Главная      Пресса      Публикации
События
Публикации
Интервью

Роль центров коллективного пользования научным оборудованием в развитии нанотехнологий в Российской Федерации

По статистике РНЦ «Курчатовский институт», организации, работающие в режиме центров коллективного пользования научным оборудованием, решают три четверти задач в области нанотехнологии в России.

Павел Кашкаров: «Сегодня и в провинциальных, и в центральных университетах уже не чувствуется такого серьезного проблемного положения с исследовательским научным оборудованием, как в последнем десятилетии прошлого века»

Целью данной работы был анализ роли центров коллективного пользования научным оборудованием (ЦКП) в развитии нанотехнологий в Российской Федерации. Статистика данных собрана специалистами РНЦ «Курчатовский институт» при выполнении работ по контракту от 11 ноября 2008 г. № 01.648.12.3018 «Формирование и актуализация перечня измерительных потребностей российской наноиндустрии» в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы».

В данной работе проанализирован обширный парк имеющегося оборудования в области нанотехнологий. Необходимо отметить, что информация об измерительных возможностях и потребностях была получена в результате анкетированного опроса организаций наноиндустрии и потому носит в большей степени заявительный характер. Вместе с тем в настоящей работе также учитывалась объективная информационно-аналитическая составляющая, а именно база данных по приборам и оборудованию для научных исследований, в том числе технологическому, сформированная Федеральным агентством по науке и инновациям в рамках мероприятий по развитию сети центров коллективного пользования научным оборудованием. В связи с этим представленные данные можно считать достаточно объективными.

Следует подчеркнуть, что Федеральное агентство по науке и инновациям проделало исключительно полезную и колоссальную работу по созданию сети центров коллективного пользования научным оборудованием. На сегодняшний день и в провинциальных, и в центральных университетах уже не чувствуется такого серьезного проблемного положения с исследовательским научным оборудованием, как в последнем десятилетии прошлого века. Все центры достаточно хорошо оснащены в рамках своей специализации и успешно выполняют ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских задач.

Идея центров коллективного пользования не нова: весь развитый мир, в котором не было такой серьезной потери научного потенциала, как в Российской Федерации в 90-х годах XX столетия, идет по пути создания сети ЦКП. Например, в США система коллективного пользования научным оборудованием сформировалась в 30-х годах прошлого века. Она представлена национальными лабораториями Соединенных Штатов, которые работают в режиме коллективного пользования. Известно, что более 70 американских лауреатов Нобелевских премий выполнили свои ключевые работы с использованием оборудования этих национальных лабораторий.

Наряду с безусловными достижениями последних лет в части оснащения и поддержки сети ЦКП, отметим, что, на наш взгляд, в Российской Федерации система оказания услуг центрами коллективного пользования научным оборудованием сторонним организациям недостаточно отлажена. По данному вопросу можно выделить два основных подхода.

Американские национальные лаборатории нацелены на получение в качестве результата новых знаний и технологий. Специальная комиссия отбирает перспективные заявки пользователей на проведение приоритетных инновационных исследований. Отобранные работы бесплатно выполняются на оборудовании национальных лабораторий, и в итоге создается интеллектуальный продукт, который может быть запатентован и коммерциализован. Ввиду особой важности некоторых проектов такого характера пользователь получает даже определенную часть необходимого финансирования его деятельности, в том числе на оплату жилья и питания при национальных лабораториях.

Второй подход присущ европейскому научно-технологическому сообществу. Там есть целый ряд центров коллективного пользования, где приходится платить за использование оборудования или выполнение заказных исследований на коммерческих принципах в соответствии с хорошо организованной системой подачи заявок и оказания услуг. Представляется целесообразным на основании двух указанных подходов определиться с принципами оказания услуг ЦКП российским организациям и разработать эффективную систему приема и обработки заявок пользователей, с учетом постоянного финансирования деятельности ЦКП из госбюджета.

В рамках выполнения вышеуказанного контракта было опрошено 136 организаций наноиндустрии. При этом 102 из них заявили, что располагают центрами коллективного пользования научным оборудованием. Это число больше количества ЦКП, созданных и поддерживаемых Федеральным агентством по науке и инновациям, что дает представление о существовании других центров, сформированных на добровольных началах, по крайней мере, согласно заявлениям опрошенных организаций. На рис. 1 представлено распределение организаций по федеральным округам, которые заявили о том, что в их составе есть центры коллективного пользования, а рис. 2 демонстрирует долю опрошенных организаций по каждому федеральному округу, имеющих такие центры. Видно, что в ряде регионов практически все из опрошенных организаций обозначили наличие в их составе центров коллективного пользования, что свидетельствует о региональной доступности предоставляемых ими услуг.

