Материалы_по_экономике / Глазьев_6ТУ

левской премии по физике 2007 года. Примерно в то же время Бэйбич (M.N. Baibich ) обнаружил эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных магнитных наноструктурах Fe/Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм (количество слоев менялось от 3 до 50). Открытие ГМС позволило создать высокоточные сенсоры магнитного поля, датчики углового вращения и, самое главное, считывающие головки жестких дисков. Первые считывающие ГМС-головки были выпущены в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практически во всех жестких дисках.

Компания Motorola начала массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory – магниторезистивная память с произвольной выборкой). Главное отличие таких модулей – записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах – например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле- и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи. Спинтроника даст возможность также создать СВЧ-генераторы и другие микроволновые приборы нового поколения.

Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники в ближайшие десятилетия: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. В данной области используются качественно новые гетероструктуры – наноплен-

71

ки. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые – магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. В перспективе - спинтроника, работающая с магнитными молекулами. Российские ученые имеют здесь неплохой задел.

Стратегическая и экономическая значимость разработок в области спинтроники общепризнана. Неудивительно, что лидирующие позиции здесь принадлежат США, где опекой этого перспективного научного и технологического направления занимаются та-

кие авторитетные ведомства, как NSF (National Science Foundation), NIST (National Institute of Sience and Technology), DoD (Department of Defense), DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и ONR (Office of Naval Research). Одним из ведущих мировых цен-

тров является Центр спинтроники и квантовых вычислений (CSQC) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В 70-е и 80-е годы прошлого века в нашей стране были неплохие, мирового уровня, наработки по созданию памяти на магнитных цилиндрических доменах. Однако наступивший развал отечественной электронной промышленности свел на нет эти достижения. Поэтому у нас нет масштабных технологических работ по спинтронике.

3.3.2. Медицина и фармацевтика

Важной составляющей ключевого фактора шестого технологического уклада являются нанобиотехнологии, объединяющие достижения физики, химии, биологии и медицины. На их основе создаются системы диагностики, разрабатываются высокодисперсные формы лекарственных препаратов и их адресной доставки к пораженным органам, создаются биосовместимые материалы и покрытия для использования в медицинской имплантационной практике, реконструктивной и пластической хирургии. Осваивается промышленный выпуск тест-систем для ускоренного определения возбудителей социально значимых вирусных и бактериальных заболеваний, токсинов и вредителей сельскохозяйственных культур. Раз-

72

рабатывается технология для производства нанодиагностикумов на основе инкапсулированных квантовых точек, металлических наночастиц с целью создания новых быстрых и недорогих аналитических методов декодирования последовательности нуклеиновых кислот и белков для нужд медицины, сельского хозяйства, национальной безопасности. Создаются технологии для специфического выявления высокопатогенных вирусов, включая человеческие и птичьи вирусы гриппа, с использованием единого способа детекции, основанного на изменении величины тока в нанопроводах при связывании с ними биообъекта.

В последние годы наблюдается феноменальный рост продаж лекарственных препаратов, разработанных с использованием технологий генной инженерии. Американская компания Genentech (DNA) впервые синтезировала человеческий инсулин, до появления которого больные сахарным диабетом были вынуждены, несмотря на выраженные побочные эффекты, принимать инсулин, выделенный из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота. Это произошло в 1978 г. и считается официальной датой рождения биотехнологии.

Нанобиотехнологии – междисциплинарная область, являющаяся по оценкам экспертов современным лидером по перспективности и темпам развития. К практическим применениям нанобиотехнологии относятся:

•увеличение скорости и точности диагностики заболеваний;

•создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени;

•повышение специфичности и скорости доставки лекарств;

•миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор;

•способствование развитию экологически чистых производственных процессов.

