Материалы нового поколения и нанотехнологии

8
разделов
29
технологических направлений

Глобальные мегатренды технологического развития

 Новые материалы и нанотехнологии являются «сквозными» технологиями, которые определяют развитие в различных областях человеческой деятельности – от энергетики и компьютерных систем до медицины.

 В настоящее время происходит переход к новым типам материалов с «настраиваемыми» свойствами и объединение производств отдельных материалов и устройств, создаваемых на их основе.

 В конечном продукте не только учитываются свойства материалов, но и задаются требования к их разработке и производству.

Рост спроса на высокотехнологичные и традиционные товары с новыми потребительскими характеристиками ставит новые задачи при разработке материалов и требует использования нанотехнологий.

 

Тренды

  • Рост спроса на высокопроизводительную вычислительную технику на базе мемристоров и новую портативную электронику (в т. ч. на основе углеродных наноматериалов)
  • Сквозная цифровизация процессов разработки, моделирования, испытаний и производства продукции
  • Переход к использованию экологически чистых альтернативных источников энергии, распространение систем распределенной энергетики
  • Внедрение новых систем аккумулирования энергии
  • Снижение рыночной стоимости разработки новых композиционных материалов, интеллектуальных и настраиваемых функциональных и конструкционных материалов
  • Комбинирование аддитивных и субтрактивных технологий в рамках гибридного подхода (Hybrid Manufacturing Technologies)

Эффекты

  • Повышение функциональности, эффективности и стабильности высокопроизводительной вычислительной техники
  • Распространение экологически чистых технологий преобразования солнечной энергии в электроэнергию с использованием наноматериалов
  • Снижение материалоемкости и затрат в процессе производства высокоэффективных систем аккумулирования солнечной энергетики и ее преобразования в электроэнергию
  • Повышение уровня безопасности жизни и качества городской среды
  • Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов на основе углеродных волокон, модифицированных нанотрубками и фуллеренами
  • Увеличение коэффициента использования материала в аддитивном производстве
  • Производство деталей сложных геометрических форм, которые невозможно сделать традиционными методами
  • Минимизация временных и финансовых издержек на изготовление деталей в гибридном производстве
  • Ускорение перехода от процесса разработки и проектирования к массовому производству

Драйверы

  • Истощение и изменение характера сырьевых ресурсов
  • Рост спроса на материалы с принципиально новыми свойствами
  • Необходимость поиска новых высокоэффективных источников энергии для постепенного замещения нефтепродуктов в энергобалансе
  • Изменение климата и необходимость решения вопросов по улучшению экологической ситуации
  • Повышение требований к надежности систем хранения информации и аккумулирования энергии высокой мощности
  • Снижение стоимости углеродных материалов и увеличение мощностей по их производству
  • Появление новых классов биоразлагаемых материалов
  • Возникновение потребности в максимальной гибкости и скорости производства, кастомизации продукции

Барьеры

  • Сложность адаптации существующих производственных систем к использованию новых материалов
  • Необходимость интеграции производств материалов и новой продукции еще на стадии конструирования
  • Низкая скорость деградации и проблемы при утилизации и рециклинге материалов (в т. ч. композитов)
  • Высокая стоимость мембран и платиносодержащих катализаторов для топливных элементов
  • Невысокая скорость 3D-печати и наличие ограничений в размерах изготовляемой продукции
  • Отсутствие стандартов и регуляторной базы использования новых материалов в ряде секторов

 

Тренды технологического развития в Москве
Основные тренды развития сектора новых материалов и нанотехнологий в Москве в целом соответствуют мировой практике. Тем не менее существует специфика, связанная с особенностями промышленности и транспортной инфраструктуры города, продолжающимся ростом плотности населения и застройки, требованиями по использованию и утилизации большого объема материалов и охране окружающей среды, особенностями климата и др.

