Сказать, что передовые материалы прочно входят в нашу жизнь – все равно что ничего не сказать. В исторической перспективе видно, что новые материалы позволяли преобразовать жизнь человека, о чем свидетельствуют названия эпох: каменный век, бронзовый век, железный век. Одна только эволюция орудий труда приводила к революционным изменениям в жизни на планете в каждую из этих эпох, и в последнее время темп этой эволюции значительно ускорился.

Так, усовершенствования всего в одной области – полупроводниковых материалах – произвели революцию в современном обществе. Повсеместное распространение вычислительных и коммуникационных технологий стало возможным благодаря улучшению технологии производства полупроводников более чем в миллион раз за прошедшие четыре десятилетия. В результате огромных продвижений в материаловедении примерно за 40 лет мы прошли путь от отправки человека на Луну с помощью компьютеров, обладающих памятью около 4 Кбайт, до повседневного использования смартфонов, способных без проблем обращаться к 64 Гбайт данных. Проблема в том, что такие темпы нельзя сохранять вечно, а изменение давно сложившихся тенденций может вызывать большие сложности.

Стабильный прогресс привел к уменьшению толщины слоя полупроводниковых материалов в транзисторах до нескольких атомов. При таких размерах начинает проявляться действие законов квантовой механики, что делает следующее поколение материалов бесполезным для практического применения. Поэтому исследования в области передовых материалов направлены на поиск альтернативных путей. Понимая всю серьезность этой проблемы, мы уже можем утверждать, что нас ждут значительные сдвиги, связанные с потенциальными источниками дальнейшего прогресса в информационных технологиях и необходимыми для продвижений в этой сфере знаниями и навыками.

Практически все разработки в области передовых материалов имеют свои последствия для общества. Более того, взаимозависимости этих разработок и социальные последствия весьма значительны. Рассмотрим для примера задачу обеспечения питьевой водой мирового населения, которое в ближайшие двадцать лет вырастет на несколько миллиардов человек. По мере истощения существующих резервуаров и водоносных горизонтов жизненно важную необходимость приобретут энергоемкие методы получения воды, такие как обессоливание. Для широкомасштабного применения этого метода, основанного на очистке обратным осмосом, потребуются более эффективные мембранные материалы.

Однако даже при существенном улучшении мембран потребуются огромные объемы новых энергоресурсов. Передовые материалы помогут решить и эту проблему.

Чтобы получить возможность генерировать энергию, не усугубляя глобальное потепление, необходимы значительные продвижения в разработке материалов, применяемых в энергетических технологиях. Для более эффективного получения возобновляемой энергии с помощью ветрогенераторов, фотоэлектрических и гелиотермических установок требуются улучшенные материалы. Возможно, еще большее значение имеет способность эффективного хранения и извлечения такой энергии, а для этого необходимы материалы, позволяющие усовершенствовать аккумуляторы и повысить шансы на то, что возобновляемые источники заменят традиционные. Есть и другой вариант – инкапсуляция ядерного топлива для создания экономичных ядерных реакторов, использующих газовое охлаждение. При надежной системе удержания топлива и возможности использовать в случае аварии пассивное воздушное охлаждение такие реакторы будут достаточно безопасными.

Глобальные проблемы, с которыми общество сталкивается в условиях постоянно растущего спроса на истощающиеся природные ресурсы, требуют технических и социальных инноваций, позволяющих решать насущные вопросы. Большую помощь в поиске таких решений нам могут оказать достижения в области разработки новых материалов.

Чтобы новые материалы и нанотехнологии приносили коллективную выгоду, необходимы общие усилия. Для формирования междисциплинарных групп, занимающихся исследованием, производством и интеграцией передовых материалов, потребуется поддержка академического сообщества, правительства и бизнеса. Чтобы решать стоящие на повестке дня вопросы относительно передовых материалов, необходимы международные коалиции. К счастью, в этой области уже есть примеры совместной работы: исследовательские проекты, такие как инициатива «Геном материалов» (Materials Genome Initiative), и международные коалиции, такие как Mission Innovation – группа, объединившая специалистов из 23 стран, работающих над созданием платформы для разработки передовых энергетических материалов.

Чтобы ускорить обнаружение и внедрение новых материалов, химическая промышленность уже использует инновационные модели из других областей. Например, в сфере разработки программного обеспечения объединение крупных промышленных игроков с предпринимательским капиталом и экосистемой стартапов привело к возникновению эффективного цикла разработки и развития. И хотя разработкой новых материалов занимается гораздо меньше стартапов, ситуация может измениться, если будут созданы инкубаторы, предоставляющие соответствующую инфраструктуру и мотивацию. Инвесторы, понимающие долгосрочность возврата вложений в эту область, должны осознавать и ее потенциал. При должной поддержке молодые компании смогут сосуществовать с крупными многонациональными консорциумами, придерживаясь соответствующих механизмов и культуры взаимодействия.

Такая среда разработки может приносить выгоду всем участникам, позволяя совершать революционные изменения и создавать материалы, которые станут основой для новых технологий и индустрий. В далеком будущем, когда станут обыденностью дальние космические полеты человека и ядерный синтез, для дальнейшего прогресса будут нужны материалы с ранее невозможными характеристиками, такими как устойчивость к высоким уровням радиации. Например, когда появятся космические колонии, им для производства всего необходимого из местного сырья потребуются миниатюрные модульные фабрики, которые будут иметь для человечества того времени то же значение, что и 3D-принтеры сегодня.

По мере развития Четвертой промышленной революции миру будут нужны новые материалы, и решать проблемы, связанные с этими материалами, должны будут коллективные лидеры, умеющие мыслить категориями долгосрочных перспектив, имеющие творческое мышление, способные фокусироваться на важнейших приоритетах снижения рисков.

Рисунок 19. Финансирование Национальной нанотехнологической инициативы США уже более 10 лет превышает 1 млрд долл.

Источник: Национальная нанотехнологическая инициатива США (2017)

В начале 2000-х годов нанотехнологии получили много внимания, в основном обращенного на потенциальные угрозы, связанные с наночастицами, нанозагрязнениями и пресловутой «серой слизью»[20]. С тех пор правительственное финансирование различных организаций увеличилось (рис. 19). Внимание к нанотехнологиям и всеобщее беспокойство привели к появлению международных рекомендаций, таких как инструкции Международного совета по управлению рисками (International Risk Governance Council) для косметической и пищевой отраслей промышленности. Однако сейчас обсуждается более широкий ряд вопросов, включающий новые угрозы конфиденциальности, предоставляемые нанодатчиками и наноботами, способными проникать в защищенные пространства, и риск применения наноматериалов для создания взрывчатки и химического оружия. К множеству вопросов, требующих нашего внимания, можно добавить возможность нанесения другими продуктами, содержащими искусственные материалы, непоправимого ущерба нашему здоровью и окружающей среде.