Целевая ориентация научно-технологического базиса наноиндустрии

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

Представим в виде матрицы одну из гипотетически возможных моделей «наноиндустрии» (рисунок). Данная матричная модель, отражающая наиболее характерные свойства, особенности, и фундаментальные основы таких направлений, как наноматериалы, нанотехнологии, нанодиагностика и наносистемотехника, позволяет при заполнении ее совокупностью независимых экспертов прогнзировать ключевые научные и практические направления развития наноиндустрии исходя из «отраслевой» направленности.

Кроме того, в качестве примера, детализирующего развитие направления «Наноматериалы», представлен возможный вариант классификации функциональных свойств различных видов наноматериалов (см. таблицу).

Проведенный анализ позволил подготовить перечень возможных наиболее актуальных базовых проектов, определяющих среднесрочные перспективы развития наноиндустрии.

I. Фундаментальные проблемы «наноидустрии» (нанонаука).

1. Наномасштабирование и квантово-размерные эффекты.

2. Неравновесные процессы и синергетические эффекты в наноструктурированных материалах.

3. Теория матричного синтеза, сборки, самосборки и молекулярного узнавания для веществ органической и неорганической природы.

П. Наноматериалы.

1. Нанокомпозицонные материалы со специальными механическими свойствами для сверхпрочных, сверхэластичных, сверхлегких конструкций,

2. Нанокомпозиционные материалы с особой устойчивостью к экстремальным факторам для термически, химически и радиационно стойких конструкций.

3. Специальные нанокопозиционные материалы с низкой эффективной отражающей способностью в СВЧ и оптическом диапазонах длин волн.

4. Нанокомпозиционные и нанодисперсные материалы для высокоэффективной сепарации и избирательного катализа.

5. Нанодисперсные материалы с максимально эффективным энерговыделением, в том числе, импульсным.

III. Нанотехнология.

1. Машиностроительные нанотехнологии (механическая и корпускулярная обработка с наноточ-ностью).

2. Физико-химические нанотехнологии (атомно-молекулярная химическая сборка неорганических и органических веществ).

3. Атомно-зондовые нанотехнологии (нанозондовый сверхлокальный синтез и модифицирование).

4. Биомедицинские нанотехнологии (биочипы и биокластеры; сверхлокальная избирательная диагностика, терапия, хирургия; генная инженерия).

5. Аппаратурно-методическое обеспечение чистоты и микроклимата в наноиндустрии.

IV. Нанодиагностика.

1. Экспресс-методы контроля химического состаава и геометрии нанообъектов.

2. Экспресс -методы регистрации электрических магнитных, тепловых и акустических полей нанообъектов.

V. Наносисгемы (наноустройства).

1. Нанохимические компоненты (сорбенты катализаторы, насосы, реакторы) для высокоэффтивной очистки, избирательного сверхскоростного высокопризводительного синтеза, атомно-молекулярной инженерии.

2. Наноэлектронные компоненты (элементная база) для сверхинтегрированных сверхмощных сверхскоростных систем генерации, хранения передачи и обработки информации.

3. Нанооптическае компоненты (элементная база излучатели, фотоприемники, преобразователи) для энергетически эффективной светотехники, систем сверхскоростной «сверхплотной» высокопомехозащищенной передачи и обработки информации.

4. Микро- и наноинструмент для процессов атомно-молекулярной инженерии.

Реализация в 2004 — 2006 гг. представленного перечня базовых проектов, по-видимому, не решит проблемы широкого промышленного внедрения наноиндустрии, но обеспечит для России следующее:

сохранение и развитие отечественного научного и промышленного потенциалов высоких технологий;

сохранение и развитие кадрового потенциала интеграцию и эффективное использование высококвалифицированных специалистов;

интенсификацию междисциплинарных исследований и разработок, обеспечивающих научно-технические прорывы по ключевым направлениям научно-технического прогресса;

сохранение паритета российской научно-образовательнойкультуры в области высоких технологий с ведущими зарубежными странами.

