SOME ECONOMICAL, SOCIAL, EDUCATIONAL AND ECOLOGICAL ASPECTS OF NANOTECHNOLOGIES USE

Abstract

Some possible consequences of nanotechnologies use in different fields are described.

Full Text

В последние годы появилась новая многоплано- вая отрасль науки и техники, рассматриваются объ- екты, размеры которых укладываются в интервал от 1 до 100 нм (1 нм = 10-9 м, что соответствует размеру молекулы; «nano» по-гречески означает «карлик, гном» [1]). Вещества, имеющие такие размеры, обла- дают свойствами, существенно отличающимися от свойств одноименных материалов в массивном со- стоянии. В любой производительной сфере (от ле- карственных препаратов до космической техники) получаемые из них или с их применением материалы обладают комплексом свойств, недостижимых для обычных материалов. В связи с этим в настоящее время бурно развивается отрасль, называемая нано- технологии, которая включает сотни разнообразных технологий. Нанотехнологии - это совокупность химических, физических или искусственных биологических про- цессов, позволяющих контролировать операции с на- нообъектами, формирующими те или иные материа- лы, устройства или технические системы. Особенно- стью нанотехнологий является широкое использова- ние процессов самоорганизации, которые могут в сложно организованной системе привести к формиро- ванию необходимых упорядоченных структур (нано- структур), проявляющих требуемые практически важ- ные (функциональные) свойства. Президент Российского научного центра «Курча- товский институт» академик Е. Велихов заявил: «Сей- час вопрос стоит не просто о нанотехнологиях. Речь идет о том, что сегодняшнее состояние развития эко- номики, энергетики, окружающей среды таково, что если мы не перейдем к нанотехнологиям в целом, то у нас нет шансов выжить на этой планете». Правительства многих стран, особенно развитых, считают, что наноиндустрия может стать одним из важных факторов экономического роста. Коммерциа- лизация нанотехнологий станет ключевым компонен- том экономического роста и средством реструктури- зации национальных экономик в стратегических от- раслях. По оценкам аналитиков из Нью-йоркской кон- сультативной фирмы Lux Research, произведенные с использованием нанотехнологий продукты приносят в настоящее время среднюю ценовую премию в 11 % по сравнению с сопоставимыми обычными продуктами. Ожидается, что в 2014 г. стоимость произведенных в мире товаров с включением нанотехнологий составит 2,6 трлн долл., или 15 % от совокупного мирового выпуска продукции. Известный инвестиционный банк Merill Lynch (Швейцария) в 2004 г. ввел нанотехнологический ин- декс, символизируя интерес Уолл-Стрита к перспек- тивам нанотехнологий, а 19 из 30 крупных компаний, включенных в промышленный индекс Нью-Йоркской фондовой биржи Dow Jones, уже приняли свои нано- технологические инициативы [2]. Перспективный экономический анализ в области нанотехнологий целесообразно строить, используя так называемые стоимостные цепи. При этом цепь добав- ленной стоимости можно представить в виде трех ста- дий, пронизывающих многие отрасли: стадия - наноматериалы: наномасштабные струк- туры в необработанном виде (наночастицы, квантовые точки, фуллерены, нанотрубки, дендримеры - сверх- разветвленные трехмерные высокомолекулярные со- единения регулярного строения - идеальные строи- тельные блоки для бионанотехнологии и др.); стадия - промежуточные продукты: полуфабри- каты с наномасштабными свойствами (покрытия, тка- ни, чипы памяти, оптические компоненты, фармацев- тические материалы, сверхпроводящие провода и др.); III стадия - продукты на основе нанотехнологий: конечные товары, включающие нанотехнологии (ав- томобили, самолеты, компьютеры, изделия бытовой техники, приборы, лекарства, одежда, пищевые про- дукты и др.). На основе анализа стоимостных цепей специали- сты из Lux Research показали, что для стратегических инвесторов выгоднее сосредоточить внимание на при- ложениях, находящихся в средней части таких цепей как наиболее прибыльных. Существует общая модель создания стоимостной цепочки, которую как основу организации можно ис- пользовать в составляющей внутренних бизнес- процессов [3]. Стоимостная цепочка начинается с инновационных процессов - выявления настоящих и будущих потреб- ностей клиентов и способов их удовлетворения; про- должается в операционных процессах - доставке то- варов и услуг существующим клиентам (этот процесс рассматривается как центр системы показателей дея- тельности предприятия); и заканчивается послепро- дажным сервисом, т. е. предложением послепродаж- ного обслуживания, которое увеличивает стоимость товаров и услуг, полученных от поставщика. В настоящее время США являются ведущими в мире в области наноисследований [4]. В 2005 