Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Определение, терминология

1.2 Основы классификации и типы структур наноматериалов

1.3 Технологии получения наноматериалов

1.4 Методы исследования наноматериалов

1.5 Области применения наноматериалов

ЧАСТЬ 2. МИРОВОЙ РЫНОК НАНОТЕХНОЛОГИЙ

2.1 Направления НИОКР в области нанотехнологий в мире

2.2 Инвестиционная среда в сфере нанотехнологий

2.3 Характеристика сегментов рынка нанотехнологий

2.3.1 Объем и динамика мирового рынка

2.3.2 Цепочка формирования стоимости на рынке нанотехнологий

2.3.3 Рынок наноматериалов

2.3.4 Рынок нанокомпозитов

2.3.5 Рынок нанопокрытий

ЧАСТЬ 3. РОССИЙСКИЙ РЫНОК НАНОТЕХНОЛОГИЙ

3.1 Направления НИОКР в области нанотехнологий

3.2 Инвестиции: направления, объем, структура

3.2.1 Гос. и частные, венчурные инвестиции

3.2.2 Венчурные фонды

3.2.3 Государственные инвестиции

3.3 Коммерческий рынок нанотехнологий в России

3.3.1 Объем и динамика рынка

3.3.2 Российский рынок аналитического оборудования для исследования наноструктур

3.3.3 Российский рынок наноматериалов

3.3.3.1 Нанопорошки

3.3.3.2 Наноалмазы

3.3.3.3 Углеродные нанотрубки

3.3.3.4 Фуллерены

3.3.4 Российский рынок нанокомпозитов

3.4 Структура рынка НТ в РФ

3.5 Участники рынка

3.6 Факторы развития рынка

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Вопрос исследования НТ в наше время очень актуален. В настоящее время НТ-разработки ведутся по всему миру практически во всех отраслях промышленности. Это мотивируется тем, что в условиях рыночной экономики применение НТ-материалов уже на первом этапе их появления способно резко изменить свойства традиционных продуктов, а значит - сделать более конкурентоспособными даже хорошо известные товары, не говоря уже о тех НТ-продуктах, которые обязаны своим появлениям исключительно НТ.

В последние годы происходит общее замедление темпов развития мировой экономики, в первую очередь в США. Снижение общеэкономических показателей ведет к сокращению спроса на многие промышленные товары, а в случае дальнейшего спада положение будет еще более усугубляться. В этих условиях НТ могут сыграть роль глобального рычага, который способен в перспективе обеспечить устойчивое развитие стран и народов, подвергающееся в XXI веке новым тяжким испытаниям - не только климатическим, но и социальным, и политическим. Новейшие нанотехнологии наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке, сравнимым и даже превосходящим по своим масштабам с преобразованиями в технике и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями XX века.

В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки.

Наноразработки ведутся сегодня практически во всех отраслях промышленности, т.к. применение наноматериалов способно изменить свойства традиционных продуктов, а значит, сделать товар более конкурентноспособным.

В данной работе можно выделить следующие пункты:

Во-первых, актуальность нанотехнологий и наноматериалов в современном мире, в связи с низкой ценой на затраты и очень перспективное будущее,

Наноматериалы успешно используются в промышленности, медицине фармацевтике, автомобилестроение, энергетике, электротехники и т.д.

Во-вторых, огромные инвестиции со стороны государства, или частных фондов, т.е. можно представить, что государство серьезно вкладывается в этот сегмент отрасли, а значит верит в его перспективное будущее.

В-третьих, развитие НТ способствует появлению в вузах специальностей, связанных с исследованиями НТ, что в свою очередь способствует преодолению дефицита научных кадров в области НТ.



ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Определение, терминология

Нанотехнология - комплекс методов, который позволяет создавать объекты наноразмеров (от 1 до 100 нм). Такие объекты имеют особые свойства. Именно эти свойства наноматериалов позволят использовать их для новейших научных достижений. Уже сейчас нанотехнологии - наиболее перспективное и финансируемое направление в мировой науке.

Использование нанотехнологий:

-Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

-Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

-Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

-Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы - легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий - начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает "с нано". Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

1.2 Основы классификации и типы структур наноматериалов

Существует несколько подходов к определению понятия «наноматериал» (рис. 1).Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствие с которым материалы с характерным размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.

Нижняя граница диапазона обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала, как структурного элемента, имеющего упорядоченное строение, то есть кристаллическую решетку. Такой критический размер, в частности, для железа составляет около 0,5 нм.



Рис.1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов.

Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при размерах наноструктурных элементов существенно меньше 100 нм.

Второй подход связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов многочисленных поверхностей раздела. При этом наибольшее изменение свойств происходит в случае, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет более 50%.

