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 темплатного синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства.

Развитие промышленных технологий, микроскопии, работа с материалами на атомарном уровне не только рождают новые возможности, но и ставят человечество перед новыми вызовами. Знаковым событием в этой области можно считать выступление нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места», описавшего перспективы развития материаловедения и нанотехнологий.

Несмотря на то, что для решения большинства задач необходимо дорогое и сложное оборудование, очень многие вещи можно сделать и с использованием бытовых объектов. Андрей Гейм и Константин Новоселов, например, были награждены в 2010 году Нобелевской премией по физике за открытие графена и его получение с полоски обычного скотча, к которой был приклеен графит: при отрывании скотча на нем остался моноатомный слой графита — графен.

Также в рамках конкурса школьники могут сравнить разные виды солнечных батарей, элементов или других источников альтернативной энергии.
 

Направление реализуется при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ, целью которого является содействие формированию кадрового ресурса наноиндустрии Российской Федерации, а также ранняя профориентация и популяризация среди детей и молодежи сведений о нанотехнологиях и наноиндустрии.

1. Создание прототипа первого в мире спутникового сканирующего зондового микроскопа для исследований в космосе в области «нано»
2. Разработка биосенсоров на основе плазмонных наноматериалов для детектирования единичных молекул в жидких средах
3. Разработка солнечного элемента нового типа на основе нанотрубок оксида титана и перовскита
4. Синтез нанокомпозитов на основе оксидов переходных металлов и применение их в качестве катализаторов для деградации органических соединений в сточных водах
5. Оценка влияния наночастиц металлов на антиоксидантный статус растений
6. Биосовместимый пьезоэлектрический генератор на основе пептидных структур
 

Описание проектов

1. Создание прототипа первого в мире спутникового сканирующего зондового микроскопа для исследований в космосе в области «нано»

Руководитель проекта: Логинов Б.А., Оразов И.В., Логинов А.Б.

Аннотация: Для освоения космоса актуальна разработка надёжных материалов космических аппаратов для их полетов в реальных космических условиях бомбардировки наноразмерными метеоритами и наночастицами пыли, а также в условиях облучения радиацией, светом и ионами солнечного ветра. Создаваемый сканирующий зондовый микроскоп, встроенный в наноспутник, будет около 2 лет с нанометровой точностью постоянно сканировать поверхность различных перспективных космических материалов и посылать на Землю тысячи кадров для анализа стойкости материалов, для получения статистики опасностей на орбитах разных высот, а также для поиска новых наноструктур и разработки технологии их получения, так как воздействие микро- и нано частиц высоких скоростей на поверхность материалов может приводить к наблюдению новых эффектов и образованию наноструктур с новыми свойствами.

В результате проекта будет разработана конструкция и изготовлен действующий полнофункциональный прототип первого в мире космического зондового микроскопа в спутнике. Будут проведены испытания этого космического зондового микроскопа во всех режимах на нескольких разных исследуемых материалах, а также испытан канал радиосвязи с земной станцией. Будут разработаны и реализованы методики эмуляции в земных условиях нескольких космических воздействий – солнечного ионного ветра, потока нанометеоритов и наночастиц пыли, а также сильного облучения светом разных длин волн. Стойкость перспективных материалов, подвергшихся разным по силе воздействиям этими методиками, будет исследована как на создающемся космическим зондовом микроскопе, так и для сравнения на стационарных зондовых микроскопах, в результате чего будет оформлен отчёт по научно-исследовательской работе.

Партнеры проекта: акционерное общество «Завод Протон» (Зеленоград), Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Орловский  государственный университет имени И.С.Тургенева»

2. Разработка биосенсоров на основе плазмонных наноматериалов для детектирования единичных молекул в жидких средах

Руководитель проекта: Бондаренко А.В.

Аннотация: На современном этапе развития биосенсорных технологий все более актуальной становится необходимость быстрого детектирования различных химических соединений в предельно низких концентрациях, в частности, маркеров заболеваний, молекул лекарственных препаратов и токсинов в физиологических жидкостях. Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия является одним из наиболее подходящих методов анализа для достижения этой цели. Большинство химических соединений имеет свой уникальный рамановский спектр, регистрация которого позволяет идентифицировать соединение настолько же точно, насколько установить личность человека путем определения его отпечатков пальцев.

Проведение такого анализа требует использования специального оборудования — рамановского спектрометра. При этом анализируемый материал подвергается воздействию лазера, которое рассеивается вследствие неупругого взаимодействия с его молекулами. Сигнал рассеиваемого излучения регистрируется детектором спектрометра и обрабатывается при помощи программного обеспечения для представления в виде спектра. Традиционная рамановская спектроскопия (не поверхностно-усиленная) обладает недостатком, заключающимся в низкой чувствительности, что ограничивает ее практическое применение в биосенсорике. Причиной этого недостатка является то, что из миллиона фотонов падающего излучения рассеивается только один рамановский.

Для преодоления этого ограничения в настоящем проекте будут разработаны и изготовлены биосенсоры, представляющие собой кремниевые чипы, покрытые наноструктурами металлов, на которые наносится жидкость для анализа. Воздействие лазера на поверхность наноструктур металлов приведет к локализации плазмонов (квантов колебания электронного газа) и, как следствие, к увеличению электромагнитного поля у их поверхности. Это в свою очередь вызовет рост числа фотонов, рассеиваемых целевыми молекулами, адсорбированными на поверхности наноструктур металлов, и заметному усилению сигнала рамановского рассеяния от них. В ходе выполнения проекта будет продемонстрирована возможность детектирования химических соединений в крайне малых количествах вплоть до единичных молекул в каплях раствора на поверхности разработанных биосенсоров.

Партнеры проекта: Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (Минск, Беларусь), компания «СОЛ Инструментс» (Минск, Беларусь)

3. Разработка солнечного элемента нового типа на основе нанотрубок оксида титана и перовскита

Руководитель проекта: Явтушенко И.О.

Аннотация: В настоящее время большое число исследовательских работ посвящено поискам технологических решений, а также новых компонентов, которые позволили бы создать солнечные элементы с высоким КПД. Замена твердотельных полупроводниковых структур на основе Si, на модифицированные ячейки Гретцеля показала возможность получения более эффективного преобразования солнечной энергии в электричество.

В рамках проекта планируется разработка тонкопленочной структуры солнечного элемента на основе полупроводниковых нанотрубок оксида титана (получение нанотрубок заданного размера методом электрохимического травления), а также перспективного полупроводникового материала - перовскита (создание пленочной структуры методом центрифугирования). Планируется анализ эффективности элемента в видимом диапазоне излучения, анализ структуры методами АСМ. 

Партнеры проекта: ФГБОУ «Ульяновский государственный университет», АНОДО «Детский технопарк «Кванториум», ГНЦ ФГБНУ ТИСНУМ (Москва), группа компаний «Остек»   

4. Синтез нанокомпозитов на основе оксидов переходных металлов и применение их в качестве катализаторов для деградации органических соединений в сточных водах

Руководитель проекта: Соков С.А.

Аннотация: Загрязнение сточных вод органическими соединениями, в частности фенолами — типичная проблема нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, а также технологических процессов по производству кокса, пластика, целлюлозы, бумаги, фармпрепаратов. На сегодняшний день накоплен большой арсенал методов очистки, но так как ни один из них не является универсальным, при выборе технологии приходится учитывать множество параметров. Чаще всего главным аргументом становится суммарная стоимость обработки 1 куб.м. сточных вод. В настоящее время применяется целая группа методов, например паровая дистилляции, водяная экстракция, сорбция, окисления влажным воздухом и т.д. Более продвинутым методом является фотокаталитическое окисление в присутствии катализаторов различной природы. Суть метода состоит в том, что исходные соединения окисляются до биодоступных вторичных продуктов. В этом случае не требуется деструкция загрязнений до полной минерализации, то есть метод будет экономически выгодным.

