eng
Выпуск #3/2016
А.Потемкин
Если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий
Если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий
Просмотры: 2000
Впервые в мировой практике создан эталон нанометрового и субнанометрового диапазонов.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.8.13
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.8.13
В 2011 году была принята "Стратегия инновационного развития России на период до 2020 года", в которой делался акцент на переходе России к инновационному типу экономического развития. В стратегии совершенно справедливо указано, что фундаментом для развития и достижения поставленных целей является формирование институциональной среды инновационного развития. И, естественно, без научной базы, без эвристических научных открытий говорить об инновациях и инновационном типе государства нет смысла.
Научная программа нашей компании и ее реальные плоды совершенно уникальны. Впервые в мировой практике мы создали эталон нанометрового и субнанометрового диапазонов. Эта разработка не имеет аналогов, в том числе, потому что изготовление стандартов нанометрового диапазона происходит без использования передовых нанотехнологических процессов. Создан принципиально новый тип меры длины, который пока отсутствует в международной классификации системы измерений.
Мы готовы представить свои научные результаты. Однако именно это – организация серьезной научной презентации и экспертизы – оказалось проблемой. Мы хотим продемонстрировать созданный прибор измерений перемещения на сверхмалые величины, который может удовлетворить потребности метрологии в субнанометровом диапазоне, измерять стабильно, не зависеть от внешних помех. Замеры производятся в мобильном режиме при обычных условиях, то есть не нужно спецкамер, особого очищенного пространства, особых влажности и температуры. Однако, увы, привлечь тех, кто должен, казалось бы, в первую очередь интересоваться нашими разработками, оказалось неимоверно трудно: сила отталкивания с их стороны – фантастическая. Возможно, за этим стоит боязнь раскрытия реальной действительности существующей наноиндустрии, а, может, финансовое состояние потенциальных потребителей не позволяет приобретать современную технику?
А кто должен был бы заинтересоваться? Конечно, Министерство образования и науки. Полагаю, что министр у нас человек ученый, и вполне мог бы понять тот факт, что предлагаемое нами – это передовой край мировой науки. Однако – нет. Я официально сообщил ему о возможности нашей лаборатории проводить измерения в нано- и пикометровом диапазонах, просил разрешить продемонстрировать наш прибор экспертам министерства и РАН. Реакции – ноль. Поскольку нет пророка в своем отечестве, то прибегну к доказательствам крайней актуальности этой проблемы.
Разработкой точного наноэталона занимались ученые Новосибирского Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения РАН. За основу они взяли кремний – нестабильный элемент, который окисляется, меняет свои параметры, следовательно, встает и вопрос о точности при работе в обычной атмосфере. Использовать созданный прибор и эталон (так называемую "кремниевую решетку") в стандартных условиях невозможно и следует работать только в вакууме. А ведь под этот проект выделены бюджетные средства, где же оценка эффективности их использования со стороны министерства и РАН? К сожалению, государственное финансирование влечет за собой автоматическое лоббирование интересов получателя вне зависимости от результатов его деятельности во избежание уличения в некомпетентности и личной заинтересованности.
Американская компания VLSI стала производить наностандарты, применив сочетание технологических процессов, хоть и не используемых в изготовлении электронных компонентов, но все же позволяющих получить элементы с фрагментами нанометровых масштабов. Однако барьеры, затрудняющие их применение в обычных условиях, остались, это запыление микро- и наночастицами, а также физико-химические реакции, изменяющие форму поверхности наностандартов.
Проведение измерений в чистых зонах и в вакууме исключает возможность применения тех же стандартов в обычной атмосфере. Выход – создание стандартов принципиально нового типа. Не статических, размеры которых не изменяются во времени, а динамических – управляемо изменяющих свои размеры. Такая идея витала в воздухе. Появились первые прототипы: из магнитострикционных материалов, из пьезокерамики (совместная разработка ВНИИМС, ООО "Метрологический центр РОСНАНО", ЗАО "Центр перспективных технологий", МГУ им. М.В.Ломоносова при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО). Однако из-за недостатков самих материалов приборы на их основе не нашли метрологического применения ввиду отсутствия стабильности результатов и погрешностей, которые недопустимы для метрологии.
