Программа

краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных

работников высшей школы

по направлению

«Нанотехнологии»

на базе учебного курса

«Нанобиотехнология, нанобиотехника и наноструктуры»

Цель: курс предназначен для студентов, аспирантов, преподавателей и инженернотехнических работников вузов, предприятий и организаций, занимающихся научными исследованиями, проектированием, разработкой и эксплуатацией систем нанометрического масштаба в области бионаноэлектроники, биомедицины, бионаносистем в животном и растительном мире.

Категория слушателей: научные и инженерно-технические работники, преподавательский состав системы СОО, СПО и ВПО, студенты бакалавриата и магистры, аспиранты Срок обучения: _36 часов Форма обучения: _дистанционно - очная Режим занятий: продолжительность обучения составляет 36 академических часов ( дней)_ с отрывом от производства и 36 часов – без отрыва от производства Целью данного курса Целью данного курса является ознакомление с физическими основами нанобиотехники, принципами построения нанобиологии, нанобиотехники, проектированием резонанса, разработки и эксплуатацией систем нанометрического масштаба в области бионаноэлектроники, биомедицины, бионаносистем в животном и растительном мире. На примере сведений об общих вопросах развития нанотехнологии, манхэттенского проекта в области нанотехнологии и Германской программы рассматривается перспектива развития нанотехнологии в России.

Проводится лабораторный практикум по освоению навыков работы с приборами мониторинга нанобиообъектов и нанобиосистем с использованием современных приборов с учетом эффектов отражения и прохождения света через биообъекты, ядерно-магнитного резонанса.

Требования к уровню освоения учебного курса Преподаватели должны:

• Знать:

o принципы построения наноустройств;

o методологию их применения в системах системах;

o структуру нанобиоустройств и систем.

• Иметь навыки:

o сбора, систематизации и анализа научно-технической и другой профессиональной информации в области нанобиотехнологии;

o включать приобретенные знания о нанобиотехнологии в уже имеющуюся систему знаний и применять эти знания в самостоятельных методических разработках;

o переносить полученных знания о нанобиотехнологии на смежные предметные области и к использованию этих знаний для построения междисциплинарных методических разработок.

Иметь представление:

• o о теоретических моделях нанобиопроцессов и технологий;

o о возможных механизмах синтеза нанобиоструктур;

o о законах и уравнениях нанобиотехнологии;

o о методах мониторинга нанобиоустройств и систем.

Научные работники должны:

• 1.Знать:

o принципы построения нанобиоустройств;

o методологию их применения в электрогмагнитных системах;

o структуру нанобиоустройств и систем.

o теоретические модели нанобиопроцессов и технологий;

o законы и уравнения нанобиотехнологии.

• 2.Иметь навыки:

o сбора, систематизации и анализа научно-технической и другой профессиональной информации в области нанобиотехнологии;

o планирования и проведения исследований и экспериментов с использованием устройств нанобиотехнологии;

o генерировать новые плодотворные научно-технические и инновационные идеи с использованием технологий нанобиотехнологии;

o переносить полученных знания о нанобиотехнологиях на смежные предметные области и к использованию этих знаний для создания новых объектов техники и технологии и для инновационной деятельности.

• 3.Иметь представление:

o о возможных механизмах синтеза нанобиоструктур;

o о методах мониторинга нанобиоустройств и систем.

Учебный курс «Нанобиотехнология, нанобиотехника и наноструктуры» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного образовательного курса обеспечивает слушателя необходимым объёмом знаний по выбранной тематике, включая подготовку слушателя к проведению лабораторного практикума. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному посещению лаборатории в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены физические принципы построения и методологические основы применения нанобиоустройств в электротехнике. На примере биологических наноструктур, модулей сортировки молекул, микроскопического ротора из бактерий, ультратонкой топливной батареи и нанопирамидок из цепей ДНК демонстрируются возможности совершенствования количественных и качественных характеристик биосистем.

Теоретическая часть учебного курса состоит из семи лекций:

Лекция №1. Введение в нанобиотехнологию Цель и задачи курса, структура курса, методика освоения материалов курса. Общие вопросы развития нанотехнологий, германская программа, программа развития нанотехнологий в России.

Лекция №2. Общие положения и мотивации нанотехники и нанотехнологии Место наноструктурных объектов в пространственно-временной плоскости, характеристики и параметры, фундаментальные основы и области применения нанонауки и нанотехники. Структура нанотехники и иерарахические особенности, некоторые конкретные нанотехнологии в рамке двух диаметрально противоположных подходов.

Лекция №3. Физические основы нанотехники Роль свободных и внутренних поверхностей, объекты нанотехники и их типичные размеры, физические причины специфики нанообъектов, наиболее важных для нанотехники, зависимость средних размеров, наночастицы и доли атомов в поверхностном слое, эффект супермагнетизма.

