Материалы лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий. Очиститель воздуха для подводных лодок
Bauman Moscow State Technical University
1
Б е л и к ов А н д р е й И в а н ов и ч, к. т. н. , д о ц е н т
к а ф е д р а М Т - 11 " Эл е к т р о н н ы е т ех н о л о г и и в м а ш и н о с т р о е н и и "
Основы наноэлектроники и
нанотехнологий
Москва, 2014
Цель и задачи дисциплины
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Цель и задачи дисциплины
2
Формирование знаний в области наноматериалов,
наносистем и устройств наноэлектроники, реализации
процессов получения наноматериалов и наносистем для
широкого спектра технических областей.
1. Наноэлектронные приборы, используемые эффекты.
2. Наноструктурные материалы
3. Методы измерений и исследования наноматериалов
4. Нанотехнологии
Фактор «НАНО-»
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Фактор «НАНО-»
3
Р.Фейнман:
«Контроль и управление строением вещества в очень малых размерах
являют малоизученную область физики, которая представляется весьма
важной и перспективной и может найти множество ценных
технических применений…».
Э.Теллер (один из создателей американской термоядерной бомбы),
середина ХХ века:
«Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в
техносфере следующего столетия».
Научно-технические революции:
– 1-я, - промышленная;
– 2-я, - электронная;
– 3-я, - нанотехнологическая.
Субъекты «НАНО-»
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Субъекты «НАНО-»
4
Наноматериалы – материалы со структурными элементами,
геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не
превышают 100 нм, обладающие вследствие этого качественно новыми
свойствами.
Нанотехнология – совокупность методов и средств, обеспечивающих
манипулирование веществом на атомном и молекулярном уровнях с
целью производства конечных продуктов с заранее заданной
наноразмерной структурой.
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на
основе нанотехнологий и наноматериалов функционально законченные
системы и устройства, характеристики которых кардинально
отличаются от показателей систем и устройств аналогичного
назначения, созданных по традиционным технологиям электроники
при использовании микро- и макрообъемов веществ.
История. Странные совпадения?!
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История. Странные совпадения?!
1908 г. – немецкий физик Густав Ми (1869-1957)
разрабатывает теорию окрашивания стекла
металлическими частицами различной природы и
формы - дает полное решение уравнений Максвелла
для рассеяния электромагнитных волн на
сферических частицах размером от 10 нм. «Вопросы
оптики мутных сред, в особенности коллоидных
металлических растворов» («рассеяние Ми»)
1928 г. – открытие Г.А.Гамовым (1904-1968 гг)
туннельного эффекта, который лежит в основе
современных методов исследования наноструктур.
Гамов Георгий Антонович (1904-1968),
известный советско- американский физик-теоретик.
5
Отступление
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Отступление
6
В 1924 году в Ленинград приехал Лев Давидович Ландау (1908-1968),
чуть позже – Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994). Гамов,
Ландау и Иваненко создали группу («три мушкетера»), занимались
теоретической физикой.
Летом 1928 года Георгий Антонович Гамов занялся теоретической
ядерной физикой – в Германии, куда был направлен в Геттингенский
университет, один из центров квантовой физики, пытался выяснить,
как квантовая теория может изменить восприятие ядра атома. В
библиотеке Георгий Антонович нашел статью Эрнеста Резерфорда, в
которой описывался эксперимент по рассеянию альфа-частиц в уране,
но не согласился с выводами Резерфорда. Оказалось, что Лев Давидович Ландау
обнаруженное Резерфордом явление хорошо описывается волновой
механикой, где не существует непроницаемых барьеров. Поэтому,
вернувшись из библиотеки Георгий Антонович Гамов записал
формулу,
описывающую
возможность
такого
волновомеханического
проникновения.
Другими
словами,
он
сформулировал квантово-механическую теорию a-распада, одного из 4
типов радиоактивности, (независимо от Р.Герни и Э.Кондона), дав
первое успешное объяснение поведению радиоактивных элементов.
Показал, что частицы даже с не очень большой энергией могут с
определенной вероятностью проникать через потенциальный
барьер (туннельный эффект). Это сделало Г.А.Гамова знаменитым
во всем мире.
Дмитрий Дм. Иваненко
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
7
1931 г. – немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска (Нобелевская премия 1986 г.) создают
просвечивающий электронный микроскоп.
1938 г. – создание сканирующего электронного микроскопа
1939 г. – компания Siemens, в которой работал Эрнст Руска, выпускает первый коммерческий
электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
1956 г. – А.Улир (A. Uhlir), Bell System, открывает нанопористый кремний.
1959 г. – американский физик Ричард Фейнман. Выдвинул основные идеи нанотехнологии возможность манипулирования на атомном уровне, исследование и контроль в нанометровом
диапазоне, «Там внизу еще много места» (“There’s plenty of room at the bottom”). Днем
рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г.
1966 г. – американский физик Рассел Янг (Национальное бюро стандартов), изобретает
пьезодвигатель.
Сканирующие
туннельные
микроскопы
и
позиционирование
наноинструментов с высокой точностью.
1968 г. – Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской
компании Bell, разрабатывают теоретические основы нанотехнологии при обработке
поверхностей с атомарной точностью.
1971 г. – Рассел Янг выдвигает идею прибора Topografiner, послужившего прообразом
зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств
объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению
их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие
исследуемое вещество.
1974 г. – японский физик Норио Танигучи (Токийский университет) вводит термин
«нанотехнология» в отношении конструкционных материалов с наноразмерной структурой.
История создания основ нанотехнологий
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История создания основ нанотехнологий
8
1977 г. – американcкий студент MIT Э.Дрекслер (г.р.1955)
вводит термин «нанотехнология», - гипотетическая сборка
объектов из молекулярных цепочек.
1981 г. – реализован способ получения малых металлических кластеров.
Г. Глейтером разработана концепция наноматериалов, главная роль
в которой была отведена поверхностям раздела, позволяющим
существенно изменить свойства твердых тел.
1982 г. – в Цюрихском исследовательском центре IBM физики
Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г.) создают
Эрик Дрекслер
сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
1983 г. – В.Н.Лаповка и Л.И.Трусова, нанокристаллический никель, с твердостью в два
раза выше твердости поликристаллического образца.
1985 г. – американские химики: профессор Ричард Смэлли, Роберт Керл и Гарольд Крото
(Нобелевские лауреаты 1996 г.) открывают фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов
углерода, расположенных в форме сферы.
1986 г. – немецкий физик Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой
зондовый микроскоп – визуализация и манипулирование атомами любых материалов.
1986 г. – американский ученый Ким Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории
искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, издает книгу
«Машины созидания» («Engines of Creation»), где предлагает идею нано «ассемблера»,
молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в
том числе и себе подобных) из подручных молекул.
1987 г. – наблюдают квантовую проводимость на точечных контактах. Т.А. Фултон и Г.Дж.
Долан создают первый одноэлектронный транзистор.
История создания основ нанотехнологий
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История создания основ нанотехнологий
9
1987–1988 гг. – В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича запущена первая
российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц
с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. – Дональд Эйглер, сотрудник IBM выкладывает логотип атомами ксенона.
