Ни об одной теме в материаловедении за последние тридцать лет не строили столько прогнозов, сколько о нанотехнологиях, а полезный взгляд на неё с точки зрения кадров куда скромнее, чем эти прогнозы.
Должность, которой почти не существует
Почти никто не ищет «нанотехнолога». Ищут инженера-технолога на полупроводниковую фабрику, специалиста по рецептурам, работающего с дисперсиями наночастиц, специалиста по характеризации материалов, инженера по покрытиям или учёного, занимающегося доставкой лекарств.
Все это — нанотехнологические должности, но ни одна из них так не называется.
Если считать нанотехнологии отраслью, получится кадровый план, в котором людям некуда деться. Если считать их компетенцией внутри уже существующих функций, план работает.
А значит, практический вопрос для компании не в том, создавать ли нанотехнологическую компетенцию. Вопрос в том, каким из существующих команд нужно понимать наноуровень, чтобы качественно делать свою работу.
Что входит в направление
Охват: материалы на наноуровне, изготовление, характеризация, наноэлектроника и наномедицина.
Четыре блока.
Явления на наноуровне. Почему меняются свойства — об этом ниже.
Изготовление. Подходы «сверху вниз» — литография и травление — и подходы «снизу вверх», включая самосборку и химический синтез.
Характеризация. Электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, спектроскопия и рассеяние. Инструменты, которые показывают, что вы на самом деле получили.
Применения. Наноэлектроника, которая связана с доменом полупроводников, наномедицина, связанная с биоматериалами и доставкой лекарств, а также покрытия, катализаторы и композиты.
Почему маленький размер меняет поведение материала
Физическая основа простыми словами — она объясняет и перспективы, и проблемы.
Начинает доминировать площадь поверхности. Чем меньше частица, тем большая доля её атомов оказывается на поверхности. А поскольку химия происходит именно на поверхности, реакционная способность резко растёт. Поэтому катализаторы из наночастиц работают хорошо — и поэтому же некоторые наноматериалы биологически активнее, чем то же вещество в обычном, «объёмном» виде.
Появляются квантовые эффекты. Ниже определённого размера электронные и оптические свойства начинают зависеть от размера частицы. Цвет квантовой точки зависит от её диаметра — у объёмного материала такого свойства просто нет.
Начинают преобладать другие силы. На этом масштабе поверхностные силы значат больше, чем гравитация, — поэтому наночастицы слипаются, и удержать их в диспергированном состоянии — не техническая деталь, а центральная практическая проблема.
Именно из-за последнего пункта случается большинство коммерческих разочарований. Наноматериал, который отлично показывает себя в лабораторной дисперсии, в реальной рецептуре часто слипается — и начинает вести себя как тот самый обычный материал, который он должен был улучшить.
Место направления в домене
«Нанотехнологии» — шестое из одиннадцати направлений в домене Advanced Materials Astra Trainer, и его чаще всего берут не отдельно, а в дополнение к другому направлению: с электронными и полупроводниковыми материалами, с энергетическими материалами — для катализаторов и электродов батарей, с биоматериалами — для доставки лекарств, и с поверхностной инженерией — для покрытий.
На межпредметном уровне направление связано с доменом Semiconductors, Electronics and Quantum, где эти инструменты ежедневно используют при проектировании чипов и производстве полупроводников, а также с доменом Medicine and Healthtech. Уроки идут по пять минут, поэтому сотрудники лабораторий и фабрик добавляют их к своей обычной работе. Посмотреть все одиннадцать направлений можно здесь.
Характеризация — вот настоящее узкое место
На практике большинству компаний мешает не изготовление наноматериалов. Мешает то, что они не знают, что именно у них получилось.
Четыре причины.
Это нельзя увидеть напрямую в обычный микроскоп. Характеризация означает электронную микроскопию, сканирующую зондовую микроскопию или косвенные методы — у каждого свои требования к подготовке образца и свои артефакты.
Подготовка образца меняет сам образец. Высушивание дисперсии для микроскопии вызывает слипание частиц, поэтому на снимке может быть то, чего не было в жидкости. Учитывать это при интерпретации — отдельный навык.
Средние значения скрывают распределение. Заявленный размер частиц — это обычно среднее значение, а характеристики материала часто зависят от распределения, включая «хвост» из крупных частиц, о котором никто не сообщает.
Методы дают разные ответы. Разные методы измерения размера меряют разные вещи и дают разные цифры для одного и того же образца. Знать, что означает каждое число, — отдельная компетенция.
Кадровый вывод: компания, которая закупает или производит наноматериалы без компетенции в характеризации, принимает на веру заявления поставщика, которые не может проверить. Это та же проблема, что с сертификатом соответствия в металлургии, только на порядок меньшего масштаба.
Безопасность: вопрос не закрыт, и об этом нужно говорить в обучении
Этот раздел намеренно неудобный, потому что честная позиция такова: наука пока не даёт полной картины.
Что установлено достаточно надёжно: некоторые искусственные наноматериалы ведут себя в биологических системах иначе, чем то же вещество в обычном виде; вдыхание — основной путь профессионального воздействия, вызывающий беспокойство; а наноматериалы волокнистой формы привлекают особое внимание из-за общей обеспокоенности стойкими респирабельными волокнами.
