1

Название прорывного направления научных исследований:

Лазерно-плазменные нанотехнологии

2

Обоснование прорывного направления научных исследований, его соответствие требованиям п.5 Методики оценки прорывных направлений научных исследований и разработок:

 Полученные в рамках предлагаемого прорывного научно-прикладного направления результаты будут использованы для создания:
- новые методы формирования тонкопленочных покрытий сложного состава с заданным распределением компонентов, основанные на лазерно-плазменном осаждении;
- новые методы получения наноструктурированных материалов с управляемой морфологией поверхности;
- эффективные технологии лазерного синтеза металлических наноразмерных объектов и последующего их внедрения в различные среды для формирования новых наноструктурированных металлсодержащих материалов.
 Лазерные технологии относятся к области высоких технологий и включены в ряде стран, в т.ч. в Республике Беларусь и Российской Федерации, в перечень приоритетных направлений фундаментальных и прикладных исследований. Таким образом, разработка в рамках предлагаемого прорывного научно-прикладного направления новых технологий лазерно-плазменного синтеза наноструктурированных материалов и покрытий, которые по параметрам соответствуют лучшим мировым аналогам, безусловно, служит повышению престижа Республики Беларусь в мировом научном и технологическом сообществе.

3

Соответствие приоритетным направлениям научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 годы:

Предлагаемая тематика соответствует п.8.4 «Новые композиционные материалы на основе металлов, керамики и углерода, нано- и микроструктурированные материалы и способы их синтеза, нанотехнологии, моделирование и создание адаптивных материалов» перечня приоритетных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 годы, утвержденных постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 19.04.2010 №585.

4

Обоснование соответствия критерию прогнозируемой новизны:

 Разработка новых методов создания наноструктурированных материалов с управляемыми свойствами является одной из основных проблем современных нанотехнологий. Тонкопленочные наноструктурированные материалы с включениями наночастиц в основную матрицу вещества и/или на поверхность являются перспективными материалами для использования в различных областях наноэлектроники и фотоники в качестве термоэлектрических элементов, различных детекторов и сенсоров, источников излучения, элементов памяти, солнечных батарей и т.д.
 Не менее важной задачей является управляемое размещение наноразмерных элементов на поверхности (как проводящей, так и диэлектрической) твердой подложки. Существующие методы прецизионного /поатомного переноса вещества технологически сложны и дороги (молекулярно-лучевая эпитаксия, атомная литография, атомно-силовые методы). Более того, они сильно лимитированы при выборе рабочего материала.
 В связи с этими двумя факторами  метод лазерно-плазменного управляемого синтеза наноструктурированных поверхностей (тонкие пленки, поверхность твердого тела) являются одними из наиболее быстро развивающихся инструментов современных наноэлектроники и фотоники, позволяющих получать широкий класс наноструктурированных материалов с требуемыми свойствами. К достоинствам данного метода можно отнести его универсальность по отношению к осаждаемому материалу, относительную простоту управления параметрами осаждения, высокую селективность, высокую химическую чистоту процесса. Однако, основным недостатком лазерно-плазменного осаждения является низкая эффективность генерации наночастиц и/или наноструктур при воздействии лазерных импульсов на вещество.
 Из сказанного следует, что исследования, направленные на изучение механизмов формирования различных наноструктурированных покрытий  (диэлектрических, полупроводниковых и металлических) при осаждении из лазерно-индуцированной плазмы, разработку способов управления морфологичесикми свойствами формируемых наноструктур и разработку новых физико-технологических подходов к проблеме повышения эффективности метода лазерно-плазменного осаждения, обладают научной новизной

5

Обоснование соответствия критерию принципиальной новизны:

 Принципиальная научная новизна предлагаемого проекта заключается в том, что на основе комплексных исследований физических процессов, происходящих при осаждении на подложку потоков частиц из импульсной лазерной плазмы будут разработаны новые методы формирования тонкопленочных покрытий сложного состава с заданным распределением компонентов и наноструктурированных материалов с управляемой морфологией поверхности. Использование метода лазерно-плазменного осаждения позволит формировать ионные пучки любых химических элементов, содержащихся в твердых материалах, включая тугоплавкие и редкоземельные металлы, получение которых другими методами не всегда достижимо или сопряжено с большими экономическими затратами. Благодаря этому, становится возможным создавать принципиально новые функциональные материалы с уникальными свойствами, которые нельзя получить традиционными методами. Кроме того, планируется впервые исследовать основные закономерности формирования двухфазных плазменных потоков при эрозии металлов в различных атмосферах при воздействии импульсного лазерного излучения большой мощности и разработать физико-технологические принципы эффективных лазерных технологий обработки металлов, в том числе и с целью синтеза новых композиционных наноструктурированных металлсодержащих материалов.

