_files_materials_5053_prog.ntr

261

достижений, открывающих дорогу новым, более эффективным приложениям. В частности в ближайшие пять лет будет создана научно-технологическая база для широкого распространения общедоступных систем автоматизированного обучения для отдельных предметов и специальностей, систем, основанных на виртуальных способах профессионального общения, а также технологий, систем и инструментальных средств разработки программного обеспечения, позволяющих реализовать работу группы разработчиков независимо от их географического положения.

Индустрия наносистем и материалов Нанотехнологии и новые материалы – направление, способное

радикально изменить жизнь человечества и внести огромный вклад в социально-экономическое развитие уже в недалеком будущем. Согласно экспертным оценкам, для России наиболее актуальные разработки в этой сфере относятся к созданию мембран и каталитических систем, биосовместимых материалов, полимеров и кристаллических материалов. Несколько ниже оценки перспектив технологий создания и обработки композиционных и керамических материалов, а также нанотехнологий и наноматериалов.

В области мембран и каталитических систем к наиболее важным технологиям относятся «Катализ наносенсорными наночастицами благородных металлов в процессах нефтепереработки, экологии и энергосбережения»; «Разработка фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды, воздуха, опреснения воды»; а также «Технологии каталитического синтеза углеродных наноматериалов – нановолокон, нанонитей, нанотрубок из доступного углеводородного сырья».

Наиболее перспективные приложения технологий создания биосовместимых материалов относятся к медицине: наноструктурированные материалы и покрытия для создания имплантов, работающих под нагрузкой; наноконтейнерные технологии векторной доставки лекарств; биосовместимые материалы, имитирующие ткани живых организмов; наноматериалы для

262

экстренной остановки кровотечений при оказании первой медицинской помощи; магнитные наноносители с регулируемой точкой Кюри (42-45°С) для лечения злокачественных опухолей, доставки лекарств и магнитной томографии.

Весьма разнообразны направления использования полимеров и кристаллических материалов, среди них: кристаллические и наноструктурированные металлические материалы для различных видов транспорта; полимерные материалы (включая волокна и нити) с повышенной механической прочностью и химической стойкостью; полимерные антифрикционные материалы и покрытия, а также кристаллические материалы для инфракрасной техники, спинтроники и фотоники. Значительный эффект ожидается от применения новых материалов в энергетике, в первую очередь, альтернативных источников энергии (солнечных батарей; портативных топливных элементов, аккумуляторов водорода, электрохимических и термоэлектрических источников тока, суперконденсаторов и др.).

В области композиционных и керамических материалов наиболее широкий потенциальный рынок имеют упрочняющие инструментальные покрытия для машиностроения, коррозионностойкие материалы и покрытия для экстремальных условий эксплуатации, высокопрозрачная нанокерамика для оптики и фотоники, нанокомпозиты для топливных элементов и устройств наноионики, ресурсосберегающие керамические мембраны с прецизионно регулируемой пористостью.

Высокую актуальность для развития нанотехнологий в России имеют разработки метрологического обеспечения, а также «наноприложений» в области электроники, в том числе, элементной базы, метаматериалов для оптоэлектроники, сенсорной техники, магнитной томографии, микроскопии сверхвысокого разрешения, формирования трехмерных полупроводниковых и металлических наноструктур на основе эффектов самоорганизации, создания энергонезависимых устройств долговременного хранения информации сверхвысокой емкости. Как и в области полимеров весьма перспективны

263

применения нанотехнологий в энергетике, например, разработка белых светоизлучающих диодов высокой яркости и эффективности.

В области нано- и микросистемной техники актуальны приложения в области высокоскоростной связи с эффективной защитой от естественных и искусственных помех; моделирования наноприборов (нанотранзисторов и др.) для ультра-БИС с нормами проектирования в суб-20 нм диапазоне. Перспективны технологии создания полифункциональных алмазоподобных пленок и диэлектрических тонких пленок суб-10 нм толщины с большой диэлектрической константой (~ 20). Важным направлением для энергетики является создание сверхчувствительных сенсоров физических величин с высокой по сравнению с кремнием радиационной стойкостью.

Уровень российских разработок по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалов» относительно высок по сравнению с другими направлениями, однако в большинстве направлений отставание от мировых лидеров носит существенный характер.