Целью проекта является получение нанокомпозитов с применением оксидов переходных металлов и изучение их применимости в фотокаталитическом окислении органических соединений из сточных вод. Задачи, решаемые в проекте:

– Поиск и разработка методик синтеза наночастиц на основе оксидов переходных металлов, создания композиционных материалов на их основе;
– Проведение синтеза, изучение морфологии полученных образцов методами сканирующей микроскопии;
– Изучение физико-химических свойств полученных нанокомпозитов;
– Выбор изучаемых органических соединений и подбор методов контроля изменения концентрации и биодоступности растворов во времени;
– Изучение фотокаталитических свойств композиционных материалов;- испытание долговечности и эффективности продукта.

Партнеры проекта: ФГБОУВО «Тольяттинский государственный университет», ГНЦ ФГБНУ ТИСНУМ (Москва), группа компаний «Остек»

5. Оценка влияния наночастиц металлов на антиоксидантный статус растений

Руководитель проекта: Поливанова О.Б.

Аннотация: Растет популярность наноматериалов для использования в сельском хозяйстве в качестве наноудобрений, наногербицидов, нанопестицидов, регуляторов роста. Их воздействие может быть связано с развитием стрессовых реакций в организме растения и может как стимулировать, так и угнетать рост и развитие. Важно понимать, на каких уровнях наноматериалы влияют на растение. Окислительный стресс связан с формированием свободных радикалов, которые воздействуют на мембраны и ДНК растительных клеток, вызывая повреждения. Свободные радикалы могут быть сигнальными молекулами, запускающими тот или иной процесс в клетке. Так или иначе, их наличие усиливает работу специализированных систем защиты – прежде всего ферментов.

Ферментативные системы защиты инактивируют избыток свободных радикалов и помогают клетке справиться с их пагубным воздействием. По тому, насколько активны эти ферменты в клетке, можно судить об уровне окислительного стресса. Также существуют неферментативные системы защиты от свободных радикалов, например разнообразные фенольные соединения и аскорбиновая кислота. Действие наноматериалов может быть связано с активацией соответствующих генов, ассоциированных не только со стрессом, но и активным ростом или другими важными признаками. Оценка действия наноматериалов на растения – это комплексная задача. Важно понимать их действие на морфологическом, биохимическом и генетическом уровне. Это поможет выявить перспективные для сельского хозяйства наноматериалы, определить, в каких концентрациях они наиболее эффективны и с какими изменениями в организме растения может быть связан их положительный эффект.

В рамках программы планируется оценить кратковременное и долговременное воздействие наночастиц оксида цинка, церия, железа, кобальта, серебра на организм растений через следующие показатели:

– Активность антиоксидантных ферментов: супероксиддисмутазы, каталазы, растворимой пероксидазы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы;
– Содержание неферментативных антиоксидантов: фенольных соединений, флавоноидов, аскорбиновой кислоты, глутатиона;
– Выявление изоформ антиоксидантных ферментов с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в образцах растений; определение перокисного окисления липидов;
– Определение суммарного содержания антиоксидантов;
– Определение свободного пролина;
– Морфологическая характеристика;
– Оценка уровней экспрессии ключевых генов, связанных с реакциями растений на стресс и антиоксидантной защитой.

Партнеры проекта: ФГБОУВО «Российский государственный аграрный университет – Московская сельскохозяйственная академия имени К.А.Тимирязева», БОУ ОО «Созвездие Орла»

6. Биосовместимый пьезоэлектрический генератор на основе пептидных структур

Руководитель проекта: Южаков В.В.

Аннотация: Проект направлен на создание пьезоэлектрического генератора на основе органических структур. Подобные генераторы активно применяются во многих областях техники благодаря своей автономности и относительно малым размерам. Однако возможности биомедицинского применения таких генераторов крайне ограничены за счет негативного воздействия их компонентов на организм. В рамках проектной смены участникам предстоит разработать и создать безопасный для организма пьезогенератор на основе органических структур, которые в случае неполадок просто усвоятся организмом. В перспективе такие генераторы смогут служить автономными источниками питания для вживляемой электроники, в частности, для электронных паспортов.

Партнеры проекта: Уральский федеральный университет имени Б.Н.Ельцина, ГНЦ ФГБНУ ТИСНУМ (Москва), группа компаний «Остек»