МИРОВОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО В XXI веке лидирующая роль в формировании мирового технологического пространства будет принадлежать: информационным технологиям информационным технологиям биотехнологиям биотехнологиям нанотехнологиям нанотехнологиям Leading to the next industrial revolution

Нанотехнологии в современном мире: от электроники к нанобионике Козырев Сергей Васильевич Центр перспективных исследований СПбГПУ 2003 год

Десять проблем цивилизации в следующие 50 лет 1. Энергия 2. Вода 3. Пища 4. Экология 5. Бедность 6. Терроризм и война 7. Качество 7. Качество жизни 8. Образование 9. Общественное управление 10. Болезни мрд мрд.

«Крылатое» высказывание Гордона Мура, одного из создателей фирмы Intel, лидера в разработке и производстве сверхбольших интегральных схем: «Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня РолсРойс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку». Миниатюризация в электронике

Закон Мура: «Степень интеграции увеличивается в четыре раза за три года». Миниатюризация улучшает скорость переключения (быстродействие), энерго- потребление на бит и др. Intel в 2001г. перешла к серийному производству процессоров Pentium4 с использованием техпроцесса 130 нм, а IBM начала изготовление ИС по этой технологии. Миниатюризация в электронике

Изображение единичного элемента записи диска DVD размером около 200x400 нм, полученное на интерференционном микроскопе компании «Лаборатории Амфора» (источник «Перст» от ) Возможности нанотехнологии

Сделано с помощью атомно- силового микроскопа: линии толщиной 10 нм образуют слова на кремниевой подложке. В качестве наконечника АСМ использовалась углеродная нанотрубка (by Dai, Franklin, and Han in the September 14, 1998 issue of Applied Physics Letters)

Мир электронов с размерностью 2

Квантовый эффект Холла или мир электронов с дробным зарядом

Мир электронов с размерностью 0

Новые формы углерода Наиболее значительными по своим последствиям представляются нам новые возможности для нанотехнологий, появившиеся после поразительных открытий в конце ХХ века самоорганизации наноструктур из углерода. Это ощущение от открытия новых наносостояний углерода основано на особой роли этого химического элемента как основы конструкций структур живой материи. Открыто поразительное многообразие природных форм углерода, ранее человек знал две формы химически чистого углерода - алмаз и графит. Миры разных топологий.

Фуллерены (fullerenes) Фуллерены были открыты в 1985г R.Smalley, R.Curl, H.Kroto, Нобелевская премия по химии, Представляют собой полые кластеры, замкнутая поверхность которых образована правильными многоугольниками, в вершинах которых расположены атомы. Название получили по имени Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочлененных пентагонов и гексагонов. ( Самый яркий представитель класса фуллеренов - С60.

Фуллерены Сохранился рисунок деревянной модели такой формы, выполненной Леонардо да Винчи, а Эйлер получил формулу, определяющую число многоугольников для различных поверхностей, где n - размерность многоугольников; Nn - число многоугольников размерности n; s - характеристика кривизны поверхности: s=1 для сферы и s=0 для плоскости. Из формулы следует, что для образования сферической поверхности необходимо 12 пентагонов (n = 5) и сколь угодно много гексагонов (n = 6). Тяжелые фуллерены, за С60: С70, С80

Фуллереновые наноструктуры Наноразмерный «стручок» (Nanoscopic peapod) Эндофуллерены с атомами гадолиния в каждом помещены внутрь углеродной нанотрубки. На рисунке приведено схематическое изображение и электронная фотография. Phys. Rev. Lett. 85, 5384 (2000)Эндофуллерены 82, Sc 82, Sc 2 80

Фуллереновые наноструктуры Процесс образования фуллеренов из плазмы представляет прекрасный пример самоорганизации упорядоченных наноструктур из хаоса. Это одна из интереснейших проблем современной науки.

Фуллереновые нанотехнологии и нанобионика в России Особую роль в России сыграли специалисты университетов и институтов РАН из Санкт-Петербурга, выступившие с инициативой объединения усилий и координации исследований в России под эгидой национального научного совета «Фуллерены и атомные кластеры». Вклад научных школ Санкт- Петербурга получил международное признание - раз в два года, начиная с 1994 года именно в нашем городе проходит один из самых авторитетных международных тематических форумов Int. Workshop «Fullerenes and Atomic Clusters». В его работе традиционно принимает участие ряд научных лидеров мирового уровня, включая лауреата Нобелевской премии (W. Kroto) и других основателей направления (D. Huffman, W. Kraetschmer, 1990). Очередной IWFАС'2003 состоится в конце июня 2003 года.