г. феде- ральное правительство израсходовало на развитие нанотехнологий 1 млрд долл., а корпорации и инве- сторы - около 4 млрд долл. При этом на рынке при- сутствует различной нанопродукции на сумму 13 млрд долл., а ожидаемое ее количество к 2014 г. может быть оценено в 2,6 трлн долл. Оборот мирового рынка нанопродукции в 2001 г. составил около 45 млрд долл., а по прогнозам через 10-15 лет ежегодный оборот этого рынка составит около 1 трлн долл. В докладе на международной конференции ЮНЕСКО, посвященной роли науки в XXI в., сотруд- ник Institute for global futures Дж. Кэнтон прогнозиру- ет, что в третьем тысячелетии добьются успеха и про- цветания те общества, которые сумеют лучше органи- зовать социальные системы, связанные с нанотехно- логиями (организация, обучение, развитие) [5]. Ис- пользование нанотехнологий может привести к эко- номии времени, получению больших благ за меньшую цену и повышению уровня жизни. Сочетание нано- технологий с такими достижениями XXI в., как ком- пьютеры, сети и биотехнологии, создаст новые воз- можности, которые человеческое общество не знало за всю свою историю. По мнению Дж. Кэнтона, использование нанотех- нологий должно привести к существенным переменам в общественной жизни, в частности: сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах; новой парадигмой развития станет наноинженерия, а мировой бизнес превратится в нано-бизнес; основанная на нанотехнологиях экономика суще- ственно изменит условия работы и продвижения по службе; при этом работа в будущем будет связана не столько с производством продуктов, сколько с обслу- живанием и применением знаний; нанотехнологии изменят глобальную экономиче- скую ситуацию спроса и предложения, что приведет к большему разнообразию в выборе образа жизни и за- нятий; быстрое развитие нанопромышленности потре- бует коренных изменений в системе образования, вследствие чего будут пересмотрены образовательные программы по многим научным и инженерным специ- альностям; появятся новые лекарственные препараты и ди- агностичесое оборудование; медицинское обслужива- ние станет более дешевым, доступным и эффектив- ным; наноэнергетика сделает мир экологически более чистым и позволит более эффективно использовать природное топливо; будут созданы новые типы двига- телей, топливных элементов и транспортных средств. В нашей стране проблеме нанотехнологий также уделяется большое внимание. Так, среди 34 техноло- гий, приведенных в Перечне критических технологий Российской Федерации, утвержденном Президентом Российской Федерации В. Путиным 21 мая 2006 г. (Пр-842), названы «нанотехнологии и наноматериа- лы», которые в то же время являются составными час- тями и целого ряда других перечисленных в Перечне технологий. Согласно Концепции федеральной целевой про- граммы «Исследования и разработки по приоритет- ным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.», утвержденной распоряжением Правительство Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р, выделены приоритетные направления развития науки, технологий и техники в РФ и не дублирующие приоритеты НИОКР иных фе- деральных целевых программ технологического про- филя: живые системы, индустрия наносистем и мате- риалы, информационно-телекоммуникационные сис- темы, рациональное природопользование, энергетика и энергосбережение. Наконец, 19 июля 2007 г. Президент РФ В. Путин подписал Федеральный закон № 139 «О Российской корпорации нанотехнологий» - ГК «Роснанотех», це- лью которой является содействие реализации государ- ственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехно- логий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии. Уже в 2007-2008 гг. из федерального бюджета в уставный фонд корпорации будет направлено 130 млрд руб., а до 2015 г. ее капитал может вырасти до 200 млрд руб. Эти деньги будут направлены на фи- нансирование НИОКР в сфере нанотехнологий, а так- же проектов на их внедрение в промышленности. Относительно перспектив развития нанотехноло- гий в различных отраслях следует привести точку зрения замдекана факультета науки о материалах МГУ, члена-корреспондента РАН, доктора химиче- ских наук Е. А. Гудилина [6], согласно которой в на- стоящее время становится очевидным, что PR-акции различных СМИ в отношении нанотехнологий в ряде случаев, привели к негативным последствиям. Един- ственно верным, беспроигрышным и надежным реше- нием является развитие «нанообразования», включая все его компоненты - ликвидацию безграмотности основной части населения в отношении нанотехноло- гий и борьбу с возникающей «нанофобией» (а также, напротив, с эйфорическим преувеличением перспек- тив нанотехнологий), научную популяризацию основ и основных достижений в области