Прогнозируемые продажи наноматериалов

Содержание Введение

1. Коммерциализация нанотехнологий: прогнозы объемов и долей рынка

2. Глобальная «наногонка»

3. Венчурные инвестиции в нанотехнологиях

4. Анализ экономического эффекта

5. Технологическое развитие: патентные заявки на нанотехнологии

6. Нанотехнологии на рынке энергетики в 2015 году

6.1 Основные области применения нанотехнологий и коммерческие перспективы к 2015 году

7. Прогнозируемые продажи наноматериалов, находящихся в разработке

7.1 Твердые наночастицы

7.2 Полые наночастицы

7.3 Наноразмерные тонкие пленки

7.4 Наноструктурные монолитные материалы

7.5 Нанокомпозиты

8. Рынок нанотехнологий в России

8.1 Объем и динамика рынка

8.2 Российский рынок наноматериалов

8.3 Наноалмазы

8.4 Углеродные нанотрубки

8.5 Фуллерены

8.6 Российский рынок нанокомпозитов

8.7 Российские достижения в наноструктурированной продукции

8.8 Эффективность использования нономатериалов Заключение Список использованной литературы Введение Нанотехнологии могут применяться всюду: в автомобильных шинах, зубной пасте, солнцезащитном креме, теннисных ракетках и мячах, рубашках и брюках, CD-плеерах и даже в покрытиях раковин, ванн и унитазов. Благодаря им потребительские товары совершенствуются, становясь меньше, легче, быстрее, дешевле, обретая водои грязеотталкивающие свойства. Является ли появление таких товаров признаком наступления нанобудущего, которое предсказывают многие эксперты? Не первые ли это шаги на пути к «нанороботам» и «репликаторам», к миру вечной жизни и неиссякаемых ресурсов?

Современные нанотехнологии все еще находятся на границе между научной реальностью и смелыми предвидениями, между первыми достижениями и большими ожиданиями, между постепенными улучшениями и прорывными инновациями. Этот разброс мнений явно или неявно обнаруживается в большинстве экспертных оценок и аналитических обзоров текущего состояния и будущего развития нанотехнологий, принадлежащих в равной мере ученым и журналистам, руководителям ИиР (Институт Инновационного Развития) и лицам, ответственным за разработку политики, инвесторам и лоббистам. Во многих тезисах акцентируется то одна, то другая крайность, а ориентиры часто меняются, причем нередко это происходит неосознанно. Ранее во многих аналитических работах нанотехнологии рассматривались как единое понятие. Сейчас принято считать, что нанотехнологии представляют собой совокупность различных технологий и методов, в основе которых лежит использование физических свойств, проявляющихся в нанометровом масштабе и отличающихся от тех, что наблюдаются у объектов микрои макромира. Чтобы дать корректную и ясную картину нанотехнологий и получить адекватную оценку их состояния, потенциальных возможностей и недостатков, необходимо везде, где возможно, рассматривать их отдельные области: наноматериалы и наноэлектронику, нанобиотехнологию и наномедицину, наноинструменты, наноприборы и наноустройства.

Ожидается, что нанотехнологии окажут значительное воздействие практически на все области применения материалов, включая сверхтонкие покрытия и активные поверхности, а также на новое поколение химических технологий. Нанобиотехнология привнесет изменения в медицину, фармацевтику и диагностику, в многочисленные производственные процессы, сельское хозяйство и пищевую промышленность. Для развития нанотехнологий индустрии необходимы наноинструменты — зондовые микроскопы (сканирующие туннельные микроскопы — СТМ, атомно-силовые микроскопы — АСМ) и сверхточное оборудование.

1. Коммерциализация нанотехнологий: прогнозы объемов и долей рынка Поскольку считается, что нанотехнологии окажут существенное влияние на мировую экономику, объемы рынков служат адекватным показателем их экономической значимости. Вместе с тем нанотехнологии не корреспондируют со структурой отраслей промышленности, границы которых легко очертить и количественно оценить. В случае успеха нанотехнологии обеспечат значительный, но с трудом поддающийся количественной оценке вклад в усовершенствование многих существующих продуктов и позволят наладить производство совершенно новых.

Большинство прогнозов рынка нанотехнологий было подготовлено в начале 2000;х гг. с временным горизонтом до 2015 г. Наиболее известная цифра по будущему рынку нанотехнологий опубликована в 2001 г. Национальным научным фондом США (National Science Foundation — NSF), который оценил мировой рынок нанотехнологической продукции в 1 трлн долл. к 2015 г. В зависимости от определения нанотехнологий и их вклада в добавленную стоимость конечного продукта, а также степени оптимизма другие многочисленные прогнозы варьируются от умеренной суммы в 150 млрд долл. к 2010 г. До 2.6 трлн долл. к 2014 г. Последний, самый оптимистический, сценарий предполагает, что рынок нанотехнологических продуктов будет больше ожидаемого объема рынка информационных и коммуникационных технологий и десятикратно превзойдет будущий биотехнологический рынок.

Рис. 1 Пронозы мирового рынка нанотехнологий (млрд долл.)

нанотехнология коммерческий монолитный рынок На рис. 1 показаны прогнозы по данным из нескольких источников. Они значительно различаются, но сходятся в том, что стремительный рост рынка нанотехнологической продукции стартует где-то в начале 2010;х гг. Названные выше цифры показывают возможное направление развития рынка нанотехнологий, но недостаточны для его глубокого анализа. Lux Research и NSF постарались разложить показатели по отдельным областям нанотехнологий: компания Lux Research проанализировала пятилетний период прошлого (1999;2003), а NSF назвал ожидаемые в будущем прорывные направления на мировом рынке нанотехнологий общим объемом в 1 трлн долл. к 2015 г. (рис. 2).

Рис. 2 Мировой рынок нанотехнологий за перилд 1999;2003 гг. и прогноз на 2015 г. (млрд долл.)