Фуллереновые нанотехнологии и нанобионика в России В СПб и других научных центрах России ведутся исследования как фундаментальных свойств новых состояний углерода, так и поиск приложений. Во многом эти приложения основаны на априорных заключениях и аналогиях с классическими формами углерода - алмазом и графитом, широко применяющимися в технике. Среди направлений разработок: новые классы сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектриков, нелинейных оптических материалов; новые классы сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектриков, нелинейных оптических материалов; новые методы синтеза алмазов и материалов сверхвысокой твердости; новые методы синтеза алмазов и материалов сверхвысокой твердости; новые классы полимеров и специальных покрытий; новые классы полимеров и специальных покрытий; среды для записи и хранения информации сверхвысокой плотности, копировальной техники; среды для записи и хранения информации сверхвысокой плотности, копировальной техники; эмиттеры для нового поколения эмиссионной электроники и рентгеновских трубок; эмиттеры для нового поколения эмиссионной электроники и рентгеновских трубок; новые типы экологически чистых химических источников энергии; новые типы экологически чистых химических источников энергии; новые классы антифрикционных покрытий и смазок; новые классы антифрикционных покрытий и смазок; новые типы катализаторов и сорбентов; новые типы катализаторов и сорбентов; сенсоры для определения состава жидких и газовых сред; сенсоры для определения состава жидких и газовых сред; капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов; капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов; новые типы зондов для диагностических и медицинских воздействий; новые типы зондов для диагностических и медицинских воздействий; принципиально новые классы лекарственных веществ, отличающихся как по химической структуре, так и механизму своего действия. принципиально новые классы лекарственных веществ, отличающихся как по химической структуре, так и механизму своего действия. Особая роль магнетизма углеродных наноструктур (Т. Макарова, ФТИ РАН, Швеция).

Фуллереновые нанотехнологии и нанобионика в России Другим центром будущих применений фуллереновых наноструктур считаются медицина, и, рождающаяся на стыке нано- и биотехнологий, нанобионика. Нанобионика – междисциплинарное направление, ставящее своей целью создание технических наноустройств, использующих принципы работы и свойства живых систем. В настоящее время в разных странах закладывается фундаментальный базис этой новой научной дисциплины, основанной на сравнительном изучении архитектур искусственных наноструктур и живых систем. Задачи нанобионики: использование принципов функционирования живых наносистем для создания нанотехнологий и наноустройств технического или медицинского назначения; использование принципов функционирования живых наносистем для создания нанотехнологий и наноустройств технического или медицинского назначения; создание специальных нанотехнологий для диагностики, вмешательства, управления и контроля процессов в живых системах. создание специальных нанотехнологий для диагностики, вмешательства, управления и контроля процессов в живых системах.

Центр перспективных исследований В настоящее время наши усилия направлены на изучение нанобионных комплексов, состоящих из биомолекул с фуллеренами. Изучение предполагает вычислительное моделирование свойств и структуры таких комплексов, а также их синтез с последующим скринингом свойств, прежде всего, биоактивности. (рук. проф. П.П. Якуцени). НАНОКОМПЛЕКС ДНК - ФУЛЛЕРЕН Методами вычислительного моделирования показана возможность связывания фуллеренов с РНК и двойными спиралями молекулы ДНК. Полученный результат демонстрирует возможность создания наносистем комбинированной архитектуры, состоящих из фуллеренов и генных молекул. Молекулы ДНК являются одним из центральных компонентов современных технических устройств, используемых для создания биочипов и биосенсоров. Предполагается, что фуллерены смогут существенно модифицировать работу таких устройств. Другим возможным применением полученного результата являются генные биотехнологии, в частности работы связанные с созданием «векторов» для ДНК. Получены экспериментальные результаты, показывающие возможность увеличения переноса (трансфекции) ДНК на 40-70%. НАНОКОМПЛЕКС БЕЛОК-ФУЛЛЕРЕН Выявлена возможность связывания фуллеренов С60 с молекулами белков, в частности с их гидрофобными полостями и распознающими участками. Поскольку взаимодействие имеет высоко выраженный специфический характер, то тем самым определена новая возможность модификации функциональных белковых молекул, использующихся в целом ряде перспективных наноматериалов и наноустройств.

Транзистор на основе углеродной нанотрубки. CNT (1 нм), исток – сток 400нм in Applied Physics Letters, vol 73, p (1998)

Цветной дисплей на основе углеродных нанотрубок Изображение катода из углеродных нанотрубок получено с помощью сканирующего электронного микроскопа (Courtesy, Samsung Advanced Institute of Technology, Korea)

By 2010, if current trends continue, over 90% of all physical scientists and engineers in the world will be Asians working in Asia.

