В XXI веке мир входит в новую научно-технологическую революцию, связанную, прежде всего, с нанотехнологиями, которые оперируют в пространстве между микромиром и квантовой действительностью, соприкасаясь и взаимодействуя с ними. Диапазон наномира – от 1 до 100 нанометров (для сравнения, диаметр спирали ДНК человека составляет 2 нм). Однако наноматериал должен еще получить качественное изменение свойств для оправдания своего имени.
Нанотехнологии выводят человеческую жизнь на совершенно новый уровень уже сегодня. Однако объем возможных в ближайшие годы технологических прорывов в агропромышленном комплексе, строительстве, медицине, электронике, новых материалах завораживает.
Мир еще в самом начале этого пути. По оценке Global Industry Analyst Inc, за 15 лет, которые открыли эпоху нанотехнологий, мировая практика продвинулась от создания пассивных (2001-2005) до активных наноструктур (2006-2010) и наносистем третьего поколения. Иначе говоря, от нанодисперсных порошков в первое пятилетие до компонентов наноэлектроники, фотоники, нанобиотехнологий, адресной доставки лекарств и адаптивных структур – во вторую пятилетку. А с 2011 года берет свое начало развитие наносистем третьего поколения, таких, как трехмерные сети, нанороботы, молекулярные наносистемы и системы с управляемой наносборкой, которые на сегодняшний момент, в большинстве своем, находятся на стадии научно-технической разработки.
Если совсем коротко и на конкретных примерах описать этот путь и начать с нанодисперсных порошков, то можно напомнить о сверхмолекулярном полиэтилене для экстремальных условий эксплуатации (его выпускают в Томске), морозостойкость которого выдерживает до -80 градусов по Цельсию. Это одна из его характеристик, но наиболее понятная для обычного человека, который не вполне хорошо понимает, какие существуют условия в космосе и других экстремальных средах.
А если говорить о сегодняшнем дне российской наноиндустрии и уже вполне неплохо освоенном поле первого поколения, то август этого года растиражировал в корпоративных СМИ историю о завоевании около 30 процентов глобального рынка российской компанией «Монокристалл» из пакета РОСНАНО. Она признана крупнейшим в мире производителем искусственных сапфиров, заняв лидирующие позиции в двух основных сегментах рынка – сапфир для светодиодов и мобильной электроники. А к слову, сапфир используется в производстве компонентов для швейцарских часов, «умных» часов компании Apple, в освещении, а также в подсветке LED-телевизоров.
Активно работают в инновационных направлениях почти 50 стран, принявшие за эти годы свои национальные программы по нанотехнологиям, включая Россию, которая утвердила такую программу в 2007 году.
В результате, по оценке Global industry analyst, Inc, объем рынка мировой наноиндустрии в 2014 году составил 1,2 трлн.долларов, и к 2020 году ожидается его утроение (CAGR 22,5 %). Одной из ключевых тенденций является опережающий рост наноэлектроники (ожидается более 70 процентов мировой выручки от продажи всей нанопродукции в 2020 году), движимый ростом спроса на мобильные цифровые устройства. Далее в структуре мирового производства развивается направление «наноматериалы», за ним идут технологии в авиа- и автомобилестроении и обороне, затем в медицине и фармацевтике. Иначе говоря, развитие нанотехнологий подталкивает потребительский спрос, основной драйвер рыночной экономики. Люди хотят платить за «умные» технологии и вещи.
У российской наноиндустрии – несколько иная структура, наиболее перспективными являются разработки направлений «наноматериалы» и «наномедицина», для которых разработана научная база и имеются производственные резервы, и нишевые вложения в наноэлектронику.
Но рассматривать hi-tech предприятия следует как игроков мирового рынка, потому что российский национальный рынок пока что не очень велик и ему надо расти. Собственно говоря, высокие технологии в современном мире очень недолго остаются в национальных границах суверенных государств. Чаще бывает, что научная лаборатория расположена в одной стране, производство компонентов в нескольких странах, сборка – в других, а продажи по всему миру. Конечно, технологические перемены надо рассматривать и с учетом новых для России условий последних месяцев, которые дают возможность инновационному бизнесу найти свое место и в программах импортозамещения с тем, чтобы заменить дорожающую импортную продукцию качественными отечественными аналогами.