Из рис. 2 видно, что на рынке нанотехнологической продукции на текущий момент наиболее значительны доли наноустройств и нанобиотехнологий — приблизительно 420 и 415 млн долл. Наноматериалам и наноинструментам принадлежат меньшие доли в 145 и 50 млн долл. соответственно. По прогнозам на 2015 г. все эти секторы ожидает значительный рост. Например, рынок наноматериалов увеличится со 145 млн до 340 млрд долл., а доля наноэлектроники составит 300 млрд долл. За ними следуют приложения в фармацевтической, химической и авиакосмической промышленности. Однако следует с осторожностью сравнивать любые фактические или прогнозируемые показатели из разных источников, использующих различные классификаторы. Прогнозы, представленные в отчете, намного надежнее, потому что ориентированы на ближний временной горизонт с 2002 по 2006 г. (рис. 3).

Рис. 3 Прогноз объемов рынка по областям нанотехнологий По оценкам, ведущее место на мировом рынке занимают наноинструменты, хотя темпы роста этого сегмента наименьшие. Наноустройства и наноматериалы стартуют с несколько более низкого уровня, однако сектор наноустройств растет значительно быстрее. В противоположность приведенным выше наблюдениям Lux Research, доля нанобиотехнологий оценивается как незначительная, но в рассматриваемый период она быстро растет. В целом прирост за год составляет 15%, что пока нельзя в полной мере назвать прорывом. Рассмотренные данные, очевидно, говорят о том, что нанотехнологии пока еще не достигли той точки, за которой они смогут революционизировать мировую экономику.

Так какие же разработки в период с 2006 по 2015 г. приведут к тому, что рынок нанотехнологий вырастет до 1 трлн долл. Многие эксперты пытались прогнозировать рынок нанотехнологий. Даже для одного и того же года данные могут значительно различаться в зависимости от конкретного исследования и опорных показателей. Тем не менее они дают всестороннюю характеристику рыночных ожиданий и в первом приближении сигнализируют о тех секторах рынка, которые станут играть ведущую роль в будущем. Согласно обзору различных нанотехнологических направлений, приложений и рынков, наиболее крупная рыночная доля будет приходиться на продукты, порожденные нанотехнологиями. Сектор наноэлектроники к 2015 г. оценивается примерно в 300 млрд долл. И включает полупроводники, сверхъемкие конденсаторы, нанотехнологические накопители информации и наносенсоры. Прогнозы по рынку наноматериалов можно разбить на несколько более или менее значительных сегментов, в числе которых наночастицы, нанопленки и объемные наноструктуры. К 2010 г. совокупный объем рынка наноматериалов превысит 300 млрд евро, что очень близко к оценке NSF (340 млрд долл. к 2015 г.). Эти данные, несмотря на свою фрагментарность и частичную несопоставимость, свидетельствуют о том, что наноматериалы привнесут значительный вклад в будущий рынок нанотехнологий и их приложений. При сравнении с данными, представленными на рис. 3, можно сделать вывод, что умеренный рост до 2006 г. сменится ускоренной динамикой в период с 2006 по 2010 г.

Трехэтапная модель, предложенная Lux Research в 2004 г., является пока еще самым глубоким и детальным прогнозом развития рынка нанотехнологий. Согласно этой модели, на первом этапе, до 2004 г., лишь некоторые нанотехнологии находили применение в высокотехнологичных продуктах. Следующий этап, который характеризуется прорывом в области нанотехнологических инноваций, продлится до 2009 г. Доминировать на рынке будет наноэлектроника. На третьем этапе, начиная с 2010 г., нанотехнологии будут широко применяться в медицинских и биотехнологических товарах и станут проникать на рынки фармацевтики и медицинского оборудования. Нанобиотехнологии обеспечат существенный вклад в развитие фармацевтической промышленности. К этому времени роль первичных наноматериалов значительно снизится. Lux Research оценивает долю нанобиотехнологической продукции в 4% от общего объема рынка продукции обрабатывающих производств в 2014 г., причем нанотехнологии будут применяться в 100% персональных компьютеров, в 85% бытовой электроники, в 23% фармацевтических продуктов и в 21% автомобильной продукции. Все это обеспечит нанотехнологиям долю в 15% от мирового объема продукции обрабатывающих производств в 2014 г.

Представленные выше прогнозы подтверждаются анализом рынка средств целевой доставки лекарственных препаратов и оценкой доли на нем нанотехнологической продукции (рис. 4). Ожидаемый среднегодовой прирост рынка нанотехнологических средств целевой доставки лекарственных препаратов составляет 50% в период с 2005 по 2012 г. Аналогичным образом увеличивается и рыночная доля, хотя темп ее роста несколько ниже. В 2012 г. доходы от нанотехнологий на рынке целевой доставки лекарственных средств достигнут 4.8 млрд долл., что соответствует 5.2% всего объема продаж. При сохранении подобного тренда эта доля вырастет до 7% к 2015 г. и до 10% к 2020 г. Ни один из вышеприведенных прогнозов не рассматривает в своих сценариях развития проблему одобрения обществом нанотехнологий, хотя следовало бы извлечь урок из истории ранее возникавших революционных технологий, таких как ядерная энергетика и генетически модифицированные организмы.

Опыт показывает, что необходимо учитывать ожидания и опасения граждан, а также восприятия рисков и выгод, так как они в значительной степени влияют на отношение рынка к новым технологиям и могут предопределять их экономический успех или провал. Продолжающиеся обсуждения проблем нанотехнологий свидетельствуют о существовании ряда спорных моментов, которые могут поставить под вопрос рыночный успех в случае, если общество почувствует, что подобные аспекты не были надлежащим образом рассмотрены, и займет критическую позицию по отношению к нанотехнологиям, например из-за опасений возможного вреда от наночастиц для здоровья человека и окружающей среды или из-за этических соображений, касающихся тайны частной жизни. При обсуждении экономического потенциала нанотехнологий такие вопросы следует обязательно учитывать и относиться к ним крайне серьезно. Указанный фактор может оказать заметное влияние на международное распределение продаж и доходов от нанотехнологической продукции. В то время как одни страны более склонны принимать на себя риски, связанные с нанотехнологиями, даже если они не до конца изучены и количественно оценены, другие относятся к ним более критически и предпочитают от них воздерживаться. Подобные различия хорошо иллюстрируются восприятием генетически модифицированных культур со стороны европейских и американских потребителей. В регионах с более критическим отношением может действовать более строгое регулирование, а продвижение наносодержащих продуктов на рынке может быть более сдержанным. Не касаясь данного фактора, Lux Research в 2004 г. предложила свой прогноз (2.6 млрд долл. в 2014 г.) в разрезе по регионам (рис. 5).

