eng
Выпуск #4/2014
И.Яминский, Г.Мешков
Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии"
Центр молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии"
Просмотры: 7187
Организация центров молодежного инновационного творчества – важная инициатива для инновационного развития страны. Один из таких центров создан и успешно работает на базе лаборатории сканирующей зондовой микроскопии
в МГУ имени М.В.Ломоносова.
в МГУ имени М.В.Ломоносова.
Теги: 3d-printer 3d-принтер probe lithography processing centre scanning probe microscope зондовая литография обрабатывающий центр сканирующий зондовый микроскоп
Нанотехнологии относятся к тем прорывным направлениям, которые могут в ближайшем будущем коренным образом изменить жизнь людей и стать основой нового технологического уклада. Государство или сообщество государств, успешно применившие на практике возможности нанотехнологий, добьются не только мирового лидерства, но и, что очень вероятно, мирового господства.
Современный компьютер и мобильный телефон – пример успешных достижений нанотехнологий в электронике. Размер структурного элемента в микропроцессорах – полевого транзистора, соединительного элемента и прочих – меньше или существенно меньше 100 нанометров. Добиться такого успеха стало возможно благодаря упорному труду ученых, инженеров и технологов на протяжении более чем пятидесяти лет.
Безусловные лидеры по применению нанотехнологий в электронике – США, Япония и Южная Корея. Что делать остальным странам? Трудиться, трудиться и трудиться – и через 5–15 лет появятся значимые результаты. Так в свое время поступили Сингапур, Тайвань, Гонконг, по этому пути уверенно идет Китайская Народная Республика.
Концепция быстрого развития наноиндустрии в России была подробно изложена в №4/2013 журнала "Наноиндустрия" [1], и на этом вопросе мы останавливаться не будем. Отметим только, что в любой инновационный процесс должна быть вовлечена активная часть молодого поколения – это станет залогом долговременного успеха. Поэтому инициатива о создании центров молодежного инновационного творчества (ЦМИТ) стратегически важна для страны.
Планирование работы ЦМИТ
Когда мы обсуждали, какое направление должен выбрать ЦМИТ, альтернативы нанотехнологиям не было. В пользу такого выбора говорили российские успехи в области сканирующей зондовой микроскопии – главного исследовательского инструмента нанотехнологий [2–4] и наличие опыта в образовательных программах [5–7]. При этом как с познавательной, так и с практической точек зрения целесообразен определенный крен в направлении биологии и медицины. Природа создает основные строительные единицы – нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и другие наноструктуры – с точностью, недостижимой в настоящее время человеком в его производственной деятельности. Красота наномира лучше всего познается при исследовании живой природы на уровне молекул, белков, нуклеиновых кислот, бактерий и клеток [8–12].
Итак, чему и как учить в ЦМИТ? Лучше всего учить через достижения практических результатов, например через строительство своего зондового микроскопа. Скажете, сложно? Когда знаешь, как строить, то несложно.
Приступая к созданию ЦМИТ, мы подготовили и уже начали выполнять план работ на ближайший год (см. табл.).
Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии
Сканирующая зондовая микроскопия – не только главный исследовательский инструмент нанотехнологий, но и основное средство их популяризации. Таким образом, ключевым элементом ЦМИТ должна стать лаборатория сканирующей зондовой микроскопии.
В лаборатории дети имеют возможность приобрести базовые навыки работы в области сканирующей зондовой микроскопии и литографии, экспериментальной работы в физической лаборатории, аккуратной постановки тонкого физического эксперимента, проведения научных исследований, освоить на практике сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и многофункциональное программное обеспечение для обработки изображений "ФемтоСкан Онлайн", проводить свои собственные эксперименты, узнать возможности нанотехнологий в медицине, биологии, физике, химии и науках о материалах.
Цель работы со школьниками в лабора-
тории – формирование интереса у ребят к нанотехнологиям, методам создания и исследования нанообъектов, уникальным свойствам наноматериалов, к их применению и перспективам развития этой отрасли науки; поиск талантливой молодежи, способной осуществить прорыв в данной области; привлечение школьников к участию в различных научно-исследовательских, научно-технических и творческих конкурсах.
Работа в лаборатории ведется по нескольким направлениям:
аналитическая бионаноскопия – исследование морфологии и свойств биомакромолекул и биологических систем с использованием различных методов сканирующей зондовой микроскопии, относящихся к молекулярному механизму роста кристалла белка, морфологии и свойствам бактериальных клеток, конформационным изменениям ДНК в присутствии сурфактантов, структуре и свойствам вирусов, молекулярным процессам при вирусной инфекции;
наноскопия полимеров – исследования свойств и структуры нанокомпозитных и функциональных полимеров, которые представляют интерес для нанотехнологии, биологии и медицины;
разработка и создание научных измерительных приборов мирового уровня в области зондовой микроскопии;
решение материаловедческих задач – исследование структуры и функциональных свойств материалов для нефтеперерабатывающей, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Успешный проект
В рамках работы со школьниками в лаборатории успешно реализуется проект по теме: "Искусственное структурирование поверхностей слоистых углеродных материалов", автор и исполнитель которого – Мария Савинова, учащаяся школы №1273. Цель проекта – разработка методов создания наноструктур заданной формы и размера на поверхности графита с использованием зондовой литографии, позволяющей добиться пространственного разрешения вплоть до нескольких нанометров.
Перспективными материалами для будущей наноэлектроники представляются слоистые углеродные материалы, например нанотрубки, графен, тонкие графитовые пленки. С их использованием создаются образцы транзисторов, полевых эмиттеров, высокочувствительных сенсорных элементов. Для успешного развития углеродной наноэлектроники требуется разработка прецизионных методов формирования наноструктур из углерода.
Искусственное структурирование поверхности можно рассматривать с двух точек зрения: и как процесс создания структур заданной формы, при котором воздействие осуществляется непосредственно в каждой точке поверхности, и как процесс самоорганизации атомов после некоторого макроскопического воздействия на поверхность. К первому случаю можно отнести различные виды литографии. Зондовая литография позволяет добиться высокого пространственного разрешения, поскольку область воздействия на поверхность ограничивается радиусом закругления иглы и составляет всего несколько нанометров. Ко второму случаю можно отнести процесс самоупорядочения дислокаций в графите и формирования периодических наноструктур.
Локальное анодное окисление поверхности графита с образованием диэлектрического соединения – оксида графита – позволяет формировать диэлектрические наноструктуры на поверхности графита или графитовой пленки. Этим методом на поверхности графита были выращены диэлектрические полосы оксида графита с расстоянием между максимумами полос в 120 нм.
При выполнении проекта также планируется оценить возможности локального анодного окисления как инструмента "наногравировки" для создания изображений на поверхности графита, что позволит сделать процесс еще более творческим.
Сканирующий зондовый микроскоп, 3D-принтер и обрабатывающий центр
Что общего между вынесенными в подзаголовок столь разными устройствами? Может сложиться впечатление, что различий больше, чем совпадений, но это не так. При управлении сканирующим зондовым микроскопом, 3D-принтером и обрабатывающим центром используются схожие программное обеспечение, электроника и алгоритмы. Во всех трех устройствах зонд, головку и обрабатывающий инструмент необходимо точно подвести к заданному месту, причем предпочтительно не с микронной, а с субмикронной погрешностью. Механические системы позиционирования для зондового микроскопа, 3D-принтера и обрабатывающего центра строятся на одинаковых принципах: минимальные люфты, жесткая механика, низкие температурные дрейфы. Для управления используются прецизионные шаговые двигатели и сервоприводы. Лидер по точности механических систем перемещения, конечно, сканирующий зондовый микроскоп, в котором погрешности не превышают сотых и даже тысячных долей нанометра. Современные обрабатывающие центры уже приближаются к нанометровой точности [13].
Объединяя все три устройства в единую цепочку, получаем прототип современного завода для обработки наноматериалов. Такое производство строится по типу цифровой фабрики: токарь и фрезеровщик становятся программистами, материаловедами, конструкторами, учеными и инженерами в одном лице. Один из таких "заводов" уже выдает первую продукцию – изображения нано-енота на поверхности пиролитического графита.