1990 г. – В США Эли Яблоновичем создан первый фотонный кристалл.
1991 г. – японский профессор Сумио Лиджима (компания NEC), использует фуллерены для
создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время
выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.
1991 г. – В США заработана первая нанотехнологическая программа Национального
научного фонда. В Японии – реализация государственной программы по развитию техники
манипулирования атомами и молекулами (проект "Атомная Технология").
1998 г. – голландский профессор Сиз Деккер (Дельфтский технологический университет)
создает транзистор на основе нанотрубок. Технологии создания нанотруб длиной 300 нм.
1999 г. – американские ученые –профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и
профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) –разрабатывают единые принципы
манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой. 2002 г. Сиз Деккер соединил
углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2000 г. – принятие в США Национальной Нанотехнологической Инициативы
2000 г. – Япония – создание Комитета по нанотехнологиям
2003 г. – профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла,
с помощью АСМ строит образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
2004 г. – Андрей Гейм (1958) и Константин Новосёлов (1974) (Нобелевские лауреаты
2010г.) работы по графену. Двумерные кристаллы BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox
10. Отступление…
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Отступление…
Нобелевский лауреат Р. Хоффман в ответе на вопрос, что такое нанотехнология,
остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название
10
11. Тенденции
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Тенденции
Средства, потраченные из бюджета различных стран на
нанотехнологии в 1997-2005 г.
11
12. Тенденции
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Тенденции
Публикации по тематике нанотехнологий и наноматериалов и по
высокотемпературной проводимости
12
13. Секторы рынка
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Секторы рынка
13
14. Размерный фактор
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Размерный фактор
14
15. Эффекты наноструктур
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Эффекты наноструктур
15
1. ФАКТОР РАЗМЕРА.
Наноматериалы и наноустройства состоящие из наноразмерных частей
обеспечивают суперминиатюризацию – расширение функциональных
возможностей электронных систем при уменьшении их размера, существенное
повышение
плотности
магнитной
записи
информации.
Снижение
энергопотребления. Возможность проникать внутрь биологических систем
человеческого тела.
2. ПЛОЩАДЬ/ОБЪЕМ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
Наноматериалы обладают большой удельной площадью поверхности.
Использование в катализе обеспечивает ускорение реакций в тысячи и
миллионы раз. Нанофильтры отделяют бактерии, эффективно поглощают
примеси или токсины. Перенос наночастицами лекарств их активное усвоение.
Эффективные сорбенты. Наноструктурные эффекты в материалах –
качественное повышение характеристик.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ.
Наноразмерные эффекты – качественные изменения характеристик материалов в
связи с проявлением квантовомеханических эффектов за счет вклада
поверхности раздела. Критический размер элемента – соизмерим с так
называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления
(длина свободного пробега электронов, фононов, длина когерентности в
сверхпроводнике, размеры магнитного домена и т.д.).
16. Факторы, определяющие свойства
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Факторы, определяющие свойства
16
17. Междисциплинарность
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Междисциплинарность
ИСТОКИ И БАЗИС НАНО-:
1. ФИЗИКА
2. ХИМИЯ
3. МАТЕМАТИКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ.
4.ТЕХНОЛОГИЯ
5. ОБОРУДОВАНИЕ
17
18. НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
XII International Conference
of Nanostructured Materials
Lomonosov Moscow State University
13-18 July, 2014
11 секций,
975 докладов и презентаций!
18
19. НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
19
РАЗДЕЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ:
Section 01. Formation, Shaping and Self-assembly of Inorganic Nanoparticles; Carbon Nanomaterials.
Формирование, структурирование и самоорганизация неорганических
наночастиц; углеродные наноматериалы.
Section 02. Thin Films and Heterostructures, 2D and 3D Nanofabrication. Тонкие пленки и
гетероструктуры, 2D и 3D нанотехнология.
Section 03. Nanoceramics. Нанокерамики.
Section 04. Bulk Metallic Nanomaterials. Объемные металлические наноматериалы.
Section 05. Nanocomposites and Hybrid Nanomaterials. Нанокомпозиты и гибридные
наноматериалы.
Section 06. Polymer, Organic and Other Soft Matter Materials. Полимерные, органические и
другие мягкие материалы.
Section 07. Nanomaterials for Energy. Наноматериалы для энергетики.
Section 08. Biological and Biomedical Nanomaterials. Биологические и биомедицинские
наноматериалы.
Section 09. Nanomaterials: Mechanics and Applications in Mechanical Engineering. Наноматериалы
для машиностроения.
Section 10. Nanomaterials for Information Technologies, Nanoelectronics and Nanophotonics.
Наноматериалы для информационных технологий, наноэлектроники и
нанофотоники.
Section 11. Nanomaterials and Catalysis. Наноматериалы для катализа.
В настоящее время нанотехнологии - это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук.
Эра «нано» наступит в середине века
Однако, несмотря на значительные достижения, энтузиазм исследователей, все увеличивающееся финансирование этой области и довольно короткие сроки современного промышленного освоения научных разработок в развитых странах (10–15 лет), вряд ли можно рассчитывать, что эра нанотехнологий наступит раньше середины текущего века. Хотя отдельные разработки достаточно широкого использования, несомненно, будут появляться и уже имеются на рынке.
Если мы посмотрим на современный рынок нанопродукции, то увидим, что более 90% его занимают нанопорошки (начали применяться еще в 50-х годах прошлого века, правда, до нанобума они назывались ультрадисперсными), нанокатализаторы и нанопористые материалы (фильтры). Однако наиболее заманчивые и многообещающие приложения нанотехнологий, о которых обычно и идет речь, когда говорят о выдающихся перспективах этой области, находятся еще в стадии фундаментальных исследований.
Имеется в виду развитие и широкое использование нанотехнологий (хотя этого понятия тогда еще не было) в духе знаменитой фейнмановской лекции «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» (декабрь 1959 г.).
Как правильно «уложить» атомы
Элементарными кирпичиками для строительства любого вещества являются атомы и молекулы. «Изделие» с размерами наномасштаба может быть «собрано» из них, если уложить нужные атомы в правильном порядке. При этом, на наш взгляд, не так уж важна конкретная технология такой сборки (это может быть эпитаксиальное выращивание, самоорганизация, химические или биохимические реакции и пр.). Решающим здесь является умение конструировать «наноизделия» с определенными свойствами или функциями, обладание технологиями, которые позволяют с атомной точностью изготовить это «изделие», а также методами комплексной диагностики, включая контроль в процессе изготовления (in situ). И управление на его основе технологическим процессом.
Нанотехнологии такого уровня пока имеются, в основном, лишь в отдельных научных лабораториях. Они базируются на новейших результатах фундаментальных исследований. Более того, последние играют здесь ключевую роль. Исследования физико-химических процессов в нанотехнологиях, разработка методов конструирования, диагностики и исследования наноструктур, наноматериалов и наноустройств, изучение их свойств и новых явлений, возникающих на наноуровне, - по большей части являются и еще долгое время будут оставаться предметом фундаментальных или ориентированных фундаментальных исследований.
