ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ

ОСНОВЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
БИОЛОГИИ
Лекция 6
Горизонты науки. Ч.2.
Основы нанотехнологии
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА И
ИСТОЧНИКИ
Фундаментальные основы нанотехнологий
/научно-образовательный центр по нанотехнологиям МГУ,
2012 // http://nano.msu.ru/education/courses/basics
Современные проблемы нанотехнологий
/ научно-образовательный центр по нанотехнологиям МГУ.
// http://video.nano.msu.ru/problems/
Волшебная лаборатория – нанотехология
http://www.youtube.com/watch?v=i93g5R-dsbk&list=PL1HIp83QRJHTq_O6JrVYxdV8rCw0jMOyl
СЛОВАРЬ
Микротехнология – научное направление, изучающее
микрообьекты, и технологии работы с объектами порядка микрометра
(основа для создания современной микроэлектроники)
Нанонаука – исследование явлений и объектов на атомарном,
молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики
которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов
Нанообъекты (наночастицы) – объекты (частицы) с характерным
размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению
Наноматериалы – макроскопические материалы построенные на
основе нанообъектов
ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ.
ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
ПРИРОДНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ
«ЭФФЕКТ ЛОТОСА»
Листья лотоса имеют уникальное строение
поверхности, содержащей многочисленные
нановолоски в виде острых пиков, которые
обеспечивают супергидрофобные свойства.
«ЭФФЕКТ ЛОТОСА»
Капли воды скатываются с листьев, увлекая
за собой инородные частицы. Это свойство
получило название «эффект лотоса».
«ЭФФЕКТ ЛОТОСА»
Поверхности при
«эффекте лотоса»
содержат микро- и
наноразмерные
материалы (желобки
и бугорки), которые
отталкивают воду в
одном направлении.
«ЭФФЕКТ ЛОТОСА»
Данный эффект наблюдается у растений (листья
капусты, камыша, водосбора, тюльпана) и у
животных (крылья стрекоз и бабочек).
Они наделены природным свойством защиты от
различных загрязнений, в большей степени
неорганического (пыль, сажа), а также
биологического (споры грибков, микробы,
водоросли и т.д.) происхождения.
«ЭФФЕКТ ЛОТОСА» в практику
этот эффект используют в разработках
самоочищающихся стекол (для строений,
автомобилей), тканей, супергидрофобных
(ненамокаемых) покрытий
«НАНОЛИПУЧКИ ГЕККОНА»
Ящерица геккон может передвигаться
по вертикальным поверхностям и
даже по потолку
«НАНОЛИПУЧКИ ГЕККОНА»
На лапах ящерицы находится тончайшие
нановолоски, которые, соприкасаясь с
поверхностью, притягиваются к ней за счет
Ван-дер-Ваальсовых сил, действующих
между молекулами (подобно «наноклею»)
«НАНОЛИПУЧКИ ГЕККОНА»
Этот эффект использован для создания
перчаток на основе углеродных нанотрубок,
надев которые человек может вскарабкаться на
вертикальную стену.
Силиконовые присоски перчаток, как и лапы
геккона, покрыты тысячами волосков, и
благодаря межмолекулярному притяжению
(Ван-дер-Ваальсовы силы) материал словно
приклеивается к поверхности.
ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ.
ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ.
К СВЕТЛОМУ БУДУЩЕМУ
НАНОНАУКА
междисциплинарная
область науки,
изучающая
закономерности
физико-химических
процессов в
пространственных
областях
нанометровых
размеров
НАНОТЕХНОЛОГИЯ
совокупность
методов и приемов,
обеспечивающих
возможность
конструирования
объектов,
включающих
компоненты с
размерами менее
100 нм
НАНОИНДУСТРИЯ
коммерциализация
нанотехнологий
«Если при уменьшении объема какого-либо
вещества по одной, двум или трем координатам
до размеров нанометрового масштаба возникает
новое качество, или это качество возникает в
композиции из таких объектов, то эти
образования следует отнести к наноматериалам,
Жорес Иванович
а технологии их получения и дальнейшую работу
Алферов
с ними – к нанотехнологиям»
(Ж.И. Алферов)
ЧТО ТАКОЕ «НАНО»?
«Нано» ( от греч. νᾶνος – карлик) – дольная приставка в
системе СИ, обозначающая одну миллиардную часть
объекта (1 нм = 10-9 м)
НАНОТЕХНОЛОГИЯ
научно-техническое направление,
разрабатывающее теоретические основы и
практические подходы к производству и
применению продуктов с заданной атомной
структурой, путём контролируемого
манипулирования отдельными атомами и
молекулами
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
В области нанотехнологий «сплав наук», или
междисциплинарность, означает не скольжение по поверхности,
а использование систематических и глубоких знаний.
