О перспективах развития нанотехнологии: «углеродное» направление

По мнению автора, обоснованному статистическими данными, принятие отечественной нанотехнологической программы произошло с существенным (на 5–7 лет) запозданием, что ослабило конкурентные позиции России по целому ряду направлений.

Александр Терехов
О перспективах развития нанотехнологии: "углеродное" направление
"Экономические стратегии", №07-2009, стр. 72-77

Терехов Александр Иванович – ведущий научный сотрудник Центрального экономико-математического института РАН, к.ф.-м.н.

Введение

Существует широкое понимание нанотехнологии (НТ) как ключевой технологии XXI в. Ряд ее особенностей (наукоемкость, множественность приложений, высокая неопределенность и т.д.), а также размер требуемых инвестиций и масштаб ожидаемых выгод заставляют государства активно принимать участие в ее развитии. К настоящему времени правительства более 60 стран, включая Россию, приняли национальные программы развития нанотехнологии, видя в ней источник преобразующих инноваций, воздействие которых может возрасти через "конвергенцию" НТ с информационной и биотехнологией. В мире развернулась настоящая гонка за лидерство в том, что, как ожидают многие, станет следующей промышленной революцией.

Наука – "локомотив" НТ, поэтому анализ формирования научной базы последней, выявление тенденций и мониторинг приоритетных направлений исследований являются основой для правильного выбора стратегических решений. Наличие современных баз данных (БД), в принципе, позволяет, применяя средства информационного анализа и наукометрии, оперативно сформировать достаточно целостное и структурированное представление о состоянии и перспективах развития той или иной научной области. Именно поэтому в последние годы на Западе широко развернуты наукометрические исследования, направленные на изучение глобальных процессов развития НТ, оценку позиций и возможностей разных стран в нанотехнологической гонке. В статье представлен сжатый наукометрический анализ состояния и перспектив развития НТ в нашей стране с более детальной оценкой ее возможностей в области углеродных наноструктур; рассмотрены особенности и проблемы коммерциализации НТ.

Краткий наукометрический взгляд на нанотехнологию

В силу массовости журнальные публикации наиболее ценны для анализа масштабов, структуры и источников развития исследований. В настоящей статье использована наиболее популярная среди наукометров БД SCI-Expanded. Поиск по ключевым словам позволил выделить свыше 250 тыс. нанопубликаций за период 1990-2008 гг., содержащихся в этой БД. Представители более 120 стран участвовали хотя бы в одной нанопубликации, что говорит о масштабах интереса к данной области. По суммарному публикационному вкладу в 1990-е и 2000-е гг. Россия входила в десятку наиболее продуктивных в области НТ стран, однако с 6-го места в 1997 г. она опустилась на 9-е в 2008 г. По размеру государственных расходов на НИР в области НТ (в пересчете по паритету покупательной способности) Россия находилась в 2005 г. на 13-м месте (1).

По кумулятивному показателю цитируемости всех нанопубликаций Россия на 10-м месте, а по среднему числу ссылок на одну статью – лишь на 41-м. Тем не менее средняя цитируемость нанопубликаций с российским авторством / соавторством в таких рейтинговых зарубежных журналах, как Nature, Applied Physics Letters, Physics Let-ters A, Solid State Communications, превышает аналогичный общий показатель. Две российские работы (касающиеся наноматериалов) входят в число 99 мировых нанопубликаций, процитированных к настоящему моменту более 1000 раз, а 83 – процитированы 100 и более раз, т.е. оказали значимое воздействие на развитие данной области.

Библиометрические индикаторы подтверждают абсолютное лидерство США в сфере НТ. США имеют самый большой вклад (27,1%) в массив нанопубликаций, превосходят весь остальной мир по "валовому" показателю цитирований. На их долю приходится также 72,7% всех высоко цитируемых (свыше 1000 ссылок) публикаций.

Развитие цивилизации, по существу, основано на новаторской разработке и использовании материалов. Значительные изменения в применяемых материалах нередко приводили к сдвигам в мировой экономике и глобальной политике. Наноматериалы представляют принципиально новый этап, поскольку через понимание свойств на наноуровне появляется возможность проектировать и изготовлять совершенно новые материалы. По мнению организации "Химическая промышленность: взгляд в 2020 г.", наноматериалы предоставляют химической отрасли США огромную возможность внедрить множество новых продуктов, что могло бы придать импульс экономике, решить основные социальные проблемы, заново оживить существующие отрасли и создать совершенно новые виды бизнеса (2). Кроме того, научное лидерство в области наноматериалов, по оценкам американских экспертов, критично для поддержания технологического лидерства национальной обороны.

