Реферат: Современные концепции нанотехнологий

Современные концепции нанотехнологий

Кафедра систем телекоммуникаций, факультет физико-математических и естественных наук

Направление «Прикладная математика и информатика» (НПм)
Специальная дисциплина по выбору студента.

Трудоемкость – 5 кредита, 2 часа лекций и 3 часа лабораторных занятий в неделю
Цель курса
Целью курса является формирование у студентов представления об основных концепциях современных нанотехнологий, методах их изготовления и возможных сфер применения; о построении экономико-математических моделей для оценки эффективности инвестиций в нанотехнологичекую отрасль.

Полученные знания закрепляются на примерах изучения конкретных задач в области квантовой механики, физики твердого тела, биофизики и экономики.
^ Содержание курса
Темы лекций

Тема 1. Основные понятия и определения. Наночастицы и наноматериалы. Классификации наночастиц и наноматериалов. Углеродные наноструктуры. Фуллерены. Нанотрубки. Консолидированные наноматериалы. Нанокристаллические материалы. Нанокомпозиты, нанопористые материалы и магнитные наночастицы. Молекулярные нанотехнологии. Нанофотоника. Нанотехнологии в сегнетоэлектриках.

Тема 2.Основные понятия и законы квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов. Квантовые пределы точности измерений. Волновая функция и вероятностный характер поведения квантовых объектов. Уравнение Шредингера и периодическая система элементов Менделеева. Квантовые процессы переноса.

Тема 3 .Структура атома. Квантовые размерные эффекты. Распределения Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна. Методы теории возмущений. Модель свободных электронов в твердых телах. Функция плотности состояний. Теорема Блоха. Электроны в кристаллических твердых телах. Модель почти свободных электронов. Приближение сильной связи. Динамика электронов в энергетических зонах. Уравнение движения. Эффективная масса. Принципы работы лазера. Сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Тема 4.Приборно-метрологическое обеспечение нанотехнологий. Основные технологические процессы. Электронная микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Исследование оптических свойств материалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Наноматериалы с заданными свойствами. Функциональные наносистемы на основе наноматериалов. Производство с использованием нанотехнологий. Метрология, стандартизация и сертификация, безопасность в сфере нанотехнологий и наноматериалов. Наноэлектроника: нанопроводники и полупроводники, одноэлектронные устройства, молекулярные логические устройства. Эффект гигантского магнитосопротивления. Спинтроника: основные идеи и применения. Эффект Джозефсона. Квантовые компьютеры: идеология, алгоритмы, возможные пути технической реализации. Микро- и наноэлектромеханические системы. Наноманипуляторы, нанонасосы, нанороботы и другие системы.

Тема 5. Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира. Нанобиотехнологии на основе метода генетической инженерии. Наночастицы в антропогенных экосистемах. Биологическая безопасность наноконструкций и нанотехнологий. Эволюционно-обусловленные структурно-функциональные уровни организации живых систем. Молекулярный и субклеточный уровни организации живых систем как основные в манипуляциях с наноструктурами. Основные направления разрабатываемых нанобиотехнологий. Биомакромолекулы (молекулы биополимеров) как составляющие наномира. Биомакромолекулы. Мономеры и биополимеры. Нуклеиновые кислоты и белки – критическая тройка биомакромолекул. Достижения нанобиологии в изучении рецепторной функции мембраны. Нанобиотехнологии на основе белков-переносчиков и белков-рецепторов. Нанобиосенсоры, их применение в диагностике заболеваний.

Тема 6.Макромолекулы, образующие фибриллярные (волокнистые) структуры в клетках и тканях живого организма: особенности структуры и функции. Создание аналогов биологических ресничек методами нанотехнологий. Методы создания искусственных нановолокон. Особенности влияния наночастиц на живые организмы. Влияние наночастиц углерода, фуллеренов и углеродных нанотрубок на свертываемость крови. Нанобиотехнологии в контроле качества пищевых продуктов. Применение искусственных нановолокон в биологии и медицине. Генетическая инженерия как одно из направлений нанобиотехнологий: понятие, цели, основные принципы. Перспективы развития нанобиотехнологий в производстве биологически активных веществ и лекарственных препаратов. Генная терапия и генный таргетинг. Основные стратегии создания наноконструкций на основе нуклеиновых кислот. Области применения наноконструкций на основе ДНК.