Напрашивается вопрос: каким образом сегодня происходят измерения в нанометровом диапазоне и калибровка оборудования? В России признан и утвержден эталон МШПС-2ОК, равный 2 мкм (2 000 нм). Ввиду отсутствия меньших вещественных стандартов предлагается пользоваться при измерении не физическими, а математическими действиями, выводя результаты путем расчетов с большими ошибками и погрешностями до сотен нанометров (в ученой среде 100 нм являются не нанометровым, а микронным диапазоном). По данному стандарту так и не было создано аппаратуры для подтверждения заявленных измерений, но были написаны и утверждены методики калибровки.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к системам, погрешности которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями (около 0,2 нм), и требует обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Атомно-силовые и электронные микроскопы только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соответствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться, причем последнее – непосредственно в процессе измерений.
Разработка нашей научной группы уникальна. Мы применили специальные материалы, позволяющие создать в сотни раз более точные стандарты на их основе. Особенную ценность эта разработка представляет для нанометрологии, метрологических институтов и ученых, работающих в нано- и пикометровом диапазонах. Представленные нами стандарты по размерам близки к спичечному коробку и легко сопрягаются с измерительными установками типа сканирующих зондовых и электронных микроскопов, оптических интерферометров.
Нанометрология как ключевое звено приборно-аналитической и технологической составляющих инфраструктуры наноиндустрии обеспечивает единство измерений в нано- и пикометровом диапазонах. Проведение разработок и выпуск продукции нанометрового диапазона опираются на обязательную калибровку измерительных и технологических установок. Мировое сообщество и Росстандарт производят калибровку в основном с помощью статических мер, предназначенных для микрометрового диапазона. Начали применяться также лазерные интерферометры на основе гелий-неоновых лазеров, которые позволили выполнять калибровку и в нанометровом диапазоне. Однако между измерительным прибором, установленным в органах Росстандарта, и измерительной установкой, находящейся в любом другом месте (измерительные установки пользователей – атомно-силовые и электронные микроскопы – не привозятся в спецорганизации для калибровки), должен применяться стандарт – динамическая мера, позволяющая производить калибровку в нанометровом и субнанометровом диапазонах, то есть наш эталон.
Используемые способы грубой калибровки и отсутствие ответственности должностных лиц за процесс калибрования технологического оборудования не гарантируют точного размера произведенного нанопродукта. При этом средство измерения должно быть откалибровано на несколько порядков точнее (например, прибор, измеряющий нанометровые величины, должен быть откалиброван в пикометровом диапазоне). Будем надеяться, что наша разработка в перспективе станет востребованной для обеспечения жизнедеятельности наноиндустрии.
Инновационное государство, на мой взгляд, не может таковым стать только благодаря ученым. Ученые работают, в России много интересного делается, но что дальше? А дальше – "дольше века длится день", как писал Чингиз Айтматов.
Мы хотели подтвердить новую разработку наноэталонов и официально зарегистрировать в государственных органах возможность их применения в отечественной метрологии, защитив наноиндустрию и потребителя от псевдо-нанопродуктов и необоснованных расходов на их создание. Так, представленные на рынке нанотрубки, нанопорошки и другие продукты, произведенные без соблюдения культуры измерений, которая требует наличие мер для калибровки и контроля параметров, не могут претендовать на достоверность заявленного размера. Кто кого обманывает?
Калибровка наших стандартов осуществилась, наконец, во ВНИИМС с помощью оптических интерферометров на базе гелий-неоновых лазеров. Следует отметить, что измерительные установки на базе таких лазеров не только громоздки, но и характеризуются ограниченным сроком службы из-за утечки гелия и других причин. Это влечет за собой периодические замены лазеров и сопровождается не только финансовыми затратами, но и необходимостью оформления значительного объема документов, подтверждающих возможность применения новых лазеров в метрологической установке. Мы решили и эту проблему, разработав компактные оптические интерферометры с многократно более долговечными лазерами.