Американские эксперты выделяют следующий репрезентативный ряд приложений нанотехнологии в биомедицине, состоящий из одиннадцати тем:

•инженерия живых тканей и регенеративная медицина;

•биологические наноструктуры;

•инкапсуляция лекарств и адресная доставка лекарств;

73

•молекулярная визуализация;

•биофотоника;

•биосовместимые имплантанты;

•биоаналитические мембраны;

•молекулярные биосенсоры;

•биочипы и лаборатории на чипе (lab-on-a-chip);

•функциональные молекулы: переключатели, насосы, транспортные средства.

Эксперты Европейской комиссии составили следующий перечень наиболее важных, по их мнению, разделов нанобиотехнологий:

•доставка лекарств;

•молекулярная визуализация;

•косметика;

•создание новых лекарственных средств;

•методы диагностики;

•хирургия, в т.ч. трансплантация тканей и органов;

•тканевая инженерия;

•пищевые технологии;

•геномика и протеомика;

•молекулярные биосенсоры и прочие технологии.

Основные направления развития нанобиоиндустрии на ближайшие пять лет определяются развитием микро- и нанофлюидной техники для точного дозирования и распределения жидкостей и наночастиц в определенном объеме или на поверхности, технологий проведения биохимических реакций в микро- и нанообъемах, и технологий считывания этих сигналов с последующей трансформацией сигнала в последовательность нуклеиновой кислоты. Актуальность развития методов быстрого и недорого анализа биополимеров и особенно ДНК определяется необходимостью совершенствования методов диагностики ранних стадий заболеваний, обеспечения адекватной поддержки персонифицированной медицины и введения мероприятий по своевременному обнаружению и мониторингу инфекционных агентов вирусной и бактериальной природы, а также паразитарных инфекций. На этой основе планируется создание принципиально новых систем многопараметрического анализа маркеров социально значимых заболеваний человека с ис-

74

пользованием инкапсулированных квантовых точек (нанокристаллов) и нанодисперсий металлических наночастиц для одновременной регистрации концентраций белковых и низкомолекулярных маркеров, не превышающих пикомоль/мл. Квантовые точки являются в настоящее время универсальным материалом для адресной цветной маркировки ряда параметров, используемых в диагностике опухолевых процессов, соматических и наследственных генетических патологий, и при проведении морфологических исследований в клинической и научной практике. Ведется разработка технологии создания гибридных биосовместимых наноматериалов на основе неорганических наночастиц и генно-инженерных антител для адресного воздействия на биологические объекты.

Миниатюризация устройств, предназначенных для выявления ранних стадий заболевания, использование в качестве активного диагностического начала – сенсора наноразмерных датчиков (квантовых точек с иммобилизованными антителами, лигандами и другими аффинантами) и одновременное повышение количества определяемых параметров обуславливает чрезвычайный интерес к этому разделу нанобиотехнологии инвестиционных компаний во всем мире.

Одним из ведущих носителей нанобиотехнологий становится фармацевтическая промышленность. В частности, создание высокодисперсных форм лекарственных средств является одним из наиболее перспективных направлений разработки фармакологических и ветеринарных препаратов. Исследования процессов трансдермального и трансбарьерного переноса физиологически активных веществ с помощью липосом и наноэмульсий продемонстрировали на примере даже широко известных и давно применяемых препаратов (антибиотиков, цитостатиков и др.) значительные преимущества этих лекарственных форм с точки зрения увеличения эффективности, снижения токсичности и риска возникновения побочных эффектов, возможности осуществления регулируемого или пролонгированного высвобождения действующего вещества, а также возможности направленной доставки его к пораженному органу или ткани.

Технологии генной инженерии позволяют синтезировать лекарственные препараты с заранее известными свойствами, в отличие от традиционной фармацевтики, которая для разработки новых

75

препаратов вынуждена исследовать свойства десятков тысяч различных химических субстанций. Благодаря новым подходам к разработке лекарственных препаратов, в последние годы мы стали свидетелями революционных прорывов в лечении таких заболеваний как рак, рассеянный склероз, ревматоидный артрит, сахарный диабет, ВИЧ и др.

