Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше...
Малинецкий Г.Г. – Заместитель директора Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН
Уважаемые депутаты Государственной думы, дорогие коллеги!
Я представляю Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук. Организатором и первым директором нашего института был выдающийся советский ученый Трижды Герой Социалистического труда академик Мстислав Всеволодович Келдыш. Институт создавался для решения стратегических проблем, которые стояли перед Советским Союзом. От их решения, без преувеличения, зависело само существование нашей страны.
Ключевыми задачами, которые были решены в нашем институте, стало совершенствование ядерного оружия, математическое обеспечение космических полетов, разработка систем управления сложными техническими объектами. Наш институт работал в тесном контакте с коллективами, которые возглавляли академики Игорь Васильевич Курчатов и Сергей Павлович Королёв (слайд 2).
Наш Институт не участвует в программе развития нанотехнологий, поэтому, наш взгляд, на эти проблемы могут рассматриваться как объективная экспертная оценка. Начну с выводов. Руководство партии «Единая Россия» приняло смелое решение о развитии сферы нанотехнологий. Успешная реализация этого решения позволит России ответить на вызовы в сфере национальной безопасности и поднимет отечественную науку на качественно новый уровень.
Однако выполнение этого решения представляет очень сложную задачу, требующую сверхусилий от руководителей, исследователей, представителей промышленности и оборонного комплекса.
Нынешнее развитие нанотехнологий во многом повторяет развитие химии (слайд 4). Со II до XVII века развивалась алхимия. Алхимики ставили целью получить эликсир жизни, дарующий бессмертие (из этого направления и выросла органическая химия), и философский камень, позволяющий превращать свинец в золото (развитие этого направления привело к неорганической химии). Алхимия была связана с мистикой, магией, большими деньгами, неоправданными надеждами и обилием шарлатанов. Роберт Бойль (1627 1691) создал химию как науку, введя в нее понятие элемента и количественные соотношения (число). Мистические задачи химии сменились реальными.
Следующий этап начался с появлением развитых математических моделей, с создания вычислительной химии (в 1998 году Нобелевская премия по химии впервые была присуждена математикам). Сейчас проектирование лекарств, выявление действующих субстанций во многих случаях неотделимо от сложных квантово-механических расчетов, требующих математических моделей, программных комплексов и суперкомпьютеров.
На наш взгляд, нанотехнологии во многом переживают ныне стадию алхимии. Не осознаны задачи нанотехнологии как области знания, а кроме того отсутствуют многие необходимые математические модели и понимание ряда важнейших процессов.
Большую роль в возникновении нанонауки сыграла фантастическая мечта, сформулированная выдающимся физиком Ричардом Фейнманом (слайд 5) в 1959 году. Он предлагал создавать машины, способные строить еще меньшие машины, которые будут строить еще меньшие. Иными словами, он считал магистральным путем путь «сверху вниз», от макрообъектов к микрообъектам, а от микрообъектов – к нанообъектам. Однако развитие пошло по другому пути. На начальном этапе туннельный микроскоп (макрообъект) позволил оперировать отдельными атомами (нанообъектами). Это был прорыв в науке, не имеющий, однако, отношения к, собственно, технологии.
Идея оперировать наночастицами и строить различные структуры на этом уровне без использования представлений фундаментальной науки – своеобразная нанотехнологическая алхимия также дает отдельные интересные и многообещающие результаты. В качестве примера можно привести разработки, которые выполнены только в одной организации – в Ярославском государственном университете им. П.Г. Демидова (слайд 6).
Однако главная надежда нанотехнологий связана с тем, что удастся двигаться не «сверху вниз», а «снизу вверх», т.е. выращивать наноструктуры, наноматериалы, нанообъекты. Нанотехнологии требуют больших объёмов материалов и собирать их атом за атомом невозможно. Поэтому есть три ключа к нанотехнологиям (слайд 7).
Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.
Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов – общего языка, понятий и моделей – междисциплинарного подхода. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе возможно достичь, чего хотелось бы достичь и – главное – чего хотелось бы избежать. Здесь первостепенное значение приобретает проектирование будущего, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы оказываются значительно более взаимосвязаны, чем ныне. Это обусловлено совершенно новыми технологическими возможностями.
В самом деле, чтобы нанотехнологии не остались научной фантастикой, они должны найти свое место в экономике, включиться в существующие экономические цепи или создать новые. Это требует активного мониторинга и сопровождения на всех этапах от лаборатории до рынка. Это качественно новый уровень управления, позволяющий решать организационно-экономические проблемы невиданного уровня сложности. Представьте себе, что новые отрасли экономики будут рождаться не раз в несколько десятилетий, а раз в несколько лет.
