Развитие нанотехнологий

1. Пара определений и различные толкования нанотехнологии

2. Две проблемы:

-какой смысл вкладывается в понятие «нанотехнология»?

-почему именно сейчас возник нано-технологический бум?

3. Экономические и социальные особенности развития современного общества

4. Необходимость сохранения условий жизни и новые технологии

5. Исходная и основная причина развития нанотехнологии - проблемы информационного обеспечения

6. Сложные динамические системы

7. Искусственный интеллект как подход к сложным динамическим системам

8. Биологическая основа ИИ

9. Сложность динамических систем. Подходы к определению понятия «сложность»

10. Этапы развития информационных технологий и их реальная основа. Парадигма фон Неймана

11. Концепция нейросетей

12. Когда возможности компьютера сравняются с возможностями человеческого мозга

13. Два пути решения проблем ИИ:

-все более и более повышать производительность фон Неймановских компьютеров,

- поиск принципиально новых подходов к разработке вычислительных устройств

14. Необходимость поиска новой элементной базы

-молекулярная электроника

-распределенные системы

-демографические взрывы

-сокращение природных ресурсов

-глобальные информационные возможности

-глобальные транспортные возможности

-изменение социальных мотиваций

Пример - натуральный каучук

В сущности, на протяжении последних лет изменились информационные потребности общества

Понимание динамических механизмов и путей управления динамическими системами

Примеры сложных динамических систем

Для этих систем харатерно их биологическое происхождение. Поэтому информациионные технологии должны имитировать деятельность человека

Основные направления ИИ и их значимость

Сложность:

-структурная

-поведенческая

-вычислительная

Нелинейные механизмы и сложность

Примеры:

-логистическое уравнение

-проблема коммивояжера

-реакционно-диффузионные среды

Ферменты как примеры систем с функциональной избыточностью - естественная основа для адаптивного поведения и обучения

1. Интуитивные подходы

2. Научные подходы

-Э. Шредингер: наследственная память - апериодический кристалл

- фон Нейман: самовоспроизводящиеся клеточные автоматы

-Р. Фейнман: информационные возможности на микроуровне, микрокомпьютеры, технологические возможности на уровне атомов

- Э. Дрекслер: идея молекулярной машины и ее возможное осуществление

3. Различные подходы к понятию «нанотехнология»:

-Ж.И. Алферов: зондовые методы, эпитаксиальный рост пленок, самоорганизующиеся гетероструктуры

-расширение понятия: процессы на молекулярном уровне

-нанохимия, нанобиолгия, наномедицина,

-система наноспутников

4. Нанотехнология как междисциплинарная область исследований и их практического использования

5. Основные принципы нанотехнологии:

-предельная микроминиатюризация

-распределенная структура

-принцип «снизу-вверх»

-самоорганизация

6. Экономические факторы

7. Характерные особенности:

-характеристики наночастиц

-принцип «снизу-вверх»

-сборка на атомном уровне

-самоорганизация (вернемся к ней позже)

8. Методы изучения и контроля наносистем:

-электронная микроскопия

-растровая электронная микроскопия

-зондовые методы

-оптическая растровая микроскопия

-оже-спектроскопия

9. Еще раз о понятии «нанотехнология»

Н.С. Лесков «Сказ о тульском косом левше и о стальной блохе»

С. Лем Странная механистическая цивилизация

Понятие автомата. Формальное описание сложных задач (адаптация).

Одномерные и двумерные клеточные автоматы

1. Почему полупроводники?

2. Зонная теория твердого тела:

-электроны и дырки

-полупроводники p- и n-типа

-легирование полупроводников

-рекомбинация носителей

-проводимость p-n переходов

3. Основные типы транзисторов

-биполярный транзистор

-полевой транзистор

-транзисторные схемы и их планарная реализация

4. Планарная технология

-основные этапы

-факторы определяющие возможности технологии

6. Оптическая литография

-фоторезисты

-позитивные и негативные литографические процессы

-ограничивающие факторы

7. Электронная литография

-техника

процессы и ограничения

7. Импринт-литография

8. Тонкие пленки

-методы формирования

-условия формирования

9. Физические ограничения планарной технологии

-закон Мура

-источники ограничений

-история и тенденции развития планарной технологии

9. Парадигма фон Неймана и возможности решения задач высокой вычислительной сложности

чистота материалов и сред,

ограничения литографии

Разрешение литографии

чистота материалов

возможности позиционирования шаблонов

квантовые эффекты

1. Уровни энергии электронов в потенциальной яме и плотность энергетических состояний

2. Квантовые твердотельные структуры:

-основные характеристики структур

-квантовый колодец (2-D структура)

-квантовая нить (1-D структура)

-квантовая яма (квантовый ящик)