Таким образом, для российской наноиндустрии создан готовый, не имеющий мировых аналогов измерительный метрологический набор – основа калибровочной системы нано- и пикометрового диапазонов. Возникла ситуация бесконечности: мы не хотим продавать этот прибор за рубеж, так как отечественная наноиндустрия сама нуждается в таком стандарте и выделяет огромные средства на обслуживание и развитие данной сферы. Но у тех, кто любит рассуждать о новом экономическом и интеллектуальном развитии страны, пока отсутствует должный интерес к нашему стандарту.
В настоящее время нет прибора, который может аттестовать нашу разработку. Вариант решения проблемы – собрать экспертное сообщество, в которое вошли бы компетентные в данной области физики, и признать необходимость применения нашего прибора в российской наноиндустрии. Наука потому и наука, что в ней возможно понимание нового и без опытного эксперимента на первоначальном этапе. После этого, конечно, уже можно было бы предлагать реализацию нашей разработки разным странам мира.
Да, можно поднимать вопросы о престиже России – это, конечно, дело важное. Но больше вдохновляет идея цивилизационного развития, его нового этапа. Мировое развитие, в соответствии с концепцией "длинных волн конъюнктуры" экономиста Н.Д.Кондратьева, характеризуется сменой технологических укладов (экономических циклов), протяженностью около 50–60 лет. Мы как раз завершаем цикл и стоим на пороге нового. В настоящее время страны-лидеры вступают в шестой технологический уклад, в основании которого лежат молекулярные, клеточные и ядерные технологии, нанобиотехнологии и наноэнергетика, нанобионика, наноматериалы, нанороботика и другие наноразмерные производства. Это вызов времени.
США еще в начале 1990-х годов начали развивать исследования в области нанотехнологий. Первая нанотехнологическая программа "Синтез и обработка наночастиц" была профинансирована Национальным научным фондом США в 1991 году [1]. В 1994 году была создана Национальная сеть нанопроизводства, в 1998 году сформирована Межведомственная Рабочая Группа по Нанотехнологиям (IWGN) при Национальном Совете по Науке и Технологиям (NSTC), а в 2001 году принята масштабная Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI). Суммарные расходы за период с 2001 по 2011 год составили 14 млрд. долл. [2], а по прогнозным оценкам в 2013 году инвестиции достигли 18 млрд. долл. Создана научно-исследовательская сеть, в которой было задействовано около 40 тыс. экспертов.
В России тоже прослеживается инновационная активность. Была создана государственная корпорация "Российская корпорация нанотехнологий", а к 2013 году наша страна приблизилась по объемам финансирования отрасли нанотехнологий к показателям США. Но куда пошли деньги? Почему в ведомстве А.Чубайса нет возможности измерить нанометры?
Ясно, что развитие нанотехнологий имеет многоуровневый характер и зависит от многих факторов, определяющих его качество. Немаловажный фактор тут – личностный. Если так тяжело и долго добиваешься контакта с ученым экспертным сообществом, то поневоле задумываешься и начинаешь считать, уже не в нанометрах, а в реальных отрезках времени: годах и десятилетиях. Сколько же России понадобится времени, чтобы приблизиться к лидирующим позициям США, Европы и Японии?
Ученые, исследовавшие эту проблему, полагают, что в России нет заинтересованности организаций в коммерциализации научных результатов, очень слаба кооперация между ними. Мы убедились в этом на личном опыте. Но если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий.
Размышляя о нашей стране и ее положении на мировой научной арене, считаю преступлением не замечать имеющиеся достижения в нанометрологии, главное требование к которой заключается в том, что ее уровень развития должен многократно превышать уровень технологии. Наши ученые выполнили эту задачу, мы изготовили не имеющий мировых аналогов прибор – точку опоры нанометрологии – и готовы организовать его поставки. Хочу отметить, что на разработку и изготовление прибора не потрачено ни рубля бюджетных средств. Может, именно в этом и кроется причина равнодушия. Если бы мы финансировались из бюджета, то, вероятно, нашлись бы лоббисты и наших достижений и результатов…
ЛИТЕРАТУРА
1.Инновационное развитие – основа модернизации экономики России: Национальный доклад.
