eng
Содержание
Содержание
Предисловие сенаторов Джозефа Либермана и Джорджа Аллена 14
Предисловие редактора 15
Сведения о редакторе и составителе сборника 20
Раздел I. Руководс тво и организация
Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации,
связанные с биотехнологической революцией 21
1.1.
История биотехнологии 22
1.2.
Концепция 1. Уроки S-образной кривой 25
1.3.
Концепция 2. Уроки коммерциализации технических новшеств 28
1.4.
Общие выводы из анализа S-образных кривых развития
любых технологий 29
1.5.
Общие выводы из анализа коммерческих инноваций
в области биотехнологий 30
1.6.
Будущее нанотехнологии 30
Литература 33
Глава 2. Нанотехнология и глобальная энергетика 34
2.1.
Транспортировка и хранение энергии 37
2.2.
Энергия для всех 39
Глава 3. Причудливые, странные и туманные перспективы нанотехнологии.
Корабль в Саргассовом море с опасными капризами моды и агрессивными
требованиями рекламы 40
3.1.
Как не ошибиться в поисках успеха 41
3.2.
Агрессивная реклама 43
3.3.
Факторы, затрудняющие прогнозирование 46
3.4.
Добродетельный круг 48
3.5.
Превращение науки в технологию и бизнес 51
3.6.
Возвращение к реальности 52
Литература 53
Раздел II. Учас тники гонки
Глава 4. Коммерциализация нанотехнологии.
Работает ли закон Мура в микро- и наноэлектронике 54
4.1.
Экспоненты технологического роста 55
4.2.
Закон Мура 57
4.2.1.
Важность закона Мура 58
4.2.2.
Проблемы современной парадигмы 61
4.3.
Молекулярная электроника 62
4.4.
Коммерциализация нанотехнологии 65
4.4.1.
Инновации происходят на границе познания 66
4.4.2.
Хронология событий на рынке нанотехнологий 68
4.4.3.
Проблема вертикальной интеграции стандартов
и технических условий 70
4.4.4.
Проблемы взаимодействия 71
4.4.5.
Как выглядит масштабная иерархия в молекулярной
нанотехнологии? 72
4.4.5.1.
Построение структур методом «сверху вниз».
«Путь чипа» 72
4.4.5.2.
Биологический подход, или развитие технологии
«снизу вверх» 74
4.4.5.3.
Поучительный пример — гибридная молекулярная
электроника 76
4.4.6.
Проблемы интеллектуальной собственности
в разных моделях бизнеса 77
4.5.
Системы, программное обеспечение и другие абстракции 78
4.5.1.
Биологическая муза нанотехнологий 79
4.5.2.
Ускорители нанотехнологии. Квантовое моделирование
и масштабные эксперименты 82
4.6.
Попытки прогнозирования 84
4.6.1.
Краткосрочная перспектива, быстрое получение прибыли 85
4.6.2.
Среднесрочная перспектива 85
4.6.3.
Далекая перспектива 85
4.7.
Этические проблемы. Гены, мемы и оцифровывание 86
4.8.
Заключение 87
Глава 5. Инвестиции в нанотехнологию 88
5.1.
Инвестирование венчурного капитала 88
5.1.1.
Вложение венчурных капиталов в нанотехнологии 89
5.1.2.
Нанотехнологические инновационные фирмы 90
5.2.
Нанотехнологические компании и открытые рынки 92
Глава 6. Государственная политика США
в области нанонауки и нанотехнологии 96
6.1.
Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ)
и Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке 98
6.2.
Научные исследования и развитие 100
6.2.1.
Участие федерального правительства в развитии
нанотехнологий. Проблема разделения фундаментальных
и прикладных исследований 102
6.3.
Образование и подготовка научных и технических кадров 103
6.4.
Оборудование и аппаратура 104
6.5.
Передача технологии 105
6.6.
Проблема ответственности за развитие нанотехнологий 107
6.6.1.
Существующее законодательство и ответственное
развитие нанотехнологий 108
РЕКЛАМА
8
Содержание
6.6.2.
Юридические проблемы организации исследований 108
6.6.3.
Проблемы контроля 109
Литература 111
Глава 7. Обзор академических исследований США
в области нанотехнологии 112
7.1.
Механизмы финансирования исследований Национальным
научным фондом США (NSF) 113
7.1.1.
Центры по нанонауке и наноинженерии
(Nanoscale Science and Engineering Centers, NSEC) 113
7.1.2.
Гранты на поисковые работы в области нанотехнологий 116
7.1.3.
Национальная сеть нанотехнологической инфраструктуры
(National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN) 116
7.1.4.
Сеть вычислительной нанотехнологии (Network for
Computational Nanotechnology, NCN) 116
7.1.5.
Программы образования и подготовки технических кадров 117
7.2.
Главные направления исследований,
финансируемых ННИ и ННФ 117
7.3.
Направления исследований в будущем 123
7.4.
Поддержка специальных направлений академических
исследований со стороны некоторых ведомств,
связанных с ННИ 124
7.5.
Заключение 126
Литература 127
Глава 8. Механизмы передачи и использования результатов
академических исследований в области нанотехнологий 128
8.1.
131
8.2.
Почему университеты занимаются передачей технологий? 132
8.3.
Как происходит передача технологии? 132
8.3.1.
Источники технологии 133
8.3.2.
Какими мотивами руководствуется администрация,
раскрывая информацию? 134
8.3.3.
Необходимость создания атмосферы доверия 134
8.3.4.
Особенности академической деятельности и культуры 135
8.3.4.1.
Проблема публикации результатов 136
8.3.4.2.
Отделы передачи технологий и администрация
университетов 137
8.3.5.
Варианты деловых отношений 138
8.3.5.1.
Лицензирование 138
8.3.5.2.
Сотрудничество с профессорско-преподавательским
составом и самими исследователями 139
8.3.5.3.
Стратегическое партнерство со стартовыми
компаниями, связанными с университетами 139
8.3.5.4.
Специальные виды финансирования научно-
исследовательских работ 140
8.3.5.5.
Основные и побочные исследования 140
8.3.6.
Риски 140
8.3.6.1.
Судебные риски, связанные с лицензированием 141
8.3.6.2.
Риски, связанные с научными консультациями 141
8.3.6.3.
Другие риски возникновения судебных разбирательств 142
8.4.
Заключение 143
8.5.
Примечания 143
Глава 9. Проблемы охраны интеллектуальной собственности 145
9.1.
Методы защиты прав на интеллектуальную собственность 146
9.1.1.
Патенты 146
9.1.2.
Коммерческие секреты 148
9.1.3.
Торговые марки и фабричные знаки 148
9.1.4.
Авторские права (копирайт) 149
9.2.
Законодательные (статутные) требования 149
9.2.1.
Реализация патентных прав 152
9.2.2.
Временное и постоянное использование патентов 153
9.2.3.
Вызовы и проблемы, связанные с интеллектуальной
собственностью. Ограничения на инновации 154
9.2.4.
Судебные разбирательства 155
9.2.5.
Проблемы, связанные с финансированием исследований 156
9.3.
Заключение 156
Глава 10. Предпринимательство в технологической экосистеме 157
10.1.
Биологические аналогии. Львы, тигры и медведи: какую роль
играют предприниматели в технической экосистеме? 158
10.2.
Сила идеи. Какую идею можно назвать действительно хорошей? 162
10.3.
Один человек способен изменить судьбы мира:
кем является предприниматель? 164
10.4.
Думать о будущем, анализируя прошлое.
Что делают предприниматели? 166
10.5.
Хорошие, плохие или ужасные.
Чего следует ждать каждому предпринимателю? 168
10.6.
Стоит ли вообще заниматься предпринимательством
и инновациями? 171
Глава 11. Большие корпорации. Технология, бизнес и культура «удачи» 173
11.1.
Культура использования возможностей: модели и циклы 174
11.2.
Поиски чаши святого Грааля 176
Глава 12. Развитие нанотехнологий в федеральных лабораториях США 179
12.1.
Роль и значение федеральных лабораторий 180
12.2.
Передача технологий 182
12.3.
Заключение 183
Раздел III. Материалы и производство
Глава 13. Наноматериалы 184
13.1.
Общее введение и содержание 184
Содержание 11
13.2.
Наночастицы 186
13.2.1.
Применение наночастиц 187
13.2.2.
Производство наночастиц 190
13.2.3.
Общий обзор состояния производства наночастиц 191
Литература 192
13.3.
Углеродные нанотрубки 193
13.3.1.
Необычные свойства нанотрубок 195
13.3.2.
Проблемы получения и промышленного производства
нанотрубок 196
13.3.3.
Возможности применения 198
Литература 201
13.4.
Нанопроволоки 201
13.4.1.
Применение нанопроволок 204
13.4.1.1.
Биологические датчики на основе нанопроволок 204
13.4.1.2.
Светоизлучающие диоды с пересечением p-n-переходов 204
13.4.1.3.
Логические устройства на основе нанопроволок 205
13.4.2.
Наноструктуры с полярными поверхностями 206
13.5.
Мягкая нанотехнология 208
Глава 14. Нанодатчики: разработки, перспективы и разнообразие применения 213
14.1.
Возможности 215
14.1.1.
Неотвратимое объединение 216
14.1.2.
Методы обработки материалов 218
14.1.3.
Разнообразие наноматериалов 218
14.1.4.
Новые типы инструментов и приборов 220
14.2.
Реальное состояние исследований в настоящее время 220
14.2.1.
Реальные проблемы проектирования нанодатчиков 221
14.2.2.
Риски коммерциализации 221
14.3.
Разнообразие возможностей 222
14.3.1.
Физические датчики 222
14.3.2.
Химические датчики 223
14.3.3.
Биодатчики 224
14.3.4.
Датчики массового и военного применения 225
Литература 227
Глава 15. Микроэлектроника 229
15.1.
Стратегия производства нанотехнологических продуктов 230
15.1.1.
Возможные перспективы 232
15.1.2.
Определение синергетических связей 233
15.2.
Современное состояние микроэлектронных технологий 235
15.2.1.
Перспективные наноэлектронные технологии 240
Литература 249
15.3.
Фотоника 249
Общие выводы 253
Глава 16. Адресная доставка лекарств 254
16.1.
Использование нанотехнологий для направленной доставки
препаратов 256
12
Содержание
16.1.1.
Наночастицы и направленная доставка препаратов 257
16.1.1.1.
Полимерные конъюгаты 258
16.1.1.2.
Полимерные мицеллы (самоорганизация структур
из полимеров и препарата) 259
16.1.1.3.
Полимерные наночастицы (дисперсия или инкапсуляция
лекарственных препаратов в полимерных структурах) 260
16.1.1.4.
Полиплексы (комплексы полимеров и нуклеиновых
кислот, образуемые при взаимодействии с обменом
зарядов) 261
16.1.1.5.
Липосомы 262
16.1.1.6.
Неорганические и металлические наночастицы 263
16.1.2.
Имплантируемые устройства доставки лекарственных
препаратов 263
16.1.2.1.
Нанопористые мембраны 264
16.1.2.2.
Биочипы 264
16.1.3.
Трансдермальное введение лекарственных препаратов 266
16.2.
Тенденции развития методов доставки препаратов 267
Литература 268
Глава 17. Слияние био-нано-информационных технологий 269
17.1.
Наблюдение нанообъектов 272
17.2.
Возможности манипуляции атомами и молекулами 273
17.2.1.
Исследование и описание свойств ДНК/РНК 274
17.3.
Другие возможности описания 276
17.4.
Интеграция на атомарно-молекулярном уровне 277
17.5.
Возникающие и самоорганизующиеся структуры 278
Выводы 281
Благодарности 283
Литература 283
Раздел IV. Конвергенция и интегра ция
Глава 18. Конвергенция и интеграция 285
18.1.
Рамки научно-технического развития 286
18.1.1.
Возможности 288
18.1.2.
Критерии прогресса 290
18.2.
Обзор состояния и перспектив промышленности 291
Заключение 294
Литература 295
Глава 19. Этические проблемы, связанные с развитием нанотехнологий 296
19.1.
Сущность этических проблем 297
19.2.
Этика индивидуального поведения 300
19.3.
Некоторые замечания, специфичные для нанотехнологий 301
19.4.
Конвергенция технологий 303
19.5.
Практические рекомендации 304
Литература 305
Содержание 13
Эпилог
Глава 20. Инфинитезимальные машины 310
20.1.
Мысли о лекции «Внизу полным-полно места» 311
20.2.
Какими возможностями мы обладаем сегодня? 312
20.3.
Как можно изготавливать крошечные машины? 315
20.4.
Какое применение могут иметь эти малые машины? 317
20.5.
Электростатические приводы 319
20.6.
Подвижные микророботы 321
20.7.
Изготовление точных изделий грубыми инструментами 323
20.8.
Трение и прилипание 325
20.9.
Вычисления с использованием атомов 326
20.10.
Обратимость вычислительных и управляющих процессов 327
20.11.
Электрон как вычислительная машина 329
20.12.