Углерод столь же важен для нанотехнологии, как кремний для электроники, с той лишь поправкой, что и электроника будущего может перейти на углеродную основу.

Огромный потенциал углеродных наноструктур (прежде всего фуллеренов и нанотрубок) все более раскрывается на этапе, когда главная цель – уже не просто достижение улучшенных характеристик за счет наноструктурирования материала, а построение эффективных наноустройств, таких как наносенсоры, дисплеи на нанотрубках, термоэлектрические преобразователи и т.д.

Мировая гонка в области углеродных наноструктур стала наиболее показательной для НТ. Начало ей положило открытие фуллеренов (3) в физическом эксперименте в 1985 г. учеными из США и Великобритании. В 1990 г. был найден простой способ их получения, а через три года количество публикаций (статей, обзоров, материалов конференций, писем), посвященных изучению фуллеренов и их производных, в мире превысило 1000 и уже ниже этой отметки не опускалось (рис. 1).

Столь высокий интерес обусловлен необычными свойствами фуллеренов, открывающими широкие возможности их прикладного использования (4). Мировой "фуллереновый бум", в частности, предопределил открытие углеродных нанотрубок (УНТ – полых цилиндрических молекул углерода): сначала многослойных
(1991 г.), затем однослойных (1993 г.). По уникальности свойств и потенциалу применения УНТ превосходят фуллерены (5), поэтому сразу же привлекли широкий исследовательский интерес. Мировой поток публикаций по УНТ стал экспоненциально нарастать, после того как в 1992 г. их научились получать в граммовых количествах, и в 2002 г. превысил мировой поток публикаций по фуллеренам. Следующей "точкой роста" в изучении углеродных наноструктур стало экспериментальное открытие в 2004 г. графена (двумерного листа углерода толщиной в один атом) – многообещающего материала для наноэлектроники (рис. 1).

Участие в изучении углеродных наноструктур приняли более 75 стран, расположенных на всех континентах мира. В десятке лидеров по количеству публикаций – передовые промышленно развитые страны (США, Япония, Германия, Великобритания, Франция, Италия), азиатские "тигры" (Южная Корея и Тайвань). Великолепные результаты у развивающихся гигантов: Китая и Индии. Китай в лидирующей тройке по всем трем типам углеродных наноструктур, а по числу публикаций в области УНТ с 2007 г. занимает 1-е место. Ученые из Южной Кореи опубликовали свои первые работы по УНТ лишь в 1997 г., однако в 2001 г. уже обошли немецких ученых и вышли на 4-е место в мире.

Значительного прогресса за тот же период добился Тайвань, достигший в 2008 г. 7-го места. Индия переместилась из второй в первую десятку стран. Если добавить к этому Японию, практически не покидающую лидирующую тройку, то видно, что азиатские страны сделали серьезную ставку на углеродное направление НТ. США с небольшими перерывами (уступая первенство по фуллеренам Японии, а по УНТ – Китаю) – лидер этой гонки. Они практически первыми перенесли акцент с изучения фуллеренов на УНТ: в 2000 г. количество публикаций американских ученых по УНТ впервые превысило количество публикаций по фуллеренам, а в 2003 г. разрыв был уже в разы. За ними сразу устремился Китай.

Интерес к исследованию новых форм углерода, увенчавшийся расчетным обоснованием стабильности молекулы С60 в форме усеченного икосаэдра, зародился в России еще в конце 1960-х гг.

(Институт элементоорганических соединений АН СССР). Однако полномасштабное участие отечественных ученых в фуллереновой проблеме относится к началу 1990-х гг. Важную роль в институционализации области сыграло формирование в рамках ГНТП "Актуальные направления в физике конденсированных сред" программного направления "Фуллерены и атомные кластеры" (1993 г.), а также поддержка учрежденного тогда же РФФИ.

