NANOTEHNOLOĢIJA: CERĪBAS UN PERSPEKTĪVAS Indriķis Muižnieks, 2014. g. 12. decembris.
-
Upload
melina-stevens -
Category
Documents
-
view
240 -
download
0
Transcript of NANOTEHNOLOĢIJA: CERĪBAS UN PERSPEKTĪVAS Indriķis Muižnieks, 2014. g. 12. decembris.
NANOTEHNOLOĢIJA:
CERĪBAS UN PERSPEKTĪVAS
Indriķis Muižnieks,2014. g. 12. decembris
• Kas ir nanotehnoloģija ?• Nanotehnoloģijas pamatlicēji un vēsture• Nanotehnoloģijas virzieni• Nanotehnoloģisko sistēmu komponenti• Biomehanismi no šūnas komponentiem• Perspektīvie pielietojumi
Tēmas:
www.zyvex.com/nano/www.nanotech-now.com/www.nbtc.cornell.edu/ www.jnanobiotechnology.com/
Nanotehnoloģija ir vielu un priekšmetu veidošana no atsevišķiem atomiem vai molekulām ar programmētu, dažus nanometrus lielu mehanismu/robotu (biobotu) palīdzību.
Dzīvie organismi - perfektas nanosistēmas.
Nanotechnology is an umbrella term that covers the design, characterization, production andapplication of structures, devices and systems by controlling shape and size at nanometrescale.
Kas ir nanotehnoloģija ?
Key enebling technologies (KET):Eiropā definētās nākotnes tehnoloģijas, ar kuru attīstīsbu saista zinātnes un ekonomikas izaugsmes cerības:
Viedie materiāli – Advanced Materials Nanotehnoloģija – Nanotechnology Mikro un nanoelektronika – Micro and Nanoelectronics Rūpnieciskā biotehnoloģija – Industrial Biotechnology Fotonika - Photonics
Kas ir nanotehnoloģija ?
Atomu izkārtojums nosaka vielas īpašības.
Grafīts un dimants
If we rearrange the atoms in sand (and add a few other trace elements) we can make computer chips.
If we rearrange the atoms in dirt, water and air we can make potatoes.
Sešdesmitie:Cietvielu fizika (Mikroelektronika)Informācijas un komunikāciju tehnoloģija
Astoņdesmitie:Molekulārā ģenētikaJaunā biotehnoloģija
21. gadsimts:Mikroeletronika + molekulārā bioloģijaNanotehnoloģija
Kas ir nanotehnoloģija ?
Kas ir nanotehnoloģija ?
Paredzamā atdeve lielāka nekā jebkuram citam līdzšinējam cilvēces sasniegumam.
Nanotehnoloģija labos industriālās revolūcijas nodarīto ļaunumu.
Kas ir nanotehnoloģija ?
• patēriņa priekšmetu veidošana no atomiem - pašsavācēji roboti• neizmērojami ātrāka datu apstrāde• slimību, novecošanas, nāves kontrole• vides piesārņojuma izbeigšana un esošā piesārņojuma attīrīšana• pārtikas molekulārā sintēze• apdzīvojamas vides veidošana ārpus Zemes
un vēl daudz kas, ja ar šo nepietiek.
Nanotehnoloģijas vēsture
Norberts Vīners (1894. - 1964.) kibernētikas principi
Ričards Feinmans (1918. - 1988.) - apakšā vēl ir daudz vietas (1959.)
