Появление наноструктурных систем открыло новые горизонты в создании перспективных технологий и получении материалов с новыми и заданными свойствами… Как обстоят дела с их развитием в мире, в России?

Small matter is no small matter

Принципиальное значение малоразмерных объектов было подчеркнуто нобелевским лауреатом R.F. Feynman в лекции “There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics”, прочитанной на заседании Американского Физического Общества в Калифорнийском технологическом институте 29 декабря 1959 г. И только в 80-х годах прошлого века с изобретением сканирующего просвечивающего микроскопа и атомно-силивого микроскопа стало возможным изучение наномира, который составляют объекты с линейными размерами от  1 до 100 нм (1 нанометр составляет 1 миллиардную долю метра – 1х10-9 м). Ученые получили возможность наблюдать крупные органические молекулы, спирали ДНК и изучать структуру материи на атомарном уровне. Использование с конца 80-х годов этих видов электронной микроскопии для изучения полимеров, керамики и биологических тканей привело ученых к мысли о поиске возможностей манипулировать атомами и молекулами, а позднее - и наноразмерными объектами. Наноматериалы благодаря своей структуре, образованной системой наноразмерных объектов, обладают новыми, более ярко выраженными, свойствами, чем традиционные.
В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние 7-10  лет. Однако уже 10-15 лет исследования наноструктур являются общим направлением для многих классических научных дисциплин. Химия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования свойств новых наноматериалов с заданными свойствами, нередко превосходящими по качеству природные материалы. В редакторской колонке CNRS International Magazine (Франция, апрель 2006 г.) отмечается: «нанонаука и ее «дублер», нанотехнология - две дисциплины, нацеленные на исследование и использование наномира, развиваются быстро и, возможно, станут базовыми для экономического роста в 21 веке».
По мнению большинства экспертов, нанотехнология представляет собой не только одну из ветвей высокой технологии, но является и системообразующим фактором экономики 21 века – экономики, основанной на знаниях, а не только на использовании природных ресурсов или их переработке. Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др. В ближайшее время нанотехнологии станут составной частью нашей повседневной жизни, а во многих областях уже сегодня они надежно закрепились на ведущих позициях (электроника, оптика, косметика, фармакология, материаловедение).
По прогнозам на ближайшие 10-15 лет, нанотехнологическая продукция будет занимать ведущее место: из планируемого общего объема производства в 1 трлн дол. на производство наноматериалов отводится сумма в 340 млрд. Бурное развитие научных исследований отражается в огромном потоке публикаций: ежегодно их появляется около 800,000. Среди патентов, касающихся нанотехнологий, преобладают (более 30%) описания разработок в области химии, катализа и фармацевтики, и около 15% посвящены электронике.
Социальный аспект занимает особое место: важно не делать скоропалительных выводов о сказочных выгодах или какой-то угрозе человечеству. Необходимы исследования влияния нанообъектов на человека и окружающую среду.

Наноразмерные объекты занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами (или молекулами). Присутствие таких объектов в материалах придает материалам новые физические и химические свойства. Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, термических и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Объекты нанометровых размеров: наночастицы или нанокластеры, двумерные тонкие пленки кристаллы для оптики, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). Наночастицы – это, по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии), размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 106 или меньшего количества атомов. Наночастицу принято рассматривать как агрегат, являющийся частью объемного материала.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам  относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов.
Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровне и создавать материалы с новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малым размерам элементов их структуры. Таким образом, наноматериалы – это контролируемое упорядочение нанообъектов. Изучая нанообъекты, исследователи накапливают знания и опыт для целенаправленного усовершенствованием свойств материалов и производства новых материалов с заданными свойствами.

По размерному признаку нанообъекты делят на три типа. Нанообъекты квази-нуль-мерные (0D) – это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и фуллерены) содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, сгруппированных в связки или ансамбли в форме клетки. В этом случае все три измерения нанометровые. Нанообъекты квази-одномерные (1D): углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопроволоки т.е. цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон, и двумя нанометровыми . В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере, на порядок превышает два другие; физики их называют «квантовые провода». Нанообъекты двумерные (2D): покрытия или пленки толщиной в несколько нанометров на поверхности блочного материала. В этом случае только одно измерение (толщина) нанометровое, два других являются макроскопическими.

