Чудеса нанотехнологий

09.09.201026670
В июне 1999 г. нобелевский лауреат по химии Ричард Смолли (Richard Smalley) выступил с докладом в Палате представителей США. Несколькими месяцами ранее у него обнаружили злокачественное заболевание лимфатической системы, так называемую неходжкинскую лимфому. Ученый, изнуренный химиотерапией, проделал тяжелый путь из Университета Райса (Rice University) (США) в Вашингтон, что, однако, никак не сказалось на его блестящем выступлении, посвященном одной из самых обсуждаемых сегодня в научном мире тем – нанотехнологиям.

«Мы близки к тому, чтобы создавать вещи, работающие с максимальной точностью на минимально возможном разрешении, то есть на атомном уровне», - сказал Смолли, чье удостоенное нобелевской премии открытие бакминстерфуллерена в 1985 г. послужило толчком к началу подобных исследований. В качестве примера Смолли рассказал законодателям о своей работе с углеродными нанотрубками, которые были разработаны в 1991 г. Эти полые углеродные цилиндры, диаметром всего несколько нанометров, способны проводить электричество лучше, чем медь. Кроме того, из углеродных нанотрубок можно создавать волокна, которые будут в 100 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Смолли также прогнозировал, что такой метод, как химиотерапия, разрушивший его организм, через 20 лет выйдет из употребления: на смену ему придут особые нанопрепараты, способные поражать злокачественные клетки с минимальными побочными эффектами.

«Возможно, я уже не увижу этого, - сказал он, - но я уверен, что с вашей помощью это обязательно произойдет. Рак навсегда останется в прошлом».

[lib]1smalley.jpg[/lib]

Нобелевский лауреат Ричард Смолли (Richard Smalley) – ведущий специалист в мире в области нанотехнологий (фото: P. DUMAS/EURELIOS/SPL).

Смолли призывал правительство США создать программу National Nanotechnology Initiative (NNI), координирующую и развивающую исследования в области нанотехнологий. В 2000 г. президент США Билл Клинтон официально объявил о запуске программы NNI. За время ее существования в США было создано более 70 государственных научных центров нанотехнологий; возникли новые междисциплинарные совместные проекты врачей, биологов и социологов; появилась целая система инвесторов, аналитиков для коммерциализации научных открытий. Бюджет NNI со временем возрастал, общее финансирование программы составило 12 миллиардов долларов США. Однако спустя 10 лет программа была подвергнута критике, в первую очередь из-за медлительности в решении экологических и медицинских вопросов наноматериалов.

«История NNI может послужить полезным примером для разработки исследований в таких научных областях, как синтетическая биология, возобновляемая энергия и адаптация к изменению климата – то есть в тех областях, где научные исследования и их прикладное применение должны быть четко скоординированы», - говорит Дэвид Реджески (David Rejeski), руководитель программы Science and Technology Innovation Program в Международном научном Центре имени Вудро Вильсона (Woodrow Wilson International Center for Scholars) (США).

Успех NNI во многом был обусловлен тем, что программа была создана в конце 1990-х гг., когда наука быстро развивалась благодаря открытиям предыдущего десятилетия, таким как бакиболы, нанотрубки и разработка атомно-силового микроскопа. Благоприятная политическая ситуация в стране также способствовала успеху: экономика США быстро развивалась, особенно в отношении высоких технологий. А Билл Клинтон, который как раз приближался к концу своего президентского срока, хотел закончить карьеру на позитивной ноте.

Любая крупная научная программа нуждается в сторонниках с громкими именами. Одним из них стал нобелевский лауреат Ричард Смолли. К сожалению, его слова на выступлении в Палате представителей оказались пророческими: Смолли не дожил до разработки наночастиц, способных разрушать раковые клетки, и скончался 28 октября 2005 г. Но до тех пор он был неустанным поборником нанотехнологий и, в частности, программы NNI.