-плотность состояний в различных квантовых структурах

3. Квантовые колодцы

-техника формирования

-устройства: лазеры, источники света, сенсоры

-суперрешетки

4. Квантовые нити

-техника формирования

-применения: p-n переходы, полевые транзисторы

5. Квантовые ямы:

-техника формирования

-молекулярно-лучевая эпитаксия

-клеточные автоматы на основе квантовых ям, схемотехника

6. Молекулярные квантовые ямы

1. Сканирующая электронная микроскопия

-история возникновения и основные принципы

-режимы работы СТМ

2. СТМ-изображения

-примеры

-диффузия атомов н поверхности твердого тела

3. Атомно-молекулярный дизайн

-основные механизмы

-формирование надписи IBM на поверхности и его особенности

-примеры перемещения молекул по поверхности твердого тела

4.Разложение молекул, стимулирование СТМ

-механизмы

-разложение иод-бензола

-реакция Ульмана

5. Молекулярное конструирование

платина с вакансиями

кремний

органическое соединение на золоте

1. Структура нанотрубок

-углеродные соединения и их основные структурные формы

-аллотропные формы углерода

-нанотрубки

-одностеночные и многостеночные нанотрубки

-клубки нанотрублк

2. Методы формирования нанотрубок

-дуговой разряд

-лазерное испарение

-разложение химических углеродсодержащих соединений

3. Свойства нанотрубок

-трение

-прочность на разрыв

-модуль Юнга

-электронные характеристики

4. Обратимая деформация нанотрубок

5. Области применения

-дисплеи

-транзисторы

-встроенные слуховые аппараты

-«космический лифт»

1. Историческая справка

-первые идеи

2. Военно-морская исследовательская лаборатория США: Форрест Картер

3.Молекулярный выпрямитель Авирама и Ратнера:

-квантовый характер устройства

-вариант Авирама

4. Период химического куомпьютинга

-молекулярное выпрямление

-выжигание провалов в оптических спектрах

5. Память на основе белка бактериородопсина

6. Ретинальные (светочувствительные) белки

-бактериородопсин - простейший биологический ионный насос

-основная роль - способствовать синтезу АТФ в живой клетке

-информационные возможности бактериородопсина

-фотоцикл бактериородопсина и запоминающие устройства на его основе

-технические характеристики устройств

-макетные устройства оперативной памяти

-планарные

-объемные

7. Молекулярная элементная база

-фуллерены

-катенаны

-ротаксаны

8. Исследования компании Хьюлетт-Паккард и Калифорнийского университета в Лос Анжелесе. Оперативная память на базе молекул ротаксана

-«перекрестная» архитектура

-принцип построения «снизу-вверх»

-импинт-литография

-коммерческие перспективы

9. Компания «КАЛМЕК» и разработка хироптицена

-инженерный подход к конструированию молекулы

-особенности молекулярной структуры

-перспективы использования хироптицена в устройствах хранения и обработки информации

-коммерческие перспективы

Р.Фейнман

переключающиеся молекулы

солитонная логика

туннелирование через систему барьеров

Архивная память: несколько сотен гигабайт

Краткие сведения о структуре молекул белка

высокая устойчивость

106 переключений

25 мегабайт

время обращения 1-10 наносек

«молекулы без химических связей»

1. Структура ДНК

-история определения структуры

-структурные особенности молекулы ДНК

-Уотсон-Криковские пары

-вторичная и третичные структуры молекулы ДНК

-ферментативная репликация ДНК

2. Вычисления на основе ДНК

-проблема коммивояжера

-Л.Эйделман и ДНК-компьютинг

3. Основные стадии решения проблемы коммивояжера методом ДНК-компьютинга

-подготовка исходных фрагментов ДНК, отвечающих всем возможным путям

-параллельный синтез всех возможных маршрутов

-химический анализ полученных фрагментов:

-определение путей, начинающихся в начальной точке всех маршрутов и заканчивающихся в конечной (цепные полимеразные реакции)

-выделение маршрутов, проходящих через все точки маршрута (гель-электрофорез)

-отбор маршрутов, проходящих через каждую точку только один раз (разделение на магнитных бусинах)

4.Цепные полимеразные реакции

-история открытия

-последовательное умножение выбранных фрагментов ДНК

5. Источники ошибок ДНК-компьютинга

6. Перспективы ДНК-компьютинга

1. Значение наноструктурированных материалов

2. Основная особенность: резкое увеличение относительной величины поверхности по отношению к объему объекта

3. Разновидности наноструктурированных материалов

4. Молекулярно-лучевая эпитаксия - путь формирования наноструктур

5. Отдельные примеры

6. Наноструктурированные полимеры

7. Наноструктурированные полимеры - одежда для Жизни

8. Биополимеры

9. Наноструктурированные катализаторы:

Преимущества наноструктурирования

алмазные пленки

температурно устойчивые покрытия

углеродные материалы в энергетике

физическая вулканизация

сегрегация, индуцированная прверхностью полимерные щетки

Gore Tex флиссы

биполярные конструкции Outlast

полимерные мембраны - диализ крови

заменители костных тканей

актин-миозин

молекулярные моторы

1. Что такое блок-сополимеры

2. Диблок- и триблок-сополимеры

3. Синтез блок-сополимеров

-анионная полимеризация

-радикальная полимеризация

4. Смеси полимеров и блок-сополимеры

5. Микрофазное расслоение

6. Морфология блок-сополимеров

-сферы

-ламеллярные структуры

-гироидные структуры

7. Сложные структуры триблок-сополимеров

8. Применения блок-сополимеров

термопластичные эластомеры

повышение температур плавления полимерных материалов

отверждающие добавки

модификаторы асфальта

маски для травления поверхности

1. Я не знал, что говорю прозой

2. Сложные молекулярные системы - кандидаты для практического использования

-крауны

-каликсарены

-фуллерены

3. Самоорганизующиеся системы амфифильных молекул

4. Пленки Лэнгмюра-Блоджет

-формирование

-перенос на вердую подложку

-мультислои

5. Формирование заданной последовательности амиинокислот в молекуле белка. Синтез Меррифилда

Синтез природного каучука

мицеллы

обратные ми-целллы

монослои

бислои

липидные бислои

1. Фрактальные структуры и их происхождение

2. Фрактал Коха и фрактальная размерность

3. Хаусдорфова размерность

4. Регулярные и нерегулярные фракталы

5. Дендримеры:

-схема синтеза

-структуры дендримеров

-изменения структуры дендримера в зависимости от окружения

6. Возможные применения дендримеров

-доставка лекарственных средств в организме

-строительные блоки для пленок

-дендримеры с переключающейся оболочкой

1. Самоорганизация или вынужденное формирование системы

-эпитаксиальная самосборка

-пленки Лэнгмюра-Блоджет

-структуры амфифильных мрлекул

2. Самоорганизация в природе

-определения и условия

-примеры

3. Формообразование в живых объектах

-примеры

4. «Активатор-ингибитор» механизм формообразования

5. Формообразование в сложных системах

-примеры

6. Механизм «притяжение-отталкивание»

7. Морфогенез

8. Самоорганизация поведения

-муравьи: механизмы взаимоднйствия

9. Механизмы поведения муравьев как средство

анализа сообщений в Интернете

10. Самоорганизация и сложность

11. Эволюция в природе

реакционно-диффузионные среды

ячейки Бенара

волны на песчаных дюнах

трещины на стекле

трещины на высохшей глине

пятна на шкуре жирафа и леопарда

узоры рыб

папиллярные узоры

жизненные циклы микроорганизмов

социальные насекомые

муравьиное сообщество

сообщество кротов

человеческое сообщество

1. Обработка информации нелинейными распределенными системами

2. Аморфный компьютинг и его направления

3. Реакционно-диффузионные среды

-нейросетевая архитектура среды

-нейронные сети Гроссберга и моделирование функций коры головного мозга

-среды типа Белоусова-Жаботинского и их функциональное сходство с сетями Гроссберга

-реакционно-диффузионный процессор на базе сред типа Белоусова-Жаботинского

4. Режимы сред типа Белоусова-Жаботинского

-огибание автоволнами препятствий и прохождении их через отверстия

-колебательный режим

5. Решение задач высокой вычислительной сложности средами типа Белоусова-Жаботинского

-обработка изображений

-анализ аэрофотоснимков

-анализ перекрывающихся изображений

-определение кратчайшего пути в лабиринте

6. Химический диод

7. Возможности практического применения реакционно-диффузионных сред

Задачи высокой вычислительной сложности решаются самоорганизующимися распределенными нелинейными системами

1. Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ)

2. Организации США - соучередители

3. Структура ННИ

4. Определение нанотехнологии

5. Основные направления

6. Нанотехнология: финансирование до 2000 г

7. ННИ: финансирование 2001 г

8. Некоторые результаты

9. Нанотехнология и энергетика

10. Перспективы ННИ: финансирование 2005 г

11. Ннотехнология и Министерство обороны США

12. Нанотехнология и ВМФ США

13. Нанотехнология и НАСА

14. Международная активность

15. Европейская активность

16. Нанотехнология в Японии

опреснение воды

молекулярная оперативная память

наноструктурированные катализаторы

доставка лекарств в организме

полимеры с дисперсным наполнителем

ДНК диагностика