Примеры мезопористых неорганических наноматериалов на основе оксида кремния, синтезированных автором в Институте нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН.

Экспериментально установлено, что на нанометровом уровне законы классической физики действуют далеко не всегда, в то же время, в силу вступают законы квантовой механики. Например, электроны движутся не в потоке, но один за другим.  Установлено, что наночастицы чистых металлов, состоящие из 3-1200 атомов особенно реакционноспособны. Такая зависимость свойств от строения на наноуровне несет в себе большой потенциал для практического применения. Так, на примере золота было показано появление высокой каталитической активности у частиц с размером менее или равным 3-5 нм, которые имеют структурные отличия от решетки объемного материала. Использование этого явления позволило создать освежители воздуха на основе наночастиц золота, нанесенных на окись железа.

И так, наночастица – это квази-нульмерный нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины. Как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; и если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов.

Построение структур нанообъектов в нанотехнологиях проводится двумя путями: «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up). Первый метод широко используется в производстве материалов для микроэлектроники, он заключается в уменьшении размеров объектов до нановеличин в пределах возможностей промышленного оборудования и используемого материала. Однако большое значение R.F. Feynman придавал химическому синтезу (bottom-up), подчеркивая, что «законы физики не запрещают конструировать на атомно-молекулярном уровне». Таким образом, он способствовал появлению новой парадигмы производственной деятельности: «снизу-вверх» - от отдельных атомов – к изделию. Метод заключается в том, что в контролируемых условиях происходит формирование ансамблей из атомов и ионов. В результате образуются новые объекты с новыми структурами и, соответственно, с новыми свойствами, которые можно программировать путем изменения условий формирования ансамблей. Этот подход облегчает решение проблемы миниатюризации объектов, приближает к решению ряда проблем литографии высокого разрешения, создания новых микропроцессоров,  тонких полимерных пленок, новых полупроводников. Методом «снизу-вверх», манипулируя молекулами и атомами, можно создавать искусственные объекты (синтетические молекулы, кластеры, состоящие из сотен атомов), которых не существует в природе, и создавать из них блоки наноматериалов. В связи с этим изучение атомов и молекул проводят с точки зрения их функций.

Структурные особенности наноматериалов, обусловливающие их уникальные свойства, можно также проиллюстрировать на примере катализаторов.
Кроме того, было показано, что если кластер состоит из 54 атомов, он имеет на поверхности 24 атома (30 – заблокированы), которые в качестве каталитически-активных центров доступны молекулам субстрата. Если представить, что эти 54 атома перегруппированы в три отдельные частицы (по 18 атомов в каждой), то общее количество каталитически-активных центров составит 36 (сумма заблокированных атомов – 18). Кроме того, из термодинамики малых частиц известно, что поверхностные атомы частиц с большей кривизной поверхности обладают более высокой потенциальной энергией. Таким образом, одно и тоже количество активного металла в составе катализатора во втором случае будет вовлечено в катализ в большей степени, и, значит, катализатор получится более дешевым (это особенно важно, если речь идет о благородных металлах), и его удельная активность (на единицу активного металла) будет выше, чем в первом случае. Отношение количеств активных и блокированных («объемных») атомов меняется при такой гипотетической манипуляции на обратное (24/30 и 36/18).
Следует также отметить, что нередко более активный катализатор или катализатор с более высокодисперсным распределением активного металла начинает работать при более низких температурах. Возможность получения более тонких каталитических пленок из металлов также дают большой выигрыш в расходе материалов без потерь, а, иногда, и с выигрышем в активности. Дизайн наноструктур с целью создания принципиально новых функциональных материалов требует исследований взаимосвязи строения на наноуровне и свойств, а также разработки методов контролируемого синтеза супрамолекулярных архитектур.
Так, установлено, что при переходе от массивного к нанодисперсному состоянию происходит изменение энергии вещества. Поверхностная энергия (U^S) нанодисперсного вещества определяется уравнением
U^S = σ_SА
 ^σ_S – удельная поверхностная энергия твердого вещества
 А – молярная площадь поверхности
 А = 3V/r
V  - молярный объем вещества
Чем меньше размер частицы, тем выше доля поверхностных атомов или молекул в общем количестве (рис. а – в). Поэтому при определении термодинамических характеристик массивного вещества его поверхностной энергией пренебрегают. Долю атомов (молекул) aS в поверхностном слое наночастицы оценивают по уравнению:

α^S = ν^S/ν

ν - общее количество атомов или молекул, составляющих наночастицу
На примере сферических частиц золота было показано, что при уменьшении диаметра частиц с 1.8 нм до 1 нм доля поверхностных атомов увеличивается с 0.63 до 0.88, при этом внутренняя энергия нанодисперсного золота возрастает с  50 до 86 тыс. Дж/ моль. Когда агрегат содержит только поверхностные атомы или молекулы (рис. в), эта величина возрастает до 114 тыс. Дж/ моль.

         Рис. 1

Наночастицы в матрицах. Материалы (в том числе – магнитные) должны функционировать длительное время, иметь воспроизводимые параметры, подвергаться стандартизации и т.п. Необходимым условием создания таких материалов на основе наночастиц является их стабилизация. Один из наиболее перспективных методов получения наноматериалов со стабильными свойствами является введение наночастиц в матрицы различных типов. Например, путем допирования непроводящих материалов атомами или молекулами, обладающими донорными или акцепторными свойствами, можно придать этому материалу свойства проводника.

Нанотехнологические процессы. Основой нанотехнологических процессов является проведение локальных атомно-молекулярных взаимодействий. В настоящее время наиболее распространены групповые технологии создания объектов нанометровых размеров с помощью осаждения и литографии.

Нанотехнологические установки. Для реализации потенциальных возможностей нанотехнологий необходимо создание специального технологического оборудования, предназначенного для осуществления локальных физико-химических процессов в областях нанометровых размеров. При этом формируются объекты с нанометровыми размерами, которые, в свою очередь, могут образовывать материалы с заданными свойствами. Большое внимание также уделяется созданию новых каталитических композиций, разработке нанореакторов и решению проблем переноса в условиях катализа на наносистемах. В нанореакторах эффект торможения может проводить к появлению новых реакционных маршрутов. Специализированные установки пока не выпускаются, однако, за рубежом появляются фирмы, специализирующиеся на создании нанотехнологических установок.
Приведем несколько примеров промышленно-ориентированных разработок в нанотехнологии: материалы для катализаторов, структурированные мезопористые материалы типа Mobil Oil, упрочненные наночастицами полимеры для замены металлических деталей в автомобилях, принципиально новые электронные устройства для создания «думающего» космического корабля, проводники с аксиальной проводимостью, наноразмерные реакторы, нанотрубки. Понимание того, как структурирован материал на наноуровне, дает возможность контролировать свойства и проектировать новые устройства, схемы и даже системы. Так, начиная с 50-х годов стали появляться интегральные схемы на основе кремния, что привело к технологической революции, в результате которой появилась микроэлектроника. Модель, типичная для развития микроэлектроники с постоянно уменьшающимся размером отдельных компонентов интегральных схем, описана законом Moore, который гласит, что каждые 18 месяцев размер транзистора уменьшается на половину (первый закон). Это означает, что возрастает плотность интегрирования и возможности электронных схем. Второй закон Moore говорит о том, что стоимость производимой продукции удваивается каждые 36 месяцев. Миниатюризация и наращивание плотности транзисторов приводит к появлению проблем в производстве и восстановлении (ремонте). Проводится поиск приемов, позволяющих устранить эти проблемы путем исследования законов наномира и поиска альтернативных архитектур для будущих схем. Также исследования нанообъектов могут приводить к созданию новых материалов с улучшенными физическими свойствами и необычным химическим поведением.

Развитие нанонауки и нанотехнологии  придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства. Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др. Следует также отметить, что химические нанотехнологии являются малоотходными, и это делает их особенно ценными в современных условиях.
Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Это электронная, косметическая, текстильная промышленность, фармацевтика, защита окружающей среды. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.
Весь круг проблем делится специалистами на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения ощутимых результатов.
Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.
Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.
Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов.  Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70%  с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.

Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом.

Охрана окружающей среды. Для очистки газовых выбросов разрабатываются фильтрующие мембраны из наноструктурированных материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или оксида железа. Пористость таких мембран регулируется размером составляющих ее наночастиц с размером 10-500 нм. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов. Использование благородных металлов и РЗЭ в виде наноструктурных покрытий монолитных блоков может обеспечить высокую степень очистки выхлопных газов от монооксида углерода и оксидов азота, углеводородов и альдегидов, которой требуют Евро-стандарты (Евро-3 и -4). В данном случае know how заключается в способе получения высокодисперсных (5-7 нм) частиц дорогих металлов, чтобы не слишком повышать себестоимость нейтрализаторов и, в целом, автомобилей.

Электроника. Широкое использование наноматериалов может изменить лицо электроники. По мнению директора института фундаментальной электроники J.-M. Lourtioz (Франция), это потребует полного переосмысления архитектуры микросхем. Идея заключается в том, чтобы воспроизвести трехмерную схему по образцу мозга, в котором каждая клетка связана с несколькими тысячами таких же соседей. Это приведет к значительному выигрышу в скорости и появлению новых функций. Схема должна быть способна к самоорганизации, установлению внутренних связей и изменению конфигурации в соответствии с поставленной задачей. Решение одновременно и проблемы миниатюризации транзистора исследователи видят в создании блока памяти процессора с использованием нанокристалла, в котором каждый бит информации (0 или 1) обеспечен одним электроном. Специалисты связывают будущее электроники с гибридными системами, сочетающими в себе различные технологии, начало эры гибридной наноэлектроники относят к 2000 г. Эти «гибриды» должны помочь в решении нескольких проблем, связанных с усовершенствованием запоминающих элементов.
Для решения проблемы энергосбережения решили использовать не только заряды электронов, но и их спины. Пионером в новой области электроники, получившей название спинтроники, является Albert Fert, удостоенный в 2003 г. Золотой медали Национального Центра Научных Исследований Франции. Основные преставления в спинтронике базируются на том положении, что электрон, обладая спином, является крошечным магнитом. Использование свойств спина электрона позволило создать такие наноэлементы для записывающего устройства, в которых ориентация намагниченности может сохраняться много дольше, чем электрический заряд в обычных блоках памяти. Это создает преимущества новых устройств при записи информации на жесткие диски и позволяет ускорить разработку новых блоков скоростной магнитной записи в память. Подобные блоки уже испытывают в космических исследованиях и рассматривают как весьма перспективные для использования в недалеком будущем в компьютерах. Работы по сочетанию магнитного и электрического способов записи были начаты еще в 1988 г., когда появилось понятие «спиновый клапан». Благодаря этому клапану, используемому в считывающей головке драйвера жесткого диска, в ближайшие несколько лет планируется увеличить плотность записи с 0.15 до 80 Гб/см². Новый материал носителей информации нелетуч и устойчив к радиации, что очень важно для использования в аэронавтике и космонавтике. Спинтроника может обеспечить прорыв в исследованиях возможности магнитной записи информации без использования внешнего магнитного поля, но только благодаря процессу переноса спинового момента. Когда ток проходит через наноустройство, спин электронов реагирует непосредственно со спином электронов материала магнитного слоя, ориентируя их в определенном направлении, подобно «эффекту домино». При этом спин одного электрона ориентирует спин другого, и так – один за другим.

Синтез и изучение одномолекулярных наномашин (менее 1 нм), способных к расчету, механическому и коммуникативному действиям - одно из новых направлений в нанонауке. Цель – создать машину, состоящую из наименьшего числа атомов: молекулярная «тачка» ловит атом, присоединяет его к себе и «переносит» в нужном направлении. Сложность заключается в необходимости тщательного контроля условий химического синтеза таких машин, но полученные результаты закладывают основы для создания в будущем нанороботов с большим набором функций.