Лекция №4. Нанобиологические материалы Биологические строительные блоки, размер, понятие строительной молекулы бактериофага, связь наночастиц с молекулярной массой и плотностью, типичные размеры различных биообъектов в нано- и микрометровом диапазоне. Полепептидная наноцепь и белковые наночастицы. Нуклеиновые кислоты, двойная цепь ДНК, генетический код и синтез белка.

Лекция №5. Биологические наноструктуры Мицеллы и везикулы, ПАВ, многослойные пленки. Схема последовательного процесса адсорбции при образовании полиионной пленки.

Лекция №6. Методы исследования, анализа и аттестации наноструктур Методы анализа исследования макроструктуры и макросвойства, связь состава микросвойств материала, задачи микроструктурного анализа, физические основы, физические основы наиболее распространенных активных методов исследования наноструктур.

Лекция №7. Нанобиотехнологии и применение нанотехнологий в медицине Вопросы быстрой сортировки молекул, микроскопический ротор из бактерий, гексагональная наноструктура с включением железа и рутения, нетрадиционная ультротонкая топливная батарея, нанопирамидка из цепей ДНК. Наноматериалы с повышенной контрастностью на магнитно-резонансных изображениях, применение полимерных частиц против рака.

Очная (экспериментальная) часть учебного курса заключается в изучении принципов электронной микроскопии биообъектов на отражательном микроскопе «mini-10».

Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 18 часов соответственно.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

«Нанобиотехнология, нанобиотехника и наноструктуры»

Лекция №1. Введение в нанобиотехнологию.

1. Каким качеством обладает лак с включением керамических наночастиц, созданный в рамках программы NanoMobil?

А. Повышенной водоотталкиванием Б. В 3 раза повышенной устойчивостью к В. Эстетически более красивый Г. Возможностью самоочищения 2. Для каких элементов автомобиля произведены наноразработки по снижению коэффициента трения?

В. Для элементов подшипников Г. Для элементов редукторов 3. Сколько (в рублях) должен составить объем продаж российской продукции наноиндустрии к 2015 году?

4. Какая доля (в %) исследователей до 39 лет, проводящих исследования в области наноиндустрии, планируется к 2015 году?

5. Какая доля (в %) отечественной продукции наноиндустрии планируется к 2015 году в общем объеме нанопродуктов, реализованных на мировом рынке высоких технологий?

Лекция №2. Общие положения и мотивации нанотехники и нанотехнологии 1. Как должна изменяться плотность транзисторов в современных интегральных микросхемах каждые 18 месяцев согласно распространенной формулировке эмпирических законов Мура?

2. Какие две стратегии используются для создания сложных наноэлектронных схем?

А. «справа налево» и «слева направо» Б. «сверху вниз» и «снизу вверх»

В. вверх и вниз по диагонали Г. «вверх-вперед» и «вниз-назад»

3. Как создают наноэлектронные системы при использовании стратегии «сверху вниз»?

А. В объемном материале Б. Из элементарных атомно-молекулярных 4. Как создают наноэлектронные системы при использовании стратегии «снизу вверх»?

А. В объемном материале Б. Из элементарных атомно-молекулярных 5. Какая из наностратегий присуща живым системам?

В. И «сверху вниз», и «снизу вверх» Г. Ни одна из перечисленных Лекция №3. Физические основы нанотехники 1. Из-за чего может произойти атомная реконструкция?

В. Облучением соответствующей волной Г. В результате ненасыщенности связей на 2. Как называется эффект, когда под действием тепловых колебаний вектор самопроизвольного намагничивания начинает хаотически флуктуировать 3. Отличается ли положение атомов, дислоцированных в поверхностном слое от атомов внутренних слоев?

Лекция №4. Субволновая нанофотоника: теория, квантовые точки, нелинейные явления и плазмоны 1. С помощью какого устройства можно наблюдать наноразмерные объекты?

2. Какой характерный размер имеет белок гемоглобин?

3. Какими связями удерживается скрученная система полипептидных наноцепей в компактной структуре белка?

4. Какими связями соединяются аминокислоты в цепочки?

5. Какие связи в глобальной упаковке третичной структуры белка?

Лекция №5. Мониторинг нанофотонных телекоммуникационных систем на различных стадиях их жизненного цикла 1. Что является главным компонентом соединительной ткани, также находится в хрящах, костях и сухожилиях?

2. Какие аминокислоты называются «неприродными», «неестественными»?

3. Что называется поверхностно-активным веществом (ПАВ)?

4. Как называется мутная коллоидная система капель микронных размеров одной несмешивающейся жидкости, диспергированной в другой?

5. Что осаждается в поры слоев органического материала при биоминерализации клеток моллюсков?