М.: ИМЭМО РАН, ГУ-ВШЭ, 2008.
2.Обзор ведущих страновых инициатив в области нанотехнологий // http://www.startbase.ru/knowledge/articles/10/
Научная программа нашей компании и ее реальные плоды совершенно уникальны. Впервые в мировой практике мы создали эталон нанометрового и субнанометрового диапазонов. Эта разработка не имеет аналогов, в том числе, потому что изготовление стандартов нанометрового диапазона происходит без использования передовых нанотехнологических процессов. Создан принципиально новый тип меры длины, который пока отсутствует в международной классификации системы измерений.
Мы готовы представить свои научные результаты. Однако именно это – организация серьезной научной презентации и экспертизы – оказалось проблемой. Мы хотим продемонстрировать созданный прибор измерений перемещения на сверхмалые величины, который может удовлетворить потребности метрологии в субнанометровом диапазоне, измерять стабильно, не зависеть от внешних помех. Замеры производятся в мобильном режиме при обычных условиях, то есть не нужно спецкамер, особого очищенного пространства, особых влажности и температуры. Однако, увы, привлечь тех, кто должен, казалось бы, в первую очередь интересоваться нашими разработками, оказалось неимоверно трудно: сила отталкивания с их стороны – фантастическая. Возможно, за этим стоит боязнь раскрытия реальной действительности существующей наноиндустрии, а, может, финансовое состояние потенциальных потребителей не позволяет приобретать современную технику?
А кто должен был бы заинтересоваться? Конечно, Министерство образования и науки. Полагаю, что министр у нас человек ученый, и вполне мог бы понять тот факт, что предлагаемое нами – это передовой край мировой науки. Однако – нет. Я официально сообщил ему о возможности нашей лаборатории проводить измерения в нано- и пикометровом диапазонах, просил разрешить продемонстрировать наш прибор экспертам министерства и РАН. Реакции – ноль. Поскольку нет пророка в своем отечестве, то прибегну к доказательствам крайней актуальности этой проблемы.
Разработкой точного наноэталона занимались ученые Новосибирского Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения РАН. За основу они взяли кремний – нестабильный элемент, который окисляется, меняет свои параметры, следовательно, встает и вопрос о точности при работе в обычной атмосфере. Использовать созданный прибор и эталон (так называемую "кремниевую решетку") в стандартных условиях невозможно и следует работать только в вакууме. А ведь под этот проект выделены бюджетные средства, где же оценка эффективности их использования со стороны министерства и РАН? К сожалению, государственное финансирование влечет за собой автоматическое лоббирование интересов получателя вне зависимости от результатов его деятельности во избежание уличения в некомпетентности и личной заинтересованности.
Американская компания VLSI стала производить наностандарты, применив сочетание технологических процессов, хоть и не используемых в изготовлении электронных компонентов, но все же позволяющих получить элементы с фрагментами нанометровых масштабов. Однако барьеры, затрудняющие их применение в обычных условиях, остались, это запыление микро- и наночастицами, а также физико-химические реакции, изменяющие форму поверхности наностандартов.
Проведение измерений в чистых зонах и в вакууме исключает возможность применения тех же стандартов в обычной атмосфере. Выход – создание стандартов принципиально нового типа. Не статических, размеры которых не изменяются во времени, а динамических – управляемо изменяющих свои размеры. Такая идея витала в воздухе. Появились первые прототипы: из магнитострикционных материалов, из пьезокерамики (совместная разработка ВНИИМС, ООО "Метрологический центр РОСНАНО", ЗАО "Центр перспективных технологий", МГУ им. М.В.Ломоносова при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО). Однако из-за недостатков самих материалов приборы на их основе не нашли метрологического применения ввиду отсутствия стабильности результатов и погрешностей, которые недопустимы для метрологии.
