Анализ перспектив инновационного развития технологий диагностики наноматериалов и наноустройств

1. Описание технологий диагностики наноматериалов и наноустройств
1.1. Описание технологии и ее связь с другими наукоемкими областями
Важнейшие характеристики в характеристике наносистем обусловлены не специфическим фактором уменьшения размеров частиц, элементов или структур, а принципиально новыми качественными явлениями, присущими наномасштабу или ставшими преобладающими в этом масштабе размеров. Необычные явления проявляются изменением характеристик и свойств материалов и их структурных элементов, в том числе влиянием законов квантовой механики на макроскопические параметры наносистем. На наноуровне возможно формирование до недавнего времени неизвестных объектов вроде квантовых проволок и квантовых точек, тонких пленок с уникальными свойствами, сверхрешеток, углеродных нанотрубок, биологических наноструктур на основе ДНК и т.д. Все это позволяет значительно улучшить свойства материалов и создавать устройства с возможностями, которые ранее были недостижимы за счет использования традиционных технологий. Эти новые формы наносистем предвещают революционные изменения в технологии и промышленности и позволят в ближайшем будущем в полной мере использовать новые модели их поведения [1].
Проведение комплексных междисциплинарных исследований на базе высокотехнологичных организаций, в первую очередь академических институтов и государственных научных центров Российской Федерации, с использованием возможностей малых высокотехнологичных предприятий позволит разработать научные основы нанотехнологий, новые виды наноматериалов, обеспечение создания специального отечественного технологического оборудования для нанотехнологий, а также средств диагностики и метрологического обеспечения при разработке нанотехнологических процессов (интеллектуальные интерферометрические системы, сверхточные нанопозиционеры и др.), а также формирование элементов инфраструктуры на перспективу инновационная наноиндустрия.
Назревающая революция в производстве ‑ нанотехнологические подходы. Благодаря туннельным микроскопам, которые были созданы около 20 лет назад, появились новые возможности в исследовании структур, характеризуемых наноразмерными параметрами. Методы молекулярно-пучковой эпитаксии позволяют осуществлять "конструирование" подобных структур и являются основой будущего крупномасштабного получения сложных систем с наноразмерными параметрами. Растровые туннельные микроскопы и другие исследовательские комплексы раскрыли новое восприятие веществ в наноразмерном диапазоне, создали предпосылки для измерения нано структур и проведения технологических операций с ними. В результате развития вычислительных программно-аппаратных комплексов стало возможным моделирование поведения материалов и систем в наномасштабах [2]. В настоящее время развиваются исследования в области наноструктур и наноматериалов, которые позволяют получит принципиально новые результаты. Традиционные модели и представления о свойствах материалов и микросистем основаны на представлениях о минимальных размерах элементов, которые в основном значительно превышают 100 нм. Если, по крайней мере, одно измерение материального объекта значительно меньше этого критического размера, час то обнаруживаются особые свойства систем, которые нельзя объяснить в рамках существующих моделей и теорий. Так, в рамках различных научных направлений создаются и анализируются наноструктуры, чтобы обнаружить новые явления в промежуточном масштабе между отдельными молекулами и сотнями тысяч молекул, когда формируется понятие отдельной фазы. Наносистемы обеспечивают возможность создания материалов сборкой в атомномолекулярных масштабах (в идеале с использованием явления самоорганизации), формирование объектов методом ультраминиатюризации путем выделения более мелких структур из крупных элементов конкретных фаз.
Появляется практическая возможность конвергенции неорганических, органических и биологических объектов, что позволяет создавать принципиально новые микромашины, микромеханизмы, роботы и биокомпьютеры, интеллектуальные материалы, новые типы медицинских технологий. По существу, речь идет о начале новой технологической революции [2].
В настоящее время лишь формируются некоторые из принципов, используемых для создания на ноструктур "конструированием" из фрагментов. Каждый успех в понимании физических, химических и биологических свойств наносистем открывает новые возможности и принципы построения, сборки наноструктур и наноустройств.
В академических институтах активно ведутся исследования фундаментальных закономерностей формирования и использования наносистем, в программах государственных научных центров Российской Федерации на 2003 и последующие годы предусмотрено проведение разработок в области наноматериалов и нанотехнологий в различных сферах применения: информационных технологиях и электронике, биотехнологии и здравоохранении, машиностроении и транспортных системах, энергетике и производственных технологиях раз личной направленности. Задача Минпромнауки России совместно с РАН и другими федеральными органами исполнительной власти обеспечить эффективную координацию этих работ.

