Понятия самосборки и самоорганизации

КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРАВЛЕНИЙ НТ

Под нанотехнологиями предлагается понимать совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Данное определение учитывает комплексный научно-технологический характер рассматриваемого явления, указывает на специфическую размерность и управляемость основных процессов, подчеркивает их определяющее влияние на свойства создаваемых продуктов и отношение к рыночной новизне.

Междисциплинарный характер НТ обусловливает целесообразность дополнения базового их определения списочным, которое охватывало бы научно-технологические направления, объединенные общим понятием «нанотехнологии». Выделены семь таких крупных направлений, которые составляют списочное определение и образуют основу проекта классификации направлений НТ.

Как и в случае с определениями, классификации направлений НТ в настоящее время находятся в процессе формирования. Прежде всего, это связано с отсутствием международных терминологических стандартов в сфере НТ. Российские стандарты, согласно

проекту Программы стандартизации в наноиндустрии, предложенному ГК «Роснанотех», должны быть разработаны в период с 2010 по 2014 гг., в зависимости от направления.

Российская классификация направлений нанотехнологий (КНН) включает семь основных направлений НТ (таблица):

Код КНН	Наименование научно-технологического направления
Т.01	Наноматериалы
Т.02	Наноэлектроника
Т.03	Нанофотоника
Т.04	Нанобиотехнологии
Т.05	Наномедицина
Т.06	Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств
Т.07	Технологии и специальное оборудование для создания и производства наноматериалов и наноустройств
Т.09	Прочие направления

 

Т.01. Наноматериалы (в том числе наноструктуры) – научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объемных материалов, пленок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и/или взаимным расположением наноразмерных структур.

Объемные наноструктурированные материалы могут быть упорядочены в рамках направления по типу (наночастицы, нанопленки, нанопокрытия, гранулированные наноразмерные материалы и др.) и по составу (металлические, полупроводниковые, органические, углеродные, керамические и др.). Сюда входят также наноструктуры и материалы, выделяемые по общефункциональному признаку, например детекторные и сенсорные наноматериалы.

В данное направление не включаются наноматериалы, имеющие узкое функциональное назначение. Так, наноматериалы, полученные с использованием биотехнологий, относятся к направлению нанобиотехнологий, а полупроводниковые наногетероструктуры (квантовые точки) – к направлению наноэлектроники.

 

Т.02. Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования указанных устройств и приборов.

Данное направление охватывает физические принципы и объекты наноэлектроники, базовые элементы вычислительных систем, объекты для квантовых вычислений и телекоммуникаций, а также устройства сверхплотной записи информации, наноэлектронные источники и детекторы. В его состав не входят наночастицы и наноструктурированные материалы общего или многоцелевого назначения. В частности, металлические наноструктурированные материалы относятся к направлению наноматериалов.

Т.03. Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.

К этому направлению относятся физические основы генерации и поглощения излучения в различных диапазонах, полупроводниковые источники и детекторы электромагнитного излучения, наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе, светодиоды, твердотельные и органические лазеры, элементы фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

Т.04. Нанобиотехнологии – целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств. Нанобиотехнологии охватывают изучение воздействия наноструктур и материалов на биологические процессы и объекты с целью контроля и управления их биологическими или биохимическими свойствами, а также создание с их помощью новых объектов и устройств с заданными биологическими или биохимическими свойствами.

Нанобиотехнологии представляют собой узкую синтетическую область, объединяющую биоэлектромеханические машины, нанобиоматериалы и наноматериалы, полученные с использованием биотехнологий. Данное направление включает еще и такие области, как нанобиоэлектроника и нанобиофотоника.

Т.05. Наномедицина – практическое применение НТ в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.

К этому направлению относятся медицинские методы диагностики (включая методы интроскопических исследований, визуализации и молекулярно-биологические методы исследований с применением наноматериалов и наноструктур), нанотехнологии терапевтического и хирургического назначения (методы клеточной и генной терапии с использованием наноматериалов, применение лазеров в микро- и нанохирургии, медицинские нанороботы и др.), тканевая инженерия и регенеративная медицина, нанотехнологии в фармакологии, фармацевтике и токсикологии.

Т.06. Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств.

Это направление, иногда именуемое как «наноинструменты», охватывает инфраструктуру для сферы НТ в части аналитического, измерительного и иного оборудования; методы диагностики, исследования и сертифицирования свойств наноструктур и наноматериалов, в том числе контроль и тестирование их биосовместимости и безопасности. Отдельную группу в рамках данного направления образуют компьютерное моделирование и прогнозирование свойств наноматериалов.

Т.07. Технологии и специальное оборудование для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств.

Данное направление включает методы производства наноструктур и материалов (в том числе методы нанесения и формирования наноструктур и наноматериалов) и приборостроение для наноиндустрии. Сюда не включается оборудование, являющееся частью исследовательской инфраструктуры, а также произведенные наноматериалы и наноструктуры, являющиеся одним из продуктов производства.

 

Т.09. Прочие направления охватывают научно-технологические направления и процессы, связанные с НТ и не включенные в другие группировки. В их числе – общие вопросы безопасности наноматериалов и наноустройств (при этом методы контроля и тестирования безопасности наноматериалов отнесены к направлению Т.06), наноэлектромеханические системы, трибология и износостойкость наноструктурированных материалов и др.

НТ (nanotechnology) – это любая технология на нанометровом масштабе (on a nanoscale).

НТ включает в себя разработку и применение физических, химических и биологических систем, размер которых лежит в диапазоне от атомарных до субмикронных, а также интеграцию наноструктур. Нанометровый диапазон 1¸100 нм открывает новые свойства и подходы к изучению вещества. Физические и химические свойства вещества на нанометровых масштабах значительно изменяются.

НТ включает в себя развивающиеся практические применения нанонауки (Nanoscience). Другими словами, НТ – это прикладная нанонаука. Нанонаука изучает функциональные системы, основанные на использовании: (а) субъединиц (subunits) со специфическими свойствами, зависящими от размера этих единиц, (б) индивидуальных или комбинированных функцианализованных (functionalized) субъединиц.

 

Одним из основных понятий в нанотехнологии является самоорганизация (self-organization). Термин «самоорганизация» широко используется в последние годы для того, чтобы описать и объяснить сходные явления в физических, химических и биологических системах. Все они заключаются в том, что в системе, состоящей из простых элементов, возникает упорядоченность – сложные структуры, сложное поведение или же сложные пространственно-временные явления. При этом свойства возникающих структур принципиально отличаются от свойств исходных элементов системы. Наиболее удивительно то, что самоорганизация в системе появляется спонтанно из однородного состояния.

 

Понятие самоорганизации распространилось и на химические явления, где наряду с ним используется термин самосборка. В российских нанотехнологиях понятие самосборки связывается с процессом адсорбции и формирования специфического расположения молекул на твердой поверхности. В отличие от сильного взаимодействия между адсорбируемой молекулой и поверхностью, взаимодействие между самими молекулами остается слабым. Пленки мономолекулярной толщины, сформировавшиеся по механизму самосборки, имеют очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и отличаются механической прочностью. Их используют в качестве трафаретов для литографических процессов. Молекулярные блоки для самосборки должны содержать три основные функциональные группы: группу, прикрепляющую их к поверхности, промежуточную группу и поверхностную функциональную группу.

 

В иностранной литературе:

Молекулярной самосборкой (self-assembly) называется процесс, при котором неупорядоченные компоненты системы формируют организованную структуру вследствие специфических локальных взаимодействий компонентов без какого-либо внешнего воздействия.

Self-assembly (SA) in the classic sense can be defined as the spontaneous and reversible organization of molecular units into ordered structures by non-covalent interactions. The first property of a self-assembled system that this definition suggests is the spontaneity of the self-assembly process: the interactions responsible for the formation of the self-assembled system act on a strictly local level—in other words, the nanostructure builds itself.