Третий подход основан на понятии характерного размера для определенного физического явления:

для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла,

для магнитных свойств - размер однодоменного кристалла,

для электропроводности - длина свободного пробега электронов.

Считается, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними; к нанотехнологиям.

Принятая на сегодняшний момент терминология использует следующие термины:

нанотехнология совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

наноматериалы материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

наносистемная техника полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Основы классификации наноматериалов

В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 2).



Рис. 2. Классификация наноматериалов.

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.

В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла.

Ко второму классу можно отнести многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой категории и второй категории.

1.3 Технологии получения наноматериалов

К настоящему времени разработано большое количество методов и способов получения наноматериалов. Это обусловлено разнообразием состава и свойств наноматериалов, с одной стороны, а с другой - позволяет расширить ассортимент данного класса веществ, создавать новые и, уникальные образцы. Формирование наноразмерных структур может происходить в ходе таких процессов, как фазовые превращения, химическое взаимодействие, рекристаллизация, аморфизация, высокие механические нагрузки, биологический синтез. Как правило, формирование наноматериалов возможно при наличии существенных отклонений от равновесных условий существования вещества, что требует создания специальных условий и, зачастую, сложного и прецизионного оборудования. Совершенствование ранее известных и разработка новых методов получения наноматериалов определило основные требования, которым они должны соответствовать, а именно:

метод должен обеспечивать получение материала контролируемого состава с воспроизводимыми свойствами;

метод должен обеспечивать временную стабильность наноматериалов, т.е. в первую очередь защиту поверхности частиц от самопроизвольного окисления и спекания в процессе изготовления;

метод должен иметь высокую производительность и экономичность;

метод должен обеспечивать получение наноматериалов с определенным размером частиц или зерен, причем их распределение по размерам должно быть, при необходимости, достаточно узким.