Авторы выражают искреннюю благодарность за поддержку Ивану Михайловичу Бортнику, Центру инновационного развития Москвы, Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства Правительства Москвы, друзьям и единомышленникам. Двигаться быстро и успешно без поддержки было бы трудно. Спасибо всем!
Статью посвящаем памяти Сергея Савинова – великого труженика зондовой микроскопии.
Литература
Яминский И. Образование и создание заводов для наноиндустрии. – Наноиндустрия, 2013, №4 (42), с.36–47.
Синицына О. Сканирующая туннельная микроскопия. Прошлое и будущее. – Наноиндустрия, 2013, №2 (40), с.48–50.
Савинов С., Яминский И. От Скана до ФемтоСкана: итоги 25 лет. – Наноиндустрия, 2013, №1 (39), с.54–59.
Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии. – Наноиндустрия, 2009, №2, c.28–30.
Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии. – Наноиндустрия, 2014, №2(48), с.46–52.
Гудилин Д. Синтез образования, науки и производства: практический опыт. – Наноиндустрия, 2014, №2(48), с.36–41.
Большакова А., Дубровин Е., Протопопова А., Синицына О., Смирнов С., Яминский И. Пять нобелевских уроков (практикум для старшеклассников по сканирующей зондовой микроскопии). – М.: Центр перспективных технологий, 2013, 94 с.
Яминский И. Бионаноскопия: белки и их некоторые свойства. – Наноиндустрия, 2010, №2(20), с.26–27.
Яминский И. Бионаноскопия: бактериальные клетки. – Наноиндустрия, 2010, №2(20), с.28–29.
Протопопова А., Дубровин Е., Синицына О., Яминский И. Современные достижения бионаноскопии. – Наноиндустрия, 2011, №4(28), с.32–34.
Багров Д., Мешков Г., Синицына О., Смирнов С., Яминский И. Молекулярный экспресс-анализ для диагностики и медицины. – Наноиндустрия, 2011, №1(25), с.32–36.
Яминский И., Горелкин П., Ерофеев А., Синицына О., Мешков Г. Бионаноскопия в биологии и медицине. – Наноиндустрия, 2013, №8(46), с.34-44.
Яминский И., Ерофеев А., Киселев Г., Колесов Д., Протопопова А. Нанотокарь – это серьезно. – Наноиндустрия, 2011, №4(28), с.52–55.
Швец В. Создание структур из оксида на поверхности графита. – Наноиндустрия, 2011, №2(26), с.36–38.
Современный компьютер и мобильный телефон – пример успешных достижений нанотехнологий в электронике. Размер структурного элемента в микропроцессорах – полевого транзистора, соединительного элемента и прочих – меньше или существенно меньше 100 нанометров. Добиться такого успеха стало возможно благодаря упорному труду ученых, инженеров и технологов на протяжении более чем пятидесяти лет.
Безусловные лидеры по применению нанотехнологий в электронике – США, Япония и Южная Корея. Что делать остальным странам? Трудиться, трудиться и трудиться – и через 5–15 лет появятся значимые результаты. Так в свое время поступили Сингапур, Тайвань, Гонконг, по этому пути уверенно идет Китайская Народная Республика.
Концепция быстрого развития наноиндустрии в России была подробно изложена в №4/2013 журнала "Наноиндустрия" [1], и на этом вопросе мы останавливаться не будем. Отметим только, что в любой инновационный процесс должна быть вовлечена активная часть молодого поколения – это станет залогом долговременного успеха. Поэтому инициатива о создании центров молодежного инновационного творчества (ЦМИТ) стратегически важна для страны.
Планирование работы ЦМИТ
Когда мы обсуждали, какое направление должен выбрать ЦМИТ, альтернативы нанотехнологиям не было. В пользу такого выбора говорили российские успехи в области сканирующей зондовой микроскопии – главного исследовательского инструмента нанотехнологий [2–4] и наличие опыта в образовательных программах [5–7]. При этом как с познавательной, так и с практической точек зрения целесообразен определенный крен в направлении биологии и медицины. Природа создает основные строительные единицы – нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и другие наноструктуры – с точностью, недостижимой в настоящее время человеком в его производственной деятельности. Красота наномира лучше всего познается при исследовании живой природы на уровне молекул, белков, нуклеиновых кислот, бактерий и клеток [8–12].
