Владивосток Март 2013 г

«Получение, исследование и моделирование

биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов»

Итоговый отчет

ВладивостокМарт 2013 г.

Целевая комплексная программа фундаментальных научных исследований ДВО РАН на период 2009-2012 г.г.

1

Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов, достижение на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках, получение новых материалов, развитие инновационной активности ДВО РАН в области нанотехнологий и наноматериалов, в том числе:

Выделение направленного спектра исследований с учетом мирового и российского опыта и региональной специфики, в котором возможно получение наиболее значительных результатов.

Консолидация на выбранном направлении научных, технических

и человеческих ресурсов ДВО РАН и региона, определение ближне- и дальнесрочных перспективных планов исследований с выходом на инновационные разработки.

2

Цель Программы Цель Программы

Разделы исследований и Задачи Исполнители

Биохимические технологии

Разработка технологии биосинтеза силикатеинов с целью получения новых неорганических наноматериалов

ТИБОХ ДВО РАН; БПИ ДВО РАН; ЛИ СО РАН; ИАПУ ДВО РАН

Разработка технологии получения изделий на основе рекомбинантных силикатеинов. ТИБОХ ДВО РАН; БПИ ДВО РАН; ЛИ СО РАН; ИАПУ ДВО РАН

Экспрессия рекомбинантных силикатеинов и изучение их каталитической активности в образовании наночастиц и нанослоев окисей кремния и титана.

ТИБОХ ДВО РАН; БПИ ДВО РАН; ЛИ СО РАН;ИАПУ ДВО РАН

Разработка новых наносистем доставки лекарственных средств на основе природных полимеров

ИАПУ ДВО РАН; ИБМ ДВО РАН; ТИБОХ ДВО РАН

Химические технологии

Создание биомиметических наноматериалов, обладающих свойствами самоорганизующихся структур и фотонных кристаллов, на основе природных биополимеров и металл-элементоорганических соединений

ТИБОХ ДВО РАН; ИХ ДВО РАН; ДВГУ; ИАПУ ДВО РАН;

Получение наноразмерных материалов с заданной структурой и функциями на матрицах из биополимеров по золь-гель технологии. Разработка новых подходов к формированию наноразмерных силикатных материалов со структурой и свойствами, регулируемыми с помощью биополимеров, а также создание функциональных материалов на основе синтезированных биополимер-силикатных нанокомпозитов

ИХ ДВО РАН; ТИБОХ ДВО РАН; ДВГУ; ЛИ СО РАН; ИАПУ ДВО РАН;

Использование модифицированных биополимеров для создания высокоселективных сорбционных материалов на основе силикатов для удаления и локализации долгоживущих радионуклидов, а также для получения композитных материалов и покрытий

ИХ ДВО РАН; ТИБОХ ДВО РАН; ИБМ ДВО РАН

Вакуумные технологии

Разработка технологий искусственного получения упорядоченных наноструктур адсорбатов на поверхности и в объеме кристаллов с использованием процессов атомной самоорганизации.

ИАПУ ДВО РАН; ТИБОХ ДВО РАН;

Лазерные и оптические технологии

Исследование наноматериалов и наноструктур природного и техногенного происхождения, с использованием современных лазерных и оптических методов

ИАПУ ДВО РАН; ДВГУ; ИЛ СО РАН; ИАЭ СО РАН; ЛИ СО РАН

Получение наноматериалов посредством лазерной абляции и модификации поверхностных структур

ИАПУ ДВО РАН; ИХ ДВО РАН; ДВГУ; ИАЭ СО РАН; ИЛ СО РАН

Структура Программы и исполнители:

3

Особенность Программы

17 проектов входит непосредственно в Программу фундаментальных исследований Президиума РАН № 24 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов»;

10 проектов входит в Целевую комплексную программу фундаментальных научных исследований ДВО РАН на период 2009-2012 г.г. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов» (БиоНано)

4

Структура Программы 2012 года

5

1. Физика и технология наноструктур (руководитель: ак. Ж.И. Алферов).1. Физика и технология наноструктур (руководитель: ак. Ж.И. Алферов).

№ Название проекта Руководитель Организация

1 Формирование, оптические, электрические и магнитные свойства наноструктур на основе

кремния и силицидов металлов.

Д.ф.-м.н. Галкин Н.Г.

ИАПУ ДВО РАН

2 Исследование механизмов самоорганизации атомов и молекул на поверхности

полупроводников.

Чл.-корр. РАН Саранин А.А.


3 Исследование процессов формирования и физических свойств низкоразмерных

гибридных атомно-молекулярных наноструктур.

Д.ф.-м.н. Зотов А.В.


4 Разработка хемочувствительных оптических волноводных структур на основе

биомиметических наноструктурированных органо-неорганических материалов и

исследование их сенсорных характеристик.