Следует отметить, что в настоящее время не существует метода, отвечающего в полной мере всей совокупности требований. В зависимости от способа получения такие характеристики наноматериалов, как средний размер и форма частиц, их гранулометрический состав, величина удельной поверхности, содержание в них примесей и др., могут колебаться в весьма широких пределах. Например, нанопорошки в зависимости от метода и условий изготовления могут иметь сферическую, хлопьевидную, игольчатую или губчатую форму; аморфную или мелкокристаллическую структуру. Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. Т.е. в основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации, кавитационные процессы и т.п. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава и т.п. К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах. Методы механического измельчения применительно к наноматериалам часто называют механосинтезом. Основой механосинтеза является механическая обработка твёрдых веществ. Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е. возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит не во всей массе твёрдого вещества, а там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений. Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества, ускоряется массоперенос и перемешивание компонентов, активируется химическое взаимодействие твёрдых реагентов. В результате механического истирания и механического сплавления может быть достигнута более высокая взаимная растворимость некоторых элементов в твёрдом состоянии, чем возможна в равновесных условиях. Размол проводится в шаровых, планетарных, вибрационных, вихревых, гироскопических, струйных мельницах, аттриторах. Измельчение в этих устройствах происходит в результате ударов и истирания. Разновидностью метода механического измельчения является механохимический способ. При тонком измельчении смеси различных компонентов между ними ускоряется взаимодействие. Кроме того, возможно протекание химических реакций, которые при контакте, не сопровождающемся измельчением, вообще не происходят при таких температурах. Эти реакции называются механохимическими. С целью формирования наноструктуры в объемных материалах используют специальные механические схемы деформирования, которые позволяют достичь больших искажений структуры образцов при относительно низких температурах. Соответственно, к интенсивной пластической деформации относятся следующие методы: - кручение под высоким давлением; - равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование); - метод всесторонней ковки; - равноканальная угловая вытяжка (РКУ-вытяжка); - метод «песочных часов»; - метод интенсивного трения скольжением. В настоящее время большинство результатов получено первыми двумя методами. В последнее время разрабатываются методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия различных сред. К этим способам относятся кавитационно-гидродинамический, вибрационный способы, способ ударной волны, измельчение ультразвуком и детонационный синтез. Кавитационно-гидродинамический метод служит для получения суспензий нанопорошков в различных дисперсионных средах. Кавитация - от лат. слова «пустота» - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. В ходе процесса кавитационные эффекты, вызванные образованием и разрушением парогазовых микропузырьков в жидкости в течение 10-3 - 10-5 с при давлениях порядка 100 - 1000 МПа, приводят к разогреву не только жидкостей, но и твёрдых тел. Это воздействие вызывает измельчение частиц твёрдого вещества. Измельчение ультразвуком также основано на расклинивающем действии кавитационных ударов. В основе вибрационного метода получения наноматериалов лежит резонансная природа эффектов и явлений, которые обеспечивают минимальные энергозатраты при проведении процессов и высокую степень гомогенизации многофазных сред. Принцип действия заключается в том, что какой-либо сосуд подвергается вибрационному воздействию с определённой частотой и амплитудой. Наночастицы алмаза можно получать детонационным синтезом. В способе используется энергия взрыва, при этом достигается давление в сотни тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов. Эти условия соответствуют области термодинамической устойчивости фазы алмаза. К физическим методам получения УД материалов относятся методы распыления, процессы испарения-конденсации, вакуум-сублимационная технология, методы превращений в твёрдом состоянии. Метод распыления струи расплава жидкостью или газом заключается в том, что тонкая струя жидкого материала подается в камеру, где разбивается в мелкие капли потоком сжатого инертного газа или струей жидкости. В качестве газов в этом методе используют аргон или азот; в качестве жидкостей - воду, спирты, ацетон, ацетальдегид. Формирование наноструктур возможно способом закалки из жидкого состояния или спиннингованием. Способ состоит в получении тонких лент с помощью быстрого (не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана. Физические методы. Методы испарения-конденсации основаны на получении порошков в результате фазового перехода пар - твёрдое тело или пар - жидкость - твёрдое тело в газовом объёме либо на охлаждаемой поверхности. Сущность метода состоит в том, что исходное вещество испаряется путём интенсивного нагрева, а затем резко охлаждается. Нагрев испаряемого материала может осуществляться различными способами: резистивным, лазерным, плазменным, электрической дугой, индукционным, ионным. Процесс испарения-конденсации можно проводить в вакууме или среде нейтрального газа. Электрический взрыв проводников проводят в аргоне или гелии при давлении 0,1 - 60 МПа. В этом методе тонкие проволочки металла диаметром 0,1 - 1 мм помещают в камеру и импульсно подают к ним ток большой силы. Продолжительность импульса 10-5 - 10-7 с, плотность тока 104 - 106 А/мм 2 . При этом проволочки мгновенно разогреваются и взрываются. Образование частиц происходит в свободном полёте. Вакуум-сублимационная технология получения наноматериалов включает три основные стадии. На первой стадии готовится исходный раствор обрабатываемого вещества или нескольких веществ. Вторая стадия - замораживания раствора - имеет целью зафиксировать равномерное пространственное распределение компонентов, присущее жидкости для получения минимально возможного размера кристаллитов в твёрдой фазе. Третья стадия - удаление из замороженного раствора кристаллитов растворителя путём его возгонки. Существует ряд методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твёрдом веществе без изменения агрегатного состояния. Одним из способов получения массивных наноматериалов является способ контролируемой кристаллизации из аморфного состояния. Метод предполагает получение аморфного материала закалкой из жидкого состояния, а затем в условиях контролируемого нагрева проводится кристаллизация вещества. В настоящее время наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под высоким давлением. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%. Химические методы получения наноразмерных материалов можно разделить на группы, в одну из которых можно отнести методы, где наноматериал получают по той или иной химической реакции, в которых участвуют определённые классы веществ. В другую можно отнести различные варианты электрохимических реакций. Метод осаждения заключается в осаждении различных соединений металлов из растворов их солей с помощью осадителей. Продуктом осаждения являются гидроксиды металлов. Регулированием рН и температуры раствора возможно создание оптимальных для получения наноматериалов условий осаждения, при которых повышаются скорости кристаллизации и образуется высокодисперсный гидроксид. Затем продукт прокаливают и, при необходимости, восстанавливают. Получаемые нанопорошки металлов имеют размер частиц от 10 до 150 нм. Форма отдельных частиц обычно близка к сферической. Однако, этим методом, варьируя параметры процесса осаждения, можно получать порошки игольчатой, чешуйчатой, неправильной формы. Золь-гельный метод первоначально был разработан для получения порошка железа. Он сочетает процесс химической очистки с процессом восстановления и основан на осаждении из водных растворов нерастворимых металлических соединений в виде геля, получаемого с помощью модификаторов (полисахаридов), с последующим их восстановлением. В частности, содержание Fe в порошке составляет 98,5 - 99,5 %. В качестве сырья можно использовать соли железа, а также отходы металлургического производства: лом металлов или отработанный травильный раствор. Благодаря использованию вторичного сырья, метод обеспечивает возможность производства чистого и дешёвого железа. Этим методом можно получать и другие классы материалов в наносостоянии: оксидную керамику, сплавы, соли металлов и др. Восстановление оксидов и других твердых соединений металлов является одним из наиболее распространенных и экономичных способов. В качестве восстановителей используются газы - водород, монооксид углерода, конвертированный природный газ, твёрдые восстановители - углерод (кокс, сажа), металлы (натрий, калий), гидриды металлов. Исходным сырьем могут быть оксиды, различные химические соединения металлов, руды и концентраты после соответствующей подготовки (обогащение, удаление примесей и т.п.), отходы и побочные продукты металлургического производства. На размер и форму получаемого порошка оказывают влияние состав и свойства исходного материала, восстановителя, а также температура и время восстановления. Сущность способа химического восстановления металлов из растворов заключается в восстановлении ионов металла из водных растворов их солей различными восстановителями: Н2, СО, гидразин, гипофосфит, формальдегид и др. В методе газофазных химических реакций синтез наноматериалов осуществляется за счёт химического взаимодействия, протекающего в атмосфере паров легколетучих соединений. Нанопорошки изготавливают также с помощью процессов термической диссоциации или пиролиза. Разложению подвергаются соли низкомолекулярных органических кислот: формиаты, оксалаты, ацетаты металлов, а также карбонаты и карбонилы металлов. Температурный интервал диссоциации составляет 200 - 400 о С. Метод электроосаждения заключаются в осаждении металлического порошка из водных растворов солей при пропускании постоянного тока. Методом электролиза получают примерно 30 металлов. Они имеют высокую чистоту, поскольку в ходе электролиза происходит рафинирование. Осаждающиеся на катоде металлы в зависимости от условий электролиза могут получаться в виде порошка или губки, дендритов, которые легко поддаются механическому измельчению. Такие порошки хорошо прессуются, что важно при производстве изделий. Наноматериалы могут производиться и в биологических системах. Как оказалось, природа использует материалы наноразмеров миллионы лет. Например, во многих случаях живые системы (некоторые бактерии, простейшие организмы и млекопитающие) производят минеральные вещества с частицами и микроскопическими структурами в нанометровом диапазоне размеров. Было установлено, что биологические наноматериалы отличаются от других, поскольку их свойства вырабатывались эволюционным путём в течение длительного времени. В процессе биоминерализации действуют механизмы тонкого биологического контроля, в результате чего производятся материалы с чётко определёнными характеристиками. Это обеспечило высокий уровень оптимизации их свойств по сравнению со многими синтетическими наноразмерными материалами. Живые организмы могут быть использованы как прямой источник наноматериалов, свойства которых могут быть изменены путём варьирования биологических условий синтеза или при переработке после извлечения. Наноматериалы, полученные биологическими методами, могут быть исходным материалом для некоторых стандартных методов синтеза и обработки наноматериалов, а также в ряде технологичеких процессов. Пока ещё работ в этой области немного, но уже есть ряд примеров, которые показывают, что в этом направлении существует значительный потенциал для будущих достижений. В настоящее время наноматериалы могут быть получены из ряда биологических объектов, а именно:

1) ферритинов и связанных с ними белков, содержащих железо;

2) магнетотактических бактерий;

3) псевдозубов некоторых моллюсков;

4) с помощью микроорганизмов путём извлечения некоторых металлов из природных соединений.

Ферритины - это класс белков, обеспечивающих для живых организмов возможность синтезировать частицы гидроксидов и оксифосфатов железа нанометрового размера. Возможно также получение нанометаллов с помощью микроорганизмов. Процессы использования микроорганизмов можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся процессы, нашедшие применение в промышленности. Сюда входят: бактериальное выщелачивание меди из сульфидных материалов, бактериальное выщелачивание урана из руд, отделение примесей мышьяка от концентратов олова и золота. В некоторых странах в настоящее время до 5 % меди, большое количество урана и цинка получают микробиологическими методами. Ко второй группе относятся микробиологические процессы, достаточно хорошо изученные в лабораторных условиях, но не доведённые до промышленного использования. Сюда относятся процессы извлечения марганца, висмута, свинца, германия из бедных карбонатных руд. Как оказалось, с помощью микроорганизмов можно вскрывать тонко вкраплённое золото в арсенопиритных концентратах. Золото, которое относится к трудно окисляемым металлам, под воздействием некоторых бактерий образует соединения, и за счёт этого может быть извлечено из руд. К третьей группе относятся теоретически возможные процессы, требующие дополнительного изучения. Это процессы получения никеля, молибдена, титана, таллия. Считается, что в определённых условиях применение микроорганизмов может быть использовано при переработке бедных руд, отвалов, «хвостов» обогатительных фабрик, шлаков.

1.4 Методы исследования наноматериалов

В силу того, что нанотехнология -- междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими и электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы оптические методики. С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона



1.5 Области применения наноматериалов

Области применения наноматериалов очень обширны, т.к. они являются основой всего живого и не живого мира. Наиболее перспективными и стратегически важными на сегодняшний день являются следующие направления исследований:

Военно-промышленный комплекс

Не секрет что гонка вооружений не прекращается ни на минуту. Правительства всех стран стремятся усовершенствовать свою боевую мощь. Именно нанотехнологиям уделяется особый интерес, и тратятся огромные деньги.