Тепловыделение в квантовых компьютерах 331
Акронимы и аббревиатуры 334ккккккк
Предисловие сенаторов Джозефа Либермана
и Джорджа Аллена
В декабре 2003 года президент США подписал одобренный Конгрессом
Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке (Public Law 108—153), что опре-
делило направления и цели научно-исследовательских работ и внедре-
ния результатов в этой новой, захватывающей области науки, обещающей
в близком будущем преобразовать окружающий нас мир. Манипуляции
веществом на молекулярном уровне, являющиеся основой нанотехнологии,
позволяют создавать новые типы материалов и устройств с уникальными
свойствами, недостижимыми для существующих технологий. Естественно,
такое развитие науки должно привести к весьма значительным изменениям
в существующих технологиях и создать целый ряд совершенно новых от-
раслей промышленности, что будет иметь фундаментальное значение для
развития американской и мировой экономики. По мнению специалистов,
экономический эффект внедрения нанотехнологий в глобальном масштабе
уже в ближайшем десятилетии может достигнуть сотен миллиардов и даже
триллиона долларов. Потенциальные возможности новой науки представ-
ляются фантастическими, а сфера возможного применения охватывает
самые разные области: от создания лекарств «направленного» действия
против опасных болезней (включая рак) и энергетики до новых методов
сохранения окружающей среды.
Разнообразие и богатство потенциальных возможностей нанотехно-
логий не остались незамеченными общественностью и правительством.
За последние годы появилось множество публикаций о научных, эконо-
мических и инвестиционных проектах в этой области. Нанотехнологии
стали составной частью мейнстрима средств массовой информации, на-
глядно свидетельствуя не только о повышении интереса к этой области, но
и доказывая, что новые технологии и научные достижения уже вышли из
стадии лабораторных разработок. Нанотехнология становится, как говорят
американцы, фронтиром (расширяющейся границей, передовой линией)
развития, и сейчас настало время задуматься о том, как фундаментальные
научные открытия и интересные лабораторные опыты могут быть вопло-
щены в новые технологии и новые товары. Речь идет не только о чисто
экономических проблемах, а еще и о том, что, исходя из предыдущего опы-
та, мы обязаны думать и о серьезных опасностях, связанных, например,
с воздействием новых производств на экологию и т. п. Как показывают по-
мещенные в книге обзорные статьи по разным проблемам нанотехнологии,
уже сейчас достигнут значительный прогресс во многих направлениях.
сенатор Джо Либерман
сенатор Джордж Аллен
Вашингтон, округ Колумбия, ноябрь 2005
Предисловие редактора
За прошлое столетие технический прогресс неузнаваемо изменил окру-
жающий нас мир. Стоит отметить, что средняя продолжительность жиз-
ни возросла вдвое, а транспортные и информационные системы достигли
уровня, который казался фантастическим еще пару поколений тому назад.
Одной из характерных особенностей современной науки и жизни вообще
стало немыслимое ранее ускорение темпов самого развития, постоянное
обновление образа жизни, обусловленное научным прогрессом и техниче-
скими инновациями.
В наши дни наука вплотную подошла к возможности прямого воздей-
ствия на отдельные атомы и молекулы, что создало новое метанаправление
развития, получившее общее название нанотехнологии и имеющее огром-
ное значение как для самой науки в целом, так и для промышленного
применения. Размеры объектов и связанных с ними процессов, представ-
ляющих интерес для нанотехнологии (и предлагаемой книги). составляют
100 нанометров и меньше (напомним, что 1 нанометр = 10–9 м, то есть ра-
вен одной миллиардной части метра, а для сравнения просто укажем, что
толщина человеческого волоса составляет 50 000 нанометров). Основной
особенностью новой науки с точки зрения чистой физики является то, что
при таких размерах и масштабах перестают работать привычные законы
физики (прежде всего, так называемая классическая, или ньютоновская
механика), а развитие процессов определяется законами и постулатами
квантовой механики.
В некоторых конкретных, причем наиболее передовых областях (ком-
пьютерная техника, биотехнология, материаловедение) использование на-
нотехнологий позволяет уже в ближайшем будущем надеяться на резуль-
таты, сопоставимые с тем, что было достигнуто за несколько последних
десятилетий. Например, она делает реальным создание сверхмощных ком-
пьютеров, очень легких и прочных материалов для авиации, новых ле-
карственных препаратов против самых опасных болезней, высокоэффек-
тивных преобразователей солнечной энергии и т. п. Подчеркну, что речь
идет о множестве достижений самого разного масштаба в разнообразных
областях науки и техники, то есть о целом «каскаде» или «волне» открытий
и применений, а не об одном крупном открытии сверхкрупного масштаба.
Историки науки и техники любят использовать термин «новая великая
вещь» (подразумевая под этим, например, транзистор или лампу накали-
вания Эдисона). Нанотехнология обещает нам целый набор новых великих
вещей, сводящихся не к существенному изменению окружающего мира
и бытовых условий (подобно тому как лампочка Эдисона преобразовала
жизнь общества), а к масштабному изменению глобальных принципов наук
и технологий. Например, нанотехнологии позволит нам создать систему
автоматического управления всем освещением (или даже электроснабже-
нием) в целых городах или регионах, что подразумевает принципиальное
изменение жизни общества.
Для больших современных городов, кстати, создание автоматической
и «умной» системы управления движения может оказаться столь же важ-
16 Предисловие редактора
ным событием, что и лампочка Эдисона для освещения индивидуальных
жилищ. Не боясь повториться, скажу, что нанотехнология представляет
собой не конкретное, одиночное открытие, а целый набор физических
явлений и их применений (обусловленных размерными эффектами), ис-
пользуемых в качестве инструментов, приемов или идей в самых разных
научных дисциплинах. Именно в этом и состоит основное значение и роль
нанотехнологий, поскольку свойства материалов и процессов в наномас-
штабе существенно отличаются от свойств в привычном нам макроско-
пическом окружении, что и создает совершенно неожиданные возмож-
ности нового применения. Например, наноматериалы могут существенно
отличаться от привычных нам веществ по своей реакционной способно-
сти (в пересчете на единицу поверхности), вследствие чего их применение
в качестве лекарственных препаратов приводит к эффектам, невозможным
в классической медицине.
В качестве наглядного примера можно привести строение углеродных
соединений, столетиями бывших объектами изучения физики и химии.
Общеизвестно, что уголь и алмаз состоят из атомов углерода, а поразитель-
ная разница в их свойствах обусловлена лишь строением кристаллической
решетки. За последние годы ученые обнаружили, что помимо этих извест-
ных форм в нанометрическом масштабе атомы углерода образуют цилин-
дрические трубки, которые нельзя даже сравнивать по характеристикам
с алмазом или углем, поскольку они одновременно прочнее стали и пре-
красно проводят электричество. Неудивительно, что за последние десять
лет ученые интенсивно занимались такими материалами и уже нашли для
углеродных нанотрубок множество фантастических применений в элек-
тронике и медицине, так что сейчас основной вопрос заключается лишь
в правильном и эффективном внедрении новых открытий. Другой прак-
тический пример относится к производству солнечных батарей, о которых
читатель наверняка слышал. Основная техническая проблема, связанная
с ними, заключается в том, что создаваемый в них поток электронов (элек-
трический ток) необходимо многократно отражать от одной поверхности
к другой. Нанотехнология неожиданно позволяет уже сейчас существен-
но повысить площадь электродов и тем самым значительно увеличить ко-
эффициент полезного действия таких батарей, а также ввести ряд других
принципиальных улучшений в работу этих устройств. Не стоит даже го-
ворить о том, что использование более дешевых, безопасных в обращении
и экологически безвредных источников электричества может кардинально
повлиять на экономику и социальную жизнь общества.
Очень важной особенностью нанотехнологии является то, что размер
изучаемых в ней объектов практически совпадает с размерами многих ми-
кроорганизмов и (что представляется особо ценным) биологических клеток
организма человека, что сразу открывает широчайшие перспективы приме-
нения наноматериалов в медицине. Например, нанотехнологии позволяют
создать «бомбу» в виде ультрадисперсной частицы (начиненной требуемым
препаратом), которая внедряется в намеченные клетки организма и «взры-
вается» там, выделяя препарат в клетку или систему кровообращения. Уже
сейчас слияние нанотехнологий и биотехнологий позволяет проектировать
Предисловие редактора 17
множество удивительных устройств медицинского назначения (например,
есть проект создания устройств, в которых электричество будет вырабаты-
ваться не из имплантируемых в организм батарей, а непосредственно на
месте, за счет разложения содержащейся в крови глюкозы).
Другой принципиальной особенностью нанотехнологии (создающей
одновременно и новые возможности и новые трудности) выступает ее мно-
годисциплинарность, так как нанонаука почти во всех своих проявлениях
выступает в качестве объединяющего начала исследований в считавшихся
разными науках (химия, биология, материаловедение, физика, вычисли-
тельная техника и т. д.). Одной из острейших проблем развития самой на-
нотехнологии выступает тот очевидный факт, что в каждой из этих наук
плодотворно трудятся очень талантливые и независимые люди, владеющие
приемами и терминологией собственных отраслей знаний и не желающие
менять их. Все знают старую притчу о слепцах, которые пытаются опи-
сывать слона, ощупывая разные части его тела (хобот, ноги, хвост), и эта
ситуация очень напоминает нынешнее состояние дел в нанотехнологиях.
Научная и даже, отчасти, лингвистическая проблема заключается в том,
что специалисты из самых разных областей знаний (химики, физики,
биологи, материаловеды и т. д.), привыкшие десятилетиями работать на
атомно-молекулярном уровне и взаимодействовать с коллегами в рамках
своих дисциплин, вдруг оказались вынужденными общаться друг с другом
при решении конкретных и совместных задач. Все знают, что многие рас-
пространенные термины часто означают разные понятия в разных науках,
так как во всех дисциплинах давно установились своя строгая систематика,
система парадигм и авторитетов (и даже особый жаргон!), поэтому многие
специалисты считают, что для развития нанотехнологии принципиальной
сложностью может оказаться проблема общения и выработки общей тер-
минологии. Острота проблемы связана и с тем, что речь идет не только
о науках, но и о связанных с ними целых отраслях производства и биз-
неса. В качестве редактора и составителя данной книги, я хочу сразу зая-
вить, что ее основная цель сводится именно к организации взаимодействия
и сотрудничества исследователей и промышленников, вследствие чего она
и составлена из статей и обзоров высокопрофессиональных специалистов
и ученых, имеющих богатый опыт общения.
Будущее нанотехнологии обеспечивается талантом и энергией множе-
ства людей, уже работающих в этой области и заложивших основы как
самой новой науки, так и ее частных приложений. Можно с уверенно-
стью констатировать, что возможности нанотехнологий значительно пре-
восходят все, что привычно вкладывалось в понятие биотехнологий или
информационных технологий. Практически проблема состоит в том, что
промышленность еще не готова к пониманию и «перевариванию» новых
возможностей и открытий, что можно объяснить как недопониманием
их смысла, так и неспособностью коммерческого рынка приспособиться
к стремительному темпу технического прогресса. Строго говоря, скорость
внедрения любых научных открытий определяется некоторым, очень труд-
ным и сложным средним этапом между самим открытием и созданием
определенного прототипа возможного его применения на практике (физик
18 Предисловие редактора
придумал бы для этого некие «коэффициенты трения» между наукой, про-
изводством и рынком потребления). Для появления на рынке в качестве
полноценного коммерческого продукта каждое научное открытие должно
пройти сложные этапы (объединение с уже существующими товарами, об-
щая оценка возможностей, обсуждение проблем контроля и т. д.), после
чего реальный рынок реагирует на появление нового товара и «голосует» за
него (долларовыми вложениями). Предлагаемая книга создавалась с целью
ознакомления возможно большего числа интересующихся нанотехнологи-
ями читателей с реальными перспективами и возможностями этой новой
области деятельности.
В связи с этим книга разбита по темам на четыре раздела, объединен-
ных общим замыслом. В первом разделе рассмотрены общие вопросы исто-
рии и инновационной политики в области технологий. Глава 1 посвящена
самым общим урокам, которые следовало бы извлечь (как самим исследо-
вателям, так и инвесторам) из недавней истории развития биотехнологии,
также ставшей вехой в развитии науки и связанной с ней промышленности.
В главе 2 обсуждаются очень важные для современного мира возможности
использования нанотехнологий в энергетике, причем авторы уделяют мно-
го внимания тем проблемам, которые неизбежно должны возникнуть по-
сле внедрения новых методов. В третьей главе рассмотрены вопросы про-
мышленного применения новых технологий.
Раздел II является, по-видимому, центральным в книге, поскольку по-
священ непосредственно тому кругу талантливых людей (ученым и органи-
заторам), чьей волей и знанием осуществляется прогресс в рассматривае-
мой области. В главах 4 и 5 с экономической точки зрения теоретически
рассматриваются абстрактные фигуры и формы деятельности «венчурных
капиталистов», то есть предпринимателей, которые учитывают связь техно-
логий и производимых товаров в долгосрочной исторической перспективе
и осуществлят вполне реальные капиталовложения в нанотехнологические
производства. В главе 6 анализируется роль и текущая деятельность прави-
тельства США в качестве координатора эффективного развития новой от-
расли науки и промышленности, а главы 7 и 8 посвящены специфической
проблеме академических исследований (научно-исследовательских работ
в рамках высших научных заведений) и возможностям их последующей
коммерциализации, то есть внедрения в реальное производство. Глава 9
показывает, какие проблемы ставит развитие нанотехнологий перед юри-
стами, связанными с патентным и коммерческим правом США. В главе 10
объясняется, почему именно частное предпринимательство должно играть
ключевую роль в развитии новых областей и брать на себя риск организа-
ции первичных производств, а в главе 11 обсуждаются сложности, которые
ожидают крупные корпорации и организации, желающие связаться с новы-
ми технологиями и продуктами. Последняя глава второго раздела содержит
краткий очерк деятельности национальных лабораторий США в области
нанотехнологий и коммерциализации получаемых ими результатов.
