

Вы можете сделать схему обратимой простым приемом, который выглядит «жульничеством», но позволяет решить поставленную задачу (Фейнман рисует схему с двумя входами и тремя выходами). Предположим, что схема по-прежнему имеет два входа и лишь один выход, но мы можем добавить еще два выхода, как я нарисовал только что. Два выходных канала (А и В) мы просто направим на вход (создав с уже существующими схемы совпадения), а канал С будем использовать для снятия выходного сигнала. Легко заметить, что с этой схемой сразу можно выяснить, какой именно сигнал поступает по конкретному входному каналу.

Конечно, вы можете отметить, что предложенный процесс не является полностью обратимым, так как при нем на входе имеется два «кусочка» информации (то есть, например, два атома), а на выходе – три. Создается впечатление, что откуда-то появился третий атом, который необходимо как-то учесть. ( Фейнман дорисовывает еще одну линию на входе, обозначая ее через С.) А теперь давайте подумаем, что собственно это означает с точки зрения физики.

Если сигналы в каналах А и В различаются, то общая картина прохождения сигналов по цепочке А, В, С вообще не изменяется. Если же оба сигнала соответствуют 1, то они проходят А и В, но в С (независимо от вида) сигнал меняется на обратный и переходит в NOT C, так что я могу назвать это устройство вентилем типа «контроль, контроль, NOT».

Полученная схема является полностью обратимой (как в электротехническом, так и в общем смысле), так что даже если поменять входы и выходы местами, то вся схема (или состояния изображающего ее атома!) будут выглядеть и вести себя обратимо. При этом, как показал Тоффоли, такая схема вполне способна осуществлять логические операции.

Каким образом нам следует теперь определить некую вычислительную операцию? Мы можем утверждать, что изобретен метод, позволяющий вводить между каждой тройкой атомов (из полного набора, содержащего N атомов) некое взаимодействие. Это взаимодействие дает нам возможность изменять состояние атомов (то есть сочетание чисел 0 и 1) и переводить их в другое состояние (с другим сочетанием чисел 0 и 1). С математической точки зрения, это эквивалентно использованию некоторого типа матриц. Обозначим такую матрицу буквой M и попробуем определить ее общие свойства. Матрица M обладает свойством переводить любую комбинацию восьми цифр (соответствующую определенному набору состояний трех атомов) в другую комбинацию (соответствующую другому набору состояний). Кроме того, квадрат этой матрицы равен единице, то есть она относится к классу так называемых унитарных матриц. Теперь мы можем определить вычисление в рассматриваемых системах более точно, так как любую вычислительную операцию можно записать в виде цепочки матриц типа M. Каждая цепочка вычислений может содержать миллионы таких матриц, но действия каждой из них в данный момент будут относиться лишь к заданной тройке атомов.

Я должен подчеркнуть, что в приведенном выше примере со схемой совпадения AND и связанных с ней рассуждениях неявно подразумевалось, что после каждой операции выходные каналы (или, вообще говоря, атомы) должны как-то обновляться, то есть заменяться новыми. В случае с матрицами все выглядит гораздо проще, так как после воздействия матрицы в том же регистре остаются все те же атомы, но теперь их состояние соответствует результату вычислительного процесса! Имея систему из N атомов, я могу производить с ней вычисления, то есть множество раз менять и перетасовывать их состояния (но только по три в каждой операции!), получая в конце результат в виде изменения состояний системы этих N атомов.

20.11. Электрон как вычислительная машина

Матрицу взаимодействия между атомами можно выписать без особых сложностей. Другими словами, вы действительно можете придумать некий сложный вид физического взаимодействия между атомами, приводящий к выполнению какой-то вычислительной операции. Сложность состоит скорее в том, каким образом можно выразить ответ в приемлемой форме, то есть перевести последовательность преобразования состояний троек атомов в некий разумный ряд чисел. У меня есть очень простая идея на этот счет, и я сейчас ее изложу. ( Фейнман рисует на доске цепочку, ряд маленьких кружков, а затем, в ходе рассказа, часто указывает на некоторые из них.)

Поговорим о возможностях использования электронов. Представьте, что нарисованная мною связная последовательность кружков означает набор узлов или мест возможного расположения электронов, например, просто цепочку атомов. Если в одном из этих узлов находится электрон, то по законам классической механики он имеет возможность перескочить в какой-либо другой узел. В квантовой механике ситуация иная. Вы можете говорить лишь об определенном значении амплитуды волновой функции и т. п. Эти рассуждения заставляют вас обратиться к решениям в виде комплексных чисел и других весьма занятных приемов квантовой механики, но суть дела от этого не меняется, так как все расчеты относятся к тому же процессу возможного движения электрона вдоль цепочки. В квантовой механике вы просто пользуетесь другими терминами и говорите о «расплывании» функции Шрёдингера, при котором заданные значения амплитуды в определенной точке могут меняться во времени. Это означает, что электрон может смещаться вдоль цепочки, перескакивая из точки в точки, возвращаясь, доходя до ее концов и т. д. В принципе, вы можете вычислить вероятности, соответствующие любым маршрутам движения.

Я думаю, всем понятно, что цепочка атомов изображает проводник, и реальный электрический ток соответствует именно таким «прыжкам» электронов вдоль узлов. Именно это позволяет мне предложить следующую схему вычислительного процесса, в которой описанная выше атомарная схема вычислений легко переносится на электроны. Действительно, ничто не мешает нам на практике ввести энергетический барьер (соответствующий нулевому значению амплитуды вероятности), не позволяющий электрону просто переходить из одного узла в соседний, а требующий для перехода некоторого заданного механизма взаимодействия с атомами (например, с тройкой атомов, означающей некоторый разряд записи). Таким образом, мы можем связать процесс движения электрона вдоль цепочки атомов с их состоянием, которое, как я говорил выше, может быть просто увязано с осуществлением вычислительного процесса. ( Отвечая на вопрос одного из слушателей, Фейнман выписывает на доске типичный член гамильтониана, используя матрицу атомного преобразования Mмежду операторами возникновения и исчезновения электронов в соседних узлах решетки.)

