Нанонаука в Сибири: наноматериалы, наноэлектроника и нанобиотехнологии

Доклады на Общем собрании Сибирского отделения Российской Академии Наук (СО РАН)

 


Первую часть основного доклада «Наноматериалы, наноэлектроника и нанобиотехнологии» представил академик А. Л. Асеев.

 

Он отметил, что в принципе нанотехнологии использовались еще в древности и в средние века, и прокомментировал изображение большого витража на экране: как менялся цвет стекла при добавлении ультрадисперсных частиц металла. И это не единственный пример интуитивного производства наноматериалов с необычными свойствами. А в наше время нанобум начался в 2000-м году. Его инициировал президент США Билл Клинтон, выступивший с «нанотехнологической инициативой» в Конгрессе США.

 

Докладчик вкратце охарактеризовал американскую нанотехнологическую инициативу и главные цели программы: создание компактных устройств хранения информации (например, библиотека Конгресса США на одном чипе). Кроме того, изготовление высокопрочных материалов, создание наносредств для адресной доставки лекарств к больным органам человека. Для конкретных целей предусмотрены фундаментальные ориентированные исследования в нанонауке и ее технических приложениях.

 

А. Л. Асеев обратил внимание на различия подходов к решению актуальной научно-технической проблемы: «В России все сделано по-другому. И первое, что было сделано — определена головная организация по нанотехнологиям: ФГУ Российский научный центр «Курчатовский институт».

 

Интерес к этой области исследований и создания технологий подогревается бизнесом. По прогнозам общемировой рынок нанотехнологий достигнет более триллиона долларов США ежегодно в ближайшие восемь-десять лет. Наиболее активно будет развиваться рынок наноматериалов и наноэлектроники (по равной доле — 350 млн долларов). Но главное в новых областях — фармацевтика. Затем — нанотехнологии на транспорте, производство на новой основе катализаторов и создание нанотехнологий для решения экологических проблем.

 

Говоря о нанонауке, А. Л. Асеев выделил главное в существующих высказываниях о сущности предмета. Основная мысль — малый размер (от 1 до 100 нм) должен быть существенен для функций квалифицируемого изделия. Если говорить о наноэлектронике, то это прежде всего использование квантовых свойств, эффектов самоорганизации и самосборки наноструктур. Развитие нанобиотехнологий также связано с использованием технологий наноконструирования.

 

Затем академик А. Л. Асеев отметил инициативы Правительства Российской Федерации в области нанотехнологий. Здесь основное, как он сказал, — Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития нанотехнологического комплекса России на 2007-2012 гг.».

 

Вторая Федеральная программа предусматривает «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 гг.». Принят также федеральный закон (№ 139 от 19 июня 2007 г.) «О Российской корпорации нанотехнологий». Эти позиции иллюстрировались картой-диаграммой распределения по регионам доли выигравших конкурс заявок от общего их числа в 2007 г. Докладчик назвал суммы, характеризующие внушительную финансовую поддержку программы.

 

Комментируя инициативы Академии наук, А. Л. Асеев напомнил, что создана комиссия РАН по нанотехнологиям, которая активно работает, и ее результаты будут представлены на Общем собрании Академии наук в Москве.

 

И, возвращаясь к схеме участия организаций регионов в работах Федеральной целевой программы, А. Л. Асеев сопоставил некоторые факты, связанные с числом заявок, поступивших на конкурс: «Сибирский регион формально выглядит достаточно благополучно, но если посмотреть на цифры, то ситуация не такая благополучная. Выделяется Центральный федеральный округ, который подал около трех тысяч заявок, а Сибирской федеральный округ — шестьсот. А если мы перейдем к финансированию бюджетных контрактов, разница уже не в пять, а в десять раз! Центральный округ получает 7 млрд руб., мы — около 700 млн руб. Такая разница связана с тем, что доля внебюджетного финансирования в Центральном округе превысила 4 млрд руб.» А сибиряки смогли обеспечить внебюджетным финансированием контракты только на сумму приблизительно в 400 млн руб. Понятно, что наличие предприятий, которые могли бы «вкладываться» в поддержку заявок — исключительно важный фактор.

