13.07.2007

Георгий Малинецкий, Максим Калашников

ГЕНИИ «ЗА БОРТОМ»

Как уберечь от провала проект создания российских нанотехнологий?

Формирование «Роснанотеха» идет сегодня форсированными темпами. Как минимум 130 миллиардов рублей должно быть влито в государственную корпорацию уже в 2008 году. Вопрос, однако, в том, куда и для чего, вкладываются столь значительные средства? Есть ли четко поставленные цели и задачи? Каковы критерии успеха вложений?

ОТВЕРГНУТЫЙ ДОКЛАД

5 июля 2007 г. случилось беспрецедентное событие. В тот день в Государственной Думе проводилось совещание по вопросам развития и применения в промышленности отечественных достижений в области нанотехнологий. Накануне на него правительственной телеграммой пригласили представителей авторитетнейшего академического Института прикладной математики. Основанный великим Мстиславом Келдышем, ИПМ был важнейшим участником советских атомного и космического проектов. 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 ИПМ, стало совершенствование ядерного оружия, математическое обеспечение космических полетов, разработка систем управления сложными техническими объектами. ИПМ работал в тесном контакте с коллективами, которые возглавляли академики Игорь Васильевич Курчатов и Сергей Павлович Королев. ИПМ выступал экспертом при разработке программ и проектов национального масштаба.

На сей раз подготовлен доклад о проблемах отечественного нанотеха, таблицы, иллюстрирующие положение дел в мире и у нас. Но... на совещание ИПМ не допустили, материалов института не передали и участникам встречи. Комментарии излишни. О чем же хотели сказать ученые?

 

НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ ВМЕСТО ФАНТАСТИЧЕСКОЙ «АЛХИМИИ»

В том, что страна должна развивать нанотехнологии, нет никаких сомнений. Успешная реализация решения Президента РФ позволит России ответить на вызовы в сфере национальной безопасности и поднимет отечественную науку на качественно новый уровень. Есть и военный аспект, связанный с развитием нанотехнологий. Это – опасность вывода 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. 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.

Так что проекту отечественного нанотеха – быть, это ясно без всяких колебаний. Однако выполнение этого решения представляет очень сложную задачу, требующую сверхусилий от руководителей, исследователей, представителей промышленности и оборонного комплекса.

Первое серьезное усилие состоит в том, чтобы понять: что такое нанотехнология? Куда и как надо вкладывать деньги и на каких направлениях вести организационную работу? Ведь пока здесь – полный туман неопределенности.

Дело в том, что современная российская нанотехнология, повторяя развитие химии, сегодня находится явно на донаучной, алхимической стадии. Приверженцы нанотеха сейчас много говорят о его предельном развитии: создании сверхмалых нанороботов-сборщиков, которые должны собирать из атомов нужные изделия прямо из исходного сырья, сделав ненужной промышленность нынешнего типа. С другой стороны, нанороботы могут вводиться в человеческий организм, побеждая болезни, «ремонтируя» клетки нашего тела – и тем самым продлевая нашу активную и здоровую жизнь на десятки лет. Кроме того, технологии операций на уровне атомов должны дать материалы невиданной легкости и прочности, сверхъемкие аккумуляторы, компьютеры, различимые лишь в сильный микроскоп и т.д.

Вспомним предшественницу химической науки – алхимию. Она развивалась со II до XVII века. 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). Сравните это с нынешними грезами нанотехнологов о производстве полезных вещей из песка и воды и о продлении жизни человека с помощью крохотных нанороботов в крови. Алхимия была связана с магией, большими деньгами, неоправданными надеждами и обилием шарлатанов. Которые, кстати, тоже говорили: «Дайте нам побольше денег – и мы создадим вам и камень для превращения свинца в золото, и продлим вашу жизнь до тысячи лет». Этим грешил даже великий Парацельс. И только 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.

В этой ситуации задержка нанотехнологии на «алхимической» стадии крайне опасна. Вызывает большую тревогу тот факт, что задачи нанотехнологии как области знания в полной мере не осознаны, что отсутствуют многие необходимые математические модели и понимание ряда важнейших процессов.