Таким образом, моя идея сводится к тому, чтобы электрон мог осуществлять перескок из одного узла в другой только тогда, когда это будет разрешено состоянием атомной цепочки, определяемой произведением матриц M. Иными словами, если электрон проходит от одного конца цепочки до другого, то мы можем быть уверены, что в атомарной системе произошли все изменения, определяемые матрицами M1, M2, M3, M4, M5 и т. д.

Разумеется, вы возразите, что все сказанное неверно, так как электроны ведут себя совсем по-другому! В каждый момент для них существует вероятность двигаться в определенном направлении, возвращаться на прежнее место и т. д. Например, переход из одного узла в другой означает операцию M2, а возращение – повторение операции M2. Вам кажется, что это нарушает логику рассуждений? Совсем не так! Напомню, что операция M2 является обратимой, поэтому, осуществляя ее дважды, вы фактически просто возвращаетесь в предыдущее состояние. Я бы сравнил последовательные действия операторов с движением обычной молнии-застежки, которую можно двигать взад-вперед, и если вам кажется, что она сработала неверно, вы можете просто вернуть застежку в какое-то положение, а затем застегнуть ее правильно. В любом случае исправная молния-застежка должна точно соединять два заданных конца цепочки, а если она не доведена до конца, то это ничего не означает, так как всегда можно завершить операцию.

Таким образом, если электрон дошел до конца цепочки атомов, можно быть уверенным, что все перестановки атомов (вычислительные действия, следуя логике рассуждений) завершены правильно. Вы просто должны дождаться конца вычислительных процедур, выписать полученный результат и забыть о всех технических подробностях. Это легко сделать в описываемых системах, приложив незначительные электрические напряжения на концах цепочки.

Идея является не только вполне здравой, но и позволяет по-новому взглянуть на проблему ограниченности вычислительных способностей компьютеров. Конечно, описанный выше компьютер трудно создать на практике, но зато нам удалось определить практически все принципы его действия. Мы даже можем вполне серьезно проанализировать его некоторые параметры и особенности работы, включая скорость, количество требуемых элементов и особенно проблему тепловыделения, о чем пойдет речь дальше.

20.12. Тепловыделение в квантовых компьютерах

Все знают, что работающий компьютер выделяет много энергии, о чем постоянно беспокоятся проектировщики и пользователи. Уменьшение размеров вычислительных устройств лишь усугубляет проблемы, так как выделение тепла происходит в более малых и замкнутых объемах пространства, охлаждение которых представляет собой сложную техническую задачу. Можно просто сказать, что все современные ЭВМ плохо спроектированы. Беннет показал (как я уже упоминал выше), что вычислительный процесс может быть сделан полностью обратимым, то есть при использовании обратимых вентилей и схем совпадения мы могли бы снизить тепловые потери до ничтожного уровня. Строго говоря, это потребовало бы очень медленной работы и даже снижения скорости движения электронов по используемым схемам. Стоит отметить, что создание идеальных обратимых логических схем несколько напоминает ситуацию с обратимым циклом Карно, идеальным (но исключительно медленным) термодинамическим циклом со 100 %-ным коэффициентом полезного действия! Конечно, идею замедления скорости работы ЭВМ не стоит даже рассматривать всерьез, но можно придумать правильно сконструированную вычислительную машину, в которой движение электронов не связано с потерей энергии, за исключением столкновений с дефектами кристаллической решетки, о чем я сейчас расскажу.

Рассмотрим проблему тепловыделения в микрокомпьютерах более подробно. Предположим, что мы пытаемся создать аналог привычной схемы совпадения и т. п. в обратимом варианте с использованием отдельных атомов или электронов. Из общих законов физики известно, что количество энергии, затрачиваемое на одно «срабатывание» такой схемы (одно принятие решений, один переход), имеет порядок кТ. А осознаете ли вы, что принятие одного решения в современных компьютерах требует затрат, пропорциональных примерно 1010 кТ энергии? Чудовищная разница в десять порядков возникает из-за огромных размеров наших вычислительных устройств и огромного количества используемых в процессе электронов! Правильное проектирование вычислительных устройств таит в себе почти неисчерпаемые возможности их совершенствования за счет снижения размеров. Эта проблема не интересовала Беннета, исследовавшего работу вычислительных устройств безотносительно к задачам тепловыделения. Позднее я тоже анализировал работу ЭВМ в рамках его модели и получил очень похожие результаты, но с некоторыми модификациями и уточнениями, о которых расскажу ниже.

Дело в том, что перенос электронов при некоторых (достаточно идеализированных) условиях может осуществляться в так называемом баллистическом режиме, когда протекание тока в сети вообще происходит без рассеяния и потери энергии. Процесс переноса небольших количеств электронов при этом напоминает «выстрел», когда вы точно направляете электроны так, что они проскакивают проводник без рассеяния. Щелк! Процесс завершен!

Поговорим о тепловых потерях при вычислительных операциях. Существует строгая связь между энергией электронов и их скоростью, то есть любой энергии кТ (я хочу особо подчеркнуть, что эта энергия не обязательно должна иметь только термический характер) соответствует некоторая предельная скорость v движения электронов в веществе и компьютере. В идеально сконструированных вычислительных устройствах электроны вообще не будут терять энергию при движении, а будут совершенно точно перескакивать из одних заданных положений в другие. После завершения вычислений, то перехода электрона из одного конца цепочки на другой, пользователь «получает» электрон с той же энергией, готовый к дальнейшим вычислительным операциям. Возможно, когда-нибудь нам удастся даже как-то аккумулировать, хранить или преобразовывать энергию таких электронов, используя ее для дальнейших операций и т. п. Вычисления без затрат энергии! Никаких потерь! Мне хочется напомнить только, что я говорю об абстрактной вычислительной системе, которую можно сравнить с идеальным тепловым двигателем, работающим по циклу Карно. Какие-то потери на «трение» в любой такой машине неизбежны, но наша цель состоит в их уменьшении и устранении.