Целевая ориентация образовательного базиса наноиндустрии

В рамках рассмотрения образовательного базиса наноиндустрии в России представим комплект аннотаций программ, которые можно использовать при подготовке кадров, ориентированных на решение задач в области наноиндустрии и, в частности, при реализации образовательного процесса по двухуровневой системе «бакалавр — магистр».

Целесообразность введения двухуровневой системы подготовки кадров по быстропрогрессирующему направлению «наноиндустрия» обусловлена следующими факторами:

необходимостью гармонизации структуры отечественного образовательного процесса по базовым направлениям научно-технического прогресса с концепцией, принятой большинством промышленно развитых стран в рамках Болонской декларации;

объективной ситуацией в развитии данного высокотехнологичного направления, характеризующейся стадией накопления знаний, т.е., в первую очередь, становлением «нанонауки»;

отсутствием не только в России, но и за рубежом окончательной концепции развития «наноиндустрии», как промышленного производства, ориентированного на вполне определенную номенклатуру наноматериалов и компонентов наносистемнои техники.

АННОТАЦИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ В ОБЛАСТИ НАНОИНДУСТРИИ

ФИЗИКА НАНОСИСТЕМ

Кристаллофизика наносистем. Наноструктуры и методы их симметрийного описания, Квантовые размерные эффекты, масштабирование, Теория квантовых переходов. Обменное взаимодействие. Энергетический спектр электронов в квантово-раз-мерных структурах: квантовые точки, ямы, нити, сверхрешетки. Распределение и транспорт носителей заряда в квантово-размерных структурах. Баллистический транспорт. Резонансное, спин-завися-щее туннелирование. Квантовый эффект Холла. Оптические свойства квантово-размерных структур, Магнитные свойства нанослоевых композиций и фрактально-кластерных структур. Физика процессов переноса в неупорядоченных системах. Теория протекания. Кооперативно-синергетические процессы переноса энергии и зарядов в конденсированных средах. Перенос энергии и заряда в биоорганических наносистемах.

ХИМИЯ НАНОСИСТЕМ

Физическая химия поверхности твердого тела. Энергетическая структура поверхности. Термодинамика поверхности. Кинетические процессы на поверхности: адсорбция, десорбция, смачивание, зародышеобразование. Физическая химия наноструктурированных материалов, Малые ансамбли молекул, межмолекулярные взаимодействия. Размерные и функциональные свойства наночастиц. Молекулярная динамика, конформации. Симметрий-ное описание наносистем. Термодинамика и кинетика межфазных границ, Кластерообразование. Мицеллообразование. Полимеризация. Матричный синтез. Самоорганизация. Наноматериалы: золи, гели, суспензии, коллоидные растворы, матрично-изолированные кластерные сверхструктуры, фул-лерены и фуллереноподобные материалы, углеродные нанотрубки, полимеры, сверхрешетки, биомембраны. Модели электропроводности, теплопроводности и механических свойств наносистем. Связь между физико-химической природой и специальными свойствами наноматериалов: биосовместимость, селективность, энергоемкость, память. Нанохимические компоненты: катализаторы, сорбенты, насосы, реакторы.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НАНОСИСТЕМ

Классификация материалов по техническому назначению, составу и свойствам: конструкционные, функционально активные, адаптивные материалы, проводники, полупроводники, сверхпроводники, диэлектрики. Основы кристаллофизики наноматериалов. Физикохимия процессов синтезанано структурированных материалов. Методы получения наноматериалов. Синтез нанодисперсныхматериалов. Синтез наноструктурированных композитов. Атомно-молекулярные нанослоевые технологии. Нанозондовый локальный синтез и модификация. Микро- и нанобиотехнологии. Методы исследования наноматериалов. Свойства наноматериалов: механические, теплофизические, физико-химические, электрофизические, оптические. Критерии выбора и совместимости материалов: кристаллохимическая и термомеханическая совместимость. Применение наноматериалов: конструкционные материалы для механических конструкций, электрической и оптической коммутаций функционально активные материалы для электростатических, электромагнитных, пьезоэлектрических, оптических, электрооптических и термоэлектрических преобразователей энергии, движения, информации; адаптивные материалы. Самоорганизующиеся среды.

ПРОЦЕССЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Методы нанослоевого синтеза: атомно-молекулярная эпитаксия, молекулярная и химическая сборка, молекулярное наслаивание методом Ленгмюра-Блоджетт, полианионная молекулярная сборка, матричный синтез биоорганических веществ. Методы синтеза наноструктурированных материалов: вакуумно-плазменный и химический синтез фуллерено-подобных материалов, углеродных нанотрубок, многослойных нанокомпозитов. Золь-гель-технологии. Синтез полимеров и полимерных композиций. Методы сверхлокального нанесения, удаления и модифицирования вещества: корпускулярно-фотонные и электрохимические нанотехнологии, нанозондовый локальный синтез и удаление вещества, модифицирование поверхности. Самооорганизующиеся процессы и среды.

МЕТОДЫ НАНОДИАГНОСТИКИ

Методы измерения и контроля наноразмеров и контроля наноколичеств: интерферометрия, эллипсометрия, растровые электронная и ионная микроскопии, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия, вторичная ионная масс-спектрометрия, Оже-спектроскопия, электронная спектроскопия для химического анализа, рентгеноспектральный микроанализ, электронный и ядерный парамагнитный резонанс, ИК Фурье-спектроскопия, хроматография, электрофорез. Методы исследования структуры: рентгеноструктурный анализ просвечивающая электронная микроскопия, электронография, дифракция быстрых и медленных электронов, малоугловая дифракция, обратное рассеяние Резерфорда. Атомно-зондовые методы анализа поверхности: контактные и бесконтактные методы сверхлокальный контроль электрических и магнитных полей, измерение емкости и концентрации носителей заряда, адгезионных параметров. Электрические методы контроля свойств наноструктур токовая и емкостная спектроскопия, Активная метрика процессов синтеза наноструктурированных материалов и нанослоевых композиций. Микро- и наноаналитические системы. Биомедицинские методы нанодиагностики. Биочипы и биокластеры.

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Энергетический спектр частиц в системах пониженной размерности. Прохождение частиц через многомерные квантовые структуры, Влияние электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности, Экранирование электческого поля в структурах пониженной размерности. Квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе. Транспортные явления в квантово-раз-мерных структурах. Баллистический транспорт. Электрон-фононное взаимодействие. Резонансное, спин-зависящее туннелирование, Электропроводность и эмиссионные свойства углеродных нано-трубок и фрактальных структур. Оптоэлектронные свойства квантово-размерных структур: квантовые точки, ямы, нити, сверхрешетки. Магнитные свойства нанослоевых композиций и кластерных систем. Перенос заряда, энергии и информации в биоструктурах. Приборы нан о электроники: полевые нанотранзисторы, резонансно-туннельные диоды, спиновые клапаны, электронные и квантовые интерферометры, магниточувствительные элементы, Бионаносенсорика. Элементная база квантовых компьютеров на основе неорганических и органических наносистем.

НАНООПТИКА

Размерные эффекты в оптике: классические и квантовые размерные эффекты. Квантовые ямы, квантовые нити, квантовые точки, сверхрешетки, квантовые кристаллы. Распространение оптического излучения в квантово-размерных слоях и наноструктурах. Оптические эффекты в наноструктурах. Преобразование и генерация оптического излучения в наноструктурах. Фотонные кристаллы. Нанослоевые композиции для преобразования и передачи оптических сигналов. Сверхскоростные методы передачи и обработки информации, распознавание образов. Высокоразрешающие методы оптической диагностики наноструктурированных материалов и нанослоевых композиций, Ближнепольная оптическая микроскопия, Предельные возможности микро- и нанооптики,

НАНОМЕХАНИКА

Макро-, микро- и нанокристаллическая структуры наноматериалов. Размернофункциональные свойства наночастиц. Структурные и фазовые превращения наноструктурированных материалов. Дисперсные, нанокристаллические и нанокомпозиционные материалы. Сплавы. Волокнистые, слоистые, фрактальные нанокомпозиты. Методы синтеза наноматериалов. Механические, физико-химические и теплофизические свойства наноструктурированных материалов. Обработка поверхности с наноточностью; механическая, электрохимическая, электронно-лучевая, лазерная, ионно-плазменная. Ионное наномодифицирование поверхности. Искусственное и естественное наноформообразование. Способы механического позиционирования с наноточностью: пьезоэлектрические и магнитострикционные приводы движения. Способы демпфирования тепловых и механических воздействий при нанопозиционировании и нанообработке. Оптические методы контроля положения с наноточностью. Механические и оптические методы контроля наношероховатости. Атомнозондовые методы контроля морфологии поверхности. Микро- и наноинструмент для атомно-молекулярной инженерии, Механика течения жидкостей и газов в микро- и нанокапиллярах. Транспортные и механохимические процессы в биосистемах.