Производство

В производстве наноразработки играют очень важную роль, например, покрытия металлорежущих инструментов, модифицированные наноалмазами, позволяют продлить срок службы в 4-5 раз, тем самым сократить колоссальные затраты.

Медицина

В медицине позволяют решать множество важных задач, наиболее приоритетные - поиск и создание лекарственных препаратов. Это особо актуально в наше время, когда появляются такие тяжелые заболевания, как птичий и свиной грипп, и др.

Компьютерная техника

В производстве компьютеров наноисследования имеют преимущественное значение. Сюда относится создание мощных процессоров и микросхем. Для изготовления лазерных компакт-дисков так же применяют новейшие технологии, в т.ч. полирование поверхности.

Дом и быт

В быту наноматериалы используются в строительстве (различные добавки к бетону), в фильтрах для очистки воды и воздуха, в солнечных батареях. Все это делает наши дома более удобными, надежными и безопасными.

Спорт

Сегодня для достижения мировых рекордов очень важно пользоваться современным спортивным инвентарем.

Здоровье

Лекарственные препараты состоящие из нанокомпонетнов эффективно борятся с самыми тяжелыми заболеваниями. Лекарства убивают микробов и разрушают опухоли. Новейшие разработки ждут революционных достижений в борьбе с раком.

Красота

Нанокосметика придает коже не только красоту и изящество, но и оказывает лечебное воздействие, путем проникновения микроэлементов в определенные слои кожи и доставки питательных веществ.



ЧАСТЬ 2. МИРОВОЙ РЫНОК НАНОТЕХНОЛОГИЙ

2.1 Направления НИОКР в области нанотехнологий в мире

Общепризнанно, что благодаря развитию нанотехнологий мировая экономика находится на пороге новой технологической революции, которая неминуемо затронет в ближайшие десятилетия практически все области деятельности человека - от медицины и машиностроения до энергетики и космических исследований. Накопление знаний о наномире, опыта манипулирования нанообъектами и конструирования наноструктур ведут к формированию фактически нового типа технологии - универсальной технологии «полного контроля над веществом».

Овладение такой технологией позволит целенаправленно вмешиваться в процессы, идущие в живых организмах на клеточном и субклеточном уровнях (предупреждение и лечение болезней, управление воспроизводством и наследственностью, придание живым организмам новых свойств и возможностей, производство качественной и дешевой пищевой продукции), а также приведет к настоящей революции во всех сферах материального производства и потребления («поатомная» сборка материалов с нужными характеристиками, дальнейшая миниатюризация сложнейших приборов и систем - вплоть до невидимых невооруженным глазом размеров, новые виды компьютеров и систем связи, сложнейшие сетевые структуры, нанороботы). По многим прогнозам, именно развитие нанотехнологии определит облик XXI века и направления дальнейшего развития цивилизации на Земле.

В целом в мире в 2007 году продажи в секторе нанотехнологий в составили 50 миллиардов долларов США. Прогнозируемый объем продаж в этом году, учитывая продвижение технологий, составит около 150 миллиардов, а к 2010 году по оценкам международных экспертов нанотехнологии будут представлять 800-миллиардную индустрию. Также эксперты ожидают, что, к 2015 году рынок нанотехнологий перешагнет порог в два триллиона долларов.

В последние годы наблюдается устойчивая тенденция роста объема НИОКР в области нанотехнологий, а также все более широкое применение нанотехнологий и нанопродукции в различных областях науки и техники. Расходы на НИОКР по нанотехнологии в мире возрастают ежегодно на 10-15%. В 2005 г. вложения в нанотехнологии составили почти 9 млрд долл., из них 4,36 млрд долл. - инвестиции частных компаний.

До недавнего времени практически весь мировой объем инвестиций в НИОКР в области нанотехнологии (90%) был сконцентрирован в 14 странах: США, Японии, Великобритании, Австралии, Германии, Израиле, Индии, Китае, Канаде, Южной Корее, Франции, Финляндии, Сингапуре, Тайване.

Так, в частности, о наличии разработанных долгосрочных программ НИОКР в области было нано объявлено США (2000 г.) Японией (апрель 2001), Кореей (июль 2001), ЕС (март 2002), Германией (май 2002), Китаем (2002), и Тайванем (сентябрь 2002).

С момента принятия Россией в 2007 г. нанотехнологической инициативы картина принципиально изменилась: как в области организации НИР и НИОКР в области нано, в области внедрения их результатов, поддержки наноиндустрии, так и в области финансирования этих направлений становления наноиндустрии в России как национальной наносети.

