4 Контроль нанотехнологий и наноматериалов

4.1 Принципы контроля

Принципы контроля за нанотехнологиями и наноматериалами отражены в Декларации, которую разработали и подписали. представители широкой коалиции гражданского общества, выразители общественных интересов, экологические и профсоюзные организации, озабоченные различными аспектами воздействия нанотехнологии на здоровье человека, на экологию, социальными, этическими и иными аспектами ее использования.

Правительства, университеты и предприятия во всем мире вступили в гонку по коммерциализации нанотехнологий и наноматериалов. Сотни потребительских товаров уже либо содержат наноматериалы (наноразмерные химические вещества) в готовых изделиях, либо производятся с использованием  нанотехнологий. В то же время появляется все больше и больше свидетельств того, что эта новая революция в области материалов представляет значительную угрозу для здоровья и безопасности человека и окружающей среды, а также вызывает серьезные социальные, экономические и этические проблемы. Те, кто стремится ускорить коммерциализацию нанотехнологий, едва лишь начали исследования, необходимые для того, чтобы выявить и уменьшить риски и разработать срочно требующиеся этические, юридические и законодательные механизмы для контроля за нанотехнологиями. Эти механизмы необходимы, если мы хотим избежать повторения ошибок, связанных с  прошлыми "чудесными" материалами и технологиями.

Нынешняя ситуация не позволяет нам надеяться, что с нанотехнологией у нас "все будет хорошо". И на производстве, и в лабораториях работа ведется без надлежащих мер, обеспечивающих безопасность и защиту работников. Потребители поневоле оказываются в ситуации, когда на них могут оказать воздействие наноматериалы, содержащиеся в продуктах, не имеющих соответствующей маркировки, при этом их никто не  информирует  относительно потенциальных рисков. Наноматериалы утилизируются и попадают в окружающую среду, несмотря на то, что об их воздействии ничего не известно и отсутствуют необходимые средства для обнаружения, отслеживания или удаления этих новых материалов. Правительства и разработчики нанотехнологий в промышленности редко дают возможность общественности для информированного участия в дискуссиях и принятии  решений относительно того, как следует (и следует ли вообще) проводить  "нанотехнологизацию" мира.

Принципы эффективного контроля и оценки формирующейся области нанотехнологий:

I. Принцип предосторожности
II. Обязательное специальное регламентирование продукции нанотехнологий
III. Охрана здоровья и безопасность населения и работников
IV. Охрана окружающей среды
V. Открытость
VI. Участие общественности
VII. Учет воздействия нанотехнологий в более широком контексте
VIII. Ответственность производителей

В этой ситуации совершенно необходим подход, основанный на принципе предосторожности. При таком подходе требуются механизмы для осуществления обязательного контроля, учитывающего специфику нанотехнологий и уникальные свойства наноматериалов. Эти механизмы должны действовать таким образом, чтобы для обеспечения здоровья и безопасности работников обязательно проводились необходимые исследования наиболее серьезных рисков и немедленно принимались соответствующие меры, чтобы смягчить возможный ущерб от использования нанотехнологий, пока не будет доказана их безопасность. Аналогичным образом должны приниматься меры для охраны естественной окружающей среды. Все процедуры контроля должны быть прозрачны, должен обеспечиваться открытый доступ к информации относительно процессов принятия решения, испытаний на безопасность и выпускаемой продукции. Важно обеспечить открытое, значимое и полное участие общественности на всех уровнях данного процесса. Должны обсуждаться и анализироваться все стороны  воздействия нанотехнологии, включая этические и социальные аспекты. Наконец, разработчики и изготовители должны обеспечивать безопасность и эффективность соответствующих процессов и продуктов и нести ответственность за любые неблагоприятные последствия. Государственным органам, организациям и всем заинтересованным сторонам следует как можно скорее привести в действие  механизмы всестороннего контроля, основанные на вышеуказанных основных принципах, которые должны стать нормой для общества.

I. Принцип предосторожности
Принцип предосторожности, который уже используется во многих международных конвенциях, определяется следующим образом: "Если какая-либо деятельность может представлять угрозу здоровью людей или окружающей среде, должны быть приняты меры предосторожности, даже если некоторые причинно-следственные связи не удается установить полностью с научной точки зрения." При таком подходе требуется принятие профилактических мер, если имеется какая-либо неопределенность; бремя защиты возлагается на ответственных за потенциальный ущерб; рассматриваются все альтернативы новым видам деятельности и процессам; обеспечивается участие общественности в принятии решений. При этом запрещается сбыт непроверенных или использование опасных наноматериалов, а бремя доказывания возлагается на изготовителей и тех, кто занимается сбытом. Проще говоря, "без данных о безопасности для здоровья нет пропуска на рынок". До начала коммерциализации должен быть определен порядок оценки жизненного цикла наноматериалов и должна быть проведена надлежащая оценка. Соответствующие ресурсы должны быть выделены для того, чтобы определить и использовать самое безопасное сырье для промышленности, наиболее безопасные процессы и продукты.

