Большие маленькие нанотехнологии: хайп прошел, а что осталось?

В начале 2000-х годов мир охватил «нанотехнологический бум»: ведущие экономики мира включились в гонку и многократно увеличили вложения в исследования этой области, а в США нанотехнологии стали самым финансируемым научным проектом в истории после космической программы 60-х годов — на них были выделены шокирующие $3,7 млрд из госбюджета.

В России пик пришелся на 2010–2011 годы. Тогда, по данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС), на R&D в сфере нанотехнологий государство выделяло около $900 млн и страна входила в пятерку мировых лидеров по объему инвестиций в них после США, Европы (по $2,1 млрд) и Японии ($1,3 млрд). Эксперты предсказывали, что производство сверхминиатюрных объектов позволит получить бесконечные носители информации, создать нанороботов-врачей и совершить прорыв в синтезе материалов. Приставка «нано» стала активно использоваться даже в маркетинге: появились многочисленные наночаи, нанокосметика и даже iPod Nano. Со временем хайп спал, принятая государством в 2008 году «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации» завершилась в 2015 году, а ей на смену пришла «Цифровая экономика».

Однако технологии продолжили развиваться. В России сумма инвестиций в эту сферу в 2018 году составила 20,6 млрд рублей (в США — $1,7 млрд), разработкой и производством инновационной нанопродукции занимались более 550 компаний. Около четверти позиций в списке 100 лучших изобретений России по версии Роспатента в том же году заняли разработки в сфере нанотехнологий.

Не только графен

Несмотря на то, что широкий общественный интерес к нанотехнологиям в последние годы снизился, нельзя сказать, что они «не оправдали себя». Согласно годовому отчету РОСНАНО, в 2018 году выручка от реализации продукции отечественных предприятий наноиндустрии составила 2 трлн рублей и такой же уровень ожидается по итогам 2019 года. Всего мировой рынок наноиндустрии на текущий момент составляет примерно $6 трлн и прирастает на 15% ежегодно.

Стоит отметить, что зачастую под наноиндустриями люди ошибочно понимают очень узкий спектр высокотехнологических решений — нанороботов или миниатюрные детали. «В действительности к этой отрасли можно отнести все предприятия, где определяющим фактором в производственном процессе является использование нанотехнологий. Это и отдельные направления нефтехимии, металлургии, синтез радиофармпрепаратов и даже, скажем, производство керамических материалов — хотя на первый взгляд может показаться, что оно не имеет никакого отношения к нанотехнологиям», — объясняет операционный директор Кластера передовых производственных технологий Фонда «Сколково» Алексей Разумовский.

По мнению эксперта, ключевой фактор здесь — использование технологий, реализующих целенаправленный конт­роль за фор­мой, раз­ме­ром, ин­те­гра­цией и взаи­мо­дейст­вием составляю­щих наномас­штаб­ных эле­мен­тов конечного продукта. Они внедряются в производственные процессы, чтобы добиться новых качественных характеристик у изделия и улучшить его базовые параметры. «Если вернуться к производству керамики, то здесь добавление специального типа аддитивов — наноразмерных порошков — вкупе с адаптированной технологией ультразвукового компактирования позволяет получать материал с более высокой механической прочностью и износостойкостью, — добавил Разумовский. — Благодаря этому спектр возможных применений у нанокерамики гораздо шире по сравнению с обычной — ее можно использовать даже для замещения твердых тканей человека».

Наноматериалы, в том числе графен, за изобретение которого русские физики Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию, активно тестируют и в военной промышленности, в том числе при создании бронежилетов и высокопрочной спецодежды. В гражданских целях графен применяет, например, ГК «Энергоконтракт» при производстве термостойких комплектов для компаний электроэнергетики и пожарных служб.

Также можно выделить такие интересные продукты, как композитные материалы из базальтового волокна ООО «Гален», модифицированные наносиликаты и полимерные композиты АО «Метаклэй», биосовместимую нанокерамику АО «НЭВЗ-Керамикс», технологии формирования упрочняющих и износостойких покрытий «Новомет». Компания «ИннТехПро» (резидент Фонда «Сколково») уже несколько лет производит антикоррозионное цинк-силикатное покрытие «Циноферр» объемами более 500 тонн продукции в год для судоремонтной, нефтегазовой, строительной и других отраслей.

Именно в этом сегменте наноиндустрий, считает Разумовский, шансы России выйти на ведущие позиции в мире наиболее высоки. Действительно, в конце 2018 года экспорт продукции российской наноиндустрии оценивали в 526 млрд рублей, существенная доля которого приходилась на наноматериалы.

Электроника нового поколения

Еще одна перспективная область применения нанотехнологий, в том числе и наноматериалов, — это микроэлектроника и полупроводники. По данным исследования World Semiconductor Trade Statistics, в 2019 году объем этого рынка составил около $500 млрд. Современные наноматериалы позволяют создавать сложные электронные устройства нового поколения, которые могут применяться при производстве компьютеров, в том числе квантовых, для медицинской диагностики, высокоскоростной передачи данных и многого другого. «К сожалению, в этой области Россия еще со времен СССР сильно отстает от стран-лидеров. Стоит ли пытаться всеми силами преодолеть это отставание — вопрос спорный. Ресурсный leverage — финансовый, интеллектуальный, кадровый — наиболее целесообразно использовать там, где вероятность достижения успеха максимально высока», — отмечает Разумовский.

Конечно, это не означает, что России вообще не стоит инвестировать в сегмент микроэлектроники. Работы в этом направлении уже активно ведутся в «Сколково». Так, в 2019 году ученым из лаборатории наноматериалов университета Сколтех удалось разработать эффективный метод для контроля за ростом углеродных нанотрубок при помощи нейронных сетей. Несмотря на сложность производства, этот материал активно применяют в оптоэлектронике, энергетике и медицине. Кстати, углеродные нанотрубки успешно используются за рубежом и в России в качестве детектора аммиака, а наночастицы из оксидов других металлов — для определения концентрации различных опасных веществ. Это абсолютно необходимая вещь для сенсорики, медицины и в принципе для повышения качества жизни человека.

В феврале этого года Сколтех предложил создать на своей территории инфраструктуру для производства не только наноматериалов, но и самих компонентов для оптоэлектроники. Их можно будет в дальнейшем применять для развертывания сетей 6G, развития интернета вещей, «умного» здравоохранения, цифрового сельского хозяйства, энергоэффективных систем и других технологий будущего. На реализацию проекта закладывается около 27 млрд рублей.

Еще один пример из оптоэлектроники — разработка АО «Профотек», система измерения и мониторинга тока и напряжения на основе волоконно-оптических датчиков с использованием волноводных наноструктур. По оценкам Разумовского, это очень конкурентный на мировом рынке продукт, среди областей применения которого smart grid, транспорт, металлургия и многое другое. Резидент «Сколково» «Тинфотоника» поставляет (в том числе в Китай и США) фотонные интегральные схемы собственной разработки, которые по многим параметрам превосходят западные аналоги.

«Стоит отметить еще один проект — интегральные микросхемы для системы видеонаблюдения и видеоаналитики с элементами искусственного интеллекта, разработанные дизайн-центром „Элвис-Неотек“. Несмотря на отсутствие собственных производственных мощностей, такие „бесфабричные“ центры — их еще называют fabless — играют ключевую роль в цепочке создания микроэлектроники. Со временем ценность их продукта будет только расти с учетом тренда на кастомизацию, поэтому развитие подобных дизайн-центров кажется самой правильной точкой приложения сил», — утверждает Разумовский.

В марте этого года была запущена площадка Российского центра гибкой электроники в Троицке, на которой будет проводиться прототипирование и мелкосерийное производство TFT-матриц для различных типов дисплеев — «электронной бумаги», ЖК-экранов, OLED-дисплеев и сенсоров. Компания «ТехноСпарк», входящая в инвестиционную группу сети ФИОП и реализующая этот проект, также анонсировала завершение в 2020 году трансфера ряда технологий от своих европейских партнеров imec и Holst Centre и достаточно амбициозные цели по выходу на производственные мощности этой площадки в объеме 4 тыс. кв метров TFT матриц в год. «Очень своевременное решение: ведущие отраслевые консалтинговые компании прогнозируют практически двукратный рост глобального рынка гибкой электроники в перспективе ближайших десяти лет до уровня $75 млрд. Главными драйверами будут электронные ценники, смарт-карты, биометрические сенсоры и разного рода пластиковые чипы», — прокомментировал Разумовский.

Наноиндустрия — до сих пор очень перспективная область, недооцененная технологическими компаниями и стартапами, которых, к слову, в этом направлении совсем недавно было меньше тысячи. В ближайшие несколько лет Фонд инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) планирует заполнить этот пробел и привлечь в несколько раз больше молодых предпринимателей. Пока же большая часть научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ все еще приходится на государственный сектор — 42,6%. Отсюда же идут и основные потоки инвестиций. При этом нанотехнологии главным образом востребованы в промышленном секторе, и именно для него разрабатывается 90% всех инновационных продуктов индустрии. В частности, для таких отраслей, как добыча и обработка полезных ископаемых, производство нефтепродуктов, металлургия, химпром. Несмотря на пандемию, сейчас весьма удачное время для того, чтобы попробовать выйти с новыми решениями на рынок. Например, проекты с использованием нанотехнологий могут принять участие в программе «Промтех» (Фонд «Сколково» и ИЦ «Ай-Теко») по поддержке стартапов в области промышленности.