СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ МО США
ЗАРУБЕЖНОЕ ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ № 11/2007, стр. 21-27
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ МО США
П. ВЫБОРНОЙ
Министерство обороны США уже довольно продолжительное время проводит научные исследования в области нанотехнологий, которые в настоящее время находят применение при создании вооружения. В середине 1990-х годов военное ведомство включило нанотехнологий в список шести стратегических областей фундаментальных исследований, что предопределило стабильное финансирование данной научной области на долгосрочный период.
В соответствии с Актом нанотехнологических исследований и разработок XXI века (общественный закон 108-153) национальный научно-технологический совет подготовил стратегический план для федеральной программы НИОКР в области нанотехнологий. Согласно ему подкомитет по нанонауке и технике (NSET) совета при непосредственном участии представителей МО в декабре 2004 года составил обновленный стратегический план национальной нанотехнологической инициативы (ННИ), рассчитанный на период до 2015 года. Предусматривается финансирование следующих семи областей исследований, или программных подразделов:
- фундаментальные нанометрические явления и процессы;
- наноматериалы;
- нанометрические устройства и системы;
- исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехноло-гические стандарты;
- производство наноизделий;
- создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры;
- общественные аспекты.
Финансирование работ в области нанотехнологий в министерстве обороны возложено на управление перспективных исследований МО США (DARPA), министерств ВВС, СВ и ВМС. В процессе распределения финансовых средств участвует управление МО по снижению угроз совместно с командованием медицинских исследований и материалов министерства сухопутных войск.
В табл. 1 представлены объемы финансирования в период с 2006 по 2008 год по каждому из семи программных подразделов.
Бюджет МО по нанотехнологиям в 2007 году включает увеличенные на 21 млн долларов расходы на НИОКР в области перспективного литографического оборудования, необходимого для мелкосерийного производства быстродействующих специализированных интегральных схем, наноэлектромеханических систем (НЭМС-технология) и нанофотонных устройств (шестой программный подраздел).
В табл. 2 приведено распределение бюджета нанотехнологических программ МО по категориям НИОКР 6-й главной программы МО США.
В табл. 3 дается распределение бюджетных средств по министерствам и управлениям МО.
Следует отметить, что нанотехноло-гические программы МО отличаются от программ других федеральных ведомств тем, что работы по ним фокусируются одновременно как на достижении экстремальных технических характеристик, так и на оценке их потенциальной значимости для МО. Общей технической целью этих программ является выработка базы знаний и способности управлять процессами по объектам, размер которых находится в диапазоне 1-100 нм, где физические, химические и биологические свойства могут иметь существенные отличия от свойств отдельных атомов, молекул или макроколичеств вещества в целом. Общая цель программ, представляющих значимость для МО, заключается в изучении и использовании явлений, возникающих в данном масштабе величин, для создания новых технических средств, совершенствующих боевые возможности вооружения.
Таблица 1
ИНВЕСТИЦИИ В НАНОТЕХНОЛОГИИ ПО ПРОГРАММНЫМ ПОДРАЗДЕЛАМ, МЛН ДОЛЛАРОВ
Ниже представлены характерные долгосрочные задачи и программные цели для каждого из семи программных подразделов.
