23.11.2017 
  


В связи с обновлением программного обеспечения сайт находится на реконструкции (некоторые страницы и сервисы могут быть недоступны)

Нано-биотехнологии для энергетики, оптоэлектроники и биомедицины

Автор программы: доцент, к. ф.-м. н., Классен Н.В.

Цель дисциплины: дать студенту систематическое изложение методов формирования  наноструктур из неорганических и органических компонентов,, особенностей  физических и химических свойств композиционных нано-биоструктур по сравнению с объемными материалами и наиболее перспективных способов их практических применений, а также обучить  новым подходам к созданию материалов, конструкций, приборов и устройств на основе нано-био-технологий.
Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления применительно к наномасштабным объектам, умения ставить и решать задачи по анализу явлений в наноструктурах неорганического, органического и смешанного составов и разработке методик, материалов, конструкций, устройств и приборов на основе нано-био-технологий.

Краткое содержание дисциплины:

1

Инженерные вызовы 21 века со стороны энергетики, информационной техники, оптоэлектроники и биомедицины. Необходимость увеличения производства электроэнергии. Потребности разработки альтернативных направлений энергетики и повышении экологической чистоты тепловых и атомных электростанций. Ограниченность перспектив полупроводниковой техники. Перспективы фотоэлектрических преобразователей, светодиодов, оптоволоконной связи, и оптоэлектронной вычислительной техники на базе нано-био-технологий. Проблемы биомедицины по части онкологии, борьбы с инфекциями, генетическими заболеваниями, репарации поврежденных органов,  экологических опасностей  и новые подходы к этим проблемам на базе нано- био-технологий.

2

Недостатки тепловой электроэнергетики: низкий КПД, загрязнение атмосферы. Неизбежность использования теплоэнергетики в 21 веке. Пути улучшения параметров теплоэнергетики: повышение температуры в камере сгорания, каталитическая генерация сингаза и двухступенчатое использование тепловой энергии в паровой и газовой турбине; улучшение теплоотдачи в теплообменниках; утилизация углекислого газа с каталитическим синтезом метанола. Возможности  решения этих задач с помощью нано-био-технологий.

3

Недостатки атомной энергетики: низкий КПД, загрязнение среды радиоактивными отходами, трудоемкость получения обогащенного урана. Роль нано-био-технологий в  решении этих проблем. Повышение эффективности теплообмена; прямое преобразование радиации в электричество; разработка радиационно – прочных конструкционных наноматериалов; создание быстродействующих  радиационных детекторов для прецизионного регулирования атомных реакторов, совершенствование реакторов на быстрых нейтронах, экранирующая и восстанавливающая защита живых систем от радиационных воздействий.

4

Солнечная энергетика как альтернатива тепловой и атомной. Возможности решения проблем снижения ее себестоимости, повышения КПД, ослабления зависимости от сезонных и суточных условий через нано- и био- технологии. Использование особенностей фотоэлектрических процессов в наноструктурах, использование наноструктурных суперконденсаторов и их комбинаций с солнечными батареями, применение органических и биоорганических компонентов в солнечных преобразователях. Повышение радиационной прочности органики наночастицами.

5

Перспективы и проблемы термоядерной энергетики. Необходимость разработки нового поколения жаропрочных и радиационно – стойких материалов. Использование нанострукутрных материалов для этой цели. Создание наноструктурированных сенсоров для контроля работы термоядерного реактора и его оптимизированного управления. Перспективы создания  прямых преобразователей нейтронного потока в электричество на комбинированных структурах из органических молекул и наночастиц.

6

Развитие водородной энергетики и возможности повышения ее технико-экономических параметров с помощью нанотехнологий (повышение удельной мощности топливных элементов  за счет усиления  диффузионных потоков   рабочих газов, каталитическая генерация метана и метанола из биокомпонентов и двуокиси углерода на наноструктурах и др.).