Принцип предосторожности должен применяться к нанотехнологиям, потому что уже имеющиеся результаты научных исследований свидетельствуют о том, что, по крайней мере, некоторые наноматериалы, наноприборы и продукты нанобиотехнологии могут нанести серьезный вред человеческому здоровью и окружающей среде. Чрезвычайно малые размеры искусственных  наноматериалов могут придать им новые потенциально полезные физические, химические и биологические свойства; однако их сравнительно высокая реакционная способность, подвижность и другие свойства, связанные с малыми размерами, также могут способствовать их необычной токсичности. Проведенные исследования воздействия наноматериалов на человеческий организм и окружающую среду подтверждают такого рода опасения, поэтому необходимо принимать соответствующие меры предосторожности и проводить дальнейшие исследования. Поскольку потенциальную токсичность наноразмерных материалов нельзя с надежностью предсказать, исходя из данных о токсичности таких материалов в массе, соответствующие законы и правила должны требовать строгой, точной и всесторонней оценки безопасности до выхода этих материалов на рынок. Такая оценка должна производиться с учетом уникальных свойств наноматериалов. Соответствующая нормативная база, подкрепленная подходом, основанным на принципе предосторожности, совершенно необходима для развития новых технологий в ситуации, когда  неизвестны, недостаточно изучены или непредсказуемы последствия для здоровья и экологии  в долгосрочной преспективе. Отсутствие данных или свидетельств об определенном ущербе  не может служить оправданием для отказа от разумной уверенности в безопасности.

II. Обязательное специальное регламентирование нанотехнологий

Действующее законодательство не позволяет обеспечить надлежащий контроль за наноматериалами. Неотъемлемой частью развития нанотехнологий должна стать переработанная или специальная нормативная база, разработанная с учетом их особенностей. С учетом того, как быстро развиваются разработка и коммерциализация наноматериалов, правительственные органы должны срочно провести оценку существующих механизмов контроля, принимая во внимание особые свойства наноматериалов.

Даже в тех случаях, где действует законодательное регулирование, необходимо, по всей видимости, внести существенные изменения в существующие законы, в должной мере и эффективно учитывать принципиально новые качества наноматериалов и новые проблемы, связанные с их использованием. Ныне действующие законы еще в меньшей степени пригодны для осуществления контроля за такими изделиями и процессами, как активные наносистемы и наноструктуры, которые разрабатываются в настоящее время. Государственным  органам до сих пор не удается осуществлять свои регулирующие функции в этой сфере10. В существующие системы регулирования должны быть внесены изменения, которые позволят применять их к наноматериалам, - в качестве  временной меры, пока не будут созданы и не начнут действовать специальные  механизмы контроля за нанотехнологиями. Регламентирование должно иметь обратную силу в отношении всех изделий с наноматериалами, которые уже имеются на рынке.

Вредное воздействие наноматериалов невозможно предсказать с достаточной степенью надежности, исходя из известных данных о токсичности массивных материалов. Некоторые эксперты рекомендуют оценивать до шестнадцати физико-химических параметров, что "намного больше, чем  два или три параметра, которые обычно измеряются" для массивных  материалов.

С учетом  новых свойств наноматериалов и связанных с ними рисков, они должны классифицироваться как новые вещества для целей оценки и регламентирования.

Для осуществления контроля за нанотехнологиями добровольные инициативы совершенно недостаточны. В добровольных программах нет стимулов для "нарушителей" или тех, кто производит продукцию, представляющую риск для потребителей и работников. Таким образом, вне системы регулирования оказываются те, кто больше всего нуждается в регулировании. В рамках добровольных инициатив у компании может отсутствовать мотивация для проведения тестирования своей продукции на предмет ее воздействия на здоровье людей и экологию в долгосрочной перспективе. Добровольные инициативы зачастую замедляют или ослабляют необходимые меры по регулированию, мешают участию общественности в осуществлении контроля, ограничивают доступ населения к важным данным, касающимся вопросов экологической безопасности и охраны здоровья. По этим причинам общественность в своем подавляющем большинстве  предпочитает добровольным инициативам обязательный контроль со стороны государства.

III.      Охрана здоровья и безопасности населения и работников

Для надежного и эффективного контроля за наноматериалами требуется особое внимание к известным и потенциально возможным воздействиям наноматериалов, чья безопасность не была доказана. Это важно как для населения, так и для работников нанотехнологической промышленности, поскольку некоторые материалы представляют потенциальную опасность, а свойства других остаются в значительной степени неизученными. Свободные наночастицы (наноматериалы, которые не связаны с другими материалами) вызывают особую озабоченность, так как они легче всего могут проникать в организм человека, реагировать с клетками и вызывать повреждения тканей. Включенные в состав других материалов наночастицы также могут представлять опасность. Рабочие могут подвергаться их воздействию в процессе производства, а население в целом и окружающая среда могут подвергнуться воздействию таких материалов в ходе их переработки и утилизации.