Но снова к цифрам. По данным Росстата в 2014 году было поставлено нанотехнологической продукции на 756,9 млрд рублей, в том числе портфельными компаниями РОСНАНО на 184,6 млрд рублей (24,4 %). Экспорт по прямым договорам составил 193,1 млрд рублей, экспорт продукции портфельных компаний РОСНАНО – 29,6 млрд рублей (15,3 %). Итак, вполне ясно, что наноиндустрия в России бесспорно состоялась.
Трудно давать твердые оценки по успешности в такой тонкой области как нанотехнологии, однако некоторым образом определиться можно с помощью данных о патентах. Всего число международных заявок на патенты в этой области (данные рассчитаны специалистами РОСНАНО по материалам информационного ресурса PatBase.com) ежегодно растет (2001-2014), и в 2014-м, только за год, оно приблизилось к 35 тысячам (CAGR21%). Больше всего заявок из Китая, США, Южной Кореи и Японии (у Китая их, к примеру, 84166). У России 2890 международных заявок, тем не менее, она входит в ТОП-25 по этому показателю, то есть находится где-то в середине, поскольку также нас опережают Тайвань, Австралия, Канада, Германия и Индия. Но, совсем немало, наше государство находится в одном сегменте с Великобританией, Францией и Австрией, а среди развивающихся стран – обгоняет Бразилию, Мексику и ЮАР.
Практика сложилась так, что к основным направлениям патентной защиты, по данным РОСНАНО, относятся патенты на конкретные наночастицы и методы производства нанопродукции. Существенное количество заявок на патенты связано с такими ключевыми направлениями, как углеродные нанотрубки, наноструктурированные покрытия, нанофильтрация, тонкие пленки, полупроводниковые и интегральные схемы, устройства памяти, светоизлучающие приборы, магнитные материалы и адресная доставка лекарств.
За прошедшие годы государство приняло несколько системных решений и базовых документов по развитию наноиндустрии. На этой правовой основе серьезными темпами идет создание экосистемы инноваций в наноиндустрии. Сегодня для Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО это приоритетная задача. Тем не менее, не следует считать, что инвестиционные программы, в которых принимает участие в т.ч. ОАО «РОСНАНО», находятся где-то на втором плане, просто финансовые инструменты работают наиболее эффективно, когда существует и развивается сама рыночная экосистема, когда есть доверие и ясна конечная цель.
Посмотрим на сегодняшний наномир более предметно, и начнем с общей классификации наноматериалов (данные основаны на аналитике BCCResearch, а также GlobalIndustryAnalysts). Сегодня мы выделяем в ней несколько разделов: нанокомпозиты, затем, наночастицы и нанопорошки, объемные наноструктурные материалы, нанопористые материалы, в следующую группу вошли нанотрубки, фуллерены и графен, потом нанопленки и нанопокрытия, метаматериалы, нанодисперсные жидкости, а также биосовместимые наноматериалы.
Несколько слов по конкретным позициям. Итак, наноразмерные катализаторы применимы в нефтехимии, химической промышленности, фармацевтике, очистке воздушных выбросов, в пищевой промышленности. Объем рынка наноразмерных катализаторов составил в 2009 году 5 млрд долл. К 2020 году рынок прогнозно вырастет до 7,2 млрд долл.
Далее взглянем на позицию «углеродные наноматериалы», куда относятся углеродные нанотрубки, нановолокна, фуллерены и графен. Область применения в электронике, в авто-, авиастроении, в оборонных технологиях, в текстильной промышленности. Объем рынка нанотрубок в 2011 году составил 192 млн долл., к 2016 он должен вырасти до 527 млн долл. В 2014 году запущено первое промышленное производство графена в Китае. К 2018 году спрос может составить почти 200 млн долл. Чем хороши углеродные наноматериалы? Они обладают высокой электро- и теплопроводностью, высокой прочностью на растяжение и устойчивость к воздействию кислот. Как минимум они востребованы в электронике и создании новых материалов.