МИКРО- И НАНОЭНЕРГЕТИКА

Моделирование процессов переноса заряда, энергии и вещества в наноструктурированных системах. Процессы энергонакопления и энергопереноса в неорганических материалах с нанослоевой и кластернофрактальной структурой. Фотопреобразователи на основе нанослоевых и нанокластерных композиций. Наноэлектрохимия. Микромеханические источники энергии и движения, Механизмы переноса энергии в биоструктурах. Солитоны. Системы сопряженных ионно-водородных связей. Биоэнергетика. Фоторецепция. Биофоторецепция. Фотосинтезирующие мембраны. Механизмы фотосинтеза. Транспортные процессы в биосистемах. Классификация транспортных АТФ и механизмы их работы. Механохимические процессы переноса вещества на клеточном и тканевом уровнях. Биотехнические системы рекуперации энергии и движения.

БИОМЕДИЦИНСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Организация биологических систем. Атомно-молекулярная структура биологических систем, Нуклеиновые кислоты. Методы изучения и синтеза нуклеиновых кислот. Принципы генной инженерии. Белки. Уровни организации белков. Методы изучения и синтеза белков. Белковая инженерия. Биоэнергетика. Механизмы переноса энергии в биоструктурах. Электромагнитное, оптическое, акустическое, тепловое и химическое воздействие на биологические микро- и наносистемы. Биосенсорика, Принципы молекулярного узнавания. Взаимодействие лигандов с надмолекулярными структурами. Биокатализ. Модели работы олигомерных ферментов. Модель работы хемосенсоров. Иммуноглобулины. Биомембраны. Зонно-блочная модель. Сенсорные белки в биомембранах. Нейросенсори-ка. Фоторецепция, Фото синтезирующие мембраны, Фоторецепторные белки. Транспортные и механохимические процессы в биосистемах. Методы медицинской и микробиологической нанодиагностики. Биочипы и биокластеры. Селективная бионанодиагностика и хемонанотерапия. Наноаналитические системы, Микро- и наноинструмент для медицинской диагностики, терапии, хирургии и генной инженерии,

Данные аннотации фактически характеризуют не только предметную область обучения, но и направления реальной научно-практической деятельности в указанных областях.

Заключение

1. Фундаментальным базисом наноиндустрии являются новые, ранее неизвестные свойства и функциональные возможности материалов и систем при переходе к наномасштабам, что обусловлено проявлением кванто во-размерных кооперативно-синергетических, и, так называемых, «гигантских» эффектов, определяемых особенностями процесса переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при нано структурировании.

2. Технологическим базисом наноиндустрии являются система знаний, навыков, умений, аппаратурное, метрологическое, информационное обеспечение процессов и операций, направленных на создание наноматериалов и систем с ярко выраженным проявлением свойств, обусловленных наномасштабными факторами.

3. Наноиндустрия находится на стадии становления в отношении выбора экономически эффективных промышленно значимых востребованных направлений развития.

4. Наноиндустрия может быть отнесена к высокотехнологичным производствам с высокой добавленной стоимостью, которые опираются в значительной степени на инвестиции в «человеческий капитал».

ЛИТЕРАТУРА

1. Лучший В.В., Софаралаев Г.К. Научно-образовательный базис наноиндустрии. — Петербургский журнал электроники, 2001, №4, с, 6-11.

2. Лучияин В.В., Таиров Ю.М. Научно-образовательный базис наноиндустрии в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете. — Известия вузов, материалы электронной техники, 2003, №2, с. 15 — 20.

⇐ Предыдущая 1 2 34