Благодаря своим размерам, наночастицы могут проникать через биологические мембраны и попадать в клетки, ткани и органы легче, чем более крупные частицы. При вдыхании они могут попасть из легких в систему кровообращения. Имеется много данных о том, что некоторые наноматериалы  могут проникать через неповрежденную кожу, особенно в присутствии поверхностно-активных веществ, либо при массировании или сгибании кожных покровов, попадая в систему кровообращения. При попадании в желудочно-кишечный тракт наноматериалы могут пройти через стенку кишечника и попасть в кровь. Оказавшись в кровотоке, наноматериалы могут  циркулировать во всем организме и накапливаться в органах и тканях, включая мозг, печень, сердце, почки, селезенку, костный мозг и нервную систему. Попав внутрь клеток, они могут нарушить их нормальную клеточную функцию, вызвать окислительные повреждения и даже смерть клетки.

Недостаточное финансирование и недостаточное внимание со стороны государства к исследованию рисков для здоровья человека привели к нынешней ситуации, когда ежедневно люди подвергаются воздействию искусственных наноматериалов. При этом не имеется достаточных данных о потенциальных долгосрочных или хронических последствиях их использования. Те, кто занимается исследованиями, разработками, производством, упаковкой, погрузкой, транспортировкой, использованием и утилизацией  наноматериалов, в наибольшей степени будут испытывать их воздействие и, следовательно, вероятность потенциального вреда их здоровью будет наибольшей. В рамках любого режима контроля за наноматериалами защите работников должно уделяться главное внимание. Согласно оценкам Национального Научного Фонда США, к 2015 году во всем мире в промышленности нанотехнологий будут работать два миллиона человек. Кроме того, многие ученые и студенты работают с наноматериалами в лабораториях вузов и научно-исследовательских учреждений. Несмотря на быстрый рост числа работников в наноиндустрии, ни в одном из существующих стандартов по безопасности производства и охране здоровья нет специальных разделов по нанотехнологиям и наноматериалам, нет и принятых стандартных методов для измерения воздействия наноматериалов на людей на производстве.

Для осуществления любого режима регламентирования, предназначенного для защиты здоровья работников от воздействия наноматериалов, требуются документально оформленные программы обеспечения безопасности и охраны здоровья на производстве, учитывающие специфику нанотехнологий. Работодатели должны использовать принцип предосторожности в качестве основы для осуществления мер по защите здоровья и обеспечению безопасности рабочих. Следует использовать весь спектр мер для контроля за воздействием наноматериалов: их устранение,  замену, технологические методы, подходы к организации производства, а также индивидуальные средства защиты. Необходимо организовать мониторинг воздействия наноматериалов, медицинское наблюдение и обучение работников, чтобы они могли получать самую современную информацию. Работники и их представители должны участвовать во всех аспектах деятельности по обеспечению безопасности и охраны здоровья на производстве, связанном с нанотехнологиями, не опасаясь репрессий или дискриминации. Наконец, необходимо проверить действующие стандарты по обеспечению безопасности производства и охране здоровья на предмет их применимости к наноматериалам.

IV.      Охрана окружающей среды

Для того, чтобы понять, как могут применяться различные системы установленного в законодательном порядке регламентирования и где имеются пробелы в нормативной базе, необходима оценка жизненного цикла наноматериалов, включая их производство, транспортировку, использование изделий, переработку и удаление в поток отходов. До начала коммерциализации необходимо оценить воздействие полного жизненного цикла наноматериалов на окружающую среду, здоровье и безопасность людей.

Попадающие в природу искусственные наноматериалы представляют собой беспрецедентный класс промышленных загрязняющих веществ. Потенциальный вред окружающей среде может быть связан с необычными свойствами искусственных наноматериалов, включая их мобильность и персистентность в почве, воде и воздухе, бионакопление и непредвиденные взаимодействия с химическими и биологическими материалами. Уже проведенные (хотя и немногочисленные) исследования дают повод для беспокойства. Например, доказано, что наноразмерный алюминий в большом количестве останавливает рост корней пяти товарных сельскохозяйственных культур, побочные продукты производства одностенных углеродных нанотрубок вызывают рост смертности и задержку развития небольших ракообразных, обитающих в эстуариях, а наносеребро наносит вред ряду полезных микроорганизмов. Королевское Общество Великобритании рекомендует "избегать, насколько это возможно, попадания наночастиц и нанотрубок в окружающую среду"; кроме того, "предприятия и научно-исследовательские лаборатории должны обращаться с искусственными наночастицами и нанотрубками как с опасными материалами и стараться предотвратить их попадание в поток отходов".

Потенциальные экологические риски до сих пор не выявлены вследствие того, что не была отнесена к числу приоритетных задача исследования воздействия наноматериалов на окружающую среду, а также из-за скудного финансирования, выделяемого в настоящее время на исследование возможных рисков. Должно быть резко увеличено бюджетное финансирование для изучения проблем охраны окружающей среды, здоровья и безопасности и выработан план исследований стратегических рисков.

Наноматериалы создают огромные трудности для применения  существующих режимов охраны окружающей среды. У соответствующих ведомств нет эффективных инструментов и механизмов для обнаружения, измерения и контроля за искусственными наноматериалами, не говоря уже о средствах для удаления их из окружающей среды. Под предлогом конфиденциальности деловой информации промышленность не позволяет общественности ознакомиться даже с теми скудными данными, которые она обязана предоставлять государственным органам. Оценки риска, механизмы приведения в действие системы контроля, параметры токсичности и пороговые минимальные показатели, используемые в существующем  экологическом законодательстве  многих стран, включая США и ЕС, рассчитаны на параметры токсичности массивных, а не наноматериалов. Метрики, используемые в существующем законодательстве, например, соотношение между массой и временем воздействия, недостаточны для наноматериалов. В существующем законодательстве не предусмотрен анализ  жизненного цикла материалов и имеются другие регулятивные пробелы. Для того чтобы устранить эти недостатки, необходима система работы с наноматериалами, позволяющая сохранить экологическое равновесие.

V.        Открытость

Для оценки и контроля за наноматериалами требуются механизмы, которые обеспечивали бы открытость такой деятельности, включая маркировку потребительских товаров, которые содержат наноматериалы, право на получение информации о соответствующих законах и защитных мерах, а также разработку общедоступной базы данных по проблемам охраны здоровья и безопасности.

Общественность имеет право быть в курсе дел, чтобы иметь возможность сделать основанный на информации выбор. Опросы показывают, что подавляющее большинство населения не имеет даже самого элементарного представления о нанотехнологиях или о наличии наноматериалов в потребительских товарах. Во многих случаях изготовители не сообщают информацию о возможном вреде для здоровья или о результатах тестирования своей продукции и даже не маркируют изделия, которые содержат наноматериалы. В результате этого население  не может сделать основанный на информации выбор в отношении продукции, содержащей наноматериалы. Право населения на получение информации означает, что все изделия, содержащие наноматериалы, должны соответствующим образом маркироваться. Более того, маркировка продукции облегчает документальное подтверждение возможного попадания наноматериалов в окружающую среду, а также воздействия на человеческий организм; при этом производителю не удастся избежать ответственности в случае наступления неблагоприятных последствий.

Данные о тестировании продукции на предмет ее безопасности должны быть доступны для общественного контроля. Учитывая тот факт, что в прошлом промышленности не удавалось предотвратить воздействие вредных веществ на занятых в производстве работников, а также попадание таких веществ в окружающую среду, для эффективного контроля необходимо ограничить использование режима конфиденциальности в отношении наноматериалов. Должны соблюдаться положения международных соглашений относительно доступа общественности к информации.

VI.      Участие общественности

Потенциал нанотехнологий для преобразования социального, экономического и политического ландшафта во всем мире требует полного участия общественности в обсуждении связанных с ними проблем и в процессах принятия решений. Эти процессы должны быть открытыми, и в них должны иметь возможность участвовать в равной мере все заинтересованные стороны. Альянсы между государственными органами и корпорациями (так называемые "партнерства между государством и частным сектором") подрывают демократические идеалы и принципы контроля, когда они перестают быть открытыми и подотчетными обществу. Население всех стран, а также будущие  поколения должны рассматриваться как заинтересованные стороны в данном процессе.

Участие должно также быть значимым: общественность должна активно участвовать в выработке политики и принятии решений, а не просто выслушивать после совершившегося факта «разъяснения» представителей правительства или промышленности, цель которых состоит в том, чтобы успокоить полемику и добиться одобрения своих действий. Для значимого участия общественности необходимо, чтобы государство взяло на себя определенные обязательства и обеспечило достаточное финансирование.

Наконец, для полного участия общественности требуется демократическим путем охватить весь спектр процессов разработки и использования нанотехнологий, и на каждом этапе разработки необходимо обеспечить постоянный учет интересов населения, его ценностей и предпочтений для организации необходимого контроля за нанотехнологиями.  Вместо того, чтобы исходить из неверной предпосылки, что технологические преобразования неизбежны или что они всегда идут на благо общества, процессы проектирования нанотехнологических устройств и систем следует согласовывать с общественными потребностями, которые могут быть определены в ходе основанных на информации дискуссий и открытого принятия решений с участием тех людей, которых касается данная проблема. Особые усилия следует предпринять для того, чтобы в этом процессе участвовали люди, живущие в бедных районах, которые в прошлом пострадали больше других от развития новых технологий.