В результате удалось сформировать национальное сообщество исследователей, равноправно сотрудничающих с зарубежными коллегами, получить ряд первоклассных научных результатов, в том числе и превосходящих мировой уровень. По количеству публикуемых работ в области фуллеренов Россия длительное время была на 3-м месте и уступила его Китаю лишь в 2005 г. Однако, имея сразу вслед за японцами первые работы по УНТ, мы в дальнейшем упустили сдвиг мирового исследовательского тренда в их пользу и к 2008 г. оказались по количеству публикаций в этой области лишь на 13-м месте. Показательно, что в Китае изучать УНТ начали позже, чем у нас, однако целенаправленная поддержка государства позволила китайским ученым резко нарастить исследовательские усилия в этой области и по количеству ежегодных публикаций выйти на 1-е место в мире.

К сожалению, с графеном ситуация повторяется: при решающем вкладе в его открытие российских ученых (им принадлежит самая высоко цитируемая на настоящий момент статья) по количеству публикаций в 2008 г. мы на 9-м месте. Лидеры – США (с большим отрывом) и Китай.

Кроме отсутствия необходимого маневра и целевого финансирования на складывающееся отставание России влияет истощение научно-кадрового потенциала, слабо подпитываемого "свежей кровью". Неблагоприятная возрастная структура участников нанопроектов РФФИ вкупе с демографическими данными (провалы рождаемости 1990-х и второй половины 1960-х гг.) свидетельствует о том, что обеспечение квалифицированными кадрами может стать существенной проблемой для успешного развития НТ в нашей стране в долговременной перспективе (6).

Экономические аспекты нанотехнологии

Хотя потенциальные риски для здоровья людей и экологии остаются предметом дискуссий, правительства многих стран уверены, что наноиндустрия может стать одним из определяющих факторов экономического роста. Стремление к овладению экономическими и стратегическими выгодами подталкивает мировые инвестиции в НТ, которые в 2008 г., несмотря на начало кризиса, выросли по сравнению с 2007 г. на 35% (рис. 2). Вложенные инвестиции уже приносят экономическую отдачу, составившую в 2007 г., по оценке американской консультационной компании Lux Research, 147 млрд долл. (в виде стоимости конечных продуктов, произведенных с использованием НТ во всех секторах). К 2015 г. воздействие НТ на экономику, по прогнозу, должно вырасти до 3,1 трлн долл. в год (правда, позднее Lux Research понизила этот прогноз из-за мировой рецессии на 21%; 7).

Значительная часть экономического воздействия НТ (не менее 80%) будет реализована через три укрупненных сектора: наноэлектронику, нанобиотехнологию и наноэнергетику, двигателями для которых станут: тенденция к усовершенствованной мобильной электронике, старение населения в развитых странах и мировой энергетический кризис. Проведенные исследования показали, что, благодаря своим феноменальным свойствам, УНТ обладают широчайшим потенциалом применения в каждом из перечисленных секторов: благодаря наличию рекордных механических характеристик, уникальной тепло- и электропроводности, оптическим и магнитным свойствам. В зависимости от геометрических параметров они могут иметь металлическую или полупроводниковую проводимость (8). В первом секторе это чипы памяти, логические схемы, наносенсоры, полевые эмиттеры; во втором – адсорбенты, биодатчики, средства целевой доставки лекарств, материалы для имплантатов и протезов; в третьем – топливные элементы, хранилища для газов, солнечные батареи, сверхмощные конденсаторы. Подобная "всеядность" нанотрубок делает их стратегическим материалом для НТ.

В настоящее время в мире формируется научно-промышленный комплекс для крупномасштабной коммерциализации углеродных наноматериалов и продуктов на их основе. Созданы мощности для многотоннажного производства фуллеренов. Интегральные мощности по производству многослойных УНТ оцениваются в 300, а более дорогих однослойных УНТ – 7 т в год. На рынке уже присутствуют продукты, произведенные с использованием нанотрубок, например спортинвентарь. Американская компания Unidym объявила, что в апреле 2008 г. состоялся первый полет самолета, в фюзеляже которого были использованы УНТ, а компания Nantero близка к выводу на рынок компьютерной памяти на основе УНТ (с энергонезависимостью, высокой скоростью чтения/записи, низким энергопотреблением). Нанотрубкам отводится важная роль практически во всех нанотехнологических дорожных картах (ДК), разрабатываемых зарубежными организациями и консультационными компаниями. Согласно ДК, специально посвященной внедрению УНТ (9), на стадии возможного массового производства сейчас находятся проводящие полимеры, на подходе дисплеи с полевой эмиссией, батареи, микроскопия.