7

Ограниченность возможностей дальнейшей миниатюризации микроэлектронной техники для  неорганических полупроводниках.  Принципиальные возможности формирования логических и других компонентов микросхем на органических и биоорганических молекулах. Перспективы  перехода от передачи сигналов переносом электрического заряда к оптической связи. Для повышения быстродействия и устранения перегрева. Способы управления фотонными потоками в нано- и биоструктурах с помощью фотонных кристаллов и метаматериалов. Использование этих способов в оптоволоконной связи и компьютерной технике.

8

Перспективы использования биомолекулярной элементной базы в вычислительных устройствах. Возможности формирования запоминающих и передающих устройств  на ДНК, белках, нейронах  и других биокомпонентах.

9

Перспективы формирования квантовых компьютеров на неорганических наноструктурах. Использование электронных квантовых точек и квантовых ям, спинтроники, джозефсоновских  сверхпроводящих структур. Сопоставление перспектив оптических и  квантовых компьютеров на неорганических и биоорганических компонентах.

10

Формирование рентгеновской микроскопики неорганических и органических систем на наноструктурах. Возможности отслеживания передачи сигналов по нейронным системам. Перспективы  расшифровки принципов работы рецепторных, управляющих и логических нейросистем с помощью рентгеновской, электрической и оптической микроскопики их функционирования. Современные представления о биологических процессах обработки информации. ДНК-компьютинг.

11

Актуальность развития биосенсорики биомедицины и экологии путем  раннего выявления инфекционных и неинфекционных патогенов в организме и  окружающей среде. Развитие биосенсоров на наноструктрах. Использование фотонных и электронных  нанорезонаторов для биосенсорики одиночных биомолекул.

12

Развитие биомедицины для улучшения качества жизни в 21-м веке. Перспективы подхода к анализу живых организмов как инженерных объектов на основе накопленных знаний о структуре и свойствах нано- и биосистем, прогресса диагностической и компьютерной техники. Возможности преобразования медицины в инженерную науку. Исследования структуры и свойств компонентов живых систем (белков, ДНК, хитозана, неорганических нанокомпонентов и др.) как основа биомедицинской инженерии. Прогресс в диагностике живых систем (рентгеноскопия, томография, электроскопия и др.) как следствие получения новых знаний о природе материалов и разработки нано-био-технологий. Перспективы новых методик функциональной диагностики и инженерной терапии живых организмов.

13

Развитие материаловедения компонентов живых систем. Кристаллизация белков и ДНК в композициях с хитозаном и неорганическими наночастицами, Исследования свойств  биокомпонентов как фактор прогресса в биомедицине и  применений нанобиоструктур в технологиях  новых приборов и устройств. Моделирование и изучение организмов как электромеханических систем. Перспективы использования знаний об электромеханических процессах  в живых системах для разработки устройств альтернативной энергетики, а также систем переработки и передачи информации.

14

Развитие знаний об электрических процессах в живых системах. Новые экспериментальные данные о пьезоэлектрических, сегнетоэлектрических и электропроводящих свойствах ДНК, белков и других биокомпонентов живых систем.  Роль электрических процессов в функционировании организма.. Низкочастотные электрические резонансы как фактор обмена информацией между удаленными биокомпонентами и способ регулирования их морфологии и структуры. Представление об организме как мультирезонансной системе. Возможности разработки новых диагностических и терапевтических методик на основе низкочастотных электрических резонансов в биокомпонентах организма.

15

Исследования возможностей восстановления разрушенных или изношенных биотканей действующего организма управляемым внутритканевым формированием биомолекулярных из композиций биомолекул и наночастиц с помощью регулируемых электрических, акустических и лазерных воздействий (кости, суставы,  хрящевые прослойки,.мышцы, сухожилия и др.). Перспективы корректирующих оптических и электрических воздействий на нейросистему.

 

Общая трудоемкость дисциплины: 2 зачетные единицы.

Форма промежуточной аттестации: зачет.

Контакты

Телефон:
8(496) 52 219-82
+7 906 095 4402

Факс:
+7(496) 522 8160
8(496) 522 8160

Почтовый адрес:
ИФТТ РАН, Черноголовка, Московская обл., ул.Академика Осипьяна д.2, 142432, Россия

E-mail:
Вебмастер
Ученый секретарь

WWW:
www.issp.ac.ru