VII.    Учет воздействия нанотехнологий в более широком контексте

На всех этапах разработки нанотехнологий должно учитываться их влияние в самом широком контексте, в том числе этические и социальные аспекты. Важно также оценить импорт и экспорт товаров, содержащих наноматериалы.

Наноматериалы не только представляют риск для здоровья, безопасности и окружающей среды, но и вызывают социально-экономические проблемы в более широком плане. Например, по мере все большего распространения наноматериалов может быть нарушено функционирование рынков существующих предметов потребления, что чревато разрушительными последствиями для экономики развивающихся стран, зависимых от этих товаров (то есть, для самых бедных стран). Необходимо рассмотреть негативные последствия выдачи патентов на основные наноматериалы (что может рассматриваться как приватизация строительных элементов самой природы) и принять соответствующие меры. Более того, будущие поколения нанотехнологий, в том числе создание более сложных наноприборов для производственных, военных или медицинских нужд (включая расширение природных возможностей человека), могут наряду с социальными и этическими проблемами представлять целый комплекс рисков. В некоторых лабораториях уже разрабатываются вирусы, дрожжевые грибки и бактерии для производства наноматериалов. Исключительную важность представляет широкая общественная дискуссия по этим вопросам.

Как и в случае со всеми новыми технологиями, направление развития нанотехнологии будет зависеть от распределения средств на ведение научных исследований. Наряду с анализом влияния нанотехнологии с позиций науки о здоровье и экологической науки необходимо проведение такого анализа с позиций социальных наук. При распределении государственных средств на такие исследования необходимо руководствоваться такими соображениями, как социальные эффекты нанотехнологий, их оценка с этической точки зрения, беспристрастность, справедливость и предпочтения конкретных групп местного населения. Значительная часть этих исследований должна быть связана с интересами местного населения и организована таким образом, чтобы  поощрять участие общественности. Недопустимым представляется нынешнее положение, когда на военные исследования выделяются чрезмерно большие средства, при совершенно недостаточном финансировании исследования социальных проблем, связанных с нанотехнологиями, а также возможных рисков  для здоровья населения и рабочих, а также для окружающей среды. Требуется более глубоко изучить влияние нанотехнологий на экологию, здоровье и безопасность населения, а также возможные социально-экономические последствия. Такие исследования должны проводиться, в том числе, в привязке к конкретным территориям, что могло бы  помочь гражданам понять потенциальные выгоды и опасности нанотехнологических  проектов, осуществляемых на этих территориях. Такие исследования должны финансироваться государством и проводиться по заказу государственных органов, которые имеют полномочия осуществлять контроль и проводить исследования влияния технологий на окружающую среду, здоровье и безопасность населения, а также их возможных социально-экономических последствий. Все результаты этих исследований должны быть открыты для общественности.

VIII.  Ответственность производителей

Количество наноматериалов на рынке стремительно растет. Их расхваливают как чудесные вещества с замечательными свойствами, благодаря которым они желанны почти в любом секторе экономики. Как и в случае с асбестом, когда он впервые появился на рынке, влияние наноматериалов на окружающую среду и здоровье человека пока еще слабо изучено. Наноматериалы еще в большей степени, чем асбест, обладают такими свойствами (форма, размер, реакционная способность), которые могут сделать их особенно опасными. Наноматериалы продаются населению в виде компонентов потребительских товаров, причем никто не  предупреждает об их потенциальной опасности. Кроме того, как и табачная промышленность, нанотехнологические отрасли, по-видимому, вполне довольны тем, что их продукция реализуется на рынке, а сами они не вполне понимают потенциальный риск от ее использования и не информируют население об этом риске.

Все, кто выводит нанопродукцию на рынок, включая  разработчиков наноматериалов, коммерческих потребителей, изготовителей товаров, содержащих наноматериалы, и представителей розничной торговли, которые продают содержащую наноматериалы продукцию населению, должны нести ответственность за тот ущерб, который она может причинить. И хотя чаще всего, по-видимому, нанотехнологической отрасли придется иметь дело с претензиями к качеству выпускаемой продукции, существенными представляются и другие формы ответственности, включая ответственность за небрежность, вторичную ответственность, ответственность за ущерб, фальсификацию и ведение в заблуждение. Кроме того, режимы контроля за наноматериалами должны предусматривать финансовые механизмы, функционирующие за счет средств изготовителей и торговли и обеспечивающие компенсацию (или возмещение) любого потенциального ущерба окружающей среде и здоровью населения или работников. В числе потенциальных потерпевших сторон могут быть отдельные физические лица, группы людей, которым был нанесен одинаковый ущерб (например, рабочие или пользователи потребительских товаров), федеральные, региональные и местные органы власти (или их подразделения), иностранные государства, инвесторы, страховые компании и профсоюзы. И те, кто финансирует коммерциализацию, и те, кто активно занят в секторах нанотехнологии, несут ответственность за обеспечение экологичности продукции и за любой ущерб, понесенный из-за того, что они не  приняли предупредительных мер для защиты людей или окружающей среды.