Поэтому, если мы хотим в области нанотехнологий и наноиндустрии двигаться в ногу с развитыми странами, то первостепенное внимание должны сосредоточить на фундаментальных исследованиях. Они должны иметь оснащение и выполняться на самом современном уровне. В противном случае мы рискуем не только оказаться на обочине длинной нанотехнологической дороги, но и в скором времени перестанем на должном уровне понимать мировые достижения в этой области.
Сказанное, однако, не означает, что усилия по организации производства и освоению рынка для продвинутых в практическом плане разработок должны быть ослаблены.
Будущие нанотехнологи: требования
Следует отметить еще одну важную проблему, которую придется решать для успешного развития наноиндустрии. Дело в том, что при переходе к системам нанометровoго масштаба начинают отчетливо проявляться квантовые эффекты. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые явления (размерное квантование, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) играют ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе.
Проявляются они и в технологических процессах, в химических реакциях, поскольку межатомное взаимодействие имеет квантовый характер. Таким образом, от будущих нанотехнологов (а профессия эта должна стать массовой при развитии наноиндустрии) потребуется умение мыслить квантовомеханическими категориями, существенно отличающимися от обычных классических представлений. Это означает, что существенной перестройки потребует инженерное образование - его будут осваивать с упором на фундаментальные дисциплины.
Заблуждения от нанотехнологий
Фундаментальные исследования и их материальное обеспечение имеют принципиальное значение для развития нанотехнологий и наноиндустрии. Сейчас часто высказывается мнение, что в области нанотехнологий у нас одинаковые стартовые позиции с передовыми странами. Это - опасное заблуждение! Хотя мы и располагаем высококвалифицированными кадрами и занимаем передовые позиции на ряде направлений, необеспеченность современным технологическим, диагностическим и исследовательским оборудованием не позволяет в достаточной мере реализовать имеющиеся возможности.
В последний раз более или менее массовое обновление парка научного оборудования проводилось около 20 лет назад при реализации Государственной программы СССР «Высокотемпературная сверхпроводимость». К тому же, исследования на Западе на многих направлениях начаты раньше. И ведутся значительно более широким фронтом.
Казалось бы, сейчас не о чем беспокоиться. В последние годы руководство страны, осознавшее жизненную необходимость развития нанотехнологий, предпринимает значительные усилия по организации на государственном уровне работ в этой области. Созданы Правительственный совет по высоким технологиям и Госкорпорация «Роснанотех», выделяются значительные финансовые средства. Однако складывается впечатление, что роль фундаментальных исследований в развитии нанотехнологий государственными органами недооценивается.
Минобрнауки фундаментальные исследования практически не финансирует. Фундаментальные исследования в области нанотехнологий ведутся за счет средств соответствующих ведомств. Центральное место в развитии фундаментальных исследований в нашей стране традиционно принадлежит Российской академии наук.
В 2008 г. по программам фундаментальных исследований Президиума и Отделений РАН финансирование нанотехнологических проектов составляло всего около 100 млн рублей (не считая базового финансирования на зарплату и коммунальные платежи). Финансирование также осуществлялось по проектам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и международным проектам. Анализ показывает, что такое финансирование почти на два порядка меньше, чем требуется для того, чтобы обеспечить современный уровень фундаментальных исследований и их развитие, необходимое для становления отечественной наноиндустрии. Для справки: только в Федеральном бюджете США 2007 года на работы, выполняемые в рамках «Национальной нанотехнологической инициативы», выделено около 1,3 млрд долл. Из них 401 млн долл. (около 31 %) - на фундаментальные исследования явлений и процессов на наномасштабах, 250 млн долл. (20 %) - на работы по наноматериалам, 164 млн долл. (13 %) - на приобретение исследовательского оборудования.
Национальная программа фундаментальных исследований
Такое положение дел представляется совершенно недопустимым. На наш взгляд, должна быть создана Национальная программа фундаментальных исследований в области нанотехнологий с целевым финансированием из федерального бюджета, сопоставимым с финансированием соответствующих программ в развитых странах, и соответствующими капитальными вложениями. Только в этом случае мы сможем рассчитывать на успешное и конкурентоспособное развитие отечественной наноиндустрии.
К настоящему времени Комиссией РАН по нанотехнологиям разработана программа фундаментальных исследований Российской академии наук «Нанотехнологии», которая одобрена Общим собранием РАН. К разработке программы, помимо членов Комиссии, были привлечены ученые, активно работающие в области нанотехнологий. Рассмотрены около тысячи предложений, полученных из более 100 институтов РАН. Анализ полученных предложений показывает, что в РАН работы в области нанотехнологий охватывают широкий круг проблем. И их уровень, в целом, достаточно высок.
Разделы программы «Нанотехнологии»
Выбор основных направлений исследований при формировании программы основывался на современных достижениях и тенденциях развития мировой науки, значимости ожидаемых результатов и перспектив практического использования. А также с учетом задела, имеющегося в российских научных организациях. Программа включает в себя шесть таких разделов: «Физика наноструктур», «Наноэлектроника», «Наноматериалы», «Нанобиотехнологии», «Нанодиагностика» и «Образование».
К выполнению Программы фундаментальных исследований РАН предполагается привлечь в качестве соисполнителей около 60 неакадемических организаций, предприятий и вузов. По существу, разработанная Программа может служить основой Национальной программы фундаментальных исследовании в области нанотехнологий.
Экспертные оценки объемов финансирования, необходимого для успешной реализации Программы фундаментальных исследований РАН «Нанотехнологии», показывают, что на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ требуется около 12–13 млрд. руб. в год (или около 90 млрд. руб. на весь срок выполнения Программы по 2015 год). Требуемый объем капитальных вложений оценивается в 55 млрд. руб. Для Национальной программы эти суммы должны быть скорректированы.
ЦКП проблемы не решают
Следует подчеркнуть, что необходимым современным оборудованием должна быть обеспечена каждая эффективно работающая научная группа, выполняющая один из проектов программы, поскольку его использование для конкретных исследований часто имеет специфический характер. Центры коллективного пользования здесь проблему не решают, хотя они и полезны для выполнения более или менее стандартных измерений (например, для диагностики и тестирования). Или для работы на уникальных сверхдорогостоящих установках, созданных в единичных экземплярах.
Обычным же оборудованием исследователи, как принято и у нас, и в мировой практике, должны пользоваться на своем рабочем месте, хотя современное оборудование, как правило, стоит дорого. Другое дело, что оно должно использоваться максимально эффективно.
Госпрограммы и фундаментальные исследования
В этом году начала действовать весьма нужная Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2010 гг.» Хотя большая часть работ в области нанотехнологий и наноматериалов в нашей стране выполняется в РАН, эта программа разрабатывалась без участия РАН. И РАН не фигурирует в ней как государственный заказчик. Другие же ведомства, где ведутся подобные работы, в этой роли в ней представлены.
Причины, по которым исследовательские организации РАН исключены из инфраструктуры наноиндустрии России (в эту программу включен лишь Институт металлургии РАН), нам не известны. Однако такое решение организаторов программы выглядит, по меньшей мере, странным.
