Актуальность проблематики

В настоящее время в стадии разработки находятся фундаментальные основы индустрии наносистем нового поколения. Отличительной чертой этой индустрии является многоуровневый процессинг (измерение, контроль, управление, обработка) множества корпоративно действующих открытых неравновесных квантовых наноэлементов. Квантово-размерные элементы сложных наносистем нового поколения по физико-химическим свойствам оказываются «равноудалёнными», как от атомов и молекул, так и от квазиравновесных субмикроскопических корпускул. Критические размеры таких наночастиц менее 10 нм. Новый класс наночастиц имеет сходство с известными в биологии структурными наноэлементами клетки. Например, с тубуленами (размер около 8 нм), которые являются основным строительным элементом цитоскелета, играющего ключевую роль в процессах обработки информации в живой клетке. Подобные биологическим, энергонасыщенные, корпоративно действующие, малые биомиметические наночастицы требуют фундаментального исследования с целью разработки их наноинжиниринга.

В инжиниринге нанотехнологий первого поколения упор был сделан на квантово-размерные эффекты. Их легко получить, управляя расположением атомов, молекул, а также дефектов в матрице конденсированного состояния. Например, формируя нанослоевые интерфейсы различных фаз, одномерные и нульмерные сегрегации химических частиц определённого состава. В методах конструирования инжиниринга первого поколения физико-химические наносистемные процессы подчиняются управлению через целенаправленное изменение внешних для них термодинамических интенсивных переменных — параметров макросистемы: температуры T, давления P, тензора механических напряжений σ, химических потенциалов элементов μ, напряженности электрического поля Е и т.п.

В наноинжиниринге биомиметических наносистем нового поколения процессы монтажа не могут однозначно управляться только внешними термодинамическими переменными. Они способны сложно корпоративно самоуправляться, используя скрытые внутренние кинематические степени свободы, активируемые на очень короткие субфемтосекундные интервалы времени в предельно малых нано-областях когерентно коррелированного движения биомиметических наночастиц. Фемтосекундная корпоративная мультикинетика задаёт самосборку и самоорганизацию биомиметических наносистем. Требуется детальное исследование фундаментальных основ и компьютерных методов инжиниринга биомиметических наносистем.

Развиваемый нами подход основан на концепции доминирования фундаментальных квантовых диссипативных наноструктур в адаптивном поведении биомиметических наносистем. Решение стоящих проблем должно дать возможность построения замкнутых нанотехнологических линий по самопроизводству наноустройств различного функционального назначения. Создание адаптивных к внешним условиям среды кибернетических наноустройств и приборов является наиболее приоритетной целью развития наноинжиниринга биомиметических наносистем. Особую значимость это имеет для резкого повышения эффективности производства и утилизации энергии, информации, материалов, а также создание принципиально новых наносистем, обладающих свойствами быстрой адаптации к окружающей среде и сверхскоростными ресурсами интеллекта.

Создание инновационной наноиндустрии нового поколения требует опережающих темпов развития её фундаментальной триады: «нанонаука — наноинжиниринг — нанотехнологии». Новые нанотехнологии имеют два основных фундаментальных отличия от существующих технологий первого поколения. Основой нанотехнологий должны стать фемто- и аттосекундные методы импульсного когерентного процессинга неравновесных наносистем, а также наноинжиниринг самосборки и самоорганизации биомиметических наносистем.

Препятствием на пути развития триады индустрии наносистем нового поколения является отсутствие в настоящее время источников когерентного импульсного излучения в области вакуумного ультрафиолета (УФ) и мягкого рентгена (МР), требующиеся для остро фокусируемого субфемтосекундного процессинга биомиметических наносистем. Разработчики, не имея инструментов наблюдения и процессинга, не могут пока понять, что происходит в ходе монтажа. Единственным «наноскопом» в эксперименте является компьютерный наноинжиниринг биомиметических систем. В программе с целью решения когнитивных задач применены компьютерные методы имитирования фемтосекундного наноинжиниринга биомиметических наносистем и созданы для проведения имитационных экспериментов мультимедийные программные комплексы «Компьютерной нанотехнологии» («КомпНаноТех») и «Компьютерный наноинжиниринг».

В связи с вышеотмеченным актуальными являются представленные в программе анализ и интерпретация результатов решения нескольких новых задач в области фемтосекундного наноинжиниринга биомиметических наносистем водорода, углерода, переходных и благородных металлов, полупроводников с помощью разработанных программных комплексов.