НАНОСТРАТЕГИИ
для физика, исследующего
в наномире квантовые
эффекты и «эффекты
близости», главное –
измерить и смоделировать
для химика, важными являются слабые
химические взаимодействия на нанодиапазоне
и «оборванные связи» на поверхности
для биолога, который знает, что мы
состоим из огромного количества
«наномашин», главное – правильное
описание и классификация всего
сущего
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
БИОЛОГИЯ И
МЕДИЦИНА
МЕХАТРОНИКА
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
• Создание наноструктурных процессоров
• Создание новых систем связи, емких запоминающих устройств,
наносенсоров, нанодатчиков и пр.
• Эффективное сканирование структуры генома
• Создание систем адресной доставки лекарств
• Создание трансплантатов
•
•
Создание наномашин и нанодвигателей
Создание нанороботов
• Создание сверхпрочных материалов и металлопокрытий
• Получение наноструктурированных материалов с заданной формой
• Получение материалов для удаления ультрадисперсных загрязнений
ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАНО- МИРА
1
2
3
• ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
• СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
• АТОМНО-СИЛОВОЙ (ЗОНДОВЫЙ) МИКРОСКОП
4
• СПЕКТРОСКОП КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
СВЕТА
5
• РЕНТГЕНОВСКАЯ УСТАНОВКА МАЛОГО УГЛОВОГО
РАССЕИВАНИЯ
до 1600 крат
до 100 000 крат
до 1000 000 крат
ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ
МИКРОСОП
позволяет
работать в
диапазоне
увеличений от
10 крат
до 100 000 крат
это устройство, в котором
изображение от ультратонкого
образца (0,1 мкм) формируется в
результате взаимодействия пучка
электронов с веществом образца с
последующим увеличением
магнитными линзами (объектив) и
регистрацией на люминесцентном
экране
СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
позволяет работать в
диапазоне увеличений от 10
крат до 1000 000 крат
Поток электронов (1) создается накаленным
вольфрамовым катодом (2) электронной пушки
(3) и фокусируется верхней (4) и нижней (5)
электромагнитными линзами. Электроны
проходят через кольцевое отверстие (6) и
сканирующую катушку (7) и фокусируются
проекторной линзой (8) на исследуемом
образце (9). Процесс протекает в вакууме,
воздух удаляется насосом (10). Работой
сканирующей катушки, которая направляет луч
так, чтобы он прошел по всему объекту,
управляет компьютер. Образец помещается в
воздушную камеру (11) и вручную
устанавливается в нужное положение (12).
Изображение исследуемого объекта возникает
благодаря фиксации электронов, отраженных
от объекта (13). Перемещение этих электронов
коррелируется с формой поверхности объекта;
обнаружение их происходит, когда они
ударяются о флуоресцентную мишень (15)
детектора (14). Полученное изображение
выводится на дисплей компьютера (16).
СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП
1981 г.
Герд Биннинг и Генрих Рорер
Сконструировали сканирующий
туннельный микроскоп
В сканирующей туннельной микроскопии
присутствуют три концепции:
• Сканирования
• Туннелирования
Принцип действия: при движении
• Локального зондирования
нанозонда над поверхностью, проводящей
электричество, возникает ток утечки.
Этот ток можно поддерживать на
постоянном уровне приближая и отдаляя
зонд, что позволяет получить профиль
поверхности с атомарным разрешением.
Если напряжение, подаваемое на зонд
увеличить – можно оторвать атом от
поверхности и переместить его.
Сканирующий зондовый микроскоп отечественного производства
и продукт его использования – нанолитографическая картинка
песика Кеши
НАНОЛИТОГРАФИЯ – методика
фотолитографии, а именно создание
рисунка на поверхности
монокристаллической кремниевой
пластины
АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП
позволяет получать трёхмерные изображения
профилей поверхностей биологических
объектов в нанометровом масштабе
В основе работы лежит
сканирование поверхности
изучаемого объекта с
помощью тончайшего зонда
(иглы).
Диаметр окончаний зондов
составляет обычно 10-20 нм.
ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ.
ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
НАНООБЪЕКТЫ
ОБЪЕКТЫ, состоящие из атомов, ионов или молекул
размером менее 100 нм, хотя бы по одному направлению
НАНООБЪЕКТЫ
НАНОЧАСТИЦЫ, НАНОКЛАСТЕРЫ
(объемные трехмерные 3D структуры)
НАНОПЛЕНКИ
(плоские двумерные 2D объекты)
НАНОНИТИ
(линейные одномерные 1D объекты)
НАНОТОЧКИ
(нульмерные 0D объекты)
НАНОМАТЕРИАЛЫ
НАНОМАТЕРИАЛЫ
МАТЕРИАЛЫ, созданные с использованием наночастиц
и/или посредством нанотехнологий
ОБЪЕМНЫЕ 3D (наноструктурировнные: металлы и
сплавы с ультразернистой решеткой, нанокерамика)
ПЛАНАРНЫЕ 2D (НС: пленки и покрытия, нанопечатная
литография, самособирающиеся монослои)
1D (НС: нанотрубки, нановолокна, наноагрегаты,
нанопроволоки)
0D (нанодисперсные: нанопорошки, нанокристаллы,
квантовые точки)
Факторы, определяющие функциональные
свойства наноструктурированных
материалов
НАНОИНСТРУМЕНТЫ
НАНОИНСТРУМЕНТЫ
НАНОПИНЦЕТ
(позволяет захватывать и переносить частицы
нанометрового размера)
НАНОТЕРМОМЕТР
(позволяет осуществить измерения температуры на
клеточном и атомном уровне)
НАНОШПРИЦ
(позволяет вводить в клетку набор веществ, не
повреждая клеточную оболочки)
ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ.
ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ
ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ
ИНТУИТИВНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ
ИНКРЕМЕНТНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ
РАДИКАЛЬНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ
ИНТУИТИВНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ
6 тыс. лет до н. э. на Ближнем Востоке
разработали технологию изготовления искусственной бирюзы путем
последовательного нанесения большого числа тонких пленок
300 лет до н.э. в Индии
Изготавливали клинки из особой булатной стали (как выяснили
позже с помощью электронного микроскопа она содержит
углеродные нанотрубки и нановолокна из карбида железа)
Древние карфагеняне и финикийцы
умели варить стекла, в состав которых входили наночастицы
металлов, что придавало им уникальные оптические свойства –
стекла меняли цвет в зависимости от освещения
Римские стеклодувы (IV в. н.э.)
в состав исходной массы стекла добавляли наночастицы
серебра и золота, что изменяло цвет изделий при освещении
(знаменитые рубиновые кубки)
РОЖДЕНИЕ НАУКИ.
КАНОНИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ.
29 декабря 1959 г.
Ричард Фейнман прочитал свою знаменитую лекцию, из
которой большинству известна только крылатая фраза
«Там, внизу, много места»
1974 г.
Норио Танигучи предложил термин «нанотехнология»
1986 г.
вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания:
наступление нанотехнологической эпохи»
РОЖДЕНИЕ НАУКИ.
КАК ЭТО ВИДИМ МЫ.
1996 г.
Ричард Смолли, Роберт Керл и Харолд Крото
открыли в саже фуллерены – полициклические
структуры сферической формы, состоящие из
атомов углерода, связанных в шести- и
пятичленные циклы. Это фактически новая,
молекулярная, модификация углерода.
РОЖДЕНИЕ НАУКИ.
КАК ЭТО ВИДИМ МЫ.
1952 г.
Л.В. Радушкевич и В.М. Лукъянович
опубликовали статью «О структуре
углерода, образующегося при
термическом разложении окиси
углерода на железном контакте»
Фотография углеродных нанотрубок
Л.В. Радушкевич и
В.М. Лукъянович (1952 г.)
Возможность существования фуллеренов в
начале 70-х гг. XX в. независимо друг от
друга предсказали сов. химики
Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин
и японский физик Е. Осава
Eiji Osawa
Дмитрий Анатольевич
Бочвар
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ. НАСТОЯЩЕЕ
2000-2005 гг.
Этап «пассивных наноструктур» (инкрементные
нанотехнологии)
Характеризовался производством и применением
наноразмерных (нанодисперсных) порошков.
Для модифицирования свойств базовых
материалов их вводят в самые различные вещества: металлы и сплавы, полимеры и керамику и т.д.,
а также добавляют в лекарства, косметику, пищу и
другие изделия.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ. НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
2005-2020 гг.
Этап «эволюционных нанотехнологий» делят на
два самостоятельных периода:
2005-2015 гг. «активные наноструктуры»
2010-2020 гг. «системы наносистем»
будет характеризоваться созданием компонентов
наноэлектроники, фотоники, нанобиотехнологии,
медицинских товаров и оборудования,
нейроэлектронных интерфейсов,
наноэлектромеханических (НЭМС) систем.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ. НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
после 2020 г.,
Этап «молекулярные наносистемы», или
«радикальные нанотехнологии»
Будут реализованы фантастические проекты
(молекулярные устройства, атомный дизайн и т.д.).
Станет возможным молекулярное производство
макроскопических объектов.