Скачать 4.32 Mb.
|
Федеральное бюджетное учреждение «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Нижегородской области» (ФБУ «Нижегородский ЦСМ») РЕФЕРАТ Состояние метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Приволжском федеральном округе Нанотехнология и нанометрология (обзор литературы) Современное состояние и основные направления развития нанотехнологии В 2011 году исполняется 100 лет со дня открытия сверхпроводимости. В 1911 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути при достаточно низких температурах становится равным нулю. Сверхпроводимость породила много мечтаний, надежд, и свершений. Нанотехнологический бум, переживаемый сегодня мировым научным сообществом, в том числе российским, в чём-то похож на имевший место в 80-х годах 20-го века бум высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), и даже комнотнотемпературной сверхпроводимости (КТСП), гонку в области создания которой породила известная публикация И. Беднорца и К. Мюллера [1]. Сверхпроводимость мгновенно превратилась из научной проблемы в государственную, однако известно, что КТСП по сей день не реализована, и фронт работ в области ВТСП значительно сузился, хотя и сейчас над этой проблемой активно работают в мире, и в частности в ПФО (напр., в Институте физики микростуктур РАН). Подобно этому, есть немало прекрасных историй о чудесном будущем, и коренном изменении образа жизни, которое произойдёт благодаря нанотехнологиям [2, 3]. Однако, несмотря на значительное увеличение финансирования исследований и разработок в области нанотехнологии, их коммерческий успех до настоящего времени был значительно более скромным, чем было предсказано несколько лет назад в [Error: Reference source not found, Error: Reference source not found]. Большинство работ в области нанотехнологии всё ещё находятся на этапе научных исследований, а не на этапе внедрения в промышленное производство. Важной причиной, замедляющей переход нанотехнологии в промышленность, является недостаточное развитие метрологического обеспечения. Предложенная Р.Ф. Фейнманом прямая атомная сборка впервые была реализована Доном Эйглером и Эрхардом Швейцером в 1989 году, в исследовательском центре IBM в Калифорнии, статья об этом достижении вышла в Nature в апреле 1990 года [4]. Эйглер и Швейцер при помощи сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) выложили на охлаждённой до 4К никелевой подложке (110) буквы IBM из 35 атомов ксенона. Так был создан остающийся до сих пор самым известным и популярным образ нанотехнологии. Рис. 1. «Первая конструкция по упорядоченному размещению атомов» [Error: Reference source not found]. Сегодня IBM продолжает демонстрировать новые успехи в деле реализации «машины Фейнмана». Так, в 2007 г. в статье в Science [5] было описано использование специального СТМ для упорядочения отдельных атомов железа на специально подготовленной медной поверхности, после чего определялось их спиновое состояние, то есть, если угодно, «1», или «0». Вообще, спинтроника сегодня является одним из важнейших направлений развития material science в области нанотехнологии, и обсуждаемая работа демонстрирует возможности радикального сокращения физических размеров элементарной ячейки, что будет сопровождаться увеличением быстродействия на порядки, и увеличением ёмкости устройств памяти на порядки. По мере того как развитие кремниевой электроники приближается к фундаментальным пределам, IBM ещё на шаг приблизилась к технологии атомной памяти. Одной из наиболее важных ожидаемых возможностей использования наноматериалов является перспектива получения покрытий с недостижимыми ранее электрическими и магнитными свойствами. В частности, нельзя не упомянуть ставшее последнее время актуальным направление теоретического моделирования и формирования так называемых метаматериалов. В основе новой физики этих новых материалов лежит открытие, сделанное в 1967 г. советским физиком В. Г. Веселаго1. Статья2 Веселаго [6] в журнале «Успехи физических наук» (УФН), более 30 лет не привлекавшая должного внимания, в связи с развитием нанотехнологии вдруг стала самой цитируемой публикацией в истории этого журнала. Суть дела в том, что совмещение заурядных материалов позволяет создавать структуры, свойства которых не только не присущи используемым компонентам, но и вовсе не реализуются в природе. В частности, возможно формирование материалов с одновременно отрицательными коэффициентами диэлектрической и магнитной проницаемости. Коэффициент преломления связан с диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ известным соотношением: n2 = ε·μ, которому удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, однако физики долгое время отказывались верить в физический смысл последних, до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0. Материалы с отрицательной ε известны: любой металл при частотах выше плазменной частоты, а вот материалы с μ < 0 в природе не встречаются. По этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания, прошло более 30 лет прежде чем в 1999 г. John Pendry3 показал, что отрицательная μ может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой , при этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω0, и отрицательным при ω > ω0. Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д. Смита (David Smith)4 в 2000 г., см. работу [7]. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0 (Рис. 2). Рис. 2. Метаматериал с отрицательным показателем преломления для микроволнового излучения (рисунок из статьи [Error: Reference source not found]). В настоящее время существует несколько типов метаматериалов: «дважды отрицательные » (DNG, ε < 0, μ < 0), «эпсилон -отрицательные » (ENG, < 0, μ > 0), «мю-отрицательные» (MNG, ε > 0, μ < 0). Стандартные диэлектрики при этом получили название «дважды положительных» (DPS, ε > 0, μ > 0). Новые материалы демонстрируют модификацию законов отражения Снелиуса, несоблюдение эффекта Доплера и множество других интересных эффектов. Так, известно, что уменьшение размеров антенн и существенное увеличение направленности излучения при заданных размерах излучателей является исторически ключевыми проблемами теории и техники антенн. Использование стандартных (conventional) диэлектриков вблизи антенн не решает задачу повышения эффективности излучения. Использование метаматериалов вблизи источников электромагнитного излучения позволяет существенно повысить коэффициент усиления антенны за счет уменьшения реактивной энергии вокруг излучателя, что открывает принципиальную возможность решения задачи сверхнаправленности электромагнитного излучения нано-антеннами [8]. Подробнее о новой электродинамике метаматериалов можно прочитать в свежих работах В.Г. Веселаго 2002 – 2010 г.г.: [9, 10, 11, 12]. Работы в области метаматериалов в такой области нанотехнологии как нанофотоника, вероятно, позволят создать устройства, которые найдут применение в следующих поколениях компьютеров. Важным направлением является тематика невидимости и работы в области создания безотражательных покрытий. Большая часть подобных работ ориентирована на рентгеновскую области спектра, но уже известны материалы, демонстрирующие уникальные эффекты в ближнем ИК и в видимой области спектра, в частности можно упомянуть недавние (2008 г.) успехи Университета Калифорнии, изложенные в работах [13, 14], где метаматериалы были сформированы на основе регулярных массивов серебряных нанопроволок внутри нанопористой матрицы из оксида алюминия. ФГУП «ВНИИОФИ» в 2011 году планирует сдать метрологические комплексы, обеспечивающие производство метаматериалов [15]. Анализ направлений развития нанотехнологии на примере Национальной нанотехнологической инициативы США Как известно, в феврале 2000 г. силами межведомственной рабочей группы при Национальном научно-технологическом Совете США был подготовлен доклад «Национальная нанотехнологическая инициатива: путь к новой промышленной революции». Чуть поднее Президент США выдвинул, а Правительство США одобрило национальную программу R&D в области нанотехнологий с таким же названием: Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ, National Nanotechnology Initiative). Программа имеет целью удержание лидирующих позиций США в науке и технологиях, и координацию федеральных усилий в нанотехнологических исследованиях. ННИ направлена на «достижение понимания и управления на наноуровне с целью осуществления революции в технологиях и промышленности для общественного блага» [16]. Восемь программных направлений Национальная нанотехнологическая инициатива определены так [17]:
Место России в мировой нанотехнологической активности Доля России в научных публикациях в области нанотехнологии Финансирование исследований в области нанотехнологии в мире в последние десять лет существенно возросло. Количественным подтверждением этого факта является рост числа статей нанотехнологической тематики, опубликованных в научных журналах. Библиометрическое исследование, опубликованное в декабре 2010 г. [18] демонстрирует, что число нанотехнологических публикаций в международных журналах в период между августом 2008 г. и июлем 2009 г. превосходит число таковых публикаций в 1998 г. в почти 40 раз. Учёными из США опубликовано 23 % публикаций исследованного массива, Китая – 22 %, Германии – 8 %, Японии – 8 %. Россия на 12 месте (2,7 тыс. статей, около 3 % от общего числа). В России 72 % работ в сфере нанотехнологии, результаты которых представлены в статьях, выполнены за счет финансирования