На современном этапе прикладные исследования и разработки часто (хотя и далеко не всегда) являются естественным продолжением фундаментальных исследований. Более того, далеко не всегда можно провести грань между первыми и последними. По образному выражению британского физика Д. Портера, все научные исследования - прикладные, только часть уже нашла приложения, а часть найдет их в будущем.
Разработанная Комиссией РАН по нанотехнологиям программа является, прежде всего, программой фундаментальных исследований. Вместе с тем, она включает в себя и работы прикладного характера, ряд из которых уже в ближайшее время может быть доведен до промышленного использования. В настоящее время Комиссия РАН по нанотехнологиям рассматривает несколько крупных «сквозных» проектов, включающих в себя все стадии работ - от фундаментальных исследований до организации опытного производства.
Для реализации таких проектов предполагается создать распределенные (виртуальные) лаборатории, работа каждой из которых подчинена единой цели и охватывает всю цепочку исследований и разработок по проекту (от фундаментальных исследований до организации производства). При этом научные группы, входящие в такие лаборатории и выполняющие конкретные задачи, продолжают работать в своих организациях. Лаборатории такого рода также предполагается создавать для решения крупных научных задач и выполнения междисциплинарных исследований в рамках Программы РАН «Нанотехнологии».
«Принц-технология» и светодиоды
В заключение - несколько примеров результатов фундаментального и прикладного характера, полученных российскими учеными и разработчиками за последние годы. В области физики наноструктур и наноэлектроники отметим получение листов графена (монослой графита) и исследование его электронных свойств, показавшее, что носители заряда в графене обладают нейтриноподобным электронным спектром (ИПТМ РАН).
Осуществлено первое надежное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации пространственно непрямых экситонов в двухъямных наноструктурах (ИФП РАН), разработка так называемой «принц-технологии» и создание нового класса периодических наноструктур для квантовых приборов (ИФП СО РАН), беспороговых полупроводниковых инжекционных лазеров на квантовых точках, полупроводниковых лазеров рекордной мощности на основе асимметричных гетероструктур и светодиодов белого света (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН), матричных фотоприемников ИК излучения и микроволновых полевых транзисторов (ИФП СО РАН), широкодиапазонных магниторезистивных сенсоров (ИФМ УрО РАН).
В области наноматериалов можно назвать разработку высокоресурсных углепластиков со специальными свойствами, содержащих функциализированные наночастицы фуллерена и астралена, использование которых в истребителях пятого поколения повысит различные эксплуатационные характеристики на 20-100 % (ВИАМ, ИПХФ РАН, ИНХ СО РАН). Выполнена разработка катализаторов на основе наночастиц золота, нанесенных на оксид алюминия, для решения проблемы «холодного старта» дожигания выхлопных газов автомобильных двигателей (ИК СО РАН).
В области нанобиотехнологий и медицинской диагностики осуществлены разработка и создание гриппозной нановакцины «гриппол» (ИБХ РАН, ГНЦ Институт иммунологии ФМБА, НПО «Петровакс», ГУП «Микроген»), которая за 2004-2007 гг. привита 70-ти млн человек. Разработаны методики получения рентгеновских рефракционных изображений мягких тканей человека (РНЦ «Курчатовский институт»).
Заметим, что в основе многих современных научно-технологических достижений лежат результаты исследований, начатых тридцать или даже более лет назад. Будем надеяться, что государственные органы оценят, наконец, должным образом определяющую роль фундаментальных исследований для развития в стране наноиндустрии. И в этой области мы будем двигаться в ногу с развитыми странами.
Академик Жорес Алферов,
лауреат Нобелевской премии, вице-президент РАН,
председатель Комиссии РАН по нанотехнологиям.
Нанотехнология по своей специфике является междисциплинарной научной областью прикладной техники, занимающейся изучением и созданием новаторских и инновационных методов получения новейших материалов с определенными свойствами, которые в дальнейшем применяются в самых разнообразных отраслях жизнедеятельности современного человека.
Вообще нанотехнология работает со структурами, которые обладают значениями 100 нм и даже меньше, и при этом использует устройства, а также материалы, имеющие вышеуказанные размеры. На сегодняшний день нанотехнология чрезвычайно разнообразна и используется в самых различных исследованиях, начиная от создания новых технических устройств до новейших исследований связанных с изучением молекулярно-атомного уровня.
Фундаментальные основы нанотехнологий.
Метод атомно-силовой микроскопии.
Следует сказать, что одним из основных инструментов, которые используются для работы с микрочастицами, являются микроскопы, ведь без данного прибора нет возможности не только работать с микрочастицами, но и изучать микромир. Увеличение разрешающих особенностей современных микроскопов и получение всё новых и новых знаний об элементарных частицах на сегодняшний день взаимосвязаны друг с другом. На данный момент при помощи такого оборудования как атомно-силовые микроскопы или АСМ и сканирующие электронные микроскопы современные учёные получают возможность не только наблюдать за отдельными атомами, но даже находить способы воздействия на них, например, переметывая атомы по поверхности. При этом современным учёным уже удалось создать так называемые двухмерные наноструктуры на поверхностях при помощи вышеприведённого метода воздействия. Так, например, в исследовательских центрах всем известной компании IBM учёные путём последовательного перемешивания атомов ксенона на поверхности нанокристалов никеля смогли создать логотип компании, состоящий из 35 атомов вещества.
Выполняя указанные действия, связанные со смешиванием веществ, а также по их разъединению и соединению, ученые столкнулись с некоторыми техническими трудностями. Для преодоления которых необходимо создавать условия сверхзвукового вакуума (10?11 тор), для этого необходимо охладить подножку и микроскоп до сверхнизкой температуры равной от 4 до 10 К, при этом поверхность данной подложки должна быть гладкой и чистой на уровне атомов. Для этого используются специализированные технологии по механико-химической обработке изделий, причём целью данной обработки является создание уменьшения поверхностных диффузий осаждаемых атомов, при помощи чего и производится охлаждение основания.
Наночастицы.
Главной отличительной особенностью новых материалов, которые получаются в процессе использования нанотехнологий , является непредсказуемое получение физикотехнических характеристик приобретаемых данными материалами. Благодаря этому современные учёные получают возможность получать новые квантовые физико-механические характеристики у веществ, в которых видоизменяются электронные структуры, что автоматически меняет и форму проявления данных соединений. Так, например, возможность уменьшить размер частиц далеко не во всех случаях поддаётся определению или проведению замеров с помощью макро или микро измерений. Однако проведение измерений может стать возможным в том случае, если размер частиц находится в диапазоне миллимикронов. Также следует отметить, что определённые физико-механические свойства изменяются в случае изменения размера элементов. На данный момент наличие у наноматериалов необычных механических свойств является предметом исследования у ученых, работающих в области наномеханники. При этом отдельное место в современных нанотехнологиях занимает получение новых веществ при помощи использования различных катализаторов, которые влияют на поведение наноматериалов при взаимодействии их с различными биоматериалами.