Почему возникают потери при движении электронов? Обычно потери связаны с несовершенством кристаллической решетки, что известно каждому, кто хоть немного знаком с теорией металлов. В решетке всегда присутствуют дефекты, нарушающие взаимодействия и заставляющие электроны рассеиваться, «отскакивать» назад, создавать новые дефекты и т. д. Электроны перестают двигаться по «правильным», прямым траекториям, отклоняются, блуждают в решетке и т. д., но, приложив внешнее электрическое поле, вы можете заставить их снова и снова двигаться в заданном направлении. Собственно говоря, речь идет о простом электрическом сопротивлении, то есть о том, что соединения в компьютерах построены из реальных материалов, а не из идеальных проводников.

Ситуацию можно количественно описать введением некоторой вероятности рассеяния на пути электронов, то есть вероятности того, что электрон просто «отразится» на дефекте и начнет двигаться в обратном направлении. Предположим для простоты, например, что эта вероятность равна одной сотой на отдельном узле решетки, а мой вычислительный процесс требует прохождения именно сотни узлов. Пусть испускаемые в исходной точке электроны имеют скорость v, соответствующую энергии кТ. Вы можете пересчитать потери на рассеяния в виде изменений свободной энергии, однако принципиальным является то, что потери энтропии при рассеянии действительно являются необратимыми. Более того, я особо хочу подчеркнуть, что эти потери связаны с рассеянием, а не с самим процессом вычислений! (Фейнман выписывает эти слова на доске и тщательно подчеркивает их.) Чем лучше сконструирован компьютер, тем меньше операций вы затрачиваете на вычисление и, следовательно, тем меньше потери энергии.

Именно такие потери энтропии и приводят нас к представлению о знаменитых Iog2 и других постоянных, типа использованной мною к (напомню, что это постоянная Больцмана). Такие постоянные возникают каждый раз, когда вы пытаетесь с максимальной скоростью «пропустить» электрон с заданной энергии вдоль некоторой цепочки узлов. Предположим, что за некоторое достаточное время нам удалось обеспечить прохождение электрона вдоль цепочки. Обозначим среднюю скорость движения электрона при этом через νD. Введением нижнего индекса D я специально подчеркиваю, что эта скорость соответствует прохождению или дрейфу, а не скорости теплового движения, которое включает в себя и все смещения взад-вперед по пути следования. Поэтому характеристикой движения электрона в любой вычислительной машине выступает, конечно, эта дрейфовая скорость (а не тепловая vT, которая включает в себя «колебания» взад-вперед вдоль цепочки атомов). Потери энтропии, которые происходят при пропускании электрона со 100 %-ным рассеянием, определяются отношением реальной скорости движения электрона вдоль цепи к теоретически возможной, тепловой скорости. (Фейнман выписывает на доске коэффициент k = vD/vT.)

Перемещая электроны в проводнике, вы преодолеваете сопротивление. Потери энергии на создание электрического тока составляют порядка kT на каждом препятствии (но не на этапе вычисления), поэтому, действуя достаточно медленно, вы могли бы провести вычисления с минимальными потерями энергии, но тогда скорость вычислений будете весьма небольшой. Проблема тепловыделения компьютеров является очень важной в практическом отношении, и ее решением должно (или может?) стать проектирование и создание компьютеров с обратимыми логическими схемами.

Возможности совершенствования современных компьютеров очень велики (выше я говорил о том, что мы тратим в 1010 раз больше энергии, чем это требуется теоретически!), так что я могу лишь призвать разработчиков начать следующий этап развития, который позволит обеспечить экспоненциальный рост скорости и эффективности.

Благодарю за внимание!