Д.ф.-м.н. Вознесенский

С.С.



6

2. Диагностика наноструктур (руководитель: чл.-корр. РАН М.В. Ковальчук)

2. Диагностика наноструктур (руководитель: чл.-корр. РАН М.В. Ковальчук)


5 Разработка физических принципов апертурной оптической микроскопии

ближнего поля с применением интерферометрического зонда с вынесенной

по направлению к исследуемому объекту субволновой апертурой.

АкадемикКульчин Ю.Н.


6 Разработка физических принципов прецизионной рефрактометрии жидких

нанокомпозитов с использованием изогнутых волоконно-оптических интерферометров

Фабри-Перо для химических, биологических, медицинских и иных применений.

Д.ф.-м.н. Витрик О.Б.


7 Лазерная система измерения массы нанообъектов на основе адаптивного голографического интерферометра

Д.ф.-м.н. Ромашко Р.В.



7

II. Наноматериалы (координатор: ак. С.М. Алдошин) II. Наноматериалы (координатор: ак. С.М. Алдошин)


8 Физические принципы измерения и методы прогноза оптических характеристик и свойств

наноструктур и наноматериалов.

Д.ф.-м.н. Дзюба В.П.


9 Новые композитные наноструктурированные оптические материалы на основе природных

полиэлектролитов

Д.х.н. Братская С.Ю.

ИХ ДВО РАН

10 Развитие биомиметического подхода при формировании поверхностных биоактивных

слоев на сплавах магния для биодеградируемых имплантатов.

Д.х.н. Гнеденков С.В.

ИХ ДВО РАН

11 Новые наноструктурированные органические фоторегистрирующие среды на основе β –

дикетонатов дифторида бора для голографии, устройств оптической записи, хранения-

обработки информации и создания элементов интегральной, волоконной оптики.

Д.х.н. Мирочник А.Г.

ИХ ДВО РАН

12 Создание сенсорных материалов на основе гибридных структур биополимеров с

люминесцентными наночастицами металлов.

Чл.-корр. РАН Щипунов Ю.А.

ИХ ДВО РАН


8

III. Нанобиотехнологии (координатор: ак. Р.В. Петров) III. Нанобиотехнологии (координатор: ак. Р.В. Петров)


13 Применение рекомбинантного силикатеина для синтеза биомиметических органо-неорганических нанофазных материалов и структур на их основе

Чл.-корр. РАН Булгаков В.П.

БПИ ДВО РАН

14 Парамагнитные наносомы для векторного контрастирования в ЯМР томографии.

Д.х.н. Лукьянов П.А.

ТИБОХ ДВО РАН,ИХ ДВО РАН,ВГМИ

15 Разработка микроструктурированных материалов на основе нанокомпозиций биополимеров для нужд

тканевой биоинженерии и реконструктивной медицины

академикАдрианов А.В.

ИБМ ДВО РАН

16 Создание профилактических и вспомогательных терапевтических средств на основе наномолекулярных

комплексов биофлафоноидов и ксантофиллов.

Д.х.н. Козловская Э.П.

ТИБОХ ДВО РАН

17 Разработка современных систем направленной доставки лекарственных веществ на основе

наноструктурированных полисахаридных носителей.

Д.б.н. Хотимченко Ю.С.

ИБМ ДВО РАН

Структура Программы БиоНано 2012 года

9


1 Исследование линейных и нелинейно-оптических характеристик биомиметических материалов на основе минерализованных

биополимеров.

Академик Кульчин Ю.Н.


2 Новые пористые магнитные материалы с сорбционными и каталитическими свойствами

Чл.-корр. РАН Авраменко В.А.

ИХ ДВО РАН

3 Исследование оптических и сенсорных характеристик хемочувствительных люминесцентных фотохромных оптических

структур.

Д.ф.-м.н. Вознесенский С.С.


4 Нанографиты, их соединения и пленочные структуры: особенности строения, электронных и магнитных свойств.

Д.ф.-м.н. Зиатдинов А. М.

ИХ ДВО РАН

5 Биомиметический синтез и изучение структуры и свойств силикатных нанокомпозитов с регулируемой структурной организацией.

К.б.н. Кожемяко В.Б. ТИБОХ ДВО РАН

6 Разработка подходов к созданию на основе самоорганизующихся белков-поринов биоматриц, потенциально пригодных для получения

комплексных неорганических наноструктур.

Д.х.н. Новикова О.Д. ТИБОХ ДВО РАН

7 Формирование и исследование нанокомпозитов на основе полиионных полисахаридов морских гидробионтов.

Д.х.н. Ермак И.М. ТИБОХ ДВО РАН

8 Разработка современных технологий культивирования нанопланктона для ультраструктурных и нанотоксикологических исследований.

К.б.н. Орлова Т.Ю. ИБМ ДВО РАН

9 Исследование хемосенсорных свойств нанофазных биогенных и биомиметических материалов с использованием сверхширокополосных

когерентных световых импульсов.

к.т.н. Гамаюнов Е.Л. ИАПУ ДВО РАН

10 Разработка технологии направленной дифференцировки пигментных клеток эмбрионов морских ежей с использованием природных

матриксных белков для био-нанотехнологических исследований.

д.б.н. Одинцова Н.А. ИБМ ДВО РАН

Результативность Программы

10

2009-2011 г.г. 2012 г. Всего

Монографий 6 1 7

Сборников трудов 5 1 6

Статей в реферируемых изданиях

107 32 139

Докладов на конференцияхМеждународныеРоссийские

10928

297

13835

Патентов 11 5 16

Докторских диссертаций 3 0 3

Кандидатских диссертаций

9 6 15

11

Сборники и монографииСборники и монографии

Основные результаты Программы:

12

13

Спикулы Морских стеклянных губок обладают свойствами кварцевых волоконных световодов.

Спикулы Морских стеклянных губок представляют собой новый вид наноструктурированного композитного материала, механические свойства которого близки к характеристикам природного опала и по эластичности превосходят кварцевые волокна.

Спикулы Морских стеклянных губок являются новым видом природных фотонных кристаллов.

1

2

3

4

700 750 800 850 900

input

spicula

, nm

It r, arb. units

Спикулы Морских стеклянных губок обладвют высокими нелинейно-оптическими характеристиками.

Проведены уникальные исследования биофизических характеристик и оптических свойств базальных спикул морских стеклянных губок Ph. raphanus, Pheronema sp., H. sieboldy, H. populiferum и S. hawaiicus (Amphidiscosida, Hexactinellida), как нового объекта нанофотоники

Предложен новый тип 1-D фотонных кристаллов: Брэгговские волоконные световоды с согласующим слоем

14

Зависимость оптических потерь БВПС от толщины промежуточного слоя для излучения с длиной волны l0=1 мкм.

Распределенние показателя преломления по сечению Брэгговского волоконногосветовода с промежуточным слоем

АА

ВВ

ДД ЗЗ

ЖЖ

ГГ

ЕЕ

ББ

Главной проблемой остается физиология фотосинтеза симбиотических Главной проблемой остается физиология фотосинтеза симбиотических цианобактерий, поскольку их хозяева-губки обитают на больших глубинах , куда цианобактерий, поскольку их хозяева-губки обитают на больших глубинах , куда практически не проникает солнечный свет.практически не проникает солнечный свет.

На основании изучения морфологии спикул, их спектров поглощения и флюоресценции, а такжеНа основании изучения морфологии спикул, их спектров поглощения и флюоресценции, а также

состава жирных кислот, установлено, что основными симбионтами у стеклянных губкок являютсясостава жирных кислот, установлено, что основными симбионтами у стеклянных губкок являются

фотосинтезирующие цианобактерии (сине - зелёные водоросли)фотосинтезирующие цианобактерии (сине - зелёные водоросли)

-0,01

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

400 500 600 700 800

16

Сформулированы основные направления биомиметического моделирования природных биосиликатов для создания нанокомпозитных

структур и материалов с заданными оптическими и нелинейно-оптическими характеристиками

Биоминерализация

Биологическое направление моделирования

Химическое и биохимическоемоделирование

Синтез происходит в естественных условиях. Проблема – наработка требуемого рекомбинантного белка в необходимых количествах

Необходимы специальные условия:

-Особо чистые вещества;

- специальные условия по pH;

-Определенные температурные режимы

Необходима экспрессия генов в новый носитель

Процесс протекает медленно

Биомиметические материалыБиомиметические материалы

Синтез происходит в специальных условиях

Разработаны методологические принципы биомиметического синтеза новых биополимер-неорганических нанокомпозитов, в основе которых

заложено управление процессами и структурой формируемых материалов с помощью прекурсора силиката и регулируемой

гидратации макромолекул биополимеров, выступающих центрами формирования неорганического материала

H O2 Прекурсор

Макромолекулыполисахарида

в растворе

Гидратированныемакромолекулы

Минерализациябиомакромолекул

Золь-гель технология оксидных материалов для биомиметичес-кого моделирования биосиликатных нанокомпозитных структур

Фото 3-D образца из материала B

СЭМ-фотография среза образца B

ПрекурсорМатрица(биомакромолекулы) H2O++

ТГЭОС(тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликат)

50%

Биополимер- Na-альгинат

0,5-1%- Na-гиалуронат

0,1-2%- Ксантан

0,5-2%

А

B

C

=

Би

оси

ли

катны

йн

ано

ком

по

зит

100%

Оптические и нелинейно-оптические характеристики нового материала

– материал С (ТГЭОС+ксантан(0.5%)); – материал В (ТГЭОС+Na-гиалуронат(0.25%)); – материал А (ТГЭОС+Na- альгитнат (0,25%) ).

В: n2~29 10-14 см2/Вт;

SiO2: n2~ 3.2 × 10-16 см2/Вт.

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

2 5 0 3 5 0 4 5 0 5 5 0 6 5 0 7 5 0 8 5 0 9 5 0 1 0 5 0 11 5 0 1 2 5 0 1 3 5 0

AB

Tra

nsp

aren

cy (

%)

W av elen g th (n m )

Разработаны способы формирования на поверхности функциональных покрытий на основе природных полисахаридов с контролируемыми оптическими и биологическими свойствами. Разработаны методики синтеза хитозановых волноводов и мультислойных биоминеральных систем

Принцип получения: самоорганизация противоположно заряженных полиэлектролитов за счет действия электростатических сил

O

H

O

H

H

OHHO

OH

O

HOSO3

O

OH

O3SO

H CH2OSO3

λ-каррагинан

Катионный компонент Анионный компонент

Хитозан

+ + + + + + --

-

pH =5 pH =5 - - - -

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

50

100

150

200

тощ

ина

покр

ыти

я, н

м

количество БС

N HAc

O

O HN H 2

OH

OO

O

Преимущества:

•высокая воспроизводимость•отсутствует необходимость пластификации•нанесение на поверхность любого размера и формы

Фотонные хемо-, гигро- и ph - сенсоры

а)

б)

в)

г)

Концентрация аммиака: 0 – 1200 сек – 0,1 ПДК; 1200 – 3500 сек – 2 ПДК. (ПДК – 20 мг/м3)

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0

10

20

30

40

50

60

70

Показания гигрометра Волоконный сенсор

Чувствительность сенсора: 0,09 ppm (0,003 ПДК)

Созданы сенсорные материалы на основе гибридных структур биополимеров с люминесцентными

наночастицами золота

22

Схема синтеза золотых наночастиц, стабилизированных гиперразветвленным полиглицидолом, и иммобилизация их в силикатной матрице и полученные структуры.

Отработан метод синтеза наноразмерных частиц золота, для стабилизации которых в водных растворах использовался гиперразветвленный полиглицерид, относящийся к числу дендримеров с нерегулярным строением. Синтезированы наночастицы золота без использования восстановителя, в роли которого выступали гидроксильные группы. Включение полиглицеридов с наночастицами в силикатную матрицу позволяет создавать оптические материалы с высокой оптической нелинейностью.

Созданы сенсорные материалы на основе гибридных структур биополимеров с люминесцентными

наночастицами меди

23

Изображение наночастиц меди, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, и спектр их люминесценции.

Проведен синтез наноразмерных частиц меди в растворах белков, которые выступают в качестве темплата и стабилизатора, предотвращающих слияние наночастиц в крупные кластеры. Охарактеризованы спектральные свойства наночастиц, включая поверхностный плазмонный резонанс и люминесценцию.

Разработаны физико-химические основы формирования покрытий методом плазменного электролитического оксидирования,

содержащих гидроксиапатит на поверхности наноструктурированного титана, перспективного для имплантологии

- Показано, что антикоррозионные свойства, а также механические и адгезионные характеристики кальций-фосфатных поверхностных слоев, полученных методом ПЭО на наноструктурированном титане, приемлемы для практического использования.

Впервые имплантаты с ПЭО-покрытиями, полученными в знакопеременном режиме поляризации, были внедрены в реальные живые объекты – организмы лабораторных

мышей, и исследован процесс остеогенеза. Показано существенное ускорение роста костной ткани в результате использования биологически активного ПЭО-слоя на поверхности

имплантата

Фрагменты кальций-фосфатного покрытия – (1), костная пластинка – (2), лакуны, заполненные красным костным мозгом – (3).

Результаты испытания in vivo при эктопическом костеобразовании: а) образцы с покрытием, внедренные подкожно в организм мыши; б) вид импланта после выдержки в организме мыши

Развит биомиметический подход к формированию поверхностных биоактивных слоев на сплавах магния для биодеградируемых

имплантатов

26

Впервые экспериментально подтверждена возможность формирования методом плазменного электролитического оксидирования на поверхности сплавов магния (принадлежащих к системам Mg–Mn–Ce, Mg-Zn-Zr) антикоррозионных биологически активных (содержащих гидроксиапатит), покрытий с отношением Ca/P=1,61. Данное значение достаточно близко к соответствующему показателю в костной ткани (1,67). Разработанный способ поверхностной обработки перспективен для создания биодеградируемых имплантатов на основе магниевых сплавов, который выводит имплантационную хирургию на качественно новый уровень.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 1 2 3 4 5 6Т (неделя)

По

тер

я м

ассы

( %

)

Без покрытия

С покрытием

Фазовый состав ПЭО-покрытия на сплаве магния МА8.

Потеря массы для образцов сплава Mg МА8 с биоактивным ПЭО-покрытием и без покрытия в SBF растворе в течение шести недель

Разработан новый способ темплатного синтеза макропористых оксидов марганца и вольфрама, содержащих равномерно распределенные в поровом пространстве

наночастицы золота

Впервые получен полноразмерный ген и рекомбинантный белок силикатеина из морских стеклянных губок и произведена экспрессия рекомбинантного силикатеина в клетках эукариот

Рекомбинантный LoSilA1, выделенный при помощи Profinia (А) и BioLogic DuoFlow (Б).

ППолучение штаммоволучение штаммов--продуцентов продуцентов рекомбинантного белка рекомбинантного белка Au-Sil-Hexa.Au-Sil-Hexa.

АБ

Идентифицированные полноразмерные Идентифицированные полноразмерные последовательности последовательности ггенов силикатеиновенов силикатеинову морской губки у морской губки Latrunculia oparinaeLatrunculia oparinae.Приоритет в получении полноразмерного гена Приоритет в получении полноразмерного гена силикатеина из морских стеклянных губок - силикатеина из морских стеклянных губок - AuSilAuSil--HexaHexa. .

Получены трансгенные клеточные культуры (А) и растения (Б) табака, экспрессирующие силикатеин LoSilA1 и AuSil-Hexa.

А Б

Детекция рекомбинантного силикатеина в трансгенных клетках.

Выделение силикатеина из растительных культур с помощью автоматизированной хроматографической системы Profinia.

Впервые проведена экспрессия генов силикатеина в клеточных культурах и растениях табака

Биосинтетическая активность экстракта контрольной культуры табака составила 0.5-0.7, а в процессе фитосинтеза при использовании экстракта культуры с геном силикатеина LoSilA1 - 1.6-2, т.е. увеличение эффективности образования наночастиц составило более 250%. При этом, до 90% наночастиц контрольной культуры составляли крупные частицы с размерами более 40 нм, тогда как 85% частиц, полученных с помощью трансгенной культуры, имели размеры 20-40 нм. Достигнуто снижение размеров и повышение гомогенности наночастиц серебра

Впервые показана возможность использования методов генетической инженерии для изменения параметров фитосинтеза наночастиц металлов

А Б В

Растворы наночастиц серебра (А) и сканирующая электронная микроскопия наночастиц серебра, полученных с помощью обычной культуры табака (Б), и трансгенного табак с силикатеином (В).

Наночастицы серебра, полученные с помощью экстракта клеточной культуры воробейника.

Впервые рекомбинантный белок силикатеина применен для синтеза биомиметических органо-неорганических

нанофазных материалов

31

С помощью бактериальной экспрессионной системы были получены препараты рекомбинатных белков морской губки Latrunculia oparinae: силикатеин LoSilA1 и катепсин LoCath. Выделенные белки проявляли способность вызывать поликонденсацию водорастворимого прекурсора тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликата (ТГЭОС) с образованием кристаллов диоксида кремния различного размера и формы. При этом рекомбинантный силикатеин индуцировал образование гексагональных и палочковидных кристаллов при использовании 1 и 0,1% раствора ТГЭОС, соответственно. Рекомбинантный катепсин вызывал образование смеси гексагональных и кубических кристаллов в присутствии 0,5% раствора ТГЭОС.

Впервые синтезирован новый наноструктурированный полимерный материал на основе β – дикетонатов дифторида бора не требующий мокрой постэкспозиционной

обработки, перспективный для голографии, устройств оптической записи, обработки информации и создания элементов интегральной и волоконной оптики

32

Спектры поглощения исходного (1) и экспонированного (2) материала.

Параметры материала: длина волны записи 405.9 нм, плотность записи до 2500 лин/мм, дифракционная эффективность более 65%, время жизни голограмм более 6 мес. Низкий порог нелинейности материала (5 Вт/cм2) позволяет создавать в нем элементы управления типа свет-свет с частотой модуляции до 50 Гц.

Ампитудно-частотная характеристика материала Дифракционные

решетки записанные методом лазерного сканирования

h

ФОТОЦИКЛОДИМЕРИЗАЦИЯ АНТРАЦЕНОИЛАЦЕТОНАТА ДИФТОРИДА БОРА В ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТЕ

Открыто явление низкопороговой оптической нелинейности гетерогенных жидкофазных диэлектрическихнанокомпозитов

33

Впервые установлено, что диэлектрические нанокомпозиты на основе наночастиц Al2O3, SiO2 и жидкой диэлектрической матрицы обладают гигантской оптической нелинейностью, в слабых полях лазерного излучения видимого диапазона с аномальной зависимостью от интенсивности излучения. Этот эффект может быть использован для создания новых низкопороговых оптически нелинейных материалов с управляемыми оптическим излучением характеристиками.

Зависимости нелинейных частей коэффициента поглощения и показателя преломления от интенсивности излучения.

Разработан функциональный метод теоретического анализа влияния формы и размеров нанообъектов на волновые функции и характеристики квантовых состояний носителей зарядов.

Показано, что даже малые вариации формы нанообъекта от сферической приводят к существенному пространственному перераспределению носителей зарядов в нанообъекте и перемешиванию чистых состояний (Рис.).

Рис. Форма наночастицы и картина изменения вероятности положения свободного электрона в такой наночастице относительно вероятности положения электрона в сферической частице

Разработана математическая модель коэффициента нелинейного пропускания излучения гетерофазными диэлектрическими нанокомпозитами и разработана теория их нелинейного показателя преломления

Показано, что главными факторами возникновения нелинейности в слабых оптических полях являются дипольный электрический момент, индуцированный оптическим полем и зависимость разности населённости состояний носителей заряда наночастицы от интенсивности внешнего излучения

Созданы парамагнитные наносомы для векторного контрастирования в ЯМР томографии

35

Изменение сигнала от ткани почек мышей линии СВА при ЯМР-томографии до и после получения негативного контраста SPIONs и позитивного SPGONs.

Охарактеризованы перспективные гликолиганды для векторного контрастирования: неомитилан – глюкан мидии Crenomytilus grayanus и гликопептиды саламандры Andreas davidianus. Оптимизированы условия получения различных парамагнитных наносом на основе оксидов желез и гадолиния, которые позволяют получать частицы различных размеров и различного состава. Отработаны и оптимизированы протоколы ЯМР-сканирования мышей и крыс.

36

В экспериментах in vivo на модели язвы желудка, индуцированной индометацином, установлено, что комплекс κаррагинан-хитозан (в/в 1:10) обладает высокой гастрозащитной активностью, и по своему гастропротекторному действию не уступает референсному препарату фосфолюгелю .

Разработаны новые высокоэффективные нанокомпозиты, состоящие из полиионных полисахаридов каррагинана и хитозана с повышенными антибактериальными, иммуномодулирующими, сорбирующими и репарационными свойствами, в виде полимерных пленок, гидрогелей и повязок

Проведены исследования по созданию наноконструкций на основе иммобилизованных на золотых поверхностях бактериальных белков-

поринов, потенциально пригодных для дизайна биосенсоров

37

АСМ комплексов порина Y.pseudotuberculosis c фосфолипидами на слюде

Получень искусственный бислой из синтетических фосфолипидов (лецитина и дидодецилфосфатидилхолина), закрепленный на поверхности слюды, и подобраны условия встраивания порина в фосфолипидный бислой. Комплекс порин–пептидогликан, представляющий собой упорядоченную структуру, может являться жестким «каркасом» для формирования наноконструкций, содержащих белки-порины.

Разработаны технологии индукции дифференцировки стволовых клеток морских

беспозвоночных в определенный клеточный тип

Идентификация нервных клеток мидии в культуре

Получение клеток, комитированных в направлении миогенной и нейрональной дифференцировки

6 час в культуре

FMRF-амид

48 час в культуре

серотонин серотонин FMRF-амид

Обнаружено, что диссоциированные клеткиличинок моллюсков ранних стадий развития могут одновременно дифференцироваться вкультуре как в мышечныеклетки, так и в нейрональныеклетки.

Разработаны условия дифференцировки спикулогенных клеток морских ежей

Клетки культивировали в течение 72 часов. Масштаб: 20 мкм (А, В), 30 мкм (Б), 100 мкм (Г).

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30 35

% сыворотки

кол

ич

ес

тво

сп

ику

л

фибронектин (200 мг/мл) стекло пластик

Зависимость количества образовавшихся спикул в культуре клеток гаструлыморского ежа от содержаниясыворотки в среде культивированияи субстрата

Созданы новые криопротекторы и разработаны технологии криоконсервации клеток морских гидробионтов

Критические изменения клеток морских беспозвоночных при замораживании могут быть устранены за счет введения в криопротекторную смесь суспензии липидных экстрактов морских гидробионтов, антиоксидантов и мембранных стабилизаторов, которые обладают синергизмом действия, способствуя реконструкции поврежденных клеточных мембран и восстановлению физиологической активности клеток после холодового шока.

Установлено, что при замораживании клеток гидробионтов в присутствии традиционных криопротекторов происходит значительный выход свободных жирных кислот и массовая гибельклеток.

Трегалоза

Разработаны общие и специальные требования к содержанию культур микроводорослей в лабораторных условиях. Даны краткие характеристики объектов культивирования, паспорта выделенных клонов и сведения о видовом составе, распространении и токсичности диатомовых водорослей рода Pseudo-nitzschia и динофитовых водорослей рода Alexandrium, найденных в дальневосточных морях России. Разработанные методические рекомендации могут быть использованы с целью получения токсичных клонов для нанотоксикологических и биотехнологических исследований.

Впервые в отечественной практике разработаны методические рекомендации, позволяющие выделять и поддерживать в условиях лаборатории клоновые культуры микроводорослей, способные вырабатывать токсины

Нанометрология

43

Рис.(а) Выдвинутый эванесцентный источник в одном из зеркал зонда: I-электронное изображение полученной в результате химического травления конусообразной структуры на выходном торце зонда; II- топографическое сечение этой структуры, полученное при помощи атомно-силового микроскопа; III и IV - электронные изображения диафрагм с диаметром D=100 nm и D=50 nm, соответственно, выполненные на вершине конусообразной структуры. (б) - профиль кантилевера, восстановленная по величине смещения резонансных максимумов в интерферометрическом зонде (1), в

сравнении с реальным топографическим профилем (2), полученным при помощи АСМ.

Зонд предназначен для

исследования микро- и нано-

объектов, обеспечивая

пространственное разрешение

40 нм ( λ/37)

Разработан принципиально новый интерферометрический зонд для сканирующей оптической микроскопии ближнего поля, основанный на использовании волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо

Разработан метод определения элементного состава наноразмерных объектов и их конгломератов в жидких гетерогенных средах с применением метода фемтосекундной лазерной искровой спектроскопии

Показано, что использование временной селекции при проведении количественных измерений позволяет получить предел обнаружения натрия в морской воде на уровне 10-6 г/л, что на два порядка меньше, чем для случая ЛИС с возбуждением наносекундными лазерными импульсами.

Эле

мент

Длина волны, nm

td, ns Частота повторения импульсов,кГц

Предел обнаружения, мг/л

Предел обнаружения, мг/л, (литература)

Al I 396.1 150 1 0.19 5.2, 10

Ba II 455.4 72 0.1 0.08 6.8 , 4.9

Ca II 393.3 55 0.5 0.01 0.13, 0.3, 0.4, 8, 0.09, 0.003

Cu I 324.7 92 0.1 0.78 7, 50, 5

Fe I 373.7 160 1 3.4 30

K I 766.5 180 1 0.006 1.2, 4

Mg I 285.2 120 1 1 0.2 , 1 , 1.9 , 3 , 0.1

Na I 588.9 210 1 0.0009 0.0075 , 0.014 , 0.23 , 0.5, 0.9 , 2.2 , 7.5 , 0.0004

Zn I 213.8 57 1 2.5 120 (334.5 nm)

k

mV

3

2

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08300

350

400

450

500

550

, 0K

t, c

Разработан динамический оптический спекл-корреляционный метод измерения размеров и скорости неравновесных наночастиц в жидкости

Метод дает возможность регистрировать влияние неконтролируемых факторов на результаты измерений размеров частиц и обеспечивает 10% точность при измерении диаметров частиц в диапазоне от 30 до 750 нм и исследования физических свойств жидкостей при протекании в них динамических процессов.

• Лазерный импульс наносекундной длительности на длине волны 532 нм возбуждает собственные колебания кантилевера, которые регистрируются с помощью адаптивного голографического интерферометра на основе динамической голограммы, формируемой в кристалле CdTe в ортогональной геометрии двухволнового векторного взаимодействия.

• Чувствительность сенсора: (233±10)×10-12г.

Рис. Экспериментально полученная зависимость частоты собственных колебаний кантилевера от номера лазерного импульса

Разработан сенсор для взвешивания сверхмалых масс на основе адаптивного голографического интерферометра

Рефрактометр позволяет

обнаруживать изменения

показателя преломления жидкости

с точностью 0,5·10-6.

Рис. Зависимости величины сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при обеспечении резонансной связи мод сетовода (кривая 1,2), и в ее отсутствии (кривая 3,4).

Разработан новый принцип создания рефрактометра жидкостей, основанный на спектральной регистрации фазовых изменений направляемого излучения в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо

Физика и технология полупроводниковых наноструктур

50

51

Спектры электролюминесценции, измеренные при прямом и обратном смещении при комнатной температуре и плотности тока равной 4 А/см2. На вставке приведена зависимость суммарного сигнала электролюминесценции от плотности тока.

В светодиодах с НК, сформированными комбинацией ТФЭ и РЭ, наблюдается заметная электролюминесценция (ЭЛ) до температуры не выше 70 К, а высококачественные бездефектные светодиоды с НК, сформированные методом ТФЭ, впервые продемонстрировали интенсивную ЭЛ при 300 К в диапазоне энергий 0.78-1.08 эВ при плотностях тока накачки менее 1 А/см2.

Впервые созданы кремниевые светодиоды со встроенными в р-слой кремния нанокристаллитами (НК) beta-FeSi2 с использованием методов твердофазной эпитаксии (ТФЭ) и комбинации ТФЭ и реактивной эпитаксии

Исследованы механизмы самоорганизации атомов и молекул на поверхности полупроводников.

52

Используя экспериментальные данные и расчеты из первых принципов, построена структурная модель поверхностной реконструкции Si(111)3131-In с элементарной ячейкой, содержащей 17 атомов индия и 31 атом кремния. Модельная структура характеризуется низким значением поверхностной энергии, демонстрирует полупроводниковые свойства и хорошо воспроизводит изображения, полученные в сканирующем туннельном микроскопе. Поверхность Si(111)3131-In представляет интерес в качестве шаблона для выращивания различных наноструктур.

Исследованы процессы самоорганизации фуллеренов на поверхности Si(111)41-In в ходе осаждения при комнатной температуре и в

результате последующего отжига

53

. Установлено, что фуллерены образуют линейные цепочки с максимальной длиной в восемь молекул. Показано, что отжиг приводит к переходу фуллеренов в стабильное адсорбционное состояние и сопровождается вытеснением атомов индия. Обнаруженное упорядочение фуллеренов на реконструированной поверхности кремния открывает принципиальную возможность использования таких систем в молекулярной электронике.

54

Исследованы магнитные свойства квантово-размерных пленок из 1.5-15 МС Fe на Si(001) и 8-12 МС Fe на 1-5 м.с. Cu на Si(001) методом МОКЭ.

Обнаружено, что при продольном намагничивании коэрцитивная сила составляла от 0,01 до 0,78 Т, а поворот угла поляризации - от 0,002 рад до 0,013 рад. С уменьшением толщины прослоек Cu и с отжигом коэрцитивная сила пленок увеличивалась.

б)

Рис. Гистерезисные кривые, измеренные с помощью магнито-оптического эффекта Керра на образцах Fe/Cu/Si(001). Левый (а) и правый (б) рисунки показывают кривые для неотожженного и отожженного образцов, соответственно, а кривые 1 и 2 – соответственно, керровское вращение и эллиптичность

55

Определены механизмы формирования и свойства разнообразных наноструктур адсорбатов на поверхности кремния, включая массивы нанопроволок, ансамбли нанокластеров и упорядоченные поверхностные фазы

В системе In/Si(111) был обнаружен ранее неизвестный механизм упорядочения нанокластеров, основанный на нарушении симметрии четных и нечетных расстояний (в единицах постоянной решетки поверхности) между кластерами. Полученный результат расширяет представления о возможных механизмах самоорганизации нанокластеров на поверхности полупроводниковых кристаллов.

(а) Микроскопическое изображение массива кластеров In на поверхности Si(111)21. (б) Примеры пар кластеров с нечетными (1-7) и четными (2-8) расстояниями между ними. (в) Экспериментальная гистограмма распределения парных расстояний в сравнении с результатами моделирования методом Монте-Карло случайного распределения без нарушения симметрии четных и нечетных расстояний (серая линия).

Нанографиты, их соединения и пленочные структуры: особенности строения, электронных и магнитных свойств

56

АСМ-изображение а) пленки на поверхности кремния, полученной из лиозоля нанографитов в этаноле, б) трубчатых углеродных структур (нанотруб), произрастающих из нанографитовой пленки на поверхности кремния и в) кристаллической углеродной структуры, сформировавшейся вместе с пленкой нанографитов на поверхности кремния

Предложена и реализована принципиально новая, простая и дешевая методика выращивания пленочных структур нанографитов с преимущественно зигзагообразными краями, перспективных для создания элементов оптоэлектроники, работающих на новых физических принципах, с использованием в качестве исходного нанографитового сырья активированных углеродных материалов. Найдены способы модифицирования активированных углеродных материалов и режимы выращивания нанографитовых плёнок, при которых в составе плёнки формируются наноразмерные углеродные структуры определенного типа.

Предложения по развитию Программы

57

Целевая комплексная программа фундаментальных научных

исследований ДВО РАН на период 2013–2017 г.г.

«Функциональные наноматериалы и наноструктуры на основе биогенных, биомиметических и синтетических комплексов и систем»

Цель Программы:• Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре

и свойствах наноматериалов, достижение на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках, получение новых материалов, развитие инновационной активности ДВО РАН в области нанотехнологий и наноматериалов, в том числе:

• Активизация междисциплинарных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов с целью консолидации научных, технических и человеческих ресурсов ДВО РАН и региона на прорывных направлениях технологического развития России и ее Дальневосточного региона;

• Выявление и поддержка перспективных поисковых исследований в области нанотехнологий и наноматериалов в ДВО РАН с учетом региональной специфики.

58

Благодарю за внимание!

59

Владивосток Март 2013 г

Documents