Как мы уже говорили ранее, частицы обладающие размерами от 1 до 100 нанометров называются наночастицами, при этом как показали исследования, наночастицы многих материалов обладают высокими абсорционными и каталическими свойствами. Другие материалы позволяют получить уникальные оптические свойства. Так, например, исследователям удалось получить керамические прозрачные материалы, основой для которых стали нанопорошки размером 2-28нм, обладающие более лучшими свойствами, чем, например, крон. Также учёные смогли получить взаимодействие искусственно полученных наночастиц с природными объектами обладающими наноразмером, например с белками, нуклеиновыми кислотами и др. Кроме того очищенные наночастицы благодаря своим уникальным свойствам имеют возможность встраиваться в различные структуры. Такие структуры, содержащие в себе наночастицы, получают ранее небывалые у них свойства и характеристики.
На сегодняшний день все нанообъекты делят на три класса:
К первому классу относятся трёхмерные частицы, которые получаются при взрыве проводников, путём плазменного синтеза или при помощи восстановления тонких плёнок.
Ко второму классу относятся так называемые двумерные объекты, являющиеся плёнками и получаемые при помощи методом молекулярного наслаивания, ALD, CVD и методами ионного наслаивания.
К третьему классу относятся вискеры или одномерные объекты, получаемые методами молекулярного наслаивания или введением различных веществ в цилиндрический микропорт.
Кроме того существуют ещё и нанокомпозиты, которые получаются путём введения наночастиц в специализированные матрицы. На сегодняшний день большое использование получил пока только метод микролитографии, который даёт возможность получать на поверхности матрицы островковые плоские объекты, имеющие размер от 50 нм, и используемые в современной электронике. Также необходимо отметить и методы молекулярного и ионного наслаивания, так как при помощи данных методов возможно получать реальные плёночные покрытия в виде монослоя.
Самоорганизация наночастиц.
Одной из важнейших задач, которая стоит перед нанотехнологией, является то, как заставить атомы и молекулы проводить группировку определённым образом, что позволило бы им саморемонтироваться и саморазвиваться, что в конечном итоге приводило бы к получению новых материалов или устройств. Решением данных задач занимаются учёные химики, работающие в области супрамолекулярной химии. При этом они проводят изучения не отдельных молекул, а взаимодействие между ними, а также то, как они организовываются при том или ином воздействии и имеют ли возможность образовывать новые вещества. Многие учёные считают, что природа по-настоящему обладает подобными системами и в ней протекают такие процессы. Так, например, уже известны биополимеры, которые могут организовываться в особые структуры. Также в качестве подобных примеров приводятся белки, которые благодаря своим свойствам не только могут сворачиваться и получать глобулярную форму, но и образовывать целые комплексы и структуры, которые содержат в себе сразу несколько молекул протеина. Уже сегодня учёные смогли создать метод синтеза, используемый специфические свойства, которыми обладают молекулы ДНК.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
на тему: «Основы нанотехнологий»
1. Перечислите области, в которых применяются нанотехнологии. Приведите примеры получаемых материалов
Нанотекстиль
Нанотекстиль занимает одно из ведущих мест в мировом производстве нанопродукции после наноэлектроники, нанофармацевтики и нанокосметики.
Объем производства ~ 50 млрд.DS (2006 г.)
Прирост ~ 10% в год
Лидер США ~ 40%
РФ закупает на ~ 1,5 млрд.DS (технический, гигиена, спорт)
Гигиенический текстиль
(памперсы, белье больничное)
200 млн. чел. - потребители (дети, пожилые) памперсов. Население планеты стареет, рынок памперсов расширяется.
Гигиенический текстиль = нанотехнология: Нановолокна (суперсорбенты), наносеребро?, наноотдушки, etc.
Химические волокна
Нановолокна по диаметру < 100 нм.
Самая распространенная технология получения нанотонких волокон - электропрядение, когда на выходе из фильеры раствор или расплав полимера попадает в зону действия электрического поля. В электрическом поле происходит утонение вытекающей струи полимера до наноразмеров, как это показано на схеме:
Обычные химические волокна с включением наночастиц различной химической природы и формы (углерод-фуллерены, металлы, оксиды металлов, алюмосиликаты и др.), наполненные наночастицами волокна - это композитные волокна с новыми свойствами.
От природы наночастиц зависят новые свойства: электропроводность, механическая прочность, антимикробность, способность окрашиваться, etc
Защитный текстиль
Точного определения, что такое защитный текстиль нет ни в зарубежной, ни в отечественной литературе. Попробуем дать свое (может быть откорректировано):
«Текстильный материал и изделие из него, что защищает человека и окружающую среду (нерукотворная и рукотворная)».
Сложность определения связана с тем, что защитный текстиль частично попадает в технический, когда защищает технику, и в спортивный и в медицинский и в косметический, в геотекстиль.
Сам текстиль и изделия из него также требуют в условиях эксплуатации и хранения защиты от термо-, хемо-, механо-, био-, фото- и радиационной деструкции. Защита материала и изделий от этих воздействий не означает автоматическую защиту от них человека. И все же часто эти функции сочетаются, например, придавая материалу огнезащищенность, мы защищаем от огня и человека! Защищая материал от микроорганизмов, защищаем и человека!
Актуальность проблемы разработки технологий и производства защитного текстиля заключается в том, что миллионы людей на планете, объекты природы и техники нуждаются в защите от специфических условий труда людей и эксплуатации техники.
Условия работы людей многих профессий вредно воздействует на организм человека, что требует защиты с помощью изделий из текстиля. Работа в промышленности, в силовых структурах, в госпиталях, на электро-, гидро- и атомных электростанциях сопряжена с определенными и специфическими рисками. Каждая профессия выдвигает свои специфические требования к защите.
Основные защитные функции, свойства текстиля и изделий из него:
Перегрева
Переохлаждения
Химическая защита от жидких и газообразных отравляющих веществ
От вредных микроорганизмов
Баллистическая защита
От радиации
От УФ-излучения
От клещей, кровососущих
Большинство из этих свойств в настоящее время придается текстилю с использованием нановолокон, нанопрепаратов и других различных приемов нанотехнологий.
Медицинский текстиль и нанотехнология
Медицинский текстиль иногда относят к техническому текстилю, что не верно. Это конечно - нетехнический текстиль. Медтекстиль - это гуманитарное, социальное использование текстиля. В этой сфере нанотехнологии нашли применение обогнав (годовой рост 5%) все остальные виды текстиля, и тому имеются причины, которые обусловливают чрезвычайно динамичное развитие производства медтекстиля:
Рост население планеты, особенно в развивающихся странах. В мире - 6,5 млрд. человек, в Китае - 1 млрд. 200 млн. человек, в Индии - 900 млн. человек.
Изменение демографической структуры, увеличение доли пожилого населения.
Повышение уровня и качества жизни.
Повышение рисков, связанных с ухудшением экологии (увеличение заболеваний сердца, рака, СПИДа, гепатита), природные катаклизмы, теракты и др.
Большинство последних достижений в области медтекстиля связано с нано-, био- и информационными технологиями, полимерной химией и физики.