Так, если в среднем США выделяют порядка 1,5 миллиардов долларов государственных средств в год на развитие нанотехнологичных проектов (соразмерное финансирование: ЕС - 1,2 млрд и Япония - 1,0 млрд долларов США), то только в рамках ГК «Роснанотех», на четыре ближайших года только на работы в сфере нанотехнологий и поддержку наноиндустрии выделены средства в размере четырех миллиардов долларов. Кроме этого, еще миллиард долларов планируется потратить на оснащение современным оборудованием научных лабораторий и внедренческих коллективов.

В настоящее время Россия по большинству позиций в области нанотехнологий имеет близкие стартовые позиции с ведущими странами мира и уже самым активным образом включилась в процесс освоения новых технологий. Так, уже сегодня в России производится и реализуется на рынке продукция нанотехнологий в объеме до 4 миллиардов рублей в год.

При этом, только две страны в мире - Россия и США - ведут исследования и разработки по всем направлениям нанотехнологий, так в этих работах в Российской Федерации участвуют более 500 научно-исследовательских институтов и организаций, объединяющих свыше 30 тысяч исследователей.

Значительный прогресс будет достигнут в лечении хронических заболеваний. Ожидается, что к 2015 году будет реализована возможность надежно обнаруживать наличие раковых опухолей и лечить их уже на первом году их развития. Это может существенно снизить заболеваемость и смертность от онкологических заболеваний. Синтез фармацевтических препаратов, процессы их доставки в половине случаев используют нанотехнологии, как один из ключевых компонентов. С помощью передовых наномасштабных методов измерения появилась возможность моделировать работу мозга на уровне межнейронных взаимодействий.

Организация нанотехнологического бизнеса будет реструктурироваться в сторону интеграции с другими технологиями, новому распределению продукции, и формированию взаимодополняющих видов деятельности. В этот процесс будут вовлечены как вновь возникающие, так и традиционные технологии. Значительным шагом в развитии станет создание нанотехнологических научно-технологических комплексов, которые будут одновременно решать как исследовательские задачи, так и вопросы производства.

Способности нанотехнологий по контролю и производству продукции на уровне наномасштабов можно разделить на четыре поколения, в зависимости от характера производимых нанотехнологических продуктов. Появление каждого нового поколения продуктов характеризуется созданием первого коммерческого прототипа, произведенного с помощью использования характерных явлений и производственных процессов:

Первое поколение продуктов - «пассивные наноструктуры» обычно характеризуются макромасштабными свойствами и функциями. Стабильны во времени. Примерами являются наноструктурированные покрытия, дисперсные наночастицы, и вещества на основе сыпучих материалов: наноструктурированные металлы, полимеры, керамика.

Второе поколение продуктов - это «активные наноструктуры», обладающие механическими, электрическими, магнитными, фотонными, биологическими и другими свойствами. Такие структуры обычно бывают интегрированы в микромасштабные устройства или системы. Примерами могут быть новые транзисторы, компоненты наноэлектроники, усилители, лекарства с направленной доставкой, эффекторы, «искусственные мышцы», и адаптивные структуры.

Третье поколение - «системы из наносистем и трехмерные наносистемы», использующие различные технологии синтеза и сборки, такие как биологические самособирающиеся системы; роботы с самообучающимся поведением, а также эволюционирующие системы. Ключевым моментом для появления таких систем является организация связей в наномасштабе и создание иерархических архитектур. Для создания этих систем основное внимание в исследованиях должно уделяться гетерогенным наноструктурам и инженерии надмолекулярных систем. Примерами могут служить направленная многостадийная самосборка, искусственные ткани и сенсорные системы, квантовые взаимодействия внутри наномасштабных систем, обработка информации на базе фотонов или спинов электронов, комплексы наномасштабных электромеханических систем (NEMS) и конвергенция технологий (нано-био-инфо-когно).

Четвертое поколение - появление «гетерогенных молекулярных наносистем», в которых каждая молекула обладает специфичной структурой и играет свою собственную роль. В данных системах уже сами молекулы выступают как отдельные устройства, функции которых определяются их структурой и архитектурной организацией. Ожидается, что нахождение подходов к разработке новых атомных и молекулярных ансамблей позволит создавать макромолекулы «по заказу», собирать наномасштабные машины, управлять многостадийной самосборкой, использовать квантовый контроль, создавать биологические наносистемы для здравоохранения и разрабатывать интерфейсы взаимодействия человека и машины на уровне контроля с помощью нервной системы. Для осуществления этих задач необходимо проведение исследований в следующих областях: способы манипуляции атомами, молекулами и надмолекулярными комплексами, управление взаимодействием света с веществом, исследования механизмов квантового контроля и их использования для управления механико-химическими молекулярными процессами, получение биологических наносистем для медицины и сельского хозяйства, изучение возможностей создания интерфейсов взаимодействия человека и машины на уровне тканевого или прямого нервного контроля.