Рис. 4 Объем и доля нанотехнологий на мировом рынке средств целевой доставки лекарственный препаратов Рис. 5 Объемы продаж продукции, использующей нанотехнологии, по регионам мира (%)

Интересно, что ведущими по объему продаж нанотехнологической продукции являются Азия и Тихоокеанский регион (АТР), за которыми на близких позициях следуют США и Европа. В то время как для Европы предсказывается небольшой, но постоянный рост доли рынка, удельный вес США сокращается до 2008 г., после чего начинает расти, а для АТР характерна обратная тенденция. Обоснование такого прогноза Lux Research связано с трехэтапной моделью развития нанотехнологического рынка: в ближайшем будущем на мировом рынке будет доминировать продукция крупных азиатских компаний (компьютеры, мобильные устройства, автомобили). После 2008 г. наберет силу фармацевтическая продукция, производимая в основном американскими компаниями.

2. Глобальная «наногонка»: государственное и частное финансирование Национальная нанотехнологическая инициатива США (National Nanotechnology Initiative — NNI), принятая благодаря бывшему президенту Клинтону и вступившая в силу в 2001 г., ознаменовала старт глобальной гонки ведущих мировых экономик в сфере нанотехнологических исследовательских программ. Однако финансирование нанонауки уже осуществлялось во многих регионах мира. Так, в Европе еще с середины 1980;х гг. велись серьезные исследования наноматериалов. К настоящему времени страны Европейского Союза и ряд других государств направили значительные суммы на исследования и разработки в области нанотехнологий. В табл. 1 представлены данные о государственном финансировании в 2005 г. Европейская Комиссия — крупнейший спонсор нанотехнологических исследований в Европе, а как организация — даже и в мировом масштабе. В Шестой Рамочной программе ЕС по научным исследованиям и технологическому развитию (6РП) нанотехнологии совместно с материалами и производственными технологиями (НМП) были определены в качестве приоритетного направления европейских научных исследований. Объем средств, целевым образом выделенных на нанотехнологические проекты в период с 2004 по 2006 г., оценивается в 1.3 млрд евро (в 2004 г. — 370 млн евро; в 2005 г. — 470; в 2006 г. — 500 млн евро), и это не считая финансирования в рамках других направлений — технологий информационного общества, развития инфраструктур, исследовательской и образовательной деятельности. Еще в 4-й и 5-й рамочных программах (1994;2002) финансирование проектов, связанных с нанотехнологиями, составило в целом до300 млн евро. В Седьмой Рамочной программе (7РП) (2007;2013)2 за нанотехнологиями сохраняется приоритет в рамках направления НМП и ожидается по крайней мере двукратное увеличение бюджета за счет финансирования смежных областей по другим направлениям 7РП (здравоохранение, продукты питания, информационные и коммуникационные технологии, энергетика, социально-экономические исследования, безопасность) и программам (инфраструктура, развитие малого и среднего бизнеса, подготовка кадров, наука и общество). Особое внимание уделяется наноэлектронике и наномедицине в рамках Европейских технологических платформ.

Среди государств — членов Европейского Союза, которые в совокупности расходуют на нанотехнологии гораздо больше средств, чем Еврокомиссия, лидирует Германия, за ней следуют Франция и Великобритания. На сопоставимом уровне находятся Япония и Корея. Поскольку эти данные не отражают паритет покупательной способности валют, то нельзя не отметить вклад Китая, более чем значительный в мировом масштабе. Опережают всех США, где федеральные агентства и правительства штатов потратили в 2004 г. Более 1.2 млрд евро, а в 2005 г. — 1.7 млрд евро, что делает страну мировым лидером по объему государственного финансирования нанотехнологий. Но если рассматривать Европу в целом, то объем ее государственных затрат на нанотехнологии окажется на близком к США уровне (рис. 6).

Таблица.1 Оценка государственного финансирования ИиР в области нанотехнологий в 2004 г. в мире и отдельных странах (млн евро) С учетом частного финансирования общая картина выглядит иначе. В Европе только треть всех средств поступает от бизнеса. В США частные вложения покрывают 54% затрат, а в Японии — две трети. В остальных, прежде всего в азиатских развивающихся, странах бизнес финансирует около 36% затрат. В абсолютных цифрах расходы США на исследования в области нанотехнологий составляют более 3.5 млрд евро, Японии — 2.7, а Европы — менее 2.5 млрд евро. Это отражает разницу между Европой и ее конкурентами по нанотехнологическим исследованиям: уровень государственного финансирования сопоставим, но европейская промышленность отстает от других участников гонки.

Рис. 6 Объемы государственного и частного финансирования ИиР в области нанотехнологий в 2005 г. по регионам мира (млн евро)*

3. Венчурные инвестиции в нанотехнологии

* Венчурные инвестиции (от англ. «venture», что означает «рискованное начинание») подразумевают вложение денег в перспективный инновационный бизнес, который еще не имеет доступа на фондовый рынок.