Итак, чему и как учить в ЦМИТ? Лучше всего учить через достижения практических результатов, например через строительство своего зондового микроскопа. Скажете, сложно? Когда знаешь, как строить, то несложно.
Приступая к созданию ЦМИТ, мы подготовили и уже начали выполнять план работ на ближайший год (см. табл.).
Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии
Сканирующая зондовая микроскопия – не только главный исследовательский инструмент нанотехнологий, но и основное средство их популяризации. Таким образом, ключевым элементом ЦМИТ должна стать лаборатория сканирующей зондовой микроскопии.
В лаборатории дети имеют возможность приобрести базовые навыки работы в области сканирующей зондовой микроскопии и литографии, экспериментальной работы в физической лаборатории, аккуратной постановки тонкого физического эксперимента, проведения научных исследований, освоить на практике сканирующий зондовый микроскоп "ФемтоСкан" и многофункциональное программное обеспечение для обработки изображений "ФемтоСкан Онлайн", проводить свои собственные эксперименты, узнать возможности нанотехнологий в медицине, биологии, физике, химии и науках о материалах.
Цель работы со школьниками в лабора-
тории – формирование интереса у ребят к нанотехнологиям, методам создания и исследования нанообъектов, уникальным свойствам наноматериалов, к их применению и перспективам развития этой отрасли науки; поиск талантливой молодежи, способной осуществить прорыв в данной области; привлечение школьников к участию в различных научно-исследовательских, научно-технических и творческих конкурсах.
Работа в лаборатории ведется по нескольким направлениям:
аналитическая бионаноскопия – исследование морфологии и свойств биомакромолекул и биологических систем с использованием различных методов сканирующей зондовой микроскопии, относящихся к молекулярному механизму роста кристалла белка, морфологии и свойствам бактериальных клеток, конформационным изменениям ДНК в присутствии сурфактантов, структуре и свойствам вирусов, молекулярным процессам при вирусной инфекции;
наноскопия полимеров – исследования свойств и структуры нанокомпозитных и функциональных полимеров, которые представляют интерес для нанотехнологии, биологии и медицины;
разработка и создание научных измерительных приборов мирового уровня в области зондовой микроскопии;
решение материаловедческих задач – исследование структуры и функциональных свойств материалов для нефтеперерабатывающей, машиностроительной и других отраслей промышленности.
Успешный проект
В рамках работы со школьниками в лаборатории успешно реализуется проект по теме: "Искусственное структурирование поверхностей слоистых углеродных материалов", автор и исполнитель которого – Мария Савинова, учащаяся школы №1273. Цель проекта – разработка методов создания наноструктур заданной формы и размера на поверхности графита с использованием зондовой литографии, позволяющей добиться пространственного разрешения вплоть до нескольких нанометров.
Перспективными материалами для будущей наноэлектроники представляются слоистые углеродные материалы, например нанотрубки, графен, тонкие графитовые пленки. С их использованием создаются образцы транзисторов, полевых эмиттеров, высокочувствительных сенсорных элементов. Для успешного развития углеродной наноэлектроники требуется разработка прецизионных методов формирования наноструктур из углерода.
Искусственное структурирование поверхности можно рассматривать с двух точек зрения: и как процесс создания структур заданной формы, при котором воздействие осуществляется непосредственно в каждой точке поверхности, и как процесс самоорганизации атомов после некоторого макроскопического воздействия на поверхность. К первому случаю можно отнести различные виды литографии. Зондовая литография позволяет добиться высокого пространственного разрешения, поскольку область воздействия на поверхность ограничивается радиусом закругления иглы и составляет всего несколько нанометров. Ко второму случаю можно отнести процесс самоупорядочения дислокаций в графите и формирования периодических наноструктур.
Локальное анодное окисление поверхности графита с образованием диэлектрического соединения – оксида графита – позволяет формировать диэлектрические наноструктуры на поверхности графита или графитовой пленки. Этим методом на поверхности графита были выращены диэлектрические полосы оксида графита с расстоянием между максимумами полос в 120 нм.
При выполнении проекта также планируется оценить возможности локального анодного окисления как инструмента "наногравировки" для создания изображений на поверхности графита, что позволит сделать процесс еще более творческим.