Еще одним сторонником программы стал биоинженер Михаил Роко (Mihail Roco). В течение 10 лет он занимался изучением наночастиц в Университете Кентукки (University of Kentucky) (США), а затем, в 1990 г., стал программным менеджером в Национальном Научном Фонде США (National Science Foundation (NSF)). В 1996 г. к Роко пришло понимание, что нанотехнология – это не просто коллекция отдельных научных работ в этой области, а новая дисциплина с большим потенциалом революционизации обширных областей науки и промышленности, таких как здравоохранение, сельское хозяйство, производство, информационные технологии и энергия.

Роко нашел множество единомышленников, и к концу 1990-х гг. он и семеро его сторонников из других компаний начали разрабатывать план для NNI, и привлекать к этой работе ведущих специалистов. Именно Роко порекомендовал Ричарда Смолли в качестве эксперта для слушания в Палате представителей Конгресса США в июне 1999 г.

В этом же году начала осуществляться политическая поддержка программы NNI со стороны Белого Дома. Томас Калил (Thomas Kalil), ведущий консультант Национального Экономического Совета (National Economic Council) Билла Клинтона по технологическим вопросам, увидел в нанотехнологиях потенциал для экономического развития многих отраслей, включая электронику. В марте 1999 г. он помог Роко организовать десятиминутное выступление перед представителями власти в Белом Доме, которые занимались составлением плана государственного бюджета на 2001 г.

Профессор физики Нил Лэйн (Neal Lane), ставший в 1998 г. главным советником президента Клинтона по вопросам науки и технологий, был знаком с работой Смолли и выступил в Конгрессе, признав потенциал нанотехнологий. В 1999 г. Лэйн созвал Совет Консультантов по Вопросам Науки и Технологии при Президенте США (the President's Council of Advisors on Science and Technology), в котором он был сопредседателем, для официальной рекомендации включения программы NNI в государственный бюджет, и 21 января 2001 г. в Калифорнийском Технологическом Институте (California Institute of Technology (Caltech)) в Пасадене (США) Билл Клинтон официально объявил о включении в государственный бюджет 500 миллионов долларов на программу NNI.

Маленький, но эффективный

Джеймс Хит (James Heath), химик из Калифорнийского Технологического Института, до сих пор помнит свое волнение, когда он узнал об открытии программы NNI. «Пару лет назад я даже не мог убедить людей в том, что нанотехнологии – это отдельная область знаний. А теперь это целая государственная программа», - говорит он.

[lib]1roco.jpg[/lib]

Михаил Роко, главный специалист NNI в прошлом десятилетии (фото: NSF)

Роко, который был председателем координационного комитета NNI до 2006 г., а теперь является главным консультантом фонда NSF по нанотехнологиям, отмечает, что, начиная с 2000 г., только в США число патентных заявок и публикаций по нанотехнологиям ежегодно увеличивается в среднем на 17% и 30% соответственно. Роко может назвать фаворитов. Например, в 2006 г. ученые из Университета Райса (Rice university) (США), опубликовали результаты исследований по разработке специфических железных наночастиц для удаления мышьяка из питьевой воды [1]. В 2008 г. ученые из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California) разработали трехмерный метаматериал, способный преломлять свет в направлении, обратном тому, в котором преломляют свет естественные материалы [2,3] – процесс носит название негативного преломления. И, наконец, в 2009 г., исследовательская группа из Университета Гарварда (Harvard University) (США) продемонстрировала особый наноскопический транзистор, внедренный в кардиомиоциты сердца живого человека и измеряющий их электрическую активность [4]. На официальном сайте NNI можно познакомиться с тысячами других результатов исследовательских работ: от создания наноматериалов для батарей сверхбыстрой зарядки и разрядки до разработки наноструктур, способствующих регенерации нервной ткани после повреждения спинного мозга.

