Иновационная динамика

ских параметров, но и быстрый рост производства и рынков. В последние годы внимание экспертов переключилось на начавшийся процесс практически одновременного развития очень широкого спектра научных и технологических областей, в основе которого, по всеобщему признанию, лежат принципиально новые возможности, открывшиеся с использованием конвергенции разных технологий на основе достижений прежде всего в области информационных технологий.

  Быстрое развитие и переход в стадию зрелости любой тематической области НИОКР приводит к формированию множества новых технологических направлений, которые часто взаимосвязаны или перекрывают друг друга. Данная конвергенция технологий через 20—30 лет может привести к результатам, значительно превышающим сумму эффектов каждой отдельной технологии¹. Именно эти результаты все чаще называют технологической революцией, отдельные элементы которой можно предугадать уже сегодня. Так, очевидно начало конвергенции нано-, био- и информационных технологий, но данными процессами взаимопроникновение различных технологий безусловно не ограничится.

  Среди новых и весьма перспективных  технологий, активно развивающихся в последнее время, можно выделить биоинформатику. Она сформировалась на основе синтеза молекулярной биологии, генетики, физиологии, математики, информатики, физики и химии, что определяет ее конвергентную природу и дает возможность прогнозировать появление крупных достижений в будущем. Разработки в данной области позволят значительно продвинуться в сфере здравоохранения, ветеринарии, сельского хозяйства, промышленных технологий, восстановления природных ресурсов и окружающей среды.

  Методы  биоинформатики позволяют не просто обрабатывать огромный массив данных о механизмах хранения, передачи и реализации биологической информации на разных уровнях: генома, клетки, взаимодействия между клетками организма, популяции в целом, но и выявлять закономерности, которые не всегда можно заметить при обычном эксперименте, предсказывать функции генов и зашифрованных в них белков, строить модели взаимодействия генов в клетке, конструировать лекарства. Сравнительно не

     В качестве показательного примера  можно привести конвергенцию  компьютерных и телекоммуникационных технологий. 
 
 
 

давно в науке появился термин «биология in silico», буквальный смысл которого — «биология на кремнии», или иными словами, проведение биологического эксперимента на компьютере.

  Новые разработки в биоинформатике и генетике, например так называемая фармакогенетика (изучение взаимосвязей между болезнями, генами, протеинами и фармацевтическими средствами), дадут медицине такой инструмент лечения человека, как подбор лекарств и средств воздействия в зависимости от его генетической предрасположенности.

  Одна  из самых перспективных и быстро развивающихся областей биоинформатики — конструирование лекарств направленного действия, что потребует получения знаний о трехмерной структуре белка-мишени, а затем поиска низкомолекулярного вещества (ли- ганда), которое, соединившись с белком, окажет нужное фармакологическое действие. Данный поиск связан с перебором десятков, даже сотен тысяч вариантов, и компьютерные технологии в таких разработках незаменимы.

  Фармацевтическая  промышленность США, расходующая на создание нового лекарства в среднем 15 лет работы и 900 тыс. долл. (за последние 10 лет данный показатель утроился), возлагает большие надежды на развитие биотехнологии, ожидая сокращения рабочего цикла не менее чем на 2 года и затрат примерно на треть уже в ближайшие два года¹. Именно науки о жизни открыли для информационных технологий новое и весьма перспективное направление для разработок и стимулирования массового спроса. По оценкам Интернэшнл Дейта Корп., уже в 2002 г. мировой рынок информационных технологий, специализирующихся на решении задач в области биотехнологий, составлял 14,6 млрд долл., 51 % которого приходился на долю США. Эксперты ожидают, что данный рынок будет расти в ближайшие годы не менее чем на 19—25% ежегодно².

  Перспективы нанотехнологий. В настоящее время многие специалисты в России и за рубежом полагают, что в ближайшие 10—20 лет крупные технологические нововведения будут связаны с формирующимся в настоящее время междисциплинарным направлением, опирающимся на применение нанотехнологий. Ожидается, что по масштабам воздействия на экономику и другие сфе

      Digital Economy 2003. U.S. Department of Commerce. December 2003. P. 86.