 

С научной точки зрения и в целях просветительских в Сибирском отделении произошло несколько важный событий. В докладе упоминалась научная сессия Президиума СО РАН «Наука и нанотехнологии» (Новосибирск, декабрь 2006 г.). «Очень важная научная сессия», — подчеркнул А. Л. Асеев. В этом году летом проводился международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология» под председательством лауреатов Нобелевской премии Ж. И. Алферова (Россия) и Л.Есаки (Япония). А в октябре состоялся круглый стол «Нанотехнологии» в рамках симпозиума «Наука и образование в XXI веке».

 

Редкий случай, констатировал докладчик, мы не испытываем никаких проблем в организации таких крупных мероприятий благодаря спонсорской поддержке фирм мирового уровня и компаний, работающих в области новых технологий.

 

Финансовую поддержку получили и Центр коллективного пользования «Наноструктуры» — существенный грант Министерства образования и науки. Этот объект сопоставим по значимости с известным Центром синхротронного излучения Института ядерной физики.

 

В Сибирском отделении фронт работ очень велик. (На сессии были представлены доклады, отражающие разнообразие исследований и конкретных новых технологий.) Пунктирно обозначив размах работ, их связи с Федеральной целевой программой, А. Л. Асеев назвал первые — классические — «прорывные» исследования по детонационному синтезу наноалмазов, нанодисперсным порошкам, нановолокнам, наноструктурированию поверхностных слоев и нанесению наноструктурных покрытий. Эти и другие первые работы находятся на очень высоком уровне, но, кроме биологических (наночастицы и нанокомпозиты для биологии и медицины) и в какой-то степени — по наномеханическим системам и метаматериалам, относятся уже к нанотехнологиям предыдущего поколения.

 

…На экране многоступенчатая схема проекта «Разработка технологии получения и создание опытных производств нового поколения адсорбционно-каталитических материалов для разделения и очистки природных и техногенных газов и жидкостей». Головная организация — Институт проблем переработки углеводородов СО РАН. «Эта работа Омского научного центра, — подчеркнул А. Л. Асеев, — доведена до практического применения и поддержана государственным контрактом (от 06.08.2007 г.) с бюджетом в сто миллионов рублей». Заметим в скобках, что госконтракт получен в тяжелой конкурсной борьбе.

 

Далее демонстрировались предметные снимки, отражающие результаты работ в Сибирском отделении и участие его институтов в Федеральной целевой программе. В этой связи наиболее подробно было представлено «дерево» полупроводниковой микро- и наноэлектроники.

 

Корни этого ветвистого дерева — естественные и технические науки: физика, химия, математика, информатика, радиотехника и электроника. И основа — ствол: физика твердого тела, физика полупроводников и диэлектриков, квантовая механика. А ветви и крона показывают, к чему приводят достижения нанотехнологий. Это доступные, дешевые фотоэлементы на основе полупроводниковых структур. Высокоэкономичные источники света на полупроводниковых светодиодах. Системы тотального контроля на элементах нанофотоники. Интеллектуальные энергосберегающие системы в энергетике. «Будет достигнуто резкое уменьшение габаритов и массы телекоммуникационных и локационных систем. Появятся интеллектуальные системы управления транспортом, «умные» дома», — так комментировал А. Л. Асеев. — Центральные ветви дерева — элементная база информационных технологий. Возникнут такие области, как квантовые биты, квантовые компьютеры. Элементы наноэлектроники создаются уже сейчас. Появляется терабитная память, основанная на физических явлениях в наноструктурах». (Разумеется, множество направлений в докладе представлено только выборочно.)

 

Отвечая на риторический вопрос — чем же оперирует наноэлектроника, А. Л. Асеев сказал — квантовыми эффектами в наноструктурах, и вкратце пояснил их особенности. Это квантовое туннелирование электронов и изменение электронных состояний в так называемых квантовых ямах полупроводниковых наноструктур. Сейчас активно разрабатываются спиновые явления в наноструктурах. Квантовые биты — это квантовые системы с двумя состояниями. В ближайшем будущем начнут использовать «запутанные» квантовые состояния системы из двух частиц. «На самом деле квантовая механика доставит нам еще много практических приложений совершенно неожиданных».

 

Демонстрировалось также техническое оснащение нанотехнологий в наноэлектронике. Например, промышленно ориентированный комплекс производства гетероэпитаксиальных структур кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Установка полностью разработана и изготовлена в Институте физики полупроводников. И сейчас создано целое поколение подобных машин.