6

Обоснование соответствия критерию научного уровня:

Научно–исследовательские работы планируется осуществить на базе лаборатории лазерной плазмодинамики НИИПФП им.А.Н.Севченко БГУ. К выполнению работ планируется привлечь 15 научных сотрудников, включая 1 доктора физико-математических наук, 5 кандидатов физико-математических наук. Указанные сотрудники имеют значительный опыт в области физики плазмы, лазерной техники, а также в области синтеза сверхтвердых материалов.
 В лаборатории созданы экспериментальная установка по лазерно-плазменному осаждению различных покрытий и лазерная установка для исследования физических процессов по взаимодействию мощного лазерного излучения с металлами. С использованием данного оборудования в последние годы активно проводились исследования влияния структуры источника углерода и параметров осаждения на структуру и свойства углеродных пленок, получаемых лазерно-плазменным методом. А также исследования в области взаимодействия мощных лазерных импульсов с поверхностью металлов в различных средах. В результате этих работ получены экспериментальные образцы алмазоподобных углеродных покрытий с высоким содержанием sp3-связанного углерода. Показано, что использование субмикросекундных лазерных импульсов перспективно для получения наночастиц металлов, применение современных частотных лазеров позволяет разрабатывать высокопроизводительные технологии формирования сред, содержащих наночастицы металлов.
  Кроме того лаборатория лазерной плазмодинамики специализируется на создании аппаратно-программных комплексов для автоматизации процессов измерения и обработки экспериментальной информации для различных сфер деятельности: от научных исследований до технологий двойного назначения.

Перечень основных публикаций заявителей по тематике проекта за последние годы:
Монография
V.K.Goncharov, K.V. Kozadaev, M.V. Puzyrou «The Influence of  ND Laser Irradiation Parameters on Dynamics of Metal Condensed Phase Propagating Near Target» Монография «Engineering Physics and Mechanics: Analyses, Prediction and Applications» Editors: Matias Sosa and Julián Franco, ISBN: 978-1-60876-227-9, pp. 441-471.
              Статьи и патенты:
1 .И. Азарко, В. К. Гончаров, Г. А. Гусаков, Д. Р. Исмаилов, М. В. Пузырев "Влияние материала мишени на параметры углеродных пленок, полученных лазерно-плазменным методом" // ЖПС, Т.75, №4, 2008 С.539-546.
2 В. К. Гончаров, К. В. Козадаев, М. И. Маркевич, М. В. Пузырев, Д. Л. Славашевич, А. М. Чапланов. Возможности получения наночастиц никеля в водной среде с помощью лазерного воздействия// ИФЖ, №2, 2008 С 206-210;
3 В. К. Гончаров, К. В. Козадаев, М. В. Пузырев, Д. Л. Славашевич. Эрозионный лазерный факел в свете стробирующего излучения вспомогательного лазера// ИФЖ, №2, 2008 С 211-215;
4. В.К.Гончаров, К.В.Козадаев, М.В.Пузырев, В.М.Стецик "Динамика параметров эрозионного факела, образованного при воздействии субмикросекундного лазерного излучения на цинковую мишень" // ИФЖ, Т.82, №4, 2009 С.638-642.
5 В.К.Гончаров и др. Формирование и исследование оптических сред, содержащих золотые наночастицы // ИФЖ. – 2012 – Т.85, №1. – С. 38 – 42.
6. В.К. Гончаров, К.В. Козадаев, Д.В. Щегрикович Лазерный синтез и исследование спектрально-морфологических характеристик водных коллоидов благородных металлов (Ag, Au, Pt) // ИФЖ. – 2012 – Т.85, №4. – С. 725 – 730.
7.В.К. Гончаров, К.В. Козадаев, Д.В. Щегрикович. Динамика оптических характеристик эрозионных лазерных факелов металлов при воздействии интенсивных наносекундных импульсов в атмосферных условиях //ЖПС. – 2013 – Т.80, №3. – С. 409 – 413.
8. В.К.Гончаров, Г.А.Гусаков, М.В.Пузырев Осаждение наноразмерныхпленок Cu и Al в вакууме лазерным методом // ИФЖ. – 2013 – Т.86, №5. – С. 960 – 966.
9В.К. Гончаров, К.В. Козадаев, В.В. Макаров, Д.В. Щегрикович.Протекание эрозионных процессов в приповерхностной области металлов под действием интенсивных наносекундных лазерных импульсов // ИФЖ. – 2013. – Т.86. – № 4. – С. 747 – 753.
10. В.К. Гончаров, К.В. Козадаев Комплексный оптический метод экспресс-диагностики прозрачных сред, содержащих наночастицы благородных металлов  // ИФЖ. – 2013. – Т.86. – № 4. – С. 812 – 818.
11. В.К.Гончаров, Г.А.Гусаков, В.И.Попечиц, М.В.Пузырев Напыление металлических пленок лазерным методом // Вестник БГУ.- 2013. - Сер. 1. № 3 – С.50-55.
12. В.К. Гончаров, К.В. Козадаев. Формирование конденсированной фазы металлов при воздействии на них субмикросекундных лазерных импульсов // ИФЖ, Т.83, №1, 2010 С 80-84.
13. В.К. Гончаров, К.В. Козадаев, М.В. Пузырев, В.И. Попечиц «Исследование воздействия высокоэнергетического излучения на вещество с целью создания новых материалов и технологий» Вестник БГУ. Серия 1, №1, 2010 С 3-10.
14. В.К. Гончаров, К.В. Козадаев, Д.И. Шиман «Формирование и комплексная диагностика спектрально-морфологических параметров наноразмерной фазы серебра в полимерной пленке» ЖПС, Т.77, №5, 2010 С 732-736.
15. Гончаров В.К. Козадаев К.В. М.В. Пузырев "Лазерный способ получения суспензий наночастиц металлов с помощью пространственного сепарирования" // Патент РБ на изобретение № 10974 от 07.05.2008..
16. Патент РБ №17249. Способ получения коллоидного раствора платины, содержащего частицы платины со средним размером 100 нм / В.К. Гончаров,  К.В.Козадаев, Д.В. Щегрикович. Заявитель - Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университета № а 20110786; заявл. 07.06.2011 // Афiцыйны бюл. Нац. цэнтр. Iнтэлектуал. Уласнасцi - 2013. – № 1. – С. 87.
17. Патент РБ №16875 Способ формирования полимерных пленок с золотыми наночастицами, полученными методом лазерной эрозии / В.К. Гончаров,  К.В.Козадаев, Д.В. Щегрикович. Заявитель - Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университета № а 20110785; заявл. 07.06.2011 // Афiцыйны бюл. Нац. цэнтр. Iнтэлектуал. Уласнасцi - 2013. – № 1. – С. 87.
 Результаты работ докладывались на многочисленных международных конференциях.
 Все приведенные выше разработки выполнены на мировом уровне. Результаты научно-технических разработок защищены патентами Республики Беларусь. Мировой уровень исследований подтвержден публикациями в журналах с высоким индексом цитирования.