      Ibid. P. 88. 
 
 

ры жизни общества это направление может со временем встать в один ряд с информационными и биотехнологиями.

  Термин  «нанотехнологии» отражает в первую очередь размеры взаимодействующих между собой объектов и расстояния между ними. Нанометр — это одна миллиардная часть метра, т.е. расстояние, которое в миллион раз меньше одного миллиметра. Для сравнения, расстояние между атомами кислорода и водорода в молекуле воды равно примерно 0,1 нанометра, диаметр атома золота равен 0,3 нанометра, диаметр вируса гриппа составляет приблизительно 70 нанометров, длина волны видимого света — примерно 500 нанометров. То есть нанотехнологии имеют дело с объектами порядка размеров крупных молекул.

  Теоретически  возможность крупного технологического прорыва при переходе на этот уровень была предсказана нобелевским лауреатом Р. Фейнманом в 1959 г. Первым заметным шагом в этом направлении стало изобретение в 1981 г. сканирующего туннельного микроскопа учеными из швейцарского отделения корпорации IBM. Важное значение для достижения прогресса в рассматриваемом направлении имело также развитие вычислительной техники, позволяющей сегодня проводить сложнейшие модельные расчеты.

  Практическое  применение нанотехнологий в промышленности началось в середине 90-х гг. Сегодня основанные на них методы контроля качества поверхности используются при производстве DVD-дисков и контактных линз. Специалисты широко обсуждают многие другие приложения, которые могут оказать в перспективе сильное влияние на развитие экономики и других сфер деятельности и служат основанием для выделения крупных государственных ассигнований на проведение фундаментальных и поисковых исследований.

  По  мнению зарубежных экспертов, особый интерес  представляют следующие перспективы.

В обрабатывающей промышленности ожидается появление возможности синтезировать в нанодиапазоне из молекул исходные конструкционные блоки контролируемого размера и собирать из них более крупные структуры с заранее заданными свойствами и функциями. Это приведет к революции в производстве материалов, в том числе к созданию материалов, не имеющих аналогов в природе. Например, ожидается создание высокопрочных покры 
 
 
 
 

тий для режущего инструмента и различных технологических приложений в электронике и химической промышленности.

  Одним из перспективных направлений развития нанотехнологий считается создание молекулярного ассемблера — устройства, которое может выполнять функции робота по сборке из раствора молекулярных заготовок новых структур с заданными свойствами. Материалом для изготовления такого ассемблера будут служить полимерные органические молекулы. Контроль за работой ассемблера может осуществляться с помощью генерируемых управляющими компьютерами акустических сигналов, которые, в свою очередь, вызывают изменение давления инертных газов внутри устройства и тем самым направляют его действия. В дальнейшем предполагается использовать для целей управления подобными ассемблерами специальные молекулярные компьютеры.

  В области наноэлектроники и компьютерных технологий может быть достигнут значительный прогресс в миниатюризации (вплоть до размера 100 нм к 2010 г.), повышении скорости и производительности приборов и устройств по обработке информации — входных датчиков, логических и запоминающих устройств, дисплеев и устройств передачи информации. Обсуждаются перспективы сборки с помощью нанотехнологий интегральных схем высокого уровня сложности и функциональности на основе дальнейшей миниатюризации их активных полупроводниковых элементов, а также объединения последних в трехмерные (многослойные) структуры. Возможно появление новых методов сверхточной литографии, позволяющих наносить на поверхность золота линии шириной в несколько десятков молекул.

Другие прогнозируемые прорывы могут быть связаны со снижением энергопотребления и стоимости микропроцессорных устройств, что даст возможность повысить в миллионы раз производительность компьютеров; с созданием нейрокомпьютеров, намного превосходящих по своим характеристикам лучшие образцы современной вычислительной техники; с появлением мощных излучателей с перестраиваемым спектром частот и широкополосных фотодетекторов с высоким КПД в оптоэлектронике; с разработкой более высокочастотных устройств связи, которые позволят увеличить полосу рабочего диапазона примерно на порядок, что будет иметь важные последствия для бизнеса, военного дела, образования и др.; с массовым производством устройств хранения информации, небольших, но в тысячи раз более емких, чем выпускаемые 
 
 

сегодня; с появлением интегрированных наносенсорных систем для сбора, обработки и передачи больших массивов данных при малых размерах, весе и потреблении энергии; с созданием образцов беспилотных средств транспорта и военной техники, управляемых с помощью высокопроизводительных компьютеров.