 

Показателем высокого уровня технологий и качества структур служит тот факт, что когда-то «неуловимый» эффект Холла в высокоподвижном электронном газе квантовой ямы теперь воспроизводят даже студенты старших курсов университета. Известно, что в девяностые годы открытие этого квантового эффекта было отмечено двумя Нобелевскими премиями.

 

Доклад  А. Л. Асеева иллюстрировался убедительными примерами результатов физических экспериментов, имеющих практическое государственное значение. Говоря о так называемой зонной инженерии, А. Л. Асеев назвал адреса сотрудничества ИФП СО РАН. Во-первых, ОАО «Московский завод «Сапфир». Совместная работа института и завода поддержана госконтрактом с соответствующим финансированием. Это проект «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга». И эта работа была поддержана Министерством образования и науки благодаря тому, что ОАО «Российские железные дороги» гарантировали сбыт продукции на полтора млрд руб. Новые системы адаптированы к условиям эксплуатации на всей территории России.

 

Демонстрировалась еще одна совместная работа с ОАО «Октава» (Новосибирск) и ОАО «Микран» (Томск) — полупроводниковые структуры для высокочастотных полевых транзисторов. Достижением в этой области является компактность и эффективность систем СВЧ-электроники на основе этих транзисторов.

 

Перечень разработок внушителен. Например, создан самый миниатюрный в мире полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором — источник когерентного излучения. Это совместная работа Института физики полупроводников СО РАН им. А.В. Ржанова, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Технического университета (Берлин). А. Л. Асеев отметил, что все лазерные структуры произведены по разработанной в институте технологии. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических систем со скоростью передачи данных на уровне одного терабита в секунду. Демонстрировались и другие результаты работ, имеющих хорошее будущее.

 

Наступил момент, когда представлялись результаты работ, проводимых совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины, в которых использовались микроканальные пластинки кремния. На их основе приготовлена пористая структура с характерным размером 10 нанометров. Опять-таки важно, что наноматериалы и вся аппаратура для тонкого биологического эксперимента сделаны в ИФП СО РАН. Комментировалась также работа, находящаяся в стадии проектирования. Проект направлен на создание нанореактора для биологии. Речь идет о наноустройстве для чтения структуры молекул ДНК (эти работы более предметно комментировались в докладе ак. В.В. Власова). Качество работы говорит о том, что проблема вполне решаема.

 

Говорилось и о необходимости метрологического обеспечения нанотехнологий. Эта работа находится в настоящее время в развитии, получены первые важные результаты.

 

Во второй части доклада директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН ак. В.В. Власов рассказал о работах, ведущихся в области бионанотехнологии.

 

Нанобиотехнология, как ее определяет Совет РАН по нанотехнологии, — это конструирование новых материалов и устройств на основе естественных или синтетических макромолекул, конструирование новых биологических структур на основе синтетических биополимеров. Молекулярные биологи имеют дело с объектами порядка нескольких нанометров: все вирусы, белки, рибосомы, молекулы ДНК попадают в этот размер. Академик  В. В. Власов отметил, что, «работая с нуклеиновыми кислотами и белками, мы всегда по сути занимались нанобиотехнологией, только не использовали этот недавно появившийся термин. Наверное, правильно будет сказать, что пока мы на данных объектах занимаемся фундаментальными исследованиями (это называется молекулярной биологией), но если исследования ориентированы на получение конкретного результата, на создание технологии, то это нанотехнология».

 

Молекулярно-биологические объекты обладают рядом замечательных свойств. Во-первых, они способны избирательно взаимодействовать друг с другом: например, белки обладают способностью связываться с другими определенными белками и органическими молекулами. Всем известно, что две цепочки ДНК образуют двуспиральную структуру. Механизм избирательного взаимодействия биомолекул расшифрован, молекулы эти можно получать в больших количествах биотехнологическими методами и на их основе создавать новые материалы. В структуре этих материалов могут быть вмонтированы с высокой степенью упорядоченности любые вещества и нанообъекты, например, металлические наночастицы.