Ēriks Drekslers, 1992. g. pirmais doktora grāds nanotehnoloģijā MIT, grāmata
Nanotehnoloģijas vēsture
Nanotehnoloģijas vēsture
1974. - pirmo reizi lietots termins "nanotehnoloģija"1981. - pirmais raksts zinātniskajā žurnālā par molekulāro nanotehnoloģiju1984. - atomu spēka mikroskops1988. - atomu pārvietošana ar ASM palīdzību1990. - oglekļa fulerēni1997. - nanodimantu iegūšana no oglekļa ar
jonizējošā starojuma palīdzību 1998. - DNS elektrovadītspējas atklāšana1998. - oglekļa nanocarules2000. - ASV uzsāk nanotehnoloģijas pētniecības programmu (NNI)2006. – Nanotehnoloģijas kā ES FP7 prioritāte
Nanotehnoloģijas vēsture Kad sāksies nanotehnoloģijas ēra ?Līdz ar pirmā universālā asemblera (atomu savācēja) uzbūvēšanu.Prognoze: 10 gadi
The global market for nanotechnology has been estimated to amount to $147bn in 2007 and to grow to in most optimistic assessments to $1 trillion and possibly to over $3 trillion by 2015. The United States (40%) constitutes the biggest market for nanotechnology, followed by Europe (31%). Both regions are expected to amount to 35% of the worldwide market in 2015. Like today, the majority of global sales will be attributed to manufacturing andmaterials (over 55%), followed by electronics and IT (over 23%).Current situation of key enabling technologies in Europe. {COM(2009) 512}
NANOMEDICAL GLOBAL SALES BY THERAPEUTIC AREA
GLOBAL NANOTECHNOLOGY MARKET, 2011-2017
www.agcs.allianz.com, www.bccresearch.com, dolcera.com
Pasaules lielais nanotirgus
An estimated two million skilled nanotechnology workers will be needed worldwide by the year 2015 – one million of them in the U.S. Graduates are receiving salary offers up to $55,000 per year with a two-year degree Graduates with a baccalaureate degree can expect salary offers up to $65,000 per year Students who choose to continue their education can expect salary offers of $100,000
Nanotehnoloģijas virzieni
"Slapjais" - bioloģisku sistēmu atdarināšana. Dzīvie organismi - perfektas nanosistēmas
"Sausais" - fizikālās ķīmijas un fizikas metožu pielietojums oglekļa, metālu, pusvadītāju elementu nanocauruļu un sfēru ražošanai. Iegūstamie materiāli parasti ir pārāk aktīvi vai elektrovadītspējīgi, lai funkcionētu fizioloģiskos apstākļos. Noderīgi elektronisku, magnētisku, optisku iekārtu radīšanai. Mērķis - radīt “sausās" struktūras, kuras spētu pašsavākties tikpat labi, kā slapjās.Nanotehnoloģisko sistēmu datormodelēšana - "sauso" un "slapjo" struktūru formu un funkciju paredzēšana
pozicionēšanas sistēma - skelets;
motori un sviras – funkcionālie elementi;
sensori – maņu orgāni;
programmēšanas sistēma;
makroasemblers - robot (biobot) roka
Nanosistēmas komponenti:
Pozicionēšanas sistēma
Fulerēni - oglekļa atomu sfēras
1996. gada Nobela Prēmija fizikā un ķīmijāProfessor Robert F. Curl, Jr., Rice University, Houston, USA,Professor Sir Harold W. Kroto, University of Sussex, Brighton, U.K.,Professor Richard E. Smalley, Rice University, Houston, USA.
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēmaMOLEKULĀRO MIKROKAPSULU
KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēmaDNS kā celtniecības materiāls
Chen JH, Seeman NCSynthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube. Nature 1991 Apr 18;350(6319):631-3
Building Blocks for DNA Self-AssemblyYuriy Brun, Manoj Gopalkrishnan, Dustin Reishus, Bilal Shaw, Nickolas Chelyapov, and Leonard Adlemannomar.usc.edu/pubs/
DNS kā celtniecības materiāls
The enabled state of DNA nanotechnologyVeikko Linko and Hendrik Dietz, 2013
(a) DNA nanotubes for NMR-based structural biology. (b) DNA frame for visualizing conformational switching of a G-quadruplex with high-speed AFM. (c) Two-dimensional DNA crystals for organizing and imaging single proteins with cryo-EM. (d) DNA origami gatekeeper on a solidstate nanopore (e) Motor protein ensemble transports a programmable DNA origami cargo (f) Chiral plasmonic nanostructures consisting of a DNA helix bundle and gold nanoparticles. (g) DNA origami-based fluorescent barcodes as in situ imaging probes for fluorescence microscopy. (h) DNA nanorobot, which can encapsulate molecular payloads and display them when triggered by specific cell surface proteins. (i) DNA origami nanochannel that can be anchored to a lipid membrane via cholesterol linkers The enabled state of DNA nanotechnology
Veikko Linko and Hendrik Dietz, 2013
Estimation of wedge components in curved DNA
L.E.Ulanovsky, E.N.Trifonov
Nature, 326, 720, 1987
DNS STATISKĀ IZLIEKUMA MODELĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Funkcionālie elementi
Motors
R. Schmitt, Biophys.J. 85, 843-852. 2003
Funkcionālie elementi
Motors
Ricky K. Soong et al., “Powering an Inorganic Nanodevice with a Biomolecular Motor,” Science 290 (2000), 1555-58.
