Институт нанотехнологий

Институт нанотехнологий — это научно-исследовательское, образовательное или проектно-конструкторское учреждение, специализирующееся на фундаментальных и прикладных исследованиях в области нанонауки и нанотехнологий, а также на разработке, внедрении и коммерциализации продуктов и процессов, основанных на манипуляции веществом на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровнях (в диапазоне размеров от 1 до 100 нанометров). Такие институты объединяют специалистов в физике, химии, биологии, материаловедении, электронике и инженерии, обеспечивая инфраструктуру для работы с нанообъектами (сканирующие зондовые микроскопы, электронные литографы, чистые комнаты) и трансфер технологий в промышленность.

История

Предпосылки создания

Формирование институтов нанотехнологий стало возможным после возникновения самого понятия «нанотехнология», которое ввёл в научный оборот американский инженер Эрик Дрекслер в 1980-х годах. Однако ключевые прорывы, сделавшие возможным целенаправленную работу с наномасштабными структурами, произошли раньше: изобретение сканирующего туннельного микроскопа (1981, Герд Биннинг, Генрих Рорер) и атомно-силового микроскопа (1986), открытие фуллеренов (1985) и углеродных нанотрубок (1991). В 1990-х годах правительства ведущих стран осознали стратегический потенциал нанотехнологий и начали формировать национальные программы, что потребовало создания специализированных институциональных структур.

Первые институты

Первый в мире целенаправленный исследовательский центр в этой области — Институт нанотехнологий (Institute for Nanotechnology) — был основан в 1998 году при Университете Твенте (Нидерланды). В России системная работа началась с принятия «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004) и последующего запуска государственной программы, что привело к созданию сети институтов на базе ведущих вузов и академических учреждений. Крупнейшим среди них стал Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (ИНМЭ РАН, Москва, основан в 2005 году на базе Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов). Активное развитие получили также исследовательские центры при университетах (например, Научно-образовательный центр «Нанотехнологии» при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ») и отраслевые институты при корпорациях (Росатом, Ростех).

Классификация институтов нанотехнологий

Институты нанотехнологий различаются по ведомственной принадлежности, масштабу задач и характеру деятельности.

Академические (фундаментальные) институты

Входят в состав национальных академий наук (например, Российская академия наук). Основное направление — проведение фундаментальных исследований свойств наноматериалов и наноявлений. Примеры: Институт физики микроструктур РАН (Нижний Новгород), Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск).

Университетские институты и центры

Создаются при высших учебных заведениях для интеграции научной работы с образовательными программами. Выпускают специалистов (магистров, аспирантов), проводят прикладные исследования. Примеры: Научно-исследовательский институт нанотехнологий и наноматериалов при Тамбовском государственном техническом университете, Международный научно-исследовательский центр по нанотехнологиям и наноматериалам при Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого.

Отраслевые (корпоративные) институты

Принадлежат крупным промышленным компаниям или государственным корпорациям. Ориентированы на разработку прикладных технологий, создание опытных образцов и запуск промышленного производства. Примеры: НИЦ «Курчатовский институт» (Москва), Нанотехнологический центр компании «Пластмассы» (Москва), институты Госкорпорации «Росатом».

Структура и инфраструктура

Типичный институт нанотехнологий включает следующие подразделения:

• Научные лаборатории по специализациям: лаборатория сканирующей зондовой микроскопии, лаборатория молекулярного моделирования, лаборатория синтеза наночастиц, лаборатория наноэлектроники, лаборатория нанобиотехнологий.
• Центры коллективного пользования (ЦКП) — открытые исследовательские комплексы, оснащённые уникальным дорогостоящим оборудованием (пучковые литографы, высокоразрешающие электронные микроскопы, установки для молекулярно-лучевой эпитаксии), доступ к которому предоставляется сторонним организациям.
• Чистые комнаты — помещения с контролируемым уровнем загрязнения (класс чистоты ISO 1–5), необходимые для микро- и наноэлектронных процессов.
• Образовательные структуры — базовые кафедры вузов, аспирантура, программы повышения квалификации.

Основные направления исследований

Институты нанотехнологий ведут работы по широкому спектру тем:

• Наноматериалы: синтез и изучение свойств углеродных нанотрубок, графена, фуллеренов, наноалмазов, квантовых точек, наночастиц металлов и оксидов, наноплёнок, нанопроволок.
• Наноэлектроника: создание транзисторов с нанометровыми размерами канала (технологические нормы 7 нм, 5 нм и менее), устройств спинтроники, элементной базы для квантовых компьютеров.
• Нанобиотехнологии: адресная доставка лекарств с помощью наноносителей, наносенсоры для медицинской диагностики, создание биосовместимых материалов для имплантации.
• Нанофотоника: разработка фотонных кристаллов, нанолазеров, метаматериалов с отрицательным показателем преломления, устройств для оптической связи.
• Наномеханика: создание микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС/НЭМС), наномоторов, наноактюаторов.

Значение и роль

Институты нанотехнологий выполняют функцию связующего звена между фундаментальной наукой и промышленностью. Они обеспечивают:

• Генерацию новых знаний: открытие и объяснение наноразмерных эффектов (квантовое ограничение, суперпарамагнетизм, плазмонный резонанс).
• Разработку технологий: создание промышленно применимых методов получения наноматериалов (например, химическое осаждение из газовой фазы, лазерная абляция, электроспиннинг).
• Подготовку кадров: обучение студентов и аспирантов работе с современным оборудованием и методами наноанализа.
• Трансфер технологий: передача разработок в серийное производство через лицензирование, создание малых инновационных предприятий (стартапов), участие в технологических платформах.

Критика и проблемы

Деятельность институтов нанотехнологий сопряжена с рядом проблем:

1. Высокая стоимость оборудования и эксплуатации. Чистые комнаты и прецизионные установки требуют миллиардных инвестиций, что ограничивает доступ к исследованиям для небольших организаций и развивающихся стран.
2. Риски для здоровья и окружающей среды. Воздействие наночастиц на живые организмы до конца не изучено; существуют опасения относительно их токсичности и способности проникать через биологические барьеры.
3. Этические вопросы. Возможность использования нанотехнологий для создания новых видов оружия, тотальной слежки (нанодатчики) или радикального улучшения человеческих способностей (трансгуманизм) вызывает общественную дискуссию.
4. Проблема коммерциализации. Многие разработки остаются на стадии лабораторного образца и не доходят до промышленного внедрения из-за высокой технологической сложности масштабирования.

Примеры известных институтов нанотехнологий

• Национальный институт нанотехнологий (Канада) — один из крупнейших в мире, расположен в Эдмонтоне. Специализируется на наномедицине и наноматериалах.
• Центр нанотехнологий IBM Research (Швейцария) — разработал технологию одноатомного хранения данных.
• Институт нанотехнологий и микросистемной техники (Россия, Москва) — структурное подразделение РАН, ведёт работы по наноэлектронике и сенсорике.
• Институт нано-, био-, информационных и когнитивных технологий (Санкт-Петербург) — междисциплинарный центр при Политехническом университете.

---

Источники:

1. _Родионова Л.Н., Ильин И.В._ Нанотехнологии: учебное пособие. — М.: Юрайт, 2019.
2. _Пул Ч., Оуэнс Ф._ Нанотехнологии: введение. — М.: Техносфера, 2007.
3. _Разумов В.И._ Институциональные основы развития нанотехнологий в России // Вестник РАН. — 2010. — № 6.
4. _Дрекслер Э._ Машины создания: грядущая эра нанотехнологий. — М.: АСТ, 2011.