Композиты. Молекулярный дизайн полимеров, синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров – это те направления в деятельности создателей новых композитных материалов, которые можно считать в настоящее время основными. Большое внимание также привлекают материалы, получаемые включением металлических наночастиц в полимерную матрицу. Так, английскими учеными показано,  что включение кобальт-железных металлических наночастиц (5 об. %) в блоксополимер приводит к так называемому наноэффекту, который проявляется в повышенной устойчивости материала к нагрузкам. Нанокомпозиты, содержащие даже 2 об. % минеральных наночастиц, обладают физическими характеристиками, на 10 - 125% превышающими ненаполненные аналоги, а температура деструкции при этом повышается с 65 до 150 °С. Большая часть композитов, содержащих неорганические наночастицы, пользуются повышенным коммерческим спросом. По прогнозам, к 2010 г. потребность в таких композитах возрастет до 600,000 т, а сфера их применения охватит такие важные отрасли промышленности, как производство средств связи, антикоррозионных покрытий (1 - 5 нм), УФ-защитных гелей, устойчивых красителей, новых огнезащитных материалов, сверхпрочных материалов, высококачественных волокон и пленок, ультрадисперсных (£0.1 мм) порошков тяжелых металлов (вольфрама, кобальта и др.). Поэтому аналитики Великобритании связывают экономический рост своей страны в ближайшие 20 лет с переходом многих отраслей на производство и использование наноструктурированных материалов и нанокомпозитов.

Химическое производство и нефтехимия. Особое место среди многочисленных возможностей наноматериалов занимает их использование в тонком химическом синтезе и нефтехимическом производстве как в виде реагентов, так и в качестве катализаторов. Для катализа нанообъекты представляют особый интерес, так как наноструктурированные катализаторы обладают повышенной активностью, способны работать и при пониженных температурах, и при повышенных объемных скоростях. Особый интерес вызывают высокопористые катализаторы с размером пор до 50 нм (на микрофотографиях представлены ультрадисперсные порошки мезопористых материалов на основе SiO₂ c размерами пор 2 – 14 нм). Мезопору (2 - 50 нм) рассматривают как нанореактор, размеры которого часто соизмеримы с размерами молекул. Установлено, что в таких порах химические реакции нередко протекают по нетривиальным маршрутам. Поэтому особый интерес представляют исследования структуры, свойств поверхности, природы активных центров, изучение на молекулярном и нано-уровне процессов превращения веществ и их подвижности внутри мезопор катализаторов. Понимание этих процессов позволит заложить основы конструирования катализаторов нового поколения на нано-уровне и создания новых методов синтеза, в ходе которых можно было бы контролировать размерность формируемых объектов.

Углеродные нанотрубки. Из всего множества нанообъектов наиболее известными и изученными являются углеродные нанотрубки, открытые в 1991 г. Диаметр трубок составляет обычно от 1 до 100 нм, длина – около 1 мкм. Они обладают интересными оптическими, химическими и механическими свойствами (высокая устойчивость к разрыву и деформации), могут быть прекрасными полупроводниками. Их применение охватывает производство полимерных композитов и топливных батарей, электронику и др. Свойства углеродных нанотрубок зависят от количества слоев графита и от способа их скручивания.
Наиболее активно нанотехнологические работы проводятся там, где они поддерживаются государством: в Японии, ЕС, США, Израиле, Китае, Южной Корее, Сингапуре. Среди наиболее активных компаний – IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW. Ключевая роль в развитии нанотехнологий, как правило, отводится академической науке (национальные исследовательские центры). Велика также доля венчурных проектов, финансируемых из государственного бюджета. Частный сектор, как правило, инвестирует только те проекты, продолжительность которых не превышает 3 лет. Выделяются шесть основных областей, в которых нанотехнологические исследования получают финансовую поддержку государства: производство материалов (1), электроника и оптика (2), энергетика и защита окружающей среды (3), биотехнологии и медицина (4) производство инструментов и машиностроение (5), образование (6).

 

Франция: в течение нескольких ближайших десятилетий нанотехнологии названы главным направлением научных изысканий, сочетающим в себе фундаментальные и прикладные исследования, направленные на высокотехнологичную промышленность. По данным на весну 2006 г., исследования проводятся в 180 лабораториях силами более чем 2000 ученых. Научная сеть включает также несколько национальных комиссий. Исследования проводятся согласованно в следующих областях: нанообъекты, наноэлектроника, молекулярная электроника и др. аспекты нанотехнологий, оригинальные методы получения материалов биологического и медицинского назначения.

США. Государственный проект «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) действует с 2001 г. В нем участвуют 25 федеральных агентств. В 2007 г. бюджет проекта составит 1.3 млрд. дол, что на 21%  больше бюджета 2006 г. Всего с 2001 г. годовой бюджет этого проекта вырос почти в три раза.

Следует отметить, что последняя статья по списку не является таковой по значимости, и в бюджете 2007 г. расходы на это направление возросли значительно по сравнению с 2006 г. Данный раздел программы включает в себя защиту окружающей среды, охрану здоровья, безопасность, образовательные мероприятия, исследование влияния нанотехнологий и наноматериалов на изменения в обществе: экономику, трудовые ресурсы, образовательный уровень, этику, юриспруденцию и другие социальные аспекты  жизни. В настоящее время количество наименований продуктов, произведенных с помощью нанотехнологий превышает 3 тыс. При этом более 50 % патентов в мире принадлежит американским компаниям, университетам или частным лицам.

Состояние нанотехнологических исследований в России. Отечественные исследования в этой области заметное развитие приобрели после 2000 г. В 2002 г. был создан Научный совет по наноматериалам при Президиуме РАН. Финансирование составляет примерно 20-25 млн дол. в год. Постановлением Правительства № 540 от 12.10.2004 г. в федеральную целевую научно-технологическую программу 2002 - 2006 гг. в качестве одного из приоритетов было внесено направление «Индустрия наносистем и материалы». На поддержку этого направления в 2005 и 2006 гг. было выделено в общей сложности около 150 млн. дол. Информационный вклад российских ученых в нанотехнологическую науку в настоящее время составляет 1.5%.

Финансирование. В последние 4 года развернулось настоящее соревнование между США, Японией и ЕС за господство в области нанотехнологий. Так, на реализацию государственных нанотехнологических программ правительство США выделило 1 млрд дол. на исследования, Япония –около 850 млн дол., ЕС – 700 млн евро. Феномен финансового энтузиазма объясняется тем, что развитие нанонауки и нанотехнологии в перспективе сулит высокий экономический эффект. Именно поэтому в мировом «наносообществе» существует соперничество не только за лидерство в получении принципиально новых фундаментальных знаний, но и за рынки сбыта наукоемких технологий, к которым относятся нанотехнологии. Например, по прогнозам аналитиков, в ближайшие 10-15 лет только в нефтехимической промышленности мировой годовой оборот рынка катализаторов (наноструктурированных или полученных с помощью нанотехнологических  приемов) достигнет 100 млрд дол.
По данным US National Science Foundation, только в ближайшее 10-летие экономический эффект от их внедрения может составить до 1 млрд дол. В ЕС нанотехнологии также становятся одним из приоритетов рамочных программ, где на них отводится не менее 10% бюджета. Во Франции ассигнования на развитие нанотехнологий составляют 180 млн евро, в Германии – 250 млн евро, в Великобритании – 200 млн евро в год. В последние 5 лет возросла активность частного капитала, так, в 2002 г. количество венчурных компаний, специализирующихся в области нанотехнологий, составляло 320 во всем мире.

Как видно, самым масштабным, а значит – и самым коммерчески привлекательным является производство нанопорошков. В настоящее время их используют для получения автомобильных нейтрализаторов (11.5 тыс. т), абразивов (9.4 тыс. т), материалов для магнитной записи (3.1 тыс. т), солнцезащитных  материалов. По прогнозам, к 2010 г. рынок нанопорошков должен достигнуть 11 млрд дол. против 1 млрд дол. в настоящее время.
В отдельных отраслях вложения в нанотехнологии окупаются уже сегодня. В качестве примера можно упомянуть использование General Motors материалов на основе нанокомпозитов в автомобилях, а также производство косметической продукции, содержащей наночастицы.  .

Заключение. Успешно выполнять сложные экспериментальные проекты помогает международная интеграция научных и технологических коллективов, как академических и университетских, так и частных компаний. Так, например, европейский консорциум NanoSci-ERA объединяет 17 организаций из 12 стран сообщества. Он занимается координацией деятельности ученых различных стран, формированием межнациональных исследовательских коллективов.