РАН, 11 % приходится на долю министерства образования и науки РФ, по 3 % - на Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) и гранты Президента России, и еще 2 % - на гранты международного научно-технического центра (МНТЦ). Нанометрология в России Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений» (№ 102-ФЗ от 26.06.2008 г., вступил в действие с 01.07.2008 г.) определил следующие формы государственного регулирования в области обеспечения единства измерений: 1) утверждение типа стандартных образцов или типа средств измерений; 2) поверка средств измерений; 3) метрологическая экспертиза; 4) государственный метрологический надзор; 5) аттестация методик (методов) измерений; 6) аккредитация юридических лиц и индивидуальных предпринимателей на выполнение работ и (или) оказание услуг в области обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение должно носить опережающий характер и использоваться в технологических процессах и научных исследованиях. Это безусловно, относится к нанотехнологиям и наноиндустрии. Появляются и первые отечественные стандарты в области нанотехнологии [19, 20], число которых пока весьма ограниченно. Таким образом, работы по развитию нанометрологии в настоящее время весьма актуальны. В последние годы тематика нанометрологии в России набирает популярность. В частности, этот тезис можно проиллюстрировать фактом открытия в одном из ведущих университетов России кафедры нанометрологии5, при участии в рамках международной магистерской программы в области нанометрологии «Нанодиагностика, метрология, стандартизация и сертификация продукции нанотехнологий и наноиндустрии», поддерживаемой ОАО «РОСНАНО», по которой в 2010 г. состоялся первый выпуск магистров. За период 2008 – 2010 г.г. ведущий в России производитель СЗМ, ЗАО «НТ-МДТ», осознав важность метрологического обеспечения НТ, провёл работы по внесению своих приборов в Государственный реестр СИ. За период 2008 – 2010 г.г. в России были разработаны ряд национальных стандартов в области нанотехнологий, проведены работы по созданию ЦМО, в частности региональных отделений ЦМО в ЦФО и ПФО. Развиваются и альтернативные системы метрологического обеспечения нанотехнологий и сертификации продукции наноиндустрии. Функционирует метрологический центр ОАО «РОСНАНО», развивается система «НАНОСЕРТИФИКА» (создана Государственной корпорацией «Российская корпорация нанотехнологий», зарегистрирована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии в едином реестре систем добровольной сертификации 28 мая 2008 года). ОАО «РОСНАНО» ведет работу по созданию нормативной базы в сфере наноиндустрии, направленную на обеспечение безопасности, конкурентоспособности и качества продукции наноиндустрии, взаимозаменяемости технических средств, технической и информационной совместимости и гармонизированной с требованиями международных стандартов. В рамках Программы разработки национальных стандартов корпорация в 2010 году профинансировала и в настоящее время осуществляет координацию разработки 34 национальных стандартов в сфере наноиндустрии, обеспечивающих выпуск продукции, созданной с применением нанотехнологий и наноматериалов. ЦКП И НОЦ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРИВОЛЖСКОМ ФЕДЕРАЛЬНОМ ОКРУГЕ Центры коллективного пользования научным оборудованием (ЦКП) представляют собой хорошо оснащённые лабораторные кластеры. Часто они являются национальными или мировыми лидерами в узком направлении науки и технологий. Сегодня сеть исследовательских ЦКП научным оборудованием и дорогостоящими установками сформирована во всех развитых странах. ЦКП решают важную задачу: обеспечивают возможность проведения исследований широкому кругу учёных и научных коллективов на современном дорогостоящем оборудовании, повышают эффективность его использования [21]. «Развитие исследовательских центров, их приборного оснащения» является одним из программных направлений ННИ США, таким образом, деятельность, осуществляемая с середины 90-х годов сначала при поддержке РАН и РФФИ [22], а с 2002 г. Федерального агентства по науке и инновациям (Роснауки) Министерства образования и науки РФ по формированю в России сети ЦКП научным оборудованием, является актуальной и соответствующей мировым тенденциям организации науки. Важнейшим по своему масштабу структурным сдвигом в организации российской науки за последние 20 лет является конвергенция преподавания с научно-исследовательской работой, создание научно-образовательных центров (НОЦ). Важную роль в этом сыграла совместная российско-американская программа «Фундаментальные исследования и высшее образование». Первым НОЦ по этой программе был образован в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского: «Нижегородский региональный Центр сканирующей зондовой микроскопии», сейчас называющийся НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» (REC–001). Всего в российских университетах было создано 20 НОЦ, в том числе 5 в ПФО (см. Таблица). Таблица - НОЦ, созданные по программе «Фундаментальные исследования и высшее образование» в 1998-2007 г.г. в ПФО