В то же время, многие участники программы соглашаются с тем, что нельзя сделать вывод об эффективности программы NNI, только лишь подсчитывая количество опубликованных работ. К 1999 г., после того, как многие области науки и техники сделали шаг в направлении наноскопических технологий, касающихся разработки новых материалов, производства полупроводников или изучения молекулярных механизмов, действующих в живой клетке, большинство работ получило финансирование. «Сложно сказать, в чем заслуга именно NNI, а что совершенствовалось просто благодаря развитию определенной области знаний», - говорит Фэдон Авоурис (Phaedon Avouris), руководитель группы наноскопической науки и техники в Исследовательском Центре Уотсона (T. J. Watson Research Center) корпорации IBM (США).

Многие считают, что одним из самых важных моментов стал психологический, то есть просто осознание нанотехнологий как отдельной области знаний, а NNI – как программы. После того, как управление NNI официально узаконило область нанотехнологий, это сделало ее более доступной и менее рискованной для инвестиций. По словам Роко, индустрия быстро начала принимать нанотехнологические исследования, а к концу 2001 г. в небольшом городе Скоки (Иллинойс, США) образовалось промышленное объединение Nano-Business Alliance.

Промышленность, в свою очередь, способствовала укреплению и процветанию NNI при переходе от демократической политики Клинтона к республиканской политике Джорджа Буша. В первый год существования бюджет программы составлял 464 миллиона долларов США; сумма равномерно росла, и в настоящий момент она составляет 1,7 миллиарда долларов США. Все эти деньги распределены между 25 агентствами федерального правительства США, хотя основные средства ушли в следующие 5 агентств – Министерство Энергетики США (U.S. Department of Energy (DOE)), Национальные Институты Здоровья США (National Institutes of Health), Национальный Научный Фонд National Science Foundation (NSF), Министерство Обороны США (Department of Defense) и Национальный Институт Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology). Средства направлены на поддержку 70 разных исследовательских центров, где сосредоточена основная научная работа в области нанотехнологий.

Вовлечение в работу столь многих агентств способствовало также повышению уровня информированности о нанотехнологических исследованиях за пределами научного общества. Например, Национальный Институт Онкологии США (National Cancer Institute) финансировал исследования в 8 Центрах по применению нанотехнологий для лечения рака (Centres of Cancer Nanotechnology Excellence). NSF финансирует 2 нанотехнологических центра, отвечающих за освещение исследований средствами массовой информации. «Еще один важный бонус программы NNI заключается в том, что она позволила понять, что нанотехнология – междисциплинарная область, которая не ограничивается взаимодействием между учеными и инженерами, но также затрагивает экономистов, социологов и философов», - говорит Кевин Осман (Kevin Ausman), химик из Государственного Университета Оклахомы (Oklahoma State University) (США), занимавшийся изучением программы NNI.

Восхождение науки

Децентрализация, которая дала возможность NNI развивать междисциплинарные исследования, способствовала также возникновению проблем с управлением. Было создано множество координационных центров для управления исследованиями, но не было единого органа, контролирующего бюджет NNI, куда бы стекались финансовые отчеты от всех 25 агентств. Следовательно, для принятия какого-либо решения требовалось согласие всех 25 центров.

«Научные программы такого рода обычно более успешны с точки зрения сотрудничества и генерации идей, однако есть и существенный недостаток: не всегда понятно, кто несет ответственность за выполненную или невыполненную работу», - говорит Крэйг Бордман (Craig Boardman), эксперт по науке и политике из Государственного Университета Огайо (Ohio State University) (США).

Самой главной неудачей программы NNI считается медленная реакция в ответ на потенциальную опасность, которую представляют наноматериалы для здоровья человека и окружающей среды. К сожалению, последствия могут быть серьезными. Это связано не только с малым размером наночастиц, благодаря чему они способны пройти через плазматическую мембрану клеток живых организмов, но также с их большей химической активностью в сравнении с обычными материалами. «У меня такое ощущение, что люди, управляющие процессом, не вполне осознавали этот риск. Это было несколько наивно», - говорит Эндрю Мэйнард (Andrew Maynard), директор Научного Центра по Оценке Рисков в Университете Мичигана (Risk Science Center at the University of Michigan) (США).