 

НУЖЕН МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ ПОДХОД

Сегодня головным по нанотехнологиям стал неакадемический РНЦ «Курчатовский институт» (Институт ядерных исследований). Но ведь нанотех – не только ядерная физика. Не меньшее право называться нанотехнологами имеют и те, кто работает с веществом на атомном уровне: генные инженеры и биотехнологи. Или исследователи из области микроэлектроники, умеющие располагать один миллиард элементов микросхемы на одном кристалле. В наноэлектронике речь пойдет уже о сотне миллиардов элементов на один кристалл. Однако тут понадобятся специалисты, имеющие дело по крайней мере с миллионами, работавшими в сфере создания искусственного интеллекта.

Наноэлектроника уже сравнима по количеству элементов с головным мозгом человека – стало быть, тут нужны и специалисты по центральной нервной системе. А еще и те, кто занимается технологиями мелкодисперсных порошков – где те или иные вещества дробятся до размеров наночастиц и обретают новые свойства. Но почему-то эти исследователи оказались в стороне от российского нанотех-проекта.

А ведь помимо всех названных исследователей, нужно привлекать к делу и математиков, и исследователей поведения сложных, «непредсказуемых» систем из многих хаотических элементов. Определив приоритеты, мы сможем подключить к проекту фундаментальную науку и создать то, без чего немыслим серьезный проект – математические модели.

Проблема развития нанотеха носит ярко выраженный междисциплинарный характер. И главная надежда нанотехнологий связана с тем, что удастся двигаться не «сверху вниз», а «снизу вверх». То есть, не строить машины, которые будут строить еще меньшие машины, а те – еще меньшие и так далее, а выращивать наноструктуры, наноматериалы, нанообъекты из атомов. Главная мечта нанотехнологов – нанотехнологически собирать готовые изделия: хоть ракетные двигатели, хоть готовые ботинки. Но для всего этого требуются три ключа:

1. Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.

2. Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов – общего языка, понятий и моделей. Только широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе возможно и 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 взаимосвязаными, чем ныне.

3. Чтобы нанотехнологии не остались научной фантастикой, они должны найти свое место в экономике, включиться в существующие экономические циклы или создать новые. Это требует активного мониторинга и сопровождения на всех этапах от лаборатории до рынка. Речь идет о качественно новом уровне управления, позволяющем 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. Однако все это относится к макромасштабу. Механизмы самоорганизации на наномасштабах только начали изучаться. Чтобы состоялись нанотехнологии, опережающими темпами должна развиваться нанонаука.

Приведем один пример. Наноструктуры позволяют создавать покрытия с невиданными свойствами. Они в принципе дают возможность идеально маскировать объекты, делать их «невидимыми» для человеческого зрения. 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. Как видите, в основе лежит фундаментальное исследование, давшее плоды через десятки лет.

Однако для того, чтобы проектировать наноматериалы, требуются уникальные компьютерные расчеты. Например, в ИПМ имени Келдыша рассчитывалось распространение волны в фотонном кристалле. Для этого потребовалось создание новых моделей, принципиально новых алгоритмов и расчетов на многопроцессорных комплексах. Насколько нам известно, в других организациях и странах мира так считать пока не умеют.

В ИПМ ведутся работы, связанные с нанотехнологиями. Они имеют принципиальное значение для нанонауки и нанотехнологий. Среди них:

1) системы математических моделей нанопроцессов;

2) компьютерные расчеты на кластерах и суперЭВМ;

3) подготовка специалистов для этих задач (бакалавры и магистры по специализации «Вычислительная физика и нанотехнологии»).

Таким образом, создание внятной программы развития нанотеха начинается с более или менее определенного круга исследований и работ. С создания междисциплинарного «пула» исследователей и экспертов. Тогда будет ясно, куда вкладывать деньги и на что рассчитывать. При этом избегая дублирования работ, «изобретения велосипедов» и сильно ускоряя движение вперед.

 

СРЕДСТВА ЕСТЬ. А КАКОВА ЦЕЛЬ?

Пока что ничего этого у нас не сделано, а деньги уже вкладываются, и немалые – почти полмиллиарда долларов в год. Подо что? Увы, пока что под «найти то, не знаю что». За бортом остались многие коллективы и научные центры по всей стране, которые имеют реальные достижения в нанотехе, пусть и на уровне «алхимии».