Сейчас все эти 5 университетов получили статус «национальных исследовательских университетов». На сайте6 «Исследовательские инфраструктуры» приведён перечень из восьми ЦКП в сфере нанотехнологий в ПФО и обозначена тематика их работ. По состоянию на август 2011 года ФБУ «Нижегородский ЦСМ» известно о 25 ЦКП в сфере нанотехнологий в ПФО, они перечислены ниже. Практически все НОЦ в области нанотехнологий работают либо готовы работать в режиме ЦКП научным оборудованием, что обусловлено тем, что простаивание дорогостоящего оборудования является прямым убытком для участников ЦКП: около 75 % занимают амортизационные отчисления. Следующим шагом должно стать формирование вокруг этих созданных и развившихся точек роста малых инновацонных предприятий, которые осуществили бы трансфер технологий, разработанных в исследовательском университете, в промышленность. Учет успешных примеров зарубежного опыта позволяет сформулировать предложения по развитию деятельности НОЦ и ЦКП в новые структуры: образовательно-научно-производственные. В России разрешили университетам создавать малые инновационные предприятия (согласно Федеральному закону № 217-ФЗ от 02.08.2009 г.), поскольку эти идеи доказали своё преимущество по всему миру. Распределение нанотехнологических ЦКП и НОЦ в ПФО по субъектам РФ Перечень ЦКП ПФО, работающих в области нанотехнологий
Перечень НОЦ в области нанотехнологий в ПФО
Контактная информация ЦКП и НОЦ в области нанотехнологий в ПФО
|
Программа конгресса форума «Великие реки’2010» Приветственное слово Полномочного представителя Президента РФ в Приволжском федеральном округе | Оценка и анализ развития человеческого капитала в Приволжском федеральном округе «промежуточные комплексы, более сложные, чем элементы, но менее сложные, чем сама система» | ||
Рабочая учебная программа дисциплины Это одна из основных теоретических дисциплин профиля, освоение которой позволит участвовать в разработке метрологического обеспечения,... | О проведении Соревнования молодых исследователей «Шаг в будущее» в Сибирском федеральном округе Сибирском федеральном округе школами, учреждениями дополнительного образования, вузами, органами управления образованием и другими... | ||
V. V. Dremin, E. A. Zherebtsov, A. V. Dunaev вопросы метрологического... «областной центр информационного и материально-технического обеспечения образовательных учреждений» | О Соревновании молодых исследователей «Шаг в будущее» в Южном федеральном... Настоящее Положение определяет статус, цели и задачи Соревнования молодых исследователей «Шаг в будущее» в Южном федеральном округе... | ||
Отчет о результатах оценки соответствия Проекта Канкунской гэс критериям... Методика оценки соответствия гидроэнергетических Проектов критериям Устойчивого развития | Темы рефератов для направления «машиностроение» (г. Туймазы. Заочники)... История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Объекты и методы нанотехнологий.... | ||
Лаборатория поликультурного образования и этнопедагогики Приглашаем Вас принять участие в работе Международной научно-практической конференции, которая состоится 1 ноября 2013 г в Казанском... | Стандарт предприятия Разработан Службой стандартизации и метрологического обеспечения учебного процесса и научных исследований | ||
Реферат Цель: Рассмотреть и представить для обсуждения новый количественный... Интегральный индекс техногенного загрязнения как мера химической безопасности потребляемой человеком продукции | «Философия» ивыставления по нему оценки для бакалавриата вшэ Итоговая вычисленная оценка складывается в равных долях по 1/3 из трех составляющих: оценки за активность на семинарах, оценки за... | ||
Защита сельскохозяйственной техники от коррозии и износа с применением нанотехнологий Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный... | Рабочая программа учебной дисциплинЫ «Метрология, стандартизация и технические измерения» Также полученные знания будут непосредственно использованы в профессиональной деятельности в области проектирования и эксплуатации... | ||
Позиционирование брэнда в социальном пространстве потребительского... Полномочное представительство Президента РФ в Южном федеральном округе, г. Ростов-на-Дону | Реферат Объектом исследования являются предприятия строительной индустрии,... «оценка потенциальных рынков сбыта строительных материалов, производимых предприятиями, расположенными в Северном управленческом... |