Какие технологические области уже сейчас особенно динамично развиваются и потому привлекательны для инвесторов? Выявить их позволяет внимательный анализ рынка рискового капитала в период до 2002 г. Как видно из рис. 7, нанобиотехнологии — наиболее привлекательный рынок для венчурных инвестиций, далее следуют наноустройства, тогда как наноматериалы и наноинструменты занимают незначительное место. Однако пропорции заметно меняются; нанобиотехнологии сохраняют лидирующую позицию, но их роль сокращается. Общий объем венчурного капитала вырос с 63 млн долл. в 1999 г. до свыше 400 млн долл. в 2002 г., то есть более чем на 500% за три года. В тоже время некоторый спад в 2000;2002 гг., в частности в области нанобиотехнологий, свидетельствует о том, что рынок венчурного инвестирования может все еще занимать выжидательную позицию. Дальнейшее развитие рынка венчурного инвестирования в сфере нанотехнологий представлено на рис. 8. Графики отражают стагнацию роста объема венчурных инвестиций в 2002 г. и умеренный, но стабильный подъем в дальнейшем. Аналогично менялась и доля нанотехнологий в мировом объеме венчурногоинвестирования. Спад можно объяснить тем, что венчурные инвесторы вырабатывали консолидированную позицию в отношении нанотехнологий, в особенности по вопросу рисков, связанных с их возможной опасностью. Дискуссии стали весьма бурными в начале 2000;х гг., когда публикация первых результатов исследований наночастиц на токсичность продемонстрировала связанные с ними потенциальные угрозы. Полемика еще продолжается, и некоторые инвесторы могут выжидать, чем она закончится. С другой стороны, отдельные эксперты полагают, что активное инвестирование в нанотехнологии приведет к появлению продуктов, не востребованных обществом. Колоссальные инвестиции, сопровождаемые «наношумихой», могут, притом что общество отдалено от принятия решений, привести к надуванию огромного «пузыря», который в конце концов лопнет. Кроме того, стагнация 2002 г. и незначительный дальнейший рост могут отражать уже начавшееся насыщение рынка. Дело в том, что спрос на венчурное финансирование очень сильно зависит от количества стартовых компаний. Имеется ли в сфере нанотехнологий достаточное число предпринимателей, чтобы осваивать ежегодно более 500 млн долл., или 2.2% мирового венчурного капитала?

Рис. 7 Мировой объем венчурного финансирования нанотехнологий (слева — по областям применений, %; справа — по годам, млн долл.)

4. Анализ экономического эффекта: рынок труда и компании сектора нанотехнологий

*Стартамп (от англ. start-up — запускать) — компания с короткой историей операционной деятельности. Как правило, такие компании созданы недавно и находятся в стадии развития или исследования перспективных рынков.

Создание компаний является важным индикатором развития и экономической значимости новой технологии. Новые компании, как правило, представляют собой стартапы, располагающие одним главным активом — патентом на новую технологию, которую они могут применять сами или продать лицензию другим компаниям, обладающим большими возможностями производства или распространения продукции. В этом секторе экономики, связанном с высокими технологиями, а значит и с высокими рисками, венчурный капитал является основным источником финансирования. Что касается создания новых рабочих мест, то наибольший вклад дают стартапы, а также предприятия малого и среднего бизнеса. По оценке NSF, к 2015 г. В секторе нанотехнологий по всему миру потребуется около 2 млн работников. Их распределение по мировым регионам будет следующим: США — 0.8−0.9 млн, Япония — 0.5−0.6, Европа — 0.3−0.4, АТР (исключая Японию) — 0.2, другие регионы — 0.1 млн. Дополнительно будет создано 5 млн вспомогательных рабочих мест, или в среднем 2.5 рабочих места на одного работника сферы нанотехнологий. Еще оптимистичнее прогноз Lux Research, согласно которому к 2014 г. ожидается создание 10 млн рабочих мест в сфере производства, связанного с нанотехнологиями.

Рис. 8 Динамика мирового объема венчурного финанстрования нанотехнологий Рис. 9 Число рабочих мест в сфере нанотехнологий (в млн) и их доля в общем числе рабочих мест в обрабатывающих производствах (%)

На рис. 9 показан рост числа рабочих мест в секторе нанотехнологий и их доли от всех рабочих мест в обрабатывающих производствах. Многие из этих рабочих мест будут созданы малым и средним бизнесом, но все же не только им. За последние несколько лет многие ведущие компании для повышения конкурентоспособности включили нанотехнологии в свой технологический портфель. Это объясняет, почему в число нанотехнологически ориентированных вошли компании, существующие уже сто и более лет. Характерными примерами служат крупные производители химической и фармацевтической продукции, оптики и электроники (Bayer, BASF, Carl Zeiss, Agfa-Gevaert, General Electric, Philips, все основанные до 1900 г.). Впрочем, подобные крупные фирмы составляют меньшинство в общем списке нанотехнологических компаний.

Рис. 10 Число нанотехнологических компаний в мире по годам основания Лишь немногие из активных нанотехнологических компаний были созданы в первые восемь десятилетий XX в., в среднем по десять компаний за десятилетие. В 1980;х гг. их число значительно возрастает, но настоящий взлет начинается лишь в 1996 г., когда было основано около 30 нанотехнологических компаний, а в 2000 г. — более 50. Этот ускоренный рост продолжается, но из-за неполноты базы данных за последние несколько лет не находит отражения на графике. Следует отметить, что все включенные в статистический обзор компании продолжали свою деятельность на момент сбора информации (май 2005 г.), а обанкротившиеся, приобретенные и реорганизованные путем слияния фирмы в расчет не принимались. Существует ли различие между регионами мира по количеству нанотехнологических компаний и срокам их создания? Значимость данных до 1990;х гг. не следует переоценивать из-за статистических искажений вследствие малых чисел, но они отражают сложившуюся пропорцию между мировыми регионами: лидер — Америка, затем — Европа и Азия. В конце 1990;х гг. Европа сократила отрыв от Америки с половины до двух третей. Моментом взлета, как для Америки, так и для Европы, явился 1996 год, а пик достигается (по данным обзора) в 2000 г. для Европы и в 2001 г. для Америки. Заметим, что эти цифры не отражают степень состоятельности рассматриваемых компаний. Анализ различий в практике основания фирм свидетельствует о том, что американские компании зачастую менее жизнестойкие по сравнению с европейскими и чаще подвергаются банкротству, но в обзоре компаний, действующих на рынке нанотехнологий, такая особенность не рассматривалась. В каких сегментах рынка нанотехнологий компании проявляют активность? На рис. 11 продемонстрированы результаты обзора, который охватывает 357 компаний по всему миру. Треть всех рассмотренных компаний занимается наноматериалами, другая треть — нанобиотехнологиями. Наноинструменты и наноустройства играют меньшую роль. Но между четырьмя наиболее активными странами имеются существенные различия: в США равномерно развиты разные направления, в Германии показатели выше для наноинструментов, в Великобритании — для нанобиотехнологий, а в Японии одинаково высокие показатели в сегментах наноматериалов и наноинструментов, но слабые — в нанобиотехнологиях. На рис. 12 отражена структура компаний по величине в наиболее активных в сфере нанотехнологий странах. Обследованные компании расположены преимущественно в США и Германии, в меньшей степени — в Великобритании, Японии, Израиле, Швейцарии, Канаде и Швеции.