Долгосрочными задачами нанонаучных исследований (ННИ) в рамках программного подраздела «Фундаментальные нанометрические явления и процессы» являются:
- разработка базы фундаментальных знаний по новым явлениям физического, биологического и технического характера, которые возникают на нанометрическом уровне, а также объяснение научных и технических принципов, касающихся наноструктур, нанопроцессов и наномеханизмов.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- изучение новых явлений и процессов, которые позволят совершить качественный прорыв в области повышения боевых возможностей вооружения;
- разработка воспроизводимых методов синтеза, определения параметров и сборки отдельных наноструктур;
- изучение возможностей применения наноструктур для катализа, в очистителях, средствах маркировки, сенсорах, термоэлектрике, термоионике и фотоэлектрической энергетике.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- обнаружен новый вид клеточной нестабильности при использовании алюминиевых наночастиц в наноэнергетике;
- продемонстрирована токовая спиновая поляризация при комнатной температуре для применения в наноэлектронике;
-разработаны новые однослойные самособранные мономолекулярные слои и продемонстрирована их эффективность при пассивировании реактивных наночастиц для применения в наноэнергетике;
- получены соединения двух квантовых точек арсенида индия (InAs, которые в отдельности ведут себя как псевдоатомы) для формирования «молекулы» квантовых точек с рядом оптически доступных основных и возбужденных состояний для применения в наноэлектронике, в том числе в средствах распознавания.
К числу долгосрочных задач ННИ в рамках программного подраздела «Нано-материалы» относятся следующие:
- выявление новейших наноматериалов и наноструктур;
- разработка всеобъемлющей базы знаний о свойствах наноматериалов (с варьированием по масштабу длин и с учетом взаимодействия границ раздела);
- обеспечение возможности конструирования и управляемого синтеза нано-структурных материалов с требуемыми свойствами.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
-разработка методов синтеза прецизионных наноструктур, предназначенных для обеспечения управления характеристиками переноса квантов в устройствах, использующих наноструктурные материалы;
- использование биологических процессов для малозатратного синтеза и шаблони-рования образованных структур;
- контроль и использование взаимодействия между синтетическими и при-
родными (биологическими) материалами;
- разработка нанометрической архитектуры для улучшения характера протекания процесса локальной диффузии, кинетики реакции, совершенствования оптических и электрических свойств.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- разработаны оптоэлектрон-ные волокна с нанометрически-ми структурными признаками, а также продемонстрировано их применение для обнаружения света и тепла в любом осевом положении;
- осуществлено присоединение биомолекулярных рецепторов к нановолокнам с большой площадью поверхности для применения в многофункциональных волокнах и чувствительных элементах;
- произведен синтез нанокристаллических квантовых точек и продемонстрирована возможность обнаружения ими инфракрасного излучения без необходимости охлаждения ниже комнатной температуры;
- произведены синтез наномагнитных материалов и их демонстрация при высокочувствительном обнаружении и определении характеристик ДНК и контроле внутриклеточных биохимических сигнальных путей;
- изготовлены наноструктурные материалы с электрооптическими коэффициентами более 450 пм/В;
- разработаны наномагнитные и трехмерные тканевые структуры с нанопроволокой.
Отмечается, что особую роль при достижении целей данного подраздела играет созданный на базе Массачусетского технологического института институт военно-прикладных нанотехнологий. Институт занимается разработкой экипировки и вооружения в рамках семи проектов, каждый из которых посвящен повышению возможностей «солдата будущего». Среди первых опытных образцов, созданных в рамках одного из проектов, следует выделить боевой бронежилет толщиной несколько миллиметров. Такая «динамическая броня» будет содержать сложные наномолекулярные соединения, и в результате этого новая форма будет одновременно совмещать в себе бронежилет, а также экзоскелет и универсальное медицинское оборудование. Датчики, встроенные в форму, позволят определять все жизненно важные параметры военнослужащего (пульс, температуру тела, кровяное давление и др.), а данные об его общем состоянии будут выводиться как на нашлемную или нарукавную систему отображения, так и в портативный компьютер, который будет принимать решения о трансформации костюма в экзоскелет или броню независимо от солдата. Полимерные наноактюаторы, встроенные в форму, по сигналу от компьютера призваны упрочнять или смягчать его определенные участки.
