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

2. Tēmas: Kas ir nanotehnoloģija ?
Nanotehnoloģijas pamatlicēji un vēsture
Nanotehnoloģijas virzieni
Nanotehnoloģisko sistēmu komponenti
Biomehanismi no šūnas komponentiem
Perspektīvie pielietojumi

3. Kas ir nanotehnoloģija ?
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 and
application of structures, devices and systems by controlling shape and size at nanometre
scale.

4. 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

5. Kas ir nanotehnoloģija ?
Atomu izkārtojums nosaka vielas īpašības.
Grafīts un dimants

6. 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.

7. Kas ir nanotehnoloģija ?
Sešdesmitie:
Cietvielu fizika (Mikroelektronika)
Informācijas un komunikāciju tehnoloģija
Astoņdesmitie:
Molekulārā ģenētika
Jaunā biotehnoloģija
21. gadsimts:
Mikroeletronika + molekulārā bioloģija
Nanotehnoloģija

8. Kas ir nanotehnoloģija ?
Paredzamā atdeve lielāka nekā jebkuram citam līdzšinējam cilvēces sasniegumam.
Nanotehnoloģija labos industriālās revolūcijas nodarīto ļaunumu.

9. 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.

10. Nanotehnoloģijas vēsture
Norberts Vīners ( ) kibernētikas principi
Ričards Feinmans ( ) -
apakšā vēl ir daudz vietas (1959.)

11. Nanotehnoloģijas vēsture
Ēriks Drekslers, g. pirmais doktora grāds nanotehnoloģijā MIT, grāmata

12. Nanotehnoloģijas vēsture
pirmo reizi lietots termins "nanotehnoloģija"
pirmais raksts zinātniskajā žurnālā par molekulāro nanotehnoloģiju
atomu spēka mikroskops
atomu pārvietošana ar ASM palīdzību
oglekļa fulerēni
nanodimantu iegūšana no oglekļa ar jonizējošā starojuma palīdzību
DNS elektrovadītspējas atklāšana
oglekļa nanocarules
ASV uzsāk nanotehnoloģijas pētniecības programmu (NNI)
2006. – Nanotehnoloģijas kā ES FP7 prioritāte

13. 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 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 Like today, the majority of global sales will be attributed to manufacturing and
materials (over 55%), followed by electronics and IT (over 23%).
Current situation of key enabling technologies in Europe.
{COM(2009) 512}

14. Pasaules lielais nanotirgus
GLOBAL NANOTECHNOLOGY MARKET,
NANOMEDICAL GLOBAL SALES BY THERAPEUTIC AREA
dolcera.com

15. 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

16. 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

17. Nanosistēmas komponenti:
pozicionēšanas sistēma - skelets;
motori un sviras – funkcionālie elementi;
sensori – maņu orgāni;
programmēšanas sistēma;
makroasemblers - robot (biobot) roka

18. MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Fulerēni - oglekļa atomu sfēras
1996. gada Nobela Prēmija fizikā un ķīmijā
Professor 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.

19. MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA

20. DNS kā celtniecības materiāls
Pozicionēšanas sistēma
DNS kā celtniecības materiāls
Chen JH, Seeman NC
Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube.
Nature 1991 Apr 18;350(6319):631-3

21. nomar.usc.edu/pubs/ Building Blocks for DNA Self-Assembly
Yuriy Brun, Manoj Gopalkrishnan, Dustin Reishus, Bilal Shaw, Nickolas Chelyapov, and Leonard Adleman
nomar.usc.edu/pubs/

22. DNS kā celtniecības materiāls
The enabled state of DNA nanotechnology
Veikko Linko and Hendrik Dietz, 2013

23. (a) DNA nanotubes for NMR-based structural biology
(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

24. MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
DNS STATISKĀ IZLIEKUMA MODELĒŠANA
Estimation of wedge components in curved DNA
L.E.Ulanovsky, E.N.Trifonov
Nature, 326, 720, 1987

25. MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA
Pozicionēšanas sistēma
MOLEKULĀRO MIKROKAPSULU KONSTRUĒŠANA

26. Funkcionālie elementi
Motors

27. Funkcionālie elementi
Motors
R. Schmitt, Biophys.J. 85,

28. Funkcionālie elementi
Motors
Ricky K. Soong et al., “Powering an Inorganic Nanodevice with a Biomolecular Motor,” Science 290 (2000),

29. Funkcionālie elementi
Svira

30. DNS kā signāla pārraides sistēma – elektrības vads - neirons
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma –
elektrības vads - neirons

31. Funkcionālie elementi
Svira

32. DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA

33. Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
FRET – fluorescences rezonanses enerģijas pārnese

34. DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA

35. DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA
Pielietojuma perspektīvas - jau tūlīt
DNS BIOSENSORU KONSTRUĒŠANA

36. Universālais asamblers
SINTĒTISKA ROKA -
ASM MIKROSKOPS

37. Universālais asamblers
JAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
Heinrihs Rorers [Rohrer] (1933, NP )
Gerds Binnigs [Binnig] (1947, NP )
Skenējošā tunelējošā (atomu spēka) mikroskopa izgudrošana

38. Universālais asamblers
JAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
Mikroskopa darbības princips

39. Universālais asamblers
JAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
BioScope AFM
Tapping electrode
Instruments GmbH

40. Universālais asamblers
JAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA
LU ĶFI

41. Universālais asamblers
JAUNA DARBA METODE - ATOMU SPĒKA MIKROSKOPIJA

42. Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma

43. DNS / proteīnu nanosensori un virsmas plazmonu rezonanse (SPR)
Bonanni, M. del Valle / Analytica Chimica Acta 678 (2010) 7–17
Merkocø i / Biosensors and Bioelectronics 26 (2010) 1164–1177

44. DNS kā signāla pārraides sistēma
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma
5’-GCGC; 5’-GGCC
DNS GALU STRUKTŪRAS
37oC
4oC

45. DNS kā signāla pārraides sistēma
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma
ss pārkares galu sekvence modulē DNS kustīgumu elektriskajā laukā PAAG elektroforēzē

46. DNS kā signāla pārraides sistēma
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma
Trīspavedienu DNS veidošanās (Hogstena bāzu pāri), kas var veidot ss pārkares galu struktūras

47. G-(G::C) mijiedarbība C-(G::C) mijiiedarbība
Sensori – maņu orgāni
DNS kā signāla pārraides sistēma
G-(G::C) mijiedarbība
C-(G::C) mijiiedarbība

48. DNS elektrovadītspējas mērījumi ar atomu spēka mikroskopu

49. 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 pārkari 4G/GG
Oligonukleotīdi ar adenīna cilpu un 5’GCGC pārkari 4A/GG

51. 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.

52. 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.

53. NANOKAPSULAS
Nanoparticles are being developed that will deliver vitamins or other nutrients in food and beverages without affecting the taste or appearance.

54. NANOKAPSULAS
Kraft is developing a clear tasteless drink that contains hundreds of flavors in latent nanocapsules

55. 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

56. NANOKAPSULAS Nanotubes and nanoparticles act as gelation agents
Nanocapsule infusion of plant based steroids to replace a meat’s cholesterol

57. NANOKONSERVANTI
Nano-bubbles of ozone with micro-bubbles of an ozone/oxygen mix is used to clean seafood.

58. NANODEVĒJI
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.

59. NANOVIRSMAS
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

60. NANOIEPAKOJUMS
Nanocomposites are used in food packaging to improve the barrier of plastic films and bottles which results in food staying fresh longer

61. NANOIEPAKOJUMS
Clay nanocomposites are being used to provide an impermeable barrier to gasses in lightweight bottles, cartons, and packaging films

62. 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

63. 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.

64. 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

65. NANOIEPAKOJUMS
Antibodies attach to fluorescent nanoparticles to detect chemicals or foodborne pathogens
Biodegradable nanosensors are used for temperature, moisture, and time monitoring

66. 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

67. Pielietojuma perspektīvas - ar laiku
Dr. C.Mavroidis, Rutgers, State University of New Jersy //bionano.rutgers.edu

68. Pielietojuma perspektīvas - ar laiku

69. Pielietojuma perspektīvas - ar laiku
Dr. C.Mavroidis, Rutgers, State University of New Jersy //bionano.rutgers.edu

70. SHORT DESCRIPTION OF THE EVENT
The 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.

71. PRIECĪGUS ZIEMASSVĒTKUS !
NANOZIEMSVĒTKI
PRIECĪGUS ZIEMASSVĒTKUS !