Большинство американских компаний, по которым имеются сведения, среднего размера, то есть их оборот составляет 10−500 млн долл. В Германии и Великобритании основная часть компаний значительно меньше — с оборотом ниже 10 млн долл., а в Японии — 500 млн долл. и выше. Частные компании — не единственный тип организаций, занимающихся нанотехнологиями.

Рис. 11 Распределение компаний по сегментам рынка нанотехнологий (слева) и наиболее активным на рынке странам (справа) Данные о числе организаций, осуществляющих ИиР либо производственную деятельность в области нанотехнологий, помогают идентифицировать структуру научного потенциала. На рис. 13 представлен состав организаций, занимающихся нанотехнологиями, по типам, странам и регионам мира. Использованная при этом база данных охватывает 1100 организаций, в числе которых 460 малых и средних фирм либо стартапов, 390 исследовательских институтов, 120 крупных компаний и 80 дочерних компаний или совместных предприятий. Между мировыми регионами существует некоторая дифференциация: если в США львиная доля приходится на малы и средние фирмы, а также стартапы, то университеты и исследовательские центры играют гораздо более значимую роль в Европе и Азии. Если сгруппировать все организации в две категории: компании (включая малые, средние, крупные и дочерние) и исследовательские организации (университеты и исследовательские центры), то между странами обнаруживаются интересные различия. Доля исследовательских организаций очень высока в Японии, Великобритании, Китае, Франции, Австралии и Швеции. В Австрии, Испании, Италии и Польше их число даже превышает количество компаний. Обратное соотношение характерно для США, Германии, Швейцарии, Израиля и Тайваня, а также для Кореи и Финляндии, где количество компаний вдвое и даже более превосходит число исследовательских организаций.

Другая база данных по нанотехнологиям сфокусирована на европейских странах. В августе 2005 г. база данных NanoForum содержала сведения о 1538 организациях из 33 европейских стран. И хотя половина всех записей относится к германским организациям, база данных отражает и деятельность в других странах — не столь крупных и менее активных в сфере нанотехнологий (рис. 14).

Рис. 12 Число нанотехнологических компаний по странам (слева) и размеру (млн долл. оборота) (справа) Рис. 13 Нанотехнологичекие организации по странам (слева) и типам (справа) Франция и Великобритания, которым вместе взятым соответствует 250 единиц в базе данных, находятся на одном уровне, затем со значительным отрывом следуют Нидерланды, Австрия, Швейцария и Бельгия. Италия возглавляет среднюю группу, в которую входят Чехия, Дания, Польша, Венгрия, Швеция, Ислан-дия, Израиль, Литва, Словакия и Словения. Если учитывать размеры стран, то 19 записей по Исландии не менее значимы, чем невысокая по масштабам Италии цифра 32. Финляндия, Испания и Норвегия входят в группу стран, которые имеют менее 10 единиц, что явно не соответствует ожиданиям.

Приведенные сведения позволяют сделать вывод, что максимальный прогресс в создании и деятельности нанотехнологических компаний и развитии связанной с ними занятости наблюдается в США. В Европе наиболее значительную роль играет Германия, но на гораздо более скромном уровне, чем США. Главным соперником США выступает Япония. Что касается конкурентоспособности и создания новых рабочих мест, то здесь растет роль компаний, основанных на нанотехнологических изобретениях или внедряющих нанотехнологии в свой технологический портфель. Выходящие на рынок нанотехнологий Китай, Индия и Россия готовы к началу активных действий и сближению с Европой. Хотя ни одна из этих стран не была существенным образом отражена в статистике компаний, можно предположить, что динамика их развития в следующие десятилетия будет существенной и они смогут стать серьезными конкурентами на мировом рынке и за нанопродукцию, и за размещение исследовательской базы и производств.

Рис. 14 Европейские организации (университеты и другие исследовательские институты, компании), занимающимися нанотехнологиями Рис. 15 Нанотехнологические патенты в мире Рис. 16 Среднегодовой темп прироста числа патентов по областям нанотехнологий (%)

5. Технологическое развитие: патентные заявки на нанотехнологии Долгосрочный экономический успех невозможен без сильной научно-технологической базы. С другой стороны, научно-технологическое превосходство не обязательно автоматически приближает экономический успех и прорыв, что иллюстрирует так называемый «европейский парадокс»: Европа сильна в науке, но ее слабым местом являются технологические приложения и, соответственно, экономические успехи. Проявляется ли «европейский парадокс» также и в нанотехнологиях? Для ответа следует внимательно изучить два основных индикатора научно-технологического превосходства: патенты и публикации.

Патенты отражают способность преобразования научных результатов в технологические приложения. Они также являются необходимым условием экономической эксплуатации результатов исследований и потому играют центральную роль в любом анализе экономического потенциала технологий и при определении наиболее перспективных секторов и участников деятельности, будь то персоналии, организации или страны. Европейское патентное ведомство (ЕРО) разработало методику идентификации и классификации нанотехнологических патентов и патентных семейств по материалам ведущих патентных служб мира. Первоначальной целью было совершенствование работы патентных экспертов и выявление разработок в быстро развивающейся сфере нанотехнологий, чтобы упредить рост потребности в новых патентных экспертах и междисциплинарной кооперации. Внедренный метод присвоения кодов помогает и исследователям, которым требуется патентный анализ в области нанотехнологий. Очевидным преимуществом этой системы является то, что выделение нанотехнологических патентов приобретает большую адекватность, а международные сопоставления становятся более надежными, так как ни одному региону не отдается предпочтения.

