ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 11, с. 987-990
ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Нанотехнологическая разработка одновременно может быть не только фундаментальным, но и прикладным исследованием, считает автор статьи. В этой области научного поиска "коммерческой тайной" могут оказаться даже не результаты, а направления поиска. Здесь возникает вопрос о финансировании исследований, нацеленных на создание нанотехнологий. Соображения автора на этот счёт заслуживают самого пристального внимания.
"ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ" НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ
И. В. Мелихов
Публикации последнего десятилетия подтверждают мнение о том, что наука вступила в новый этап своего развития, который можно назвать этапом визуализации молекул [1]. Теперь для широкого круга исследователей стало доступным наблюдение за поведением отдельных молекул и их ассоциатов. Становится понятно, что такие наблюдения приведут к качественно новым знаниям о взаимодействии наночастиц, а следовательно, к небывалым технологиям и производствам. Исследователей охватила "нанотехнологическая лихорадка", существенно ускорившая накопление новой информации о наносистемах [2]. Но при этом изменился характер такой информации. Условно её можно разделить на фундаментальные и прикладные знания о наносистемах, имея в виду под фундаментальными знаниями информацию о явлениях и процессах в наносистемах, а под прикладными - информацию о том, как эти явления и процессы реализуются в конкретных реакторах и аппаратах. Ранее накопление фундаментальных знаний о наносистемах происходило в соответствии с внутренней логикой развития науки, то есть в гармонии с накоплением прикладных знаний, о чём можно судить, например, по работам школ академиков В.А. Каргина, Б.В. Деряги-на и П.А. Ребиндера. "Нанотехнологическая лихорадка" эту гармонию нарушила. Появились тысячи публикаций о свойствах наночастиц без
МЕЛИХОВ Игорь Витальевич - член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией гетерогенных процессов химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
описания условий их образования при неполной характеризации изученных систем. Такие публикации информируют о прикладных исследованиях, которые способствуют разработке конкретных нанотехнологий, но не вносят в нанотехноло-гическую науку вклада, адекватного затратам на проведение работ.
В связи с этим представляется актуальным вопрос о рациональном соотношении фундаментальных и прикладных знаний при разработке технологий. Принципиальное решение данного вопроса убедительно обосновано в ряде публикаций [3, 4, 5], а применительно к нанотехнологиям -в работе [6]. Тем не менее представляется целесообразным привести дополнительно следующие соображения.
Судя по опыту прошлого столетия, любая новая технология разрабатывается в три этапа. На первом этапе на основе фундаментальных знаний формируется технологическая идея нового производства; на втором - выявляется круг условий, в которых технологическая идея может быть реализована; на третьем - решается вопрос о том, в каких аппаратах эти условия могут быть надёжно обеспечены [7, 8]. При этом знания, которые необходимы для формирования технологической идеи, разработчики стремятся взять из общедоступной теоретической науки, но их всегда оказывается недостаточно, так что приходится проводить специальные фундаментальные исследования тем большего масштаба, чем оригинальнее технологическая идея. Знания, необходимые на втором этапе, накапливают в лабораториях, где стараются имитировать то, что может произойти в производстве. Эти знания имеют фундаментальный характер, хотя характеризуют лишь частные явления, отобранные для реализации в результате работ первого этапа. Знания третьего этапа по определению прикладные. Здесь приходится воспроизводить большую часть того, что сделано на втором этапе, но уже в производственных условиях. В результате работ всех трёх этапов набирает-
ся "критический объём" знаний, без которых технология не может обеспечить стабильного и безопасного производства. Объём знаний, поступивших в "критический объём" из общедоступной литературы, ранее был достаточно большим, особенно на этапе формулирования технологической идеи, в условиях же "нанотехнологической лихорадки" он резко сокращается. Сейчас "коммерческой тайной" становится не только основная часть знаний, собираемых на втором и третьем этапах, но часто даже направление поиска. Кроме того, общедоступные знания о наносистемах имеют множество пробелов, так что из литературы многого не возьмёшь. В результате каждая нанотехноло-гическая разработка превращается в почти автономное фундаментально-прикладное исследование, затраты на проведение которого в значительной мере определяются стоимостью накопления фундаментальных знаний.