Те, кто приветствует нанотехнологическую "революцию", предсказывают, что она приведет к стремительным и масштабным изменениям  во всех сферах жизни человека. Необходимо действовать осмотрительно, чтобы обеспечить безопасность и сохранить здоровье населения и работников; сохранить нашу природную окружающую среду; обеспечить участие общественности и демократическое решение вопросов, связанных с достижением социальных целей; восстановить доверие общества к проводимым государством и научными учреждениями исследованиям и обеспечить их поддержку; обеспечить рентабельность в долгосрочной перспективе. Все компетентные органы и все заинтересованные стороны должны принять необходимые меры для осуществления вышеупомянутых принципов контроля над нанотехнологиями и наноматериалами и для того, чтобы эти принципы стали неотъемлемой частью системы норм и ценностей общества.

4.2 Нанометрология

Нанометрология - наука, изучающая способы передачи принятых единиц измерения от эталона к объектам, линейные размеры которых лежат в интервале от 0,1 нм до 100 нм. Механически изготовленные приборы не позволяют измерять длину наноотрезков. Это делают с помощью сложных приборов – электронных и атомно-силовых микроскопов, но для их применения необходимо провести калибровку, то есть создать специальные "нанолинейки". Создавать "нанолинейки" с использованием интерферометров начали в начале 90-х годов прошлого века. Современный интерферометр позволяет измерять перемещение тел с точностью до долей диаметра атома, это достигается детектированием изменения картин интерференции 3-х световых потоков, от одного источника лазерного излучения. Успеха в области создания "нанолинеек" добились исследователи Массачусетского технологического института, которые методом растровой интерференционной литографии на пластине с фоторезитом диаметром 300 мм нанесли периодические насечки, создав, таким образом, своеобразную линейку с ошибкой измерения длины в 1,1 нм. В России производятся такие же "линейки" для измерения длин наноотрезков с ошибкой от 0,5 нм до 3 нм. Удалось также узнать массу отделных нанокластеров и макромолекул. Данной проблемой занимается ОАО "НИИ измерения" (научно-исследовательский и конструкторский институт средств измерения в машиностроении) - основной разработчик современных средств контроля размеров. ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы" - занимается фундаментальными и прикладными исследованиями, направленными на развитие эталонной базы и теории измерений, единственный в России, проводит системные исследования по развитию и совершенствованию правовых и организационных основ метрологической службы страны.

Решение задач нанометрологии осуществляется на основе международного сотрудничества. Надо отметить создание Технического комитета Международной организации по стандартизации (International organization for standardization – ISO) ISO/TC 229 "Нанотехнологии".

С развитием техники, усложнением процессов производства различных высокотехнологичных изделий резко повышаются требования к средствам контроля их геометрических параметров. Для реализации повышенных требований необходимы новые технические решения в области метрологии, включающие создание методов и средств контроля линейных размеров и перемещений, имеющих конечной целью достижением нормированной точности в нанометровом диапазоне (НМД). Полученные исследования позволили установить, что измерения деталей в НМД должны производиться только методом сравнения с аттестованными образцовыми плоскопараллельными концевыми мерами длины.

Разработанный метод сравнения на новых приборах обеспечивает:

  • идентичность методу аттестации концевых мер длины на интерференционном компараторе;
  • идентичность контакта, что обеспечивает единство измерения при воспроизведении аттестованной длины концевой меры на новых приборах;
  • идентичность контактного и бесконтактного методов измерения в НМД с одним исходным эталоном – скачок контактной разности потенциалов при межатомном расстоянии между поверхностями.

В результате исследований, в том числе и на основании разработанной методики оценки температурных деформаций, в институте созданы специальное оборудование, методики и средства, решающие ряд проблем нанометрологии, в том числе:

Работа института по созданию образцовых мер, доложенная на НТК Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Госстандарта, получила высокую оценку и рекомендации для участия НИИизмерения в Международном проекте по нанотехнологиям. ОАО «НИИизмерения» утвержден членом международной рабочей группы Евро-Азиатского сотрудничества государственных метрологических учреждений «КООМЕТ» в тематической области «Общая метрология». Направление сотрудничества – «Метрологическое обеспечение нанотехнологий». Тема предусматривает проведение работ по таким направлениям, как метрология линейных измерений в нано- и микрометровом диапазоне, в том числе методы и средства измерений геометрических параметров нанорельефа поверхности материалов, объектов, структур и элементов нанотехнологий.