Третий раздел посвящен некоторым конкретным инновационным на-
правлениям в развитии нанотехнологий: материалам (глава 13), нанораз-
мерным датчикам (глава 14), микроэлектронике (глава 15) и так называе-
Предисловие редактора 19
мой «адресной доставке» лекарственных препаратов в организме (глава
16). В завершающей раздел главе 17 обсуждается теоретическая проблема
слияния нанотехнологий с уже существующими биотехнологиями, что
в перспективе может означать невиданный расцвет медицины и здраво-
охранения.
В четвертом разделе рассмотрены самые общие вопросы нанотехноло-
гии, которые уже сейчас волнуют многих исследователей. Речь идет о том,
что на наноуровне исследований все известные нам научные дисципли-
ны как-то «сливаются» в единое целое, что не только является новым на-
учным подходом, но и обещает в будущем формирование новой науки,
что означало бы революционный прорыв в познании природы (глава 18).
С этим связано и беспокойство некоторых ученых относительно этических
проблем, которые неизбежно будут возникать по мере развития нанотех-
нологий (глава 19). Книгу завершает очень интересный эпилог (глава 20),
где приведен текст ранее не публиковавшейся беседы на эту тему с леген-
дарным физиком Ричардом Фейнманом, который справедливо считается
«пророком» нанотехнологий.
Практические исследования на уровне отдельных атомов и молекул
должны привести к серьезным изменениям в жизни человечества, и уже
сейчас можно предсказать, что описываемые в книге исследования изменят
мир и общество значительно сильнее, чем компьютеры и биотехнологии.
В заключение я хотел бы выразить глубокую благодарность многим лю-
дям и организациям, помогавшим мне не только в создании данной книги,
но и на протяжении всей моей профессиональной деятельности. Особую
благодарность я выражаю своей жене Мириам.
Линн Э. Фостер
Лос-Анжелес, июнь 2005
Сведения о редакторе и составителе сборника
Линн Э. Фостер входит в число руководителей отдела развития новейших
технологий одной из крупнейших в США юридических фирм (Greenberg
Traurig LLP), специализирующихся в области внедрения и передачи новых
технологий, лицензирования и патентного права, а также организации со-
трудничества и инвестиций в технические проекты.
До перехода на работу в фирму Greenberg Traurig, Линн Э. Фостер при-
обрел огромный опыт в области внедрения технологических разработок,
участвуя в реализации множества частных и государственных технических
проектов, руководя исследованиями в сфере программного обеспечения
в аэрокосмической промышленности, а также внедрении и коммерциали-
зации научных достижений при «запуске» многих инновационных фирм.
Он является членом консультативных советов многих авторитетных ор-
ганизаций, связанных с инновационной политикой правительства США
(Институт нанонауки и технологии, Международный консорциум ин-
женерных разработок, Форум внедрения знаменитого института Калтех
и т. д.). Линн Э. Фостер провел когда-то первую конференцию по коммер-
ческому применению нанотехнологий (Nanotechnology Trade Study), а затем
был организатором восьми конференций и коммерческих совещаний на
самом высоком уровне по проблемам нанотехнологий. Более 20 лет он был
на службе и в резерве армии США, участник первой войны в Персидском
заливе и военных оперций в Боснии. Имеет ученые степени в области нау-
ки и административного управления.
Раздел I
Руко водст во и организация
Глава 1
Уроки инновационной
политики
и коммер циали зации ,
связанные
с биотехнологической
революцией
Джеральд Голлвас
Джеральд Голлвас имеет богатый опыт по внедрению биомедицинских техно-
логий еще с середины 60-х годов, когда он занялся бизнесом, связанным с созда-
нием и поставкой диагностического оборудования в известной фирме Beckman
Instruments. Возглавляемая им группа успешно внедрила новую аппаратуру,
основанную на кинетических измерениях скоростей химических реакций перво-
го порядка, используемую при клинической диагностике крови. Многие годы
он занимался испытаниями и поставками медицинского оборудования в США,
Европе и Японии и руководил многими очень важными проектами развития
и внедрения новой техники. Является специалистом международного класса по
вопросам планирования, организации, маркетинга и управления. Имеет сте-
пень бакалавра по химии, полученную в университете Сан-Диего.
«Мы создаем и формируем инструменты, а позднее они начинают фор-
мировать нас самих».
Маршалл Мак-Люэн
Вообще говоря, современное общество создано успехами химии, кото-
рую можно рассматривать в качестве наиболее общей науки о веществах
и материалах, из которых построены почти все используемые нами объ-
22 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
екты, от орудий труда до принимаемых лекарств. Процесс формирования
и использования новых объектов продолжается: кремниевые и германие-
вые чипы составляют основу электроники, водород и кислород являются
главными компонентами ракетного топлива, а рекомбинантная ДНК слу-
жит для создания новых лекарственных препаратов или растений, устой-
чивых к воздействию пестицидов. Интересно, что роль химии в истории
для многих остается до сих пор не до конца понятной, неоцененной и не-
ясной, в результате люди чаще склонны обращать внимание скорее на не-
достатки химии (например, ее вред для окружающей среды), чем на то, что
именно она создает множество привычных условий существования. Древ-
некитайская поговорка гласит, что «только дураки могут заниматься пред-
сказанием будущего», но предлагаемая читателю книга целиком посвящена
размышлениям о грядущем развитии науки, и мы вправе спросить себя
хотя бы о том, какие уроки мы, собственно, извлекли из анализа бурного
развития химии в предыдущее столетие? При серьезном рассмотрении вы-
ясняется, что никакого общего вывода из развития химии пока не суще-
ствует, так что в качестве примера мощного развития одной из областей
науки (особенно с точки зрения инноваций и коммерциализации) удобнее
рассмотреть историю биотехнологии, протекавшую на наших глазах в но-
вейшее время.
1.1. История биотехнологии
Разумеется, начало истории биотехнологии может быть отнесено к глу-
бокой древности, однако истинным моментом зарождения современной
биотехнологии можно вполне обоснованно считать открытие в 1953 году
Джимом Уотсоном и Френсисом Криком структуры ДНК. Их работа при-
дала молекулярной биологии совершенно новое научное и общественное
значение1, а предложенная модель двойной спирали была не только одно-
временно простой, элегантной и эффектной, но и позволила вполне раз-
умным образом объяснить процесс воссоздания и репликации жизни на
молекулярном уровне.
Открытие структуры ДНК привело к множеству новых исследований
и открытий, наиболее важным из которых стала разработка техники «вы-
резания и склеивания». Эта работа, выполненная группой Пола Берга из
Стэнфордского университета, позволила получить рекомбинантную ДНК,
состоящую из кусочков от двух разных молекул ДНК2. Придуманная ими
методика напоминает процесс монтажа в студии звукозаписи, когда опе-
ратор получает новую запись, просто вырезая и «склеивая» друг с другом
куски разных магнитофонных лент. Вставив затем такую ленту в магни-
тофон, вы услышите единую запись, составленную из обрывков исходных
мелодий.
За эту блестящую работу Пол Берг в 1980 году удостоился Нобелев-
ской премии по химии. Интуиция с самого начала подсказывала ему, что
рекомбинантные ДНК могут найти практическое применение в генной
терапии. За несколько лет до этого, в 1973 году двое американских уче-
ных (Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско
1.1. История биотехнологии 23
и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета) стали первыми на свете
генными инженерами, так как именно им удалось не только использовать
рестрикционные ферменты для избирательного «разрезания» и «соедине-
ния» кусочков ДНК, но и сделать этот процесс «промышленным». Вводя
полученную таким образом составную или смешанную ДНК в организм
бактерии, они смогли осуществить процесс размножения бактерий и по-
лучить миллионы «копий» своей искусственной ДНК. Это можно считать
созданием первой «фабрики» по генетическому производству ДНК3.
Новость быстро облетела научный мир, после чего множество ученых
по всему миру занялись интенсивными исследованиями в области ген-
ной инженерии. Вскоре после этого генными манипуляциями всерьез за-
интересовалась общественность, средства массовой информации и даже
Конгресс США. Разумеется, публику напугали разговоры о возможности
создания «смешанных» существ, и она настойчиво пыталась понять — не
занимаются ли ученые конструированием современного Франкенштейна?
Поэтому общее внимание было обращено на создание эффективной си-
стемы контроля над разработками и попытками их практического приме-
нения. Беспокойство общественности было столь велико, что в 1975 году
более 100 представителей заинтересованных организаций из разных стран
мира собрались в городке Алисомар (Калифорния) на конференцию, по-
священную перспективам и потенциальным опасностям исследований
в области рекомбинантных ДНК4. Конференция прошла под руководством
самого Пола Берга и утвердила набор рекомендаций для Национального
института здоровья США (National Institute of Health, NIH). Позднее имен-
но эти рекомендации стали основой национальной политики США в этом
научном направлении, отраженной в официальных документах 1976 года5.
Научный успех Бойера и Коэна, сумевших внедрить определенный ген
в бактерию и «размножить» его, с самого начала привлек внимание так на-
зываемых венчурных капиталистов, то есть предпринимателей, любящих
вкладывать капитал с риском или в разработку и производство совершенно
новых продуктов. Один из них, молодой и энергичный Роберт Свансон из
Сан-Франциско, еще в 1976 году запросил Бойера и Коэна о возможности
применения их технологии для организации коммерческого производства
белковых продуктов, содержащих требуемые компоненты (в частности,
Свансона интересовала возможность выпуска пищевых продуктов, содер-
жащих инсулин человека)6. Уже в апреле этого же года Свансон и Бойер
вложили по 500 долларов в организацию фирмы Genentech, ставшей первой
в мире биотехнологической компанией. Почти немедленно в этой области
возникла и торговая конкуренция, так как очень скоро была зарегистриро-
вана и компания Biogen. Образно говоря, возник совершенно новый сектор
наукоемкой продукции, а его первой целью стало производство коммерче-
ских продуктов, содержащих инсулин человека.
Фирмы Genentech и Biogen выбрали различные технические средства
для получения таких продуктов. Ученые Genentech бросили все свои силы
на химический синтез человеческого гена, связанного с выработкой инсу-
лина, в то время как Biogen стал развивать технику клонирования, причем
выбор путей развития был обусловлен уже сложившимися обстоятельства-
24 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
ми и условиями. Например, интерес Genentech к химически синтезируе-
мому гену объяснялся тем, что последний не подпадал под ограничения,
уже введенные Национальным институтом здоровья США, в то время как
клонирование могло производиться только под контролем NIH.
Интересно и поучительно, что в начальный период развития фирма
Genentech фактически представляла собой лишь зарегистрированное на-
звание, так как не имела ни денег, ни сотрудников, ни оборудования. Бой-
ер обратился к двум своим коллегам в Национальном медицинском центре
(City of Hope) с предложением заключить контракт на разработку методов
синтеза инсулина человека. Речь шла об Артуре Риггзе и Кэйити Итакуре,
которые в этот момент подали заявку в Национальный институт здоровья,
пытаясь получить грант на изучение возможностей синтеза человеческого
гормона соматостатина (эта задача выглядела более скромной, чем синтез
инсулина, но ее решение открывало перспективы дальнейших разрабо-
ток). Поэтому естественной кажется реакция Риггза, запросившего Бойера
о возможности спонсорства фирмой Genentech сначала разработок по син-
тезу соматостатина. Получив положительный ответ, он образовал смешан-
ную исследовательскую группу из сотрудников City of Hope и Genentech,
которая сумела быстро добиться значительного успеха. Риггзу и Итакуре
удалось внедрить кусочек ДНК человека (содержащий 21 нуклеотид) в бак-
терию кишечной палочки E.Coli, а затем (вместе с молодым химиком Хер-
бом Хейнекером из лаборатории Бойера) и впервые продемонстрировать
возможность функционирования искусственной ДНК в живой клетке.
Через шестнадцать месяцев команда исследователей не только успешно
синтезировала ген соматостатина человека и клонировала его, но и смогла
продемонстрировать возможность, как говорят биохимики, экспрессии про-
теинового гормона соматостатина в микробы7, что стало первым примером
успешного внедрения белка в генетически модифицированные микробы во-
обще. Это достижение только подхлестнуло научную «гонку» в синтезе ин-
сулина человека. Ценность метода Риггза—Итакура заключается в его уни-
версальности, позволяющей использовать его для производства множества
требуемых белков в бактериях-носителях. Очень быстро на его основе были
разработаны разнообразные технологии, на которые было выдано много па-
тентов (как в США, так и в других странах), а конечным результатом стало
возникновение коммерческого производства фармацевтических продуктов,
объем которого оценивается в миллиарды долларов. Забавно и очень по-
учительно, что упоминавшееся выше обращение Риггза и Итакуры к На-
циональному институту здоровья (с просьбой о гранте на разработку сома-
тостатина) было отвергнуто институтом, специалисты которого посчитали
проект слишком амбициозным и не имеющим практической ценности!
После успеха с синтезом соматостатина Свансон начал энергично под-
ыскивать инвесторов для финансирования работ по синтезу инсулина.
В июне 1978 года фирма Genentech наняла сотрудников и создала лабо-
раторию вблизи аэропорта Сан-Франциско, а уже к концу августа (менее
чем через три месяца!) объединенная команда City of Hope и Genentech
получила инсулин человека, используя синтезированный ген. Казавшееся
невозможным начинание увенчалось блестящим успехом. Замечательная
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой 25
история создания фирмы Genentech и возникновения целой отрасли про-
мышленности на основе биотехнологии описана в книгах Холла и Эванса8,9.