На рис. 15 представлены эволюция числа патентных семейств за период 1995;2003 гг. и их распределение по различным областям нанотехнологий. Количество патентных семейств постоянно возрастает, но действительно резкого рывка не наблюдается. Два незначительных пика на графике в 1999 и 2002 гг. указывали на возможность экспоненциального роста, но в каждом случае на следующий год происходил спад, который понижал общий темп роста за рассматриваемый период. В 2003 г. наибольшее число нанотехнологических патентов было связано с наноэлектроникой. Наноматериалы оказались на втором месте, следующие позиции с отрывом занимали наномагнетики и нанооптика. Динамика по направлениям отражена на рис. 16.

Общий темп прироста числа нанотехнологических патентов за 1995;2003 гг. составил 14% в год, причем во второй половине этого периода он был ниже. Однако по отдельным областям наблюдались очень сильные различия. Наноэлектроника, наноматериалы, наноустройства и наномагнетики имели самые высокие показатели роста в 1990;е гг., а самые низкие (вплоть до отрицательного, как в случае с наноустройствами) — между 1999 и 2003 гг. Вместе с тем нанобиотехнологии и нанооптика имели отрицательные показатели в конце 1990;х г., а затем выросли до 20% к 2000 г. Правда, по абсолютным цифрам оба эти направления значительно уступают наноэлектронике и наноматериалам.

Рис. 17 Число патентов в мире по регионам заявок (слева) и регионам изобретений (справа) Поэтому указанное повышение нельзя рассматривать как показатель растущей значимости нанобиотехнологий на рынке нанотехнологической продукции. В каких регионах мира генерируются нанотехнологические патенты? На рис. 17 приведено число нанотехнологических патентов, выданных в мире, в разрезе по регионам, где подана заявка и где находится изобретатель, а именно: Америка (в основном США и Канада), Азия (прежде всего Япония и Корея) и Европа (преимущественно Германия, Великобритания, Франция и Нидерланды). Очевидно, что по регистрации патентов в сфере нанотехнологий Америка намного опережает другие регионы мира. Здесь ежегодно регистрируется половина от общего числа патентов, для которых можно определить страну подателя заявки. Интересно, что позиции Америки как страны авторства изобретений выглядят немного слабее на фоне некоторого усиления потенциала Азии. Различия между регионами заявок и изобретений связаны в общем случае с несовпадением местонахождения компании и места проживания изобретателя. Подобная ситуация возникает в частности в приграничных регионах и в случае исследовательских визитов. Следует также признать, что научно-исследовательские центры в Азии, принадлежащие американским компаниям, не подают заявки самостоятельно, а предоставляют это американским штаб-квартирам. Заметим, что разница сокращалась в 2002 и 2003 гг., что говорит либо об изменении практики подачи заявок на патенты, либо о растущей активности азиатских компаний в подаче заявок. Наклон графика, соответствующего данным по Америке, показывает, что пиковые показатели числа патентов по нанотехнологиям в мире (рис. 15) были обусловлены необычно большим числом американских заявок в 1999 и 2002 гг.

6. Нанотехнологии на рынке энергетики в 2015 году Нанотехнологии способны обеспечить ряд возможностей для использования возобновляемых источников энергии и внести существенный вклад в производство и сбережение энергии. Повышение эффективности использования ресурсов планеты и их сбережение посредством нанотехнологий включают в себя:

* Использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы).

* Хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки).

* Уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности).

* Использование альтернативных (более распространенных) материалов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктурированные оксиды металлов при катализе).

Наиболее развитыми нанотехнологическими проектами в сфере энергетики являются: хранение, преобразование, улучшения в производстве (уменьшение потребления материалов, а также длительности процессов), энергосбережение (например, за счет разработки новых методов термоизоляции), использование возобновляемых источников энергии. Среди различных подходов, используемых для решения этих проблем, стоит упомянуть новые материалы, используемые в аккумуляторах, топливных элементах и солнечных батареях, в качестве катализаторов, а также прочные легкие конструкционные элементы (табл. 2).

Таблица 2. Новые материалы, используемые в аккумуляторах, топливных элементах и солнечных батареях

6.1 Основные области применения нанотехнологий и? коммерческие перспективы к 2015 году Мировой рынок продуктов нанотехнологий в энергетике составлял в 2007 г. порядка 200 млн долларов США. Фотовольтаики с нанопокрытиями, а также аэрогели уже вышли на стадию коммерциализации, однако в ближайшие несколько лет вряд ли внесут существенный вклад в рынок материалов из-за ряда технических проблем, нерешенной задачи апскейлинга и высокой себестоимости. Увеличение стоимости энергии, выработка традиционных источников энергии и законодательство требуют, чтобы и циклы жизни продуктов, и процессы их производства не оказывали заметного влияния на окружающую среду. Таким образом, можно говорить о наличии фундаментальной задачи использования более экологичных наноструктурированных и «умных» материалов. В табл. 3 показаны стадии развития и внедрения продуктов нанотехнологий в сфере энергетики. Согласно прогнозам, к 2015 г. материалы и процессы на основе нанотехнологий будут оцениваться в 4.92 млрд долларов США (рис. 18). Проникновение нанотехнологий в сферу энергетики достигнет к этому времени уровня 36.3%. На рис. 19 показано распределение доходов от введения нанотехнологий по секторам сферы энергетики.

Таблица 3. Стадии развития и внедрения продуктов нанотехнологий в сфере энергетики Рис. 18 Ожидаемые доходы от введения нанотехнологий на рынок в сфереэнергетики. Консервативная оценка, млн долларов США.