Американская нанотехнологическая инициатива предусматривает следующие направления работ: - создание мультитерабитных запоминающих устройств объёмом около 1 куб.см, ёмкостью с библиотеку Конгресса США, при увеличении плотности записи информации в тысячи раз; - создание материалов и изделий методом сборки атомов, что позволит сберечь природные ресурсы и потребует меньшего расхода материалов; - создание материалов в 10 раз более прочных для применения во всех видах воздушных и космических аппаратов более лёгких и более экономичных; - увеличение в раз быстродействия компьютеров по сравнению с современным Pentium lll; - использование генной инженерии для определения канцерогенных клеток и их лечения методами наноинженерии; - улучшение очистки воды и воздуха; - увеличение эффективности солнечных батарей не менее, чем в 2 раза. Все варианты нанотехнологий основаны на локальном, с точностью до нанометров и даже до отдельного атома, управлении атомно- молекулярными реакциями.

> концерн "Наноиндустрия" > Базовые блоки программы > концерн "Наноиндустрия" > Базовые блоки программы "Наноиндустрия" "Наноиндустрия" Наномедицина - это: "Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур". Наномедицина - это: "Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур". Р. Фрейтас Р. Фрейтас Направления исследований: Направления исследований: Физико-химические исследования поверхностей биологических объектов на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Физико-химические исследования поверхностей биологических объектов на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Исследование механических и электрических свойств одиночных молекул нуклеиновых кислот и белков. Разработка аппаратуры для работы с одиночными биологическими макромолекулами. Исследование механических и электрических свойств одиночных молекул нуклеиновых кислот и белков. Разработка аппаратуры для работы с одиночными биологическими макромолекулами. Визуализация структуры и динамики отдельных молекул в биологических системах. Визуализация структуры и динамики отдельных молекул в биологических системах. Разработка нанолекарственных средств для стоматологии и костной хирургии на основе гидроксиапатита. Разработка нанолекарственных средств для стоматологии и костной хирургии на основе гидроксиапатита. Образование нанодисперсных веществ в опухолевой ткани с последующим ультразвуковым воздействием. Образование нанодисперсных веществ в опухолевой ткани с последующим ультразвуковым воздействием. Создание молекулярных транспортных систем для направленной доставки лекарственных препаратов в патологические зоны организма. Создание молекулярных транспортных систем для направленной доставки лекарственных препаратов в патологические зоны организма. Синтез наноматериалов для биотехнологии и медицины. Синтез наноматериалов для биотехнологии и медицины. Разработка синтетических ДНК для создания разветвленных молекул с заданными свойствами. Разработка синтетических ДНК для создания разветвленных молекул с заданными свойствами. Разработка технологии синтеза материалов путем использования ДНК - связей и неорганических наночастиц. Разработка технологии синтеза материалов путем использования ДНК - связей и неорганических наночастиц. Разработка инструментария для высокоточных медицинских операций Разработка инструментария для высокоточных медицинских операций

Направление «Фуллереновые нанотехнологии и нанобионика» находится на таком этапе развития, когда получение результатов более определяется новыми идеями, а дорогостоящее технологическое и специальное оборудование только разрабатывается. Направление «Фуллереновые нанотехнологии и нанобионика» находится на таком этапе развития, когда получение результатов более определяется новыми идеями, а дорогостоящее технологическое и специальное оборудование только разрабатывается. В этих условиях Санкт -Петербург может и должен продолжать выполнять свою лидирующую роль в создании интеллектуальной собственности и основанных на ней инновационных проектов для мировых рынков. В этих условиях Санкт -Петербург может и должен продолжать выполнять свою лидирующую роль в создании интеллектуальной собственности и основанных на ней инновационных проектов для мировых рынков.

Центр перспективных исследований Center for Advanced Studies О СОЗДАНИИ ЦЕНТРА «Центр Перспективных исследований СПбГПУ» был организован весной 2001 года в ходе выполнения распоряжения Правительства РФ N909-р о реорганизации Института высокопроизводительных вычислений и баз данных Минпромнауки России и в соответствии с рекомендациями Администрации Санкт-Петербурга и СПб Научного центра РАН. ЦЕЛИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЦПИ создан для развития фундаментальных и прикладных междисциплинарных исследований и наукоемких разработок в приоритетных направлениях науки и техники, создания научной базы для разработки новых междисциплинарных учебных курсов для студентов и аспирантов. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ Новые нанотехнологии и нанобионика Суперкомпьютерные вычислительные технологии и их применение Вычислительное моделирование сложных систем Компьютерная биология ДЛЯ КОНТАКТОВ Тел.(812) Факс: (812) Наш сайт ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ!