Výzkum nanotechnologií a nanomateriálù v Evropì a USA

Transkript

1 Pátý rámcový program evropského výzkumu a technického rozvoje Oborová kontaktní organizace pro průmyslový výzkum a vývoj v České republice - Svaz průmyslu a dopravy Oborová kontaktní organizace pro výzkum materiálů a technologií - Česká společnost pro nové materiály a technologie 5 Výzkum nanotechnologií a nanomateriálù v Evropì a USA Tasilo Prnka èervenec 2001

2 Svaz průmyslu a dopravy (SPD) a Česká společnost pro nové materiály a technologie (ČSNMT) jsou řešiteli projektů programu MŠMT EUPRO, vyhlášeného na podporu integrace českého výzkumu a vývoje do sítě evropských pracovišť. SPD řeší projekt OK 426 Oborová kontaktní organizace pro průmyslový výzkum a vývoj, ČSNMT řeší projekt OK 427 Oborová kontaktní organizace pro výzkum materiálů a technologií. Obě organizace vydávají společně další příručku, v pořadí pátou, obsahující popis současné situace výzkumu nanotechnologií a nanomateriálů v Evropě a USA. Nanotechnologie jsou významnou výzkumnou oblastí 5. Rámcového programu EU a budou prioritním výzkumným směrem v 6. Rámcovém programu EU. Příručka může mít mnohostranné využití. Poslouží našim výzkumným pracovištím k porovnání zaměření vlastních výzkumných prací se světovým trendem v této oblasti, může být zdrojem inspirací pro návrhy námětů projektů, může pomoci při vyhledávání partnerských výzkumných pracovišť v zahraničí, napomůže při upřesňování priorit výzkumu a vývoje v připravovaném národním programu orientovaného výzkumu a vývoje a snad upozorní vedoucí pracovníky našeho průmyslu a malých a středních podniků na nové, rychle se rozvíjející interdisciplinární odvětví, o kterém se předpokládá, že způsobí novou vědeckou a technickou revoluci. Ing. Karel Šperlink, CSc. vice-president SPD president ČSNMT Tasilo Prnka, 2001 Česká společnost pro nové materiály a technologie, 2001 ISBN

3 OBSAH str. 1. Úvod Definice Nanotechnologie v 5. Rámcovém programu EU Rámcový program EU COST EUREKA European Scientific Foundation (ESF) Vědecké programy NATO (civilní výzkum) Velká Británie Německo Finsko Švédsko Francie USA Závěr Literatura a Internet... 63

4 4

5 1. ÚVOD Uplynulo již 42 let od památné přednášky laureáta Nobelovy ceny fyzika Richarda Feynmana There is plenty room at the bottom /1/, kterou přednesl na výročním zasedání American Physical Society v California Institute of Technology (Caltech), a ve které předpověděl možnost vytváření materiálů a mechanizmů na úrovni atomů a molekul. Feynman tehdy naznačil, že to bude možné, až bude k dispozici experimentální technika, která umožní manipulovat s nano -strukturami a měřit jejich vlastnosti. V osmdesátých letech byly takové přístroje vynalezeny. Tyto přístroje, jako např. rastrovací tunelový mikroskop (STM), mikroskop využívající atomových sil (AFM), optický rastrovací sondový mikroskop blízkého pole (NSOM) apod., umožňují zkoumání nanostruktur. Souběžně probíhající expanze kapacity počítačů pak dovoluje sofistikované simulace materiálových vlastností v nanorozměrech (1-100 nm). V současné době výzkum směřuje k aplikacím, které významně zlepší stávající technologie. Výzkumy v oblasti ultrajemné mechaniky probíhají s cílem dosáhnout téměř dokonalého opracování součástí, magnetických hlav a optických prvků. Výroba prášků a krystalů v nanorozměrech může zabezpečit nová mazadla, otěruvzdorné povlaky strojních sou-částek a katalyzátory chemických reakcí. Vědci objevují možnosti samoorganizace základních kamenů hmoty (self-assembly) s cílem vytváření struktur chemickou syntézou, podle vzoru biologických procesů samouspořádávání. Rovněž lékařství může v blízké budoucnosti profitovat z nanotechnologií. Nanosenzory implantované do lidského těla mohou např. indikovat, kdy diabetik potřebuje svoji dávku inzulínu, nebo senzory zabudované do náramkových hodinek mohou detekovat nebezpečné množství škodlivých plynů v ovzduší a mohou tak upozornit na možný astmatický záchvat. Přesto lze současnou úroveň poznatků, postupů a technologií v oblasti nanotechnologií přirovnat k situaci v elektronice, výpočetní technice a telekomunikacích koncem čtyřicátých a na začátku padesátých let minulého století, krátce po vynálezu tranzistoru. Teprve začínáme rozumět podstatě zákonitostí, kterými se řídí fyzikální, chemické, biologické a jiné procesy v nanorozměrech. Vlastnosti hmoty v nano měřítku nejsou totiž vždy předvídatelné na základě zkoumání ve větších rozměrech. Významné změny chování materiálů jsou způsobeny nejen plynulou modifikací jejich charakteristických vlastností se zmenšujícími se rozměry, ale působením jevů jako jsou např. kvantové jevy, převažující vliv povrchových jevů atd. Jakmile bude možné řídit rozměry a tvar nanostruktur, bude rovněž možné zlepšit materiálové vlastnosti a účinnost zařízení za hranice ležící mimo naše představy. Nanostrukturami, které v současné době známe, jsou např. uhlíkové nanotrubice, proteiny, DNA, jednoelektronové tranzistory, ale i prášky a vrstvy o rozměrech nanometrů. Racionální vytváření a integrace materiálů a zařízení v nanorozměrech ohlašuje novou vědeckou a technickou revoluci, za podmínky, že objevíme a plně využijeme nám dosud neznámé principy a zákonitosti. V posledních deseti létech je vyvíjeno enormní úsilí v oblasti základního výzkumu, zejména v oblasti nanoelektroniky, ale i v ostatních oblastech. Některé objevy ve fyzice, např. objev obří magnetické rezistence ve vrstvách rozměru nanometrů (1988), vedl již za 8 let k praktickému využití jevu při konstrukci harddisků nové generace. Nanotechnologie je oblast výzkumu, která zahrnuje velké množství vědních disciplín jako jsou fyzika, chemie, biologie, elektronika, inženýrství atd. Z toho vyplývá, že tato oblast vyžaduje interdisciplinární přístup k řešení problémů. Před deseti - patnácti léty se vědci všech vědních disciplín začali postupně s narůstající intenzitou zaměřovat na nanotechnologie a nanomateriály. Skrytý potenciál problematiky 5

6 byl rozpoznán a v řadě států byly vyhlášeny výzkumné programy zaměřené na tuto oblast. Pozadu nezůstaly ani nadnárodní aktivity, jako např. 5. Rámcový program výzkumu a vývoje EU, program COST, programy European Scientific Foundation (ESF) atd. Prioritní orientaci na na-notechnologie nalezneme i v tématickém zaměření 6. Rámcového programu výzkumu a vývoje EU. Na oblast nanotechnologií a nanomateriálů je rovněž v rozsáhlé míře soustředěna i institucionální podpora výzkumných pracovišť, vznikají sítě zaměřené na různé vědní obory v oboru nanotechnologií, vydává se množství monografií a na oblast nanorozměrů se orientují nově vzniklá periodika i klasické časopisy. Předložená práce obsahuje přehled hlavních nadnárodních a vybraných národních aktivit ve výzkumu nanotechnologií a nanomateriálů v Evropě a USA. 6

7 2. DEFINICE Pro účely této studie je vhodné blíže se seznámit se dvěma pojmy - nanotechnologie a nanomateriály NANOTECHNOLOGIE Definice pojmu nanotechnologie se poněkud v jednotlivých programech a u různých autorů liší. Jako první použil tohoto termínu Taniguchi v roce 1974 /2/, když popisoval výrobní technologie a měřicí techniky, při kterých je možné dosáhnout přesností nanometrů. Dnes má tento termín širší pojetí. Nanotechnologie je studium a použití materiálů, zařízení a systémů o rozměrech řádově nanometrů /3/. Nanotechnologie je populární termín pro vytváření a využití funkčních struktur s minimálně jedním charakteristickým rozměrem měřeným v nanometrech /4/. Nanotechnologie si lze představit jako všezahrnující popis aktivit na úrovni atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě /5/. Nanotechnologie je rozvíjející se obor výzkumu a vývoje zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (0,1-100 nm, alespoň v jednom rozměru). Nanotechnologie je rovněž skupina rozvíjejících se technologií (technologie v pevném stavu, biotechnologie, chemické technologie aj.), které metodami shora dolů (top-bottom) a zdola nahoru (bottom-up) konvergují k nanorozměrům. V současné době sestává nanotechnologie ze čtyř hlavních oblastí: nanoelektroniky, nanomateriálů, molekulární nanotechnologie a mikroskopů pracujících s rozlišitelností v nanometrech /6/. Nanotechnologie je v podstatě nauka o materiálech o rozměrech nanometrů /7/. Je třeba poznamenat, že oblast definovaná v nanometrech a zejména nové jevy, které v této oblasti pozorujeme, je třeba odlišovat od rozměrové oblasti řádově mikrometrů a technologií, které se v této oblasti prosazují. V USA jsou to MEMS (microelectromechanical systems) a v Evropě mikrosystémové technologie NANOMATERIÁLY Nanomateriály se vyznačují následujícími společnými znaky /8/: a) stavebními jednotkami jsou nanočástice s definovanými vlastnostmi: rozměry, tvarem, atomovou strukturou, krystalinitou, mezifázovým rozhraním, homogenním/heterogenním složením a chemickým složením. Rozměry jsou limitovány v oblasti od molekul k pevným částicím menším než 100 nm. Vlivem malých rozměrů v některých případech počet povrchových atomů převyšuje počet atomů ve vnitřním objemu. b) tyto stavební jednotky jsou uspořádané v makroskopických multi-klastrových materiálech s velmi různorodým topologickým pořádkem. Chemicky identické částice mohou být těsně uspořádány a kompaktovány za vzniku hranic zrn. Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencencí nebo podložkou a mohou vytvářet nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity, keramické nebo jiné tenké filmy nebo vrstvy. c) stavební jednotky a jejich topologie mohou sloužit pro vytváření rozměrnějších materiálů vhodných pro technické aplikace. Nanomateriály (nanostrukturní materiály) jsou ty, jejichž nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky (částice, klastry, dutiny) o rozměrech mezi nm, přinejmenším ve dvou rozměrech /9/. 7

8 3. NANOTECHNOLOGIE V 5. RÁMCOVÉM PROGRAMU EU Struktura 5. Rámcového programu EU je popsána např. v /10/. Výzkum nanotechnologií a nanomateriálů je podporován v tématických programech LIFE (Kvalita života a řízení živých zdrojů), IST (Uživatelsky přátelská informační společnost) a GROWTH (Konkurenceschopnost a trvalý růst) LIFE Výzkum nanotechnologií je podporován v rámci klíčové aktivity KA 3 Buněčná továrna - The Cell Factory. Podprogram KA 3 (3.3.1.) je zaměřen na využití buněčných a molekulárních charakteristik organismů pro nové nano- a mikrotechnologie nebo na oblasti relevantní generické aktivitě Výzkum genomu a chorob genetického původu. Předpokládá se, že výzkumné aktivity budou orientovány zejména na nanobiotechnologie a studium molekul, spojování molekul a buněk na přírodních i syntetických površích a na funkční struktury IST Výzkum nanotechnologií je v programu IST podporován v rámci klíčové aktivity KA 4 Základní technologie a infrastruktury, v programu Mezioborová témata - CPA a v generické aktivitě Technologie pro budoucnost - FET KLÍÈOVÁ AKTIVITA KA 4, PODPROGRAM IV.8. MIKROELEKTRO- NIKA, SMÌR IV.8.2. MIKROELEKTRONICKÉ TECHNOLOGIE Směr si klade za cíl zvýšení rychlosti přenosu dat a zvýšení kapacity pamětí. Jedním z dílčích cílů je výzkum a vývoj zařízení, technologií a materiálů v oboru nanorozměrů pro mikroelektronické technologie uvažované pro průmyslové využití za 8-12 let KLÍÈOVÁ AKTIVITA KA 4, PODPROGRAM IV.8. MIKROELEKTRO- NIKA, SMÌR IV.8.3. OPTICKÉ A OPTOELEKTRONICKÉ TECHNOLOGIE Směr si klade za cíl komplexní výzkum a vývoj optických a optoelektronických systémů pro zpracování informací, telekomunikaci, uchovávání dat, pro senzory a zobrazování a předpokládá využití i nanotechnologií KLÍÈOVÁ AKTIVITA KA 4, PODPROGRAM IV.7 MIKROSYSTÉMY, SMÌR IV.7.2. MULTIFUNKÈNÍ SYSTÉMY Směr je zaměřen na výzkum multifunkčních inteligentních mikro- a nanosystémů a jejich integraci a ověření při aplikaci v reálných podmínkách PRÙØEZOVÁ AKTIVITA MEZIOBOROVÉHO PROGRAMU IST V.1.10-CPA 10 DALŠÍ GENERACE MIKRO- A NANOTECH- NOLOGIÍ Je zaměřena na aplikace v oblasti vysoké integrace. Cílovými oblastmi jsou vědy o živé přírodě, zdraví, systémy životního prostředí a komunikace GENERICKÁ AKTIVITA TECHNOLOGIE PRO BUDOUCNOST - FET V rámci aktivity FET se oblasti nanotechnologií týkají dva podprogramy: FET VI.2.1. Nanotechnologická informační zařízení (NID) NID podporuje inovativní výzkum zaměřený na vývoj nových koncepcí systémů zpracování 8

9 informací pracujících na úrovni nanorozměrů. Sledují se tři cíle: Vývoj nových architektur a konstrukcí systémů zpracování informací. Zde se očekává využití poznatků z nauky o počítačích, biologie a neuroinformatiky. Vývoj nových zařízení. Cílem je demonstrovat logické brány, paměťové buňky a jiné elementární procesory. Předpokládá se funkční rozhraní s makroskopickým světem. Součástí výzkumu je vývoj funkčních materiálů a struktur. Vývoj nástrojů a technologií vytváření struktur s kritickými rozměry pod 10 nm. Klíčovými otázkami jsou v tomto případě cena a možnost miniaturizace. Důraz je kladen na koncepce a techniky mající svůj základ v organické chemii a bioinženýrství při použití strukturování povrchu a nanomanipulaci. Do tohoto cíle patří i metody samoorganizace a samoskládání hmoty. FET VI.1.1 Otevřená doména (Open Domain) Podporuje se dlouhodobý a vysoce rizikový výzkum, m.j. i v oboru nanotechnologií, který není pokryt jinými aktivitami IST GROWTH Výzkum nanotechnologií a nanomateriálů se v programu GROWTH podporuje v rámci klíčové aktivity KA 1 Inovační výrobky, procesy a organizace a v generických aktivitách 1 A Materiály a technologie jejich výroby a přeměny a 2 A Měření a zkoušení KLÍÈOVÁ AKTIVITA KA 1 MIKRO A NANOSYSTÉMY TRA 1.5 Výrobky/služby. V rámci této aktivity se podporuje vývoj nových miniaturizovaných systémů a jejich integrace do výrobků pokrokových mikro- a nanosoučástek. TRA 1.6. Stroje. V rámci této aktivity se podporuje vývoj nové generace strojů, výrobních zařízení a výrobních systémů rovněž na úrovni mikro- a nanorozměrů a opracování s přesností nanometrů GENERICKÁ AKTIVITA 1 A V rámci této aktivity se podporuje jednak výzkum dlouhodobého charakteru směřující do aplikací v mnoha sektorech, jednak výzkum a vývoj inovačního charakteru zaměřený na cíle klíčových aktivit v jednotlivých tématických programech. Bylo stanoveno pět výzkumných priorit /11/, z nichž dvě zahrnují i výzkum nanotechnologií a nanomateriálů. Priorita č. 1 Materiálové technologie multidisciplinárního charakteru obsahuje i nanotechnologie jako vývoj nových materiálů na molekulární a atomové úrovni. Priorita č. 2 Pokrokové funkční materiály obsahuje vývoj funkčních materiálů na úrov-ni nanometrů (materiály pro elektroniku, displeje, nelineární optické komponenty, magnetické a optické materiály, včetně supravodičů, materiály pro senzory, biomateriály, včetně materiálů se zlepšenou kompatibilitou pro implantáty a biosenzory apod.) GENERICKÁ AKTIVITA 2 A Projekty v oborech měření, zobrazování a analýzy v oblasti nanometrů je možné podávat v podprogramech Výzkum přístrojů pro zlepšení kvality a Metody měření a zkoušení na podporu kvality. 9

10 4. NANOTECHNOLOGIE V 6. RÁMCOVÉM PROGRAMU EU V návaznosti na realizaci programu Vytváření Evropského výzkumného prostoru /12/ navrhla Komise EU v květnu 2001 vyhlásit na období Rámcový program výzkumu, technického rozvoje a demonstrací. Jedna ze tří hlavních aktivit - Integrovaný výzkum - je rozdělena do sedmi tématických oblastí: Genomika a biotechnologie pro zdraví Technologie pro informační společnost Nanotechnologie, inteligentní materiály, nové výrobní procesy Letectví a kosmický výzkum Bezpečnost potravin a zdravotní rizika Trvale udržitelný vývoj a globální změny Občané a vládnutí v evropské znalostní společnosti S výzkumem nanotechnologií a nanomateriálů se uvažuje především v tématických oblastech genomika a biotechnologie pro zdraví, technologie pro informační společnost a nanotechnologie, inteligentní materiály a nové výrobní procesy GENOMIKA A BIOTECHNOLOGIE PRO ZDRAVÍ V rámci tématické oblasti se uvažuje s následujícími výzkumnými prioritami: Základní poznatky a nástroje funkční genomiky 10 Výzkumná činnost by měla zahrnout studium intenzity uplatnění (exprese) genů a proteomiky, strukturální genomiku, srovnávací genomiku a genetiku populace a bioinformatiku. Výzkum by měl probíhat v nanorozměrech při studiu funkcí a interakcí proteinů, třírozměrné struktury proteinů a makromolekul atd. Aplikace genomiky a biotechnologie pro zdraví Cílem této priority je podpora konkurenceschopnosti evropského biotechnologického průmyslu a dosažení pokroku v biotechnologiích. Bude podporována spolupráce akademické sféry s průmyslovou (technologické základny) a inovativní výzkum genomiky v začínajících (start-up) firmách. Aplikace v lékařství a zdravotnictví Výzkumná činnost by se měla zaměřit především na boj s rakovinou, kardiovaskulárními chorobami a s vzácnými chorobami a rovněž na výzkum vzrůstající odolnosti patogenů proti lékům. Další významnou oblastí je studium mozku a boj s chorobami nervového systému a rovněž studium lidského vývoje a procesů stárnutí. Zejména v této poslední oblasti bude výzkum probíhat rovněž studiem rozhodujících molekulárních a buněčných činitelů, působících na procesy stárnutí. Konfrontace s hlavními nakažlivými chorobami, které vedou k chudobě Strategickým cílem této priority je konfrontace se světovým ohrožením způsobeným třemi hlavními nakažlivými chorobami : HIV/AIDS, malárií a tuberkulózou. Předpokládá se široce založený výzkum zahrnující rovněž základní molekulární výzkum, využití mikrobiální genetiky atd.

11 4.2. TECHNOLOGIE PRO INFORMAÈNÍ SPOLEÈNOST V této tématické oblasti, o které se tvrdí, že přeměňuje ekonomiku a společnost, byly vybrány následující výzkumné priority: Aplikovaný výzkum informačních technologií, zaměřený na největší sociální a ekonomické problémy. Výzkum se zaměří na techniky utajování a spolehlivosti informací, na sociální problémy (zdravotnictví, bezpečnost, mobilita, životní prostředí, ochrana kulturního dědictví apod.), na problematiku práce a obchodu (e-business, e-goverment, elektronický a mobilní obchod, e-work systems, e-learning) a na komplexní řešení problémů ve vědě, technice, obchodu a společnosti. Komunikace a počítačová infrastruktura Cílem této priority je upevnění evropské pozice a další vývoj v oblastech jako jsou mobilní komunikace, spotřební elektronika, softwareové technologie, komplexní distribuované systémy apod. Komponenty a mikrosystémy Tato priorita bude zaměřena na dvě oblasti: Mikro-, nano- a opto- elektronika. Výzkum bude orientován na odhalení dalších možností miniaturizace při výrobě CMOS (alternativní technologie výroby, nové materiály a struktury apod.), vývoj nových a zlepšených optických, optoelektronických a fotonických funkčních součástek, nanozařízení a zařízení využívajících možností molekulární elektroniky. Mikro- a nano- technologie, mikrosystémy a displeje. Výzkum se zaměří na nové aplikace a funkce vyplývající z možností multidisciplinárních interakcí (elektronika, mechanika, chemie, biologie apod.) za použití mikro- a nano- struktur a nových mate-riálů. Cílem je vývoj inovativních, levných a spolehlivých mikrosystémů, displejů s vysokým rozlišením a pokrokových senzorů, včetně levných senzorů vidění a senzorů biometrických a hmatových. Výzkumná činnost v oblasti nanozařízení a nanosystémů se zaměří na využití základních jevů, procesů a struktur, které slibují nové a zlešené funkce vnímání nebo ovládání, jakož i jejich integraci a výrobu. Technologie přístupu k vědomostem a výzkum rozhraní Cílem této priority je výzkum technologií a způsobů získávání, modelování, prezentování, zviditelňování, interpretování a sdílení znalostí a vědomostí. Bude rovněž podporován výzkum technologií podporujících design, vytváření, řízení a zveřejňování multimediálních informací. Další oblastí výzkumu budou inteligentní rozhraní a povrchy, včetně senzorů rozlišujících řeč a gesta, s cílem plynulé lidské interakce s přístroji a zařízeními, virtuálními i fyzikálními objekty. Práce se rovněž zaměří na mnohojazyčný a mnohokulturní přístup a komunikaci, s cílem umožnit časově úsporné a levné služby při osobních, obchodních a odborných kontaktech NANOTECHNOLOGIE, INTELIGENTNÍ MATERIÁLY A NOVÉ VÝROBNÍ PROCESY Tato tématická oblast je zaměřena na podporu evropského průmyslu, před kterým stojí změna přístupů: - z přístupu k výrobě orientované na zdroje na výrobu orientovanou na znalosti 11

12 - z přístupu založeného na kvantitě na přístup založený na kvalitě - z hromadně vyráběných výrobků na jedno použití k výrobkům pro více použití vyráběných na zakázku - od výrobků, technologií a služeb, které jsou charakterizovány hmotou a hmatatelností k výrobkům, technologiím a službám nehmotným s vyšší přidanou hodnotou. Lze předpokládat, že uvedené změny budou doprovázeny radikálními posuny ve struktuře průmyslu. Objeví se nové inovativní podniky se schopností k vytváření sítí, vytváření nových hybridních technologií, kombinujících nanotechnologie, materiálové vědy, inženýrství, informační technologie, bio- a environmentální vědy. Takový přístup si vyžádá rozsáhlou spolu-práci napříč tradičními vědními obory. Pozornost bude zaměřena na tyto výzkumné priority: NANOTECHNOLOGIE Nanotechnologie reprezentují nový přístup k nauce o materiálech a materiálovému inže-nýrství. Evropa má silnou pozici v nanovědách, která by měla vyústit do reálných konku-renčních výhod evropského průmyslu. Cíl je dvojí: a) podpořit vznik evropského průmyslu založeného na intenzivním výzkumu nanotechnologií, b) podpořit využití znalostí o nano-technologiích ve stávajících průmyslových sektorech. Výzkum může být dlouhodobý a ris-kantní, ale musí být zaměřen na průmyslové aplikace. Na podporu uvedeného, bude vůči velkým průmyslovým podnikům a malým a středním podnikům, včetně začínajících, prováděna aktivní politika, např. vytvářením silných vazeb průmyslu a výzkumu formou konsorcií. Dílčí priority: Dlouhodobý interdisciplinární výzkum jevù a procesù probíhajících v nanorozmìrech a vývoj výzkumných nástrojù Výzkum bude zaměřen na: jevy v rozměrech molekul a mesorozměrů; samoorganizace materiálů a struktur; molekulární a biomolekulární mechanismy a stroje; multidisciplinární a nové přístupy k integraci výsledků vývoje v anorganických, organických a biologických materiálech a procesech Nanobiotechnologie Výzkum bude zaměřen na: lab-on-chip; rozhraní s biologickými entitami; povrchově modifikované nanočástice; pokrokové nosiče léků a další oblasti integrace nanosystémů s biologickými entitami; zpracování, manipulace a detekce biologických molekul či komplexů; elektronickou detekci biologických entit; mikrofluidika; podporu a řízení růstu buněk na substrátech Inženýrské zpùsoby vytváøení materiálù a souèástí v nanorozmìrech Výzkum se zaměří na: nanostrukturní slitiny a kompozity; pokrokové funkční polymerní materiály; nanostrukturní funkční materiály Vývoj manipulaèních a øídících zaøízení a pøístrojù Cílem je vývoj nové generace zařízení pro analýzu a výrobu v nanorozměrech. Základní cíl je rozměr obrazců nebo rozlišitelnost v řádu 10 nm. Výzkum se zaměří na: různé způsoby pokrokových metod výroby v nanorozměrech (litografie, mikroskopie); převratné technologie, metodologie nebo přístroje využívající samoorganizačních schopností hmoty; vývoj strojů o nanorozměrech. 12

13 Aplikace v oblastech jako jsou - zdravotnictví, chemie, energetika, optika a životní prostøedí Výzkum bude zaměřen na: počítačové modelování; pokrokové výrobní technologie; vývoj inovovaných materiálů se zlepšenými parametry INTELIGENTNÍ MATERIÁLY V rámci výzkumné priority Inteligentní materiály se předpokládá zaměření na tyto dílčí priority: výzkum základních principů, technologie související s výrobou a zpracováním nových materiálů a inženýrská podpora vývoje materiálů NOVÉ VÝROBNÍ PROCESY V rámci výzkumné priority Nové výrobní procesy budou podporovány následující dílčí priority: vývoj pružných a inteligentních výrobních postupů; systémový výzkum a řízení rizik; optimalizace životních cyklů průmyslových systémů, výrobků a služeb. 13

14 5. COST COST (European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research) je program evropské mnohostranné spolupráce v oblasti výzkumu a vývoje se zaměřením především na badatelský a částečně i na aplikovaný výzkum. Česká republika se stala členem programu v roce Výzkum probíhá v současné době v 17 doménách /12/. Výzkum nanotechnologií a nanomateriálů je podporován v akcích COST 523 Nanostrukturní materiály, COST 525 Pokroková elektrokeramika-inženýrství hranic zrn, COST 527 Plazmové polymery a podobné materiály, COST 528 Vytváření tenkých vrstev z chemických roztoků, COST P5 Mesoskopická elektronika, COST D11 Supramolekulární chemie, COST D14 Funkční molekulární materiály a COST D15 Chemie povrchů a katalýza COST 523 NANOSTRUKTURNÍ MATERIÁLY Akce patří do domény Materiály a je vyhlášena na období 2/1998-2/2004. Programu se účastní 23 států, Česká republika od roku Výzkumné aktivity je možné vyjádřit matricí, kdy na jedné straně jde o výzkum vlastností nanostrukturních materiálů (mechanické, optické, elektronické a magnetické vlastnosti), katalýzy, čidel a fundamentálních problémů a na druhé straně o výzkum jejich syntézy, zpracování, charakterizace, aplikace a modelování /13/ COST 525 POKROKOVÁ ELEKTROKERAMIKA- INŽENÝRSTVÍ HRANIC ZRN Akce patří do domény Materiály a je vyhlášena na období 7/1999-7/2005. Programu se účastní 17 států, Česká republika od roku Cílem akce je výzkum úlohy hranic zrn v keramice pro elektroniku. Výzkum je zaměřen zejména na dielektrika, senzory, polovodičovou keramiku a iontové materiály COST 527 PLAZMOVÉ POLYMERY A PODOBNÉ MATERIÁLY Akce patří do domény Materiály a je vyhlášena na období 3/2000-3/2005. Programu se účastní 11 států, Česká republika od roku Program je zaměřen především na polovodičové materiály. Bude prováděn společný výzkum technologie polymerizace plazmou a budou zkoumány vlastnosti povlaků na různých substrátech COST 528 VYTVÁØENÍ TENKÝCH VRSTEV CHEMICKÝCH ROZTOKÙ Akce patří do domény Materiály a je vyhlášena na období 6/2000-6/2005. Programu se účastní 16 států. Česká republika se účastní od 5/ COST P5 MESOSKOPICKÁ ELEKTRONIKA Akce patří do domény Fyzika a je vyhlášena na období 10/ /2002. Programu se účastní 16 států, Česká republika od roku Cílem programu je detailní porozumění mesoskopické elektronice, tj. zejména pohybu elektronů v zařízeních či obvodech v rozměrové oblasti, kde jevy jsou popisovány jak zákony fyziky pevné fáze, tak zákony kvantové mechaniky. Hlavními nástroji zkoumání je pokroková litografie a samoorganizace nanostruktur v anorganických, organických i biologických materiálech. 14

15 5.6. COST D11 SUPRAMOLEKULÁRNÍ CHEMIE Akce patří do domény Chemie a je vyhlášena na období 1/1998-1/2003. Programu se účastní 20 států, Česká republika od roku Cílem programu je syntéza nových supramolekulárních struktur, supramolekulární reaktivita a katalýza, samoorganizace supramolekul atp COST D14 FUNKÈNÍ MOLEKULÁRNÍ MATERIÁLY Akce patří do domény Chemie a je vyhlášena na období 1/1999-1/2004. Programu se účastní 18 států, Česká republika od roku Cílem programu je výzkum a vývoj nových funkčních molekulárních a supramolekulárních systémů, vývoj metod a nástrojů pro zkoumání, charakterizování systémů a manipulování COST D15 CHEMIE POVRCHÙ A KATALÝZA Akce patří do domény Chemie a je vyhlášena na období 11/ /2003. Programu se účastní 20 států, Česká republika od roku Program je interdisciplinární a spojuje specialisty z fyziky, chemie i inženýrství. Cílem je vyvinout nové materiály s předem zvolenými vlastnostmi, nové metody heterogenní katalýzy, nové koloidní systémy a nové metody charakterizace povrchů a mezifázových rozhraní s atomovou a molekulovou rozlišitelností. Předmětem zkoumání jsou vztahy mezi strukturou a složením povrchů/rozhraní a jejich chemicko-fyzikálními vlastnostmi a manipulační technologie atom-atom a molekula-molekula pro syntézu nanomateriálů. 15

16 6. EUREKA Program EUREKA - Evropská spolupráce v oblasti aplikovaného a průmyslového výzkumu a vývoje - podporuje spolupráci mezi průmyslovými podniky, výzkumnými ústavy a vysokými školami. V současné době sdružuje 29 evropských států, včetně České republiky. Při navrhování projektů se používá způsobu bottom-up /14/. Tématické zaměření projektů není v zásadě omezeno a vyplývá z 9 prioritních směrů: informační technologie, životní prostředí, biotechnologie a technologie zdravotnictví, nové materiály, robotika a automatizace výroby, komunikační technologie, lasery, doprava a energetika. Prozatím byly za dobu existence programu EUREKA navrženy a řešeny pouze dva projekty, které odpovídají definici nanotechnologií a nanomateriálů /15/: E! 1247 INCERT - Vývoj nového typu nanokompozitní keramiky pro řezné nástroje. Projekt byl řešen v období 7/1995-6/1999 dvěma německými a jednou švédskou organizací. E! 1538 LUBRIMAT - Vývoj metody vytváření vrstvených kovových dichalkogenidů pro nová maziva, nanokrystalické materiály a povlaky. Projekt byl řešen v období 1/1996-1/2000 několika ruskými a dvěma belgickými organizacemi. 16

17 7. EUROPEAN SCIENTIFIC FOUNDATION (ESF) Evropská vědecká nadace, založená v roce 1974, je neziskovou asociací 67 členských organizací z 24 evropských států, které ve svých zemích podporují badatelský výzkum /16/. Jejím cílem je podporovat vědeckou činnost v Evropě různými formami: pořádáním specializovaných workshopů, vytvářením dočasně působících sítí zaměřených na jeden vědecký problém, pořádání konferencí EURESCO, vyhlašováním 3-5 letých vědeckých programů atd. ESF podporuje aktivity v pěti vědních oblastech: fyzikální a inženýrské vědy, lékařské vědy, vědy o živé přírodě, životním prostředí a zemi, klasické jazyky a literatura a sociální vědy. Z oblasti nanotechnologií a nanomateriálů se podporují v současné době následující aktivity (mimo konference a workshopy): 7.1. VÌDECKÉ SÍTÌ Field Emmision Technologies (FET). Činnost této sítě byla zahájena v 6/1999 a potrvá do 6/2002. Společným cílem účastníků sítě je studium, výzkum a vývoj vyzařovačů polí různého charakteru pro různé účely, např. při výrobě plochých obrazovek, pro elektronovou mikroskopii s ultra vysokou rozlišovací schopností, pro ovlivňování růstu nanostruktur, pro nové senzory pro obor nanostruktur apod. Field-resposive polymers, composite organic materials and gels with controlled supramolecular structure (RespoMat). Činnost této sítě byla zahájena v 10/1998 a potrvá do 12/2001. Společným cílem účastníků sítě je studium a výzkum tzv. inteligentních polymerních materiálů, které jsou jedním z nejslibnějších materiálů 21. století VÌDECKÉ PROGRAMY Nanomagnetism and growth processes on vicinal surfaces (NANOMAG). Program byl vyhlášen na období a jeden z jeho cílů je výměna zkušeností účastnících se vědec-kých týmů s přípravou a charakterizací magnetických filmů a samoorganizujícími se nano-strukturami. Dále se provádí zviditelňování magnetických domén, vytváření teorií nanomagnetizmu atd. Molecular Magnets (MM). Program byl vyhlášen na období Je to transdisciplinární program zaměřený na syntézu a studium multifunkčních vlastností molekulárních magnetů (anorganických, organických, hybridních ). Structuring Manipulation, Analysis and Reactive Transformation of Nanostructures (SMARTON). Program byl vyhlášen na období s cíli: vývoj nových supramolekulárních systémů, studium hnacích sil, které působí při samoorganizaci nanostruktur ve dvou a třech dimenzích, vývoj metod a nástrojů pro zkoumání, charakterizování a manipulaci s těmito strukturami. 17

18 8. VÌDECKÉ PROGRAMY NATO (CIVILNÍ VÝZKUM) Vědecké programy NATO nabízejí podporu mezinárodní spolupráce mezi vědeckými pracovníky zemí EAPC (Přátelství pro mír). Podobná podpora mezi pracovníky zemí NATO není nabízena. Česká republika, jako členský stát NATO, má do konce roku 2001 výjimku a její vědečtí pracovníci se do této doby mohou programů účastnit. Koncem roku 2001 bude posouzena možnost prodloužení této výjimky. Vědecký program NATO zahrnuje následující aktivity: dlouhodobé studium v zahraničí, vědecké stáže, pořádání workshopů, vyhlašování grantů, podporu výzkumné infrastruktury a podprogram Věda pro mír /17,18/ COLLABORATIVE LINKAGE GRANTS V současné době je řešena ve čtyřech vědeckých oblastech (fyzikální a inženýrské vědy a technologie, vědy o živé přírodě, vědy o životním prostředí a zemi, civilní vědy a technologie zaměřené na otázky bezpečnosti) řada projektů, z nichž některé jsou orientovány na nano-technologie a nanomateriály, např.: Optical and Electronic Properties of Nanoscale Systems. L. Jacek, Wroclaw (PL), T.Fromhold, Nottingham (GB) Investigation of the Generation and Formation of Clusters by Sputtering. N. Džemilev, Taškent (Tadžikistan), A. Wucher, Essen (D) Luminescent II-VI Semiconductor Nanocrystals/Conducting Polymer Composites. N. Geponik, Minsk (Bělorusko), A. Eychmüller, Hamburg (D) Electrode States and Charge Transport in Nanocrystalline Titanium Dioxide. P. Kaškarov, Moskva (RU), F. Koch, Mnichov (D), V. Pazchulik, Valencia (ESP), J. Rappich, Berlin (D), J. Gajovorovskij, Kiev (UA) Self-Assembly of Complex Carbon Nanotube Networks. W.Kozlowski, Warszawa (PL), A.Messager, Marseille (F) Semiconductor Nanocrystals as Efficient Fluorescent Labels: Synthesis, Bioconjugation and Immunological Applications I. Kudelina, Moskva (RU), I. R. Nabiev, Reims (F), I. Bronstein, York (GB), M. Artěmjev, Minsk (Bělorusko) 8.2. SCIENCE FOR PEACE Podporují se zejména projekty o trvání 3-5 let, které mají určitý potenciál pro komercializaci výsledků. Mezi řešenými projekty jsou některé zaměřeny na nanotechnologie a nanomateriály, např.: High Melting Point Nanocrystalline Composites: The Material of the New Millenium V. V. Skorochod, Kiev (UA), V. D. Krstic, Kingson (CAN) Development of Zirconia Based Nanomaterials for Applications Using Electrochemical and Mechanical Properties R. Piticescu, Bucharest (RO), C. Monty, Fort Romeu (F) Alumina-Based Nano/Microcomposite Cutting Tool for High Speed Metal Cutting P. Šajgalík, Bratislava (SK), F. Riley, Leeds (GB) Magnetic Nanocomposites for Transformer Cores and Magnetic Refrigeration L. Varga, Budapest (H), P. Marin, Madrid (ESP) 18

19 9. VELKÁ BRITÁNIE Velká Británie patří k zemím s velkou podporou výzkumu a vývoje (2,0-2,2 % HDP). Na podpoře se podílí jak státní, tak soukromý sektor /19/. V roce 1993 bylo na podporu výzkumu a postgraduálního studia z veřejných prostředků založeno královským výnosem sedm výzkumných rad, jejichž činnost je řízena prostřednictvím Úřadu pro vědu a techniku (OTA) Ministerstvem obchodu a průmyslu (MTI). Jsou to: EPSRC - Rada pro výzkum fyzikálních a technických věd PPARC - Rada pro výzkum fyziky částic a astronomický výzkum BBSRC - Rada pro výzkum biotechnologie a biologické vědy MCR - Rada pro lékařský výzkum NERC - Rada pro výzkum životního prostředí ESRC - Rada pro ekonomický a sociální výzkum CCLRC - Rada pro centrální laboratoře výzkumných rad V roce 1980 se rozhodla tehdejší Rada pro vědecký a technický výzkum založit na univerzitách řadu velkých výzkumných center, známých jako IRC (Interdisciplinary Research Centre). Centra jsou podporována z rozpočtu výše uvedených Rad. Největší část rozpočtu na výzkum a vývoj (35-38%) rozděluje Ministerstvo obrany (MOD), které řídí největší výzkumnou organizaci ve Velké Británii - DERA. Ta má být v průběhu roku 2001 částečně zprivatizována. Dalšími zdroji podpory výzkumu jsou různé nadace, např. lékařský výzkum podporuje Wellcome Trust a Imperial Cancer Research Fund. Na podporu rizikového výzkumu byl založen grantový systém ROPA (Realising Our Potential Award) a na podporu spolupráce akademické a výzkumné sféry s průmyslem byl založen program LINK. Pro systematické a kontinuální prognózování budoucího vývoje byl v roce 1993 zahájen program FORESIGHT, kterého se účastní experti ze všech oborů a oblastí. Výzkum nanotechnologií a nanomateriálů má ve Velké Británii již určitou tradici. Např. program Nanotechnology byl vyhlášen EPSRC na léta s částkou 2,3 mil. GBP, program Scanning Probe Microscopy na léta s částkou 6,0 mil. GBP a v rámci programu LINK probíhal v létech program Nanotechnology dotovaný částkou 13 mil. GBP společně EPRSC a MTI /20/. Po ukončení těchto programů nebyly další programy adresované nanotechnologiím vyhlašovány. Vycházelo se z předpokladu, že nová oblast výzkumu je již dostatečně iniciována, takže navrhované projekty mohou být zařazovány do programů klasických vědních disciplin jako jsou fyzika, chemie, biologie, inženýrství atd. /21/. Svědčí o tom skutečnost, že na 24 britských univerzitách se ve většině ústavů orientovaných na materiálový, chemický a biologický výzkum začaly provádět výzkumy nanotechnologií a nanomateriálů. V University of Birmingham, School of Physics and Astronomy, byla zřízena Nanoscale Physics Research Laboratory, která se zaměřuje na tři oblasti: fyziku a aplikaci nanoklastrů, modifikací povrchů na atomové úrovni a vytváření senzorů a zařízení o rozměrech nanometrů /22/. V Cranfield University, School of Industrial and Manufacturing Science, Advanced Materials Department, pracuje již od roku 1994 Nanotechnology Group, která se v současné době orientuje na feroelektrickou keramiku, prášky a kompozity, depozici feroelektrických tenkých a tlustých vrstev, piezoelektrické ultrazvukové 19

20 motory a tepelné infračervené pyroelektrické detektory /23/. V University of Cambridge, Department of Materials Science and Metallurgy se řeší řada projektů z oblasti nanomateriálů, podporovaných nejen EPSRC, ale i ze zahraničí /24/: Ni-based Nanophase Composites Transformations in Nanocrystalline Alloys Electron Beam Nanolithography and the Fabrication of Quantum Dots and Wires Using Nanostructures to Sequence DNA Focused Ion Beam Processing of Materials Preparation of Carbon Nanotubes Nanostructured Magnetic Devices Relationship between Interfacial Structure and Mechanical Properties in Nanostructured Materials Measuring the Composition of Materials at the Nanometre Level V University of Cambridge, School of Physical Sciences, Cavendish Laboratory, se provádí výzkum v oblasti nanooptoelektroniky, polovodičové fyziky, magnetizmu povrchových vrstev atd. /25/. V nedávné době byla EPSRC, dalšími Radami a Ministerstvem obrany iniciována aktivita, která má za cíl opět zvýšit úroveň výzkumu v nanotechnologiích /26/. V polovině roku 2000 bylo vyhlášeno výběrové řízení na založení dvou IRC (Interdisciplinary Research Centre) v oboru nanotechnologií, přičemž jedno by se mělo zaměřit především bio-nanotechnologie. Cílem je výzkum v následujících disciplinách: Extrémní nanotechnologie (self-assembly, molekulární manipulace, jednomolekulová zařízení a supramolekulové systémy) Nanofabrication (litografie elektronovým paprskem a další možné techniky) Metrologie (schopnost měřit s přesností nanometrů) Nanostrukturní materiály (nanokompozity, fullereny, nanotrubice, tenké filmy, fotonická krystalová vlákna a mřížky) Funkční nanotechnologie (nanoelektronika/fotonika/bioelektronika, dodávání léků) Nanomechanická zařízení (s cílem překonat stávající možnosti MEMS) Molekulární nanotechnologie (biologické molekuly, membrány, identifikace molekul, senzory) Nanoklastry (včetně technologie částic) Z výběrového řízení vyšly vítězně dvě konsorcia: Oxford University (spolupráce s University of Glasgow, University of York a National Institute for Medical Research) se zaměřením na bionanotechnologie a University of Cambridge (spolupráce s University College London a University of Bristol) se zaměřením na čisté nanotechnologie. Pod tlakem skutečnosti, že úsilí směřující k miniaturizaci nabývá stále větších dimenzí, vydal Materiálový panel programu FORESIGHT dva dokumenty, které upozorňují na možnosti nanotechnologií a nezbytnost jejich dlouhodobě podporovaného výzkumu: Opportunities for Industry in the Application of Nanotechnology - dokument zpracovaný The Institute of Nanotechnology /27/ detailně mapuje možnosti nanotechnologií ve všech oblastech. Materials Shaping our Society /28/ - v dokumentu se doporučuje dlouhodobá orientace 20