Ну, и конечно, нанокомпозиты, о которых уже много сказано. Тем не менее, подчеркнем тот факт, что наноразмерные аддитивы меняют свойства материалов и дают им высокие прочностные, барьерные, антикоррозийные, антипиреновые и другие качества. Нанокомпозиты применяются в автомобилестроении, электронике, производстве строительных материалов, медицине, в технологиях производства упаковки. Объем рынка нанокомпозитов в 2013 году составил 1,2 млрд долл. Прогнозно в 2019-м он вырастет до 4,2 млрд долл.
Рынок нанопокрытий, по оценке Future Markets, Inc., в ряду самых перспективных и по объемам выручки, и по технологиям применения. Основные материалы для нанесения нанопокрытий включают металл, стекло, ткань, керамику, пластик, дерево, то есть все основные материалы нашего мира. Поэтому назначение нанопокрытий самое широкое. Объем рынка нанопокрытий в 2013 году составил 2,5 млрд долл. В 2015 году он должен вырасти до 9,7 млрд долл.
Отдельно надо говорить о фильтрационных материалах, применяемых в пищевой промышленности, фармацевтике, очистке бытовых и промышленных сточных вод. Объем рынка мембран для нанофильтрации составил в 2013 году 190,2 млн долл., а в 2019-м он вырастет до 445,1 млн долл.
И еще модные в последнее время аддитивные технологии – основа технологий 3D-печати в строительстве и производстве потребительских товаров. Далее фантазию можно не ограничивать. К примеру, довольно серьезно обсуждается возможность отказа от промышленного производства потребительских товаров с тем, чтобы человек у себя дома с помощью 3D-принтера смог изготовить в будущем любую вещь для своего быта и жизни. Вообще-то это обсуждаемые перспективы…
В качестве расходных материалов для аддитивных технологий чаще всего используются специализированные микроразмерные порошки, но наиболее перспективными считаются наноструктурированные и наномодифицированные расходные материалы. В 2013 году выручка от реализации 3D-принтеров составила 684 млн долл. В 2025-м она может составить 7 млрд долл., впрочем, некоторые эксперты называют и 25 млрд долл как уровень 2015 года (см. LuxResearch, How 3D Printing Adds Up: Emerging Materials, Processes, Applications, and Business Models, 2014).
Отдельную группу, во многом опережающую все прочие области наноиндустрии, на мировом рынке составят наноэлектроника и оптоэлектроника. Эта группа по своей востребованности не менее, а более впечатляет, чем предыдущая.
Основные направления развития наноэлектроники, как утверждают эксперты Global industry analyst, Inc. таковы: а) создание устройств оптической передачи данных; б) синтез новых материалов для светоизлучающих устройств; в) создание новых типов лазеров; г) совершенствование технологий производства малых полупроводниковых структур (квантовые точки, квантовые нити); д) фотовольтаика (область солнечной энергетики); е) создание новых материалов с сильным магниторезистивным эффектом. С 2010-2011 гг. наноэлектроника начала свой бурный рост, а к 2016 году этот рынок перевалит отметку в 1,3 трлн долл.
К 2024 году органический светодиодный дисплей (OLED) покорит планету на рынке смартфонов, планшетов и цифровых фотоаппаратов, в производстве приборов ночного видения, автомобилестроении (см. IDTechEx, OLED Display Forecast 2014-2024, 2014). Объем рынка OLEDв 2014 году составил 15,7 млрд долл., а в 2024 достигнет 55,7 млрд долл. Рынок гибкой электроники, включая фотовольтаику, будет оцениваться более, чем в 40 млрд долл. к 2020 году (см. MarketsandMarkets, FLEXIBLE ELECTRONICS MARKET 2014-2020, 2014).