Что не установлено: общая модель, позволяющая по свойствам предсказать, какие наноматериалы опасны, и согласованные гигиенические нормативы воздействия для большинства из них. Регуляторные подходы в разных странах различаются и продолжают развиваться.
Поэтому ответственная практика в промышленности строится не на нормативах, а на мерах контроля: герметизация, минимизация выброса в воздух, подходящая вентиляция и средства защиты органов дыхания, а порошки следует считать формой максимального риска.
Программа обучения, которая подаёт безопасность наноматериалов как решённый вопрос с известными нормативами, учит неправде. Программа, которая учит подходу на основе контроля и прямо говорит, что картина опасности ещё формируется, готовит людей, которые правильно ведут себя в условиях неопределённости, — а именно это и требуется на практике.
Роли по именам
Специалисты по характеризации материалов. Электронная и сканирующая зондовая микроскопия. Самый широкий спрос и реальный дефицит людей, умеющих не просто управлять оборудованием, а интерпретировать результаты.
Инженеры-технологи полупроводникового производства. Наноразмерное структурирование как повседневная работа.
Специалисты по рецептурам, работающие с дисперсиями наночастиц в покрытиях, косметике, чернилах и фармацевтике.
Специалисты по катализу, связанные с энергетикой и промышленной химией.
Учёные, занимающиеся доставкой лекарств, связанные с биоматериалами и разработкой фармпрепаратов.
Инженеры по тонким плёнкам и покрытиям.
Техники чистых помещений и нанофабрикационных участков. Обслуживают общее оборудование — недооценённая, но неизменно нужная роль.
Специалисты по гигиене труда с компетенцией в наноматериалах. Небольшая группа, но она нужна везде, где работают с порошками в промышленных объёмах.
Кого можно обучить для этих ролей
Лаборанты и микроскописты. Самый короткий путь. Уже работают с оборудованием, и им часто не хватает именно навыка интерпретации и понимания артефактов.
Химики. Путь в синтез, диспергирование и рецептуру — именно там живёт практическая сложность.
Технологи полупроводникового производства. Уже ежедневно работают на этом масштабе, но редко считают это нанотехнологиями — из-за чего не видят для себя такого карьерного пути.
Технологи покрытий и лакокрасочных материалов. Путь в системы, модифицированные наночастицами.
Специалисты по фармацевтическим рецептурам. Путь в наномедицину и системы доставки.
Специалисты по гигиене труда и охране труда и экологии. Путь в оценку воздействия наноматериалов — реальный пробел в большинстве компаний, которые с ними работают.
Контроль воздействия и регуляторный статус. Искусственные наноматериалы подпадают под развивающееся и специфичное для каждой юрисдикции регулирование, а согласованные гигиенические нормативы воздействия для большинства из них отсутствуют. Работа с порошками требует герметизации, вентиляции и средств защиты органов дыхания, определённых по итогам квалифицированной оценки риска, а для отдельных материалов могут требоваться дополнительные меры. Обучение формирует понимание картины опасности и принципов контроля. Оно не заменяет оценку риска, не устанавливает нормативы воздействия и не подтверждает соответствие требованиям для конкретного материала или объекта.
Что важно вынести
Нанотехнологии — это компетенция, которая применяется внутри других функций, поэтому кадровый вопрос не в том, создавать ли отдел, а в том, каким из существующих команд она нужна.
Площадь поверхности и квантовые эффекты — причина, по которой эта область вообще существует, а слипание частиц — причина, по которой так много проектов разочаровывает в коммерческом плане.
Характеризация — настоящее узкое место. Без неё вы принимаете на веру заявления, которые не можете проверить.
Именно на масштабировании от лаборатории до производства проваливается большинство проектов с наноматериалами — по той же причине, что и в биопроизводстве: условия меняются, и материал на это реагирует.
А картина безопасности действительно ещё не устоялась, поэтому учите практике на основе контроля и говорите об этом прямо, а не делайте вид, что существуют нормативы, которых на самом деле нет.
Нанотехнологии — это профессия?
Не как название должности. Это компетенция внутри полупроводникового производства, рецептур, характеризации, покрытий, катализа и доставки лекарств — именно под этими названиями и публикуют вакансии.
Почему наноматериалы ведут себя иначе?
Потому что значительная доля их атомов оказывается на поверхности, что повышает реакционную способность, а квантовые эффекты делают некоторые свойства зависимыми от размера ниже определённого масштаба.
Что сильнее всего мешает коммерческому успеху?
Слипание частиц и масштабирование. Материал, который отлично показывает себя в лабораторной дисперсии, в реальной рецептуре часто слипается и начинает вести себя как тот обычный материал, который должен был улучшить.
Безопасно ли работать с наноматериалами?
Картина опасности ещё формируется, и для большинства искусственных наноматериалов согласованных гигиенических нормативов не существует. Ответственная практика строится на контроле: герметизация, вентиляция и средства защиты органов дыхания, а порошки считаются формой максимального риска.
Какое место это направление занимает в домене?
Шестое из одиннадцати направлений в домене Advanced Materials Astra Trainer, которое чаще всего берут вместе с электронными материалами, энергетическими материалами, биоматериалами или поверхностной инженерией. Посмотреть все направления можно здесь.