нанотехнологий, систематическую профориентацию школьников, аби- туриентов, бакалавров, магистров, аспирантов, разви- тие инновационых форм образования. Немаловажным также является поддержка российских нанотехноло- гичесих журналов, обеспечение высокого уровня ста- тей (экспертизы, перевода), доступности журналов, повышения их престижа и рейтинга для мирового на- учного сообщества. Стратегически (и даже тактически) развитие нано- технологий теснейшим образом связано с развитием системы подготовки и целенаправленного воспроиз- водства высококвалифицированных кадров нового поколения. Для успешной реализации нанотехнологи- ческого проекта абсолютно необходим стабильно функционирующий механизм подготовки научных кадров, причем далеко не только инженерного, но и, в основном, фундаментального профиля. Именно это должно обеспечить перспективу устойчивого развития нанотехнологий в РФ, и без этого Россия останется зависимой от Запада даже при экстраординарно боль- ших капиталовложениях непосредственно в «отрасть нанотехнологий». Развитие образовательной составляюшей нанотехнологий призвано также решить несколько других приоритетных задач. Одна из них - формирование устойчиво положительного общественного мнения о наноматериалах и нанотехнологиях. В свою очередь, положительное общественное мнение мотивирует вы- бор молодых исследователей в области дальнейшей карьеры и научно-исследовательской деятельности. С политической точки зрения создание сильных феде- ральных образовательных центров в области нанотех- нологий способно повысить авторитет РФ в целом на международном уровне, особенно в условиях завер- шения процесса присоединения к Болонскому согла- шению. Дополнительным эффектом от создания таких сертифицированных центров будет уменьшение отто- ка «мозгов» из РФ и приток слушателей из стран Азии, Европы, Китая и СНГ, что укрепит междуна- родное сотрудничество в области образования и нау- ки, а также обеспечит контингент высококлассных специалистов для нанотехнологической отрасли, включая развитие малого, среднего бизнеса и start-up (англ. «запускать») компаний (стартап-компания - недавно созданная компания, возможно, еще не заре- гистрированная официально, но планирующая стать таковой, не вышедшая на рынок или едва начавшая на него выходить и обладающая ограниченным набором ресурсов) и пр. Развитие «нанообразования» и подготовки кадров будет, очевидно, способствовать также эффективному функционированию центров трансфера технологий и технопарков, которые являются удачным механизмом превращения фундаментальных научных идей в за- щищенную интеллектуальную собственность и кон- курентоспособные высокотехнологичные изделия. 19 декабря 2007 г. состоялось научная сессия Об- щего собрания РАН, на которой среди других вопро- сов обсуждали и развитие нанотехнологий [7]. С док- ладом «О программе Российской академии наук в об- ласти нанотехнологий» выступил академик РАН, лау- реат Нобелевской премии, Ж. Алферов. Он сообщил, что Постановлением Президиума РАН № 163 от 26 июня 2007 г. была создана Комиссии РАН по нано- технологиям, в которую входят следующие секции: физика наноструктур, наноэлектроника, наноматериалы, нанобиотехнологии, нанодиагностика и образование. Необходимые финансовые средства на осуществ- ление данной программы по нанотехнологиям, по оценкам экспертов РАН, приведены в таблице. Необходимое финансирование программы по нанотехнологиям Область науки Количество заявок Стоимость НИР (млн руб.) Капитало- вложения (млн руб.) Физика наноструктур 172 6,370 4,280 Наноэлектроника 326 8,340 5,230 Наноматериалы 329 16,460 1,190 Нанобиотехнологии - 3,800 - Нанодиагностика 147 18,000 45,000 Образование - 17,920 14,040 Всего 974 70,890 69,740 Ж. Алферов дал краткий экскурс в цели и задачи исследований по каждой из секций. Он констатировал, что у научных школ СССР, а теперь и России, есть большой научный потенциал в области нанотехнологий. В заключение академик рассказал о предложениях по секции «Образование», которую он считает одной из самых важных. Ее цель - обеспечить академиче- скую, вузовскую, отраслевую науку, высокотехноло- гичные инновационные компании, предприятия ин- дустрии, специализирующиеся в области наномате- риалов и нанотехнологий, высококвалифицированны- ми кадрами. Современный исследователь в области нанострук- тур должен обладать квалификацией кандидата наук и знаниями не только в своей, но и в пограничных областях исследования. Основными принципами обуче- ния в аспирантуре должны стать меж- и мультидисци- плинарность (термины из концепции ректора МГУ, академика Садовничего). Для этого российские уни- верситеты должны создать настоящие graduate schools по примеру хороших западных, а длительность обуче- ния в аспирантуре