Особенную ценность этим событиям придает то, что речь идет об очень
редкой ситуации, когда результаты фундаментальных, академических ис-
следований смогли очень быстро привести к блестящему коммерческому
успеху, тем более что речь шла о создании промышленности буквально
из «ничего», а не о «раскрутке» производства на базе уже существующего
мощного рынка фармакологических препаратов.
В наши дни, через тридцать лет после возникновения, биотехнология
представляет собой огромный сектор промышленности и коммерции (оце-
ниваемый примерно в триллион долларов), производящий сотни видов
разнообразных биологических, медицинских и лекарственных средств10,
и поэтому предложенные истории могут служить поучительными примера-
ми при обсуждении проблем нанотехнологий. Речь идет в первую очередь
о двух описанных ниже важнейших концепциях развития науки и техно-
логии, связанных с инновационной политикой и коммерциализацией на-
учных достижений вообще.
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой
Первая концепция связана с так называемой S-образной (сигмоидальной)
кривой, предложенной в книге Ричарда Фостера11 в качестве типичной
и характерной для множества процессов развития в науке и технике. Кри-
вая описывает зависимость между вложениями ресурсов в технологию или
процесс и соответствующей этим вложениям «отдачей» (то есть повышени-
ем продуктивности, качества и т. п.). Исследования в истории разнообраз-
ных технических устройств и их характеристик привели Фостера к выводу,
Рис. 1.1. Типичный вид так называемой S-образной (сигмоидной) кривой
развития
Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
что такие зависимости (напоминающие на графике латинскую букву S, как
показано на рис. 1.1) являются весьма распространенными и типичными.
Практический смысл S-образной кривой очень прост. В любой области
усилия на разработку, затраты времени и просто капиталовложения при-
носят на начальном этапе развития или исследования (когда уровень фун-
даментальных знаний о процессе или объекте невелик) лишь небольшую
пользу. Затем, по мере роста знаний и накопления опыта, эти вложения
или усилия становятся все более эффективными, вследствие чего скорость
развития значительно увеличивается. После некоторой критической точки
развития общий процесс роста замедляется, а затем и почти прекращает-
ся, что свидетельствует о достигнутой «зрелости» технологии или изделия.
В дальнейшем рост прекращается вообще.
В качестве очень характерного примера можно привести показанную
на рис. 1.2 кривую роста скорости (основной параметр) развития одно-
моторных винтовых самолетов практически за всю историю авиации, по
данным работы12. Самолет братьев Райт в первом полете (1903 год) достиг
скорости около 35 миль/час. Через семь лет, в 1910 году Гордон Беннет по-
бедил на авиагонках в Белмонт-Парке (Нью-Йорк), разогнав машину до 60
миль/час. По мере накопления опыта и знаний скорость самолетов мед-
ленно возрастала: 139,66 миль/час (1914 год), 145,7 миль/час (1922) и т. д.
В 1925 году лейтенант Джеймс Дулитл на самолете Curtiss R3C-2 достиг
232,57 миль/час. В 1939 году рекорд скорости составил 463,9 миль/час, но
на графике уже явно заметно замедление темпов роста. Следующий рекорд
скорости на одномоторном поршневом самолете был установлен на гонкав
в Рено (штат Невада) почти через тридцать лет и составил 520 миль/час.
В 1989 году эта цифра возросла, но лишь на 9 миль/час!, что наглядно сви-
Рис. 1.2. Увеличение скорости одномоторных винтовых самолетов описыва-
ется характерной S-образной кривой
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой 27
детельствует о том, что все возможности повышения скорости одномотор-
ных поршневых самолетов практически исчерпаны и никакого дальнейше-
го технологического прогресса в этой области ожидать нельзя. Продукт (в
данном случае винтовые самолеты) достиг своего совершенства, и любые
капиталовложения в развитие бессмысленны.
Появление и использование реактивных двигателей привело, естествен-
но, к качественному скачку и последующему улучшению характеристик са-
молетов, что также описывается S-образной кривой. При сопоставлении этих
кривых (рис. 1.3) отчетливо проявляется разрывность характеристик при пе-
реходе, то есть при принципиальном обновлении или смене технологий.
Приведенный пример роста скорости одномоторных винтовых самоле-
тов демонстрирует одновременно две характерные особенности практически
всех процессов, связанных с инновациями и коммерциализацией научных
достижений. Речь идет о том, что параметры выходят на некоторые предел,
а при смене технологий наблюдается разрыв в непрерывных кривых раз-
вития. Легко понять, что в начальный период развития любой технологии
(нижняя часть S-образной кривой) инвестиции связаны со значительным
риском и неопределенностью, но зато открывают в случае удачи большие
перспективы роста и, соответственно, высокий уровень прибыльности.
На среднем участке кривой возникает большая определенность ожиданий
(иногда, кстати, создающая даже избыточное чувство уверенности), что
приводит, конечно, и к уменьшению шансов значительного роста и бы-
стрых успехов. Наибольший интерес представляет конечная часть кривой,
соответствующая полному исчерпанию возможностей используемой техно-
логии, но таящая в себя возможности перехода к новой S-образной кривой.
На практике это означает конец развития технологии и подготовку к су-
щественному рывку в техническом развитии. Следующий этап начинается
с появления новых методов или устройств, что означает, например, переход
от винтовых самолетов к реактивным, от электронных ламп — к транзи-
сторам, от конных повозок — к автомобилям и т. д.
Рис. 1.3. Повторение S-образных кривых в истории техники
28 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
В описанной выше истории возникновения биотехнологии исходная
S-образная кривая соответствовала существовавшей ранее коммерческой
технологии производства животных белков для фармацевтической про-
мышленности, в частности инсулина. Дело в том, что уже давно существо-
вало развитое производство бычьего и свиного инсулина, экстрагируемого
из туш животных и подвергаемого очистке. Коммерческий процесс был
доведен до предела, поэтому и возник разрыв, приводящий к следующей
S-образной ветви развития, основанной на принципиально новой техноло-
гии (введение синтезированного гена в бактерии и производство инсулина
человека). Научное открытие непосредственно привело к развитию совер-
шенно новой отрасли фармацевтической промышленности.
1.3. Концепция 2. Уроки коммерциализации технических
новшеств
Вторая концепция, связанная с коммерциализацией технических дости-
жений и инновационной политикой вообще, относится непосредственно
к тем лицам, которые стремятся успешно внедрить новые методы и про-
дукты. Говоря образно и одновременно просто, можно утверждать, что
любая инновационная инициатива представляет собой сочетание креатив-
ности или способности к творчеству и способности к реализации замыс-
лов. В действительности, конечно, успех предпринимателя в столь сложной
ситуации требует гораздо большего. Например, успешный опыт развития
биотехнологий показывает, что для успеха необходимо найти правильное
сочетание нескольких факторов:
Креативность, творческое начал• о
• Система управления, менеджмент
• Удачно подобранная команда
• Разумные капиталовложения
• «Попадание» в потребности рынка
Для осуществления удачного инновационного научно-технического
проекта необходимо создать мощный и целенаправленный аппарат управ-
ления и междисциплинарную группу талантливых исследователей, кото-
рые при правильно спланированных капиталовложениях могут не только
создать новый биотехнологический продукт, но и довести лабораторную
разработку до коммерческого рынка и вернуть исходные затраты. Иными
словами, коммерциализация инновационного продукта сложным образом
зависит от сочетания многих факторов, то есть является, как говорят ма-
тематики, сложной функцией, которая может быть выражена формальным
произведением:
Коммерциализация =
(Творчество × Менеджмент × Команда) (Вложения) (Запрос)
Аналогией коммерциализации, как ни странно, может служить органи-
зация музыкального концерта, успех которого тоже определяется сложным
сочетанием творческого начала (композитор), менеджмента (руководи-
тель и дирижер) и команды (состав оркестра). Кроме этого, очевидно, для
1.4. Общие выводы из анализа S-образных кривых развития любых технологий 29
успешного проведения концерта необходимы указанные в формуле вложе-
ния (они определяются верой спонсора в эстетическую ценность исполне-
ния) и запросы (предлагаемая программа должна быть привлекательной
и интересной для конкретной аудитории). При соблюдении всех этих усло-
вий и требований концерт не только доставит удовольствие аудитории, но
и окупит расходы на его организацию, что и можно будет назвать успеш-
ным осуществлением инновационного проекта (в данном случае в области
музыки).
В приведенном выше примере, относящемся к производству инсулина
человека, творческим элементом программы стал принципиально новый
метод Бойера—Коэна, вдохновивший Роберта Свансона на создание ком-
мерческого производства синтетического инсулина. Эту задачу, конечно,
нельзя было решить без создания высокопрофессиональной команды из
специалистов City of Hope и Genentech. При этом Свансону удалось одно-
временно организовать «запуск» фирмы Genentech и найти достаточный
инвестиционный капитал на стороне, то есть заинтересовать будущих по-
требителей (учесть потенциальный запрос рынка). Разумеется, ключевую
роль сыграло то, что междисциплинарной исследовательской группе уда-
лось, используя технологию Риггза—Итакуры, действительно получить пол-
ноценный и важный препарат, представляющий коммерческую ценность.
1.4. Общие выводы из анализа S-образных кривых
развития любых технологий
• Начальный этап развития любой новой технологии представляет
собой медленный инкубационный период «созревания», когда воз-
никает множество важных проблем, требующих своего решения.
Например, потребовалось около 22 лет, чтобы скорость самолетов
достигла заметного значения 232 миль/час (аналогично потребо-
валось около 24 лет, чтобы предложенная в 1953 году Уотсоном
и Криком структура ДНК воплотилась в реальную технологию
производства белков в микробных носителях по методу Риггза—
Итакуры). Период в 20 лет является характерным временем пре-
вращения новой научной идеи в «зрелую» технологию, что обычно
и выражается S-образной кривой развития. Возможно, это просто
обусловлено необходимостью разработки соответствующей инстру-
ментальной и технической базы. Отметим, что биотехнология еще
находится на восходящем участке кривой, вследствие чего сейчас
в лабораториях мира разрабатываются сотни новых препаратов
и коммерческих продуктов.
• Каждая технология имеет собственные пределы роста. Поэтому
рано или поздно описываемый процесс производства инсулина на
основе биологических источников перестанет удовлетворять требо-
ваниям времени и окажется недостаточно эффективным.
• Следует помнить, что внедрение любой новой технологии всегда
вызывает массу скептических замечаний с самых разных сторон
(включая другие группы исследователей, средства массовой инфор-
30 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
мации, Конгресс, правительственные учреждения и «сообщество»
инвесторов). Разрыв между повторяющимися ветвями S-образной
кривой развития всегда вызывает тревогу, означая разрыв с устано-
вившимся порядком, то есть потерю определенности и уверенности.
С другой стороны, именно эта ситуация позволяет перейти к сле-
дующему витку развития и существенному повышению качества
продуктов.
1.5. Общие выводы из анализа коммерческих инноваций
в области биотехнологий
Развитие инновационных технологий всегда требует творческог• о
подхода и решительных действий. Конечно, ключевым моментом
выступает само научное открытие или изобретение, однако его тех-
нологическая реализация и связанный с этим коммерческий успех
могут быть обеспечены лишь эффективным менеджментом и силь-
ной командой исследователей, зачастую из разных отраслей науки.
• Очень часто ценность новых технологий трудно оценить или обо-
сновать. Выше уже упоминалось, что Национальный институт здо-
ровья США отказался финансировать проект производства сома-
тостатина по методу Риггза—Итакуры, посчитав его амбициозным
и не имеющим практической ценности. Позднее выяснилось, что
научные эксперты, средства массовой информации и правитель-
ственные организации ошибались.
• Для успеха в инновационных проектах необходимо обладать раз-
витой фантазией и даже некоторой «мечтательностью». Именно та-
кими качествами обладал Роберт Свансон, сумевший воодушевить
целую группу других исследователей, что привело не только к зна-
чительному научному успеху, но и к созданию новой отрасли про-
мышленности с многомиллиардным объемом производства.
• Нахождение источников финансирования затруднено на начальном
участке S-образной кривой развития, когда инвесторы не уверены
в потенциальной ценности исследований и будущих продуктов. На-
пример, производство соматостатина вообще не вызывало энтузи-
азма у инвесторов до тех пор, пока научные достижения не про-
демонстрировали реальную возможность коммерческого получения
инсулина человека. На следующем этапе, разумеется, проблема ин-
вестиций решается значительно легче.
1.6. Будущее нанотехнологии
Только дурак может заниматься предсказаниями будущего
(древнекитайская поговорка)
Предсказание будущего действительно является рискованным и неблаго-
дарным занятием. Для предвидения возможностей развития в любой об-
ласти человеческой деятельности недостаточно иметь только обширные
1.6. Будущее нанотехнологии 31
знания и опыт, а необходимо еще обладать интуицией, позволяющей
угадывать фантастические возможности, скрытые в парадигмах суще-
ствующей науки и технологии. Речь действительно идет об угадывании,
а не о расчете, прежде всего потому, что физические законы окружаю-
щего нас мира могут «изменяться» при переходе к другим условиям или
другому окружению. Особенно заметны такие изменения в ситуациях,
когда технология используется в иных масштабах (например, в атомно-
молекулярных). В мире нанометровых объектов и процессов зачастую
совершенно теряют смысл привычные физические понятия типа массы,
инерции и т. п., так что обычная механика (используемая, например,
для создания и вождения автомобиля в нашем мире) становится бес-
полезной.