Преобразование энергии - является одним из приоритетных направлений развития нанотехнологий и исследовательских проектов в таких областях как фотоэлектрическая энергетика и прямая конверсия тепла в электроэнергию.

Очистка и опреснение воды - использование нанотехнологий в этой области может дать многообещающие результаты, хотя до настоящего времени в этом направлении не предпринималось серьезных усилий.

Нано-информатика - будут разработаны специальные базы данных и способы их использования по материалам и процессам мира наномасштабов. Эти базы данных будут иметь множество пересечений с уже существующими базами данных, такими как био-информационные базы данных по геному человека и геномам ряда растений.

Технологическое развитие по этим направлениям - основа формирования новых рынков, как наносырьевых, так и конечной продукции.

2.2 Инвестиционная среда в сфере нанотехнологий

Активная поддержка развития наноиндустрии осуществляется в этих странах как государством, так и бизнесом. Даже несмотря на кризисную ситуацию в мировой экономике, государственные инвестиции в сферу наноисследований и разработок в последние годы стабильно увеличиваются на 20-30% в год1. Наибольшее госсударственное финансирование уже более 10 лет осуществляется в США, а в бюджете страны на 2011 фискальный год уже заложено обеспечение американской NNI в размере 1,8 млрд долл. США2. В 2008 г. объем инвестиций частных корпораций в сферу нанотехнологий и наноиндустрии впервые превысил объем государственного финансирования и составил8,6 млрд долл.1 США лидируют и по объему корпоративного финансирования, за ними следуют Япония, Германия, Южная Корея. Однако в сравнении финансирования на- ноиндустрии по частям света лидирует Азия (2 551 млн долл. США в 2007 г. против 2 453 млн в Северной Америке и 1 419 млн. в Европе)

Общий объем мировых инвестиций в исследование и производство нанотехнологий в 2011 году составил 64 $ млрд. До 2015 года прогнозируется увеличение показателя до 117 млрд долларов.

Мировым лидером по объему инвестиций в нанотехнологии является США, в 2011 году объем инвестиций составил около 2,5$ млрд, на втором месте по объему инвестиций находится Россия, значение показателя около 2 $ млрд, на третьей строчке находится Китай, ежегодный объем инвестиций составляет около 1,5 $ млрд. Объем инвестиций в Европейском Союзе составляют около 1 $ млрд, при этом только Германия инвестирует около 0,7 $ млрд

Отрасли экономики	Ключевые направления нанотехнологий	Оценка объема рынка нанотехнотехнологий (2015г.)
Наноматериалы, наноинтеремедианты
В промышленности	материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом	340 млрд.$
Товары и продукты, содержащие наноматериалы
Радиоэлектронная и полупроводниковая и промышленность	ЧИПы, полупроводники, сенсоры	500 млрд.$
Фармацевтическая промышленность и здравоохранение	В фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Нанотехнологии может позволить помочь увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека.	180 млрд.$ (фармацевтическая промышленность) 30 млрд.$ (здравоохранение - медицинская промышленность)
Нефтехимическая и химическая промышленность	Наноструктурные катализаторы имеют применение при производстве бензина и в других химических процессах	100 млрд.$
Авиакосмическая промышленность	Композитные материалы для корпусов летальных аппаратов	70 млрд.$
Автомобильная промышленность	Композитные материалы, что позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили	7 млрд. $
Cтанкоинструментальная промышленность	Наноинструменты	22 млрд. $
Легкая промышленность	Cовременные материалы с содержанием наноматериалов	115 млрд. $
Альтернативная энергетика, энергоэффективность, защита окружающей среды	более экономические пути фильтрации воды, возобновляемые источники энергии, высокоэффективная конверсия солнечной энергии, очитка сточных вод, очистка вредных выбросов углекислого газа	45 млрд.$
	Итого (для товаров и продуктов, содержащих наноматериалы):	1069 млрд.$

2.3 Характеристика сегментов рынка нанотехнологий

Аналитическая компания Lux Research (США) выделяет следующие сегменты рынка нанотехнологий:

-аэрокосмическая промышленность;

-автомобильная промышленность;

-строительство;

-электроника;

-энергетика и защита окружающей среды;

-производство;

-медицина и фармацевтика;

-нефте- и газопереработка.

Аэрокосмическая промымшленность -- отрасль промышленности, в которой осуществляются разработка, производство, испытания, ремонт и утилизация аэрокосмической техники

Автомобимльная промымшленность (автомобилестроемние) -- отрасль промышленности, осуществляющая производствобезрельсовых транспортных средств (автомобилей), преимущественно с двигателями внутреннего сгорания (ДВС)

Строительство -

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных матералов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.