Funkcionālie elementi Motors
Funkcionālie elementiSvira
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma –
elektrības vads - neirons
Funkcionālie elementi Svira
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
FRET – fluorescences rezonanses enerģijas pārnese
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
Universālais asamblers
SINTĒTISKA ROKA -
ASM MIKROSKOPS
Universālais asamblersJAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
Heinrihs Rorers [Rohrer] (1933, NP - 1986.)
Gerds Binnigs [Binnig] (1947, NP - 1986.)
Skenējošā tunelējošā (atomu spēka) mikroskopa izgudrošana
Universālais asamblersJAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:AFMsetup.jpg
Mikroskopa darbības princips
http://physics.aalto.fi/groups/comp/sin/research/
BioScope AFM
http://Veeco Instruments GmbH
Tapping electrode
Universālais asamblersJAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
LU ĶFI
Universālais asamblersJAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
Universālais asamblersJAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
Sensori – maņu orgāniDNS kā signāla pārraides sistēma
Bonanni, M. del Valle / Analytica Chimica Acta 678 (2010) 7–17
Merkocø i / Biosensors and Bioelectronics 26 (2010) 1164–1177
DNS / proteīnu nanosensori un
virsmas plazmonu rezonanse (SPR)
DNS GALU STRUKTŪRAS
4oC37oC
5’-GCGC; 5’-GGCC
Sensori – maņu orgāniDNS kā signāla pārraides sistēma
3 5'- HO-CGCGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
4 5'- HO-GGCGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
5 5'- HO-CGCGC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
6 5'- HO-CCGGC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
7 5'- HO-GGCCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
8 5'- HO-GCGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
9 5'- HO-ACGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
10 5'- HO-TCGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
11 5'- HO-CCGCC TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-G ACTGACTGACT-32P - 5'
12 5'- HO-GCGCT TGACTGACTGA-OH - 3' 3'- OH-A ACTGACTGACT-32P - 5'
ss pārkares galu sekvence modulē DNS kustīgumu elektriskajā laukā PAAG elektroforēzē
Sensori – maņu orgāniDNS kā signāla pārraides sistēma
Trīspavedienu DNS veidošanās (Hogstena bāzu pāri), kas var veidot ss pārkares galu
struktūras
Sensori – maņu orgāniDNS kā signāla pārraides sistēma
C-(G::C) mijiiedarbība
G-(G::C) mijiedarbība
Sensori – maņu orgāniDNS kā signāla pārraides sistēma
DNS elektrovadītspējas mērījumi ar atomu spēka mikroskopu
Maģistra darbs: 5’GCGC un 5’CGCG pārkares galus saturošu DNS oligonukleotīdu elektroforētiskās
īpašības un vizualizācija atomspēka mikroskopā Darba autors: Dace Bērtule
Oligonukleotīdi ar guanīna cilpu un 5’GCGC pārkari4G/GG
Oligonukleotīdi ar adenīna cilpu un 5’GCGC pārkari4A/GG
NANOPĀRTIKA NANOFOOD
Food is considered a nanofood when nanoparticles are used during cultivation, production, processing, or packing of the food. It does not mean atomically modified food or food produced by nanomachines.
http://www.nutritioninformation.us/nutrition.htm
KĀPĒC NANOMĒROGS?• It allows
manufacturers to combine ingredients that weren’t possible before as well as adding ingredients to end-use products that you otherwise couldn’t. An example of this is white bread with Omega-3.
http://starbakers.in/products-page/bread/
• Nanoparticles are being developed that will deliver vitamins or other nutrients in food and beverages without affecting the taste or appearance. http://southwerk.wordpress.com/2010/11/11/gold-nanoparticles/
NANOKAPSULAS
• Kraft is developing a clear tasteless drink that contains hundreds of flavors in latent nanocapsules
NANOKAPSULAS
• A domestic microwave could be used to trigger release of color, flavor, concentration, and texture of the individual’s choice.
• Smart foods could also sense when an individual is allergic to a food’s ingredients
http://www.vivax.com/default.aspx?tabid=804&newsType=ArticleView&articleId=5138
NANOKAPSULAS
• Nanotubes and nanoparticles act as gelation agents
• Nanocapsule infusion of plant based steroids to replace a meat’s cholesterolhttp://bbq.about.com/od/steaks/ss/
aa110108a.htm
NANOKAPSULAS
NANOKONSERVANTI
• Nano-bubbles of ozone with micro-bubbles of an ozone/oxygen mix is used to clean seafood.
• Biacore’s micro fluidic chip technology is being used to ensure consistent vitamin content in fortified foods, testing for antibiotics in honey and screening for veterinary drug residue in livestock and poultry.
NANODEVĒJI
• OilFresh 1000 is a thin ceramic plate used in deep fat fryers in restaurants to slow the breakdown of the oil so restaurants can fry food faster
• This helps restaurants use less oil and save money. The food will not absorb as much oil either
NANOVIRSMAS
• Nanocomposites are used in food packaging to improve the barrier of plastic films and bottles which results in food staying fresh longer
NANOIEPAKOJUMS
• Clay nanocomposites are being used to provide an impermeable barrier to gasses in lightweight bottles, cartons, and packaging films
http://accelrys.com/resource-center/case-studies/archive/studies/nanocomposites2.html
NANOIEPAKOJUMS
• Storage bins are being produced with silver nanoparticles embedded in the plastic. The silver nanoparticles kill bacteria from any material that was previously stored in the bins, minimizing health risks from harmful bacteria
http://www.trippauctionservices.com/listings/details/index.cfm?itemnum=775198149
NANOIEPAKOJUMS
• Smart packaging is being developed that will be capable of detecting food spoilage and releasing nano-anti-microbes to extend food shelf life. This will allow supermarkets to keep food longer.
http://www.chipsbooks.com/smartpac.htm
NANOIEPAKOJUMS
• Smart packaging could release a dose of additional nutrients to those which it identifies as having special dietary needs, for example calcium molecules to people suffering from osteoporosis http://altmed.creighton.edu/hypertension/Nutritional
%20Supplementation.htm
NANOIEPAKOJUMS
• Antibodies attach to fluorescent nanoparticles to detect chemicals or foodborne pathogens
• Biodegradable nanosensors are used for temperature, moisture, and time monitoring
http://science.csustan.edu/confocal/Images/Chuck/fitc.htm
NANOIEPAKOJUMS
Lielākie pārtikas ražotāji, kas izmanto nanotehnoloģijas
• H.J. Heinz• Nestle• Hershey• Unilever• Campina• General Mills
• Friesland Food• Grolsch• Kraft Foods• Cargill• Pepsi-Cola
Company• ConAgra Foods
Pielietojuma perspektīvas - ar laiku
Dr. C.Mavroidis, Rutgers, State University of New Jersy //bionano.rutgers.edu
Pielietojuma perspektīvas - ar laiku
Pielietojuma perspektīvas - ar laiku
Dr. C.Mavroidis, Rutgers, State University of New Jersy //bionano.rutgers.edu
SHORT DESCRIPTION OF THE EVENTThe EuroNanoForum is a meeting point for industry, science and policy. Organised biannually since 2003, it has grown into the most significant European networking conference focusing on innovations in the various nanotechnology fields and associated industrial sectors.
10-12 JUNE 2015, RIGA, LATVIA EuroNanoForum 2015 is organised in Riga as part of the Latvian presidency of the Council of the European Union.
PRIECĪGUS ZIEMASSVĒTKUS !
NANOZIEMSVĒTKI