Рис. 19 Мировой рынок нанотехнологий в сфере энергетики в 2015 г. Ожидаем распределение доходов по секторам отрасли Наибольшая доля приходится на накопление энергии и преобразование энергии солнечного излучения. Ожидается, что к 2015 г. 36.3% продуктов, связанных с энергетикой, будут содержать в себе в той или иной форме результаты применения нанотехнологий. Изготовленная с применением нанотехнологий продукция, например топливные элементы и аккумуляторы, станет играть существенную роль на рынке уже в 2010 году. Вероятнее всего, с 2010 г., когда рынок нанотехнологий в энергетическом секторе составит 1.3 млрд долларов, следует ожидать значительного роста доходов в дальнейшем. На рис. 20 представлен прогнозируемый спрос на наноматериалы в сфере энергетики в 2015 г.

Рис. 20 Мировой рынок нанотехнологий в сфере энергетики в 2015 г. Ожидаемое распределение использования наноматериалов.

7. Прогнозируемые продажи наноматериалов, находящихся в разработке

7.1 Твёрдые наночастицы Наиболее существенный рост в сегменте «Твердые наночастицы» в категории «материалы, находящиеся в разработке» ожидается в субсегменте квантовых точек, дендримеров, полимерный наночастиц, наночатиц оксида церия, а также наночастиц титана и никеля.

Средства на основе наночатиц лантана, предотвращающие рост водорослей, разработанные компанией Altair Technologies, появились на рынке в 2010 г. и к 2013 г. их объем производства достиг $ 1,3 млн.

Приборы позитронно-эмиссионной томографии с использованием молекулярных биопрепаратов для формирования изображения, по прогнозу компании BBC, появились на рынке к 2012 г., а коммерциализация средств, производимых на основе аптамеров, применяемых в молекулярных препаратах, началась с 2013 г.

Наночастицы, используемые в качестве средств доставки лекарственного вещества к месту действия, включают неорганические наночастицы, наночастицы липидов и дендримеры. Ввиду продолжительных клинических исследований и длительного процесса получения необходимых разрешений опытное производство будет развиваться не ранее 2014 г.

Производство аптамерных комплектов, применяемых в области протеомики, может начаться в 2013 г. и к 2015 г. достигнет 15% рынка капиллярных инструментов для системы жидкостной хромотографии высокого разрешения (ЖХВР). Возможно, после 2015 г. это производство образует свой субсегмент рынка капиллярной ЖХВР.

Люминофоры, легированные редкоземельными элементами, и квантовые точки, претендуют на получение 1%-ной доли от рынка сверхярких светодиодов, который достиг в 2013 г. $ 128 млн.

Рис. 21 Твердые наночастицы, находящиеся в стадии разработки

7.2 Полые наночастицы Как показывает анализ категории «применения, находящиеся в стадии разработки», лучшие перспективы имеют устройства на основе полевой эмиссии, как плоскопанельные дисплеи, так и осветительная аппаратура, поскольку уже к 2009 г. имелись опытные образцы этих устройств. По оценке компании BBC, они были коммерциализированы в 2011 г., а общий объем производства нанотрубок и других полых наночастиц к 2014 г. составит $ 743,3 млн.

Среди применений, находящихся на стадии разработки, наибольшую долю рынка займут устройства на основе полевой эмиссии, где используются нанотрубки при производстве дисплеев. Первые серийные дисплеи с полевой эмиссией на основе нанаторубок появились в 2011 г. В первый год продажи были скромными и составили от 5 до 10 тыс. экземпляров, а к концу 2013 г. продажи достигли 3,5 млн штук в год. Поскольку потребление нанотрубок при производстве дисплеев с полевой эмиссией составляет 50% материальных затрат, то их производство достигнет в стоимостном выражении $ 721,9 млн.

Коммерциализация производства нанотрубок, фуллеренов, нанокапсул с антиоксидантными свойствами для создания средств доставки лекарственных препаратов к месту действия, так же как и создание этих средств на базе твердых наночастиц, вероятнее всего будут возможны не ранее 2014 г. Развитие производства нанотрубок с антиоксидантными свойствами важно для двух секторов индустриального кольца: «Медицина и биотехнологии» и «Обрабатывающая промышленность», где производится соответствующее медицинское оборудование и приборы.

Ожидается также, что батареи на основе «нанорогов», использующиеся для имплантатов в медицинских целях, будут коммерциализированы к 2013 г. К этому же времени рынок батарей, использующихся в имплантатах, должен достичь $ 350 млн. Из-за поздней коммерциализации доля батарей на основе «нанорогов» будет незначительна. Ожидается, что к 2013 г. батареи на основе «нанорогов» займут лишь 1% всего рынка источников питания для медицинских имплантатов, что приблизительно составит $ 3,5 млн.

Волокна, произведенные на основе углеродных нанотрубок, к 2013 г. займут от 5 до 10% рынка проводящих волокон. К 2013 г. Объем рынка проводящих волокон достиг отметки в $ 240 млн. Это означает, что продажи волокон на основе углеродных нанотрубок составят от $ 12 млн до $ 24 млн.

В 2012 г., когда на дорогах начали появляться автомобили на основе топливных элементов и с двигателями внутреннего сгорания на основе водорода, начал развиваться рынок мобильных резервуаров-хранилищ водорода. К 2013 г. общий доход рынка мобильных резервуаров составил от $ 10 млн до $ 20 млн.

Однако углеродные нанотрубки являются лишь одной из многих других технологий, таких как металлогидриды, цеолиты и полимерная пена, конкурирующих за право снабжать рынок. Но ввиду существующих барьеров коммерциализации они вполне могут поделить между собой этот пока еще небольшой рынок, который по всем ожиданиям будет интенсивно развиваться и после 2013 г.

К 2014 г. нанотрубки могут быть с наибольшей вероятностью коммерциализированы в качестве компонентов традиционных кремниевых интегральных схем (в качестве связующих средств, выступающих в роли сквозных соединений между слоями микросхемы). Эти связующие средства нельзя назвать значительным достижением, хотя они могут существенно снизить стоимость микросхем благодаря улучшению их технических характеристик. Коммерциализацию других применений нанотрубок в области производства полупроводниковых материалов, таких как производство транзисторов на основе нанотрубок, следует ожидать после 2015 г.