 

Тренды

  • Рост потребности в новой портативной электронике и высокопроизводительной вычислительной технике
  • Внедрение топливных элементов и систем аккумулирования энергии в транспортных средствах и др.
  • Развитие технологий утилизации и рециклинга материалов и композитов
  • Внедрение новых систем водо- и воздухоочистки с использованием наноразмерных мембран и катализаторов
  • Внедрение в широкую практику сенсорных устройств, носимой электроники и Интернета вещей
  • Развитие Москвы как «умного» города
  • Производство новых материалов для использования в 3D-печати

Эффекты

  • Рост конкурентоспособности московских предприятий вследствие повышения функциональности и качества высокопроизводительной вычислительной техники
  • Улучшение качества воздуха и экологической обстановки в городе
  • Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду
  • Повышение уровня безопасности жизни и качества городской среды
  • Снижение себестоимости легких и высокопрочных материалов, рост эффективности в строительной отрасли
  • Обеспечение медицинской отрасли материалами отечественного производства
  • Сокращение длительности производственного цикла
  • Увеличение уровня кастомизации и ускорение процесса выхода продукции на рынок
  • Снижение объемов электронного мусора

Драйверы

  • Рост спроса на новые материалы и материалы с новыми свойствами, обусловленный потребностями строительства, медицины и др. сфер
  • Миниатюризация электронного оборудования при одновременном повышении скорости и мощности его действия
  • Активизация политики в области экологии и защиты окружающей среды
  • Повышение требований безопасности при использовании общественного транспорта и современных транспортных систем
  • Появление новых классов биоразлагаемых материалов

Барьеры

  • Значительные финансовые затраты на адаптацию производств к использованию новых материалов
  • Длительный период и высокая сложность внедрения новых материалов при отсутствии развитого производства конечных продуктов
  • Высокие экологические риски при создании средних и крупных производств новых материалов на территории мегаполиса
  • Высокая стоимость мембран и платиносодержащих катализаторов для топливных элементов
  • Ограниченность применения аддитивных технологий из-за зачастую неудовлетворительных свойств используемых материалов

Эффекты реализации научно-технических направлений

  • Повышение эффективности промышленного производства вследствие использования компьютерного моделирования изделий и внедрения технологий 3D-печати высокой точности
  • Сокращение производственных издержек вследствие использования новых материалов как для связующих веществ (новых и усовершенствованных термопластов и их компонентов, разбавителей и др.), так и для наполнителей (углеродные волокна, другие типы углеродных материалов, базальтовое волокно и др.)
  • Развитие энергосберегающих технологий, в том числе волоконно-оптической связи, литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и т. д., на основе наноструктурированных форм углерода
  • Оптимизация работы топливно-энергетического комплекса ввиду увеличения срока эксплуатации электростанций, снижения объемов загрязняющих газов, попадающих в атмосферу, и перехода к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ)
  • Модернизация строительных технологий и трансформация архитектуры зданий в результате внедрения материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами
  • Повышение качества медицинского обслуживания за счет улучшения функциональных свойств медицинских изделий, произведенных при помощи аддитивных технологий; новых полимерных, биоразлагаемых, биосовместимых материалов и адгезивов
  • Ускоренный переход к превентивной и персонализированной медицине благодаря более широкому распространению новых материалов для электроники, в том числе для мобильных систем мониторинга здоровья и средств ранней диагностики заболеваний
  • Расширение сфер использования электроники нового поколения из-за появления возможности печати нано- и микросистемной техники, а также придания гибкости этим устройствам
  • Повышение безопасности и качества пищевых продуктов за счет применения биопрепаратов для защиты и повышения урожайности агрокультур, проточной цитометрии для контроля качества продукции и др.

 

    КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
ОБЛАСТИ
НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ 
РЫНОЧНЫЕ НИШИ
МИР МОСКВА
    ЕМКОСТЬ СЕГМЕНТА,
МЛРД. ДОЛЛ.
ТЕМП РОСТА
CAGR %
ПРИБЫЛЬНОСТЬ УРОВЕНЬ
КОНКУРЕНЦИИ
ЕМКОСТЬ СЕГМЕНТА ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ИМПОРТА

 

Конструкционные и композиционные материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами
«Самозалечивающиеся» материалы
Биоразлагаемыеполимеры
Полимеры с эффектом «памяти формы»

 

$0.12 млрд 2016

$1.1 млрд 2018
-

 

27.2% 2018–2026

20.5% 2017–2023
15% 2018–20236
 
 

-

 
 
 

 

 
 
 

 

 
 
 

 


 

Углеродные наноматериалы Графеновые нанопластины $0.02 млрд 2016 38% 2017–2025
 
 
 
 
  Углеродные нанотрубки $4.6 млрд 2018 17% 2018–2023
 
 
 
 
  Фуллерены $7 млрд 2019 14% 2015–2019
 
 
 
 
  Наноалмазы $1.5 млрд 2020 -
 
 
 
 

 

Материалы для аддитивного производства  Фотополимеры $0.6 млрд 20171 21% 2018–2023
 