Таблица 2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БЮДЖЕТА НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГРАММ МО ПО КАТЕГОРИЯМ НИОКР, 6-Й ГЛАВНОЙ ПРОГРАММЫ МО США, МЛН ДОЛЛАРОВ
Для повышения жесткости костюма к нановолокнам добавляются наночастицы, которые соединяются между собой и упрочняют общую структуру. Кроме того, добавление различных наночастиц к нановолокнам позволит изменить электропроводность. Таким образом, существует возможность создания отдельных проводящих участков костюма, обеспечивающих связь расположенных внутри него сенсоров с управляющей системой и передачу энергии к наноактюаторам экзоскелета.
Таблица 3
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БЮДЖЕТНЫХ СРЕДСТВ ПО МИНИСТЕРСТВАМ И УПРАВЛЕНИЯМ МО, МЛН ДОЛЛАРОВ
Новые материалы на основе нескольких полимеров позволят защитить военнослужащего от пуль и осколков. В настоящее время ведутся разработки в направлении создания энергопоглощающих полимеров на основе жидких кристаллов.
Ключевыми материалами для перспективного костюма военнослужащего будут нановолокна на основе полиуретана, а также нанополимеры (рис. 1).
Рис. 1. Материалы, построенные на основе нанополимеров
Кроме того, ведутся НИОКР в области создания нанокерамических материалов, которые могут применяться в приводных валах, телескопических перископах и др. В частности, при использовании наноструктур из карбида кремния удалось в 3 раза повысить жесткость материалов по сравнению с обычными изделиями из этого материала. На их основе выпускаются различные покрытия, в частности NanoTuf, которое состоит из наночастиц в растворе и в несколько раз увеличивает прочность пластика. На рис. 2 приведен пример защитного стекла для шлема военнослужащего с данным покрытием.
Рис. 2. Образец пуленепробиваемого стекла с покрытием NanoTuf
Рис. 3. Принцип действия перьевой нанолитографии
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Нанометрические устройства и системы» являются:
- применение принципов нанонауки и нанотехники для создания новейших или улучшения существующих устройств и систем;
- внедрение нанометрических и наноструктурных материалов для повышения рабочих характеристик либо получения новых функциональных возможностей (при этом размеры самих систем или устройств не ограничиваются).
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- использование прорывов в нанотехнологиях в ходе НИОКР по созданию революционных устройств и систем для повышения боевых возможностей военнослужащих и систем ВВТ;
- определение механизмов функционирования элементов в наномасштабе при их применении в источниках энергии (батареях со сниженными током разряда и повышенной плотностью энергии, конденсаторах), катализаторах топливных элементов и электродных структурах;
- подключение подразделений прикладных исследований и разработок МО для ускорения внедрения научных открытий в ключевые военные технологии;
- работа по изучению возможностей и координации технических требований к перспективному вооружению между специалистами управления НИОКР министерства обороны и видов ВС.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
-разработан новейший детектор посредством введения туннельного перехода в детектор квантовых точек, у которого в результате проверки выявлена способность
выборочно понижать шумовой ток при значительном повышении соотношения «сигнал/шум»;
- проведена демонстрация структурированной струйной печати нанокомпозиционных фотогальванических кристаллов на плоской подложке для изготовления двухцветных фотогальванических элементов;
- разработаны нанопористые кристаллические матрицы для стабилизации и опознавания белковых ионных каналов и их демонстрации при обнаружении передающихся через воду токсинов;
- изготовлен органический светодиод наименьших размеров посредством заполнения канала диаметром 60 нм и глубиной 100 нм светоизлучающим (электролюминесцентным) полимером;
- разработаны механические резонаторы с наивысшей добротностью на основе на-нокристаллического алмаза.
Долгосрочными задачами НИИ в рамках программного подраздела «Исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты» являются:
- разработка инструментальных средств, необходимых для усовершенствования методов модернизации нанотехнологических исследований и промышленного внедрения, включая инструментальные средства нового поколения для определения параметров, проведения измерений и синтеза, разработки материалов, структур, устройств и систем;
- выработка стандартов, в том числе по номенклатуре, материалам, определению параметров и контролю, производству.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- разработка передовых инструментальных средств нового поколения для создания перспективных нанотехнологических материалов и устройств;
- распространение магнитно-силовой микроскопии наночастиц;
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- произведен оптический захват наноструктур посредством манипулирования наночастицами размером 10 нм лазером мощностью менее 1 мВт;
- проведена демонстрация производства и обнаружения отдельных фотонов в клетках щелочных паров;
- осуществлено рамановское формирование изображения скрытых углеродных нанотрубок;
- создана новая метрологическая система непосредственного измерения характеристик термоэлектрических материалов, построенная на основе модели спектроскопии импеданса.
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Производство наноизделий» являются:
- запуск надежного экономичного производства нанометрических материалов, структур, устройств и систем;
-разработка и интеграция сверхминиатюрных нисходящих процессов и более сложных восходящих или процессов самосборки.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- управление и контроль над внедрением нанотехнологий в оборудование военного назначения;
- выявление реальных возможностей для включения нанопроизводства в такие программы МО, как программы новаторских НИР малых предприятий (SBIR), передачи технологий малых предприятий (STTR) и производственных технологий (MANTECH);
- обеспечение возможности синтеза, формирования и сборки отдельных наноструктур с использованием фундаментальных биологических ресурсов, включая использование вирусов и родственных структур в качестве шаблонов для нанопро-водов и массивов неорганических веществ, представляющих особый интерес;
- разработка доступных по цене методов производства наноструктурных материалов.
Рис. 4. Модель LЕАР-микроскопа с атомным зондом
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- проведена демонстрация нового метода изготовления наночастиц, построенного на использовании надкритической подвижной фазы при сверхвысоком давлении (метод быстрого расширения сверхкритических растворов - RESS);
- разработан уникальный непрерывный процесс изготовления наноматериалов с заданными свойствами с узким распределением по размерам;
- разработана опытная партия и проведена демонстрация нанокомпозиционных сумок для ношения готовой пищи, в которых в качестве материала используются силикаты со слоями полиэтилена и монтмориллонита;
Таблица 4
РАБОТЫ, ПРОВОДИМЫЕ В РАМКАХ НАЦИОНАЛЬНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНИЦИАТИВЫ
- создан новый метод тепловой перьевой нанолитографии для непосредственного нанесения металлических нанонитей на подложку в атмосфере или вакууме. Принцип действия перьевой нанолитографии схематично представлен на рис. 3.
Долгосрочными задачам ННИ в рамках программного подраздела «Создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры» являются:
- создание оборудования для проведения исследований, приобретение важной контрольно-измерительной аппаратуры и другая деятельность, заключающаяся в разработке, поддержке или модернизации национальной научной инфраструктуры для проведения НИОКР в области нанотехнологий;
- постоянное функционирование основных лабораторий и сетей.
Программной целью МО в данном подразделе является адаптация лабораторий и контрольно-измерительной аппаратуры к проведению нанонаучных исследований.
В ходе проводимых работ были достигнуты следующие результаты:
- создано оборудование для проведения литографии без шаблона и при непо-
средственном формировании рисунка для производства экономичных быстродействующих интегральных схем в масштабах мелкосерийного производства.
- образована лаборатория по наноэлек-тронике научно-исследовательской лаборатории министерства армии, имеющая следующую аппаратуру: турбонасосный наноманипулятор/наноэлектронный зонд на основе сканирующего электронного микроскопа, электронно-лучевой генератор изображения, оптический микроскоп с большой рабочей дистанцией, спин-процессор, вакуумную криогенную зондовую установку DC-40 ГГц шестью манипуляторами и возможностями атмосферного контроля и оптического зондирования, печь для выращивания углеродных на-нотрубок, программное обеспечение формирования изображения и анализа углеродных нанотрубок, микроскоп со сканирующей головкой, позволяющей проводить перьевую нанолитографию и определять электрические характеристики, электромагнит с регулировкой возбуждения и комплект высокоточной электронной оснастки для наноэлектронного контроля, включая анализатор спектра в диапазоне 3-50 ГГц и параметрическую систему определения характеристик полупроводников. Целью исследований лаборатории по наноэлектронике является разработка маломощных нанометрических датчиков и устройств связи, предназначенных для индивидуальной защиты военнослужащих.
