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


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



Paredzamā atdeve lielāka nekā jebkuram citam līdzšinējam cilvēces sasniegumam.

Nanotehnoloģija labos industriālās revolūcijas nodarīto ļaunumu.


• 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



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





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






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


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


LU ĶFI



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


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


Trīspavedienu DNS veidošanās (Hogstena bāzu pāri), kas var veidot ss pārkares galu

struktūras


C-(G::C) mijiiedarbība

G-(G::C) mijiedarbība


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



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

Documents

NANOTEHNOLOĢIJA: CERĪBAS UN PERSPEKTĪVAS Indriķis Muižnieks, 2014. g. 12. decembris