Материалы – это строительные блоки для инноваций Четвертой промышленной революции. В следующие 20 лет умение манипулировать, в том числе на атомном уровне, базовыми элементами, из которых состоят материалы, поможет в решении многих насущных мировых проблем. Инновации будут возникать под влиянием цикла обратной связи: достижения в материаловедении помогут совершать прорывы в вычислительных технологиях, а те в свою очередь помогут ученым создавать новые продукты – от синтетических организмов до графеновых аккумуляторов.

Возможно, датчики научатся преобразовывать тепловые отходы в электричество, наноботы смогут доставлять лекарственные препараты в ткани для восстановления клеточных повреждений, а материаловедение поможет решить множество других проблем, но все это требует тщательных исследований и долгосрочных инвестиций. Впрочем, новые материалы и нанотехнологии могут принести не только пользу. Нанозагрязнения способны нанести огромный ущерб экологии, нанодатчики создадут большую угрозу для конфиденциальности и безопасности, а передовые материалы могут использоваться для создания более мощных взрывчатых веществ и химического оружия. Если мы хотим применять новые способы управления материальным миром с максимальной выгодой для бизнеса, общества и окружающей среды и минимальным непредвиденным ущербом, необходимы общие рамки управления и обширные исследования экологических последствий.

Разработка передовых материалов повлияет на большинство, если не на все аспекты Четвертой промышленной революции (рис. 18). Достижения в этой области необходимы для развития технологий, относящихся к самым разным областям, таким как производство, хранение и передача энергии, очистка воды и создание потребительской электроники. Материалы могут быть незаметны, но они буквально создадут другой физический мир. Они реорганизуют цепочки поставок, преобразуют окружающую среду и изменят потребительское общество. Новые материалы нужны для удовлетворения постоянно растущих требований к производительности. Миру необходимо рациональное производство таких материалов для решения глобальных проблем человеческой цивилизации. Слияние технологий и отраслей науки поможет получить от передовых материалов и нанотехнологий максимум пользы. Например, разработка искусственного интеллекта и роботизированных платформ в сочетании со зрелыми экосистемами стартапов может значительно ускорить инновации в этом пространстве.

В идеале компоненты для создания передовых материалов должны добываться экологически ответственными способами, состоять из распространенных на Земле элементов и производиться с использованием экологически безопасных процессов, интегрированных в круговую экономику. Кроме того, они должны иметь низкую токсичность и наносить окружающей среде минимум ущерба. Тем не менее одних лишь рыночных стимулов, включая потребительский спрос и риск для репутации, может быть недостаточно, чтобы производители материалов приняли на себя ответственность за последствия для окружающей среды.

С появлением на рынке новых материалов необходимо разрабатывать стратегии их эффективной переработки, повторного и альтернативного использования. Кроме экономической мотивации и угрозы для репутации, для возложения на производителей ответственности за ущерб окружающей среде необходимо законодательное регулирование. К счастью, для обеспечения экологичности можно использовать инновационные решения, предлагаемые другими технологиями Четвертой промышленной революции. Например, технологии блокчейн позволяют создать международную базу надежных источников материалов и реестр записей о вторичном сырье. Кроме того, базы данных могут способствовать установлению связей между участниками для организации переработки и использования отходов производства.

Еще одна проблема, требующая внимания, – прибыльность новых технологий. Для массового производства материалов необходимы более высокие показатели эффективности и снижение расходов. Например, человечество никогда не хранило энергию в масштабах, необходимых для работы предприятий. Для перехода на возобновляемые источники энергии из-за присущей им нестабильности потребуются хранилища тераваттной емкости. Одна из инноваций, способных сократить расходы на хранение энергии, – проточные батареи. Это многообещающие хранилища энергии, но, чтобы они были конкурентоспособны на большинстве энергетических рынков, стоимость высокопроизводительных мембран должна снизиться на 50 %. К тому же в некоторых проточных батареях используются переходные металлы, такие как ванадий, которые недостаточно распространены в природе, чтобы их можно было использовать для массового хранения экологически чистой энергии.

Рисунок 18. Примеры передовых материалов и продуктов химической промышленности, используемых в разработке важнейших технологий

Источник: Всемирный экономический форум (2017 г.)

Для открытия, разработки и внедрения новых материалов всегда требовались большие капиталовложения. Кроме того, эти процессы занимают много времени: обычно новые технологии материалов выходят на рынок после 10 или 20 лет фундаментальных и прикладных исследований. Здесь тоже могут помочь другие технологии Четвертой промышленной революции. Роботизированные платформы, использующие искусственный интеллект и крупные базы данных о материалах, способны значительно ускорить разработку передовых материалов. Еще одну проблему, но в то же время и возможность ускорить открытие новых материалов представляет передача знаний между вертикалями индустрий. Для преобразования существующих механизмов открытия новых материалов и перехода на интегрированные платформы необходима поддержка правительства, бизнеса и стартапов. Прогресс в этой области требует непрерывных исследований, долгосрочных инвестиций и многостороннего диалога между участниками.

Расширение сферы применения передовых материалов

Бернард Мейерсон (BernardMeyerson), директор по инновациям корпорации IBM, США