следует увеличить до 4 лет. В каче- стве примеров вузов, где уже проводится обучение будущих нанотехнологов, Ж. Алферов назвал вирту- альный научно-образовательный центр МГУ, объеди- няющий химический, физико-химический, биологиче- ский и другие факультеты, а также Санкт- петербургский физико-технологический научно- образовательный центр. Как следствие доклада Алферова, академики про- голосовали за то, чтобы переименовать Отделение информационных технологий и вычислительной техники в Отделение нанотехнологий и информационных технологий (под руководством Президента Курчатов- ского института академика Е. Велихова). Что касается социальной сферы, то, возможно, бурное развитие нанотехнологий и приведет к такому состоянию общества, которое предсказывал извест- ный американский экономист, автор двенадцати книг по вопросам воздействия научно-технического прогресса на экономику Дж. Рифкин в книге «Конец ра- боте: сокращение рабочей силы в глобальном масшта- бе и начало послерыночной эры» [8]. На основании проведенного анализа результатов деятельности со- временного мирового хозяйства он делает вывод о том, что научно-технический прогресс ведет к гигант- скому повышению производительности труда - в промышленности в результате широкого внедрения автоматизации и роботизации, а в сферах услуг и управления - за счет внедрения вычислительной тех- ники (компьютеризации и роботизации). Например, по расчетам Международной федерации рабочих- металлистов при сохранении нынешней тенденции уже через 30 лет в мире останется не более 2 % от ны- нешней численности занятых, но при этом они смогут полностью обеспечить все потребности материально- го производства во всех странах. Можно с уверенно- стью считать, что значительную роль в этом сыграет развитие нанотехнологий в различных отраслях. Весьма перспективно применение нанотехнологий не только в технике, но и в здравоохранении. Так, ис- следователи из Технологического института Джорд- жии обнаружили, что вода в наномасштабе приобре- тает новые свойства - при пропускании через каналы диаметром менее двух нанометров становится очень вязкой, приобретая тем самым новые свойства. По словам ученых, эти исследования помогут понять процессы, происходящие, например, в живых клетках при прохождении веществ через наноканалы, что мо- жет быть важным для фармацевтических и биологиче- ских исследований. Исследователи из института БиоНанотехнологий при Северозападном университете продемонстриро- вали регенерацию спинного мозга парализованной мыши, благодаря которой подопытное животное снова обрело подвижность [9]. Методика, использованная учеными, заключалась в применении специальных молекул, которые после инъекции агрегировались в нанокомпозит, включающий механизмы саморепара- ции нейронов. Молекулы лекарства, собирающиеся в нановолокна, способствующие регенерации, могут привести к очередной революции в фармацевтике, заменив традиционный метод терапии с помощью целевой доставки лекарств. Ученые считают, что те- рапия стволовыми клетками и наноматериалами смо- жет эффективно бороться с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Возможно, в будущем может быть созда- на медицинская терапия, основанная на включении механизмов самостоятельного восстановления почек, сердца, печени. Фототермическое разрушение клеток в настоящее время является перспективным направлением как при терапии рака, так и в лечении инфекционных заболе- ваний. Суть явления такова: наночастицы золота име- ют максимум поглощения в ближней инфракрасной области и при облучении соответствующим светом сильно разогреваются. Если они при этом находятся внутри или вокруг каких-либо клеток (чего можно добиться путем конъюгации золотых частиц с антите- лами или другими молекулами), то эти клетки поги- бают [10]. При лечении инфекционных заболеваний все более актуальной становится проблема устойчивости пато- генных организмов к антибиотикам. Например, синег- нойная палочка Pseudomonas aeruginosa - широко рас- пространенный и довольно неприятный паразит, кото- рый поражает (и часто - даже со смертельным исхо- дом!) практически любые ткани ослабленного орга- низма, обладает устойчивостью к очень широкому спектру антибиотиков. Некоторые штаммы этой бак- терии вообще не чувствительны ни к одному из при- меняемых антибиотиков, поэтому обычные методы лечения оказываются недейственными. Исследователи из университета Южной Каролины (США) решили, что здесь на помощь могут прийти наночастицы золота и фотодинамическая терапия. Ученые синтезировали золотые нанопалочки разме- ром 68 нм в длину и 18 нм в диаметре, максимум по- глощения для которых наблюдается при длине волны около 785 нм, и ковалентно пришили к этим палочкам антитела к синегнойной