Nanomeeting

 
 

Вход

Личные сообщения

Вы не авторизованы.

RSS-лента

 Хотите первыми получать новости с сайта NanoPlatfom.by? Это очень просто. Подпишитесь на RSS ленту. 

Подписаться на новости NanoPlatform.By

Литература

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - 2011 Микроэлектроника

Ссылки

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - internatiol conference Национальная академия наук Беларуси Государственный комитет по науке и технологиям ВАК - Высшая аттестационная комиссия

Достижения белорусских ученых, представляющие интерес для практического освоения в Республике Беларусь

2.3. Достижения белорусских ученых, представляющие интерес для практического освоения в Республике Беларусь

Белорусские ученые выполняют научные исследования по многим направлениям развития нанотехнологий и создания наноматериалов, как самостоятельно, так и в рамках международного сотрудничества. Наиболее полный перечень этих работ содержится в Государственных программах научных исследований  “Нанотех”, “Конвергенция”, “Электроника”.  В данном разделе с учетом мировых тенденций представлены наиболее продвинутые наработки, представляющие интерес для практического освоения в традиционных секторах экономики Беларуси. Отдельно показано состояние дел с подготовкой инженерных и научных кадров.

2.3.1. Электроника

Индустриально развитые страны мира связывают начало ХХ века с построением общества, основанного на знаниях (Knowledge Based Society). В этом обществе  все возрастающую роль играют информационные технологии. Их технической основой являются последние достижения электроники, среди которых как новые разработки в области традиционной микроэлектроники, так и бурно развивающиеся наноэлектроника [1] и спинтроника [2].

Микроэлектроника последние 40 лет отличалась высокими темпами развития, обусловленными способностью экспоненциально сокращать минимальный размер компонентов интегральных микросхем (ИМС).

Тенденции развития современной микро-, нано- и функциональной электроники отражены в перечне приоритетных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований Республики Беларусь на 2011 – 2015 годы, утвержденном Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 19.04.2010 № 585. В который, в частности, включены следующие направления: 6.2. новые оптические, волоконно-оптические и нелинейно-оптические компоненты, материалы и покрытия, новые материалы для приборов функциональной микро-, опто-, нано- и СВЧ-электроники; 6.7. научные основы создания и функционирования оптико-электронных микросистем, устройств молекулярной электроники и кремниевой фотоники, электронных и оптических систем обработки информации на спиновых эффектах; нанотехнологии, наноструктуры и наноматериалы в электронике, оптике, оптоэлектронике; 6.8. физические процессы в эпитаксиальных многослойных структурах, тонких полупроводниковых и диэлектрических пленках, на границах раздела между слоями и технологии создания таких структур; 6.9. принципы схемотехнического построения и технологии создания интегральных, в том числе трехмерных, микросхем, устройств функциональной и СВЧ-электроники, опто- и микроэлектромеханических систем, светодиодных и фоточувствительных приборов, высокоэффективных солнечных элементов.

Традиционной тенденцией в развитии электроники и ее основной современной составляющей – микроэлектроники, является постоянное уменьшение размеров элементов интегральных микросхем, что позволяет увеличивать их информационную мощность и повышать быстродействие. В США и Японии уже выпускаются интегральные микросхемы с размерами элементов с размерами порядка 10 нм, что потребовало инвестиций в размере нескольких миллиардов долларов. Создание таких производств в Беларуси представляется экономически невозможным, хотя научные наработки в данном направлении имеются в БГУИР и БГУ. Реальным же является использование различных наноматериалов и нанотехнологий для существенного увеличения функциональных возможностей кремниевых ИМС при необязательной их миниатюризации до предельных размеров. Кроме этого, значительные перспективы представляют различные датчики, рабочие характеристики которых существенно улучшаются при использовании в них наноструктурированных материалов. Учеными Беларуси создан существенный задел и предложены оригинальные инженерные решения в данных направлениях. Наиболее интересные с прикладной точки зрения результаты получены в 2006-2010 гг. при выполнении заданий подпрограммы «Наноэлектроника и Микросистемы» Государственной программы научных исследований «Нанотех»:


Шифр задания

Наименование задания

Исполнители

4.01

Исследование свойств упорядоченных решеток центров окраски вблизи наноструктурированных алмазных поверхностей для целей создания твердотельных квантовых компьютеров, биосенсоров и источников одиночных фотонов для квантовой криптографии

Институт физики,
ИФОХ

д.ф.-м.н.
Kилин С.Я.

к.ф.-м.н.
Пушкарчук А.Л.

4.02

Разработка и исследование процессов формирования нанокластеров и квантовых точек методом ионной имплантации и направленной перестройки их при высокоэнергетическом ионном облучении для систем оптоэлектроники

НИИПФП

д.ф.-м.н.
Комаров А.Ф.

4.04

Разработка методов получения и исследование массивов унифицированных углеродных нанотрубок и органических молекулярных кристаллитов, а также суспензий на их основе, для коммерческого использования и приложения в области создания нанотранзисторов, автоэмиссионных дисплеев, солнечных батарей, газо-, хемо-, биосенсоров и топливных элементов

БГУИР, РЦПЧ,
БГУ

ак. НАНБ
Лабунов В.А.,

чл.-к. НАНБ
Комаров Ф.Ф.

к.х.н.
Матвеенцева М.С.

4.05

Разработка композитных наноструктур и элементов устройств на их основе для информационных технологий биомедицины

БГУ, БГУИР, ФТИ

к.т.н.
Драпеза А.И.,
чл.-к. НАНБ
Черенкевич С.Н.
к.т.н.
Воробьева А.И.,
к.т.н.
Обухов В.Е.

4.06

Разработка методов создания и исследование многоуровневых солнечных элементов на основе наноструктурированных органических молекулярных кристаллитов и углеродных компонент

Институт физики,
БГУИР

д.ф.-м.н.
Филиппов В.В.
ак. НАНБ
Лабунов В.А.

4.07

Исследование процессов получения кремниевых нанотрубок и наноструктурированных металлических покрытий в компрессионной плазме с целью создания устройств обработки и отображения информации

БГУИР, Институт физики,
БГУ

д.ф.-м.н.
Квасов Н.Т.,
д.ф.-м.н.
Асташинский В.М.,
д.ф.-м.н.
Углов В.В.

4.08

Разработка радиационно-термических методов формирования примесно-дефектных наноразмерных кластеров в кремнии для регулирования параметров p-n-структур

НПЦ по материаловедению

чл.-к. НАНБ
Коршунов Ф.П.

4.09

Разработка и исследование чувствительных элементов датчиков на основе нано-структурных тонких пленок и нанопористых материалов для медико-биологических и технических применений

ФТИ

к.т.н.
Обухов В.Е.

4.10

Разработка методов и средств реализации технологии резервирования ячеек оперативных запоминающих устройств путем локальной модификации поверхности полупроводников и металлов методами атомно-силовой микроскопии

ОИМ,
ГЦ "Белмикроанализ",

ак. НАНБ
Витязь П.А.

4.11

Новые пассивные усилители яркости для жидкокристаллических дисплеев и индикаторов на основе нанопористого оксида алюминия

Институт физики, БГУИР

чл.-корр. НАНБ
Гапоненко С.В.,
д.т.н.
Сокол В.А.

4.12

Разработка схемотехнических и топологических вариантов, конструкции и технологии изготовления светоизлучающих микродисплеев высокого разрешения на основе нано-структурированных материалов, интеграция их с драйве-рами в одном кремниевом кристалле для использования в персональных видеопроекционных устройствах нового поколения

БГУИР

д.т.н.
Смирнов А.Г.

 

4.13

Создание конструктивно-технологических основ элементной базы 3D механических устройств микро- и наносистем

БГУИР

к.т.н.
Тимошков Ю.В.

4.14

Разработка и исследование пленочных термисторов на основе полупроводниковых нанокомпозиций оксидов вентильных металлов и наночастиц металлов. Синтез массивов периодических проводниковых и диэлектрических наноструктур из двухслойных систем вентильных металлов для интегральных и микроминиатюрных резисторов и конденсаторов с улучшенными характеристиками

БГУИР

к.т.н.
Врублевский И.А.,

к.т.н.
Мозалев А.М.

 

4.15

Разработка и исследование высокоэффективных фото- и бета‑электрических преобразователей энергии на основе наноструктурированного пористого кремния

БГУИР

к.т.н.
Бондаренко В.П.,

4.16

Композиционные наноматериалы и структуры для микроволновой электроники на основе растворосодержащих пористых порошкообразных и органических матриц

БГУИР

д.т.н.
Лыньков Л.М.

4.17

Разработка полевого эмиссионного дисплея на основе регулярных массивов углеродных нанокатодов и пленочных люминофоров в матрицах анодного оксида алюминия

БГУИР

к.т.н.
Горох Г.Г.

4.18

Разработка оптических межсоединений, включающих светоизлучающие, фотоприемные, волноводные структуры на основе наноструктурированных кремния и Аl2O3 и интеграция их с электронными межсоединениями интегральных схем

БГУИР

д.т.н.
Лазарук С.К.

 

4.19

Разработка конструкций, технологических процессов создания и исследования экспериментальных образцов импедансных и акустоэлектронных химических сенсоров на основе массивов модифицированных углеродных нанотрубок

БНТУ, БГУИР

к.ф.-м.н.
Баркалин В.В.,
к.т.н.
Баранов И.Л.

4.20

Разработка фотолюминесцентных устройств формирования и визуализации скрытых изображений на основе наноструктурированных пленок фотонных кристаллов из пористого анодного оксида и синтезированных в порах золь-гель методом пленок ксерогелей, легированных оптически активными ионами

БГУИР

д.ф.-м.н.
Гапоненко Н.В.

 

4.21

Исследование закономерностей протекания процессов горения и взрыва в пленках наноструктурированного пористого кремния и разработка микроактюаторов на основе энергии этих процессов

БГУИР

ак. НАНБ
Лабунов В.А.
д.т.н.
Лазарук С.К.

4.22

Физические и технологические основы формирования токопроводящих, диэлектрических и полупроводниковых пленочных композитных материалов на основе нано- и микроразмерных частиц для создания фотосенсорных и дисплейных устройств

Институт физики

к.т.н.
Трофимов Ю.В.

 

Разработать технологию изготовления кремниевых нанодетекторов сканирующих зондовых микроскопов для их опытного производства

БГУИР

Д.ф.-м.н.
Борисенко В.Е.

Развитие этих работ осуществляется в рамках проектов программы Союзного государства «Нанотехнология- СГ»:

- «Разработать и изготовить вакуумный триод и матрицу на его основе с катодом на базе структурированных углеродных наноторубок» (организация исполнитель – БГУИР, научный руководитель Лабунов В.А.).
- «Разработать технологическую инструкцию и опытные образцы магнитоуправляемых сенсоров на основе наноразмерных гранулированных и мультислойных структур» (организация исполнитель  ГНПО «НПЦ по материаловедению НАН Беларуси; научный руководитель Демьянов С.Е..).
- «Разработать технологию формирования нанострктурных материалов для высокочувствительных химических сенсоров  и гироскопических сенсоров угловых скоростей» (головная организация - исполнитель  БНТУ; научный руководитель Плескачевский Ю.М.).
- «Разработать технологии изготовления сенсоров размеров, формы, температуры, химического и биологического состава микро и нано частиц на основе нанопористых и наноструктурированных пленок с использованием методов оптического микрорезонанса» (организация -исполнитель –БГУ, БГУИР научный руководитель В.А. Саечников)
- «Разработать логистические наноструктурные СВЧ устройства на основе массивов углеродных нанотрубок» (головная организация -исполнитель  НИИЯП БГУ; научный руководитель Карпович В.А.).
- «Разработать и создать источник одиночных фотонов на основе наноразмерного алмаза для спутниковой системы квантовой криптографии» (организация-исполнитель  Институт физики НАН Беларуси; научный руководитель – Килин С.Я.).
- «Разработать волоконнооптические лазерный и фотодиодный модули на основе наноэлектронных гетероструктур для приемопередающих систем сверхмалых космических аппаратов в частотном диапазоне до 30-50 ГГц» (организация-исполнитель  Институт физики НАН Беларуси; научный руководитель Малышев С.А.).
- «Разработать электронно-управляемый миниатюрный матричный реактивный двигатель на базе кремниевой МЭМС технологии» (головная организация-исполнитель – БГУИР, научный руководитель Бондаренко В.П.)
- «Разработать многокристальный микроэлектронный модуль для силовых устройств космической техники на базе микроэлектронной технологии» (головная организация исполнитель – БГУИР. Научный руководитель – Сокол В.А.)
- «Разработать технологическую инструкцию и опытные образцы нанострктурных сенсоров магнитного поля на основе метода треков быстрых тяжелых ионов для применения, в том числе, в изделиях ракетнокосмической техники» (организация-исполнитель - НПЦ по материаловедению НАН Беларуси; научный руководитель Демьянов С.Е.).

Наибольшую практическую перспективу представляют и результаты выполнения в 2006-2010 гг. заданий Государственной программы научных исследований «Электроника»:


Шифр задания

Наименование задания

Исполнители

1.06

Разработка и исследование структур Si/SiO2/Si c двумерными массивами нанокристаллов Ge для энергонезависимых элементов памяти

БГУ, ЗПП НПО
"Интеграл"

д.ф.-м.н.
Гайдук П.И.,
Пшеничный Е.Н.

1.07

Разработка и исследование конструктивных и технологических методов создания новых видов приборов опто- и микроэлектроники на основе тонких пленок нано- и микроструктурированных полупроводниковых материалов и кремния

Институт
электроники

к.т.н.
Кравченко В.М.

1.13

Разработка и исследование процесса формирования кластеров германия в пленках
поликристаллического кремния, легированных германием под новый класс элементов
памяти на МДП-структурах с
диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью

БГУИР, Институт
электроники, БГУИР

к.т.н.
Ковалевский А.А.,
к.ф.-м.н.
Бабушкина Н.В.

1.16

Разработка функциональных элементов микро- и наноэлектроники на основе композиционных материалов металл (полупроводник) – полимер(стекло)

БГУ

д.ф.-м.н.
Оджаев В.Б.

1.19

Исследование фундаментальных закономерностей спин-зависимых электронных
явлений в квантоворазмерных структурах,
разработка и исследование перспективных элементов обработки информации на их основе

БГУИР

д.ф.-м.н.
Борисенко В.Е.

1.20

Разработка физико-технологических принципов формирования наноэлектронных, нанофотонных и спинтронных приборов

БГУИР

д.ф.-м.н.
Гапоненко Н.В.

1.44

Разработка ионно-ассистируемых процессов создания хемофотовольтаических наноструктурированных элементов сенсоров на основе оксидно-металлических гетеропереходов

БГТУ

к.х.н.
Шишкин Н.Я.

3.03

Разработка физико-технологических основ проектирования и изготовления мощных
полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и жидкокристаллических дисплеев высокой яркости с использованием высокоэффективных терморегулирующих микросистем на основе тепловых трубок, изготовление и исследование экспериментальных образцов указанных приборов, проведение апробации в условиях производства и разработка практических рекомендаций их коммерческого применения

БГУИР, ИТМО

д.т.н.
Смирнов А.Г.

4.21

Развитие физических основ и разработка методов и аппаратуры для диагностики наноразмерных гетероструктур в СВЧ диапазоне

НИИЯП БГУ

д.ф.-м.н.
Максименко С.А.

В рамках заданий Государственной программы научных исследований “Нанотех” выполнены следующие перспективные разработки:

- технология получения новых магнитных и магнитоэлектрических нанокомпозиционных материалов для устройств микроэлектроники и спинтроники (Центр по материаловедению НАН Беларуси)
- технология получения кремниевых нанотрубок и наноструктурированных металлических покрытий в компрессионной плазме с целью создания устройств обработки и отображения информации (Институт физики НАН Беларуси, БГУ, БГУИР)
- оригинальные конструкции и технология изготовления пленочных термисторов на основе полупроводниковых нанокомпозиций оксидов вентильных металлов и наночастиц металлов для интегральных и микроминиатюрных резисторов и конденсаторов с улучшенными характеристиками (БГУИР)
- высокоэффективные фото- и бета-электрические миниатюрные источники энергии на основе наноструктурированного пористого кремния (БГУИР)
- композиционные наноматериалы и структуры для микроволновой электроники на основе растворосодержащих пористых порошкообразных и органических матриц  (БГУИР).

Приведенные данные свидетельствуют о значительном научном и практическом заделе белорусских ученых в области использования нанотехнологий и наноматериалов в электронике.

2.3.2. Нанофотоника

Нанофотоника изучает распространение, преобразование, испускание и поглощение электромагнитного излучения в наноструктурах, а также ставит своей целью использовать особенности распространения и взаимодействия электромагнитного излучения оптического и инфракрасного диапазонов с веществом в наноструктурах в технике: от систем связи и преобразования информации до биосенсоров и биочипов, от нано-, микро- и оптоэлектроники до автономных систем диагностики физиологического состояния человека и лечения на молекулярном уровне [3]. В основе нанофотоники лежат несколько глубоких физических явлений и эффектов, которые обусловили формирование и выделение этой междисциплинарной области в самостоятельное крупное направление современной науки и техники. К ним относятся квантовые размерные эффекты в твердотельных наноструктурах и наночастицах размером несколько нанометров, локализация и концентрация электромагнитного излучения, изменение вероятности квантовых переходов в условиях пространственного ограничения электромагнитных волн. В настоящее время нанофотоника как область науки уже достигла такого уровня развития, что внутри нее сформированы и интенсивно развиваются самостоятельные области исследований (наноплазмоника, наносенсорика, метаматериалы, молекулярная оптоэлектроника). Ожидается, что развитие нанофотоники приведет в ближайшие десятилетия к созданию оптической микро-схемотехники, микро- и нанолазеров, новых функциональных материалов и компонентов для различных областей применения, эффективных источников и детекторов излучения, люминофоров, биосенсоров и биочипов. Исследования и разработки по нанофотонике развиваются во всех странах с развитой экономикой, а также в России, Китае, Индии и Бразилии. По оценкам специалистов в будущем развитие нанофотоники по масштабам долговременного технологического и социального воздействия может быть сравнимо с влиянием полупроводниковой электроники на технологический прогресс и повышение качества жизни. Важно создать условия для превращения результатов фундаментальных исследований в прикладные исследования, разработки и промышленную коммерциализацию.

Уровень исследований, проводимых в Беларуси, по отдельным направлениям нанофотоники соответствует мировому, о чем свидетельствует финансирование проектов с участием белорусских ученых в 6 Рамочной программе Евросоюза и МНТЦ. По данным организации Tomson Scientific по совокупному цитированию в области нанокристаллов Беларусь занимает 20-е, а в области фотоники – 16-е место в мире, несмотря на относительно невысокую численность специалистов в этих областях по сравнению с другими странами. По средней цитируемости одной статьи в области «фотоника» Беларусь занимает второе место в мире после Канады [4]. Наличие в Беларуси сильных научных школ в области материаловедения, фотобиофизики, радиофизики   позволяет, в принципе, довести до мирового уровня исследования по всем разрабатываемым в Беларуси разделам нанофотоники при соответствующей финансовой  и организационной поддержке. 

Белорусскими учеными систематически исследованы оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов, что позволило перейти от фундаментальных исследований к прикладным, направленным на получение новых оптических материалов, компонентов лазерной техники, биомаркеров и биочипов. Эти исследования получили развитие в НАН Беларуси (Ин-т физики им. Б. И.Степанова – член-корреспондент С. В. Гапоненко с сотр., проф. Э.И. Зенькевич с сотр.), в БГУ (НИИ физико-химических проблем – М. В. Артемьев с сотр., НИИ ядерных проблем – проф. С. А. Максименко с сотр.), в БНТУ (Ин-т оптических материалов и технологий – проф. К. В. Юмашев с сотр.), в Гродненском госуниверситете им. Я. Купалы (ГрГУ, проф. С. А. Маскевич с сотр.). Одновременно разрабатываются новые методы получения наночастиц и других наноструктур с использованием лазерно-плазменных процессов (д. ф.-м. н. Н. В. Тарасенко, д. ф.-м. н. В. М. Асташинский, к. ф.-м. н. И. П. Смягликов с сотр.).

Белорусские ученые активно участвуют в исследовании и создании структур, обозначаемых сегодня ключевым словом «фотонный кристалл», которое подразумевает структуризацию вещества на масштабе длины световой волны с целью получения новых оптических свойств. В Институте физики им. Б.И. Степанова совместно с НИИ порошковой металлургии были предложены методы получения диэлектрических наноструктур с трехмерной периодичностью на основе коллоидных кристаллов (С. В. Гапоненко с сотр.), в БГУИР – методы получения структур с двумерной периодичностью с использованием электрохимических процессов и одновременно разработаны методы «встраивания» люминофоров в такие структуры, что важно не только для проведения фундаментальных исследований взаимодействия света и вещества, но и для практического применения наноструктур в дисплеях, источниках и преобразователях света (проф. В. А. Сокол, д. ф.-м. н. Н. В. Гапоненко с сотр.).

В исследованиях взаимодействия излучения и вещества особое место занимает изучение динамики квантовых переходов в фотонных кристаллах. В Институте физики НАНБ построена последовательная квантово-электродинамическая теория испускания света в фотонных кристаллах (проф. С. Я. Килин, д. ф.-м. н. Д. С. Могилевцев), выполнены экспериментальные исследования динамики квантовых переходов в фотонно-кристаллических коллоидных структурах, разрабатывается теория резонансного и комбинационного рассеяния света в наноструктрах. Среди теоретических исследований следует также отметить построение в БГУ теории сложных неоднородных сред и фотонно-кристаллических волноводов (проф. Л. М. Барковский, д. ф.-м. н. А. В. Лавриненко, д. ф.-м. н. Г. Н. Борздов, д. ф.-м. н. С.Н. Курилкина), позволяющих манипулировать световыми потоками в микроустройствах, разработку в ИМАФ НАНБ теории распространения излучения в упорядоченных дисперсных средах с учетом многократного рассеяния и интерференции рассеянных волн (А. Н. Понявина с сотр.).

Развитие концепции фотонных кристаллов оказало влияние и на такую традиционную для прикладной оптики область как оптика тонких пленок и слоистых сред. В последние годы предложен и реализован метод создания планарных широкоугольных диэлектрических зеркал (Белгосуниверситет, А. В. Лавриненко, Д. Н. Чигрин, и Национальная академия наук – С.В. Гапоненко, Д.А. Яроцкий), разработана теория распространения волн в средах с фрактальной геометрией (БГУ-ИМАФ), оптимизированы методы создания тонко-пленочных нелинейно-оптических элементов (академик А. П. Войтович с сотр., Ин-т физи-ки, д. ф.-м. н. А. В. Хомченко с сотр., Институт прикладной оптики НАНБ). Начаты систематические исследования сверхбыстрых процессов в наноструктурах с фемтосекундным временным разрешением (д. ф.-м. н. С. А. Тихомиров с сотр., Институт физики им. Б. И. Степанова НАНБ).

В современной нанофотонике значительное место занимает целенаправленное исследование оптических процессов в металло-диэлектрических наноструктурах. Такие наноструктуры позволяют локально сформировать гигантское электромагнитное поле из-за размерно-зависимых плазмонных резонансов в металлических наночастицах и возбуждения поверхностных плазмонных мод. В ГрГУ проф. С. А. Маскевичем с сотр. разработаны практические методы создания активных металло-диэлектрических наноструктур, в которых интенсивность комбинационного рассеяния света увеличивается на несколько порядков. К. ф.-м. н. Д. В. Гузатовым (Отдел проблем ресурсосбережения НАН Беларуси в г. Гродно) построена теория испускания света квантовыми объектами вблизи металлических наночастиц. Это имеет важное прикладное значение для высокочувствительного спектрального анализа в экологических, медицинских и биологических исследованиях.

Одновременно с исследованиями в области нанофотоники, в БГУ получили развитие работы в области ядерной оптики, связанные с изучением электромагнитного излучения рентгеновского диапазона в сложных структурах на атомном пространственном масштабе (проф. В. Г. Барышевский, проф. И. Д. Феранчук, проф. В. А. Тихомиров).

Имеется и первый опыт коммерциализации разработок в области нанофотоники, который успешно реализует “Центр светодиодных и оптоэлектронных технологий ” НАН Беларуси (руководитель д.ф.-м.н. Ю. В. Трофимов). В 2011 г. в свободной экономической зоне “Брест” начало работу новое предприятие по производству солнечных кремниевых элементов – ООО “Солар-групп” –  с производительностью около 1 млн. элементов в год.

2.3.3. Производство машин и приборов

Нанотехнологии в машиностроительном комплексе Республики Беларусь могут быть внедрены посредством использования новых материалов, созданных с использованием нанотехнологий. В этом качестве поле приложений наноматериалов практически неограниченно. Так, основные проблемы, связанные с материалами в машиностроении Беларуси связаны с их длительной прочностью и сопротивлением разрушению при различных условиях эксплуатации. Поэтому актуальной проблемой является создание материалов, обладающих свойством восстановления свойств, нарушенных или изменённых при внешних воздействиях (self-healing materials).
В настоящее время рассматриваются две основные технологии самозалечивания:

  • автоматическая (без дополнительных действий агента)
  • не автоматическая (нужны дополнительные действия).

Исходя из условий предметной области, более рациональной представляется первая технология, автоматическая. В настоящее время её предлагается решать двумя методами: метод капсулирования и использование  внедрённых актюаторов.

В рамках метода капсулирования в объёме материала при изготовлении создаются области (капсулы) с реагентами, залечивающими возможные микротрещины, например полимерами. Недостатком данного метода является ограниченность циклов применения. Принципиально данный материал может работать в режиме самозалечивания до тех пор, пока в объёме остаются не активированные капсулы с агентом или катализатором. Ещё один недостаток метода - малая скорость работы (восстановления материала). В то же время, метод и идеология имеют принципиально громадную область применения в полимерных компонентах машин – трубопроводы, пары трения, демпферные элементы, которые в настоящее время являются принципиально слабым местом белорусского машиностроительного комплекса. В лучших образцах белорусской техники сейчас используются импортные узлы и комплектующие, что вызывает дополнительные валютные расходы. Для такого рода деталей, в которых разрушение осуществляется путём роста повреждённости малая скорость реакции не является критической.

Для предотвращения разрушения неполимерных материалов и их самовосстановления на уровне теоретических и лабораторных исследований используются иные методы. Это может быть введение поверхностных структур со специальными свойствами для залечивания поверхностных трещин или управление траекторией трещины. В случае управления траекторией наиболее перспективным является использование пьезомеханических актюаторов. При этом наличие электромагнитного поля в объёме материала позволяет воздействовать на поведение траектории трещины. Работы в этом направлении ведутся в БНТУ.
 Технологии внедрения в материал макроскопических пьезоэлектрических актюаторов достаточно хорошо разработаны. На основании развиваемых в настоящее время технологий манипулирования отдельными атомами необходима разработка технологий создания поля микроскопических актюаторов заданной конфигурации и с заданными рабочими характеристиками (микроскопических интеллектуальных актюаторов, МИА).

В качестве сигнала управления для работы МИА возможно использовать электромагнитное излучение, возникающее при развитии трещины. Известно, что возникающий при разрушении «квази-белый шум» зависит от модулей упругости материала, что позволяет реализовывать программируемое функционирование МИА.

К сожалению, несмотря на существующий начальный теоретический задел, реальных технических образцов, готовых к внедрению, в области машиностроения в Республике Беларусь не имеется. Исправить ситуацию и в достаточно обозримой перспективе перейти к коммерческой эксплуатации научной продукции возможно только при условии принципиального изменения общего подхода к управлению инвестициями в области науки республики, созданием центров роста и венчурных капиталов.

В области производства и ремонта машин агропромышленного комплекса наиболее перспективным направлением является разработка технологических основ восстановления и упрочнения быстроизнашивающихся деталей машин агропромышленного производства путем формирования износостойких наноструктурных поверхностных слоев и покрытий, в том числе, в результате термической обработки, газотермическим напылением и индукционной наплавкой износостойких нанокомпозиционных металлических порошков, нанесением износостойких нанокомпозиционных покрытий под действием электромагнитного поля.

Работы в данных направлениях проводятся в Белорусском государственном аграрном техническом университете (восстановление и упрочнение деталей машин термической обработкой; к.т.н. Бетеня Г.Ф.), в Институте порошковой металлургии НАНБ (разработка методов улучшения эксплуатационных свойств композиционных износостойких и биокерамических покрытий, полученных газотермическим напылением, при их обработке компрессионными плазменными потоками, а также разработка композиционных и плакированных карбидосодержащих порошков для нанесения износостойких газотермических покрытий; чл.-к. НАНБ Ильющенко А.Ф.); в Белорусском национальном техническом университете (разработка способов упрочнения быстроизнашивающихся деталей почвообрабатывающих машин регулированием структурной наследственности в процессе индукционной наплавки композиционных металлических порошков; д.т.н. Константинов В.М.; создание гетерогенных износостойких материалов системы железо – карбиды, бориды металлов электрохимическим осаждением; разработка технологии получения износостойких многокомпонентных покрытий высокоэнергетическим воздействием электромагнитного поля концентрированного магнитно-электрического потока на самофлюсующиеся ферромагнитные диффузионнолегированные порошки; чл.-к. НАНБ Пантелеенко Ф.И.).

Развитие новых научных направлений потребовало создания нового класса диагностических и технологических приборов, способных работать на наноуровне. Возникла такая инновационная востребованность и в нашей стране, в частности в Институте механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси для экспериментального подтверждения новой модели контакта с учетом микро- и наношероховатости поверхностей твердых тел, развитой в монографии — первой в мировой практике публикации в области механики шероховатого контакта с учетом составляющей молекулярного масштаба [5]. Проявился интерес к «задачам наноуровня» и в БГУ, и в Объединенном институте физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси. В отдел трибологии ИММС и лабораторию атомно-молекулярной инженерии БГУ в 1987 г. приобрели первые сканирующие туннельные микроскопы советского производства. Но они были несовершенны, а западные очень дороги. В ИММС (С.А Чижик, В.В. Горбунов, А.М. Дубравин) возникла идея разработки белорусских зондовых приборов. И в 1994 г. появился первый опытно-промышленный образец отечественного сканирующего атомно-силового микроскопа модели «Нанотоп» [6]. Опыт оказался удачным. Ныне сканирующие зондовые микроскопы разрабатывают и изготавливают в кооперации лаборатория нанопроцессов и нанотехнологий Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси и ОДО «Микротестмашины» . В развитии метода и производстве оборудования СЗМ участвуют также отечественные НПО «Планар» и «Интеграл», НПРУП «ЛЭМТ».

Сегодня в Республике Беларусь используются десятки приборов серий «Нанотоп» и «Нанотестер» отечественного производства, реализующих методики СЗМ. Метод внедрен во многих лабораториях институтов НАН Беларуси, в вузах, в заводских лабораториях НПО «Интеграл», ПО «Белкард». Наши приборы поставлялись и за рубеж — в Россию, Украину, Казахстан, Азербайджан, Польшу, Литву, Словению, Румынию, Францию, Китай, Индию, Южную Корею, Саудовскую Аравию.

Современные тенденции к совершенствованию методов контроля в нанометровом масштабе требуют адаптации СЗМ-оборудования в зависимости от областей приложения. УП «КБТМ ИТЦ» НПО «Планар» (дир. А.Н. Рогожник, гл. инж. С.П. Басалаев) в сотрудничестве с ИТМО НАН Беларуси (зав. лаборатории С.А. Чижик, В.В. Чикунов, С.В. Сыроежкин) и ОДО «Микротестмашины» (дир. А.А. Суслов, Д.И. Шашолко) разработан и изготовлен диагностический комплекс, совмещающий самые передовые методики оптической микроскопии и функции сканирующей зондовой микроскопии для измерений субмикронных элементов в электронике, который проходит испытания на НПО «Интеграл» (В.А. Пилипенко, Т.В. Петлицкая). Комплекс позволяет работать с кремниевыми пластинами диаметром 200 мм и будет включать их автоматический загрузчик.

Для изучения биологических объектов ИТМО НАН Беларуси совместно с НПРУП «ЛЭМТ» (дир. А.П. Шкадаревич) создали в рамках ГНТП «Научные приборы» экспериментальный комплекс с функциями сканирующей зондовой и оптической микроскопии. Входящая в его комплектацию специализированная оптическая система дает возможность визуализировать биологические клетки, осуществлять их выбор для анализа и позиционирование зонда в микромасштабе, включая работу в жидкостной ячейке.

Успешно проводится комплекс исследований специалистами БГУИР (Е. В. Борисенко) и НПО «Интеграл» по разработке зондов АСМ с использованием планарных технологий. Проводятся изыскания по освоению производства АСМ-зондов. В ИТМО НАН Беларуси разработана технология модифицирования кремниевых острий коммерческих зондов единичной нанотрубкой и моделирование численными методами молекулярной динамики процессов их контактирования с образцом. Кроме того, идут работы по созданию острий зондов на базе природных и синтетических алмазов.

В кооперации Института физики (В.М. Ясинский) и ИТМО НАН Беларуси завершен проект по созданию первого отечественного сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа, в ходе которой была создана модификация АСМ, на базе камертонного датчика, реализующая сканирование в динамическом режиме латеральных сил.

Учеными ИТМО НАН Беларуси (коллектив под рук. чл.-корр. С.А. Чижика) выполнен ряд разработок оборудования и методик на основе АСМ, которые позволят в будущем контролировать нанослои и нанообъекты, в т.ч.  в области микроэлектроники, материаловедения и биоинженерии. Среди них следующие разработки: методы статической и динамической силовой спектроскопии, неразрушающей нанотомографии, осциллирующей нанотрибометрии, технологи мембранно-капиллярного транспорта для модифицирования острия зонда. Активно разрабатываются модели микро-, наноиндентирования материалов с использованием АСМ (Т.А. Кузнецова, А.Л. Худолей). Разрабатывается теория динамического режима АСМ (С.О. Абетковская). Создаются методы клеточной эластографии (Е.С. Дрозд).

Совместно с ИПФ НАН Беларуси (рук. В.А. Рудницкий, А.П. Крень) создан и запатентован новый метод для определения вязкости и модуля упругости, тангенса угла механических потерь и времени релаксации полимерных и биологических материалов. Научная новизна заключается в одновременном определении коэффициента вязкости и модуля упругости индентированием при различных скоростях нагружения. Метод предназначен для исследований с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ).

Разработано устройство на базе АСМ для измерения вязкости в тонких слоях. Устройство реализовано при выполнении контракта с Морским университетом г. Гдыня (Польша).

Разработаны оптическая система для анализа живых клеток методом оптической микроскопии и системы сканирования АСМ-модуля, экспериментальный образец комплекса – миниатюрного биореактора, изготовлены АСМ-модуль сканирования и блок электроники управления. Выполняется проект по созданию комплекса миниатюрный биореактор - оптический микроскоп – атомно-силовой микроскоп и соответствующее программное обеспечении для долгосрочного анализа живых клеток (С.А. Чижик, Е.С. Дрозд, О.В. Квитко, Я.И. Шейко, С.В. Сыроежкин, В.М. Артемьев). Разработаны методы получения клеточных культур, адаптированных для выращивания в миниатюрном биореакторе.

Вместе со специалистами БелГИМ (А. Е. Демидова) выполнен проект по нанометрологии на базе АСМ.

Совместно со специалистами ОДО "Микротестмашины" и ГНУ «Институт химии новых материалов НАН Беларуси» (В.Е. Агабеков, Г.К. Жавнерко) создана автоматизированная экспериментальная установка по формированию мультимолекулярных слоев и пленок. Установка позволяет модифицировать поверхность, изменяя ее свойства (оптические, электрические и другие), создавать изолирующие и проводящие ультратонкие пленки, защитные покрытия и другие элементы молекулярной электроники как на твердой поверхности, так и на гибкой полимерной основе. Инновация позволит разрабатывать новые подходы формирования композиционных структур с заданными свойствами (износоустойчивостью, проводимостью, намагниченностью) для создания современных биосенсоров, биомаркеров и микрокапсул для медицины.

2.3.4. Текстильное и швейное производство

Специалисты Витебского государственного технологического университета (ВГТУ) разрабатывают специальные текстильные материалы с нанопокрытием из металлов, которое придает различные свойства тканям (к.т.н. Е. Замостоцкий). В основу исследовательской работы положены уникальные свойства металлических наноматериалов, обеспечивающих тканям заданные свойства. Так, при нанесении нанопокрытия из диоксида титана можно достигнуть фотокаталитического эффекта - поверхность текстиля с таким нанопокрытием начинает. Ткань после нанесения покрытия свободно пропускает воздух. Покрытие устойчиво к длительному трению, не портится от температуры и стирки.

Наночастицы металлов также обладают рядом уникальных свойств, среди которых особый интерес представляет способность нанопокрытия отражать инфракрасное излучение. В ходе исследований удалось получить образцы восьми видов тканей с нанопокрытием из металлов, в том числе из меди, алюминия, нержавеющей стали, продолжаются работы с нанопокрытием из оксида цинка и диоксида титана. Специалисты витебского вуза работают с тремя свойствами новых материалов - антистатическим, экранирующим и антибактериальным, прорабатывают возможность их применения.

Наночастицы алюминия, серебра, меди или нержавеющей стали магнетронным вакуумным напылением наносятся на ткани – и они приобретают качественно новые свойства: антистатические, экранирующие электромагнитные излучения и другие. Таким способом в сотрудничестве с могилевским ООО «Лента» получен бактерицидный материал с серебряным покрытием – для производства бинтов. В ОАО «Витебские ковры» выпущена большая партия ковровых дорожек с антистатическим эффектом, предназначенных для поездов и авиалайнеров. На витебском комбинате шелковых тканей производятся ткани с экранирующим эффектом.

Разработка, посвященная эффекту защиты спецодежды от инфракрасного излучения, пригодится могилевскому «Моготексу». Есть первые результаты по достижению антистатического эффекта для фильтровальных тканей.  При участии ученых из Витебской академии ветеринарной медицины успешно разрабатываются новые перевязочные материалы для животных.

Исследовательские работы сотрудников ВГТУ в области нанотехнологий проводятся под руководством доктора технических наук, профессора А. Когана по заданию концерна "Беллегпром".

2.3.5. Агропромышленный комплекс и биотехнологии

Одним из приоритетных направлений государственной экономической политики Республики Беларусь является инновационное развитие производственной сферы на основе применения современных достижений научно-технологического прогресса. В настоящее время, в связи с наметившимися долгосрочными тенденциями роста цен на продукты питания при одновременном росте спроса на них в мире, особую актуальность приобретает активизация инновационной деятельности в АПК как необходимое условие обеспечения не только продовольственной безопасности государства, но и повышения государственного дохода в результате увеличения объема экспорта продуктов питания.

Одним из ключевых подходов к решению данной проблемы является развитие агропромышленного производства на основе новых высоких технологий, в том числе нанотехнологии. Однако до сих пор нанотехнологии не получили широкого распространения в АПК, что объясняется, прежде всего, недостаточно полной изученностью закономерностей наномасштабных физических, химических и биологических процессов, лежащих в их основе. Сложность развития нанотехнологий в АПК в значительной мере обусловлена большим разнообразием технологических подходов к решению проблем агропромышленного производства в силу его многоотраслевой структуры. Это, в свою очередь, требует организации научных исследований и технологических разработок в условиях тесного взаимодействия нанотехнологов, аграриев и пищевиков. Серьезным барьером, сдерживающим применение нанотехнологий в АПК, является недостаточно до сих пор исследованная токсикологическая опасность ряда наноматериалов и, соответственно, связанных с их применением производственных процессов и готовой продукции, прежде всего, в сфере продовольствия.

Для создания научных и практических основ для высокоэффективного развития АПК на основе нанотехнологий Беларуси необходима концентрация усилий специалистов разных профилей в решении соответствующих научно-технологических задач с ориентацией на конкретные потребности предприятий АПК.

Тем не менее, на сегодняшний день, на основании анализа результатов исследований и разработок научных учреждений в агропромышленной сфере, а также с учетом специфики деятельности агропромышленных предприятий, можно сделать вывод о наличии значительной научно-производственной базы, позволяющей существенно активизировать нанотехнологическое развитие АПК республики. Ниже, приведен перечень наиболее перспективных направлений развития нанотехнологий в АПК Республики Беларусь на ближайшие годы. Данные направления получили принципиальное одобрение со стороны руководства и специалистов Минсельхозпрода РБ.

В области растениеводства следует считать перспективными следующие направления:

1. Разработка наноструктурных форм композиций на основе питательных веществ, регуляторов роста и пестицидов, в том числе: разработка нанодисперсных форм композиций на основе пестицидов, их синергистов и антагонистов, элиситоров для инкрустации семян; разработка нанодисперсных форм композиций на основе регуляторов роста и пестицидов для инкрустации семян и некорневой подкормки растений; разработка нанокапсулированных форм композиций на основе пестицидов с использованием циклодекстринов.

Работы в данных направлениях проводятся в Институте экспериментальной ботаники НАНБ (разработка композиций для инкрустации семян на основе пестицидов, их синергистов и антагонистов, элиситоров с использованием поливинилацетатов в качестве пленкообразователей с целью повышения устойчивости растений к болезням, вредителям и глифосатсодержащим гербицидам; ак. НАНБ Ламан Н.А.); в Белорусской государственной сельскохозяйственной академии (разработка энергосберегающих приемов применения новых отечественных регуляторов роста растений эпина и гомобрассинолида в сочетании с пестицидами, макро- и микроэлементами для льна масличного с целью повышения урожайности и качества продукции, устойчивости к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды, в частности, изучение влияния доз эпина и гомобрассинолида при инкрустировании семян, а также доз и сроков их применения при некорневых подкормках в ранние фазы развития в сочетании с комплексонатами микроэлементов традиционными средствами химической защиты растений на урожайность и качество льна масличного, устойчивость его к стрессовым условиям произрастания; д.с.-х.н. Кукреш С.П.); в Институте биоорганической химии НАНБ и БГУ (разработка новых препаративных форм пестицидов на базе наноструктур, в частности, создание композиций с использованием индивидуальных α,β,γ-циклодекстринов; получение сополимеров α,β,γ-циклодекстринов с эпихлоргидрином и комплексов с хитозаном; модификация промышленно производимых (смесей) циклодекстринов эпихлоргидрином и хитозаном; д.х.н. Киселев П.А., к.б.н. Курченко В.П.).

2. Разработка биочипов для контроля состояния растущих сельскохозяйственных растений.

Работа в этом направлении ведется в Институте биофизики и клеточной инженерии НАНБ (разработка комплекса методов регистрации физиологического состояния растения с целью создания биочипа для контроля за формированием урожая растений в полевых условиях; к.б.н. Доманский В.П.).

3. Разработка технологических основ выращивания овощных культур в теплицах со стеклами с фотокаталитическим нанопокрытием из диоксида титана.

Промышленное нанесение диоксид-титановых покрытий на стекла различных типоразмеров осуществляется в ООО «Элком». Практическое применение стекол с такими покрытиями представляет интерес для специалистов Белорусского государственного аграрного технического университета и Института овощеводства НАНБ, занимающихся исследованием проблем развития тепличного овощного хозяйства.

В области животноводства и ветеринарии к перспективным направлениям относятся следующие:

1. Разработка наносуспензионных кормовых добавок с повышенными питательными и лечебными свойствами.

Работа в этом направлении выполняется в НПЦ по животноводству НАНБ, Гродненском государственном аграрном университете, Белорусской государственной сельскохозяйственной академии (разработка способов получения конкурентоспособных экологически безопасных препаратов и кормовых добавок на основе местных источников сырья, установление их эффективности в кормлении сельскохозяйственных животных; д.с.-х.н. Радчиков В.Ф. и др.).

2. Разработка наносуспензионных ветеринарных препаратов с повышенным антидотным эффектом на основе нанодисперсных сорбентов (активированных углей, глин, алмазов), а также разработка наноэмульсионных вакцин с повышенной биоактивностью для сельскохозяйственных животных.

Работа в этих направлениях проводится в Институте экспериментальной ветеринарии НАНБ, где, в частности, выпускаются противопаразитарные препараты; лечебно-профилактические препараты и стимуляторы иммунной системы животных; диагностические тест-системы, а также широкая гамма вакцин для профилактики и лечения вирусных и бактериальных болезней животных (д.в.н. Лысенко А.П.).

3. Разработка наноструктурных форм ветеринарных препаратов с повышенной биодоступностью на основе использования супрамолекулярных ассоциатов.

Работа в этом направлении выполняется в Витебском государственном университете им. П.М. Машерова (д.б.н. Чиркин А.А.) и в ООО «Рубикон», имеющем многолетний опыт в производстве разнообразных ветеринарных препаратов, в том числе на основе соединений включения.

4. Разработка и внедрение в производство перевязочных материалов для ветеринарии с покрытием из наночастиц металлов (меди, серебра, цинка, железа). Работа в данном направлении проводится учеными УО “Витебская ордена “Знак почета” государственная академия ветеринарной медицины” и УО “Витебский государственный технологический университет”. Руководит ими кардидат ветеринарных наук, доцент кафедры хирургии УО “Витебская ордена “Знак почета” государственная академия ветеринарной медицины” В. А. Журба.

В области пищевой промышленности перспективными являются следующие направления:

1. Разработка нанодисперсных форм пищевых добавок.

Развитие работ в данном направлении представляет интерес для НПЦ по продовольствию НАНБ, где ведутся фундаментальные и прикладные научные исследования, направленные на создание конкурентоспособных продуктов здорового питания, освоение и внедрение новых технологий глубокой переработки продукции растениеводства и животноводства, модернизацию и разработку технологического оборудования для пищевой промышленности.