В 2014 г. к массовому производству будут готовы: источники рентгеновского излучения, мембраны (включая топливные элементы), сверхмощные конденсаторы, высокопрочные и огнестойкие полимеры, ударновязкая керамика, светоизлучающие устройства, сенсоры, медицинские каркасные системы, электромагнитные экраны, улучшенные солнечные батареи, хранилища водорода. Для применений УНТ в наноэлектронике характерны более отдаленные горизонты. Согласно ДК (10), к 2010 г. начнется коммерциализация памяти на основе УНТ, затем последуют вертикальные межсоединения и радиочастотные переключатели (2015-2020 гг.) и далее – горизонтальные межсоединения и транзисторы (после 2020 г.).

Рынок УНТ и фуллеренов готов к быстрому росту: по оценке аналитической компании Research and Markets с 300 млн долл. в 2008 г. до 4,6 млрд долл. – в 2015 г. (11).
К сожалению, мы сильно отстали в реализации прикладного потенциала УНТ, которые будут лидировать на этом рынке. Недостаточная исследовательская и публикационная активность сузила основу для изобретательской деятельности и патентования. Проведенное сравнение показало: если по количеству грантов РФФИ нанотрубки уступали фуллеренам в 2,2 раза, то по количеству публикаций – в 3 раза, а по количеству российских патентов на изобретения (за вычетом патентов, выданных иностранным заявителям) – уже в 3,5 раза. Т.е. разрыв от финансирования фундаментальных исследований до патентования изобретений нарастает кумулятивно. Ситуация имеет продолжение и на коммерциализацию фуллеренов и УНТ. Если в первом случае у нас есть возможности промышленного получения и конкурентоспособные технологии применения (сверхтвердый фуллерит и изделия из него, приложения в биомедицине, лазерной технике и др.), то во втором мы уступаем не только ведущим игрокам из Азии, Америки и Европы, но и таким странам, как Бельгия и Кипр. Отсутствие собственного производства качественных однослойных УНТ тормозит уже продвижение самих исследований.

Немногие технологии создали себе большую рекламу и привлекли столь значительное финансирование, как НТ за последние 5-10 лет, и все же для масштабной реализации ее экономического потенциала есть еще множество барьеров. Растущие инвестиции правительств и корпораций идут преимущественно на фундаментальные и прикладные исследования. Значительная часть коммерциализации НТ ложится на стартапы, для развития которых требуются венчурные инвестиции. Однако венчурный капитал ведет себя пока осторожно: его вклад в нанотехнологические стартапы в 2007 и 2008 гг. составил 1,8 и 2,8% соответственно от инвестированных мировых объемов (для сравнения: в 2007 г. в компании, связанные с медицинским оборудованием, было вложено более 10%). Главные причины в высокой неопределенности (особенно для технологий "снизу вверх"), длительности периода от исследования до коммерциализации (от 3 до 10, а в ряде случаев и более лет), отсутствии регулируемой среды и успешных моделей ведения бизнеса. Увеличение инвестиций происходит, если растет ощутимая вероятность их успеха. В этом отношении успешный выход в 2008-2009 гг. двух нанотехнологических стартапов – Nanoco (квантовые точки, дисплеи) и OptoGan (12; светодиодные чипы) – вселяет определенный оптимизм. Первичное публичное размещение акций (IPO) – одна из форм успешного выхода стартапа. По заявлениям представителей Роснано, до конца 2009 г. предполагается вывести на IPO две нанотехнологические компании во вновь созданном секторе "Рынок инноваций и инвестиций" Фондовой биржи ММВБ. Роснано рассматривает эту биржевую площадку как элемент инфраструктуры для развития своих нанопроектов. Однако общая стоимость всех IPO, проведенных в НТ на 2007 г. (2,57 млрд долл., по оценке Lux Research), пока незначительна – это величина, примерно равная стоимости IPO инфокоммуникационных венчурных компаний в США во втором квартале 2007 г.