Наиболее высокий уровень российских разработок отмечается в области мембран и каталитических систем, композиционных и керамических материалов. Несколько ниже оценки для нанотехнологий и наноматериалов, а также биосовместимых материалов. Среди технологий, по которым отставание России менее заметно, следует отметить формирование ультрамелкозернистой структуры в металлических сплавах методами интенсивной пластической деформации; сопряжение наноконтейнеров с биологически активными молекулами; высокоэффективные полимерные теплоизолирующие тепло- и огнестойкие материалы; покрытия и модификаторы; коррозионностойкие материалы и покрытия для экстремальных условий эксплуатации.

По ряду направлений имеются реальные шансы быстрой реализации российских научно-технических заделов и получения конкурентоспособной продукции: это упрочняющие инструментальные покрытия для машиностроения; кристаллические и наноструктурированные металлические материалы с повышенными конструкционными и функциональными

264

свойствами для различных видов транспорта; коррозионностойкие материалы и покрытия для экстремальных условий эксплуатации; фильтры и мембраны на основе наноматериалов для очистки воздуха, воды и ее опреснения.

Живые системы Технологии живых систем призваны формировать основу для решения

острейших социальных проблем, касающихся каждого человека, – профилактики и лечения наиболее распространенных и опасных заболеваний, а также обеспечения радикального повышения эффективности сельскохозяйственного производства.

Наиболее перспективные направления использования технологий живых систем связаны с интеграцией био-, нано- и информационных технологий. При этом, согласно экспертным оценкам, наиболее важными для будущего России являются разработки в сфере биосенсоров, биомедицины, клеточных, биокаталитических и биосинтетических технологий.

Основное практическое применение технологий живых систем ожидается в сфере медицины, включая методы диагностики, профилактики и лечения заболеваний. Актуальные для России темы охватывают профилактику социально значимых заболеваний (атеросклероза, ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда и др.; выявление роли генетических факторов в патогенезе социально значимых мультифакториальных заболеваний; комплексная ДНК-диагностика наследственных заболеваний; индивидуальное генетическое тестирование, а также прогнозирование риска развития, степени тяжести течения и оценки эффективности терапии сердечнососудистых заболеваний.

В области клеточных технологий большое значение придается проведению фундаментальных исследований, направленных на выяснение молекулярных и клеточных механизмов трансформации нормальных клеток в раковые; выявление связей между популяциями нормальных, стволовых и раковых клеток, составляющих опухолевые узлы, и ключевых биомолекул при

265

злокачественной трансформации клеток, а также раскрытие молекулярных механизмов регенерации тканей. Практическое применение этих технологий ожидается в области регенерации тканей и органов на основе стволовых клеток, получения «иммунокомпетентных клеток», систем экспресс-диагностики инсульта мозга.

Биосенсорные технологии являются междисциплинарным направлением и охватывают молекулярную химию, генетику и физику. Они имеют огромное влияние на повышение качества жизни человека, предлагая раннюю диагностику заболеваний, выявление вредных веществ в пище и окружающей среде. В качестве наиболее важной тематики в данной области: тест-системы для диагностики рака, системных, инфекционных и наследственных заболеваний (в т.ч. лекарственно-устойчивых); биосенсоры и биочипы для клинической диагностики с использованием новых типов биологических устройств; биочипы для полуавтоматической регистрации генных маркеров наиболее значимых патологий; технологии быстрой идентификации токсических веществ и патогенов.

Прогресс геномных и постгеномных технологий создания лекарственных средств будет определяться решением таких исследовательских задач, как: установление взаимосвязи между мутациями в геноме и профилем лекарственной устойчивости патогенных микроорганизмов (туберкулеза, стрептококка, гонококка и др.); раскрытие причин многофакторных генетических заболеваний и предрасположенностей к ним, в частности, связанных с неправильной экспрессией генов; установление корреляций между генетическими полиморфизмами и вариантами функционирования различных систем организма. В практическом плане наиболее перспективны поиск новых молекулярных мишеней для создания новых лекарственных средств и ранних маркеров заболеваний, создание вакцин против широкого круга заболеваний (малярии, рака шейки матки, гепатитов А и С и др.); системы доставки биологически активных соединений к органам-мишеням, в том числе с использованием наночастиц (аэрозоли, липосомы, фагосомы).