Лекция №6. Методы исследования, анализа и аттестации наноструктур 1. В какой области уже перестают быть адекватными приемы, описываемые в таких традиционных дисциплинах, как сопротивление материалов, электротехника, гидравлика и т.п.?

2. Что из перечисленного относится к теоретико-аналитическим подходам?

А. Методы квантовой механики Б. Методы молекулярной динамики В. Термодинамика равновесных и Г. Методы полуэмпирические инженерные неравновесных систем 3. Что из перечисленного относится к теоретико-аналитическим подходам?

А. Методы квантовой механики Б. Методы молекулярной динамики В. Термодинамика равновесных и Г. Методы полуэмпирические инженерные неравновесных систем Лекция №7. Нанобиотехнологии и применение нанотехнологий в медицине 1. Какой самый распространенный инструмент нанотехнолога?

А. Атомно-силовой микроскоп Б. Электронный штангенциркуль В. Флуоресцентный микроскоп Г. Секвенатор 2. От чего напрямую зависит скорость перемещения ДНК под действием электрофореза?

3. Какую бактерию использовали для вращения микроскопического ротора?

4. Благодаря чему получали энергию бактерии, используемые для вращения микроскопического ротора?

5. Что из нанопродуктов может быть использовано в качестве контейнеров для доставки лекарств?

А. Ультратонкая топливная батарея Б. Гексагональная наноструктура с В. Микроскопический ротор из бактерий Г. Нанопирамидки из цепей ДНК Контрольные вопросы для проверки материала в количестве 25 вопросов 1. Нанобиотехнологии: терминология, основные подходы к определению предмета исследований 2. Основные тенденция развития нанобиотехнологий 3. Биотехнологические системы наноразмерного масштаба 4. Общие положения и мотивации нанотехники и нанотехнологии 5. Физические основы нанотехники 6. Классификация нанобиоструктур 7. Нанобиологические материалы 8. Биологические наноструктуры 9. Схема последовательного процесса адсорбции при образовании полиионной 10. Методы исследования, анализа и аттестации наноструктур 11. Физические основы наиболее распространенных активных методов исследования наноструктур 12. Методы анализа исследования макроструктуры и макросвойства 13. Связь состава микросвойств материала 14. Задачи микроструктурного анализа 15. Нанобиотехнологии и применение нанотехнологий в медицине 16. Вопросы быстрой сортировки молекул 17. Микроскопический ротор из бактерий 18. Гексагональная наноструктура с включением железа и рутения 19. Нетрадиционная ультротонкая топливная батарея 20. Нанопирамидка из цепей ДНК 21. Наноматериалы с повышенной контрастностью на магнитно-резонансных изображениях 22. Применение полимерных частиц против рака 23. Структура нанотехники и иерарахические особенности, некоторые конкретные нанотехнологии в рамке двух диаметрально противоположных подходов 24. Место наноструктурных объектов в пространственно-временной плоскости, характеристики и параметры 25. Фундаментальные основы и области применения нанонауки и нанотехники В конце очной части учебного курса слушатели готовят отчеты по темам контрольных рефератов, которые используются для контроля степени усвоения всего учебного курса на базе экспериментальных результатов и их обработки с применением знаний из дистанционной части курса.

«Нанофотоника и дифракционная оптика в телекоммуникациях»

1. Нанобиотехнологии в производстве.

2. Материалы бионанотехнологий.

3. Методы нанобиотехнологии.

4. Самосборка нанобиоструктур.

5. Биологические строительные блоки.

6. Эффект супермагнетизма.

7. Микроскопия бионаноструктур.

8. Мицеллы и везикулы.

9. Многослойные пленки.

10. Биологические объекты нанометрового диапазона.

курса. Общие вопросы.

нанотехники:

Биологические наноструктуры, мицеллы и везикулы, ПАВ, многослойные пленки.

исследования, анализа и аттестации наноструктур Нанобиотехнологии и применение нанотехнологий в медицине:

Список литературы (основной и дополнительной), а также других видов учебно-методологических материалов и пособий, (конспектов лекций, видеолекций, лазерных дисков и др.) 1. Мир электроники: Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам/ Сборник статей под редакцией д.т.н., профессора П.П. Мальцева. – М., Техносфера, 2. Нанотехнологии в электронике / Под редакцией Ю.А. Чаплыгина – М., Техносфера, 3. Ю.И. Головин Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с:

ил.

4. Ч. Пул, Ф. Оуэнс Мир материалов и технологий: Нанотехнологии /Перевод с английского под редакций Ю.И. Головина. – М., Техносфера, 5. Мир материалов и технологий: Нанотехнологии. Наноматериалы.

Наносистемная техника. Мировые достижения – 2008 г/ Сборник под редакцией д.т.н., профессора П.П. Мальцева. – М., Техносфера, 6. Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. М.: Наука, Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса на сайте www.nanoobr.ru Программу составил д.т.н., профессор _ Г.А.Морозов