Сканирующий зондовый микроскоп, 3D-принтер и обрабатывающий центр
Что общего между вынесенными в подзаголовок столь разными устройствами? Может сложиться впечатление, что различий больше, чем совпадений, но это не так. При управлении сканирующим зондовым микроскопом, 3D-принтером и обрабатывающим центром используются схожие программное обеспечение, электроника и алгоритмы. Во всех трех устройствах зонд, головку и обрабатывающий инструмент необходимо точно подвести к заданному месту, причем предпочтительно не с микронной, а с субмикронной погрешностью. Механические системы позиционирования для зондового микроскопа, 3D-принтера и обрабатывающего центра строятся на одинаковых принципах: минимальные люфты, жесткая механика, низкие температурные дрейфы. Для управления используются прецизионные шаговые двигатели и сервоприводы. Лидер по точности механических систем перемещения, конечно, сканирующий зондовый микроскоп, в котором погрешности не превышают сотых и даже тысячных долей нанометра. Современные обрабатывающие центры уже приближаются к нанометровой точности [13].
Объединяя все три устройства в единую цепочку, получаем прототип современного завода для обработки наноматериалов. Такое производство строится по типу цифровой фабрики: токарь и фрезеровщик становятся программистами, материаловедами, конструкторами, учеными и инженерами в одном лице. Один из таких "заводов" уже выдает первую продукцию – изображения нано-енота на поверхности пиролитического графита.
Авторы выражают искреннюю благодарность за поддержку Ивану Михайловичу Бортнику, Центру инновационного развития Москвы, Департаменту науки, промышленной политики и предпринимательства Правительства Москвы, друзьям и единомышленникам. Двигаться быстро и успешно без поддержки было бы трудно. Спасибо всем!
Статью посвящаем памяти Сергея Савинова – великого труженика зондовой микроскопии.
Литература
Яминский И. Образование и создание заводов для наноиндустрии. – Наноиндустрия, 2013, №4 (42), с.36–47.
Синицына О. Сканирующая туннельная микроскопия. Прошлое и будущее. – Наноиндустрия, 2013, №2 (40), с.48–50.
Савинов С., Яминский И. От Скана до ФемтоСкана: итоги 25 лет. – Наноиндустрия, 2013, №1 (39), с.54–59.
Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии. – Наноиндустрия, 2009, №2, c.28–30.
Дубровин Е., Мешков Г., Яминский И. Наблюдение вируса табачной мозаики в практикуме сканирующей зондовой микроскопии. – Наноиндустрия, 2014, №2(48), с.46–52.
Гудилин Д. Синтез образования, науки и производства: практический опыт. – Наноиндустрия, 2014, №2(48), с.36–41.
Большакова А., Дубровин Е., Протопопова А., Синицына О., Смирнов С., Яминский И. Пять нобелевских уроков (практикум для старшеклассников по сканирующей зондовой микроскопии). – М.: Центр перспективных технологий, 2013, 94 с.
Яминский И. Бионаноскопия: белки и их некоторые свойства. – Наноиндустрия, 2010, №2(20), с.26–27.
Яминский И. Бионаноскопия: бактериальные клетки. – Наноиндустрия, 2010, №2(20), с.28–29.
Протопопова А., Дубровин Е., Синицына О., Яминский И. Современные достижения бионаноскопии. – Наноиндустрия, 2011, №4(28), с.32–34.
Багров Д., Мешков Г., Синицына О., Смирнов С., Яминский И. Молекулярный экспресс-анализ для диагностики и медицины. – Наноиндустрия, 2011, №1(25), с.32–36.
Яминский И., Горелкин П., Ерофеев А., Синицына О., Мешков Г. Бионаноскопия в биологии и медицине. – Наноиндустрия, 2013, №8(46), с.34-44.
Яминский И., Ерофеев А., Киселев Г., Колесов Д., Протопопова А. Нанотокарь – это серьезно. – Наноиндустрия, 2011, №4(28), с.52–55.
Швец В. Создание структур из оксида на поверхности графита. – Наноиндустрия, 2011, №2(26), с.36–38.
Отзывы читателей