Акронимы и аббревиатуры

AFM – atomic force microscopy

AI – artificial intelligence

ANSI – American National Standards Institute

CMOS – complementary metal oxide semiconductor

CMP – chemical mechanical planarization or chemical mechanical polishing

CNTs – carbon nanotubes

CPSC – Consumer Products Safety Commission

CRADA – Cooperative Research and Development Agreement

CVD – chemical vapor deposition

DoD – Department of Defense

DOE – Department of Energy

DPN – dip-pen nanolithography

DRAM – dynamic random access memory

IBEA – Institute for Biological Energy Alternatives

IDD – implantable drug delivery

LEDs – light-emitting diodes

MEMS – microelectromechanical systems

MMS – molecular microswitch

MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor

MRI – magnetic resonance imaging

MURI – Multi-University Research Initiative

NASA – National Aeronautics and Space Administration

NBIC – nano-bio-info-cogno

NBs – nanobelts

NCN – Network for Computational Nanotechnology

NDA – nondisclosure agreement

NDC – negative differential conductance

NEMS – nanoelectromechanical systems

NER – Nanoscale Exploratory Research

NIEHS – National Institute of Environmental Health Studies

NIH – National Institutes of Health

NIL – nanoimprint lithography

NIOSH – National Institute for Occupational Safety and Health

NIRTs – Nanoscale Interdisciplinary Research Teams

NIST – National Institute of Standards and Technology

NNCO – National Nanotechnology Coordination Office

NNI – National Nanotechnology Initiative

NNIN – National Nanotechnology Infrastructure Network

NNUN – National Nanofabrication Users Network

NSE – NanoscaleScienceandEngineering

NSECs – NanoscaleScienceandEngineeringCenters

NSEE – NanoscaleScienceandEngineeringEducation

NSET – NanoscaleScience,Engineering and Technology

NSF – National Science Foundation

NSP – Nanotechnology Standards Panel

NSRCs – Nanoscale Science Research Centers

NUE – Nanotechnology Undergraduate Education

NWs – nanowires

OSHA – Occupational Safety and Health Administration

OTT – office of technology transfer

PECVD – plasma-enhanced chemical vapor deposition

ROADMs – reconfigurable optical add/drop multiplexers

SAA – Space Act Agreement

SAM – self-assembling monolayer

SBIR – Small Business Innovation Research

SEM – scanning electron microscopy

SET – single-electron transfer

SOI – silicon on insulator

SPIONs – superparamagnetic iron oxide nanoparticles

SPM – scanning probe microscopy

STM – scanning tunneling microscope

STTR – Small Business Technology Transfer

SWNTs – single-walled nanotubes

TEM – transmission electron microscopy

URETI – University Research, Engineering and Technology

USPTO – U.S. Patent and Trademark Office

Примечания

1

J. D. Watson and F. H. С Crick, Nature 171 (April 25,1953): 737.

2

D. A. Jackson, R. H. Symons, and P. Berg, Proc. Nat. Acad. Sri. USA 69 (1972): 2904–2909.

3

Stanley N. Cohen, Annie С Y. Chang, Herbert W. Boyer, and Robert B. Helling, «Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids In Vitro», Proceedings of the National Academy of Sciences (1973).

4

P. Berg et al., «Potential Biohazards of Recombinant DNA Molecules», letter, Science 185 (1974): 303.

5

Federal Register 41, no. 131 (1976), 27911-27943.

6

S. S. Hughes, Isis 92 (2001): 541–575.

7

K. Itakura et al., Science 198 (1977): 1056–1063.

8

S. S. Hall, Invisible Frontiers: The Race to Synthesize a Human Gene (Oxford: Oxford University Press, 2002)

9

H. Evans, They Made America (New York: Little, Brown, 2004).

10

J. D. Watson, DNA, The Secret of Life (New York: Alfred A. Knopf, 2004).

11

R. Foster, Innovation: The Attacker’s Advantage (New York: Summit Books, 1986).

12

M. W. Bowman, The World’s Fastest Aircraft (Wellingborough, UK: Patrick Stephens Limited, 1990).

13

W. Coblentz, Investigations of Infrared Spectra (Washington, DC: National Bureau of Standards, 1905).

14

http://www.reed-electronics.com/eb-mag/article/CA475441?industryid=2116.

15

http://www.technologyreview.com/articles/04/12/rnb_120304.asp?p=l.

16

http://www.technologyreview.eom//articles/04/l1/mannl104.asp.

17

http://eetimes.com/special/special_issues/rnillennium/companies/sony.html.

18

http://news.corn.com/Can+nanotubes+keep+PCs+cool/2100-7337_3-5166111.html?tag=nl.

19

http://www.usatoday.com/tech/news/nano/2004-ll-08-nano-on-the-move_x.htm.

20

http://sciencentral.com/articles/view.php3?article_id=218392390.

21

http://www.trnmag.com/Stories/2004/102004/Mechanical_valve_design_goes_nano_Brief_102004.html.

22

http://www.trnmag.eom/Stories/2004/l11704/Nanomechanical_memory_demoed_l11704.html.

23

http://news.com.com/Superpowered+micro-scope+could+help+focus+nanotech+dream/2100-7337_3-5471939.html.

24

http://www.dailycal.org/article.php?id=17119.174 Section Three Materials and Industries.

25

U.S. Constitution, Article 1, Section 8. See http://www.house.gov/Constitution/Constitution.html.

26

http://www.nano.gov/NNI_Strategic_Plan_2004.pdf.

27

http://www.aaas.org/spp/rd/rddisO6b.pdf.

28

http://www.nano.gov/html/society/EHS.htm. See also the nanotechnology Web sites at the Food and Drug Administration (http://www.fda.gov/nanotechnology/), the Environmental Protection Agency (http://www.epa.gov/ordntrnt/ORD/accomplishments/nanotechnology.html), and the National Institute for Occupational Safety and Health (http://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/).

29

NNI Strategic Plan, http://www.nano.gov/NNI_Strategic_Plan_2004.pdf, Preface, p. iii.

30

Cm. http://nnin.org/.

31

Network for Computational Nanotechnology, http://ncn.purdue.edu/.

32

NNI Strategic Plan, http://www.nano.gov/NNI_Strategic_Plan_2004.pdf, Executive Summary, p. i.

33

Interagency Working Group on Nanotechnology Environmental and Health Implications (NEHI). See http://www.nano.gov/html/society/EHS.htm.

34

See the NSF Grant Policy Manual, http://www.nsf.gov/pubs/2002/nsf02151/, in particular Chapter VII, «Other Grant Requirements», and the sections in Chapter IX on research misconduct and on termination policies and procedures.

35

http://www.cpsc.gov.76 Section Two The Players.

36

http://www.osha.gov.

37

http://www.cdc.gov/niosh/.

38

http://www.epa.gov.

39

http://www.niehs.nih.gov.

40

http://www.fda.gov.

41

See U.S. Federal Register notice, volume 70, number 89 (May 10, 2005): 24574-24576 (http://www.gpoaccess.gov/fr/index.html).

42

«National Nanotechnology Initiative: The Initiative and Its Implementation Plan», NSTC/NSET report, July 2000.

43

http://www.nsf.gov/pubs/2004/nsf04043/nsfo4043.htm.

44

http://www.nano.gov/html/about/history.html.

45

http://www.nsf.gov/crssprgm/nano/.

46

http://www.nano.gov/hmtl/facts/EHS.htm.

47

http://nano.gov/nni_energy_rpt.pdf.

48

Поскольку подавляющая часть научно-технических исследований в США осуществляется в лабораториях университетов, мы в данной главе обозначим терминами университет или академическое учреждение любой научный коллектив, включая некоммерческие организации, так называемые «думающие танки» (мозговые центры), другие организации, создаваемые промышленными объединениями не для получения прибыли, а для анализа ситуации. Высказанные выше положения могут быть отнесены ко всем этим организациям.

49

Термин передача технологии иногда используется в весьма широком смысле, охватывая практически все возможные варианты лицензирования научно-технических разработок (например, передачу лицензии на каталитический процесс от крупной химической корпорации в столь же крупную нефтеперерабатывающую компанию). Мы подразумеваем передачу технологии в более узком смысле, предложенном выше.

50

Отдел передачи технологий Калифорнийского технологического института (Caltech) не считается традиционным «торговцем» технологиями, что не мешает ему быть одним из крупнейших и важнейших участников основных программ передачи технологий в США. Более того, институт известен очень небольшим штатом постоянных сотрудников.

51

При этом они иногда выделяют на исследования огромные суммы, явно превосходящие доходы, которые можно получить от внедрения даже очень успешной технологии. Например, Генри Самуэли, один из основателей фирмы DroadCom, предоставил 30 миллионов долларов Engineering School при Калифорнийском университете в Лос-Аламосе (UCLA), а венчурный капиталист Марк Стивенс выделил 22 миллиона долларов Институту коммерциализации технологий при USC. Известный изобретатель и бизнесмен Арнольд Бекман вложил более 100 миллионов долларов в развитие Калифорнийского технологического института (Caltech), а знаменитый своим законом Гордон Мур выделил для этого более 500 миллионов долларов.

52

В мире коммерции причиной возникновения патентов обычно выступает стремление сохранить торговые секреты, связанные с исключительной собственностью на информацию, полученную исследователями фирмы. В академических кругах патентование не играет столь важной роли по двум взаимосвязанным причинам. Во-первых, сам общий дух исследований в университетах подразумевает обмен знаниями и их распространение, вследствие чего новые открытия часто быстро становятся общим достоянием, например, при выступлениях ученых или просто при общении коллег друг с другом. Более того, в лабораторных семинарах и обсуждениях часто принимает участие множество посторонних людей (студентов, техников, гостей из других организаций) и т. п., что вовсе не способствует сохранению секретности исследований. Стоит отметить, что в коммерческой среде секреты охраняются тщательно и весьма серьезно, включая подписание письменных обязательств о неразглашении информации (так называемые Nondisclosure Agreements, NDA), которые являются юридическим документом и могут быть при необходимости предъявлены в суде. Поэтому неудивительно, что многие академические ученые и исследователи не желают связывать себя со столь сложной и ответственной системой секретности.

53

Основное финансирование исследовательских программ в университетах США осуществляется федеральным правительством через различные ведомства, которые руководствуются в этих вопросах положениями принятого в 1980 году Закона Бэя-Доула (35 U.S.C. §§ 200–212). Если руководство университета не желает нести бремя расходов по оформлению патента на открытие, то оно уведомляет об этом правительство, которое может при этом оформить патент на изобретение.

54

В соответствии с Законом Бэя-Доула правительство США сохраняет за собой значительные юридические права на использование результатов любого научно-технического исследования, если оно (хотя бы частично) финансировалось федеральными ведомствами. Эти права сохраняются за правительством даже в тех случаях, куда университет предоставляет третьей стороне эксклюзивные права по лицензионному соглашению.

55

J. S. Murday, «The Coming Revolution: Science and Technology Nanoscale Structures», The AMPTIAC Newsletter 6 (2002): 5—10.

56

A. M. Thayer, «Nanomaterials», Chemical and Engineering News 81 (2003): 1522.

57

M. Ostwald and K. Deller, «Nanotechnology in Large Scale: Pyrogenic Oxides – Ready for New», Elements, Degussa Science Newsletter 9 (2004): 16—20.

58

B. O’Reagan and M. Gratzel, «A Low-Cost, High-Efficiency Solar-Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films», Nature 353 (1991): 737–740.

59

http://www.sta.com.au/index.htm.

60

R. K. Singh and R. Bajaj, «Advances in Chemical Mechanical Planarization», MRS Bulletin 27 (2002): 743–751.

61

A. P. Alivisatos, «The Use of Nanocrystals in Biological Detection», Nature Biotech  22 (2004): 47–52.

62

http://www.innovalight.com/.

63

Q. Fu, H. Saltsburg and M. Flytzani-Stephanopoulos, «Active Nonmetallic Au and Pt species on ceria-based water-gas shift catalysts», Science 301 (2003): 935–938; and Q. Fu, W. L. Deng, H. Saltsburg and M. Flytzani-Stephanopoulos, «Activity and Stability of low-content gold-cerium oxide catalysts for the water-gas shift reaction», Applied Catalysis B – Enviromental 56 (2005): 57–68.

64

S. Mornet, S. Vasseur and E. Duguet, «Magnetic nanoparticle design for medical diagnosis and therapy», Journal of Material Chemistry 14 (2004): 2161–2174.

65

A. M. Morawski, G. A. Lanza and S. A. Wickline, «Target contrast agents for magnetic resonance imaging and ultrasound», Current Opinion in Biotechnology 16 (2005): 89–92.

66

http://www.nanophase.com/technology/family.asp.

67

R. Weiss, «For Scince, Nanotech Poses Big Unknowns», Washington Post, February 1, 2004.

68

D. W. Dockery, C. A. pope, X. P. Xu, J. D. Spengler, J. H. Ware, M. E. Fay, B. G. Ferris and F. E. Speizer, «An Association between Air-Pollution and Mortality in 6 United States Cities», New EnglandJournal of Medicine 329 (1993): 1753–1759.

69

В качестве иллюстрации можно вспомнить, как в США и СССР выпускались бомбы и снаряды с сердечниками из обедненного урана. Их применение не связывалось с какими-либо последствиями для окружающей среды и населения, и лишь позднее выяснилось, что при срабатывании таких снарядов образуется значительный объемы аэрозолей из микроскопических частиц солей тяжелых металлов. Этот побочный эффект, на который раньше не обращали внимания, оказался очень серьезным, что вызвало справедливые протесты общественности (Прим. перев.).

70

S. Iijima, Nature 354 (1991): 56.

71

C. Journet et al., Nature 388 (1997): 756; A. Thess et al., Science 273 (1996): 483; A. M. Cassell, J. A. Raymakers, J. Kong, H. Day, J. Phys. Chem. B , 103 (1999): 6484.

72

T. W. Ebessen et al., Nature 382 (1996): 54; M. M. J. Treacy, T. W. Ebessen, J. M. Gibson, Nature 381 (1996): 678; J. W. Mintmire, B. I. Dunlap, C. T. White, Phys Rev Lett 68 (1992): 631.

73

http://www.lenntech.com/Periodic-chart-elements/melting-point.htm.

74

Y. Chen et al., Appl. Phys. Lett . 78 (2001): 2128; D. Qian et al., Appl. Phys. Lett  76 (2000): 2868.

75

R. H. Baughman, A. A. Zakhidov, W. A. de Heer, Science 297 (2002): 787.

76

T. Rueckes et al., Science 298 (2000): 94.

77

D. K. Brock et al., Proc. 2005 IEEE Aero. Conf . (2005).

78

Y. Cui, Q. Wei, H. Park, and С. М. Lieber, «Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species», Science 293 (August 17, 2001): 1289–1292; «Space Mission for Nanosensors», The FUTURIST, November/December 2002, 13; J. A. Cassell, «DoD grants $3M to study nanoshells for early detection, treatment of breast cancer», NanoBiotech News 1, no. 3 (August 13, 2003).

79

«Small Wonders, Endless Frontiers: A Review of the National Nanotechnology Initiative», NationalAcademyPress (2002).

80

S. K. Moore, «U.S. Nanotech Funding Heads for $1 Billion Horizon», IEEE Spectrum On-line, http://www.spectrum.ieee.org/WEB0NLY/resource/jun02/ nnano.html.

81

«Nanosensors», Business Communications Company, Inc., 2004, http:// www. marketresearch.com.

82

NanoMarkets LLC, «Nanosensors: A Market Opportunity Analysis», 2004, http://www.nanomarkets.net/news/pr_detail.cfm?PRID=:156.

83

L. Bock, «Nano’s Veteran Entrepreneur», SMALLTIMES, July/August 2003, 27–32.

84

http://www.research.ibm.com/resources/news/ 2002061 l_millipede.shtml.

85

I. Bernt et al., Molecular Self-assembly: Organic Versus Inorganic Approaches, 1st edition, ed. M. Fujita (Berlin: Springer Verlag, 2000).

86

www.zyvex.com/Capabilities/other.html.

87

Daan Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation, 2nd edition (New York: Academic Press, 2001); and D. C. Rapaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation, 2nd edition (Cambridge: Cambridge University Press, 2004).

88

R. Chandrasekaran, J. Miller, and M. Gertner, «Detecting Molecules: The Commercialization of Nanosensors», Nanotechnology Law and Business Journal 2, issue 1 (2005): 1—16. http://pubs.nanolabweb.com/nlb/vol2/ issl/1. —

89

T. Vo-Dinh, B. M. Cullum, and D. L. Stokes, «Nanosensors and biochips: Frontiers in biomolecular diagnosis», Sensors and Actuators B 74 (2001): 2—11.

90

P. Poncharal, Z. L. Wang, D. Ugarte, and W. A. deHeer, «Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes», Science 283 (1999): 1513–1516; and J. Toon, «Weighing the Very Small: ‘Nanobalance’ Based on Carbon Nanotubes Shows New Application for Nanomechanics», Georgia Tech Research News, Mar. 4, 1999.

91

A. N. Cleland and M. L. Roukes, «A Nanometre-scale Mechanical Electrometer», Nature 392 (March 12, 1998).

92

A. Modi, N. Koratkar, E. Lass, B. Wei, and P. M. Ajayan, «Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes», Nature 424 (July Ю, 2003): 171—174.

93

C. A. Grimes et al «A Sentinel Sensor Network for Hydrogen Sensing», Sensors 3 (2003): 69–82.

94

J. Kong et al., «Nanotube Molecular Wires as Chemical Sensors», Science 287 (Jan. 28, 2000): 622–625.

95

K. Parikh et al., «Flexible Vapor Sensors Using Single Walled Carbon Nanotubes», Sensors and Actuators B, in press.

96

P. G. Datskos and T. Thundat, «Nanocantilever Signal Transduction by Electron Transfer», J. Nanosci. Nanotech 2, no. 3–4 (2002): 369–372.

97

W. L. Hughes and Z. L. Wang, «Nanobelts as nanocantilevers», Applied Physics Letters 82, no. 17 (April 28, 2003): 2886–2888.

98

E. Smalley, «Chip Senses Trace DNA», Technology Res. News (Jul 30/Aug. 6, 2003).

99

«Ultralight device analyzes gases immediately. Flying SnifferSTAR may aid civilians and US military», Sandia National Laboratories, press release, January 23, 2003.

100

International Technology Roadmap of Semiconductors, http://public.itrs.net/.

101

O. Gorka, M. R. Hernandez, A. Rodriguez-Gascon, A. Dominguez-Gil, and J. L. Pedraz, «Drug delivery in biotechnology: Present and future», Current Opinion in Biotechnology 14 (2003): 659–664.

102

R. Duncan, «The dawning era of polymer therapeutics», Nature Reviews Drug Discovery 2 (2003): 347.

103

T. Nakanishi, S, Fukushima, K. Okamoto, M. Suzuki, Y. Matsumura, M. Yokoyama, T. Okano, Y. Sakurai, and K. Kataoka, «Development of the polymer micelle carrier system for doxorubicin», Journal of Controlled Release 74 (2001): 295—302

104

C Wang, Q. Ge, D. Ting, D. Nguyen, H. Shen, J. Chen, H. N. Eisen, J. Heller, R. Langer, and D. Putnam, «Molecularly engineered poly(ortho ester) microspheres for enhanced delivery of DNA vaccines», Nature Materials 3 (2004): 190–196.

105

E. Mathiowitz, J. S. Jacob, Y. S. long, G. P. Carino, D. E. Checkering, P. Chaturvedi, C A. Santos, K. Vijayaraghavan, S. Montgomery, M. Bas-sett, and C. Morrell, «Biologically erodable microsphere as potential oral drug delivery system», Nature 386, no. 6623 (1997): 410–414.

106

M. E. Davis, S. H. Pun, N. C Bellocq, T. M. Reineke, S. R. Popielarski, S. Mishra, and J. D. Heidel, «Self-assemblying nucleic acid delivery vehicles via linear, water-soluble, cyclodextrin-containing polymers», Current Medicinal Chemistry 11 (2004): 1241–1253.

107

R. D. Bolskar, A. R Benedetto, L. O. Husebo, R. E. Price, E. F. Jackson, S. Wallace, L. J. Wilson, and J. M. Alford, «First soluble M@C-60 derivatives provide enhanced access to metallofullerenes and permit in vivo evaluation of Gd@C-60[C(COOH)(2)](10) as a MRI contrast agent», Journal of the American Chemical Society 125 (2003): 5471–5478.

108

J. L. West and N. J. Halas, «Engineered nanomaterials for biophotonio applications: Improving sensing, imaging, and therapeutics», Annue Review of Biomedical Engineering 5 (2003): 285–297.

109

S. L. Tao and T. A. Desai, «Microfabricated drug delivery systems: From particles to pores», Advanced Drug Delivery Reviews 55 (2003): 315–321.

110

J. Santini, M. Cima, and R. Langer, «A Controlled-release Microchip», Nature 397 (1999): 335.

111

M. R. Prausnitz, S. Mitragotri, and R. Langer, «Current status and potential of transdermal drug delivery», Nature Reviews Drug Disccovery 3, no. 2 (2004): 115–124.

112

M. R. Prausnitz, «Microneedles for transdermal drug delivery», Advanced Drug Delivery Reviews 56, no. 5 (2004): 581–587.

113

Fan L. S., Tai Y. C. and Muller R. S., «IC-processed Electrostatic Micromotors», Technical Digest, IEDM (1988b): 666.

114

Soong R. K., Bachand G. D., «Powering of an Inorganic Nanodevice with a Biomolecular Motor», Science 290 (2000): 1555.

115

Feng J., Chang H., Li E. and Fan G. «Dynamic Expression of De Novo DNA Methyltransferases Dnmta3a and Dnmta3b in the Central Nervous System», Journal of Neuroscience Research 79, no. 6 (2005): 734.

116

Muller D. J. and Engel A. «Voltage and pH-induced Channel Closure of Porin OmpF Visualized by Atomic Microscopy», Journal of Molecular Biology 285 (1999): 1347.

117

Fang N. and Zhang X. «Imaging properties a metamaterial superlens», Applied Physics Letters 82, no. 2 (2003): 161.

118

Pendry J. «New electromagnetic materials emphasise the negative», Physics World (2001).

119

Wong p. K., Lee y. K. and Ho C. M. «Deformation of DNA molecules by hydrodynamic focusing» J. Fluid. Mech. 497 (2003): 55.

120

Ho D., Chu B., Lee H. and Montemagno C. D. «Protein-driven energy transduction across polymeric biomembranes» Nanotechnology 15 (2004): 1084.

121

MellerA., Nivon L., Brandin E., Golovchenko J. and Brandon D. «Rapid nanopore discrimination between single polynucleotide molecules» Proc. Nat. Ac. Chi.-US 97 (2000): 1079.

122

Chen P., Gu J., Brandin E., Kim Y., Wang Q. and Brandon D. «Probing single DNA molecules transport using fabricated nanopores», Nano. Lett. 4(2004) 2293.

123

Ulman A. An Introduction to Ultrathin Organic Films: From Langmuir – Blodgett to Self-Assembly (Boston: Academic Press, 1991).

124

Ulman A. Characterization of Organic Thin Films (Boston: Butterworth – Heinemann, 1995).

125

Collier C. P., Wong E. W., Belohradsky M., Raymo F. M., Stoddart J. F., Kuekes P. J., Williams R. S. and Heath J. R. «Electronically Configurable Molecular-Based Logic Gates», Science 285 (1999): 391.

126

Huang T. J., Brough B., Ho C.M., Liu Y., Flood A. H., Bonvallet P. A., Tseng H.R., Stoddart J. F., Baller M. and Magonov S. «A Nanomechanical Device Based on Linear Molecular Motors», Applied Physics Letters (November 29, 2004).

127

Huang T. J., Tseng H. R., Sha L., Lu W., Brough B., Flood A. H., Yu B. D., Celeste P. C., Chang J. P., Stoddart J. F. and Ho C.M «Mechanical Shuttling of Linear Motor-Molecule in Condensed Phases on Solid Substrates», Nano Letters (in press).

128

Rogers D. «Neutrophil crawling» video, 1950, http://expmed.bwh.harvard.edu/project/motility/neutrophil.html.

129

Link j. R. and Sailor M. J. «Smart dust: Self-assembling, self-orienting photonic crystals of porous Si», Proceeding of the National Academy of Sciences 100, no.19 (2003): 10607.

130

Roco M. C. & W. S. Bainbridge, Eds. 2003. Converging Technologies for Improving Human Performance. NSF-DOC Report. Boston: Cluwer.

131

Roco M. C. & W. S. Bainbridge, Eds. 2004. Annals of the New York Academy of Sciences 1013: 1-2159.