палочке. Такие частицы были добавлены к клеткам, после чего клетки облучили лазером (785 нм, 50 мВ) в течение 10 мин. Оказалось, что в результате выжило лишь 25 % бактерий по срав- нению с необлученным образцом. Таким образом, фотодинамическая терапия, по-видимому, может быть успешно применена там, где антибиотики бессильны. Однако применение нанотехнологий связано и с возможными отрицательными последствиями. Как сообщает журнал «Коммерческая биотехнология» [11], ученые университета штата Массачусетс обнаружили, что наночастицы, по крайней мере двух типов, могут вызывать повреждения в ДНК. Исследо- вания проводились на линии клеток человеческого рака молочной железы MCF-7. Авторы протестирова- ли токсичность суспензий кремниевых и фуллерено- вых наночастиц путем оценки количества разрывов одно- и двухцепочечных молекул ДНК. Указанные типы наночастиц выбраны в силу их повсеместного применения при производстве электроники, текстиля и спортивных товаров, а также благодаря легкости работы с ними в лабораторных условиях. Результаты продемонстрировали как дозо-зависимое, так и время- зависимое повышение уровня повреждений ДНК в клетках при воздействии обоих типов наночастиц. Известно, что повреждения ДНК ведут к появлению мутаций, которые нередко являются причиной разви- тия злокачественных опухолей. Разные типы наноча- стиц могут обладать разным уровнем токсичности, однако на настоящий момент не существует данных, которые позволили бы выявить наиболее опасные ма- териалы. Кроме того, необходимо установить, прони- кают ли наночастицы внутрь клеток и вызывают по- вреждения ДНК в результате непосредственного взаимодействия, либо они запускают каскад реакций на уровне клеточной мембраны. Понимание механиз- мов токсичности наночастиц позволит разработать соответствующие методы предотвращения или ней- трализации вызываемых ими повреждений. В подтверждение вышеприведенного предположе- ния в работе [12] действительно установлена склон- ность наночастиц, размеры которых не превышают 100 нм, к пересечению границ клеток, внедрение в их объем и взаимодействие с внутриклеточными структурами. Наличие у наночастиц чрезвычайно больших площадей поверхности является фактором воздейст- вия на многие физико-химические характеристики организма. В связи с этим в области токсикологии начаты исследования по этой проблеме. Английские ученые Э. Мэйнард и Р. Эйткен опуб- ликовали статью [13], в которой раскрывают некото- рые риски, связанные с производством наноструктур. По данным журнала Nanotoxicology, к 2014 г. количе- ство людей, занятых в сфере производства наноматериалов составит более 10 млн, поэтому риск, исходя- щий от наноразмерных структур следует учитывать уже сегодня. Одним из таких рисков является появле- ние воздушных взвесей наночастиц как побочного продукта производства. В большинстве своем они токсичны для человека и могут вызывать ряд заболе- ваний. Р. Мэйнард и Эйткен разделили все возможные типы искусственно созданных наночастиц на девять категорий - от простых сферических частиц до слож- ных супрамолекулярных комплексов. Далее были ис- следованы эффекты, которые различные наночастицы производят на организм. В результате исследователя- ми получена система, показывающая, какие типы на- ночастиц и их комбинаций наиболее опасны для здо- ровья. Этот анализ показал, что для определения сте- пени опасности того или иного атмосферного окруже- ния на производстве будет недостаточно какого-либо одного теста. Инструменты для проведения подобного анализа будут довольно сложными и многофункцио- нальными, так как им нужно будет распознать не- сколько типов наночастиц сразу и определить их кон- центрацию в окружающей среде. Сейчас ученые заня- ты разработкой подобного инструмента - его предва- рительно назвали «универсальный аэрозольный мони- торинг». Эта система будет способна детально анали- зировать воздух и делать заключение о том, насколько опасно находиться в этой среде людям. Группа исследователей из университета Массачу- сетса обнаружила [14], что наночастицы могут оказы- вать негативное влияние на рост растений. Известно, что наночастицы отличаются по физико-химическим свойствам от обычных материалов, сделанных из тех же веществ. Это заставляет предполагать, что дейст- вие этих частиц на клетки живых организмов также может оказаться непредсказуемым. В проведенном исследовании изучалось влияние пяти типов наноча- стиц на развитие шести видов растений. Оказалось, что в некоторых случаях присутствие наночастиц могло сильно сказываться на прорастании семян и корневом росте у исследуемых видов растений. Это значит, что развитие и применение нанотехнологий должно учитывать возможный вред от попадания на- ночастиц в окружающую среду.