Например, в Ярославском государственном университете есть сильная нантохнологическая команда Александра Рудого, сумевшая добиться впечатляющих результатов – создала полевой транзистор с поперечным легированием канала. Разработала сверхтонкие палладиевые мембраны для водородной энергетики – и кремниевые солнечные батареи с улучшенными характеристиками. Выдала «на гора» наноструктурированные стекла для медицины. И это – на грошовом финансировании! Однако нанотехнологи ЯрГУ не привлекались к работе по созданию «Роснанотеха». Есть и другие команды в ряде институтов РАН с нано-достижениями – в Саратове, Томске, Красноярске, Перми, но и они оказались выключенными из процесса. Более того, в самой Москве есть институты в области военной электроники, которые принимали участие в разработке советской программы наноэлектронного прорыва (начала разрабатываться в 1984-м, принята в 1989-м, остановлена – в 1991-м). Их опыт и потенциал также остался невостребованным, а попытки участвовать в проекте на стадии формирования были жестко пресечены.

Предельная закрытость российского «нанотехнологического проекта», отсутствие каких-либо обсуждений темы на научном уровне вызывает к нему обоснованное недоверие среди российских ученых. Многих из них уже сейчас трудно разубедить в том, что это делается ради «освоения» огромных бюджетных средств и приведет к их бесцельной растрате.

 

КАК НЕ ПОВТОРИТЬ СТАРЫХ ОШИБОК

Давайте посмотрим, как нанотехнологии развивают в Соединенных Штатах. Все началось с того, что американцы осознали – к цели можно идти не только от простейших структур, от уровня атомов к созданию сложных объектов, но и иначе, разобравшись вначале 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 междисциплинарный комплекс исследований, связанных с таким подходом, называется «NanoBioInfoCognito». То есть американцы с самого начала поняли, что нанотех теснейшим образом связан с генно-инженерными (биологическими), информационными и когнитивными технологиями (технологиями познания). На этом стыке рождаются новые направления в прикладной математике, дающие принципиально новые возможности. Обычно их называют биовычислениями или нейронаукой. Это интереснейшие и важнейшие направления, которыми в Институте прикладной математики РФ (да и в России в целом) занимаются, увы, лишь отдельные энтузиасты.

В 2000 году американцы выпустили «белую книгу» по нанотехнологиям, где честно признали: первых плодов работы нужно ждать минимум через десятилетие. Зато они скрупулезно собрали информацию о том, что в стране уже сделано в области нанотеха, какие ученые (с указанием их координат) работают по теме и каких они добились успехов. Было сформировано экспертное сообщество, разделенное на группы, способные к кооперации для достижения совместных целей. Ничего подобного в РФ при организации «Роснанотеха» пока не сделано. Получилось, что многие исследователи, реально добившиеся первых успехов, остались «за бортом», они как бы «не существуют» для распорядителей проекта. Все это, кстати, сильно напоминает события тридцатилетней давности, когда СССР решил одним рывком наверстать отставание от Запада в суперкомпьютерах. Можно было поступить так: найти людей, показавших реальные достижения в компьютеростроении – и выдвинуть их наверх, сплотив вокруг них новые силы. Но поступили, к сожалению, иначе: сначала открыли Отделение информатики АН СССР, создали высокооплачиваемые должности и многочисленные штаты, назначили «гениев» и «светил», раздали регалии, и только потом стали заниматься компьютерами. В итоге отставания так и не преодолели.

Та же история повторяется и сейчас в отношении «Роснанотеха». Еще не определена область работ, не создано научное междисциплинарное сообщество – зато набирает обороты формирование бюрократической корпорацией с огромным финансированием, и, заметим, с правом тратить 10% своего огромного бюджета на управленческие расходы. В наблюдательном совете «Роснанотеха» будут семь чиновников и семь неизвестных пока «представителей науки и бизнеса» (последнее словосочетание явно настораживает, ибо пока неясно, на чем последние будут зарабатывать деньги). При этом четких критериев успешности работы «Роснанотеха» пока нет, и начинать дискуссию хотя бы об их определении пока, видимо, никто не собирается.

Окончание см. здесь.

Об авторах: Георгий Малинецкий – доктор физико-математических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института прикладной математики РАН

Максим Калашников – писатель-футуролог

Количество показов: 2876

(Нет голосов)