Напрашивается вопрос: каким образом сегодня происходят измерения в нанометровом диапазоне и калибровка оборудования? В России признан и утвержден эталон МШПС-2ОК, равный 2 мкм (2 000 нм). Ввиду отсутствия меньших вещественных стандартов предлагается пользоваться при измерении не физическими, а математическими действиями, выводя результаты путем расчетов с большими ошибками и погрешностями до сотен нанометров (в ученой среде 100 нм являются не нанометровым, а микронным диапазоном). По данному стандарту так и не было создано аппаратуры для подтверждения заявленных измерений, но были написаны и утверждены методики калибровки.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к системам, погрешности которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями (около 0,2 нм), и требует обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Атомно-силовые и электронные микроскопы только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соответствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться, причем последнее – непосредственно в процессе измерений.
Разработка нашей научной группы уникальна. Мы применили специальные материалы, позволяющие создать в сотни раз более точные стандарты на их основе. Особенную ценность эта разработка представляет для нанометрологии, метрологических институтов и ученых, работающих в нано- и пикометровом диапазонах. Представленные нами стандарты по размерам близки к спичечному коробку и легко сопрягаются с измерительными установками типа сканирующих зондовых и электронных микроскопов, оптических интерферометров.
Нанометрология как ключевое звено приборно-аналитической и технологической составляющих инфраструктуры наноиндустрии обеспечивает единство измерений в нано- и пикометровом диапазонах. Проведение разработок и выпуск продукции нанометрового диапазона опираются на обязательную калибровку измерительных и технологических установок. Мировое сообщество и Росстандарт производят калибровку в основном с помощью статических мер, предназначенных для микрометрового диапазона. Начали применяться также лазерные интерферометры на основе гелий-неоновых лазеров, которые позволили выполнять калибровку и в нанометровом диапазоне. Однако между измерительным прибором, установленным в органах Росстандарта, и измерительной установкой, находящейся в любом другом месте (измерительные установки пользователей – атомно-силовые и электронные микроскопы – не привозятся в спецорганизации для калибровки), должен применяться стандарт – динамическая мера, позволяющая производить калибровку в нанометровом и субнанометровом диапазонах, то есть наш эталон.
Используемые способы грубой калибровки и отсутствие ответственности должностных лиц за процесс калибрования технологического оборудования не гарантируют точного размера произведенного нанопродукта. При этом средство измерения должно быть откалибровано на несколько порядков точнее (например, прибор, измеряющий нанометровые величины, должен быть откалиброван в пикометровом диапазоне). Будем надеяться, что наша разработка в перспективе станет востребованной для обеспечения жизнедеятельности наноиндустрии.
Инновационное государство, на мой взгляд, не может таковым стать только благодаря ученым. Ученые работают, в России много интересного делается, но что дальше? А дальше – "дольше века длится день", как писал Чингиз Айтматов.
Мы хотели подтвердить новую разработку наноэталонов и официально зарегистрировать в государственных органах возможность их применения в отечественной метрологии, защитив наноиндустрию и потребителя от псевдо-нанопродуктов и необоснованных расходов на их создание. Так, представленные на рынке нанотрубки, нанопорошки и другие продукты, произведенные без соблюдения культуры измерений, которая требует наличие мер для калибровки и контроля параметров, не могут претендовать на достоверность заявленного размера. Кто кого обманывает?
Калибровка наших стандартов осуществилась, наконец, во ВНИИМС с помощью оптических интерферометров на базе гелий-неоновых лазеров. Следует отметить, что измерительные установки на базе таких лазеров не только громоздки, но и характеризуются ограниченным сроком службы из-за утечки гелия и других причин. Это влечет за собой периодические замены лазеров и сопровождается не только финансовыми затратами, но и необходимостью оформления значительного объема документов, подтверждающих возможность применения новых лазеров в метрологической установке. Мы решили и эту проблему, разработав компактные оптические интерферометры с многократно более долговечными лазерами.
Таким образом, для российской наноиндустрии создан готовый, не имеющий мировых аналогов измерительный метрологический набор – основа калибровочной системы нано- и пикометрового диапазонов. Возникла ситуация бесконечности: мы не хотим продавать этот прибор за рубеж, так как отечественная наноиндустрия сама нуждается в таком стандарте и выделяет огромные средства на обслуживание и развитие данной сферы. Но у тех, кто любит рассуждать о новом экономическом и интеллектуальном развитии страны, пока отсутствует должный интерес к нашему стандарту.