 

Рисунок 1. Распределение организаций, имеющих ЦКП, по федеральным округам

Рисунок 2. Доля организаций, имеющих ЦКП19

С точки зрения эффективности предоставления услуг нецелесообразно ограничивать функции ЦКП только измерительными и аналитическими работами – необходимо оснащать центры также лабораторно-технологическим оборудованием для создания и подготовки исследуемых образцов на местах. Эта услуга крайне важна для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов измерений и решения проблемы нежелательной транспортировки образцов к месту проведения исследований. В связи с этим был проанализирован парк технологического оборудования, имеющегося в центрах коллективного пользования и относящегося к таким известным технологиям, как молекулярно-лучевая эпитаксия, наноструктурирование сфокусированными ионными пучками, литография, коллоидная химия, технологии Ленгмюра-Блоджет, наноимпринтинг, осаждение из плазмы и из газовой фазы.

Рисунок 3. Распределение имеющегося в ЦКП технологического оборудования по федеральным округам

На рис. 3 показано, как распределяется данное оборудование по федеральным округам: голубые столбики диаграммы – количество установок, красные – количество центров коллективного пользования, обладающих таким оборудованием. Желтым цветом на рис. 3, здесь и далее, выделен показатель, обозначающий долю ЦКП, обладающих оборудованием данного типа в целом по Российской Федерации. Видно, что уже 64 % центров обладают средствами создания наносистем – весьма неплохой показатель для того, чтобы выполнять научно-исследовательские и даже опытно-конструкторские работы.

Далее был проанализирован уровень оснащения ЦКП аналитическим оборудованием для исследования известной триады характеристик нанообъектов: структуры, состава, свойств. Среди методов анализа структуры нано систем в первую очередь стоит выделить уникальные методы, связанные с использованием синхротронного излучения, проводимые на специализированных источниках – кольцевых ускорителях электронов. Данное уникальное крупномасштабное исследовательское оборудование есть только в РНЦ «Курчатовский институт» (о чем будет отмечено подробнее ниже) и в сибирском Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН. В Зеленограде источник синхротронного излучения в настоящее время находится в завершающей стадии строительства. Все источники такого рода функционируют в режиме Центров коллективного пользования.

Рисунок 4. Распределение имеющегося в ЦКП оборудования просвечивающей электронной микроскопии по федеральным округам

На рис. 4 приведены данные по просвечивающей электронной микроскопии. Это довольно дорогая техника, требующая квалифицированного персонала и сложной системы пробоподготовки. Поэтому не каждый из центров коллективного пользования оснащен таким оборудованием.

На рис. 4 по-прежнему голубые столбцы показывают количество приборов, а красные — количество центров, обладающих данной техникой. Видно, что около 30 % опрошенных организаций и их ЦКП располагают просвечивающими электронными микроскопами. Стоит отметить, что в РНЦ «Курчатовский институт» создана лаборатория электронной микроскопии, одна из лучших в Европе. Помимо приборов сканирующей микроскопии (Helios с ионными пучками) есть два прибора, лучших на сегодняшний день, – это просвечивающие микроскопы Titan с разрешением примерно 0.7–0.8 ангстрем. Оба запущены, великолепно работают и демонстрируют показатели даже выше паспортных.

Рисунок 5. Распределение имеющихся в ЦКП сканирующих растровых микроскопов по федеральным округам

Сканирующие растровые микроскопы, безусловно, менее дорогие приборы и распространены существенно шире по центрам коллективного пользования. На рис. 5 приведено распределение данной техники по округам, в центрах коллективного пользования. Видно, что 43 % из них обладают такими приборами.

К оборудованию, на котором получают структурную информацию, можно отнести атомно-силовые и магнитно-силовые микроскопы. Таких приборов по всем опрошенным организациям в среднем 44.5 %, то есть примерно половина ЦКП обладает такой техникой. Также к методам, дающим определенную структурную информацию, могут быть отнесены методы оптической микроскопии высокого разрешения и методы динамического и статического светорассеяния, которые дают нам распределение частиц в жидкости по размерам. Показатели, демонстрирующие оснащенность ЦКП в целом по РФ данной техникой, ниже: 18 % и 5 % соответственно. Особенно по динамическому светорассеянию (всего 5 %), но это может быть обусловлено как специфичностью решаемых задач, так и неполнотой статистики по данному типу оборудования: не все организации посчитали необходимым указать наличие у них такой мелкогабаритной и относительно недорогой техники.

Рентгеновская электронная дифракция тоже даст информацию о структуре объектов. Так же, как на предыдущих диаграммах, данные приведены по отдельным округам (рис. 6).

