Журнал `Компьютерра` №724

АНАЛИЗЫ: Обострение нано

Автор: Анисин, Андрей

Я давно не был в Москве, но из телевизора и газет знаю, что если выйти на станции метро "Октябрьское поле", проехать несколько остановок до "черной головы" и проследить за взглядом Курчатова, то можно наблюдать редкое финансовое явление. За высоким забором на головы российских ученых проливается золотой дождь бюджетного финансирования.

РНЦ "Курчатовский институт" - головная научная организация Программы координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации. Бюджет программы на 2008–2010 годы - 27,733 млрд. рублей. Не бог весть что, конечно, по нынешним временам, но для сравнения: в 2006 году на всю науку в стране было выделено 72 млрд. рублей. Дальше - больше. 19 июля 2007 года президент России Путин В. В. подписал федеральный закон №139.ФЗ о "российской корпорации нанотехнологий". Тут уже из бюджета на полтора года выделяется 130 млрд. рублей [Это не зависть, это не зависть, это не зависть…], что, как легко подсчитать, составляет почти два научных бюджета страны. Поскольку бюджетные денежки не совсем чтоб чужие а, в некоторой части, очень даже свои, хотелось бы получить от этих вложений хоть какой.нибудь результат. Хотя бы из чисто эстетических соображений [Может, очередной небоскреб в Питере, Нижнем или Екатеринбурге?].Главным аргументом против инвестирования в науку является тот безрадостный факт, что подтягивание травы вверх не ускоряет ее роста. По крайней мере, существенно. Тем не менее мелиорация и рекультивация земель, гидропоника позволяют получить хорошие результаты. Программы развития нанотехнологий в США и Европе - это унавоживание почвы путем разбрасывания большого количества относительно мелких грантов. Мы же, как обычно, выбираем особый путь - путь концентрирования государственных средств. Правда, история науки знает как минимум три случая успешного вливания больших денег - ядерная физика, космонавтика и микроэлектроника. Наличие положительных примеров не может не радовать, но… впрочем, вернемся к нанотехнологиям.

Пока что наши нанотехнологии - самые большие нанотехнологии в мире. Однако если поездить по Москве, другим городам и даже поселкам городского типа, можно найти места, где технология шагнула за следующий масштабный рубеж. Ангстремные технологии. Причем достаточно развитые - им доступна практически любая атомная структура, в любом количестве и по доступным ценам. Я сейчас про классическую химию, в первую очередь органическую. Те читатели, что окончили среднюю школу, могут с гордостью именовать себя нанотехнологами. В школьном курсе органической химии [Сейчас это 10.й класс], например, есть лабораторная работа по синтезу сложного эфира уксусной кислоты и этилового спирта. Размер молекулы - порядка нанометра. Дальше - больше: растворы полимеров, коллоидная химия, гетерогенный катализ… Размеры частиц от десятков ангстрем до микрон. То есть как раз та область на шкале пространственного масштаба, что отводит себе новое направление - нанотехнология. А ведь эти области знания развиваются уже не одно столетие (особенно гончарное дело и строительные связующие). Я не хотел бы сводить все к "не там ищете" или "этому дала, этому дала, а этому не дала" [Сорока Белобока. Кашу], просто в очередной раз отмечаю, что корни нанотехнологий уходят в глубь тысячелетий. Нанотехнологии знали взлеты и периоды застоя. Они существенно определяют сегодняшнее лицо мира, да и раньше были не на последних ролях. Но развитие "древнейших нанотехнологий" всегда протекало более.менее гладко. Бывали бурные периоды, но без эксцессов.

Сегодня же мы ожидаем от развития нанотехнологий как раз эксцессов - стремительного взлета, прорыва, того, что синергетики называют "режимом с обострением". Пример такого процесса дает каменный уголь или любезные сердцу москвичей торфяники. Уголь и торф окисляются на воздухе, причем даже при комнатной температуре. Другое дело, что скорость окисления в этих условиях очень мала и без специальных приборов не регистрируется.

Но если уголь или торф собрать в большую кучу, то незначительное тепло, что выделяется в ходе реакции окисления, не будет успевать рассеиваться в окружающую среду.

уча угля или торфяник начнет саморазогреваться, скорость процесса и мощность тепловыделения возрастет (она экспоненциально зависит от температуры), и через некоторое время "без искры возгорится пламя". Классики советской науки Н. Н. Семенов, А. Д. Франк.Каменецкий и А. Г. Мержанов разработали для таких случаев теорию теплового взрыва, в рамках которой нашли предельные размеры куч, способных самовозгореться. Вот и сейчас правительство намерено собрать все нанотехнологии в одну кучу, хорошенько утрамбовать, напитать деньгами и… Однако, как показывает та же теория теплового взрыва, одного концентрирования недостаточно.