1.2. Анализ ассортимента технологий диагностики наноматериалов и наноустройств
На сегодняшний день на рынке представлен ряд компании-производители спектроскопической техники, являющиеся базовыми игроками в отрасли диагностики наноматериалов и наноустройств. Это такие компании как:
Analytical Spectral Devices, Inc. Американская приборостроительная компания (специализация - аналитическое приборостроение, портативные и лабораторные приборы для спектрального химического анализа), производитель портативного и лабораторного аналитического оборудования. Компания Analytical Spectral Devices производит портативные и лабораторные приборы для оптического спектального анализа в диапазоне от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра (350-2500 nm), УФ-видимые-БИК спектрометры - анализаторы. Компания Analytical Spectral Devices производит компактные лабораторные спектрометры, мобильные спектрометры и портативные анализаторы для ближнего ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра [3]. УФ-видимые-БИК спектрометры и анализаторы оснащаются оптоволоконным зондом для полевого и лабораторного спектрального анализа различных твёрдых образцов, есть портативный спектрометр с открытым лучём для дистанционного спектрального анализа, дистанционной отражательной оптической спектроскопии (спектрорадиометр). На базе своих УФ-Вид-БИК спектрометров компания Analytical Spectral Devices производит мобильные анализаторы для экспресс-анализа и контроля качества продукции пищевой и фармацевтической промышленности: анализатор качества мяса (УФ-Вид-БИК спектрометр с волоконной оптикой для контроля качества говядины), экспресс-анализаторы лекарств - УФ-Вид-БИК спектрометр с оптико-волоконным зондом для неразрушающего контроля качества готовых лекарственных средств в аптечной сети, портативный анализатор для определения поддельных лекарственных препаратов (БИК спектрометр с оптико-волоконным зондом и системой обработки данных в прочном кейсе).
Компания Analytical Spectral Devices несколько вариантов носимых, ранцевых УФ-Вид-БИК спектрометров - экспресс-анализаторов с оптоволоконным зондом для решения различных аналитических задач, в том числе портативный анализатор для агротехники, агрономии, сельско-хозяйственных предприятий. Этот ранцевый БИК спектрометр помимо обычного оптоволоконного зонда для экспресс-анализа химического состава сельскохозяйственной продукции, почвы, органических удобрений, комплектуется специальным оптико-волоконным зондом для спектрального анализа листьев живых растений (the plant probe and leaf clip assembly). Носимые (ранцевые) УФ-видимые-БИК спектрометры компании Analytical Spectral Devices выглядят интересно - спектрометр в специальном рюкзаке на спине, портативный компьютер на специальном столике на груди, оптоволоконный зонд в руке. И в таком снаряжении можно ходить по полю, проводить спектальный химический анализ. В том числе и живых растений.
B&W Tek, Inc. Американская приборостроительная компания, специализация - аналитическое и научное приборостроение, оптические аналитические приборы, Рамановские спектрометры, БИК спектрометры, УФ-видимые спектрофотометры, спектрофлуориметры, лазеры. Производитель портативного, лабораторного и промышленного аналитического оборудования (приборы и оборудование для оптической спектроскопии [3], портативные и поточные спектроскопические анализаторы, промышленные системы для спектральных методов химического анализа). Компания B&W Tek производит компактные и мобильные УФ-видимые спектрометры, БИК спектрометры, переносные, портативные Рамановские спектрометры с оптико-волоконным зондом, промышленные Рамановские спектрометры - поточные промышленные анализаторы. Компания производит компактные лабораторные и мобильные спектрометры с ПЗУ матрицей, без движущихся частей для ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазона - УФ-видимые спектрометры (спектрофотометры), БИК спектрометр, спектрофлуориметр, Рамановские спектрометры. Компания B&W Tek производит целый ряд компактных спектрометров, подходящих для оснащения мобильной аналитической лаборатории, полевого спектрального химического анализа, включая портативный, переносной Рамановский спектрометр с волоконно-оптическим зондом и автономным электропитанием от аккумуляторной батареи. Производит промышленный поточный спектрометр - анализатор в различных модификациях для широкого спектра длин волн (УФ, видимый, БИК диапазон). Компания B&W Tek производит Рамановский поточный спектрометр - поточный спектроскопический анализатор для непрерывного контроля технологических процессов. Производит оптоволоконные зонды, аксессуары для оптических спектрометров, электронно-оптические и электронные компоненты, функциональные блоки для аналитических и научных приборов (лазерные модули, оптоволоконные лазерные источники света для Рамановских спектрометров).
Brimrose Corporation of America. Американская приборостроительная компания, специализация - аналитическое приборостроение, приборы для оптических методов химического анализа, непрерывного аналитического контроля технологического процесса (лабораторное, портативное, промышленное аналитическое оборудование для химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической промышленности). Производитель лабораторных, портативных и промышленных БИК спектрометров (лабораторные, портативные и поточные промышленные анализаторы работающие в ближней инфракрасной области). Производитель оптических комплектующих деталей для аналитических и научных приборов, медицинского и технологического оборудования (твердотельные лазеры, светодиодные лазерные модули). Brimrose Corporation производит лабораторные, портативные и промышленные оптические спектрометры для ближней и средней инфракрасной области спектра (оптические спектрометры для ближнего и среднего ИК диапазона, БИК спектрометры) разработанные для решения прикладных аналитических задач - идентификации химических соединений в полевых условиях, местах хранения и разгрузки, анализа компонентного состава и измерения влажности исходного сырья, аналитического контроля технологических параметров на производстве, контроля качества готовой продукции химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической промышленности [4].
Спектрометры для ближнего и среднего ИК диапазона компании Brimrose Corporation (Acoustic Optic Tunable Filter Near Infrared spectrometers или AOTF-NIR spectrometers) отличаются компактной, прочной конструкцией (портативное и промышленное исполнение), отсутствием движущихся частей и быстрым сканированием спектра (контроль технологических процессов, химических реакций в реальном времени). Компания производит также 16 канальный оптический мультиплексор как экономичное решение для параллельного контроля нескольких технологических процессов.