Рисунок 6. Распределение имеющихся в ЦКП приборов рентгеновской электронной дифракции по федеральным округам

В целом по России более 50 % центров коллективного пользования, участвовавших в опросе, обладают такой техникой. Это довольно высокий показатель оснащенности. В то же время необходимо отметить, что в основном оборудование представлено только в европейской части России, тогда как в Уральском, Сибирском и Дальневосточном округах приборов данного типа явно недостаточно.

Теперь рассмотрим оснащенность ЦКП оборудованием, определяющим состав исследуемых объектов. Анализ распространенности масс-спектрометрических методов показывает, что в данной области дело также обстоит неплохо: около 43 % опрошенных центров обладают такой техникой, причем ее распределение по территории Российской Федерации довольно равномерное (рис. 7).

Рисунок 7. Распределение имеющихся в ЦКП приборов масс-спектрометрических методов исследования по федеральным округам

Что касается оборудования, использующего электронные пучки и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, то в этом случае процент оснащенных ЦКП немного ниже, потому что и техника данного типа дороже, и нужны специалисты соответствующего профиля: 37 % центров оснащены этими приборами.

Оптическая и рентгеновская спектрометрия, спектрофотометрия, а также инфракрасная спектроскопия могут использоваться для определения состава не отдельных наночастиц, а массива наноструктур. Данные методы применяют 82 % и 46 % центров коллективного пользования соответственно. Кроме того, известно, что практически все электронные микроскопы оснащены системой энергодисперсионного анализа и другими аналитическими системами, которые также позволяют получать данные о составе микро- и нанообъектов.

К методам определения состава, безусловно, относится хроматография. 41 % центров коллективного пользования, которые были опрошены, располагают такой техникой.

Следует отметить, что в целом распределение по территории РФ различных видов аналитического оборудования ЦКП по определению состава объектов является довольно равномерным, что свидетельствует о доступности подобного рода услуг для организаций наноиндустрии.

Представим результаты анализа оснащенности центров коллективного пользования оборудованием по изучению свойств наноструктурированных объектов: колебательного спектра, параметров дефектов, магнитных, электрических и других характеристик. Для исследования свойств биологических систем широко используется техника ядерного магнитного резонанса. Соответствующие количественные данные по такому оборудованию не столь оптимистичны, как с техникой по определению состава. Так, по комбинационному рассеянию 14 % центров заявили, что обладают таким оборудованием; по электронному парамагнитному и ядерному магнитному резонансу – около 20 %.

Когда мы говорим о квантовых точках, магнитных наносистемах, то, безусловно, нужны приборы для измерения малых магнитных полей. Прежде всего для этих целей предназначены СКВИД-магнетометры. Эти приборы не так широко распространены сегодня, потому что требуют гелиевых температур, хотя есть приборы, которые комплектуются криостатами замкнутого цикла. В целом по Российской Федерации показатель оснащенности ЦКП таким оборудованием – 7 %, и не во всех округах такая техника присутствует – по крайней мере, согласно предоставленной центрами информации.

Что касается нанобиотехнологий, то анализировалось, в первую очередь, положение с таким оборудованием, как секвенаторы, приборы для создания белков и кристаллов из них – белковые фабрики, синтезаторы, амплификаторы и т.п. Около 20 % ЦКП располагают одной или несколькими из перечисленных компонент. Это специфическая деятельность, поэтому, конечно, не в каждом центре коллективного пользования есть такая техника. В основном нанобиотехнологические исследования сконцентрированы в Центральном федеральном округе.

К оборудованию по изучению свойств можно также отнести комплекс, выполняющий одновременно аналитические и технологические функции. Среди компаний, производящих отечественное оборудование для нанотехнологий, первое место, безусловно, занимает компания «НТ-МДТ». Она занимается созданием и атомно-силовых, и туннельных микроскопов с любыми модами функционирования. Надо отметить, что 30 % рынка отечественного наукоемкого оборудования обеспечивает эта российская компания. Помимо указанной техники, в компании создаются целые комплексы, которые включают как технологическую, так и аналитическую составляющие. Торговое название такого комплекса – «Нанофаб». Он представляет собой модульную систему, содержащую технологическую часть (осаждение из газовой фазы, лазерное напыление, ионные пучки), которую можно наращивать, добавляя другие модули, например молекулярно-лучевой эпитаксии, магнетронного напыления и т.д. Кроме этого, система содержит транспортные каналы для перевода образца в аналитическую часть, которая может содержать модули электронной микроскопии, зондовой микроскопии и целый ряд других аналитических систем. Это удобно для создания по крайней мере прототипов нанотехнологических продуктов.