Медтекстиль охватывает очень широкий ассортимент изделий и по их назначению их можно классифицировать следующим образом:
Перевязочные материалы (традиционные для защиты ран, современные лечебные).
Имплантаты (биологически разлагаемые и не разлагаемые новые материалы, сухожилия, связки, кожа, контактные линзы, роговая оболочка, кости, суставы, сосуды, сердечные клапаны). Это не значит, что текстиль целиком формирует имплантат, он может входить в него составной частью.
Устройства, заменяющие органы (искусственные почка, печень, легкие и т.д.), где текстиль, волокна входят в конструкцию.
Защитная одежда (хирургические маски, шапочки, бахилы, постельное и нательное белье, одеяла, занавеси). Всем этим материалам придаются антимикробные, антивирусные свойства, а одежде хирурга также водоотталкивающие свойства (задержка физиологических жидкостей пациента во время операции).
Сенсорный текстиль и одежда для мониторинга на расстоянии основных параметров организма пациента (это используется и для слежения за тренировкой спортсменов, за армейским персоналом при выполнении заданий, связанных со сверхусилиями). Миниатюрные датчики, инкорпорируемые в текстиль одежды, отслеживают динамику изменения электрокардиограммы, дыхательных функций, пульса, температуры кожи, уровень кислорода в крови и положение тела в пространстве. Все эти показатели записываются на специальные портативные устройства (размер мобильного телефона) и передаются на центральный сервер больницы и далее лечащему врачу, принимающему решение в случае нештатной ситуации.
Косметический текстиль
Косметический текстиль значительно менее разнообразен по ассортименту по сравнению с медтекстилем. Основной группой, видом косметического текстиля являются косметические маски на текстильной основе. Они выполняют роль омолаживания кожи, задерживают ее старение, сглаживают морщины, в случае проблемной кожи (сыпь, угри, пигментация и т.д.) маски оказывают лечебное действие.
Косметические маски содержат косметические препараты различной природы (экстракты растений, витамины, биологически активные вещества, лекарства, наночастицы серебра).
Способы введения этих препаратов в маски различные: пропитка, использование технологии аппретирования и печати.
В любом случае задача, как и в случае лечебных повязок, состоит в создании маски - депо косметических или лекарственных средств.
Отечественная фирма «Тексаль» разработала технологию и выпускает косметические маски на текстильной основе под торговым названием «Тексаль». За основу взята описанная выше технология «Колетекс», только для масок подобраны специальные текстильные материалы, полимерные композиции и вводимые в них косметические средства и лекарства.
Интересное направление в производстве косметического и медицинского текстиля является использование специальных органических молекул - контейнеров косметических средств и лекарств.
В качестве таких молекулярных контейнеров (слайд 70) используют циклические производные декстрина - циклодекстрин. Циклодекстрины различного строения (число членов цикла) имеют внутреннюю гидрофобную полость (5085 нм) и внешнюю гидрофильную (множество гидроксилов) поверхность. Если в полость циклодекстрина поместить лекарства или косметические средства, а сам циклодекстрин ввести в текстильный материал и зафиксировать его в нем, то формируется депо - лекарства или депо - косметического средства.
Спортивный нанотекстиль
Спортивный текстиль сегодня широко использует приемы и методы нанотехнологии:
Спортивная одежда, создающая комфорт в пододежном пространстве (влажность, температура).
Диагностическая сенсорная одежда, следящая в режиме on-line за состоянием организма спортсмена.
Сверхпрочный спортинвентарь нового поколения.
нанотехнология текстиль риск экологический
2. Потенциальные риски, связанные с развитием нанотехнологий
В настоящее большое количество пассивных наноструктур (первое поколение) находят применение в косметике, изготовление красок и смазочных материалов. Эксперты выделяют следующие характеристики рисков: токсичность, экотоксичность, энергозаивисимость, воспламеняемость, способность накапливаться в клетках. Особые риски «открытого» характера, возникают при производстве, транспортировке и хранении отходов. Итак, исследователи обращают внимание на следующие сферы, в которых возникают риски, связанные с пассивными наноструктурами:
В сфере человеческого здоровья: - наноструктуры могут быть токсичными и наносить вред некоторым органам человека, таким как печень и через нервную систему проникать в мозг; - некоторые наноматериалы могут взаимодействовать с железом и другими металлами, что увеличивает их токсичность; - в настоящее время нет достаточного материала, позволяющего оценить опасность наноматериалов в зависимости от степени их концентрации в клетках.
Экологические риски. Наноструктуры могут нанести определенный вред окружающей среде, принимая во внимание что: - могут абсорбировать другие загрязняющие вещества (пестициды, кадмий); - в виду малых размеров, существуют риски, связанные с трудностями обнаружения вредных веществ. - Риски здоровью человека и окружающей среде. Разворачивающаяся дискуссия между европейскими и американскими экспертами по поводу того, какую роль должны играть нанотехнологии в жизни человека, ставит новые вопросы перед лицами, принимающими политические решения: нанотехнологии делают человека лучше, или делают его сильнее? Как относиться к имплантатам, контролирующим не только поведение человеческого тела, но и его мозг? Как относиться к предстоящему (в связи с использованием продуктов, произведенных с применением нанотехнологий) изменению качества жизни человека, а значит и новому пониманию термина «human security».
Политические риски и риски в сфере безопасности: - использование соответствующих технологий в криминальных и террористических целях; несправедливое и неравное распределение рисков, связанных с развитием нанотехнологий между странами и регионами (традиционный конфликт Север-Юг). Особую озабоченность экспертов вызывают риски, возникающие с появлением второго и третьего поколения наноструктур. Речь идет о перспективе появления активных наноструктур и целых наносистем.
Риски структурного характера. Речь идет о том, что современное общество очень медленно реагирует на быстро появляющиеся новые технологии и продукты, произведенные с их применением. Запаздывает с разработкой норм и процедур, регламентирующих применением подобной продукции. В условиях глобализации велика вероятность бесконтрольного доступа к продукции военного характера, произведенной с использованием нанотехнологий. Слабо изучен экономический эффект от массового применения нанотехнологий. С развитием био- и нанотехнологий будет формироваться новая культура, кардинальным образом поменяются некоторые традиционные этические нормы и принципы. Проблемы идентичности, толерантного отношения к «нано-био», иное наполнение понятия «частная жизнь» и т.п.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие нанотехнологий. Нанотехнология как научно-техническое направление. История развития нанотехнологий. Современный уровень развития нанотехнологий. Применение нанотехнологий в различных отраслях. Наноэлектроника и нанофотоника. Наноэнергетика.
дипломная работа , добавлен 30.06.2008
Развитие нанотехнологий в XXI веке. Нанотехнологии в современной медицине. Эффект лотоса, примеры использования его уникального свойства. Интересное в нанотехнологиях, виды нанопродукции. Сущность нанотехнологий, достижения в этой отрасли науки.
реферат , добавлен 09.11.2010
Понятие нанотехнологий и области их применения: микроэлектроника, энергетика, строительство, химическая промышленность, научные исследования. Особенности использования нанотехнологий в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленностях.