Большое распространение данные технологии нашли в области косметологии, поскольку получаемые таким способом липосомальные косметические препараты обладают отличной способностью к трансдермальному проникновению. Разработаны новые транспортные наносистемы (контейнеры) для доставки лекарств в органы-мишени. Эти разработки позволяют повысить растворимость, биодоступность, терапевтические возможности препаратов, снизить дозы и побочные эффекты, значительно уменьшив лекарственные нагрузки на организм. По некоторым оценкам, довести новое лекарство от идеи до постели больного стоит в США около 800 млн долларов.

Применение нанотехнологий позволяет качественно поднять эффективность многих видов медицинской деятельности. В частности, они позволяют создать материалы, обладающие повышенной биосовместимостью к крови, живым тканям и физиологическому раствору человеческого организма. Потребность в качественных имплантантах только для сердечно – сосудистой хирургии исчисляется 3 – 4 млн. шт. в год. Формирование биосовместимых границ раздела медицинского материала-имплантанта с живыми компонентами организма человека (кровь, плазма крови, физиологический раствор, лимфа и т.д.) требует создания морфологической структуры поверхности имплантанта с такими размерами активных элементов поверхности, которые соответствуют размерам структур этих живых компонентов т.е. в наномасштабном диапазоне.

Соединение нанотехнологий и достижений генной инженерии открывает революционные возможности для регенерирования тканей. Для создания биоискусственных органов и тканей используются матриксы (носители) для клеток на основе наночастиц. Перспективным направлением является использование стволовых клеток. Стволовая клетка – это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма. Механизмы, определяющие специализацию клетки, еще не вклю-

76

чены, из них потенциально могут развиться любые клетки. Сегодня существует множество клиник по всему миру, предлагающих лечение стволовыми клетками (СК) огромного количества заболеваний. Компании, занимающиеся стволовыми клетками в мире, представ-

лены на сайте http://www.stem-cell-companies.com. Ранее считалось,

что источником стволовых клеток является эмбриональная ткань и костный мозг взрослого человека. Однако в последующем были обнаружены неисчерпаемые запасы стволовых клеток в жировой ткани организма, что сняло этические и медицинские барьеры их широкого применения.

Ожидается, что использование достижений генной инженерии позволит многократно повысить эффективность здравоохранения и фармацевтической промышленности. По данным International Association of Nanotechnology массовое использование нанотехнологий в медицине начнется уже в 2011 – 1015 гг. (рис. 3.18).

3.3.3. Генно-модифицированные продукты

Другой сферой быстрого распространения нанобиотехнологий стало сельское хозяйство, в котором широко применяются генетически модифицированные организмы, созданные методами генной инженерии на основе достижений современной молекулярной биологии. Под определение генетически модифицированный организм (ГМО) подпадают организмы с изменениями в геноме, которых нельзя достичь традиционными методами селекции и рекомбинации. Технология, позволяющая создать ГМО, – генная инженерия. Естественно, ГМО создаются с какими либо «улучшенными свойствами». Наиболее распространенными ГМО на сегодняшний день являются растения, в силу того, что с ними работать намного проще, чем с животными. Наиболее массово данная технология при-

меняется в сельском хозяйстве [http://gmo.ru/new/plants].

Используемые ГМО – это в основном трансгенные растения. Термин трансгенные означает, что в геном конкретного растения были внесены чужеродные гены, в большинстве случаев даже не из растительного организма. Например, создан картофель, имеющий ген земляной бактерии, который придает ему устойчивость к колорадскому жуку.

77

Наряду с трансгенными существуют и цисгенные растения, которые по ряду причин распространены гораздо меньше. Цисгенные организмы и, в частности, цисгенные растения также получаются с помощью генной инженерии, однако, в отличие от трансгенных организмов, модификация в этом случае проводится только генами из родственных организмов, с которыми возможно скрещивание.

В 1982 г. ученые американской компании Monsanto, которая была основана в 1901 г., впервые генетически модифицировали растительную клетку. Первой сельскохозяйственной генномодифицированной (ГМ) культурой был томат “Flavr Savr”, устойчивый к гниению. Этот сорт был создан калифорнийской компанией Калген (Calgene), впоследствии купленной Монсанто. За время с 1996 г., когда началась коммерциализация ГМ культур, они были внедрены во многих странах и к 2007 г. занимали более 114 млн. га (рис. 3.19). Наибольшее количество посевных площадей засеяно в США (~ 50 % мировых площадей), а также в Аргентине, Бразилии, Канаде, Парагвае (около 90% площадей в этих странах заняты ГМ культурами).

Большого разнообразия выращиваемых ГМ культур не наблюдается: практически 100% составляют соя, хлопок, кукуруза и канола (масличный рапс), хотя всего запатентовано около 23 различных культур в различных вариантах генетической модификации

(табл. 3.5).

Таблица 3.5

Разрешенные в мире ГМ культуры [AGBIOS – www.agbios.com]

Окончание табл. 3.5

Разрешенные в мире ГМ культуры [AGBIOS – www.agbios.com]

За 12 лет не было создано растений с повышенной урожайностью или питательностью, засухоустойчивых или солеустойчивых, многие растения обладают устойчивостью к гербицидам, насекомым или к тому и другому. Уже известны случаи приобретения сорняками устойчивости к используемым с ГМ культурами гербицидам. Не исключено, что и вредоносные насекомые уже приобрели такую устойчивость. Подобные изменения ведут к все большему использованию гербицидов (прибыль получает компания их производящая, чаще всего та же, что создала ГМ растение), либо к выращиванию новых вариантов ГМ культур (опять же приобретаемых у производящей компании).

ГМ компании напрямую связаны и с производством семян, причем отнюдь не только ГМ культур. В настоящее время всего несколько транснациональных корпораций контролируют рынок семян. Десять наиболее крупных контролируют 57 % этого рынка.

Причем четыре из них – Monsanto, DuPont-Pioneer, Syngenta and Bayer – 41 %. После приобретения крупнейших компаний, производящих семена – Dekalb Genetics и Seminis, а также крупнейшего производителя семян хлопка – Delta and Pine Land Company, американская Monsanto стала мировым лидером в производстве ГМ культур (~ 86 % всех ГМ растений связаны с Monsanto), и крупнейшей семенной компанией.

Мировые гиганты производства семян являются по совместительству и производителями химических препаратов. Monsanto, DuPont-Pioneer, Syngenta и Bayer производят семена ГМ растений,

устойчивых к определенным гербицидам, причем эти гербициды производят сами компании. Монополизация мирового рынка ГМсемян вызвала подорожание семян и снижение их разнообразия,

79

повышенное загрязнение окружающей среды пестицидами и гербицидами.

У выращивания ГМ культур есть некоторые особенности. Они запатентованы компаниями в качестве интеллектуальной собственности. Поэтому фермеры не имеют права сохранять семена от урожая для дальнейшего использования. Причем, компании хотят получать прибыль не только от продажи семян, но также и от продажи урожая. Фермеры вынуждены каждый год покупать семена, причем по контракту, одним из пунктов которого является то, что фермеры обязуются не отдавать их на какие-либо исследования, что делает невозможным проводить какие либо независимые исследования и осуществлять контроль качества.

3.3.4. Конструкционные и функциональные материалы

Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними – к нанотехнологиям [3.55]. Для современных конструкционных материалов характерна такая закономерность: увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность [3.55]. Например, нержавеющая сталь с нанокристаллической структурой получается из аустенитной стали путем формования методами сверхпластической деформации. По сравнению с обычной нержавеющей сталью новый материал обладает повышенной в 3 раза твердостью и может использоваться, как конструкционный материал в условиях повышенных нагрузок. Другой пример – дамасская сталь. Ее делали в средние века в Сирии, потом секрет был утерян, но некоторое количество изделий сохранилось. Недавно специалисты Массачусетсского технологического института (MIT) в США наконец раскрыли секрет дамасского чуда. Выяснилось, что древесный уголь в Сирию

80