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 долларов из госбюджета.

В России пик пришелся на 2010-2011 годы. Тогда, по данным Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС), на R&D (от англ. Research and Development) в сфере нанотехнологий государство выделяло около 900 млн долларов и страна входила в пятерку мировых лидеров по объему инвестиций в них после США, Европы (по 2,1 млрд долларов) и Японии (1,3 млрд долларов). 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 долларов), 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 долларов 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 долларов. 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 долларов. 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 Группы РОСНАНО 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.