Понятие наноиндустрии. Её роль в современном обществе

    Рис. 1 Прогнозные оценки размера мирового рынка наноиндустрии⁴

    Данные  прогнозные оценки развития рынка нанотехнологий показывают возможное направление, но не являются адекватными для более глубокого анализа. Однако мы можем наблюдать из графика ожидаемый рост размера мирового рынка наноиндустрии, это связанно с активностью мировых экономик в этой области. Одни страны имеют огромный потенциал и находятся на начальном этапе становления в сфере нанотехнологий, другие уже активно развиваются.

    Естественно-научный базис наноиндустрии

    Уникальность  направления "нано" определяется тем, что оно может оказаться  востребованным различными социальными  слоями и профессиональными группами общества, поскольку продукция наноиндустрии – это интеллектуальная и материальная наукоемкая продукция с ранее не достижимыми технико-экономическими показателями, создаваемая с широким применением новых материалов, технологических процессов и методов контроля. Она ориентирована на решение задач обеспечения обороноспособности, безопасности и технологической независимости государства, реализацию социально и экономически значимых национальных проектов в области образования и здравоохранения, повышение качества и разнообразия современных товаров и услуг. 
Базисом наноиндустрии является система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или объектов более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов, т.е. наука о "нано". Формально нанотехнология на основе системы знаний, умений и аппаратурно-информационного обеспечения реализует совокупность научно обоснованных действий для практического материального воплощения идей "нанонауки" в виде "нанотехники", то есть интеллектуальной и материальной продукции: машин, механизмов, приборов, устройств и материалов, созданных с использованием новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании. Особая роль в наноиндустрии принадлежит междисциплинарным исследованиям. Известные междисциплинарные технологии "BIO-ICT", "MASSIVE-ICT", "SMART-ICT" для достижения поставленных целей создания информационно-коммуникационных систем нового поколения используют объекты органической природы, комбинации органических и неорганических структур,  
а также ориентируются на присущие (наиболее часто) живым системам явления самоорганизации, адаптации и обучения, причем, для их наиболее эффективного проявления создаются сверхбольшие массивы (до 1013) традиционных базовых электронных элементов на кристалле, которые в условиях влияния наноразмерного фактора вступают в синергетическое взаимодействие. Последний факт непосредственно связан с достаточно частым обращением в литературе по нанотехнологии к парадигме: "Сверху-вниз или снизу-вверх". Формально речь идет о двух возможных направлениях достижения конечного результата в условиях создания объектов индустрии наносистем. 
Первое направление – это фактически физический редукционизм – "от большого к малому" путем многократного уменьшения исследуемого (создаваемого) объекта. Так развивается классическая нанотехнология интегральных схем, которая уже давно преодолела 100-нанометровый рубеж. Однако конструирование сложного многоэлементного многоуровневого изделия (например, интегральной схемы) требует системной интеграции для придания целостности системе. 
Второе направление реализуется в рамках целостного, так называемого холического подхода (от греческого – целый, весь), когда исследуют системные свойства искусственно синтезируемого или самоорганизующегося объекта, в основе которого лежат наноразмерные элементы, что наиболее типично для технологии наноматериалов. Последнее направление имеет много общего с первым, так как в рамках эволюционного развития первого направления технологически уже достигнуты элементы с такими размерами (например, 22 нм), при которых их интеграция (самоорганизация) приведет к возникновению функциональных свойств, типичных для кооперативных целостных систем. 
Четыре временных периода наиболее ярко характеризуются началом целенаправленных работ по следующим видам наукоемкой продукции:

• 2000 год – пассивные наносистемы-наноматериалы (наноструктурированные материалы, аэрозоли, гели, коллоиды, используемые как покрытия и самостоятельные дисперсные среды);
• 2005 год – активные наносистемы-наноустройства (нанокомпозиции для электроники, фотоники, биологии, механики);
• 2010 год – интегрированные микросистемы на основе наноразмерных систем (интеллектуальные системы на основе двухмерной и трехмерной искусственной интеграции и самоорганизации с максимальным проявлением наноразмерных эффектов и процессов);
• 2015–2020 годы – молекулярные наносистемы (кластерные макромолекулярные комплексы, в том числе междисциплинарные, с конвергенцией объектов живой и неживой природы).