Рис. 22 Полые наночастицы, находящиеся в разработке.

7.3 Наноразмерные тонкие пленки В сегменте наноразмерных тонких пленок категории «применения, находящиеся в стадии разработки» начало существенных продаж было в 2011 г. Производство углеродных нанотрубок для прозрачных электродов, ЖК-дисплеев, солнечных элементов, OLED-дисплеев и других электронных устройств началось только в 2012 г. Если углеродные нанотрубки будут составлять около половины стоимости электродов (по аналогии с телевизорами на основе дисплеев с полевой эмиссией), то спрос на них приблизится к отметке в $ 83,5 млн в год.

Производство покрытий, защищающих от воздействия магнитных полей при проведении магниторезонансной томографии, было коммерциализировано к 2012 г. По оценке разработчика данных покрытий — компании Biophan, доля рынка таких устройств с наномагнитным покрытием, как провода сердечных ритмоводителей, проволочные направители катетеров и стенты (устройства для реконструкции просвета органа), составило к 2013 г. только 1%, и продажи этих устройств достигнут около $ 122 млн в год.

По оценке компании MIV Therapeutics, которая начала первые испытания своего нового продукта — коронарных стентов с гидроксиопатитовым (биосовместимым) покрытием, данные стенты коммерциализированы в 2011 г.

Общий объем производства наноразмерных тонких пленок к 2013 г. достиг $ 309,5 млн. Наибольшую долю заняли покрытия, защишающие от воздействия магнитных полей при проведении MPT, — $ 122 млн.

Рис. 23 Тонкие пленки и покрытия наноуровня, находящиеся в стадии разработки

7.4 Нанаструктурные монолитные материалы Разрабатываемые в настоящее время новые применения наноструктурированных монолитных материалов, такие как медицинские имплантаты и воздушные конденсаторы, в перспективе до 2015 г. Достигнут объема рынка в $ 483 млн в год.

Медицинские имплантаты на основе наноструктурированного титана были коммерциализированы в 2011 г. К 2015 г. Наноструктурированный титан может заменить половину обычного титана и его сплавов, используемых в производстве медицинских имплантатов. Учитывая, что средняя стоимость материалов на основе наноструктурированного титана, используемых в производстве имплантатов, равна средней стоимости используемых в настоящее время в медицине материалов на основе титана, можно предполагать, что к 2015 г. валовый доход этого рынка составит около $ 112,5 млн в год.

Возможные применения монолитных материалов в производстве электрохимических устройств, таких как воздушные конденсаторы и другие электрохимические устройства для накопления энергии, были коммерциализированы в 2011 г., а устройства для очистки воды на основе углеродных аэрогелей — в 2012 г.

По оценке компании BBC, мировой рынок электронных и емкостных устройств накопления энергии (включая суперконденсаторы, ультраконденсаторы и воздушные конденсаторы) равен $ 635 млн. Ожидается, что к 2015 г. Этот показатель вырастет до $ 2,66 млрд, при этом GAGR за период с 2008 по 2013 г. составила 27%. По оценкам экспертов, углеродные аэрогели вряд ли займут к 2015 г. более 5−10% ($ 133-$ 266 млн) рынка электронных и емкостных устройств накопления энергии.

Возможная доля аэрогелей на рынке средств по выведению тяжелых металлов и неорганических солей из воды и сточных вод также оценивается от 5 до 10% этого рынка (от $ 47 млн до $ 95 млн), аналогично с предполагаемой долей рынка суперконденсаторов на основе углеродных аэрогелей в электрохимических устройствах для накопления энергии к 2013 г. Оценивается в $ 199,5 млн, а устройств для очистки воды на основе углеродных аэрогелей — $ 71 млн.

Рис. 24 Монолитные материалы с наноструктурой, находящиеся в стадии разработки

7.5 Нанокомпозиты Ожидается, что полимерные нанокомозитные солнечные элементы, содержащие наностержни на основе селенида кадмия и наноточки на основе сульфида свинца, были коммерциализированы в 2012 г. Кроме того, как минимум еще одна технология производства нанокомпозитных фотогальванических элементов открывает отличные перспективы и будет на рынке в 2015 г. Таким образом, ожидается, что объем всего рынка нанокомпозитов, используемых в производстве фотогальванических элементов, к 2015 г. достигнет $ 135 млн.

К 2013 г. солнечные элементы CdSe/P3НТ заняли долю рынка, равную доле солнечных элементов DSSC (около $ 1 млрд). Стоимость активного полупроводникового слоя в солнечных элементах на основе CdSe/P3НТ составляет 6−12% от общей стоимости производства фотогальванических элементов, составляет от $ 60 млн до $ 120 млн.

Общие продажи всех типов фотогальванических элементов на основе квантовых точек, включая эпитаксиально выращенные пленки наноточек и такие нанокомпозиты на основе квантовых точек, как MEH-PPV/PbS, к 2013 г. достигли такого же уровня, как и солнечные элементы P3HT/CdSe, т. е. $ 1 млрд.

Производство топливных элементов PEMFC на основе наноструктурированных мембран было коммерциализировано в 2010 г., а объемы их производства в 2013 г. достигло $ 59,5 млн.

Твердосплавный вольфрам является материалом мирового значения. Общие продажи инструментов из карбида вольфрама ежегодно оцениваются в $ 10 млрд, а темп их роста составляет 3−4%. При таком темпе мировой рынок карбида вольфрама к 2015 г. может превысить отметку в $ 15 млрд. По оценкам аналитических компаний, объем потребления карбида вольфрама на производство подобных инструментов составляет около $ 4,3 млрд. Сложно предсказать, какую долю рынка смогут занять нанокомпозиты карбида вольфрама к 2015 г. Показатель в 1% ($ 43 млн) можно считать чрезвычайно осторожной оценкой.