- приобретены LEAP-микроскоп с атомным зондом и дополнительный импульсный лазер с разрешением 80 нм и скоростью сбора данных до 1,2 млн атомов в минуту для проведения количественной трехмерной томографии структуры материала. На рис. 4 представлена модель LEAP-микроскопа.
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Общественные аспекты» являются:
- определение и снижение возможных рисков здоровью и окружающей среде, которые будут связаны с деятельностью в области нанотехнологий (включая риски, связанные с воздействием людей, животных, факторов окружающей среды на разработанные нанометрические материалы, наноструктурные вещества и устройства, построенные на основе нанотехнологий и их сопутствующих продуктах);
- разработка нанотехнологических материалов для школ, студенческих программ, технической подготовки и общественных социально-ориентированных программ.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- предоставление гарантий военнослужащим, использующим средства, изготовленные на основе нанотехнологий, в плане сохранения здоровья и обеспечения безопасности;
- обеспечение возможности проведения анализа физико-химического состава воды и воздуха;
- поддержка инвестиционной политики, направленной на создание многофункциональной системы обучения и подготовки квалифицированных кадров;
- оценка и ослабление отрицательного воздействия на окружающую среду или здоровье человека нанотехнологических материалов, используемых при производстве вооружения и военной техники.
В поддержку национальной нанотехнологической инициативы МО активно сотрудничает с другими министерствами и ведомствами, среди которых следует отметить бюро по определению научно-технической политики, административно-бюджетное управление, национальный научный фонд, национальный институт стандартов и технологии, министерства торговли, энергетики, юстиции, национальной безопасности, транспорта, финансов, сельского хозяйства, управление по охране окружающей среды, НАСА, национальные институты здравоохранения, государственный департамент, национальный институт охраны труда, службу патентов и торговых знаков, а также комиссии по национальному регулированию и международной торговле.
В табл. 4 представлены примеры работ, проводимых в настоящее время отдельными управлениями и министерствами совместно в рамках национальной нанотехнологической инициативы.
В министерствах каждого вида ВС были образованы научно-исследовательские группы по изучению нанотехнологий и выявлению быстрых и эффективных путей их внедрения (в частности, рабочая группа ВМС по нанонауке, стратегическая технологическая группа по нанонауке и технологиям научно-исследовательской лаборатории ВВС, объединенная целевая группа по нанотехнологиям министерства сухопутных войск RDECOM).
В дополнение к этому ежегодно при финансовой поддержке МО проводятся конференции на такие темы, например, как «Наноматериалы для применения в военных целях», которые способствуют установлению связей между НИОКР, финансируемыми МО, и разработчиками как со стороны этого министерства, так и со стороны коммерческих промышленных предприятий.
Нанотехнологические исследования продолжают оставаться основной национальной инициативой, в которой с самого начала главную роль играет МО. В ходе них должны быть достигнуты прочные научные знания, а руководящая функция оборонного ведомства важна для обеспечения эффективности проводимых НИОКР, а также для оптимального использования полученных результатов этих работ и приобретенных знаний при создании перспективных боевых систем вооружения.
Таким образом, научные прорывы, произошедшие в последние годы, демонстрируют высокий потенциал нанотехнологий, которые могут оказать влияние на боевые возможности в будущем, в частности: обеспечить защиту от ОМП, снижение массы боевого снаряжения, создание материалов с высокими технологическими и эксплуатационными показателями для платформ и систем ВВТ, а также средств выработки энергии и энергетических материалов, БЛА и космических микроаппаратов.
Подробнее см. «Зарубежное военное обозрение». - 2003. - №5. - С. 9.