    Более глубокое познание и, безусловно, использование  возможностей материального мира на микро- и особенно – наноразмерных уровнях (когда фактически становится безразличной исходная принадлежность атома или молекулы объекту органической или неорганической природы) создает предпосылку к синтезу искусственных, ранее не известных в природе, систем не просто по составу и (или) структуре, но и, в первую очередь, по свойствам, а, следовательно, функциональным возможностям. Определяя основные принципы столь бурного развития интегрированных систем на основе наноразмерных элементов, конвергентных систем на основе интеграции наноразмерных систем различной природы (органической, биоорганической, неорганической), выделим:

• физические и технологические ограничения интеграции и миниатюризации в условиях классических неорганических сред и традиционных схемотехнических решений;
• ориентацию на среды и системы с множеством структурно-устойчивых состояний (полиморфизм);
• ориентацию на среды и системы, обеспечивающие перенос заряда и энергии с минимумом потерь;
• ориентацию на среды и системы, обеспечивающие внутреннюю "генерацию" информации и энергии, в том числе за счет особого взаимодействия с внешней средой;
• ориентацию на среды и системы с кооперативными принципами обработки информации, обеспечивающими распределенность, параллельность, ассоциативность, сверхсенсорность и надежность;
• ориентацию на среды и системы, обладающие максимальной физиологической совместимостью с человеческим организмом и информационной адаптивностью к алгоритмам его функционирования.

    Особую  роль приобретает именно "интерфейс" между живой и неживой природой. Современное состояние вопроса  в области разработки и создания устройств на основе биосред и  их аналогов характеризуется следующими направлениями:

• использование биосред в традиционных приборах, например, применение в качестве материалов затвора полевого транзистора или оптического волновода;
• использование биосред в реализации прецизионных технологических операций, например, биолитографии с наномолекулярным разрешением;
• создание биосенсоров и актюаторов инвазивного и неинвазивного типов для диагностики и биокоррекции состояния организма;
• создание функциональных биопротезов, обеспечивающих замещение утраченных органов или функций (слух, зрение и даже обоняние);
• попытка создания сверхмощных систем искусственного интеллекта на основе бионейрочипов и сред с нейроподобной структурой.

    Таким образом, биоорганические и конвергентные  бионеорганические надмолекулярные  композиции за счет структурно-морфологического и химического многообразия, а  также особенностей переноса в них  энергии, заряда и проявления свойств, присущих биосредам, могут рассматриваться  как основа "функциональных" сред будущего, характеризующихся сверхбольшой информационной емкостью, высокой удельной энергонасыщенностью, селективностью к внешним воздействиям, ассоциативностью и распределенностью процессов  обработки информации. В них также  могут сочетаться процессы функционирования и самообновляющегося синтеза. Неорганический элемент надмолекулярной композиции может выполнять не только функции  субстрата, но и активной диагностирующей  или исполнительной среды.

    Образовательные услуги в области "нано"

    Интеллектуальный  базис наносистем – это, безусловно, система знаний и умений, носителем  которой является "человеческий капитал". Основной формой инвестиций в "человеческий капитал" является предоставление образовательных услуг. Поэтому, наряду с постановкой чисто  экономической задачи – повышения  эффективности производства на основе опережающего развития высокотехнологичных  отраслей, необходимо решать и еще  одну социальную задачу – обеспечения  требуемого интеллектуального уровня "человеческого капитала" через  развитие научных исследований и  предоставление образовательных услуг. Это связано с особой ролью  интеллектуального фактора в  конечных результатах данного наукоемкого  направления и его влияния  на долгосрочную перспективу любого государства. В рамках развития образовательного базиса России в области наноиндустрии Минобразованием России 4 июня 2003 года был издан приказ №2398 Об эксперименте по созданию нового направления подготовки дипломированных специалистов "Нанотехнология" и специальностей "Нанотехнология в электронике" и "Наноматериалы"⁵. Учебно-методический Совет по данному направлению возглавил академик Ж.И.Алферов.  
На этапе становления "индустрии наносистем", как научно-технического направления, наиболее целесообразной для достижения конечного результата (в условиях многообразия возможных путей развития) представляется подготовка квалифицированных кадров для научной и педагогической деятельности по многоуровневой системе "бакалавр – магистр – аспирант". В апреле 2004 года Минобразование России (Приказ №1922 от 23.04.2004) по представлению УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации, действующего на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, приняло решение о подготовке бакалавров и магистров по направлению "Нанотехнология". 
Целесообразность введения многоуровневой системы подготовки кадров по быстро прогрессирующему направлению обусловлена:

• объективной ситуацией в развитии данного высокотехнологичного направления, характеризующейся стадией накопления знаний, то есть, в первую очередь, становлением "нанонауки";
• отсутствием не только в России, но и за рубежом, окончательной концепции развития "наноиндустрии" как промышленного производства, ориентированного на вполне определенную номенклатуру наноматериалов и компонентов наносистемной техники;
• необходимостью гармонизации структуры отечественного образовательного процесса по базовым направлениям научно-технического прогресса с концепцией, принятой большинством промышленно развитых стран в рамках Болонской декларации.

    Многоуровневая  система подготовки по направлению "Нанотехнология" получила значительную поддержку в высших учебных заведениях России. Министерством образования  и науки Приказом №197 от 12.07.2005г.⁶ отменен эксперимент и окончательно введены в действие государственные образовательные стандарты по подготовке бакалавров, магистров и специалистов в рамках направления "Нанотехнология". Многоуровневая система подготовки позволяет осуществлять более целенаправленную ориентацию образовательного процесса в рамках специальных дисциплин с учетом проблемного поля направления подготовки, отраженного в магистерских программах. Анализ возможных образовательных программ при подготовке магистров, ориентированных на область "Наноиндустрия", позволил выделить в качестве наиболее востребованных следующие программы: физика наносистем; химия наносистем; материаловедение наносистем; процессы нанотехнологии; методы нанодиагностики; наноэлектроника; нанооптика; наномеханика; микро- и наноэнергетика; биомедицинские нанотехнологии. 
В настоящее время принято важное государственное решение с точки зрения развития образовательно-научного процесса в области наноиндустрии. В рамках реализации Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы" (Постановление Правительства Российской Федерации № 498 от 02 августа 2007 г.) в России создается нанотехнологическая сеть с участием более 30 вузов.⁷ На их базе предполагается создать научно-образовательные центры по направлению "Нанотехнологии" с выделением вузам реальных инвестиций на развитие наукоемкой материально-технической базы.

    Важнейшими  элементами обеспечения качества высшего  образования являются:

• кадровый потенциал, основанный на современных научно-педагогических школах, обеспечивающих преемственность поколений в сочетании с востребованностью и быстрой адаптацией к актуальным научно-техническим проблемам без потери глубины исследований и фундаментальности образования;
• лабораторно-экспериментальная база, позволяющая гармонично сочетать возможность получения знаний-знакомств и знаний-умений.

    К сожалению, к началу XXI века экспериментальная  база большинства вузов в высокотехнологичных  областях серьезно отставала от зарубежного  уровня. Объемы средств, выделяемых на реализацию инфраструктурных проектов по созданию научно-учебных центров "Нанотехнологии", в рамках существующих цен на уникальные научные приборы и технологическое оборудование позволят приобрести лишь единичные экземпляры, что не создаст возможности реализации целостной программы подготовки и переподготовки кадров для наноиндустрии. Поэтому возникла идея при сохранении за вузом возможности приобретения уникальных специализированных приборов для передовых, интегрированных в мировой и отечественный научно-исследовательский процесс научно-педагогических школ, часть средств, предоставляемых государством в рамках инфраструктурной программы "Наноиндустрии", направить для выполнения вузами важнейших образовательных функций подготовки и переподготовки кадров, а также популяризации знаний в своих регионах через создание комплексных учебно-научных малобюджетных лабораторий. 
Их особенностью являются:

• модульный унифицированный характер лабораторной базы при широком охвате направлений для обеспечения, в первую очередь, знаний-знакомств;
• доступность в отношении размещения, эксплуатации и, особенно, приобретения оборудования. (Средняя стоимость модуля учебно-научной лаборатории в 5–10 раз меньше аналогичного исследовательского оборудования).

    Модульный характер лаборатории позволяет  подбирать требуемую номенклатуру малогабаритного технологического и контрольно-диагностического оборудования, имеющего соответствующее методическое обеспечение для быстрой адаптации  к учебному процессу. 
Базовая номенклатура модульного оборудования для "малобюджетной" учебно-научной лаборатории нанотехнологии и нанодиагностики представлена в табл.1.

     
Таблица 1.

    Состав  модульной унифицированной "малобюджетной" учебно-научной лаборатории "Нанотехнологии и нанодиагностика"