Электроника -

Технологии манипулирования веществом на молекулярном уровне затронули все отрасли промышленности. Не избежала этого и электроника, в первую очередь технологии создания микропроцессоров и интегральных схем. Ведущие страны вкладывают значительные средства в развитие данной сферы. Дальнейшее развитие микроэлектроники в наши дни немыслимо без использования нанотехнологий.

Одним из наиболее очевидных направлений в наноэлектронике является дальнейшее уменьшение электронных микросхем. Согласно закономерности Мура количество транзисторов на кристалл будет удваиваться каждые полтора года и чтобы это происходило, необходимо создавать полупроводники на атомарном уровне.

Энергетика и защита окружающей среды-

Одной из ключевых областей использования нанотехнологий в энергетике будет являться создание батарей нового поколения.

Основные исследования в данной сфере сегодня сконцентрированы на решении задач повышения плотности энергетического потока, снижения продолжительности цикла зарядки батарей, уменьшения их габаритов и веса, а также повышения безопасности и стабильности работы.

Одним из способов защиты окружающей среды, несомненно, можно признать использование фильтров для очистки воды и воздуха, в особенности на различных фабриках перед сбросом отработанной воды и газов в окружающую среду.

Нанофильтрация становится одним из ключевых процессов очистки воды, особенно для смягчения и удаления ионов или органических соединений из воды. Уникальная способность наномембран избирательно удалять «лишние» частицы или ионы позволяет применять такие фильтры для различных целей

Применение различных химикатов несет опасность окружающей среде. Поскольку на данном этапе развития технологий невозможен полный отказ от использования данных веществ, необходимо находить способы их разложения после применения. Использование нанотехнологий помогает решать данную проблему с меньшими затратами и большей эффективностью.

Медицина и фармацевтика

Наномедицина -- нанонаука и наноинженерия, применяющие комплекс подходов для обеспечения применения нанотехнологических разработок в сфере практической медицины и здравоохранения.

Нефте- и газопереработке

Обоснована определяющая значимость нанотехнологий в добыче нефти и газа. Проведен анализ нанотехнологий для добычи нефти и газа и нанотехнологий в добыче нефти и газа при вытеснении нефти и газа из пористых сред. Показано, что характерный размер явлений, определяющих эффективность нефтевытеснения в пористых средах, - капиллярный гистерезис, ионнообмен, размер асфальтенов - составляет десятые доли нанометра. Целенаправленное регулирование химического и ионного состава закачиваемых в пласт агентов, а также воздействие физическими полями на пласт, особенно глиносодержащий, приведет к изменению ионного равновесия в системе «нефть-газ-вода-порода» и повышению нефтегазоизвлечения. Физико-химические технологии, обеспечивающие высокую эффективность вытеснения нефти и газа в пористых средах, - это нанотехнологии, а особым объектом исследований нефтегазовой науки являются физико-химические наноявления в геологических телах, пластовых флюидах и промысловом оборудовании.

2.3.1 Объем и динамика мирового рынка

В ходе маркетингового исследования «Российский рынок нанотехнологий: итоги 2011 г., прогноз 2012-2013 гг.», проведенного NeoAnalytics выяснилось, что в 2011 году объем мирового рынка продукции, произведенной с использованием нанотехнологий, составил около 1000 млрд долларов, что составляет 1,2% мирового ВВП.

Общий объем мировых инвестиций в наноиндустрию в 2011 году составил около 64 млрд долларов. Лидерами стран, по объему инвестиций являются США, Россия, Китай, Япония и Германия.

Общемировыми лидерами среди стран в области нанотехнологий по уровню развития науки, технологий, степени промышленного освоения разработок наноиндустрии являются США, Германия, Япония, Южная Корея. Немного ниже уровень развития по сравнению с лидерами в Великобритании, Китае, Франции.

Самым быстрорастущим и перспективным сегментом является Азиатско-Тихоокеанский регион.

Область нанотехнологий являются одной из наиболее перспективных и востребованных направлений науки, технологий и промышленности в развитых странах мира. Основное развитие нанотехнологий во многих странах началось в начале 2000 годов.

На сегодняшний день Россия отстает от мировых лидеров по показателям развития науки, технологий и степени коммерциализации разработок наноиндустрии, так как начала развивать индустрию нанотехнологий на 7-10 лет позже конкурентов.

Основным фактором, сдерживающим развитие российского рынка нанотехнологий, является разрыв между научными разработками и их коммерциализацией. Россия отстает от других развитых стран по количеству патентов на изобретения нанотехнологий и их коммерциализации.

...