Представим, например, что мы опускаем соломинку в стакан с водой
или коктейлем. В привычном нам макромире уровень воды в соломинке
совпадает с общим уровнем в стакане (или, строго говоря, близок к нему).
Однако если вместо соломинки использовать капиллярную трубку, то
уровень жидкости в ней будет значительно превышать общий, поскольку
внутри очень тонких трубок начинают проявляться капиллярные свой-
ства жидкости, связанные с молекулярными взаимодействиями. Говоря
проще, изменение масштабов объекта или процесса приводит к резкому
изменению правил физической «игры» и проявлению новых свойств, ко-
торые нельзя было предвидеть заранее. Именно это и происходит в науке
и технологии, как только исследователи начинают работать в диапазоне
наноразмеров.
Вообще говоря, для успешного исследования явлений природы от уче-
ного требуется прежде всего здравое понимание фундаментальных прин-
ципов науки и границ их применения. Ученый должен проверять при-
менимость этих принципов на каждом этапе исследований, что, кстати,
наглядно демонстрирует упоминавшаяся выше история с синтезом инсу-
лина группой Бойера, Риггза и Итакуры. Отказавшие в гранте специали-
сты Национального института здоровья вовсе не были недобросовестны-
ми или неквалифицированными экспертами, но им просто не хватило
опыта и «фантазии», чтобы представить себе процессы, основанные на
совершенно новых принципах. Таким опытом и интуицией обладал Бой-
ер, которому удалось убедить в своей правоте (попросту говоря, «продать»
идею) Свансона, взявшего на себя практическую организацию новой тех-
нологии. Ему удалось найти финансирование для исследований по син-
тезу соматостатина, что и привело в дальнейшем к успеху в производстве
инсулина.
Приведенные выше примеры и концепции из истории биотехнологий,
конечно, весьма упрощают картину развития, которая в действительно-
сти выглядит значительно более сложной, однако наличие S-образных
кривых и разрывов на них является фундаментальным и общим явле-
нием для развития любой научной или технической отрасли. Кстати,
эта закономерность прекрасно подтверждается и на современном этапе
перехода от привычных биотехнологий к нанотехнологиям. Например,
существующие биотехнологии основаны на использовании природных
ферментов, которые химики и биологи (благодаря своим знаниям и ма-
стерству) научились «вырезать» и «вставлять» в нужные места на моле-
кулах ДНК. Такие генные манипуляции с естественными ферментами
и являются основой технологии, превращающей бактерии в своеобраз-
ные фабрики или химические реакторы для производства требуемых пре-
паратов и веществ. Однако сейчас становится ясным, что дальнейший
прогресс в этой области будет связан с множеством новых явлений, на-
блюдаемых в нанометрической области. Для коммерциализации новых
методик ученым необходимо получить более достоверные сведения об
этих процессах и научиться уверенно управлять ими. Любое серьезное
открытие в этой области имеет шанс найти свой «рынок», получить ин-
вестиции и быстро развиться в полноценное и высокоэффективное ком-
мерческое производство.
В качестве интересного и поучительного примера можно привести сле-
дующий. Еще в 1905 году Вильям Кобленц из Национального бюро стан-
дартов США (Вашингтон, округ Колумбия) сумел обнаружить и изучить
связь между химической структурой молекул и их спектром поглощения
в инфракрасном диапазоне излучений13. Это замечательное научное от-
крытие долгое время оставалось лишь базой для красивых теоретических
работ, и лишь в 1942 году на его основе был создан первый коммерческий
образец инфракрасного спектрометра. В настоящее время такие приборы
(позволяющие измерять поглощение света в виде функции от длины вол-
ны) используются практически в любой лаборатории, но их развитие сдер-
живалось отсутствием спроса. Острая потребность в таких спектрометрах
возникла только в годы Второй мировой войны (в связи с развитием произ-
водства синтетического каучука), в результате чего почти немедленно было
создано мощное коммерческое производство, удовлетворяющее постоян-
но растущую потребность рынка. Возможно, в случае нанотехнологий мы
столкнемся не с бурным развитием, а с постепенным, эволюционным рас-
ширением рынков и производств.
Прогнозирование будущего — сложная и рискованная затея, но я пред-
ложу читателям простой мысленный эксперимент. Попробуйте предста-
вить себе историю развития и постепенного улучшения свойств волокон.
Когда-то человечество пользовалось только натуральными волоконными
материалами (пенькá, шелк и хлопок). Улучшение характеристик описы-
валось одной S-образной кривой до тех пор, пока не появились синте-
тические волокна типа нейлона. Количество и качество таких волокон
постоянно увеличивается, а общие тенденции их развития описываются
другой, но тоже S-образной кривой. В настоящее время нанотехнология
позволяет создавать совершенно новые материалы и волокна на их основе,
так что я предлагаю читателю (опираясь на технический опыт, интуи-
цию и фантазию) попробовать представить следующую S-образную ветвь
развития, а также подумать о необычных применениях таких волокон,
возможной технологии их производства и коммерческой ценности в раз-
личных областях.
Именно такие размышления можно назвать прогнозом развития нано-
технологий, и им посвящена данная книга.
Литература 33
Литература
1. J. D. Watson and F. H. С Crick, Nature 171 (April 25,1953): 737.
2. D. A. Jackson, R. H. Symons, and P. Berg, Proc. Nat. Acad. Sri. USA 69
(1972): 2904—2909.
3. Stanley N. Cohen, Annie С Y. Chang, Herbert W. Boyer, and Robert B. Helling,
«Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids In Vitro»,
Proceedings of the National Academy of Sciences (1973).
4. P. Berg et al., «Potential Biohazards of Recombinant DNA Molecules», letter,
Science 185 (1974): 303.
5. Federal Register 41, no. 131 (1976), 27911—27943.
6. S. S. Hughes, Isis 92 (2001): 541—575.
7. K. Itakura et al., Science 198 (1977): 1056—1063.
8. S. S. Hall, Invisible Frontiers: The Race to Synthesize a Human Gene (Oxford:
Oxford University Press, 2002)
9. H. Evans, They Made America (New York: Little, Brown, 2004).
10. J. D. Watson, DNA, The Secret of Life (New York: Alfred A. Knopf, 2004).
11. R. Foster, Innovation: The Attacker’s Advantage (New York: Summit Books,
1986).
12. M. W. Bowman, The World’s Fastest Aircraft (Wellingborough, UK: Patrick
Stephens Limited, 1990).
13. W. Coblentz, Investigations of Infrared Spectra (Washington, DC: National
Bureau of Standards, 1905).
и Джорджа Аллена
В декабре 2003 года президент США подписал одобренный Конгрессом
Акт о развитии нанотехнологии в XXI веке (Public Law 108—153), что опре-
делило направления и цели научно-исследовательских работ и внедре-
ния результатов в этой новой, захватывающей области науки, обещающей
в близком будущем преобразовать окружающий нас мир. Манипуляции
веществом на молекулярном уровне, являющиеся основой нанотехнологии,
позволяют создавать новые типы материалов и устройств с уникальными
свойствами, недостижимыми для существующих технологий. Естественно,
такое развитие науки должно привести к весьма значительным изменениям
в существующих технологиях и создать целый ряд совершенно новых от-
раслей промышленности, что будет иметь фундаментальное значение для
развития американской и мировой экономики. По мнению специалистов,
экономический эффект внедрения нанотехнологий в глобальном масштабе
уже в ближайшем десятилетии может достигнуть сотен миллиардов и даже
триллиона долларов. Потенциальные возможности новой науки представ-
ляются фантастическими, а сфера возможного применения охватывает
самые разные области: от создания лекарств «направленного» действия
против опасных болезней (включая рак) и энергетики до новых методов
сохранения окружающей среды.
Разнообразие и богатство потенциальных возможностей нанотехно-
логий не остались незамеченными общественностью и правительством.
За последние годы появилось множество публикаций о научных, эконо-
мических и инвестиционных проектах в этой области. Нанотехнологии
стали составной частью мейнстрима средств массовой информации, на-
глядно свидетельствуя не только о повышении интереса к этой области, но
и доказывая, что новые технологии и научные достижения уже вышли из
стадии лабораторных разработок. Нанотехнология становится, как говорят
американцы, фронтиром (расширяющейся границей, передовой линией)
развития, и сейчас настало время задуматься о том, как фундаментальные
научные открытия и интересные лабораторные опыты могут быть вопло-
щены в новые технологии и новые товары. Речь идет не только о чисто
экономических проблемах, а еще и о том, что, исходя из предыдущего опы-
та, мы обязаны думать и о серьезных опасностях, связанных, например,
с воздействием новых производств на экологию и т. п. Как показывают по-
мещенные в книге обзорные статьи по разным проблемам нанотехнологии,
уже сейчас достигнут значительный прогресс во многих направлениях.
сенатор Джо Либерман
сенатор Джордж Аллен
Вашингтон, округ Колумбия, ноябрь 2005
Предисловие редактора
За прошлое столетие технический прогресс неузнаваемо изменил окру-
жающий нас мир. Стоит отметить, что средняя продолжительность жиз-
ни возросла вдвое, а транспортные и информационные системы достигли
уровня, который казался фантастическим еще пару поколений тому назад.
Одной из характерных особенностей современной науки и жизни вообще
стало немыслимое ранее ускорение темпов самого развития, постоянное
обновление образа жизни, обусловленное научным прогрессом и техниче-
скими инновациями.
В наши дни наука вплотную подошла к возможности прямого воздей-
ствия на отдельные атомы и молекулы, что создало новое метанаправление
развития, получившее общее название нанотехнологии и имеющее огром-
ное значение как для самой науки в целом, так и для промышленного
применения. Размеры объектов и связанных с ними процессов, представ-
ляющих интерес для нанотехнологии (и предлагаемой книги). составляют
100 нанометров и меньше (напомним, что 1 нанометр = 10–9 м, то есть ра-
вен одной миллиардной части метра, а для сравнения просто укажем, что
толщина человеческого волоса составляет 50 000 нанометров). Основной
особенностью новой науки с точки зрения чистой физики является то, что
при таких размерах и масштабах перестают работать привычные законы
физики (прежде всего, так называемая классическая, или ньютоновская
механика), а развитие процессов определяется законами и постулатами
квантовой механики.
В некоторых конкретных, причем наиболее передовых областях (ком-
пьютерная техника, биотехнология, материаловедение) использование на-
нотехнологий позволяет уже в ближайшем будущем надеяться на резуль-
таты, сопоставимые с тем, что было достигнуто за несколько последних
десятилетий. Например, она делает реальным создание сверхмощных ком-
пьютеров, очень легких и прочных материалов для авиации, новых ле-
карственных препаратов против самых опасных болезней, высокоэффек-
тивных преобразователей солнечной энергии и т. п. Подчеркну, что речь
идет о множестве достижений самого разного масштаба в разнообразных
областях науки и техники, то есть о целом «каскаде» или «волне» открытий
и применений, а не об одном крупном открытии сверхкрупного масштаба.
Историки науки и техники любят использовать термин «новая великая
вещь» (подразумевая под этим, например, транзистор или лампу накали-
вания Эдисона). Нанотехнология обещает нам целый набор новых великих
вещей, сводящихся не к существенному изменению окружающего мира
и бытовых условий (подобно тому как лампочка Эдисона преобразовала
жизнь общества), а к масштабному изменению глобальных принципов наук
и технологий. Например, нанотехнологии позволит нам создать систему
автоматического управления всем освещением (или даже электроснабже-
нием) в целых городах или регионах, что подразумевает принципиальное
изменение жизни общества.
Для больших современных городов, кстати, создание автоматической
и «умной» системы управления движения может оказаться столь же важ-
16 Предисловие редактора
ным событием, что и лампочка Эдисона для освещения индивидуальных
жилищ. Не боясь повториться, скажу, что нанотехнология представляет
собой не конкретное, одиночное открытие, а целый набор физических
явлений и их применений (обусловленных размерными эффектами), ис-
пользуемых в качестве инструментов, приемов или идей в самых разных
научных дисциплинах. Именно в этом и состоит основное значение и роль
нанотехнологий, поскольку свойства материалов и процессов в наномас-
штабе существенно отличаются от свойств в привычном нам макроско-
пическом окружении, что и создает совершенно неожиданные возмож-
ности нового применения. Например, наноматериалы могут существенно
отличаться от привычных нам веществ по своей реакционной способно-
сти (в пересчете на единицу поверхности), вследствие чего их применение
в качестве лекарственных препаратов приводит к эффектам, невозможным
в классической медицине.
В качестве наглядного примера можно привести строение углеродных
соединений, столетиями бывших объектами изучения физики и химии.
Общеизвестно, что уголь и алмаз состоят из атомов углерода, а поразитель-
ная разница в их свойствах обусловлена лишь строением кристаллической
решетки. За последние годы ученые обнаружили, что помимо этих извест-
ных форм в нанометрическом масштабе атомы углерода образуют цилин-
дрические трубки, которые нельзя даже сравнивать по характеристикам
с алмазом или углем, поскольку они одновременно прочнее стали и пре-
красно проводят электричество. Неудивительно, что за последние десять
лет ученые интенсивно занимались такими материалами и уже нашли для
углеродных нанотрубок множество фантастических применений в элек-
тронике и медицине, так что сейчас основной вопрос заключается лишь
в правильном и эффективном внедрении новых открытий. Другой прак-
тический пример относится к производству солнечных батарей, о которых
читатель наверняка слышал. Основная техническая проблема, связанная
с ними, заключается в том, что создаваемый в них поток электронов (элек-
трический ток) необходимо многократно отражать от одной поверхности
к другой. Нанотехнология неожиданно позволяет уже сейчас существен-
но повысить площадь электродов и тем самым значительно увеличить ко-
эффициент полезного действия таких батарей, а также ввести ряд других
принципиальных улучшений в работу этих устройств. Не стоит даже го-
ворить о том, что использование более дешевых, безопасных в обращении
и экологически безвредных источников электричества может кардинально
повлиять на экономику и социальную жизнь общества.
