Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Нанотехнологии в системах безопасности. Предпосылки и тенденции использования

В рубрику "Комплексные системы безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Нанотехнологии в системах безопасности. Предпосылки и тенденции использования

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

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

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 нано-композитных 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 нано-композитных 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 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).

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.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2006
Посещений: 14689

  Автор

Долгополое

Долгополое  Н. В.

Заместитель директора НИИ систем безопасности ФГУП "СНПО "Элерон" по инновационным нанотехнологиям, к.т.н.

Всего статей:  1

В рубрику "Комплексные системы безопасности" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций