Системы безопасности. 2006. №5. Нанотехнологии в системах безопасности. Предпосылки и тенденции использования.

Н.В. Долгополов, заместитель директора НИИ систем безопасности ФГУП "СНПО "Элерон" по инновационным нанотехнологиям, к.т.н.

В данной статье на основе результатов исследований, проводимых в России, рассматриваются особенности и основные тенденции использования нанотехнологий и наноматериалов в индустрии безопасности.

О понятии "нанотехнология"

Использование инновационных достижений в области нанотехнологий – одно из перспективных направлений создания новейшей индустрии систем безопасности, адекватных современным угрозам. Эти технологии могут применяться в нанодатчиках, построенных на различных физических принципах, в антитеррористических средствах, системах доступа, паспортного и миграционного контроля; нанокомпозитных многофункциональных защитных покрытиях. Они открывают новые возможности для существенного повышения эффективности защиты критически важных объектов и выполнения ряда других функций государственного значения.

Популярный сегодня термин "нанотехнология" означает совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контроля при создании и модификации объектов, включающих компоненты размером от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении. Оказывается, что привычные для нас свойства материалов, имеющих размеры свыше 100 нм, начинают изменяться при уменьшении геометрических размеров материалов до 1–100 нм, причем многим наноматериалам присущи принципиально новые качества, существенно превосходящие свойства своих собратьев большего масштаба. Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности и для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик средств и систем безопасности.

Нанотехнологии в России

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются подавляющее число стран мира, кроме некоторых стран Южной Америки и большей части стран Африки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследования в области нанотехнологий осуществляются несколько десятков лет.

Российские ученые по отдельным направлениям занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии у российского предприятия НТ МДТ есть уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Отличительной особенностью этих приборов является не только пассивное получение сверхмощного увеличения изображений нанодиапазона, но и возможность конструирования различных наноструктур методами литографии (вырезания) и молекулярно-лучевой эпитаксии (наращивания). На фото 1 представлен один из таких приборов и полученные им изображения некоторых структур и нанокомпонентов электронной техники.

Развитие нанотехнологий в России опирается на следующие основополагающие документы:

  1. "Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу" (документ утвержден Президентом РФ 30 марта 2002 г., № Пр-576);
  2. "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации" (документ утвержден Президентом РФ 30 марта 2002 г., № Пр-577);
  3. "Перечень критических технологий Российской Федерации" (утвержден Президентом РФ 30 марта 2002 г., № Пр-578);
  4. "Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года" (одобрена Правительством РФ 18 ноября 2004 г., № МФ-П7-6194).

Зачем спешить?

Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегических национальных приоритетов Российской Федерации, в том числе таких, как обеспечение национальной и экономической безопасности страны.

Основной целью государства при решении данной проблемы должно стать создание и развитие научной, технической и технологической базы в области нанотехнологий и наноматериалов, которая призвана содействовать поддержанию необходимого уровня обороноспособности и безопасности России. При этом формирование наноиндустрии безопасности должно стать важнейшим стратегическим направлением, определяющим новые подходы к преобразованию отечественной промышленности.

Отсюда можно сделать вывод, что нанотехнологии должны способствовать обеспечению национальной и экономической безопасности нашей страны и решению таких стратегических задач, как:

  1. снижение путем широкого внедрения специальной наносистемной техники уровня угроз террористических актов, техногенных катастроф и других факторов неблагоприятных внешних воздействий;
  2. совершенствование вооружения, военной и специальной техники на основе новых решений в сфере нанотехнологий;
  3. повышение уровня экологической безопасности и комфортности среды обитания за счет применения наносистемной техники для мониторинга и защиты окружающей среды.

Президент России В.В. Путин 10 мая 2006 г. в Послании к Федеральному Собранию РФ отметил тот факт, что у нашей страны существует возможность стать одним из лидеров в нанотехнологиях, и указал на необходимость в ближайшее время разработать и принять действенную программу в этой области.

Для успешного развития работ по нанотехнологиям в индустрии безопасности ежегодные затраты из средств федерального бюджета на проведение НИОКР должны составлять в ближайшие годы 1–1,5 млрд рублей.

Сферы применения

Анализ проводимых в Российской Федерации работ дает основание полагать, что в ближайшие годы наиболее перспективные сферы использования нанотехнологий в системах безопасности это:

  1. устройства контроля и защиты документов от подделки (например, на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных);
  2. системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров (например, считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике);
  3. биосенсоры, простые или многофункциональные типа "электронный нос", предназначенные для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ;
  4. более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе массивов наносенсоров;
  5. распределенные массивы наносенсоров типа "умная пыль" для охраны границ и периметров объектов;
  6. магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне;
  7. предназначенные для оснащения промышленных объектов повышенной опасности автоматические системы ведения огня по наземным и воздушным целям на основе наносенсоров, наноэлектронных компонентов и искусственных нейронных сетей.

Направления использования

Вышеупомянутые задачи нельзя решить без использования результатов фундаментальных исследований, выполненных академическими, учебными и отраслевыми институтами, теоретически и экспериментально подтверждающих принципиальную возможность достижения поставленных целей.

В результате рабочих встреч с руководителями научных школ сформулированы основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в индустрии безопасности:

  1. Нанодатчики на различных физических принципах, в том числе:
    • туннельные датчики давления;
    • пассивные и активные радиочастотные датчики-идентификаторы RFID с каналами наземной и космической связи;
    • интеллектуальные датчики "умная пыль";
    • датчики сверхраннего обнаружения пожаров.
  2. Антитеррористические средства, в том числе:
    • анализаторы и детекторы следов взрывчатых веществ на основе оптически индуцированного поглощения контролируемой воздушной среды;
    • экспресс-детекторы взрывчатых веществ на основе полупроводниковых газочувствительных датчиков;
    • гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых веществ.
  3. Системы доступа, паспортного и миграционного контроля, в том числе:
    • объектовые пропуска с уникальными нанометками;
    • замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами – нанометками;
    • электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1–10 Гбайт.
  4. Защита информации.
  5. Разработка и промышленное внедрение технологии получения и нанесения нанокомпозитных многофункциональных защитных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности.

Примеры разработок

Рассмотрим некоторые примеры создания перспективных технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющих высокую степень завершенности исследований.

  1. Разработка планарных нанодатчиков давления на основе туннельного эффекта.

    Проект направлен на создание технологических и элементных средств для нового поколения сверхвысокочувствительных датчиков в диапазоне от 0,1 Гц до 200 кГц, используемых в системах сейсмо- и акустолокации, мониторинга и предсказания прочностных характеристик инженерных и строительных объектов на сверхранней стадии и т.д.

    Комплектация таких нанодатчиков будет состоять из следующих подсистем:

    • чувствительной части, конструкция которой будет соответствовать одной из трех его разновидностей (сейсмодатчик, датчик акустической эмиссии и т.д.), системы регулирования величины туннельного зазора;
    • высокоточного аналого-цифрового преобразователя;
    • блока обработки сигналов.

    Создание и комплексирование перечисленных выше подсистем стало возможным на основе совместного трансфера кремниевой электромеханики, микроэлектроники, информатики и базового нанотехнологического приема, основанного на туннелировании электронов в силу их волновых свойств.

    Чувствительный элемент датчика – наносистема, состоящая из проводящей иглы, выполненной с применением кремниевой микромеханики, сверхтонкой слоистой гофрированной мембраны и системы поддержания туннельного тока. Чувствительная и электронная части сенсора (фото 2) изготовляются на единой подложке групповым методом по технологии сверхбольших интегральных схем.

  2. Разработка наноструктурированных чувствительных элементов и создание на их основе технических систем для сверхраннего обнаружения взрыво- и пожароопасных газов в воздухе.

    Данное направление ориентировано на создание миниатюрных ионопроводящих элементов из наноструктурированной керамики, обладающих высокой чувствительностью к наличию взрыво- и пожароопасных газов в воздухе с генерацией контролируемого электрического сигнала.

  3. Разработка перспективных идентификационных документов и систем на базе нанометок и нанопамяти.

    Цель этого направления – создание систем считывания и технологии нанесения нанокомпозитных материалов на идентификационные документы, создание системы для идентификации лиц на основе получения записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения.

    Преимущества проекта по сравнению с другими подходами – высокие характеристики идентификации и защищенности носителя, получаемые благодаря оригинальному методу, защищенному двумя патентами, и использованию в качестве носителя информации нанопамяти.

    Аналоги комплексирования систем идентификации лиц с использованием записи в нанопамять отсутствуют.

    Созданные в рамках данного проекта технологии могут найти широкое применение в системах доступа на критически важные для национальной безопасности объекты (фото 3), а также в системах паспортного и миграционного контроля нового поколения (фото 4).

  4. Разработка и промышленное внедрение технологии получения и нанесения нанокомпозитных многофункциональных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности.

    Основные характеристики покрытий: увеличенный в 2–4 раза срок службы конструктивных элементов систем безопасности в условиях воздействия агрессивных химических кислотнощелочных сред, а также повышенной влажности и соляного тумана, увеличенная до 20 дБ помехозащищенность систем безопасности в условиях воздействия повышенных электромагнитных помех и радиационного фона существенно превосходят аналоги (фото 5).

Дело за инвестициями

Предпосылки реализации проектов по рассмотренным направлениям базируются, в основном, на результатах фундаментальных исследований, выполненных институтами Роснауки, теоретически и экспериментально подтверждающих принципиальную возможность достижения поставленных целей. В настоящее время сформированы комплексные коллективы соисполнителей, которые способны в кратчайшие сроки реализовать указанные проекты, ориентированные на создание перспективных технических средств и систем безопасности, довести их до практической стадии, то есть до выпуска в промышленно значимых масштабах, без чего не может быть обеспечено повышение эффективности систем безопасности критически важных объектов.

Дело за инвестированием проектов. Как никогда здесь велика роль государства. Поддерживая инновационные нанотехнологии в индустрии безопасности, государство открывает тем самым путь венчурным инвесторам, которые пока весьма осторожно относятся к финансированию проектов, находящихся на ранней стадии коммерциализации, каковыми являются системы безопасности с использованием нанотехнологий.