 
 
 
  Термопласты $17 млрд 2017 6.2% 2017–2023
 
 
 
 
  Металлические порошки $0.2 млрд 2015 3.8% 2015–2020
 
 
 
 

 

Биомиметические материалы и материалы медицинского назначения 3D-печать медицинских изделий (биосенсоров, протезов, имплантов и т. д.) $0.6 млрд 2017 21% 2018–2024
 
 
 
 
  Носимые медицинские устройства $6.2 млрд 2017 18.3% 2018–2022
 
 
 
 
  Эпигенетические тесты  $4.6 млрд 2017 15% 2018–2026
 
 
 
 
  Новые полимеры для медицины $12.3 млрд 2016 13% 2016–2022
 
 
 
 
  «Умные» лекарства $0.26 млрд  12% 2018–2025
 
 
 
 

 

Новые материалы и нанотехнологии для энергетики Квантовые точки (полупроводниковые нанокристаллы) $2.6 млрд 2018 27% 2018–2023
 
 
 
 
  Топливные элементы $6.5 млрд 2018 21% 2018–2025
 
 
 
 
  Микро-комбинированные теплоэнергетические устройства $2.3 млрд 2015 14.2% 2016–2020
 
 
 
           –
  Солнечные батареи нового поколения $31 млрд 2016 11% 2017–2022 
 
 
 
 
  Мембранные установки $7.3 млрд 2016 10.3% 2017–2021
 
 
 
 

 

Новые материалы для электроники  Наносенсоры $0.09 млрд 2016 74% 2017–2023
 
 
      –       –
  Мемристоры $3.3 млрд 2016 70% 2016–2022
 
 
 
 
  Печатная электроника  $6.8 млрд 2018 14.9% 2018–2023
 
 
      –       –
  Молекулярная электроника и биоэлектроника $16.5 млрд 2017 12% 2017–2022
 
 
      –       –
  Гибкая электроника  $23.9 млрд 2018 11% 2018–2023
 
 
 
 

 

Новые технологии для агропрома и пищевой промышленности Биопрепараты для защиты и повышения урожайности агрокультур $6.8 млрд 2017 13.8% 2017–2022
 
 
 
 
  Наномембраны для очистки воды $0.4 млрд 2018 12.9% 2019–2025
 
 
 
 
  Проточная цитометриядля контроля качества ферментируемых продуктов $3.3 млрд 2016 10.6% 2018–2025
 
 
 
 

 

Компьютерные технологии проектирования, моделирования и диагностики материалов различного типа Проектирование новых материалов на атомном/ кристаллическом уровне и создание их виртуальных моделей $5.2 млрд 2015 9.3% 2016–2025
 
 
 
 

 

Конструкционные и композиционные материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами

 
«Самозалечивающиеся» материалы
 
Биоразлагаемыеполимеры

 

 
Полимеры с эффектом «памяти формы»

 

 

Углеродные наноматериалы

 
Графеновые нанопластины
 
Углеродные нанотрубки

 

 
Фуллерены

 

 
Наноалмазы

 

 

Материалы для аддитивного производства 

 
Фотополимеры
 
Термопласты

 

 
Металлические порошки

 

 

Биомиметические материалы и материалы медицинского назначения

 
3D-печать медицинских изделий (биосенсоров, протезов, имплантов и т. д.)
 
Носимые медицинские устройства

 

 
Эпигенетические тесты 

 

 
«Умные» лекарства
Новые полимеры для медицины
 

 

 

Новые материалы и нанотехнологии для энергетики

 
Квантовые точки (полупроводниковые нанокристаллы)
 
Топливные элементы

 

 
Микро-комбинированные теплоэнергетические устройства

 

 
Мембранные установки 
 
Солнечные батареи нового поколения

 

 

Новые материалы для электроники 

 
Наносенсоры
 
Мемристоры

 

 
Печатная электроника

 

 
Гибкая электроника 
 
Молекулярная электроника и биоэлектроника

 

 

Новые технологии для агропрома и пищевой промышленности

 
Биопрепараты для защиты и повышения урожайности агрокультур
 
Наномембраны для очистки воды

 

 
Проточная цитометриядля контроля качества ферментируемых продуктов

 

 

Компьютерные технологии проектирования, моделирования и диагностики материалов различного типа 

 

 

 
Проектирование новых материалов на атомном/ кристаллическом уровне и создание их виртуальных моделей