Программа NNI не финансировала исследования, связанные с оценкой рисков, вплоть до 2005 г. Но даже тогда ее попытки были плохо скоординированы. Наноматериалы имеют очень широкий диапазон свойств, и это представляло существенную проблему для исследователей, не знавших, с чего начать. «Для начала необходимо было составить список наноматериалов, рекомендуемых для фундаментальных научных исследований рисков, а не заниматься бессистемным выбором материалов», - говорит Осман.

Переломный момент наступил в декабре 2008 г., когда комитет Национального Совета по Исследованиям раскритиковал план исследований рисков, годом ранее разработанный NNI: «В документе отсутствуют инвестиции заинтересованных в исследовании групп, а также такие существенные элементы, как четко сформулированные цели и комплексная оценка состояния науки». В ответ на это NNI провела серию из 4 семинаров для сбора инвестиций с целью выпуска к концу 2010 г. обновленного плана исследований рисков. В результате в этом году финансирование NNI благодаря затратам на исследования рисков, выросло до 92 миллионов долларов США.

Самый горячий префикс в истории науки

Учитывая всеобщее внимание к нанотехнологиям, реклама программы NNI была неизбежна. Ученые, которые прежде никогда не называли свою работу нанотехнологиями, стали искать любой способ переименовать свои исследования, чтобы воспользоваться государственным финансированием. Многие компании начали разрабатывать «нанотехнологические» исследования. Студенты записывались на специализированные университетские курсы и учебные программы. Появилось большое количество нанотехнологических журналов, сайтов, конференций. «Нано-» стал самым горячим префиксом в истории науки.

Многие ученые нашли в этом повод для беспокойства. «Если обещания сделаны, но не выполнены, мы теряем доверие», - говорит Милдред Дрессельхаус (Mildred Dresselhaus), занимающаяся изучением углеродных нанотрубок и висмутовой нанопроволоки в Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology) (США).

Другие исследователи считали, что именно благодаря этой рекламе наиболее востребованные физические исследования наконец-то получали финансирование от NNI.

Время применения

Со временем ажиотаж вокруг нанотехнологий снизился. Если Смолли не ошибался насчет того, что только через 20 лет мы получим первые плоды нанотехнологических исследований, то мы только на полпути.

Первая декада программы была в основном посвящена фундаментальным исследованиям. Ученые прошли путь от разработки простых наноструктур до тщательно спланированного дизайна наносистем со сложными функциями, такими как доставка препаратов к определенным клеткам организма. В следующем десятилетии человечество будет применять нанотехнологические исследования на практике.

В настоящее время Роко проводит международные встречи с учеными для формулирования концепции нанотехнологий до 2020 г. В последнем годовом отчете NNI изложены возможные варианты применения нанотехнологий в ближайшем будущем для таких отраслей, как наноэлектроника и использование солнечной энергии. Необходимость направления научных открытий в коммерческую сторону также была одной из главных тем заседания Совета Консультантов по Вопросам Науки и Технологии при Президенте США. В Сенате США также рассматривается законопроект о продолжении финансирования программы NNI. Этот вопрос стоит сейчас более остро, чем в 2000 г. Несмотря на то, что Вашингтон все ещё довольно сильно поддерживает нанотехнологии, смещение акцентов в сторону практического применения результатов исследований отражает изменение настроений в стране. Оптимизм конца 1990-х гг. уже в значительной степени заменен чувством национальной неуверенности в себе, что подкрепляется проблемами в экономике, энергетике, здравоохранении и национальной безопасности. Нанотехнологии обещает помочь всем этим отраслям, но пока это только обещания. Успех программы NNI будет зависеть от коммерциализации нанотехнологий.

Литература:
1. Yavuz, C. T. et al. Science 314, 964-967 (2006).
2. Valentine, J. et al. Nature 455, 376-379 (2008).
3. Yao, J. et al. Science 321, 930 (2008).
4. Tian, B. et al. Science 329, 830-834 (2010).

По материалам:
NatureNews

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей