Нанотехнологии в системах безопасности: Предпосылки и тенденции использования

Долгополов Н.В. Нанотехнологии в системах безопасности // Системы безопасности. – 2006. – №5. 

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 2002г.,№Пр-576);

2. "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации" (документ утвержден Президентом РФ 30 марта 2002г.,№Пр-577);

3. "Перечень критических технологий Российской Федерации" (утвержден Президентом РФ З0 марта 2002г.,№Пр-578);

4. "Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года" (одобрена Правительством РФ 18 ноября 2004г., № МФ-П7-6194).

 
Фото 1. Структуры и нанокомпоненты электронной техники. Изображения получены с помощью сканирующего зондового микроскопа 

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 пленарных 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.

Фото 2. Туннельный нанодатчик давления 

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.

 
Фото 3. Нанопамять для технологий доступа 

Фото 4. Нанопамять для заграничных электронных паспортов 

Основные характеристики покрытий: увеличенный в 2-4 раза срок службы конструктивных элементов систем безопасности в условиях воздействия агрессивных химических кислотно-щелочных 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). 

Фото 5. Радиопоглощающие и антикоррозионные покрытия

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 нанотехнологий 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.

Об авторе: Н. Долгополов, кан. техн. наук