7

Обоснование соответствия критерию практической реализации:

 В процессе реализации проекта будет разработан новый метод формирования тонкопленочных покрытий сложного состава с заданным распределением компонентов, основанный на лазерно-плазменном осаждении. Будет также разработан метод лазерного синтеза новых композиционных наноструктурированных металлсодержащих материалов. Планируется также создать макеты лазерных установок для реализации указанных методов и получены экспериментальные образцы новых материалов с уникальными характеристиками. Например,
- многослойные покрытия на основе алмазоподобного углерода и карбидов переходных элементов, в которых за счет использования переходных слоев обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики (высокая адгезия, микротвердость, износостойкость) на различных изделиях с произвольной поверхностью;
- легированные редкоземельными элементами, пленки оксидов цинка и тантала, которые могут рассматриваться в качестве нового класса активных сред для создания оптоэлектронных приборов;
- поверхностно-модифицированные фотоэлектрические преобразователи с повышенной эффективностью;
- химически активные наноразмерные структуры для гетерогенного катализа.

8

Значимость научной и научно-технической продукции, создаваемой в рамках прорывного направления научных исследований, для укрепления национальной безопасности, улучшения качества жизни населения, обеспечения экологической безопасности:

 Предлагаемые к разработке технологии могут найти применение в медицинской промышленности. Так, химическая инертность композиционных покрытий на основе алмазоподобного углеродна и их полная биосовместимость с организмом человека открывают широкие возможности их использования для защиты хирургических инструментов и вживляемых протезов, создания зеркальных покрытий для эндохирургии и эндоскопии. В настоящий момент нами планируется организовать работы по адаптации технологии лезерно-плазменного осаждения защитных наноструктурированных углеродных покрытий для медицинских целей совместно с Республиканским инновационным унитарным предприятием «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник», которое занимается разработкой и производством различной продукции медицинского назначения.
 Предполагается разработать эффективные технологии лазерного синтеза наночастиц серебра и золота, которые могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и антимикробных средств. Наночастицы серебра можно также использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.

9

Экспортоориентированность, масштабы импортозамещения и другие преимущества достигнутых и (или) ожидаемых конечных результатов реализации прорывного направления научных исследований:

 Маркетинговые исследования показывают, что предлагаемые к разработке технологии  является импортозамещающими и экспортоориентированноыми  Новые композиционные наноструктурированные материалы, полученные с использованием метода лазерно-плазменного осаждения могут найти применение в оптике, оптоэлектронике,  инструментальной и медицинской промышленностях. В настоящее время нами ведутся  совместные работы с НПП "Интепс" (г. Псков, Россия) по проверке возможности использования технологии лазерно-плазменного осаждения многослойных защитных наноструктурированных покрытий при опытно-промышленном изготовлении изделий медицинского и электронного назначений.

10

Секция зкспертного совета, в которой целесообразно рассмотрение предложенияотметить знаком «X»):

Х

Секция по физико-математическим наукам и информационным технологиям

Х

Секция по техническим наукам, новым материалам и производственным технологиям