В общем случае для возникновения "режима с обострением" необходима положительная обратная связь (в приведенном примере это аррениусовская зависимость скорости химической реакции от температуры) и особый (не слишком сильный) режим рассеивания энергии (в приведенном примере это свободно.конвективный теплообмен). Продолжая параллель с развитием нанотехнологий, это можно выразить так: при некотором "критическом объеме" финансирования, правильно организованных положительных обратных связях и низкой диссипации средств нанотех перейдет в режим обострения, а вспыхнувший факел знаний осветит всю нашу экономику. Россия поднимется с колен, преодолеет вековую отсталость, задышит полной грудью… [А может, и в таком порядке: "преодолеет", "задышит" и "поднимется"]

В области построения полуизолированных и изолированных систем опыт у нашей страны огромный: можем шарашку организовать, а можем по примеру закрытых атомоградов "нано.десятку" отстроить. Нам только дай! Поэтому процессы диссипации рассматривать не будем, а обратимся сразу к положительным обратным связям. Тем более что такой опыт у нас тоже есть, но в основном отрицательный. Например, футболистам у нас платят хорошо, а играют они все равно плохо.

В последней нанотехнологической волне один из режимов обострения был ясно виден с самого начала.

Эрик Дрекслер скрестил идею Фейнмана о манипулировании материей на уровне атомов с идей фон Неймана о саморазмножающихся автоматах. Наноустройство-репликатор, захватывая атомы и энергию из окружающей среды, создает другие наноустройства - манипуляторы.

Они, в свою очередь, соединяясь друг с другом и тоже захватывая атомы и энергию из окружающей среды, создают нано., микро. и макрообъекты, в том числе и новые репликаторы.

Замечательная, красивая идея. Если манипуляторы на начальном этапе расходуются только на построение репликаторов, то количество последних растет в геометрической прогрессии. Цена их, разумеется, падает, а обратная величина соответственно растет. Так образуется положительная обратная связь (между количеством репликаторов и обратной ценой) и возникает режим с обострением.

Сегодня главным недостатком такого подхода является полное непонимание того, как создать хоть один действующий репликатор. Очевидно, что в первый образец можно вложить любые деньги, ибо через несколько шагов воспроизводства цена упадет очень сильно. Но как эти любые деньги вложить? Вот в чем вопрос. Подходы есть, начиная от изготовления на атомном силовом микроскопе и кончая использова.

нием в качестве репликатора модифицированных рибосом или целых бактерий. Пока же репликатор "страшно далек от народа". Большинство ученых, занятых в области нанотехнологий, рассматривает идеи Дрекслера как чистую фантастику, но не будем забывать, что сейчас время малых грантов. Как показывает практика, изменение масштаба финансирования может менять устоявшиеся взгляды достаточно радикально.

Еще один режим обострения роста нанотехнологий связан с замыканием положительной обратной связи по "финансовому контуру". В теории это выглядит так: первоначальные вложения в инфраструктуру (оборудование и организации), образование и фундаментальные исследования приводят к росту числа квалифицированных нанотехнологов, снижают риски НИР и повышают их коммерческую привлекательность. Это вызывает приток в отрасль сторонних инвестиций, что еще больше развивает инфраструктуру, образование и фундаментальные исследования. Соответственно, еще больше снижаются стоимость и риски НИР и т. д.

Разбирая "режим с обострением", следует отметить, что вопреки устоявшемуся мнению вложения собственно в науку не такие уж и рискованные. ВМС США заявляют об успешности 75% всех проводимых ими НИР [Г. Я. Гольдштейн, "Стратегический инновационный ме. неджмент: тенденции, технологии, практика". Таганрог, изд. ТРТУ, 2002 (www.aup.ru/books/m78)]. Это те исследования, которые были доведены до получения результата. Статистика же венчурного инвестирования куда менее оптимистична - до коммерческой реализации удается довести не более одного.двух проектов из десяти. Таким образом, узким местом этого режима является стадия внедрения и возврата средств. Именно на ней происходят наибольшие потери. Для наших условий это означает, что основные средства надо вкладывать в работу с конструкторами.

Сами по себе нанотрубки, нанотранзисторы, наночастицы никому не нужны. Они обретают ценность только в составе конечных устройств [Исключая разве что нанолекарства]. Устройства же надо сконструировать, чем и занимаются инженеры-конструкторы. Так вот, на мой взгляд, умение работать с нестандартными материалами, использовать их свойства в конструировании развито в отечественной конструкторской школе неудовлетворительно. Сегодня мы не используем даже те наработки, что принесла материаловедческая революция 50–60.х годов прошлого века. Где массовое использование предметов из углепластика, порошковая металлургия, самораспространяющийся высокотемпературный синтез? Где армирование бездефектными кристаллами, анизотропная теплопроводность, материалы с памятью формы? Конечно, "новые"[Которым, впрочем, уже за пятьдесят лет] технологии дороги, и конструкторы ширпотреба стараются их избегать. Вследствие чего мы попадаем в замкнутый круг.

Нет спроса - нет предложения. Мелкосерийное производство - высокая цена. Есть надежда, что в ВПК, где на цену никогда не смотрели, конструкторская мысль освоила нестандартные материалы более полно, но боюсь, мы будем разочарованы.

Если мы не создадим новую конструкторскую школу, активно работающую с наноматериалами, то весь успешный НИР в этой области будет внедряться тем, кто такую школу создаст. Соответственно, и львиная доля денег достанется ему. Ибо "думающий всегда получает меньше делающего, который, в свою очередь, получает меньше пользующегося" [Народная научная мудрость].

Отдельно хотелось бы сказать несколько слов о наноэлектронике. Поддержание закона Мура требует разработки все новых и новых технологий. После исчерпания возможностей фотолитографии нано-технологии являются кандидатами на основное направление в отрасли - в которой, кстати, крутятся немалые деньги.

Таким образом, наличествует огромный платежеспособный спрос, конструкторская школа, и есть механизм возврата средств в короткой перспективе. Однако риски вложений в наноэлектронику сейчас очень велики. Ибо "останется только один". Одна технология получит все сливки, а остальные будут забыты. И пока не понятно, какая получит, а какие будут забыты. Желающие могут прочитать "Сумму технологии" Лема, чтобы почувствовать, что представляла собой кибернетика на этапе становления, и сравнить с тем, что мы имеем сейчас. Увидеть, так сказать, масштаб "кладбища возможностей". Возможно, это сохранит ваши деньги.

ЛАВИНА ЗНАНИЙ

Еще один "режим с обострением" ставит во главу угла рост числа научных публикаций, или, что то же самое, рост числа выполненных НИР. Предполагается, что статьи обладают автокаталитическим эффектом. То есть каждая статья облегчает написание следующей. Чем больше работ выполнено в той или иной области, тем легче в ней же провести будущие исследования. В пределе НИР должен стать свободным как дыхание, но на практике такого никогда не случалось.

Нанотехнологическая область знаний находится на этапе становления. Терминология не устоялась, первичной структуризации еще не произошло, а вал публикаций огромен. В такой ситуации, чтобы добиться автокаталитического эффекта, ученый должен читать все. И довольно скоро перед ним встает нелегкий выбор - читать или работать. Исследования, проведенные в семидесятых годах прошлого века, показали, что зачастую проще провести работу зановочем найти в периодике уже полученные результаты. Тогда, конечно, не было персональных ЭВМ, баз данных, Интернета. Теперь все это есть, а оптимизма нет.

Я уже писал в "Компьютерре" [offline.computerra.ru/2007/689/321870], что нынешний механизм трансляции данных (особенно экспериментальных) в научной среде имеет ряд существенных недостатков. Главный из них - есть слишком много важной информации (в первую очередь об особенностях используемой аппаратуры), которую невозможно передать обычными методами (в виде научной статьи, протокола и т. п.). Для случая нанотехнологий это особенно заметно. Оборудование и материалы в основном созданы "на коленке", алгоритм построения наноструктур трудно формализуем, а технология часто невоспроизводима. Да и задача добиться воспроизводимости пока не стоит. В итоге плотность полезной информации в статьях по нанотехнологиям фатально низка. Оказалось, что мы имеем дело с каналом, в котором происходит очень быстрое насыщение. На мой взгляд, в своем нынешнем виде он не может поддерживать "режим с обострением".

Некоторый "подогрев среды" возможен в случае "смычки города и деревни" - теоретических и экспериментальных работ.

Численные эксперименты, основанные на методах молекулярной динамики и квантовохимических расчетах, хорошо стандартизованы и воспроизводимы. Их результатами и методиками научные группы легко могут обмениваться; кроме того, такие эксперименты довольно дешевы. Вкачав достаточно средств в теоретическую нанотехнологию, математическую симуляцию и численный эксперимент, мы можем перевести развитие этих областей в "режим с обострением", но вот совмещение этих работ с экспериментальной средой… То, что мы можем получить экспериментально, в расчетном плане не интересно, а то, что интересно теоретически, мы пока не можем получить в эксперименте. В итоге интересных теоретических задач с ожидаемым практическим выходом пока немного (в основном они относятся к наноэлектронике), а ведь как раз такие задачи могли бы стать точками инвестиционного роста.

В сущности, в нанотехнологический НИР сейчас невозможно вложить большие деньги. Одна задача - это одна установка (например, атомно.силовой микроскоп), три-четыре сотрудника/лаборанта, ну, мо.жет быть, еще один теоретик, работающий на персоналке. Все! Если мы купим еще установку, наймем еще людей - мы не приблизим решение исходной задачи, а в лучшем случае займем людей новой. Получается, что в современных условиях возможен только экстенсивный рост знаний. Именно это мы и наблюдаем. Для перехода на интенсивный путь развития нужно построить специальную инфраструктуру. Необходимо разделение труда, механизм передачи данных, грамотное планирование и многое другое. К счастью, ничего невозможного не требуется. Были бы деньги, люди и мозги у них.

В этом разделе я бы хотел обратить внимание не на замечательный "нанотехнологический" рассказ Грега Бира, а на "музыку нанотехнологий", с которой тоже что.то надо делать. Согласно Аристотелю, музыку можно рассматривать "…как отражение чисто временного процесса, как чистую процессуальность, как чистейшее становление, для которого не характерно ничто устойчивое и ничто неподвижное…" [Лосев А., История античной эстетики. Аристотель и поздняя классика]. В настоящее время нанотехнологии являют собой чистую музыку. Что, конечно, романтично, но весьма непрактично. Наноразмерные системы сейчас представляют собой функцию использующейся в исследовании аппаратуры. Отключи аппаратуру, и музыка (наноструктура) угаснет. Объект будет разрушен агрессивной окружающей средой, или естественными процессами деградации, или его просто не смогут найти на "предметном стекле". Создаваемые сейчас наноструктуры не могут быть охарактеризованы как устойчивые и неподвижные. И - самое главное! - они не могут быть включены в научный оборот. Следовательно, уже созданные нанообъекты не могут облегчить создание последующих, не могут выступать для них составными частями, не могут разрабатываться независимыми группами исследователей в кооперации.

Увеличение числа музыкантов в оркестре не приводит к увеличению качества и количества музыки. Поэтому оркестры не очень велики (камерные даже можно в одну камеру посадить). Пока нанотехнологии представляют собой "чистую процессуальность", мы в лучшем случае сможем организовать из них маленький оркестрик или несколько слабо связанных оркестриков. Для таких маленьких рыхлых структур надежды на возникновение "режима с обострением" невелики. Слабая связность - слабая обратная связь. Рыхлость - сильные процессы рассеяния. Надо переводить нано-технологии в режим с накоплением, где происходит оборот готовых наносистем, их комплектующих, исходных материалов.

Для этого надо вкладываться в стандартизацию оборудования и приборов, разработку воспроизводимой технологии получения исходных материалов с жесткими параметрами (например, нанотрубки с заданной слойностью, диаметром и длиной), развитие методов консервации наноструктур, методов передачи образцов с установки на установку (системы позиционирования, реперные сетки, метки и др.), методов сращивания нанообъектов. И вот тогда, если получится, музыка застынет в камне, и в ней можно будет жить. В том смысле, что каждый созданный нанообъект будет способствовать появлению следующих, возникнет положительная обратная связь, начнется "режим с обострением", нанотехнологии сделают рывок, Россия поднимется с колен…

Подозреваю, что перечисленные мною четыре примера положительной обратной связи не исчерпывают все множество возможных механизмов "самовозгорания" нанотехнологий. Наверное, есть и другие, более сложные и, может быть, более удобные.

Надо просто искать. Как естественника меня привлекает моделирование, дающее на выходе число, - ну привык я к этому! Поэтому, перечитывая статью, чувства полного удовлетворения не испытываю - все рассуждения на качественном уровне. Сто тридцать миллиардов рублей - много это или мало? По сравнению с моей зарплатой - огромные деньги, а с точки зрения необходимого? Достаточно ли этих средств, чтобы запустить "режим с обострением"? Можно было бы прикинуть грубо, "на пальцах", но мне для этого не хватает социометрических данных. Пока же, пользуясь справочником по пожарной безопасности, я определил критический объем финансирования, который можно сконцентрировать в кубическом штабеле купюрами по 10 рублей без угрозы самовозгорания. Получилось около 600 млн. рублей [Расчет весьма приблизительный]. Впрочем, их все же лучше вложить в развитие нанотехнологий.

"Режим с обострением" - процесс, в ко тором изучаемая величина обращает ся в бесконечность за ограниченный промежу ток времени. Такие процессы возникают, на пример, в математических моделях термоядерного горения плазмы.