Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

1.2. Концепция 1. Уроки S-образной кривой

Первая концепция связана с так называемой S-образной (сигмоидальной) кривой, предложенной в книге Ричарда Фостера[11] в качестве типичной Фихарактернойдлямножествапроцессов развития в науке и технике. Кривая описывает зависимость между вложениями ресурсов в технологию или процесс и соответствующей этим вложениям «отдачей» (то есть повышением продуктивности, качества и т. п.). Исследования в истории разнообразных технических устройств и их характеристик привели Фостера к выводу, 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 приносят на начальном этапе развития или исследования (когда уровень фундаментальных 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 прекращается, что свидетельствует о достигнутой «зрелости» технологии или изделия. В дальнейшем рост прекращается вообще.

Рис. 1.1. Типичный вид так называемой S-образной (сигмоидной) кривой развития

В качестве очень характерного примера можно привести показанную на рис. 1.2 кривую роста скорости (основной параметр) развития одномоторных винтовых самолетов практически за всю историю авиации, по данным работы[12]. Самолет братьев Райт в первом полете (1903 год) достиг скорости около 35 миль/час. Через семь лет, в 1910 году Гордон Беннет победил на авиагонках в Белмонт-Парке (Нью-Йорк), разогнав машину до 60 миль/час. По мере накопления опыта и знаний скорость самолетов медленно 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 свидетельствует о том, что все возможности повышения скорости одномоторных поршневых самолетов практически исчерпаны и никакого дальнейшего технологического прогресса в этой области ожидать нельзя. Продукт (в данном случае винтовые самолеты) достиг своего совершенства, и любые капиталовложения в развитие бессмысленны.

Рис. 1.2. Увеличение скорости одномоторных винтовых самолетов описывается характерной S-образной кривой

Появление и использование реактивных двигателей привело, естественно, к качественному скачку и последующему улучшению характеристик самолетов, что также описывается S-образной кривой. При сопоставлении этих кривых (рис. 1.3) отчетливо проявляется разрывность характеристик при переходе, то есть при принципиальном обновлении или смене технологий.

Рис. 1.3. Повторение S-образных кривых в истории техники

Приведенный пример роста скорости одномоторных винтовых самолетов 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 развития. 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 быстрых успехов. Наибольший интерес представляет конечная часть кривой, соответствующая полному исчерпанию возможностей используемой технологии, но таящая в себя возможности перехода к новой S-образной кривой. На практике это означает конец развития технологии и подготовку к существенному 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 транзисторам, от конных повозок – к автомобилям и т. д.

В описанной выше истории возникновения биотехнологии исходная S-образная кривая соответствовала существовавшей ранее коммерческой технологии производства животных белков для фармацевтической промышленности, в частности инсулина. Дело в том, что уже давно существовало 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 технологии (введение синтезированного гена в бактерии и производство инсулина человека). Научное открытие непосредственно привело к развитию совершенно новой отрасли фармацевтической промышленности.

1.3. Концепция 2. Уроки коммерциализации технических новшеств

Вторая концепция, связанная с коммерциализацией технических достижений и инновационной политикой вообще, относится непосредственно к тем лицам, которые стремятся успешно внедрить новые методы и продукты. Говоря образно и одновременно просто, можно утверждать, что любая инновационная инициатива представляет собой сочетание креативности или способности к творчеству и способности к реализации замыслов. 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 начало

• 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 управления и междисциплинарную группу талантливых исследователей, которые 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 математики, сложной функцией, которая может быть выражена формальным произведением:

Аналогией коммерциализации, как ни странно, может служить организация музыкального концерта, успех которого тоже определяется сложным сочетанием творческого начала (композитор), менеджмента (руководитель и дирижер) и команды (состав оркестра). Кроме этого, очевидно, для успешного проведения концерта необходимы указанные в формуле вложения (они определяются верой спонсора в эстетическую ценность исполнения) и запросы (предлагаемая программа должна быть привлекательной и интересной для конкретной аудитории). При соблюдении всех этих условий и требований концерт не только доставит удовольствие аудитории, но и окупит расходы на его организацию, что и можно будет назвать успешным 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 коммерческого производства синтетического инсулина. Эту задачу, конечно, нельзя было решить без создания высокопрофессиональной команды из специалистов City of Hope и Genentech. При этом Свансону удалось одновременно организовать «запуск» фирмы Genentech и найти достаточный инвестиционный капитал на стороне, то есть заинтересовать будущих потребителей (учесть потенциальный запрос рынка). Разумеется, ключевую роль сыграло то, что междисциплинарной исследовательской группе удалось, используя технологию Риггза – Итакуры, действительно получить полноценный 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 возникает множество важных проблем, требующих своего решения. Например, потребовалось около 22 лет, чтобы скорость самолетов достигла заметного значения 232 миль/час (аналогично потребовалось 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 превращения новой научной идеи в «зрелую» технологию, что обычно и выражается S-образной кривой развития. Возможно, это просто обусловлено необходимостью разработки соответствующей инструментальной 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 требованиям 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 информации, Конгресс, правительственные учреждения и «сообщество» инвесторов). Разрыв между повторяющимися ветвями S-образной кривой развития всегда вызывает тревогу, означая разрыв с установившимся порядком, то есть потерю определенности и уверенности. С другой стороны, именно эта ситуация позволяет перейти к следующему витку развития и существенному повышению качества продуктов.