  Медицинские приложения нового направления исследований будут во многом связаны с развитием нанобиотехнологий. Появятся новые методы точной доставки лекарственных препаратов к пораженным органам и тканям, тем самым повысится эффективность создания и применения медикаментов, значительно расширится их терапевтический потенциал. Нанотехнологии позволят добиться существенного прогресса в области диагностики и лечения заболеваний на молекулярном уровне, в том числе раннего обнаружения онкологических заболеваний. Другие приложения включают: конструирование биороботов, оснащенных бактериальными двигателями, и мини-фабрик по производству химических соединений и материалов с заранее заданными свойствами; ускоренную расшифровку фрагментов генома; создание искусственных иммунологически совместимых органов и тканей; новые методы улучшения зрения и слуха; эффективные средства диагностики и лечения заболеваний на ранней стадии развития.

  В области аэронавтики и исследования космического пространства ожидается значительный прогресс в конструировании летательных аппаратов и космических станций за счет применения на- ноструктурных материалов, обладающих такими отличительными свойствами, как малый вес, высокая прочность, хорошая температурная устойчивость. Представляет интерес возможность переноса производства наноструктурных материалов и систем в условия космоса. Среди других перспективных приложений для космоса эксперты также называют: потребляющие мало энергии, устойчивые к действию радиации высокопроизводительные компьютеры; защитные скафандры с покрытием из наноструктурных материалов, оберегающие космонавтов от экстремальных температур и других вредных воздействий.

Для энергетики и защиты окружающей среды нанотехнологии представляют интерес прежде всего с точки зрения возможностей повышения эффективности производства, хранения и передачи энергии на расстояние. Помимо этого, существуют интересные перспективы применения нанотехнологий для снижения вредных выбросов в различных отраслях промышленности и на транспорте, 
 
 
 
 

производства  роботов по уничтожению вредных  отходов производства, в том числе отработанного ядерного топлива, и др.

  В биотехнологии и сельском хозяйстве ожидается появление принципиально новых путей производства новой химической и фармацевтической продукции на основе биосинтеза и биопроцес- синга. Интеграция элементов биологической природы в синтетические материалы и приборы позволит придать им определенные биологические функции. Специалисты называют целый ряд перспективных направлений использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, в том числе конструирование биодеградируемых удобрений и средств защиты от насекомых в растениеводстве; генетическую инженерию сельскохозяйственных растений и животных, доставку определенных генов и лекарственных препаратов к клеткам и пораженным тканям животных, изучение молекулярных механизмов устойчивости растений к нарушению солевых балансов и засухе.

  Для успешного развития нанотехнологий необходим прогресс во многих областях знаний: физике, химии, биологии, материаловедении, математике и инженерных дисциплинах. Ожидается, что развитие междисциплинарных исследований укрепит научные и образовательные связи между этими дисциплинами и приведет к возникновению новых направлений, которые пока только начинают прорисовываться. Потребуется ряд изменений в инфраструктуре ресурсного обеспечения и системе подготовки научных и инженерных кадров, особенно для работы в промышленности.

  Альтернативная  энергетика. Эксперты Международного энергетического агентства прогнозируют, что использование возобновляемых источников энергии (без учета гидроэлектростанций) будет расти в ближайшие 30 лет быстрее, чем других первичных источников энергии: в среднем на 3,3% в год. Особенно высокими темпами будет увеличиваться использование энергии ветра и биомассы в индустриально развитых странах, входящих в ОЭСР. В январе 2007 г. ЕС обнародовал новую энергетическую стратегию, в соответствии с которой к 2020 г. доля альтернативных источников энергии в энергобалансе достигнет 20%.