В настоящее время нет прибора, который может аттестовать нашу разработку. Вариант решения проблемы – собрать экспертное сообщество, в которое вошли бы компетентные в данной области физики, и признать необходимость применения нашего прибора в российской наноиндустрии. Наука потому и наука, что в ней возможно понимание нового и без опытного эксперимента на первоначальном этапе. После этого, конечно, уже можно было бы предлагать реализацию нашей разработки разным странам мира.
Да, можно поднимать вопросы о престиже России – это, конечно, дело важное. Но больше вдохновляет идея цивилизационного развития, его нового этапа. Мировое развитие, в соответствии с концепцией "длинных волн конъюнктуры" экономиста Н.Д.Кондратьева, характеризуется сменой технологических укладов (экономических циклов), протяженностью около 50–60 лет. Мы как раз завершаем цикл и стоим на пороге нового. В настоящее время страны-лидеры вступают в шестой технологический уклад, в основании которого лежат молекулярные, клеточные и ядерные технологии, нанобиотехнологии и наноэнергетика, нанобионика, наноматериалы, нанороботика и другие наноразмерные производства. Это вызов времени.
США еще в начале 1990-х годов начали развивать исследования в области нанотехнологий. Первая нанотехнологическая программа "Синтез и обработка наночастиц" была профинансирована Национальным научным фондом США в 1991 году [1]. В 1994 году была создана Национальная сеть нанопроизводства, в 1998 году сформирована Межведомственная Рабочая Группа по Нанотехнологиям (IWGN) при Национальном Совете по Науке и Технологиям (NSTC), а в 2001 году принята масштабная Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI). Суммарные расходы за период с 2001 по 2011 год составили 14 млрд. долл. [2], а по прогнозным оценкам в 2013 году инвестиции достигли 18 млрд. долл. Создана научно-исследовательская сеть, в которой было задействовано около 40 тыс. экспертов.
В России тоже прослеживается инновационная активность. Была создана государственная корпорация "Российская корпорация нанотехнологий", а к 2013 году наша страна приблизилась по объемам финансирования отрасли нанотехнологий к показателям США. Но куда пошли деньги? Почему в ведомстве А.Чубайса нет возможности измерить нанометры?
Ясно, что развитие нанотехнологий имеет многоуровневый характер и зависит от многих факторов, определяющих его качество. Немаловажный фактор тут – личностный. Если так тяжело и долго добиваешься контакта с ученым экспертным сообществом, то поневоле задумываешься и начинаешь считать, уже не в нанометрах, а в реальных отрезках времени: годах и десятилетиях. Сколько же России понадобится времени, чтобы приблизиться к лидирующим позициям США, Европы и Японии?
Ученые, исследовавшие эту проблему, полагают, что в России нет заинтересованности организаций в коммерциализации научных результатов, очень слаба кооперация между ними. Мы убедились в этом на личном опыте. Но если нет точного нанометрового эталона, то нет и индустрии нанотехнологий.
Размышляя о нашей стране и ее положении на мировой научной арене, считаю преступлением не замечать имеющиеся достижения в нанометрологии, главное требование к которой заключается в том, что ее уровень развития должен многократно превышать уровень технологии. Наши ученые выполнили эту задачу, мы изготовили не имеющий мировых аналогов прибор – точку опоры нанометрологии – и готовы организовать его поставки. Хочу отметить, что на разработку и изготовление прибора не потрачено ни рубля бюджетных средств. Может, именно в этом и кроется причина равнодушия. Если бы мы финансировались из бюджета, то, вероятно, нашлись бы лоббисты и наших достижений и результатов…
ЛИТЕРАТУРА
1.Инновационное развитие – основа модернизации экономики России: Национальный доклад.
М.: ИМЭМО РАН, ГУ-ВШЭ, 2008.
2.Обзор ведущих страновых инициатив в области нанотехнологий // http://www.startbase.ru/knowledge/articles/10/
Отзывы читателей