Для отслеживания фондовых показателей публичных нанотехнологических компаний, начиная с 2005 г., было запущено около десятка специальных биржевых индексов, отличающихся той или иной методикой выбора репрезентативных нанотехнологических акций. Зачинатели: инвестиционный банк Merrill Lynch, Международная фондовая биржа совместно с консультационной компанией Cronus Capital Markets и компания Lux Research. С конца 2005 г. по июнь 2006 г. эти три нанотехнологических индекса значительно опередили промышленный индекс Доу-Джонса (мини-"нанобум"), однако затем ситуация изменилась, и к началу 2007 г. они уже потеряли 5-10 %, тогда как Доу-Джонс прибавил за тот же период 15%. Снижение интереса Уолл-стрит к НТ после краткого "нанобума" демонстрирует индекс Lux Research, который с конца 2005 г. до середины 2009 г. упал на 43,5%, тогда как выбранный для эталонного сравнения фондовый индекс S&P 500 (рассчитывается по 500 крупнейшим американским компаниям) – на 15,6%.

С другой стороны, в условиях общерыночного спада у нанотехнологических "идейных акций" со средне- и долгосрочной перспективой есть шанс обратить на себя внимание широкого инвестиционного сообщества. Возможное начало такой тенденции демонстрирует глобальный нанотехнологический индекс банка Societe Generale (в основном ориентирован на компании, применяющие НТ в биотехнологии и фармацевтике), который с 21 апреля по 29 июля 2009 г. подрос на 25 п/п, тогда как эталонный индекс Morgan Stanley Capital International (рассчитывается по 1742 компаниям из 23 развитых стран) – всего на 10,7.

Таким образом, имеющиеся экономические данные (пока далеко не полные) не столь однозначно подтверждают часто чрезмерно рекламируемые успехи НТ. Хотя и не опровергают ее стратегической роли как важнейшего фактора трансформации экономики на основе передового научного знания.

Заключение

Россия не была среди первых стран, осознавших потенциал НТ и организовавших ее приоритетное финансирование на государственном уровне. Принятие отечественной нанотехнологической программы с существенным (на 5-7 лет) запозданием ослабило конкурентные позиции страны. Выражением этого стало:

• отставание в формировании фундаментальной научной базы НТ (ухудшение международных библиометрических рейтингов России), что особенно неприятно, поскольку НТ – яркий представитель макроинноваций, ведомых наукой;
  
• отсутствие необходимых опережающих мер кадрового обес-печения долгосрочного развития НТ. Об остроте проблемы говорит хотя бы возрастная структура участников нанопроектов РФФИ;
  
• отсутствие аккумулированных инвестиций, в том числе в инфраструктуру, что еще долго будет влиять на эффективность внедрения нанотехнологических инноваций.

Объявленный размер инвестиции в НТ (10 млрд долл.) и планируемый объем продаж продукции наноиндустрии (900 млрд руб.) к 2015 г. означают, что для достижения примерно в 100 раз меньшего, чем в мире, результата нам потребуется лишь в 10 раз меньший объем затрат.

ПЭС 8011/04.02.2009

Примечания
1. www.cggc.duke.edu/pdfs/Nanotech_Presentations/appelbaum.pdf
2. www.chemicalvision2020.org/pdfs/nano_roadmap.pdf
3. Новой аллотропной формы молекулярного углерода, наряду с алмазом и графитом. Молекула фуллерена C60 имеет форму полого полиэдра, составленного из 5- и 6-угольных граней, встречающихся по три в каждой вершине, где располагаются 60 атомов углерода.
4. Терехов А.И., Терехов А.А. Перспективы развития приоритетных направлений фундаментальных исследований (на примере нанотехнологии) // Проблемы прогнозирования. 2005. № 1, с. 131-146.
5. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М.: Техносфера, 2003.
6. Терехов А.И. О формировании научной базы нанотехнологии: опыт наукометрического анализа с использованием исследовательских проектов // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 11-12, с. 11-18.
7. www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=33648
8. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М.: Техносфера, 2003.
9. www.nanoroadmap.it/events/first_conference/presentations/bax.pdf
10. www.nano-rf.org/ws-pdf/de%20Haan.pdf
11. www.verticalnews.com/pdf_sample.php?code=NA
12. Компания основана в Финляндии выходцами из России и куплена в 2008 г. группой ОНЭКСИМ для производства светодиодной светотехники.