1.5. Общие выводы из анализа коммерческих инноваций в области биотехнологий

• Развитие инновационных технологий всегда требует творческого подхода и решительных действий. Конечно, ключевым моментом выступает само научное открытие или изобретение, однако его технологическая реализация и связанный с этим коммерческий успех могут быть обеспечены лишь эффективным менеджментом и сильной командой исследователей, зачастую из разных отраслей науки.

• Очень часто ценность новых технологий трудно оценить или обосновать. Выше уже упоминалось, что Национальный институт здоровья США отказался финансировать проект производства соматостатина по методу Риггза – Итакуры, посчитав его амбициозным и не имеющим практической ценности. Позднее выяснилось, что научные эксперты, средства массовой информации и правительственные организации ошибались.

• Для успеха в инновационных проектах необходимо обладать развитой фантазией и даже некоторой «мечтательностью». Именно такими качествами обладал Роберт Свансон, сумевший воодушевить целую группу других исследователей, что привело не только к значительному научному успеху, но и к созданию новой отрасли промышленности 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. Например, производство соматостатина вообще не вызывало энтузиазма у инвесторов до тех пор, пока научные достижения не продемонстрировали реальную возможность коммерческого получения инсулина человека. На следующем этапе, разумеется, проблема инвестиций решается значительно легче.

1.6. Будущее нанотехнологии

Только дурак может заниматься предсказаниями будущего

Предсказание будущего действительно является рискованным и неблагодарным занятием. Для предвидения возможностей развития в любой области человеческой деятельности недостаточно иметь только обширные знания и опыт, а необходимо еще обладать интуицией, позволяющей угадывать фантастические возможности, скрытые в парадигмах существующей науки и технологии. Речь действительно идет об угадывании, а не о расчете, прежде всего потому, что физические законы окружающего 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 атомномолекулярных). 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 бесполезной.

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 свойства жидкости, связанные с молекулярными взаимодействиями. Говоря проще, изменение масштабов объекта или процесса приводит к резкому изменению правил физической «игры» и проявлению новых свойств, которые 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 ученого требуется прежде всего здравое понимание фундаментальных принципов науки и границ их применения. Ученый должен проверять применимость этих принципов на каждом этапе исследований, что, кстати, наглядно демонстрирует упоминавшаяся выше история с синтезом инсулина группой Бойера, Риггза и Итакуры. Отказавшие в гранте специалисты Национального института здоровья вовсе не были недобросовестными 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 Бойер, которому удалось убедить в своей правоте (попросту говоря, «продать» идею) Свансона, взявшего на себя практическую организацию новой технологии. Ему удалось найти финансирование для исследований по синтезу 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 действительности выглядит значительно более сложной, однако наличие S-образных кривых и разрывов на них является фундаментальным и общим явлением 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 мастерству) научились «вырезать» и «вставлять» в нужные места на молекулах ДНК. Такие генные манипуляции с естественными ферментами и являются основой технологии, превращающей бактерии в своеобразные фабрики или химические реакторы для производства требуемых препаратов и веществ. Однако сейчас становится ясным, что дальнейший прогресс в этой области будет связан с множеством новых явлений, наблюдаемых 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 инвестиции и быстро развиться в полноценное и высокоэффективное коммерческое производство.

В качестве интересного и поучительного примера можно привести следующий. Еще в 1905 году Вильям Кобленц из Национального бюро стандартов США (Вашингтон, округ Колумбия) сумел обнаружить и изучить связь между химической структурой молекул и их спектром поглощения в инфракрасном диапазоне излучений[13]. Это замечательное научное открытие 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 волны) используются практически в любой лаборатории, но их развитие сдерживалось отсутствием спроса. Острая потребность в таких спектрометрах возникла только в годы Второй мировой войны (в связи с развитием производства синтетического каучука), в результате чего почти немедленно было создано мощное коммерческое производство, удовлетворяющее постоянно растущую потребность рынка. Возможно, в случае нанотехнологий мы столкнемся не с бурным развитием, а с постепенным, эволюционным расширением рынков и производств.

Прогнозирование будущего – сложная и рискованная затея, но я предложу читателям простой мысленный эксперимент. Попробуйте представить себе историю развития и постепенного улучшения свойств волокон. Когда-то человечество пользовалось только натуральными волоконными материалами (пенька, шелк и хлопок). Улучшение характеристик описывалось одной S-образной кривой до тех пор, пока не появились синтетические 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, интуицию 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 различных областях.

Именно такие размышления можно назвать прогнозом развития нанотехнологий, и им посвящена данная книга.

Глава 2

Нанотехнология и глобальная энергетика