2. Разработка керамических нанопористых мембранных фильтров для ультрафильтрации жидкостей при производстве пищевых продуктов.

Работа в этом направлении осуществляется в Институте порошковой металлургии НАНБ (разработка научных принципов получения асимметричных керамических мембранных фильтров с нанопористой структурой мембранного слоя; ак. НАНБ Витязь П.А.).

3. Разработка нанокомпозиционной упаковки с улучшенными механическими, барьерными и антимикробными свойствами для пищевых продуктов.

Работа в этом направлении выполняется в Научно-исследовательском центре проблем ресурсосбережения НАНБ (разработка технологии модификации химических волокон и полимерных композиций; ак. Свириденок А.И.); в Белорусском государственном технологическом университете (получение, свойства и применение новых полимерных композиционных материалов на основе целлюлозы; изучение влияния условий изготовления тароупаковочных видов бумаги и картона на их гидрофобность, прочность и влагопрочность; к.т.н. Черная Н.В.); в Институте механики металлополимерных систем НАНБ (разработка технологии получения биоразлагаемой упаковки на основе композиций полиолефинов и природных полисахаридов; д.т.н. Пинчук Л.С.).

В области производства и ремонта машин агропромышленного производства наиболее перспективным направлением является разработка технологических основ восстановления и упрочнения быстроизнашивающихся деталей машин агропромышленного производства путем формирования износостойких наноструктурных поверхностных слоев и покрытий, в том числе, в результате термической обработки, газотермическим напылением и индукционной наплавкой износостойких нанокомпозиционных металлических порошков, нанесением износостойких нанокомпозиционных покрытий под действием электромагнитного поля.

Работы в данных направлениях проводятся в Белорусском государственном аграрном техническом университете (восстановление и упрочнение деталей машин термической обработкой; к.т.н. Бетеня Г.Ф.), в Институте порошковой металлургии НАНБ (разработка методов улучшения эксплуатационных свойств композиционных износостойких и биокерамических покрытий, полученных газотермическим напылением, при их обработке компрессионными плазменными потоками, а также разработка композиционных и плакированных карбидосодержащих порошков для нанесения износостойких газотермических покрытий; чл.-к. НАНБ Ильющенко А.Ф.); в Белорусском национальном техническом университете (разработка способов упрочнения быстроизнашивающихся деталей почвообрабатывающих машин регулированием структурной наследственности в процессе индукционной наплавки композиционных металлических порошков; д.т.н. Константинов В.М.; создание гетерогенных износостойких материалов системы железо – карбиды, бориды металлов электрохимическим осаждением; разработка технологии получения износостойких многокомпонентных покрытий высокоэнергетическим воздействием электромагнитного поля концентрированного магнитно-электрического потока на самофлюсующиеся ферромагнитные диффузионнолегированные порошки; чл.-к. НАНБ Пантелеенко Ф.И.).

В Беларуси биотехнологическими проблемами занимаются также в Отделении биологических наук НАН Беларуси - Институты биофизики и клеточной инженерии, генетики и цитологии, микробиологии, отдельные лаборатории Институтов экспериментальной ботаники и леса, Центрального ботанического сада; в Отделении медицинских наук - Институт биохимии, отдельные лаборатории Института физиологии; в Отделении химических наук и наук о Земле - ряд лабораторий Института биоорганической химии; в БГУ - кафедры биохимии, физиологии и биохимии растений, микробиологии и генетики, ряд проблемных лабораторий биологического факультета, кафедра биофизики физического факультета; в системе Минздрава РБ  - некоторые подразделения Института эпидемиологии и  микробиологии, Республиканских центрах гематологии и трансфузиологии, детской онкологии, а также некоторых кафедрах биохимии, физиологии животных медицинских университетов.

Серьезным движением в развитии биотехнологической промышленности явились Государственные научно-технические программы: "Промышленная биотехнология", "Лекарственные средства" и др., в рамках которых происходило объединение достижений фундаментальной и отраслевой науки с имеющимся производственным потенциалом концерна "Белбиофарм". В настоящее время в составе концерна «Белбиофарм» - 20 организаций, в том числе 9 фармацевтических, 4 микробиологических и 7 относящихся к прочим отраслям экономики.

2.3.6. Перспективные наноматериалы

Белорусские ученые имеют существенный задел в технологии получения наноматериалов, представляющих существенные перспективы многофункционального (многоотраслевого) использования.

В современном материаловедении создание и использование наноструктурных материалов является одним из самых перспективных способов улучшения свойств изделий. Эффективность наноструктурных материалов определяется их многофункциональностью, возможностью реализации уникального сочетания свойств, недостижимого традиционными материалами. Наноструктурные материалы, способные постоянно выдерживать экстремальные эксплуатационные нагрузки, наиболее перспективны для увеличения прочности поверхности осевого режущего инструмента (ОРИ), подвергающегося одновременно высоким контактным нагрузкам и температурам.

Многофункциональность наноструктурных материалов позволяет сочетать одновременно высокие твердость и пластичность, низкий коэффициент трения, высокую износостойкость. Наибольшее распространение в качестве износостойких покрытий для режущего инструмента получили карбиды, нитриды, карбонитриды тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов, самым распространенным из которых является титан, которые формируются методами вакуумного осаждения и напыления. В РБ наиболее известны работы, проводимые в Физико-техническом институте НАН Беларуси, Институте порошковой металлургии, БГУИР, БНТУ и БГУ. Исследованиям в области вакуумных технологий посвящены работы А.В. Белого, А.П. Достанко, Ж.А. Мрочека, А.К. Вершины, И.С. Ташлыкова, Э.И. Точицкого и других исследователей.

Совместно БГУИР и ГГУ (рук. Хмыль А. А. и Рогачев А. В.) разработана технология формирования многослойных композиционных материалов на основе олова и ультрадисперсных агрегатов углерода. Такие покрытия эффективно заменяют защитные покрытия из золота, платины, серебра в изделиях электронной техники, а также повышают механические свойства трущихся деталей машин и механизмов.

БГУ совместно с НПО «Планар» создан технологический комплекс для получения фуллеренов с помощью лазерного и дугового испарения. Разработаны опытная технология получения и переработки фуллереновой сажи и углеродных нанотрубок, методы получения и диагностики фуллереносодержащих материалов, пленок и покрытий. Однако сдерживающим фактором на пути промышленного применения этих материалов пока остается их высокая стоимость.

В этой связи представляется перспективным разработанный в ИТМО НАН Беларуси под руководством академика С. А. Жданка принципиально новый подход к синтезу нанотрубок, позволяющий получать их в промышленных масштабах. В ИТМО создана уникальная установка синтеза углеродных нанотрубок импульсным электродуговым разрядом. Полученные углеродные наноматериалы опробованы в качестве модификаторов для изготовления различных деталей машин и механизмов, в строительных материалах.

В Институте физики НАН Беларуси создан высокотемпературный реактор для получения углеродных нанотрубок с возможностью установки подложек с матрицей наноразмерных катализаторов.

Научными коллективами, руководимыми Академиком Лабуновым В. А., членоми-корреспондентами Комаровым Ф. Ф. и Черенкевичем С. Н. (БГУИР, БГУ), разработана технология синтеза и исследованы упорядоченные массивы углеродных нанотубок и магнитно-функционализированные углеродные нанотрубки с заполнением нанокомпозитом C-Fe3C-Fe5C2–Fe. Установлено, что эти материалы позволяют создавать надёжные, устойчивые к внешним воздействиям устройства микро- и наноэлектроники, высокоэффективные холодные катоды для устройств отображения информации, датчики внешних воздействий, включая биомедицинские применения, экраны для электромагнитного излучения.

В БГУИР (рук. Ковалевский А. А.) разработана дешевая технология получения нанодисперсных порошков кремния из отходов полупроводникового производства и показана эффективность их использования в электронике, тепловой и водородной энергетике.

Учеными БГУ, БГУИР, ГрГУ, Института физики НАН Беларуси, совместно со специалистами Белорусского государственного медуниверситета разработана технология и получены первые образцы наномаркеров для ранней диагностики болезненных изменений в организме человека и в других биологических объектах.  Ведутся работы по их совершенствованию и повышению чувтствительности такого рода диагностики.

В БГУИР (рук. Борисенко В. Е., Лазарук С. К.) разработана технология создания нанопористых  оксидов  тугоплавких  металлов (титан, вольфрам,  ниобий,  тантал)  с  минимальной толщиной стенок пор до 10 нм. Толщина формируемых пленок может достигать нескольких микрометров. Показано, что эти нанопористые оксиды являются эффективными фотокатализаторами, применение которых перспективно для систем очистки воды и воздуха от органических загрязнений, генерации водорода разложением воды, в датчиках влажности и состава газовой среды, в протезировании и биомедицинских применениях.

В БГУИР (рук. Гапоненко Н. В.) разработана дешевая и эффективная золь-гель технология формирования скрытых люминесцирующих изображений на основе наноструктурированных плёнок для защиты документов от подделок. Для этого предложено использовать сплавы алюминия, которые содержат включения, такие как кремний, магний, марганец, никель, кобальт, которые не окисляются при анодировании и не влияют на формирование однородных пленок оксида алюминия на сплавах алюминия.
 В Центре по материаловедению НАН Беларуси разработана эффективная технология создания и организовано лабораторное производство алмазных дисков с модифицированной наноструктурой для обработки твердых материалов. Эта продукция пользуется спросом не только в Беларуси, но и за рубежом.

В Институте порошковой металлургии совместно с ЗАО «Синта» созданы технологии детонационного синтеза наноалмазов с использованием энергии взрыва и последующей их очисткой модифицированным жидким окислителем ракетного топлива «меланж», запасы которого в стране значительны, а утилизация представляет серьезные трудности. Синтезированные в особых условиях наноалмазы не имеют четкой кристаллической огранки, их округлая форма и высокое сродство с углеводородной основой масел, усиленное модификацией поверхности, обеспечивают их эффективное применение в составе смазок. Как показали производственные испытания, коэффициент трения благодаря таким добавкам снижается на 15–20 процентов, на 5–8 процентов сокращается потребление топлива двигателями внутреннего сгорания. Использование отечественных наноалмазов в твердых смазках позволило обеспечить «безизносную» эксплуатацию подшипников скольжения турбоагрегатов в белорусской энергосистеме. Полировальные пасты на основе наноалмазов, которые позволяют добиться молекулярного уровня взаимодействия материалов, успешно применяются для суперфинишной доводки и обеспечения предельно низкой шероховатости при полировке производимых в Беларуси бриллиантов и ювелирных изделий, полупроводниковых пластин.

На могилевском предприятии «Композит» освоено промышленное производство комплексно-легированных медных сплавов и электродов контактной сварки объемом более 50 тонн в год. Благодаря нановключениям они имеют в 2–2,5 раза более высокую стойкость, что обеспечивает экономический эффект 15–20 тысяч долларов на тонну электродов. Разработали новинку ученые Могилевского государственного технического университета.

Отмеченные выше разработки белорусских ученых создают необходимую базу для промышленного освоения производства перспективных наноматериалов как в интересах республики, так и на экспорт. Очевидна актуальность этих работ.

2.3.7. Патентная защита разработок по нанотехнологиям

Республика Беларусь сегодня находится на пути развития нанотехнологий. Наши ученые уже добились определенных успехов в данной сфере. Это является очень хорошим заделом для дальнейшего формирования нового направления науки техники. Ниже приведена информация из базы данных  Национального центра интеллектуальной собственной по патентам, полученным белорусскими предприятиями и учеными.

Таблица 2.6. Объекты, охраняемые законом об интеллектуальной собственности и связанные с нанотехнологиями в Республике Беларусь.

 

до 2006

2007

2008

2009

2010

Всего

Изобретения

24

7

6

5

6

48

Полезные модели

11

2

7

11

12

43

Итого

35

9

13

16

18

91

Наибольшее количество полученных патентов приходиться на 2010 год, что свидетельствует об активном участии Республики Беларусь в развитии нового направления.

Из 48 патентов на изобретения 39 поданы белорусскими заявителями. Девять патентов подано зарубежными заявителями, один из которых из России. Большинство патентов на полезные модели подано Институтом тепло- и массообмена  им. А. В. Лыкова НАН Беларуси и относится к тематике получения углеродных наноматериалов.

В сравнении с зарубежными странами очевидным является очень низкий количественный уровень патентования разработок по нанотехнологиям в Беларуси. Это быстрее связано не с отсутствием таких разработок, а отсутствием заинтересованности разработчиков патентно защищать свои изобретения и ноу-хау в республике.

2.3.8. Подготовка инженерных и научных кадров

БГУИР сегодня является единственной в республике организацией, в которой гармонично соединены все этапы подготовки инженерных и научных кадров, а именно:

- подготовка инженеров по специальностям первой ступени высшего образования «Нанотехнологии и наноматериалы в электронике» (с 2009 г.) и «Мико- и наноэлектронные технологии и системы»
- подготовка  магистров по специальностям второй ступени высшего образования «Нанотехнологии и наноматериалы в электронике» (с 2010 г.) и «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»
 - подготовка кандидатов и докторов наук в аспирантуре и докторантуре по научным специальностям «Нанотехнологии и наноматериалы в электронике» (с 2010 г.), «Физика конденсированного состояния», «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах».

В 2010 г. начата подготовка инженеров и в БНТУ – в рамках специализации «Микро- и наносистемная техника». Названные специальности и специализации направлены на подготовку специалистов, деятельность которых связана с компьютерным проектированием новых интегральных микросхем, технологий их производства, высокоинтегрированных систем электронной и оптоэлектронной обработки информации, с освоением в производстве изделий электронной техники, внедрением нанотехнологий и наноматериалов.

Разработка и использование бионанотехнологий и нанотехнологий медицинского назначения требует специалистов с глубоким пониманием фундаментальных основ физико-химических явлений и процессов на атомно-молекулярном уровне. Подготовка таких специалистов начата в 2011 г. в БГУ в рамках специальности «Физика», для чего в нее введены новые специализации: «Наноэлектроника», «Функциональные наноматериалы», «Нанофотоника», «Нанобиоматериалы и нанобиотехнологии».

Кадры высшей научной квалификации в области нанотехнологий и наноматериалов – докторов и кандидатов наук, сегодня готовят в университетах и организациях НАН Беларуси исключительно для собственного использования.

 

Примечание.


1. наноэлектроника (nanoelectronics) – область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты.

2. спинтроника (spintronics) – область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов, в которых спин электрона наравне с его зарядом используется для обработки информации.

3. European Roadmap on Nanophotonics (www.phoremost.org); S.V. Gaponenko. Introduction to Nanophotonics (Cambridge University Press, 2010); What is nanophotonics? (http://www.nanophotonicseurope.org/nanophotonics-news/6-nanophotonics.html).

5. Свириденок А.И., Чижик С.А., Петроковец М.И. Механика дискретного фрикционного контакта. – Мн., 1990.

6. Чижик С.А. Основные направления развития сканирующей зондовой микроскопии в Беларуси // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии. Сборник докладов. – Мн., 2008. С.27 – 32.

Сайт сделан в Центре Наноэлектроники и Новых Материалов, НИЧ БГУИР, по заказу Министерства Образования РБ.