Рисунок 8. Доля средств измерений, приходящаяся на организации, работающие в режиме ЦКП, по федеральным округам

В заключение проведенного анализа оснащенности центров коллективного пользования научным оборудованием представим некоторые общие данные. Доля средств измерений, приходящаяся на организации, работающие в режиме ЦКП, в среднем по Российской Федерации составляет, согласно анализу собранной информации, около 91 % (рис. 8).

Рисунок 9. Доля задач в области нанотехнологий, приходящаяся на ЦКП, по федеральным округам

Кроме того, доля задач в области нанотехнологий, приходящаяся на центры коллективного пользования, достигает 78 % (рис. 9).

Таким образом, в Российской Федерации создана разветвленная сеть центров коллективного пользования, значительная часть которых сформирована благодаря программам Федерального агентства по науке и инновациям по созданию и поддержке этих центров, способная решать значительную долю задач в области нанотехнологий. Это колоссальный прогресс по сравнению с ситуацией 90-х годов XX века и огромная работа, которая, безусловно, принесет свои плоды.

Необходимо отметить значимость создания и развития центров коллективного пользования мегаустановками: источниками синхротронного излучения, ядерными реакторами, то есть источниками нейтронов и т .п. Их не так много в России, но они есть. В частности, в РНЦ «Курчатовский институт» построен специализированный ускоритель электронов, предназначенный непосредственно для получения синхротронного излучения и проведения исследований с его помощью различных характеристик объектов, а не для изучения явлений физики высоких энергий. Сегодня этот источник содержит 15 рабочих станций, которые включают в основном разнообразные методы рентгеновской спектроскопии, дифрактометрии, рефрактометрии и т.д. Так как в последнее время была существенно расширена площадь рабочего зала, планируется довести число станций до 40. Такие источники во всем мире работают только в режиме центров коллективного пользования, потому что такую колоссальную машину загрузить в полном объеме научными задачами весьма затруднительно для одной организации и к тому же неправомерно с позиции единоличного использования госсобственности. В связи с этим работа на мегаустановке сторонних пользователей, безусловно, приветствуется. При этом существует отлаженная система подачи заявок, гармонизированная с международными принципами эксплуатации оборудования такого масштаба.

Центры коллективного пользования располагают огромным набором современной прецизионной техники, поэтому важно, чтобы в этих центрах создавались метрологические лаборатории. Это измерительные лаборатории, в которых можно осуществлять поверку и калибровку средств измерений, а также испытательные лаборатории, в которых можно проводить испытания продукции и оценивать соответствие имеющимся требованиям безопасности и качества, то есть выполнять работу, необходимую для сертификации продукции. Коль скоро в стране ожидается бурное развитие наноиндустрии и широкое распространение нанотехнологической продукции, то об этом необходимо думать. При этом нецелесообразно создавать отдельную обширную сеть специализированных центров метрологии и сертификации нанопродукции, поскольку все требуемое оборудование есть в центрах коллективного пользования. Для того чтобы придать ЦКП статус измерительных и испытательных лабораторий, надо только снабдить их соответствующей эталонной базой и аттестованными методиками выполнения измерений, необходимыми для получения аккредитации на право осуществления метрологических видов деятельности. Это непростой путь, но он действительно необходим для развития и поддержания зарождающейся наноиндустрии в Российской Федерации.

Наконец, обозначим одну проблему, которая существует для пользователей ЦКП. Имеется в виду проблема организации их проживания. Зачастую ученый, планирующий выполнить определенную многодневную работу в некотором центре коллективного пользования, вынужден закладывать в бюджет расходов также оплату проживания на коммерческих условиях в месте нахождения ЦКП. Эта статья расходов может составлять значительную часть имеющегося бюджета или вообще не может быть включена в структуру расходов гранта на выполнение исследований. Особенно остро эта проблема стоит для ученых, пользующихся услугами ЦКП в крупных городах. Поэтому строительство гостевых домов с льготными условиями размещения исследователей при некоторых центрах коллективного пользования является актуальной задачей. Строительство подобных гостевых домов существенно облегчит жизнь пользователей ЦКП. Это немаловажная проблема, которая во многих странах решается именно таким путем.

П.К. Кашкаров

Заместитель директора – главный ученый секретарь РНЦ «Курчатовский институт» Д.ф.-м.н., профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Журнал "Российские нанотехнологии" № 7-8 2010 год.


Российский электронный наножурнал



Программа  |  Госзаказчики  |  Формирование тематики  |  Конкурсы  |  Экспертиза  |  Контракты  |  Пресса  |  Мониторинг программы  |  Инфраструктура  |  Карта сайта