 

Бионанотехнологии можно применять не только для создания новых материалов. На основе биомолекул возможно создание «молекулярных машин», различных устройств и сенсоров. В области разработки молекулярных машин активно ведутся исследовательские работы. Доказано, что можно сделать движущиеся наноструктуры, «шагающие роботы», выполненные из молекул ДНК. Они способны двигаться в определенном направлении по молекуле ДНК при подведении к ним энергии. Что касается наносенсоров (НК-зависимых переключателей, молекулярных сенсоров, сенсоров на основе гибридных конструкций, которые состоят из нуклеиновой кислоты и белка), они уже находят широкое применение в молекулярной диагностике. В Институте химической биологии и медицины СО РАН разработано несколько диагностических систем для медицины, основанных на олигонуклеотидах, самособирающихся в комплекс на анализируемой ДНК, получены патенты на такие системы и ДНК-чипы. Недавно в институте получены наноразмерные неорганические структуры — «квантовые капли», которые за счет квантовых эффектов окрашены в различный цвет. Они могут быть использованы как спектральные метки для диагностических систем.

 

В ИХБиФМ разработаны оригинальные биосенсоры для визуализации определенных вирусных РНК. Преимуществами новых нанобиосенсоров являются: селективность по отношению к РНК; высокая чувствительность; стабильность биосенсоров in vitro и in vivo. Крайне важным направлением является создание из ДНК новых материалов, различных двухмерных и трехмерных структур. На их основе могут быть получены совершенно новые материалы для электроники. Ведутся работы по получению химически модифицированных нуклеиновых кислот, которые необходимы для получения таких материалов.

 

Важнейшей задачей бионанотехнологии является создание средств доставки терапевтических препаратов в определенные виды клеток. В частности, необходимо создание методов введения в клетки ДНК и РНК для развития генотерапии. В Институте химический биологии и фундаментальной медицины СО РАН разработаны новые подходы к доставке РНК и ДНК в клетки, основанные на биотехнологических подходах. Для стимуляции связывания нуклеиновых кислот с клетками предложено формировать из них комплексы, представляющие собой наноразмерные частицы. Такие частицы формируются за счет нековалентных взаимодействий нуклеиновых кислот между собой и катионными полимерами. Частицы эффективно связываются с клеточной поверхностью, что способствует их успешному поглощению клеткой. Эти исследования открывают возможность создания действенных методов генотерапии.

 

Одним из наиболее развитых направлений нанотехнологий являются биочиповые технологии, без которых современная биология и медицина уже не могут существовать. Биочиповая технология — современная нанотехнология анализа генетического материала, позволяющая проводить скрининг сложных смесей нуклеиновых кислот. Это индустрия высоких технологий, базирующаяся на современных достижениях химии, биологии, физики, микроэлектроники, информатики и других отраслей знаний. Биочип представляет собой пластинку, несущую на своей поверхности множество различных зондов — фрагментов нуклеиновых кислот или олигонуклеотидов, размещенных в строгом порядке. С помощью такого чипа можно наблюдать за функционированием всех генов в организме человека — все это уже делается в современных лабораториях. Практически, для медицинских целей, необходимы упрощенные варианты чипов. Например, в ИХБФМ разработаны чипы для обнаружения разных генотипов вируса гепатита С.

 

Совместно с ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» разработаны чипы для обнаружения различных вариантов вируса оспы. Совместно с Институтом геологии и минералогии СО РАН разрабатываются высокоэффективные ДНК-чипы, обладающие улучшенными характеристиками за счет развитой поверхности, образованной монодисперсными сферическими частицами кремнезема. Наличие на поверхности многослойных пленок наночастиц значительно повышает чувствительность чипов. И это далеко не полный перечень проводимых исследований и разработок институтов СО РАН.

 

Таким образом, институты Сибирского отделения Российской академии наук обладают значительным научно-техническим потенциалом в области нанотехнологий и работают над созданием наноматериалов и наноустройств для электроники. Направления работ прорывного характера связаны с использованием процессов самоорганизации и самосборки нанообъектов, использованием квантовых свойств наноструктур и применением методов наноконструирования в информационных, химических, биологических и медицинских технологиях. Развитие нанотехнологий в Сибирском регионе требует более тесной кооперации институтов СО РАН с предприятиями высокотехнологической промышленности региона, вузами и органами исполнительной власти.

 

Источник: pine.ict.nsc.ru