Наномагнетики мало известны широкому пользователю, однако они уже более десяти лет являются одними из наиболее широко используемых наноматериалов, области их применения: системы хранения информации (MRAM, HD), системы электромагнитной защиты материалов, системы магнитной сепарации, системы записи и визуализации, системы передачи тепла, сенсоры, медицина и биотехнологии. Уже в 2012 году, по данным BCC Research, объем их рынка достиг 7,3 млрд долл., а в 2017-м может составить 9 млрд долл.
Наконец, еще одна область применения нанотехнологий – медицина и фармацевтика. К основным направлениям развития наномедицины относятся адресная доставка лекарств, вакцины, антиадгезивы, биосенсоры, биосовместимые наноматериалы и еще одна область применения – визуализация. Движущей силой в развитии подотрасли являются тяжелые заболевания, и в первую очередь – сердечно-сосудистые и рак. Именно адресная доставка лекарств к больным органам произвела революцию в этой области. Она дает увеличение биодоступности и эффективности, уменьшает дозы и токсическое воздействие. В ряде случаев в процессе лечения рака отпадает необходимость в традиционной химиотерапии, последствия которой всем хорошо известны. Объем рынка нанофармацевтики в 2014 году составил 29,6 млрд долл., а в 2019 году он приблизится к 80 млрд долл. (см. Kevin James, Drug Development and Delivery, Nanotechnology market – nanotechnology markets in healthcare and medicine, November 2014).
Еще не так широко сегодня распространены тестовые платформы нового поколения для in-vitroдиагностики, имеющие в своей основе нанотехнологический подход, на базе которых осуществляют различные специализированные экспресс-тесты в формате «персонализированной медицины» – химические, иммунологические, гематологические, гемостазиальные и микробиологические. По данным BCC Research, объем рынка наночастиц, которые значительно повышают чувствительность поверхностей биосенсоров, в 2012 году составил 466 млн долл., а в 2017-м предположительно составит 1,1 млрд долл.
Для успешного развития всех самых перспективных направлений в области нанотехнологий работает созданная средствами Фонда инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО система нанотехнологических центров в России в среде знаменитых наукоградов и других научно-технических центров. Сегодня их двенадцать – в Зеленограде, Дубне, Новосибирске, Томске, Троицке, два в Москве, в Гатчине, Ульяновске, Саранске, Самаре и Казани. История каждого требует отдельного рассказа о том, как меняется научное и технологическое сообщество в приложении к конкретным целям экономики и бизнеса.
Наноцентры имеют разные специализации, но есть у них и совместные программы. К примеру, в Троицке в апреле этого года подписан договор о вхождении шести наноцентров (из Троицка, Ульяновска, Новосибирска, Казани, Саранска и Дубны), на базе которых создан Центр компетенций «Солартек», в число ассоциированных членов европейского консорциума в области тонкопленочной фотовольтаики Solliance. Смысл объединения в разработке новых видов тонкопленочной фотовольтаики с помощью трансфера европейских технологий. В отличие от традиционной кремниевой это другой тип солнечной генерации. По сути, это модель интеграции пленок фактически в любые поверхности: крыши, фасады домов, и это другая экономика, не связанная с единой энергосистемой, это экономика индивидуального домохозяйства. Еще одна линия – пленки в автомобилях, на капотах, генерирующие солнечную энергию. Только этот комплекс технологий позволяет добавить немало новых высокотехнологичных рабочих мест.
Нанотехнологии распространяются вширь, создавая экосистему инновационных промышленных технологий ХХI века. В России это происходит уже не только в наноцентрах. Бизнес сам использует преимущества нанотехнологий для развития рынка. Из самых свежих примеров можно привести тот факт, что этим летом в Тимирязевской сельскохозяйственной академии была открыта экспериментальная теплица для выращивания овощных и зеленых культур, при создании которой применены нанотехнологические решения. Здесь потребитель увидит экономические преимущества от владения, эксплуатации теплицы. Совершенно ясно, что светодиодное освещение энергоэффективнее, чем применяемое сегодня. Совершенно понятно, что современные стекла энергоэффективнее обычных. Все технологии предложены бизнесом, они не являются научными отчетами, которые лежат на полках. Это уже готовые производства и продукция этих производств потребляется российской экономикой.
