Нанотехнологии

Нанотехнологии представляют собой совокупность химических, физических или «искусственных» биологических процессов, позволяющих контролируемо работать с нанообъектами, формирующими различные материалы, устройства или технические системы. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию множества необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства.

Нанотехнологии являются всеобъемлющим направлением, без достижений которого невозможно развитие ни одной из отраслей современной экономики. В связи с чем, проблемное поле для исследований и проектной деятельности является весьма широким. В этом году выполняемые проекты в рамках направления охватывают проблемы таких отраслей, как медицина и биотехнологии, экология и современное растениеводство, современная энергетика  и космос, микроэлектроника и инновационное исследовательское оборудование и системы и др.

Школьники проходят путь от погружения в проблематику самого направления, освоения современных методов исследования и принципов разработок в сфере высоких технологий до решения практических задач вышеприведенных отраслей. Каждый проект имеет свой спектр партнеров, которые работают в реальных секторах экономики.

1. Разработка методик создания и наноразмерного исследования новых материалов в условиях открытого космоса
2. Наноструктурированные частицы на основе биогенного пористого кремния и серебра для применения в тераностике
3. От гибридных наноструктурированных материалов до мультимодальных сенсорных систем
4. Нанокатализаторы на основе солей переходных металлов: оценка стабильности и эффективности в промышленно значимых окислительно-восстановительных процессах

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)
 

1. Разработка методик создания и наноразмерного исследования новых материалов в условиях открытого космоса

Руководитель проекта: Логинов Б.А.

Аннотация: Проведения экспериментов и исследований в условиях открытого космоса, особенно в области «нано», требует решения целого ряда научных, технологических и инженерно-технических задач от микроэлектроники до нанотехнологий. Наша работа будет направлена на реализацию целого сегмента таких задач в рамках реализации проекта первого в мире космического сканирующего зондового микроскопа:

– освоение обучающимися методов и оборудования для создания наноструктур и элементов микроэлектроники в условиях космического вакуума, а также освоение приборов для их изучения,
– теоретический поиск материалов для создания наноструктур и элементов микроэлектроники с требуемыми свойствами,
– проведение серий опытов по созданию, изучению и контролю наноструктур и элементов микроэлектроники,
– творческий поиск способов контроля параметров наноструктур и элементов микроэлектроники непосредственно в процессе их формирования в условиях космического вакуума, с конструкторской реализацией прибора, реализующего разработанный способ контроля,
– проведение серий опытов по воздействию на созданные наноструктуры и элементы микроэлектроники плазмой, аналогичной космическому солнечному ветру, с изучением стойкости созданных наноструктур и элементов микроэлектроники.

Выполнение проекта потребуют, как творческого поиска с освоением новых знаний и навыков, так и проведения многих практических работ и экспериментов; приведёт к получению результата, который будет опубликован в научных журналах с соавторством членов команды проекта и получит применение в космосе. В проекте будет использован и созданный недавно в «Сириусе» рабочий прототип первого в мире космического зондового микроскопа, и ряд современных микроскопов, и вакуумные установки. Для реализации контроля создающихся в условиях космического вакуума наноструктур и элементов микроэлектроники необходимо будет освоить также технологию разработки и создания электронных плат, с расчётом схем, изготовлением печатных плат, напайкой радиодеталей и настройкой, что даёт возможность освоения навыков и компетенций электронщика. А итоговая разработка методик и написание научно-технического отчёта даст почувствовать себя настоящим научным работником.

Партнеры проекта: АО «Завод-ПРОТОН», Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (МИЭТ), Орловский государственный университет имени И.С.Тургенева, Фонд содействия инновациям

2. Наноструктурированные частицы на основе биогенного пористого кремния и серебра для применения в тераностике

Руководители проекта: Бондаренко А.В., Бурко А.А., Янушкевич К.О.

Аннотация: В последнее время наблюдается быстрый рост интереса к инновационным подходам в сферах биоанализа и персонализированной терапии, объединенных понятием «тераностика», которые позволяют не только обнаружить различные химические соединения в физиологических жидкостях и клетках тканей организма в предельно малых количествах, но и доставить в них молекулы лекарственных препаратов в заданной концентрации. В настоящем проекте будет разработан инструмент, который позволит успешно совместить методы анализа (для диагностики) и доставки лекарств (для терапии) для развития тераностики. В качестве такого инструмента будут выступать частицы, которые работают в нескольких режимах, позволяя одновременно визуализировать и изучать структуру целевых молекул в клетках, а также вводить в них лекарства и питательные вещества. 

Участники проекта будут изготавливать частицы на основе биогенного пористого кремния, модифицированного наночастицами серебра. Пористый кремний, который демонстрирует люминесценцию и растворяется (деградирует) в физиологических жидкостях, позволит визуализировать клетки и высвобождать молекулы лекарства, предварительно загруженные в него. Наночастицы серебра, обладающие активностью в спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света, позволят детектировать и изучать молекулы, входящие в состав клеток. В проекте будут проводиться поисковые исследования, ориентированные на разработку нового процесса, в котором биогенный диоксид кремния (например, из полевого хвоща или альтернативного растения, выбранного участниками самостоятельно) используется в качестве исходного материала для формирования пористого кремния. Формирование пористого кремния из сырья биогенного происхождения приведет к снижению стоимости изготовления частиц. Это в перспективе положительным образом скажется на экономической эффективности процесса производства частиц и процедур тераностики с их использованием.

Важность задач проекта для развития научно-технического прогресса состоит в получении новых фундаментальных знаний о закономерностях формирования и свойствах наноматериалов, которые в перспективе позволят разработать инновационный метод тераностики.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (МИЭТ), Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ООО «СОЛ инструментс» (Белоруссия)

3. От гибридных наноструктурированных материалов до мультимодальных сенсорных систем

Руководитель проекта: Жуков М.В.

Аннотация: В рамках проекта планируется создать мягкую роботизированную перчатку на основе силикона с интегрированными мультимодальными сенсорами для реабилитации гемиплегии верхних конечностей. Сенсоры на основе жидких сплавов и полиионных сборок с проводящими нанослоями позволяют проводить мониторинг в режиме реального времени, контролировать водно-солевой баланс и следить за давлением. Наномодифицированные датчики с использованием ион-селективных мембран обеспечивают высокий отклик на ионообменные процессы в организме, а применение нано-и микроразмерных каналов в структуре перчатки позволят работать с малыми дозами аналитов. Роботизированная перчатка с интегрированной гибкой наноэлектроникой и ион-селективными мембранами обеспечивает больший диапазон движения и безопасное взаимодействие благодаря мягким и биосовместимым материалам.

Для создания мягких и гибких сенсорных наносистем будут использованы современные методы 3D-прототипирования, нанолитографии и химического синтеза проводящих дорожек на основе GaIn. В перчатке будет создано по несколько каналов с референсным и чувствительным AgCl электродами, имеющими несколько транспортных нано- и микро слоев к ион-чувствительной мембране. Будет исследовано влияние внутренней структуры синтезируемых мембран и чувствительных нанослоев сенсора на результат детектирования  различных химических элементов аналита (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, белок и т.п.). Полученные результаты планируется изучить с применением современных методов атомно-силовой микроскопии, оптической спектроскопии и топологического анализа данных, в которых у команды проекта имеется большой опыт. 

В проекте планируется применение наноструктур кристаллов полупроводников оксидов группы A3B5 и нанолистовых миксенов (MXene) для повышения проводимости между гибкими полиионными сборками (PSS, PEI) в сенсоре. Будет проанализирована возможность применения роботизированных насосных систем для управления разрабатываемыми гибкими сенсорными наносистемами. 

В рамках реализации проекта планируется проведение собеседований и online-консультаций НОЦ «Инфохимии» с ведущими учеными в области нанотехнологий, химии и медицины, в том числе с привлечением вычислительных и приборных мощностей Университета ИТМО. Кроме того, участники получат опыт поиска научных источников, написанию патентов и статей, подготовке презентаций и научных отчетов.

Партнер проекта: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)

4. Нанокатализаторы на основе солей переходных металлов: оценка стабильности и эффективности в промышленно значимых окислительно-восстановительных процессах

Руководитель проекта: Соков С.А.

Аннотация: Продукты переработки нефти используются в производстве более 6000 тысяч наименований товаров. Начиная от бензина и мазута, заканчивая аспирином и губной помадой — все сделано из нефти. Главная проблема, что нефть не возобновляемый ресурс, хотя в перспективе через миллионы лет некоторые органические вещества и могут ею стать. По некоторым оценкам мировой запас нефти составляет около 2 трлн баррелей, которых должно хватить при нынешнем уровне потребления приблизительно на 50 лет. В свою очередь развитие нефтехимии и химии в целом тесно связано с прогрессом в области разработки, производства и повышения эффективности катализаторов, так как большая часть существующих технологий представляет собой каталитические процессы.

Наиболее часто используются технологические схемы гетерогенного катализа, где катализатор находится в твердой фазе. Катализаторы находят применение в таких многотоннажных процессах основного органического синтеза нефтепереработки и нефтехимии, как риформинг, гидрирование, изомеризация, гидроочистка и многие другие. Многие научно-исследовательские коллективы работают над созданием дешевых, более эффективных катализаторов, чем ныне существующие. Отдельное внимание уделяется экологической составляющей данного процесса — используемые катализаторы должны наносить минимальный вред окружающей среде. В научной литературе имеются сведения о применении различных солей переходных металлов (например, сульфидов молибдена, цинка и др.) в качестве активных гетерогенных катализаторов.

Целью проекта является получение катализаторов с наноразмерным эффектом и оценка их каталитической активности в окислительно-восстановительных процессах.

Задачи, решаемые в проекте:

– поиск и разработка методик синтеза наночастиц на основе солей переходных металлов;
– проведение синтеза, изучение морфологии полученных образцов методами сканирующей зондовой микроскопии;
– изучение физико-химических свойств, полученных наночастиц;
– подбор модельной среды (безопасной для детей) и режима для оценки каталитической активности наночастиц в условиях гетерогенного катализа;
– испытание долговечности и эффективности продукта.

Также в рамках выполнения работы участники познакомятся с со сферой реально применяющихся в РФ катализаторов: от исследований до разработок. 

Партнеры проекта: ПАО «Тольяттиазот», Тольяттинский государственный университет