презентация , добавлен 27.02.2012
Использование нанотехнологий в пищевой промышленности. Создание новых пищевых продуктов и контроль за их безопасностью. Метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья. Продукты с использованием нанотехнологий и классификация наноматериалов.
презентация , добавлен 12.12.2013
Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. История развития нанотехнологий, особенности и свойства наноструктур. Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности: проблемы и перспективы.
контрольная работа , добавлен 03.03.2011
Нанотехнологии и переход к водородной энергетике, разработка и изготовление наномашин. Основной вклад нанотехнологий в "чистое" производство водорода. Развитие новой области знаний о поведении наноразмерных систем с ионной и смешанной проводимостью.
курсовая работа , добавлен 16.11.2009
Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа. Углеродные нанотрубки, супрамолекулярная химия. Разработки химиков Уральского государственного университета в области нанотехнологий. Испытание лабораторного среднетемпературного топливного элемента.
презентация , добавлен 24.10.2013
Лидерство стран в области нанотехнологий. Перспективы использования новых технологий в областях энергетики, вычислительной техники, химической и биомолекулярной технологии, в оптике и электронике, медицине. Примеры научных достижений и разработок.
презентация , добавлен 14.04.2011
История развития нанотехнологий; их значение в медицине, науке, экономике, информационном окружении. Схематическое изображение и направления применения однослойной углеродной нанотрубки. Создание нанотехнологических центров в Российской Федерации.
презентация , добавлен 23.09.2013
Материальная основа и функции технического сервиса пути его развития. Современное состояние предприятий ТС, направления их реформирования. Виды и применение наноматериалов и нанотехнологий при изготовлении, восстановлении и упрочнении деталей машин.
Курс «Фундаментальные основы нанотехнологий» / 26.02.2009
Источник: НОЦ по нанотехнологиям МГУ
Лекции по курсу «Фундаментальные основы нанотехнологий» будут проходить в весеннем семестре 2009 года по вторникам и пятницам с 17-00 в аудитории 02 Главного Здания МГУ.
Курс лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» открыт для посещения всеми желающими. Если Вы не являетесь студентом, аспирантом или сотрудником МГУ, то попасть на лекцию Вы сможете, только предварительно записавшись на нее.
Материалы лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» выкладываются по мере чтения лекций.
Подбор и компоновка материалов являются предметом авторского права лекторов, однако часть иллюстративного материала может иметь отношение к другим субъектам авторского права.
Лекция 1 (PDF, 3.2Мб), академик РАН, профессор Ю.Д. Третьяков.
Тематика лекции: основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность.
Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.
Лекция 2 (PDF, 3.8Мб), профессор А.Н. Образцов.
Тематика лекции: особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов. Механика нанообъектов.Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения. Кулоновское взаимодействие. Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различия в распространение света в однородных и наноструктурированных средах. Магнетизм нанообъектов.
Лекция 3 (PDF, 1.7Мб), профессор В.Ю. Тимошенко.
Тематика лекции: квантовая механика наносистем. Квантоворазмерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле и в наноструктурированных материалах. Квантовые точки. Нитевидный кристаллы, волокна, нанотрубки, тонкие пленки и гетероструктуры. Квантовые эффекты в наноструктурах в магнитном поле. Электропроводимость нанообъектов. Понятие баллистической проводимости. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Оптические свойства квантовых точек. Спинтроника нанообъектов.
Лекция 4 (PDF, 4.7Мб), член-корреспондент РАН, профессор Е.А. Гудилин.
Тематика лекции: методы получения наночастиц
Лекция 5 (PDF, 2.5Мб), академик РАН, профессор А.Р. Хохлов.
Тематика лекции: нанотехнологии и "мягкая" материя.
Программа курса
Основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.
(Академик РАН, профессор Ю.Д. Третьяков)
Особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов. Механика нанообъектов. Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения. Кулоновское взаимодействие. Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различия в распространении света в однородных и наноструктурированных средах. Магнетизм нанообъектов.
(Профессор А.Н. Образцов)
Квантовая механика наносистем. Квантоворазмерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле и в наноструктурированных материалах. Квантовые точки. Нитевидные кристаллы, волокна, нанотрубки, тонкие пленки и гетероструктуры. Квантовые эффекты в наноструктурах в магнитном поле. Электропроводимость нанообъектов. Понятие баллистической проводимости. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Оптические свойства квантовых точек. Спинтроника нанообъектов.
(Профессор В.Ю. Тимошенко)
Основные принципы формирования наносистем. Физические и химические методы. Процессы получения нанообъектов «сверху — вниз». Классическая, «мягкая», микросферная, ионно-пучковая (FIB), АСМ — литография и наноиндентирование. Механоактивация и механосинтез нанообъектов. Процессы получения нанообъектов «снизу — вверх». Процессы зародышеобразования в газовых и конденсированных средах. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверкритическая сушка). Классификация наночастиц и нанообъектов. Приемы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах.
Статистическая физика наносистем. Особенности фазовых переходов в малых системах. Типы внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Гидрофобность и гидрофильность. Самосборка и самоорганизация. Мицеллообразование. Самособирающиеся монослои. Пленки Лэнгмюра — Блоджетт. Супрамолеклярная организация молекул. Молекулярное распознавание. Полимерные макромолекулы, методы их получения. Самоорганизация в полимерных системах. Микрофазное расслоение блок-сополимеров. Дендримеры, полимерные щетки. Послойная самосборка полиэлектролитов. Супрамолекулярные полимеры.
(Академик РАН, профессор А.Р. Хохлов)
Компьютерное моделирование наноструктур и наносистем. Микроскопические и мезоскопические методы моделирования (Монте-Карло и молекулярная динамика, диссипативная динамика частиц, теоретико-полевые методы, методы конечных элементов и перидинамика). Сопряжение различных пространственных и временных масштабов. Молекулярное конструирование. Компьютерная визуализация нанообъектов. Возможности численного эксперимента. Примеры молекулярного моделирования наноструктур, молекулярных переключателей, белков, биомембран, ионных каналов, молекулярных машин.
(Профессор П.Г. Халатур)
Методы исследования и диагностика нанообъектов и наносистем. Электронная растровая и просвечивающая микроскопия. Электронная томография. Электронная спектроскопия. Дифракционные методы исследования. Оптические и нелинейно-оптические методы диагностики. Особенности конфокальной микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия: Силовая микроскопия. Спектроскопия атомных силовых взаимодействий. Туннельная микроскопия и спектроскопия. Оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля. Применение сканирующей зондовой микроскопии в нанотехнологиях.
(Профессор В.И. Панов)
Вещество, фаза, материал. Иерархическое строение материалов. Наноматериалы и их классификация. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо- неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и их синергетические свойства. Конструкционные наноматериалы.