266

Биокаталические и биосинтетические технологии будут играть решающую роль для систем защиты окружающей среды и очистки сточных вод; комплексной переработки возобновляемых ресурсов животного и растительного происхождения; создания биодеградируемых пластиков (полилактат, полигидроксибутират), органических химикатов на основе биоконверсии лигноцеллюлозы; биосовместимых биополимерных материалов, самостерилизующихся поверхностей для медицины и др.

Биоинформационные технологии будут использоваться для решения таких актуальных научных задач, как выяснение молекулярных механизмов взаимодействия клеточных и вирусных геномов; выяснение структуры бактериальных сообществ и механизмов взаимодействия между членами таких сообществ, в том числе, путем переноса генетической информации; выявление механизмов эпигенетического наследования; анализ вариабельных участков генома человека.

К числу перспективных направлений практического использования относятся определение физиологических свойств организма по геному (в том числе для микроорганизмов); моделирование (аннотация) метаболических и сигнальных путей в клетке; молекулярный дизайн био- и наноструктур (лекарственных препаратов, функциональных наноустройств с использованием биополимеров и др.).

В области биоинженерии перспективными направлениями исследований являются создание методов ранней и дифференциальной диагностики рака с использованием геномных и пост-геномных (транскриптомика) данных; выяснение молекулярных и клеточных механизмов иммунного ответа, в т.ч. врожденного иммунитета. В качестве наиболее актуальных сфер практического приложения указаны доставка генетического материала в органы и ткани, быстрый и дешевый сиквенс ДНК; создание трансгенных сельскохозяйственных растений с улучшенными свойствами. Следует отметить, что практическая значимость биоинженерии существенно снижается

267

проблемами, связанными с острыми дискуссиями по поводу практики использования генетически модифицированных продуктов.

Уровень российских разработок в области живых систем в целом значительно уступает мировому. Несколько выше среднего уровень исследований и разработок в сфере биоинформационных, клеточных и биосенсорных технологий. Но даже и для этих областей лишь в отдельных направлениях исследований Россия конкурентоспособна на мировом уровне. Среди них – исследования структуры бактериальных сообществ и обмена между их членами генетической информацией. Данная тема представляет собой удачный современный пример синергизма между биологическим знанием и применением информационных технологий. Другая успешная область – иммунизация против латентных инфекций – отражает успехи советской и российской науки в области создания отечественных вакцин. Технологии на основе биологических микрочипов (ДНК-чипы) давно и успешно развиваются в России. Высоко оцениваются перспективы моделирования физиологических свойств микрооорганизмов, что открывает возможности создания новых лекарств, что особенно важно при появлении высокой резистентности патогенов к уже существующим препаратам.

Неплохие позиции российские ученые сохраняют в области биочипов для обнаружения патогенных бактерий и вирусов и определения их лекарственной чувствительности, а также в разработке технологий быстрой идентификации токсических веществ и патогенов».

Практически по всем направлениям живых систем лидерство принадлежит США, которым значительно уступают Евросоюз и Япония.

В настоящее время практическое использование отечественных разработок биотехнологий в живых системах носит ограниченный характер. Подобная картина, скорее всего, сохранится и в ближайшее десятилетие. Тем не менее, в период до 2015 г. возможно получение серьезных научных и практических результатов по таким направлениям, как биокаталитические системы защиты окружающей среды и очистки сточных вод; биосовместимые

268

биополимерные материалы, самостерилизующиеся поверхности для медицины; тест-системы на основе геномных и пост-геномных технологий для диагностики рака, системных заболеваний, инфекционных и наследственных заболеваний; биосенсоры и биочипы для клинической диагностики с использованием новых типов биологических устройств; технология быстрой идентификации токсических веществ и патогенов.

Более существенные прорывы в сфере живых систем возможны, начиная с 2016 г. В этот период ожидается выявление фундаментальных механизмов образования злокачественных опухолей, внедрение в лечебную практику методов ранней и дифференциальной диагностики рака; биотехнологий, автоматизирующих процесс индивидуального генетического тестирования; технологий иммуномодуляционной терапии лейкозов, лимфом, отдельных видов рака.

Рациональное природопользование Рациональное природопользование является одной из наиболее

перспективных сфер практического использования технологий.

В разделе «Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы» большое значение придается формированию комплексных информационных ресурсов, таких как геоинформационная база данных о лесных пожарах в России, позволяющей в режиме реального времени оценивать число пожаров и площадь территорий, пройденных огнем, или база данных рекреационных, ландшафтных, лекарственных и др. природных ресурсов. Другие актуальные направления исследований - прогнозирование и оценка допустимого потребления (уловов) биологических ресурсов во внутренних и окраинных морях, а также в открытом океане; средне- и крупномасштабное экологическое картографирование с использованием ГИСтехнологий; оценка экосистемного разнообразия лесов бореальной зоны России для разработки методов их рационального использования.

269

Наиболее актуальные направления разработки технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы связаны с оценкой состояния водных ресурсов: комплексный мониторинг потребления воды и содержания в ней загрязняющих веществ; системы физического, химического и биологического мониторинга крупных водоемов, прогнозирование наводнений с помощью спутников, а также с созданием систем оценки и прогноза состояния гидрометеорологических компонентов природной среды с высоким пространственным и временным разрешением для предотвращения опасных гидрометеорологических явлений.

Исключительное значение приобретут технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи природных ресурсов, в т.ч. технологии рекультивации техногенно нарушенных территорий в зонах действия нефтегазовых комплексов, золото- и угледобычи, металлургических производств, экологически безопасные технологии добычи нефти и газа, экологически безопасные технологии разведки и получения углеводородного сырья на шельфе Мирового океана. Актуальными направлениями научных исследований будут разработка геофизических методов разведки нефти и газа в сложнопостроенных средах и оценки продуктивности нефтеносных пластов, методов мониторинга нефтегазовых месторождений и поиска зон возможного рудопроявления и нефтегазонасыщенных месторождений, а также методов оценки и прогнозирования состояния земель и ландшафтов и допустимого антропогенного воздействия на них с использованием данных современных дистанционных (космических и других), почвенных, геофизических и геохимических исследований.

Для снижения риска природных и техногенных катастроф особо важными будут создание комплексной системы оценки рисков для здоровья населения от загрязнения окружающей среды и системы интегрального мониторинга безопасности и качества сельскохозяйственного сырья, применяемых компонентов, включая генно-модифицированные организмы (ГМО), и продуктов питания. Актуальные направления научных исследований в этой

270

области охватывают разработку методов оценки состояния техногенных систем, опасных для окружающей среды, формирование геоинформационной базы данных о воздействии промышленных предприятий на природные комплексы для оперативного контроля за состоянием техногенно нарушенных территорий, создание технологий, обеспечивающих существенное повышение пожароустойчивости лесов, включая комплекс лесоводственных и профилактических противопожарных мероприятий.

Наиболее актуальные направления предотвращения и снижения загрязнения окружающей среды, переработки и утилизации техногенных образований и отходов включают технологии экологически безопасной переработки и утилизации бытовых и промышленных отходов; технологии очистки выбросов в атмосферный воздух от промышленных источников, в том числе приоритетных загрязняющих и вредных веществ (прежде всего, мелкодисперсных частиц РМ10 и РМ2,5, канцерогенных веществ). Другое важное направление технологического развития связано с применением эффективных технологий водопользования, в том числе – очистки сточных и дренажных вод промышленных производств, населенных пунктов и селитебных зон и технологий восстановления качества воды в поверхностных водных объектах и загрязненных подземных вод. Важное научное направление

– изучение структуры, свойств и физико-химических условий образования минеральных фаз с целью совершенствования материалов для захоронения радиоактивных и токсичных отходов.

Согласно оценкам экспертов наилучшие научные позиции по сравнению с ведущими странами Россия имеет в области «Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы», в том числе в области исследований роли биоразнообразия для обеспечения экологической безопасности. Несколько ниже уровень российских исследований в области предотвращения и снижения загрязнения окружающей среды, переработки и утилизации техногенных образований и отходов; экологически безопасной разработка месторождений и добычи природных ресурсов и технологии