Решение метрологических задач важно не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения, поскольку наноэталоны могут использоваться в атомно-силовой микроскопии, в частности, для калибровки микроскопов. Ниже кратко представлены основные проблемы нанометрологии и подходы к их решению.

Согласно современному определению, метр — это расстояние, проходимое светом за 1/с секунды, где с = 299792458 м/с — точное значение скорости света в вакууме. На первый взгляд, можно сделать эталон нанометра по технологии метра, то есть предполагать, что нанометр — это расстояние, проходимое светом за 10-9/с секунды, и использовать данное определение в измерениях. Однако тогда необходимо уметь измерять характерные промежутки времени 3·10-19 с, и при доступной в настоящее время точности измерения временных интервалов (10-19 с) погрешность окажется равной 30 %.
Таким образом, эталон нанометра сделать по технологии метра не удается.

В качестве эталонов нанометровых размеров часто используют биологические объекты. Одними из наиболее интересных объектов биологии ХХ века являются вирусы. Величина вирусов варьирует от 10 до 300 нм. В 1935 году американский биохимик У.Стэнли выделил в кристаллической форме вирус табачной мозаики (ВТМ), доказав его молекулярную природу, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Свойства ВТМ широко изучались, еще одна Нобелевская премия была присуждена за полную расшифровку структуры ВТМ. Вирус табачной мозаики состоит из молекулы РНК, свернутой в спираль, и белка-оболочки. Всего в ВТМ содержится 1200 белковых субъединиц, каждые семь образуют структуру, похожую на цветок из семи лепестков. Длина такой структуры составляет 300 нм, а диаметр — 18 нм, что дает эталон длины размера порядка десятков нанометров. Получить такой эталон несложно: нужно посадить на огороде куст, например, помидора, заразить его вирусом ВТМ и научиться выделять частицы вируса из листьев (измельчением и центрифугированием). Полученные таким образом частицы исследовали просвечивающей и сканирующей электронной микроскопией (рис. 1), сканирующей туннельной микроскопией и другими методами. Оказалось, что эталонные размеры практически всегда одни и те же, однако они все же зависят от того, на какую поверхность осаждены частицы вируса. Например, на графите частица вируса на 5 % короче, чем на слюде. Поверхность слюды гидрофильная, и на ней есть мельчайшие капли воды, а поверхность графита гидрофобная, что и обуславливает различие в размерах. Также на размеры может влиять влажность окружающего воздуха и другие факторы. В итоге разброс размеров получается около 1 нм, а точность порядка 5 %.

Рисунок 1. Изображение вируса табачной мозаики, полученное при помощи просвечивающей электронной микроскопии.

Для калибровки просвечивающих электронных микроскопов используется двумерная пленка фермента лизоцима с характерным размером около 3 нм. Также калибровка может производиться по межатомному расстоянию в пленках золота или графита (рис. 2).

Рисунок 2. Атомная структура поверхности графита (размер изображения 1.7Ч1.7 нм).

Гораздо более точный нанометровый эталон может быть сделан на основе пьезокерамики. При этом используется известное свойство пьезоэлектриков изменять свои размеры под действием электрического поля. Для линейной пьезокерамики это свойство описывается законом Δl = d33U, где U — напряжение, приложенное к образцу пьезокерамики, Δl — удлинение образца под действием электрического поля, d33 — постоянная, характеризующая данную пьезокерамику и называемая пьезомодулем. Таким образом, для создания эталона к пьезокерамическому образцу необходимо приложить такое напряжение, чтобы он удлинился на 1 нм. Это можно сделать, используя известные сорта керамики, например, цирконат-титанат свинца (ЦТС), или пьезокристаллы (например, кварц, у которого пьезомодуль равен 2.31*10-12 м/В). Для создания хорошего эталона необходимо использовать чистую пьезокерамику, поскольку примеси и трещины существенно уменьшают пьезомодуль, а также работать вблизи температуры Кюри, то есть нагревать образец. Однако пьезокерамика имеет некоторые недостатки. Во-первых, это явление гистерезиса. Но при неизменном приложенном напряжении величина гистерезиса зависит от электрического поля, то есть от толщины образца, а удлинение от толщины не зависит, поэтому гистерезис можно существенно уменьшить, делая пьезокерамические детали толще. Во-вторых, это нелинейность пьезокерамики, которая выражается в отклонении от линейной зависимости удлинения от напряжения. Обычно нелинейность проявляется тем меньше, чем меньше напряжение. В-третьих, это ползучесть — после приложения напряжения образец удлиняется на некоторую величину, а затем в течение некоторого времени медленно «ползет», то есть удлинение продолжается. Несмотря на эти недостатки, в настоящее время пьезокерамика широко используется в атомно-силовых микроскопах и задачах нанометрологии.

Удивительно, но расстояние в несколько нанометров можно увидеть оптическими методами. Естественно, невооруженным глазом увидеть объект размером 1 нм невозможно. Нельзя различить два объекта, находящихся на расстоянии в несколько нм, и при помощи оптического микроскопа, о чем говорит критерий Рэлея — два точечных источника света можно различить тогда, когда провал между максимумами интенсивности создаваемой источниками картины равен 70 % от максимальной интенсивности. При этом расстояние между максимумами должно быть порядка длины волны, то есть сотен нанометров. Однако можно гораздо точнее зафиксировать положение точечного источника света, если вместо оптического микроскопа использовать цифровую фотокамеру с высоким разрешением. Если при этом интенсивность источника постоянна и у камеры практически нет шумов, то с использованием сложных методов компьютерной обработки изображений можно достичь разрешения около 10 нм.

С точностью десятков нанометров возможно определение положения молекулы ДНК при помощи оптических методов. Для этого к молекуле ДНК прикрепляются флуоресцентные метки разных цветов так, чтобы расстояние между двумя метками одинакового цвета составляло сотни нанометров и эти метки были различимы, а расстояние между метками разного цвета было малым. При этом видны все метки, и положение участков молекулы ДНК определяется с большой точностью. Для увеличения разрешения молекулу ДНК равномерно «прокрашивают» одним цветом и облучают светом от импульсного источника малой интенсивности, при этом в каждый момент времени возбуждается только несколько удаленных друг от друга центров излучения, и участки молекулы «мигают». Применение подобных методов не только позволяет визуализировать и изучать молекулы ДНК, но и показывает, что пределы применимости оптических методов к исследованию наноструктур могут быть существенно расширены (рис. 3).

Рисунок 3. Изображение молекул ДНК, «покрашенных» флуоресцентным красителем. Фото: М. Литвинов. (Подсвеченные гены. Химия и жизнь — XXI век)

Таким образом, в настоящее время существует большое количество методов создания эталонных объектов нанометрового размера и измерения расстояний в нанометровом диапазоне. Многие из них широко используются, однако и у них есть недостатки. Поэтому создание удобного и недорогого эталона нанометра — это задача будущих исследований.

Очевидно, что нанометрология и нанодиагностика – залог нанобезопасности. Россия без нанодиагностики, а соответственно, и метрологии, может захлебнутся опасной зарубежной нанопродукцией. Между тем, методики нанодиагностики и нанометрологии могут стать тем ноу-хау, которое востребовано в мире, и освободит нас от бессмысленного копирования западных технологий. При этом, метрология, как ей это всегда было свойственно, создаст новый качественный уровень для развития нанотехнологий не «на коленке», а на метрологически обоснованной научной и приборной платформе.

Нанометрология должна развиваться в двух направлениях. Первый путь развития заключается в повышении точности существующих методов измерения характеристик макроскопических объектов до наномасштаба и главным образом связан с совершенствованием технологии. Второй путь развития связан с разработкой новых методов измерения характеристик наноразмерных объектов в области размеров, на которых начинают проявляться особые свойства вещества, не присущие макроскопическим объектам.

Поскольку объективной количественной оценкой физической величины является единица величины, то в случае нанообъектов трудно однозначно определить шкалу физической величины. Помимо проблемы создания единиц физических величин в нанометрологии существует также проблема выбора методов и средств измерений, методов определения точности измерений и обеспечения единства измерений.

В настоящее время в связи с развитием нанотехнологии возникла насущная необходимость общего пересмотра определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами. Например, квантовый эффект Холла, приводящий к квантованию сопротивления в двумерных электронных системах , где . Высокая точность, стабильность и воспроизводимость величины RH позволяет считать ее эталоном сопротивления. Квантовый электрический стандарт [6] может быть представлен метрологической триадой, связывающей измеряемые величины (напряжение V, сила тока I и частота v) с квантовыми эффектами: нестационарный эффект Джозефсона (), квантовый эффект Холла () и эффект одноэлектронного туннелирования ().

Решение всех вышеперечисленных задач требует создания фундаментальных основ нанометрологи, в частности: исследование физических, химических механических, трибологических, оптических, электрических свойств нанообъектов; определение предельных параметров нанообъектов, при которых их свойства начинают качественно отличаться от свойств макроскопических объектов; определение характеристик нанообъектов, измерение которых необходимо для разработки методик метрологического обеспечения и создания эталонов нанообъектов; пересмотр физического смысла определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами, и флуктуационными явлениями, характерными для нанообъектов. Сложность решения данных задач обусловлена качественными изменениями свойств вещества в наномасштабах по сравнению с макроскопическими объектами и флуктуационной природой формирования и свойств нанообъектов.