Очень важной особенностью нанотехнологии является то, что размер
изучаемых в ней объектов практически совпадает с размерами многих ми-
кроорганизмов и (что представляется особо ценным) биологических клеток
организма человека, что сразу открывает широчайшие перспективы приме-
нения наноматериалов в медицине. Например, нанотехнологии позволяют
создать «бомбу» в виде ультрадисперсной частицы (начиненной требуемым
препаратом), которая внедряется в намеченные клетки организма и «взры-
вается» там, выделяя препарат в клетку или систему кровообращения. Уже
сейчас слияние нанотехнологий и биотехнологий позволяет проектировать
Предисловие редактора 17
множество удивительных устройств медицинского назначения (например,
есть проект создания устройств, в которых электричество будет вырабаты-
ваться не из имплантируемых в организм батарей, а непосредственно на
месте, за счет разложения содержащейся в крови глюкозы).
Другой принципиальной особенностью нанотехнологии (создающей
одновременно и новые возможности и новые трудности) выступает ее мно-
годисциплинарность, так как нанонаука почти во всех своих проявлениях
выступает в качестве объединяющего начала исследований в считавшихся
разными науках (химия, биология, материаловедение, физика, вычисли-
тельная техника и т. д.). Одной из острейших проблем развития самой на-
нотехнологии выступает тот очевидный факт, что в каждой из этих наук
плодотворно трудятся очень талантливые и независимые люди, владеющие
приемами и терминологией собственных отраслей знаний и не желающие
менять их. Все знают старую притчу о слепцах, которые пытаются опи-
сывать слона, ощупывая разные части его тела (хобот, ноги, хвост), и эта
ситуация очень напоминает нынешнее состояние дел в нанотехнологиях.
Научная и даже, отчасти, лингвистическая проблема заключается в том,
что специалисты из самых разных областей знаний (химики, физики,
биологи, материаловеды и т. д.), привыкшие десятилетиями работать на
атомно-молекулярном уровне и взаимодействовать с коллегами в рамках
своих дисциплин, вдруг оказались вынужденными общаться друг с другом
при решении конкретных и совместных задач. Все знают, что многие рас-
пространенные термины часто означают разные понятия в разных науках,
так как во всех дисциплинах давно установились своя строгая систематика,
система парадигм и авторитетов (и даже особый жаргон!), поэтому многие
специалисты считают, что для развития нанотехнологии принципиальной
сложностью может оказаться проблема общения и выработки общей тер-
минологии. Острота проблемы связана и с тем, что речь идет не только
о науках, но и о связанных с ними целых отраслях производства и биз-
неса. В качестве редактора и составителя данной книги, я хочу сразу зая-
вить, что ее основная цель сводится именно к организации взаимодействия
и сотрудничества исследователей и промышленников, вследствие чего она
и составлена из статей и обзоров высокопрофессиональных специалистов
и ученых, имеющих богатый опыт общения.
Будущее нанотехнологии обеспечивается талантом и энергией множе-
ства людей, уже работающих в этой области и заложивших основы как
самой новой науки, так и ее частных приложений. Можно с уверенно-
стью констатировать, что возможности нанотехнологий значительно пре-
восходят все, что привычно вкладывалось в понятие биотехнологий или
информационных технологий. Практически проблема состоит в том, что
промышленность еще не готова к пониманию и «перевариванию» новых
возможностей и открытий, что можно объяснить как недопониманием
их смысла, так и неспособностью коммерческого рынка приспособиться
к стремительному темпу технического прогресса. Строго говоря, скорость
внедрения любых научных открытий определяется некоторым, очень труд-
ным и сложным средним этапом между самим открытием и созданием
определенного прототипа возможного его применения на практике (физик
18 Предисловие редактора
придумал бы для этого некие «коэффициенты трения» между наукой, про-
изводством и рынком потребления). Для появления на рынке в качестве
полноценного коммерческого продукта каждое научное открытие должно
пройти сложные этапы (объединение с уже существующими товарами, об-
щая оценка возможностей, обсуждение проблем контроля и т. д.), после
чего реальный рынок реагирует на появление нового товара и «голосует» за
него (долларовыми вложениями). Предлагаемая книга создавалась с целью
ознакомления возможно большего числа интересующихся нанотехнологи-
ями читателей с реальными перспективами и возможностями этой новой
области деятельности.
В связи с этим книга разбита по темам на четыре раздела, объединен-
ных общим замыслом. В первом разделе рассмотрены общие вопросы исто-
рии и инновационной политики в области технологий. Глава 1 посвящена
самым общим урокам, которые следовало бы извлечь (как самим исследо-
вателям, так и инвесторам) из недавней истории развития биотехнологии,
также ставшей вехой в развитии науки и связанной с ней промышленности.
В главе 2 обсуждаются очень важные для современного мира возможности
использования нанотехнологий в энергетике, причем авторы уделяют мно-
го внимания тем проблемам, которые неизбежно должны возникнуть по-
сле внедрения новых методов. В третьей главе рассмотрены вопросы про-
мышленного применения новых технологий.
Раздел II является, по-видимому, центральным в книге, поскольку по-
священ непосредственно тому кругу талантливых людей (ученым и органи-
заторам), чьей волей и знанием осуществляется прогресс в рассматривае-
мой области. В главах 4 и 5 с экономической точки зрения теоретически
рассматриваются абстрактные фигуры и формы деятельности «венчурных
капиталистов», то есть предпринимателей, которые учитывают связь техно-
логий и производимых товаров в долгосрочной исторической перспективе
и осуществлят вполне реальные капиталовложения в нанотехнологические
производства. В главе 6 анализируется роль и текущая деятельность прави-
тельства США в качестве координатора эффективного развития новой от-
расли науки и промышленности, а главы 7 и 8 посвящены специфической
проблеме академических исследований (научно-исследовательских работ
в рамках высших научных заведений) и возможностям их последующей
коммерциализации, то есть внедрения в реальное производство. Глава 9
показывает, какие проблемы ставит развитие нанотехнологий перед юри-
стами, связанными с патентным и коммерческим правом США. В главе 10
объясняется, почему именно частное предпринимательство должно играть
ключевую роль в развитии новых областей и брать на себя риск организа-
ции первичных производств, а в главе 11 обсуждаются сложности, которые
ожидают крупные корпорации и организации, желающие связаться с новы-
ми технологиями и продуктами. Последняя глава второго раздела содержит
краткий очерк деятельности национальных лабораторий США в области
нанотехнологий и коммерциализации получаемых ими результатов.
Третий раздел посвящен некоторым конкретным инновационным на-
правлениям в развитии нанотехнологий: материалам (глава 13), нанораз-
мерным датчикам (глава 14), микроэлектронике (глава 15) и так называе-
Предисловие редактора 19
мой «адресной доставке» лекарственных препаратов в организме (глава
16). В завершающей раздел главе 17 обсуждается теоретическая проблема
слияния нанотехнологий с уже существующими биотехнологиями, что
в перспективе может означать невиданный расцвет медицины и здраво-
охранения.
В четвертом разделе рассмотрены самые общие вопросы нанотехноло-
гии, которые уже сейчас волнуют многих исследователей. Речь идет о том,
что на наноуровне исследований все известные нам научные дисципли-
ны как-то «сливаются» в единое целое, что не только является новым на-
учным подходом, но и обещает в будущем формирование новой науки,
что означало бы революционный прорыв в познании природы (глава 18).
С этим связано и беспокойство некоторых ученых относительно этических
проблем, которые неизбежно будут возникать по мере развития нанотех-
нологий (глава 19). Книгу завершает очень интересный эпилог (глава 20),
где приведен текст ранее не публиковавшейся беседы на эту тему с леген-
дарным физиком Ричардом Фейнманом, который справедливо считается
«пророком» нанотехнологий.
Практические исследования на уровне отдельных атомов и молекул
должны привести к серьезным изменениям в жизни человечества, и уже
сейчас можно предсказать, что описываемые в книге исследования изменят
мир и общество значительно сильнее, чем компьютеры и биотехнологии.
В заключение я хотел бы выразить глубокую благодарность многим лю-
дям и организациям, помогавшим мне не только в создании данной книги,
но и на протяжении всей моей профессиональной деятельности. Особую
благодарность я выражаю своей жене Мириам.
Линн Э. Фостер
Лос-Анжелес, июнь 2005
Сведения о редакторе и составителе сборника
Линн Э. Фостер входит в число руководителей отдела развития новейших
технологий одной из крупнейших в США юридических фирм (Greenberg
Traurig LLP), специализирующихся в области внедрения и передачи новых
технологий, лицензирования и патентного права, а также организации со-
трудничества и инвестиций в технические проекты.
До перехода на работу в фирму Greenberg Traurig, Линн Э. Фостер при-
обрел огромный опыт в области внедрения технологических разработок,
участвуя в реализации множества частных и государственных технических
проектов, руководя исследованиями в сфере программного обеспечения
в аэрокосмической промышленности, а также внедрении и коммерциали-
зации научных достижений при «запуске» многих инновационных фирм.
Он является членом консультативных советов многих авторитетных ор-
ганизаций, связанных с инновационной политикой правительства США
(Институт нанонауки и технологии, Международный консорциум ин-
женерных разработок, Форум внедрения знаменитого института Калтех
и т. д.). Линн Э. Фостер провел когда-то первую конференцию по коммер-
ческому применению нанотехнологий (Nanotechnology Trade Study), а затем
был организатором восьми конференций и коммерческих совещаний на
самом высоком уровне по проблемам нанотехнологий. Более 20 лет он был
на службе и в резерве армии США, участник первой войны в Персидском
заливе и военных оперций в Боснии. Имеет ученые степени в области нау-
ки и административного управления.
Раздел I
Руко водст во и организация
Глава 1
Уроки инновационной
политики
и коммер циали зации ,
связанные
с биотехнологической
революцией
Джеральд Голлвас
Джеральд Голлвас имеет богатый опыт по внедрению биомедицинских техно-
логий еще с середины 60-х годов, когда он занялся бизнесом, связанным с созда-
нием и поставкой диагностического оборудования в известной фирме Beckman
Instruments. Возглавляемая им группа успешно внедрила новую аппаратуру,
основанную на кинетических измерениях скоростей химических реакций перво-
го порядка, используемую при клинической диагностике крови. Многие годы
он занимался испытаниями и поставками медицинского оборудования в США,
Европе и Японии и руководил многими очень важными проектами развития
и внедрения новой техники. Является специалистом международного класса по
вопросам планирования, организации, маркетинга и управления. Имеет сте-
пень бакалавра по химии, полученную в университете Сан-Диего.
«Мы создаем и формируем инструменты, а позднее они начинают фор-
мировать нас самих».
Маршалл Мак-Люэн
Вообще говоря, современное общество создано успехами химии, кото-
рую можно рассматривать в качестве наиболее общей науки о веществах
и материалах, из которых построены почти все используемые нами объ-
22 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
екты, от орудий труда до принимаемых лекарств. Процесс формирования
и использования новых объектов продолжается: кремниевые и германие-
вые чипы составляют основу электроники, водород и кислород являются
главными компонентами ракетного топлива, а рекомбинантная ДНК слу-
жит для создания новых лекарственных препаратов или растений, устой-
чивых к воздействию пестицидов. Интересно, что роль химии в истории
для многих остается до сих пор не до конца понятной, неоцененной и не-
ясной, в результате люди чаще склонны обращать внимание скорее на не-
достатки химии (например, ее вред для окружающей среды), чем на то, что
именно она создает множество привычных условий существования. Древ-
некитайская поговорка гласит, что «только дураки могут заниматься пред-
сказанием будущего», но предлагаемая читателю книга целиком посвящена
размышлениям о грядущем развитии науки, и мы вправе спросить себя
хотя бы о том, какие уроки мы, собственно, извлекли из анализа бурного
развития химии в предыдущее столетие? При серьезном рассмотрении вы-
ясняется, что никакого общего вывода из развития химии пока не суще-
ствует, так что в качестве примера мощного развития одной из областей
науки (особенно с точки зрения инноваций и коммерциализации) удобнее
рассмотреть историю биотехнологии, протекавшую на наших глазах в но-
вейшее время.
1.1. История биотехнологии
Разумеется, начало истории биотехнологии может быть отнесено к глу-
бокой древности, однако истинным моментом зарождения современной
биотехнологии можно вполне обоснованно считать открытие в 1953 году
Джимом Уотсоном и Френсисом Криком структуры ДНК. Их работа при-
дала молекулярной биологии совершенно новое научное и общественное
значение1, а предложенная модель двойной спирали была не только одно-
временно простой, элегантной и эффектной, но и позволила вполне раз-
умным образом объяснить процесс воссоздания и репликации жизни на
молекулярном уровне.
Открытие структуры ДНК привело к множеству новых исследований
и открытий, наиболее важным из которых стала разработка техники «вы-
резания и склеивания». Эта работа, выполненная группой Пола Берга из
Стэнфордского университета, позволила получить рекомбинантную ДНК,
состоящую из кусочков от двух разных молекул ДНК2. Придуманная ими
методика напоминает процесс монтажа в студии звукозаписи, когда опе-
ратор получает новую запись, просто вырезая и «склеивая» друг с другом
куски разных магнитофонных лент. Вставив затем такую ленту в магни-
тофон, вы услышите единую запись, составленную из обрывков исходных
мелодий.
За эту блестящую работу Пол Берг в 1980 году удостоился Нобелев-
ской премии по химии. Интуиция с самого начала подсказывала ему, что
рекомбинантные ДНК могут найти практическое применение в генной
терапии. За несколько лет до этого, в 1973 году двое американских уче-
ных (Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско
1.1. История биотехнологии 23
и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета) стали первыми на свете
генными инженерами, так как именно им удалось не только использовать
рестрикционные ферменты для избирательного «разрезания» и «соедине-
ния» кусочков ДНК, но и сделать этот процесс «промышленным». Вводя
полученную таким образом составную или смешанную ДНК в организм
бактерии, они смогли осуществить процесс размножения бактерий и по-
лучить миллионы «копий» своей искусственной ДНК. Это можно считать
созданием первой «фабрики» по генетическому производству ДНК3.
Новость быстро облетела научный мир, после чего множество ученых
по всему миру занялись интенсивными исследованиями в области ген-
ной инженерии. Вскоре после этого генными манипуляциями всерьез за-
интересовалась общественность, средства массовой информации и даже
Конгресс США. Разумеется, публику напугали разговоры о возможности
создания «смешанных» существ, и она настойчиво пыталась понять — не
занимаются ли ученые конструированием современного Франкенштейна?
Поэтому общее внимание было обращено на создание эффективной си-
стемы контроля над разработками и попытками их практического приме-
нения. Беспокойство общественности было столь велико, что в 1975 году
более 100 представителей заинтересованных организаций из разных стран
мира собрались в городке Алисомар (Калифорния) на конференцию, по-
священную перспективам и потенциальным опасностям исследований
в области рекомбинантных ДНК4. Конференция прошла под руководством
самого Пола Берга и утвердила набор рекомендаций для Национального
института здоровья США (National Institute of Health, NIH). Позднее имен-
но эти рекомендации стали основой национальной политики США в этом
научном направлении, отраженной в официальных документах 1976 года5.
Научный успех Бойера и Коэна, сумевших внедрить определенный ген
в бактерию и «размножить» его, с самого начала привлек внимание так на-
зываемых венчурных капиталистов, то есть предпринимателей, любящих
вкладывать капитал с риском или в разработку и производство совершенно
новых продуктов. Один из них, молодой и энергичный Роберт Свансон из
Сан-Франциско, еще в 1976 году запросил Бойера и Коэна о возможности
применения их технологии для организации коммерческого производства
белковых продуктов, содержащих требуемые компоненты (в частности,
Свансона интересовала возможность выпуска пищевых продуктов, содер-
жащих инсулин человека)6. Уже в апреле этого же года Свансон и Бойер
вложили по 500 долларов в организацию фирмы Genentech, ставшей первой
в мире биотехнологической компанией. Почти немедленно в этой области
возникла и торговая конкуренция, так как очень скоро была зарегистриро-
вана и компания Biogen. Образно говоря, возник совершенно новый сектор
наукоемкой продукции, а его первой целью стало производство коммерче-
ских продуктов, содержащих инсулин человека.
Фирмы Genentech и Biogen выбрали различные технические средства
для получения таких продуктов. Ученые Genentech бросили все свои силы
на химический синтез человеческого гена, связанного с выработкой инсу-
лина, в то время как Biogen стал развивать технику клонирования, причем
выбор путей развития был обусловлен уже сложившимися обстоятельства-
24 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
ми и условиями. Например, интерес Genentech к химически синтезируе-
мому гену объяснялся тем, что последний не подпадал под ограничения,
уже введенные Национальным институтом здоровья США, в то время как
клонирование могло производиться только под контролем NIH.
Интересно и поучительно, что в начальный период развития фирма
Genentech фактически представляла собой лишь зарегистрированное на-
звание, так как не имела ни денег, ни сотрудников, ни оборудования. Бой-
ер обратился к двум своим коллегам в Национальном медицинском центре
(City of Hope) с предложением заключить контракт на разработку методов
синтеза инсулина человека. Речь шла об Артуре Риггзе и Кэйити Итакуре,
которые в этот момент подали заявку в Национальный институт здоровья,
пытаясь получить грант на изучение возможностей синтеза человеческого
гормона соматостатина (эта задача выглядела более скромной, чем синтез
инсулина, но ее решение открывало перспективы дальнейших разрабо-
ток). Поэтому естественной кажется реакция Риггза, запросившего Бойера
о возможности спонсорства фирмой Genentech сначала разработок по син-
тезу соматостатина. Получив положительный ответ, он образовал смешан-
ную исследовательскую группу из сотрудников City of Hope и Genentech,
которая сумела быстро добиться значительного успеха. Риггзу и Итакуре
удалось внедрить кусочек ДНК человека (содержащий 21 нуклеотид) в бак-
терию кишечной палочки E.Coli, а затем (вместе с молодым химиком Хер-
бом Хейнекером из лаборатории Бойера) и впервые продемонстрировать
возможность функционирования искусственной ДНК в живой клетке.
Через шестнадцать месяцев команда исследователей не только успешно
синтезировала ген соматостатина человека и клонировала его, но и смогла
продемонстрировать возможность, как говорят биохимики, экспрессии про-
теинового гормона соматостатина в микробы7, что стало первым примером
успешного внедрения белка в генетически модифицированные микробы во-
обще. Это достижение только подхлестнуло научную «гонку» в синтезе ин-
сулина человека. Ценность метода Риггза—Итакура заключается в его уни-
версальности, позволяющей использовать его для производства множества
требуемых белков в бактериях-носителях. Очень быстро на его основе были
разработаны разнообразные технологии, на которые было выдано много па-
тентов (как в США, так и в других странах), а конечным результатом стало
возникновение коммерческого производства фармацевтических продуктов,
объем которого оценивается в миллиарды долларов. Забавно и очень по-
учительно, что упоминавшееся выше обращение Риггза и Итакуры к На-
циональному институту здоровья (с просьбой о гранте на разработку сома-
тостатина) было отвергнуто институтом, специалисты которого посчитали
проект слишком амбициозным и не имеющим практической ценности!
После успеха с синтезом соматостатина Свансон начал энергично под-
ыскивать инвесторов для финансирования работ по синтезу инсулина.
В июне 1978 года фирма Genentech наняла сотрудников и создала лабо-
раторию вблизи аэропорта Сан-Франциско, а уже к концу августа (менее
чем через три месяца!) объединенная команда City of Hope и Genentech
получила инсулин человека, используя синтезированный ген. Казавшееся
невозможным начинание увенчалось блестящим успехом. Замечательная
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой 25
история создания фирмы Genentech и возникновения целой отрасли про-
мышленности на основе биотехнологии описана в книгах Холла и Эванса8,9.
Особенную ценность этим событиям придает то, что речь идет об очень
редкой ситуации, когда результаты фундаментальных, академических ис-
следований смогли очень быстро привести к блестящему коммерческому
успеху, тем более что речь шла о создании промышленности буквально
из «ничего», а не о «раскрутке» производства на базе уже существующего
мощного рынка фармакологических препаратов.
В наши дни, через тридцать лет после возникновения, биотехнология
представляет собой огромный сектор промышленности и коммерции (оце-
ниваемый примерно в триллион долларов), производящий сотни видов
разнообразных биологических, медицинских и лекарственных средств10,
и поэтому предложенные истории могут служить поучительными примера-
ми при обсуждении проблем нанотехнологий. Речь идет в первую очередь
о двух описанных ниже важнейших концепциях развития науки и техно-
логии, связанных с инновационной политикой и коммерциализацией на-
учных достижений вообще.
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой
Первая концепция связана с так называемой S-образной (сигмоидальной)
кривой, предложенной в книге Ричарда Фостера11 в качестве типичной
и характерной для множества процессов развития в науке и технике. Кри-
вая описывает зависимость между вложениями ресурсов в технологию или
процесс и соответствующей этим вложениям «отдачей» (то есть повышени-
ем продуктивности, качества и т. п.). Исследования в истории разнообраз-
ных технических устройств и их характеристик привели Фостера к выводу,
Рис. 1.1. Типичный вид так называемой S-образной (сигмоидной) кривой
развития
Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
что такие зависимости (напоминающие на графике латинскую букву S, как
показано на рис. 1.1) являются весьма распространенными и типичными.
Практический смысл S-образной кривой очень прост. В любой области
усилия на разработку, затраты времени и просто капиталовложения при-
носят на начальном этапе развития или исследования (когда уровень фун-
даментальных знаний о процессе или объекте невелик) лишь небольшую
пользу. Затем, по мере роста знаний и накопления опыта, эти вложения
или усилия становятся все более эффективными, вследствие чего скорость
развития значительно увеличивается. После некоторой критической точки
развития общий процесс роста замедляется, а затем и почти прекращает-
ся, что свидетельствует о достигнутой «зрелости» технологии или изделия.
В дальнейшем рост прекращается вообще.
В качестве очень характерного примера можно привести показанную
на рис. 1.2 кривую роста скорости (основной параметр) развития одно-
моторных винтовых самолетов практически за всю историю авиации, по
данным работы12. Самолет братьев Райт в первом полете (1903 год) достиг
скорости около 35 миль/час. Через семь лет, в 1910 году Гордон Беннет по-
бедил на авиагонках в Белмонт-Парке (Нью-Йорк), разогнав машину до 60
миль/час. По мере накопления опыта и знаний скорость самолетов мед-
ленно возрастала: 139,66 миль/час (1914 год), 145,7 миль/час (1922) и т. д.
В 1925 году лейтенант Джеймс Дулитл на самолете Curtiss R3C-2 достиг
232,57 миль/час. В 1939 году рекорд скорости составил 463,9 миль/час, но
на графике уже явно заметно замедление темпов роста. Следующий рекорд
скорости на одномоторном поршневом самолете был установлен на гонкав
в Рено (штат Невада) почти через тридцать лет и составил 520 миль/час.
В 1989 году эта цифра возросла, но лишь на 9 миль/час!, что наглядно сви-
Рис. 1.2. Увеличение скорости одномоторных винтовых самолетов описыва-
ется характерной S-образной кривой
1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой 27
детельствует о том, что все возможности повышения скорости одномотор-
ных поршневых самолетов практически исчерпаны и никакого дальнейше-
го технологического прогресса в этой области ожидать нельзя. Продукт (в
данном случае винтовые самолеты) достиг своего совершенства, и любые
капиталовложения в развитие бессмысленны.
Появление и использование реактивных двигателей привело, естествен-
но, к качественному скачку и последующему улучшению характеристик са-
молетов, что также описывается S-образной кривой. При сопоставлении этих
кривых (рис. 1.3) отчетливо проявляется разрывность характеристик при пе-
реходе, то есть при принципиальном обновлении или смене технологий.
Приведенный пример роста скорости одномоторных винтовых самоле-
тов демонстрирует одновременно две характерные особенности практически
всех процессов, связанных с инновациями и коммерциализацией научных
достижений. Речь идет о том, что параметры выходят на некоторые предел,
а при смене технологий наблюдается разрыв в непрерывных кривых раз-
вития. Легко понять, что в начальный период развития любой технологии
(нижняя часть S-образной кривой) инвестиции связаны со значительным
риском и неопределенностью, но зато открывают в случае удачи большие
перспективы роста и, соответственно, высокий уровень прибыльности.
На среднем участке кривой возникает большая определенность ожиданий
(иногда, кстати, создающая даже избыточное чувство уверенности), что
приводит, конечно, и к уменьшению шансов значительного роста и бы-
стрых успехов. Наибольший интерес представляет конечная часть кривой,
соответствующая полному исчерпанию возможностей используемой техно-
логии, но таящая в себя возможности перехода к новой S-образной кривой.
На практике это означает конец развития технологии и подготовку к су-
щественному рывку в техническом развитии. Следующий этап начинается
с появления новых методов или устройств, что означает, например, переход
от винтовых самолетов к реактивным, от электронных ламп — к транзи-
сторам, от конных повозок — к автомобилям и т. д.
Рис. 1.3. Повторение S-образных кривых в истории техники
28 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
В описанной выше истории возникновения биотехнологии исходная
S-образная кривая соответствовала существовавшей ранее коммерческой
технологии производства животных белков для фармацевтической про-
мышленности, в частности инсулина. Дело в том, что уже давно существо-
вало развитое производство бычьего и свиного инсулина, экстрагируемого
из туш животных и подвергаемого очистке. Коммерческий процесс был
доведен до предела, поэтому и возник разрыв, приводящий к следующей
S-образной ветви развития, основанной на принципиально новой техноло-
гии (введение синтезированного гена в бактерии и производство инсулина
человека). Научное открытие непосредственно привело к развитию совер-
шенно новой отрасли фармацевтической промышленности.
1.3. Концепция 2. Уроки коммерциализации технических
новшеств
Вторая концепция, связанная с коммерциализацией технических дости-
жений и инновационной политикой вообще, относится непосредственно
к тем лицам, которые стремятся успешно внедрить новые методы и про-
дукты. Говоря образно и одновременно просто, можно утверждать, что
любая инновационная инициатива представляет собой сочетание креатив-
ности или способности к творчеству и способности к реализации замыс-
лов. В действительности, конечно, успех предпринимателя в столь сложной
ситуации требует гораздо большего. Например, успешный опыт развития
биотехнологий показывает, что для успеха необходимо найти правильное
сочетание нескольких факторов:
Креативность, творческое начал• о
• Система управления, менеджмент
• Удачно подобранная команда
• Разумные капиталовложения
• «Попадание» в потребности рынка
Для осуществления удачного инновационного научно-технического
проекта необходимо создать мощный и целенаправленный аппарат управ-
ления и междисциплинарную группу талантливых исследователей, кото-
рые при правильно спланированных капиталовложениях могут не только
создать новый биотехнологический продукт, но и довести лабораторную
разработку до коммерческого рынка и вернуть исходные затраты. Иными
словами, коммерциализация инновационного продукта сложным образом
зависит от сочетания многих факторов, то есть является, как говорят ма-
тематики, сложной функцией, которая может быть выражена формальным
произведением:
Коммерциализация =
(Творчество × Менеджмент × Команда) (Вложения) (Запрос)
Аналогией коммерциализации, как ни странно, может служить органи-
зация музыкального концерта, успех которого тоже определяется сложным
сочетанием творческого начала (композитор), менеджмента (руководи-
тель и дирижер) и команды (состав оркестра). Кроме этого, очевидно, для
1.4. Общие выводы из анализа S-образных кривых развития любых технологий 29
успешного проведения концерта необходимы указанные в формуле вложе-
ния (они определяются верой спонсора в эстетическую ценность исполне-
ния) и запросы (предлагаемая программа должна быть привлекательной
и интересной для конкретной аудитории). При соблюдении всех этих усло-
вий и требований концерт не только доставит удовольствие аудитории, но
и окупит расходы на его организацию, что и можно будет назвать успеш-
ным осуществлением инновационного проекта (в данном случае в области
музыки).
В приведенном выше примере, относящемся к производству инсулина
человека, творческим элементом программы стал принципиально новый
метод Бойера—Коэна, вдохновивший Роберта Свансона на создание ком-
мерческого производства синтетического инсулина. Эту задачу, конечно,
нельзя было решить без создания высокопрофессиональной команды из
специалистов City of Hope и Genentech. При этом Свансону удалось одно-
временно организовать «запуск» фирмы Genentech и найти достаточный
инвестиционный капитал на стороне, то есть заинтересовать будущих по-
требителей (учесть потенциальный запрос рынка). Разумеется, ключевую
роль сыграло то, что междисциплинарной исследовательской группе уда-
лось, используя технологию Риггза—Итакуры, действительно получить пол-
ноценный и важный препарат, представляющий коммерческую ценность.
1.4. Общие выводы из анализа S-образных кривых
развития любых технологий
• Начальный этап развития любой новой технологии представляет
собой медленный инкубационный период «созревания», когда воз-
никает множество важных проблем, требующих своего решения.
Например, потребовалось около 22 лет, чтобы скорость самолетов
достигла заметного значения 232 миль/час (аналогично потребо-
валось около 24 лет, чтобы предложенная в 1953 году Уотсоном
и Криком структура ДНК воплотилась в реальную технологию
производства белков в микробных носителях по методу Риггза—
Итакуры). Период в 20 лет является характерным временем пре-
вращения новой научной идеи в «зрелую» технологию, что обычно
и выражается S-образной кривой развития. Возможно, это просто
обусловлено необходимостью разработки соответствующей инстру-
ментальной и технической базы. Отметим, что биотехнология еще
находится на восходящем участке кривой, вследствие чего сейчас
в лабораториях мира разрабатываются сотни новых препаратов
и коммерческих продуктов.
• Каждая технология имеет собственные пределы роста. Поэтому
рано или поздно описываемый процесс производства инсулина на
основе биологических источников перестанет удовлетворять требо-
ваниям времени и окажется недостаточно эффективным.
• Следует помнить, что внедрение любой новой технологии всегда
вызывает массу скептических замечаний с самых разных сторон
(включая другие группы исследователей, средства массовой инфор-
30 Глава 1. Уроки инновационной политики и коммерциализации, связанные
с биотехнологической революцией
мации, Конгресс, правительственные учреждения и «сообщество»
инвесторов). Разрыв между повторяющимися ветвями S-образной
кривой развития всегда вызывает тревогу, означая разрыв с устано-
вившимся порядком, то есть потерю определенности и уверенности.
С другой стороны, именно эта ситуация позволяет перейти к сле-
дующему витку развития и существенному повышению качества
продуктов.
1.5. Общие выводы из анализа коммерческих инноваций
в области биотехнологий
Развитие инновационных технологий всегда требует творческог• о
подхода и решительных действий. Конечно, ключевым моментом
выступает само научное открытие или изобретение, однако его тех-
нологическая реализация и связанный с этим коммерческий успех
могут быть обеспечены лишь эффективным менеджментом и силь-
ной командой исследователей, зачастую из разных отраслей науки.
• Очень часто ценность новых технологий трудно оценить или обо-
сновать. Выше уже упоминалось, что Национальный институт здо-
ровья США отказался финансировать проект производства сома-
тостатина по методу Риггза—Итакуры, посчитав его амбициозным
и не имеющим практической ценности. Позднее выяснилось, что
научные эксперты, средства массовой информации и правитель-
ственные организации ошибались.
• Для успеха в инновационных проектах необходимо обладать раз-
витой фантазией и даже некоторой «мечтательностью». Именно та-
кими качествами обладал Роберт Свансон, сумевший воодушевить
целую группу других исследователей, что привело не только к зна-
чительному научному успеху, но и к созданию новой отрасли про-
мышленности с многомиллиардным объемом производства.
• Нахождение источников финансирования затруднено на начальном
участке S-образной кривой развития, когда инвесторы не уверены
в потенциальной ценности исследований и будущих продуктов. На-
пример, производство соматостатина вообще не вызывало энтузи-
азма у инвесторов до тех пор, пока научные достижения не про-
демонстрировали реальную возможность коммерческого получения
инсулина человека. На следующем этапе, разумеется, проблема ин-
вестиций решается значительно легче.
1.6. Будущее нанотехнологии
Только дурак может заниматься предсказаниями будущего
(древнекитайская поговорка)
Предсказание будущего действительно является рискованным и неблаго-
дарным занятием. Для предвидения возможностей развития в любой об-
ласти человеческой деятельности недостаточно иметь только обширные
1.6. Будущее нанотехнологии 31
знания и опыт, а необходимо еще обладать интуицией, позволяющей
угадывать фантастические возможности, скрытые в парадигмах суще-
ствующей науки и технологии. Речь действительно идет об угадывании,
а не о расчете, прежде всего потому, что физические законы окружаю-
щего нас мира могут «изменяться» при переходе к другим условиям или
другому окружению. Особенно заметны такие изменения в ситуациях,
когда технология используется в иных масштабах (например, в атомно-
молекулярных). В мире нанометровых объектов и процессов зачастую
совершенно теряют смысл привычные физические понятия типа массы,
инерции и т. п., так что обычная механика (используемая, например,
для создания и вождения автомобиля в нашем мире) становится бес-
полезной.
Представим, например, что мы опускаем соломинку в стакан с водой
или коктейлем. В привычном нам макромире уровень воды в соломинке
совпадает с общим уровнем в стакане (или, строго говоря, близок к нему).
Однако если вместо соломинки использовать капиллярную трубку, то
уровень жидкости в ней будет значительно превышать общий, поскольку
внутри очень тонких трубок начинают проявляться капиллярные свой-
ства жидкости, связанные с молекулярными взаимодействиями. Говоря
проще, изменение масштабов объекта или процесса приводит к резкому
изменению правил физической «игры» и проявлению новых свойств, ко-
торые нельзя было предвидеть заранее. Именно это и происходит в науке
и технологии, как только исследователи начинают работать в диапазоне
наноразмеров.
Вообще говоря, для успешного исследования явлений природы от уче-
ного требуется прежде всего здравое понимание фундаментальных прин-
ципов науки и границ их применения. Ученый должен проверять при-
менимость этих принципов на каждом этапе исследований, что, кстати,
наглядно демонстрирует упоминавшаяся выше история с синтезом инсу-
лина группой Бойера, Риггза и Итакуры. Отказавшие в гранте специали-
сты Национального института здоровья вовсе не были недобросовестны-
ми или неквалифицированными экспертами, но им просто не хватило
опыта и «фантазии», чтобы представить себе процессы, основанные на
совершенно новых принципах. Таким опытом и интуицией обладал Бой-
ер, которому удалось убедить в своей правоте (попросту говоря, «продать»
идею) Свансона, взявшего на себя практическую организацию новой тех-
нологии. Ему удалось найти финансирование для исследований по син-
тезу соматостатина, что и привело в дальнейшем к успеху в производстве
инсулина.
Приведенные выше примеры и концепции из истории биотехнологий,
конечно, весьма упрощают картину развития, которая в действительно-
сти выглядит значительно более сложной, однако наличие S-образных
кривых и разрывов на них является фундаментальным и общим явле-
нием для развития любой научной или технической отрасли. Кстати,
эта закономерность прекрасно подтверждается и на современном этапе
перехода от привычных биотехнологий к нанотехнологиям. Например,
существующие биотехнологии основаны на использовании природных
ферментов, которые химики и биологи (благодаря своим знаниям и ма-
стерству) научились «вырезать» и «вставлять» в нужные места на моле-
кулах ДНК. Такие генные манипуляции с естественными ферментами
и являются основой технологии, превращающей бактерии в своеобраз-
ные фабрики или химические реакторы для производства требуемых пре-
паратов и веществ. Однако сейчас становится ясным, что дальнейший
прогресс в этой области будет связан с множеством новых явлений, на-
блюдаемых в нанометрической области. Для коммерциализации новых
методик ученым необходимо получить более достоверные сведения об
этих процессах и научиться уверенно управлять ими. Любое серьезное
открытие в этой области имеет шанс найти свой «рынок», получить ин-
вестиции и быстро развиться в полноценное и высокоэффективное ком-
мерческое производство.
В качестве интересного и поучительного примера можно привести сле-
дующий. Еще в 1905 году Вильям Кобленц из Национального бюро стан-
дартов США (Вашингтон, округ Колумбия) сумел обнаружить и изучить
связь между химической структурой молекул и их спектром поглощения
в инфракрасном диапазоне излучений13. Это замечательное научное от-
крытие долгое время оставалось лишь базой для красивых теоретических
работ, и лишь в 1942 году на его основе был создан первый коммерческий
образец инфракрасного спектрометра. В настоящее время такие приборы
(позволяющие измерять поглощение света в виде функции от длины вол-
ны) используются практически в любой лаборатории, но их развитие сдер-
живалось отсутствием спроса. Острая потребность в таких спектрометрах
возникла только в годы Второй мировой войны (в связи с развитием произ-
водства синтетического каучука), в результате чего почти немедленно было
создано мощное коммерческое производство, удовлетворяющее постоян-
но растущую потребность рынка. Возможно, в случае нанотехнологий мы
столкнемся не с бурным развитием, а с постепенным, эволюционным рас-
ширением рынков и производств.
Прогнозирование будущего — сложная и рискованная затея, но я пред-
ложу читателям простой мысленный эксперимент. Попробуйте предста-
вить себе историю развития и постепенного улучшения свойств волокон.
Когда-то человечество пользовалось только натуральными волоконными
материалами (пенькá, шелк и хлопок). Улучшение характеристик описы-
валось одной S-образной кривой до тех пор, пока не появились синте-
тические волокна типа нейлона. Количество и качество таких волокон
постоянно увеличивается, а общие тенденции их развития описываются
другой, но тоже S-образной кривой. В настоящее время нанотехнология
позволяет создавать совершенно новые материалы и волокна на их основе,
так что я предлагаю читателю (опираясь на технический опыт, интуи-
цию и фантазию) попробовать представить следующую S-образную ветвь
развития, а также подумать о необычных применениях таких волокон,
возможной технологии их производства и коммерческой ценности в раз-
личных областях.
Именно такие размышления можно назвать прогнозом развития нано-
технологий, и им посвящена данная книга.
Литература 33
Литература
1. J. D. Watson and F. H. С Crick, Nature 171 (April 25,1953): 737.
2. D. A. Jackson, R. H. Symons, and P. Berg, Proc. Nat. Acad. Sri. USA 69
(1972): 2904—2909.
3. Stanley N. Cohen, Annie С Y. Chang, Herbert W. Boyer, and Robert B. Helling,
«Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids In Vitro»,
Proceedings of the National Academy of Sciences (1973).
4. P. Berg et al., «Potential Biohazards of Recombinant DNA Molecules», letter,
Science 185 (1974): 303.
5. Federal Register 41, no. 131 (1976), 27911—27943.
6. S. S. Hughes, Isis 92 (2001): 541—575.
7. K. Itakura et al., Science 198 (1977): 1056—1063.
8. S. S. Hall, Invisible Frontiers: The Race to Synthesize a Human Gene (Oxford:
Oxford University Press, 2002)
9. H. Evans, They Made America (New York: Little, Brown, 2004).
10. J. D. Watson, DNA, The Secret of Life (New York: Alfred A. Knopf, 2004).
11. R. Foster, Innovation: The Attacker’s Advantage (New York: Summit Books,
1986).
12. M. W. Bowman, The World’s Fastest Aircraft (Wellingborough, UK: Patrick
Stephens Limited, 1990).
13. W. Coblentz, Investigations of Infrared Spectra (Washington, DC: National
Bureau of Standards, 1905).