В настоящее время активно развивается теория самоорганизации, или синергетика. В ней получены важные и значимые результаты, построены интересные модели (слайд 8). Однако все это относится к макромасштабу. Механизмы самоорганизации на наномасштабах только начали изучаться. Чтобы состоялись нанотехнологии, опережающими темпами должна развиваться нанонаука. Другая важная проблема – это образование и подготовка кадров (слайд 9). В настоящее время издательством URSS издается серия книг по синергетике «Синергетика: от прошлого к будущему». Ежедневно продается более 60 книг этой серии. Однако это очень мало. Попытки организовать подготовку специалистов по нанонауке, по компьютерному моделированию нанопроцессов, по синергетике, которые мы предпринимали в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова и Московском физико-техническом институте, пока не дали результатов и не заинтересовали руководство этих уважаемых вузов. Реализация амбициозного российского проекта в области нанотехнологий столкнется с жестким кадровым голодом, утолить который не могут никакие миллиарды.
Приведу еще один пример (слайд 10) Наноструктуры позволяют создавать покрытия с невиданными свойствами. Они позволяют в принципе идеально маскировать объекты. В основе этих работ лежат метаматериалы, существование которых было предсказано Виктором Георгиевичем Веселаго в 1967 году. Эта работа нобелевского уровня не была замечена и оценена около 40 лет. Но сейчас именно она определят развитие большой области нанофизики. Однако для того, чтобы проектировать наноматериалы, требуются уникальные компьютерные расчеты. На слайде представлено распространение волны в таком материале, рассчитанное в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и потребовавшее новых моделей, принципиально новых алгоритмов и расчетов на многопроцессорных комплексах (слайд 11). Насколько нам известно в других организациях и странах мира так считать пока не умеют.
Реализация идеи Веселаго требует внесения в материал наночастиц, сравнимых по размерам с длиной волны. Эта же идея лежит в основе фотонных кристаллов – объектов, позволяющих маскировать предметы и эффективно управлять падающим излучением (слайд 12)
Иными словами принципиальное значение в нанонауке и нанотехнологиях имеют
системы математических моделей нанопроцессов;
компьютерные расчеты на кластерах и суперЭВМ;
специалисты, готовые взяться за эти задачи.
В нейронауке можно идти от простейших структур, от уровня атомов к созданию сложных объектов, но можно двигаться иначе: вначале разобраться с организацией сложных систем, понять, что же мы хотим сконструировать и на каких принципах и потом для этого искать адекватный строительный материал на наноуровне. В США комплекс исследований, связанных с таким подходом называется NanoBioInfoCognito. Этими проблемами занимались выдающиеся математики: Дж. фон Нейман (теория самовоспроизводящихся автоматов), Алан Тьюринг (вычислительная сложность) и Роджер Пенроуз (физические основы сознания) (слайд 13).
На этом стыке рождаются новые направления в прикладной математике, дающие принципиально новые возможности. Обычно их называют биовычислениями или нейронаукой. Это интереснейшие и важнейшие направление, которыми в нашем институте, да и в России в целом занимаются отдельные энтузиасты (слайд 14).
Считаю необходимым обратить внимание уважаемых депутатов на главную опасность, которая связана с развитием нанотехнологий (слайд 15). Это вывод гонки вооружений на наноуровень. Биороботы в оборонной сфере могут оказаться более значимыми, чем ядерный или космический проекты. Речь идет о принципиальной возможности целенаправленного уничтожения отдельных групп людей или даже отдельного человека с автоматической селекцией целей по профессиональным, этническим или генетическим особенностям. Это даст невиданные возможности по управлению людьми.
Нанотехнологии дадут возможность модифицировать человека как вид. В сфере национальной безопасности все это с большой остротой ставит вопрос об эффективном ассиметричном ответе. Переговоры о запрещении гонки вооружений на наноуровне следует начинать уже сейчас.
Обращу внимание на организационные особенности реализации проекта. Цикл воспроизводства инноваций состоит из фундаментальных исследований, прикладных разработок, создания технологий и вывода их на рынок, из реализации товаров, услуг и появившихся возможностей, часть доходов от которых вновь должна быть вложена в образование и разработки. Затраты между фундаментальными разработками, прикладными исследования и созданием технологий делятся в отношении 1:10:100 (слайд 16). Нынешняя проблема российской обрабатывающий промышленности и нанотехнологий в частности заключается в развале прикладных исследований, в ликвидации большинства организаций, способных выводить высокотехнологичную продукцию на российский и, тем более, мировой рынок. И если всерьез говорить о проекте нанотехнологий, то эти два звена предстоит создать, первое – заново, а второе – впервые в отечественной истории.