132

Randor M. & J. Strauss, Eds. 2004. Commercialization and Managing the Converging New Technologies. Report sponsored by the National Science Foundation, Arlington, VA.

133

United Nations Development Programme. 2001. Human Development Report: New York: Oxford University Press.

134

Greenspan A. 1999. Public statement of the Joint Economic Committee of the U.S. Federal Reserve on June 14, 1999, Washington, DC.

135

Roco, Mihail C, and William Sims Bainbridge (eds.). 2001. Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology. Dordrecht, Netherlands: Kluwer. Roco, Mihail C, and William Sims Bainbridge (eds.). 2003. Converging Technologies for Improving Human Performance. Dordrecht, Netherlands: Kluwer.

136

Roco, Mihail C, and William Sims Bainbridge (eds.). 2005. Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology II: Maximizing Human Benefit. Dordrecht, Netherlands: Kluwer.

137

Stark, Rodney, and William Sims Bainbridge. 1987. A Theory of Religion. New York: Toronto/Lang.

138

Stark, Rodney, and William Sims Bainbridge. 1996. Religion, Deviance and Social Control. New York: Routledge.

139

Bainbridge, William Sims. 2003. «Religious Opposition to Cloning», Journal of Evolution and Technology 13, retrieved September 1, 2004, from www.jetpress.org/volume13/bainbridge.html.

140

Kant, Immanuel. 1787. A Critique of Pure Reason. New York: Wiley [1900]

141

Moore, George Edward. 1951. Principia Ethica. Cambridge: Cambridge University Press.

142

Rawls, John. 1971. Л Theory of Justice. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press.

143

Nietzsche, Friedrich Wilhelm. 1886–1887. Beyond Good and Evil and The Genealogy of Morals. New York: Barnes and Noble [1996].

144

Homans, George C. 1974. Social Behavior: Its Elementary Forms. New York: Harcourt, Brace Jovanovich.

145

Gauthier, David. 1986. Morals by Agreement. Oxford, England: Oxford University.

146

Bainbridge, William Sims. 1997. Sociology. New York: Barron’s.

147

Bainbridge, William Sims. 2004. «Social and Ethical Implications of Nanotechnology», In Handbook of Nanotechnology, ed. B. Bhushan. Berlin: Springer, 1135–1151.

148

Royal Academy of Engineering. 2003. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. London: The Royal Society.

149

Meridian Institute. 2004. International Dialogue on Responsible Research and Development of Nanotechnology. Alexandria, Virginia: Meridian Institute.

150

Luther, Wolfgang (ed.). 2004. Industrial Applications of Nanomaterials – Chances and Risfe. Diisseldorf, Germany: Future Technologies Division, VDI Technologiezentrum

151

Bainbridge, William Sims. 2002. «Public Attitudes toward Nanotechnology», Journal of Nanoparticle Research 4: 561–570.

152

Roco, Mihail C, and Carlo Montemagno (eds.). 2004. The Coevolution of Human Potential and Converging Technologies. New York: New York Academy of Sciences (Annals of the New York Academy of Sciences, volume 1013).

153

Речь была произнесена в Американском физическом обществе 29 декабря 1959 года, а затем напечатана в журнале Калифорнийского технологического института Engineering & Science (февраль, 1960).

154

R. Feynman, Infinitesimal Machinery, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems 2, no. 1 (March 1993), 4—14. Copyright 1993, IEEE. Статья представляет собой запись беседы 1983 года и печатается с разрешения Карла и Мишель Фейнман, а также журнала IEEE.

155

Интересный и важный анализ содержания двух указанных выше (и связанных с ними) публикаций содержится в статье Chris Toumay, Apostolic Succession, опубликованной в «Engineering and Science», LXVIII, 1/2, 2005. см. сайт http://pr.caltech.edu/periodicals/EandS/Esarchive-frame.hmtl.

156

Ценную информацию относительно идей и подходов Р. Фейнмана к проблемам вычислительной математики содержит книга Feynman and Computation – Exploring the Limits of Computer, ed. by Antony J. G. Hey (Philadelphia: Preseus Books, 1999), составленная из работ его близких сотрудников (Мид, Хопфильд и др.) и нескольких статей самого Фейнмана.

Content

Линн Фостер
Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Предисловие сенаторов Джозефа Либермана и Джорджа Аллена

Предисловие редактора

Сведения о редакторе и составителе сборника

Раздел I Руководство и организация

Глава 1 Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные с биотехнологической революцией

Глава 2 Нанотехнология и глобальная энергетика

Глава 3 Причудливые, странные и туманные перспективы нанотехнологии. Корабль в Саргассовом море с опасными капризами моды и агрессивными требованиями рекламы

Раздел II Участники гонки

Глава 4 Коммерциализация нанотехнологии. Работает ли закон Мура в микро– и наноэлектронике?

Глава 5 Инвестиции в нанотехнологию

Глава 6 Государственная политика США в области нанонауки и нанотехнологии

Глава 7 Обзор академических исследований США в области нанотехнологии

Глава 8 Механизмы передачи и использования результатов академических исследований в области нанотехнологий

Глава 9 Проблемы охраны интеллектуальной собственности

Глава 10 Предпринимательство в технологической экосистеме

Глава 11 Большие корпорации. Технология, бизнес и культура «удачи»

Глава 12 Развитие нанотехнологий в федеральных лабораториях США

Раздел III Материалы и производство

Глава 13 Наноматериалы

Глава 14 Нанодатчики: разработки, перспективы и разнообразие применения

Глава 15 Микроэлектроника

Глава 16 Адресная доставка лекарств

Глава 17 Слияние био-нано-информационных технологий

Раздел IV Конвергенция и интеграция

Глава 18 Конвергенция и интеграция

Глава 19 Этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий

Эпилог

Глава 20 Инфинитезимальные машины

Акронимы и аббревиатуры