Тема 7.Оценка инвестиционных рисков и критерии эффективности принятия решений в условиях неопределенности. Модель формирования взаимоотношений инвесторов с нанотехнологическими компаниями. Модель оптимизации инвестиционного портфеля с учетом рисков в условиях диверсификации проектов нанотехнологий.

Моделирование процесса организации конкурсного отбора нанотехнологических проектов, финансируемых при поддержке государства. Результаты модельных расчетов по организации конкурса нанотехнологических проектов. Динамическая модель планирования инвестиций с учетом рисков. Модификация динамической модели планирования инвестиций в нанотехнологической отрасли. Модель оптимизации финансирования инвестиционных проектов в нанотехнологической отрасли. Моделирование равновесных стратегий кредитования малых и средних предприятий в нанотехнологической отрасли. Моделирование кооперационных взаимодействий малого и крупного бизнесов в нанотехнологической отрасли. Задачи оптимального планирования "потребление -инвестиции" в сфере наукоемких технологий.

Темы лабораторных занятий

Решение уравнения Шредингера для случая движения частицы в одномерной потенциальной яме.

Гармонический осциллятор в квантовой механике.

Прохождение частиц через потенциальный барьер в квантовой механике.

Движение в поле центральных сил. Стационарные состояния атома водорода.

Приближенные методы расчета сложных атомов.

Химическая связь. Структура молекул.

Типы связи в кристаллах. Зонная теория твердых тел.


Промежуточный контроль знаний

Примерный перечень вопросов контрольной работы № 1

Классификации наночастиц и наноматериалов.

Производство с использованием нанотехнологий.

Метрология, стандартизация и сертификация, безопасность в сфере нанотехнологий и наноматериалов.

Примерный перечень вопросов контрольной работы № 2

Биомакромолекулы. Мономеры и биополимеры.

Влияние наночастиц углерода, фуллеренов и углеродных нанотрубок на свертываемость крови.

Области применения наноконструкций на основе ДНК.


Итоговый контроль знаний.

Контрольная работа № 3.

Примерный перечень вопросов итогового контроля знаний

Консолидированные наноматериалы.

Модель оптимизации инвестиционного портфеля с учетом рисков в условиях диверсификации проектов нанотехнологий.


Литература

Список обязательной литературы

О. П. Кормилицын, Ю. А. Шукейло. Механика материалов и структур нано- и микротехники. Москва, изд-во "Академия", 2008.

Ф.Оуэнс. Нанотехнологии. Издательство: Техносфера. Серия: Мир материалов и технологий. 2009.

Н.И.Минько, В.В.Строкова, И.В.Жерновский, В.М.Нарцев. Методы получения и свойства нанообъектов. Издательство: Флинта. 2009.

В.И. Балабанов. Нанотехнологии. Наука будущего. Издательство: Эксмо. Серия: Открытия, которые потрясли мир. Год: 2009.

Д. И. Рыжонков. Наноматериалы. Издательство: Бином. Лаборатория знаний. Учебное пособие для ВУЗов. Серия: Нанотехнология. Год: 2008.

В.В.Старостин. Материалы и методы нанотехнологии. Издательство: Бином. Серия: Нанотехнология. Год: 2008.

Н.Н.Герасименко, Ю.Н.Герасименко. Кремний - материал наноэлектроники. Издательство: Техносфера. Серия: Мир материалов и технологий. Год: 2007.

О.О.Замков, А.В.Толстопятенко, Ю.Н.Черемных. Математические методы в экономике. – М.: ДИС, 1997

Список дополнительной литературы и источников в интернете

Сайт кафедры систем телекоммуникаций РУДН (информационный ресурс). Режим доступа: http://www.telesys.pfu.edu.ru – свободный.

Учебный портал кафедры систем телекоммуникаций РУДН (информационный ресурс) Режим доступа: http://stud.sci.pfu.edu.ru – для зарегистрированных пользователей.

Chemical Biology: Techniques and Applications. - Chichester: John Wiley & Sons, 2006.

Force Microscopy: Applications in Biology and Medicine. - Hoboken,New Jersey: John Wiley & Sons, 2006.

Borisenko,Victor E. What is What in the Nanoworld / Borisenko,Victor E., Ossicini, Stefano. - Minsk, Belarus: Wiley -VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, 2004.


Программу составил

Севастьянов Леонид Антонович,

доктор физико-математических наук, профессор,

профессор кафедры систем телекоммуникаций,

факультет физико-математических и естественных наук.