В связи с данным обстоятельством становится актуальным вопрос о правильном финансировании фундаментальных исследований в рамках нанотех-нологических разработок. По-видимому, здесь нет однозначного решения, так что приходится выдвигать гипотезы о том, при какой структуре затрат нанотехнология будет развиваться наиболее быстро и наименее затратно. Одной из таких гипотез является предложение о том, что затраты на накопление знаний на каждом из этапов разработки по нанотехнологии должны быть соизмеримы. Фактически на первом этапе накапливают знания, достаточные для того, чтобы понять, что технологическая идея может быть реализована, а на втором и третьем этапах подтверждают, что эти знания достоверны в лабораторных, а затем в производственных условиях. Поэтому если принять, что затраты на накопление "единицы" знаний на всех этапах соразмерны, то можно прийти к гипотезе о том, что финансирование фундаментального поиска в рамках каждой автономной нанотехнологии целесообразно держать на уровне 2/3 общих затрат. По-видимому, такого же распределения средств имеет смысл придерживаться при разработке множества нанотехнологий в рамках, например, Программы развития нанотехнологий и наноиндустрии в Российской Федерации.
При разработке множества технологий появляется возможность экономии за счёт "кооперативного эффекта", обусловленного тем, что при разработке многих технологий могут быть использованы одни и те же фундаментальные знания. Пусть основная их часть сохраняется в виде коммерческой тайны, но уже тайны не одной технологии, а программы в целом. При этом, естественно, кооперативный эффект будет тем существеннее, чем более удачно будут выявлены белые пятна на фронте накопления фундаментальных знаний, и станет понятно, где ожидать новые технологиче-
ские идеи. По-видимому, можно выделить пять таких белых пятен, связанных со следующими направлениями поиска.
Механика множеств наночастиц с переменной массой и формой. Множества укрупняющихся движущихся наночастиц имеют место при получении нанодисперсных веществ (в том числе фул-леренов, нанотрубок и т.д.) конденсационным методом. Такие множества загрязняют окружающую среду при пожарах и обусловливают важнейшие потребительские свойства многих нано-материалов. Однако закономерности движения наночастиц в этих множествах известны лишь приближённо. В результате периодически приходится сталкиваться с неожиданными фактами, которые свидетельствуют о необходимости детализации классических уравнений движения применительно к множествам взаимодействующих наночастиц переменной массы и формы [9]. В таких множествах распределение наночастиц по скоростям отличается от максвелловского, а кинетическое уравнение для функции распределения наночастиц по состояниям неизбежно отличается от уравнений Больцмана или Власова. При этом нет надежды, что в ближайшее время истинное уравнение будет сформулировано из "первых принципов". Его необходимо формулировать на основе экспериментальных данных, накопление которых должно привести к разработке новых методов синтеза нанодисперсных веществ, при которых, управляя траекторией движения наночастиц в неоднородной среде, можно будет получать вещества с требуемой функцией распределения наночастиц по свойствам.
Однако для того, чтобы вывести уравнение движения, нужно иметь сведения о потенциале взаимодействия наночастиц. Сейчас эти сведения столь ограниченны, что вид потенциала, как правило, приходится постулировать. А это делает расчёты методами молекулярной динамики или Монте-Карло гипотетичными. Поэтому следует экспериментально определить потенциалы взаимодействия наночастиц фуллеренов, тубуленов и ряда других технически важных веществ, например, методом атомно-силовой микроскопии, и доказать их адекватность реальной динамике множеств наночастиц. Если это удастся сделать, то в выигрыше окажутся все проекты национальной программы.
Физика наночастиц, локализованных на поверхности твёрдых тел. В технических наносистемах распространена ситуация, при которой нано-частицы локализованы на твёрдых телах (подложках). Имеются многочисленные факты, указывающие на неожиданное поведение наночастиц в такой ситуации. В частности, обнаружены агрегаты наночастиц, которые, без видимых на то оснований, принимают причудливые формы [10].
"ЗОЛОТОЕ СЕЧЕНИЕ" НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ
989
Эти факты свидетельствуют о необходимости специального изучения переноса энергии и импульса от наночастиц, поступающих из среды к подложке, с учётом возможности электронного возбуждения и ионизации атомов в анизотропном поле поверхностных сил. По-видимому, целесообразно уточнять представление о деформации нанотела, перемещающегося по подложке, оптике нанотекстурированных тел и систем типа "фотонных кристаллов", а также накапливать информацию по электродинамике нанокристаллов. Такие исследования, проведённые на важнейших прикладных системах по методологии фундаментального поиска, должны привести к новым технологическим идеям, связанным с разработкой нанодвигателей, наноманипуляторов, наногете-роструктур и т.д.
Топохимия наносистем. В последнее время внимание исследователей привлекает возможность, изменяя условия синтеза или химически модифицируя наночастицы, "подгонять" их свойства под требования техники. Однако для этого необходимо з
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.