(Член-корреспондент РАН, профессор Е.А. Гудилин)
Капиллярность и смачивание в наносистемах. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Капли на твёрдой и жидкой поверхности. Полное и неполное смачивание. Поверхностные (электростатические и молекулярные) и капиллярные силы. Гистерезис угла смачивания: роль химической неоднородности и шероховатости. Супергидрофобные поверхности. Фрактальные и упорядоченные текстуры. Эластокапиллярность. Динамика смачивания и растекания. Проблемы течения, перемешивания и сепарации в малых каналах и устройствах для микро- и нанофлюидики. Цифровая микрофлюидика, электрокинетика, анизотропные и супергидрофобные текстуры, как примеры решения проблем микро- и нанофлюидики. Приложения: самоочистка и водозащита, струйная печать, «lab-on-a-chip», ДНК-чипы, биомедицина, топливные элементы.
(Профессор О.И. Виноградова)
Лекция 10.
Катализ и нанотехнологии. Основные принципы и представления в гетерогенном катализе. Влияние условий приготовления и активации на формирование активной поверхности гетерогенных катализаторов. Структурно-чувствительные и структурно-нечувствительные реакции. Специфика термодинамических и кинетических свойств наночастиц. Электрокатализ. Катализ на цеолитах и молекулярных ситах.Мембранный катализ.
(Академик РАН, профессор В.В. Лунин)
Лекция 11.
Физика наноустройств. Методы создания наноустройств. Механические и электромеханические микро и наноустройства. Сенсорные элементы микро- и нано-системной техники. Сенсоры температуры на основе термопар. Сенсоры угловых скоростей. Сенсоры магнитного поля. Микро- и нано-насосы. Интегральные микрозеркала. Интегральные микромеханические ключи. Интегральные микро- и нано-двигатели. Физические принципы работы основных элементов микро- и наноэлектроники. Закон Мура. Одноэлектронные приборы. Одноэлектронный транзистор. Одноэлектронные элементы цифровых схем.
(Профессор А.Н. Образцов)
Лекция 12.
Физика наноустройств. Устройства оптоэлектроники и наноэлектроники. Светодиоды и лазеры на двойных гетероструктурах. Фотоприемники на квантовых ямах. Лавинные фотодиоды на системе квантовых ям. Устройства и приборы нанофотоники. Фотонные кристаллы. Искусственные опалы. Волоконная оптика. Оптические переключатели и фильтры. Перспективы создания фотонных интегральных схем, устройств хранения и обработки информации. Магнитные наноустройства для записи и хранения информации. Наносенсоры: полупроводниковые, пьезоэлектрические, пироэлектрические, на поверхностных акустических волнах, фотоакустические.
(Профессор В.Ю. Тимошенко)
Лекция 13.
Молекулярные основы живых систем. Представление о живой клетке; строение и функции органелл, принцип самоорганизации живого. Применимость термодинамических и кинетических подходов к процессам, протекающим в живой материи. Бактерии, эукариоты, многоклеточные организмы. Нуклеиновые кислоты: классификация, строение, свойства. Природные наносистемы в хранении, воспроизведении и реализации генетической информации клетки. Системы контроля клеточного деления на уровне организма. Рак как сбой генетической программы клетки.
(Член-корреспондент РАН, профессор О.А. Донцова)
Лекция 14.
Структура и функции белков. Функции, выполняемые белками, разнообразие аминокислот, входящих в состав белка. Уровни белковой организации, методы исследования различных уровней организации белковой молекулы. Первичная структура белка, посттрансляционные модификации. Вторичная и третичная структуры белка, проблемы правильного сворачивания белков, болезни, обусловленные неправильной упаковкой белка. Создание искусственных белков с «улучшенной» структурой — важная нанотехнологическая задача. Представление о четвертичной структуре и использование четвертичной структуры для расширения возможностей регуляции и для выполнения механических функций. Белки соединительных тканей (коллаген), механизмы регуляции механической прочности. Белки, формирующие цитоскелет (актин, тубулин, белки промужеточных филаментов), регуляция сборки и разборки элементов цитосклета. Использование белков цитоскелета в качестве «рельсов» для белков-моторов. Миозины, кинезины и динеины как примеры высоко специализированных белков-наномоторов, обеспечивающих внутриклеточный транспорт и биологическую подвижность. Возможности использования белков-моторов для решения некоторых задач нанотехнологии.
(Профессор Н.Б. Гусев)
Лекция 15.
Углеводы. Моно-, олиго- и полисахариды. Особенности структуры, способы представления. Возможность использования полисахаридов в качестве нанобиоматериалов. Липиды. Классификация и особенности структуры. Наноструктуры, образуемые липидами. Монослои, мицеллы, липосомы. Перспективность для целей нанотехнологии. Биомембраны. Особенности строения и основные функции.
(Профессор А.К. Гладилин)
Лекция 16.
Ферменты — белки с особой функцией катализа. Основные принципы структуры ферментов и особенности ферментативного катализа. Активный центр фермента — самоорганизующаяся и высокоорганизованная функционализированная наночастица и наномашина. Витамины и коферменты, их участие в катализе. Молекулярный дизайн и изменение специфичности ферментов — нанотехнологические задачи и перспективы. Размерные эффекты в нанодиапазоне в белковом катализе. Ферменты в мембранах и мембрано-подобных наноструктурах: регуляция каталитических свойств и олигомерного состава размером матрицы. Биомолекулярные наночастицы; фермент в «рубашке» (оболочка из неорганических и органических молекул) — новый стабильный катализатор. Полиферментные комплексы: реализация принципа «узнавания» в природе и матрицах наноразмеров.
(Профессор Н.Л. Клячко)
Лекция 17.
Структурный и функциональный аспекты бионанотехнологии. Разнообразие надмолекулярных структур, образуемых биомолекулами. Принцип самосборки. Использование биоструктур с уникальной геометрией в качестве темплатов для получения наноматериалов и наноструктур (получение нанопроводов, нанотрубок и наностержней из металлов, проводящих полимеров, полупроводников, оксидов и магнитных материалов с использованием ДНК, вирусных частиц и белковых филаментов). Создание двумерных нанопаттернов и трехмерных сверхструктур с использованием ДНК, S-слоев, вирусных частиц и липосом. Искусственные методы самоорганизации в нанодиапазоне. Биофункционализация наноматериалов. Общие методы конъюгации нанообъектов с биомолекулами. Специфическое сродство некоторых биомолекул к нанообъектам.
(Профессор И.Н. Курочкин)
Лекция 18.
Нанобиоаналитические системы. История развития современных биоаналитических систем. Биосенсоры. Основные понятия, области применения. «Узнающие» элементы биосенсоров: ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела и рецепторы, клеточные органеллы, клетки, органы и ткани. «Детектирующие элементы» биосенсоров. Физические основы регистрации сигнала. Типы биосенсоров: электрохимические, полупроводниковые, микрогравиметрические, оптоволоконные, поверхностные плазмоны, дифракционные решетки, интерферометрические, микро- и наномеханические. Нанобиоаналитические системы на основе наноразмерных полупроводниковых и металлических структур (квантовые точки, молекулярные «пружины», гигантские нелинейные оптические эффекты на поверхности наночастиц металлов — SERS, методы ферментативной и автометаллографии и др.). Применение для целей экологического мониторинга и медико-биологических исследований. Нанобиоаналитические системы на основе сканирующей зондовой микроскопии.
(Профессор И.Н. Курочкин)