Projekta izpildē sadarbojās LU Ķīmijas (ĶF), Bioloģijas (BF), Fizikas-matemātikas (FMF) fakultātes, Ķīmiskās fizikas (ĶFI), Cietvielu fizikas (CFI), Mikrobioloģijas un bioloģijas tehnoloģijas (MBI) institūti, piesaistot RTU Tehniskās fizikas (TFI), ZA Fizikāli enerģētisko (FEI) un Latvijas Organiskās sintēzes (OSI) institūtus. Darbā tika iesaistīti 8 pētnieki jaunāki par 35 gadiem: CFI pētnieks K. Kundziņš, FMF, BF, ĶF doktorantūras (B. Poļakovs, U. Maļinovskis, E. Saks), maģistratūras (I. Aulika, K. Pajuste) bakalaura (D. Cepīte, A. Livšics), RTU (A. Tokmakovs) studenti. Darbā piedalījās 16 profesori, habilitētie doktori, doktori.

Projekta uzdevums bija veidot un pētīt nanomateriālu arhitektūras ar mērķi radīt jaunu nanoizmēru ierīču prototipus, jaunas nano un bionanotehnoloģijas:

1. Nanovadi, to arhitektūra, materiāli un ierīces 1.1. Nanovadu arhitektūras

Nanovadi nākošās paaudzes ierīcēs unikāli var kalpot gan kā vadoši savienojošie vadi, gan arī kā elektroniskas ierīces, kuru darbība var balstīsies uz iespēju lokāli mainīt īpašības atsevišķās nanovada vietās. Tika pētītas kontrolējama diametra nanovadu arhitektūras kuras tika veidotas gan polikristāliskās matricās, gan plānās kārtiņās. Nanovadi tika audzēti Korkas universitātē (Īrija) iepriekš sagatavotās nanoporās. Lai noteiktu individuālu nanovadu vadāmību, un līdz ar to arī kontrolētu poru pildījumu, tika izstrādāta metodika, kur katra individuāla nanovada vadāmība tika kontrolēta ar vadoša AFM palīdzību. Ar makrokontaktu palīdzību veikta liela daudzuma nanovadu spektroskopija aluminija oksīda nanoporās. Parādīts, ka anodizēta alumīnija nanoporu pildījums ir tuvu 100 %. Uzsākti nanovadu vadāmības pētījumi alumosilikāta plānās kārtiņās, kur nanovadu diametrs satāda 2-10 nm.

1.2. Individuāli nanovadi

Pusvadītāju nanovadu struktūru, mehāniskās īpašības un vadītspēja tika pētītas, izmantojot skenējošā tuneļmikroskopa kombināciju ar transmisijas elektronu mikroskopu Pēc vadītspējas datiem novērtēts piemaisījumu daudzums nanovados, kurš ir ar kārtu 10¹⁶ cm^-3. Parādīts, ka nanovadus var izmantot kā ātras nanoelektromehāniskas programmējamas atmiņas ierīces, piemēram NEMPROM (nanoelectromechanical programmable read-only memory) ierīces.

1.3. Kvantu ķīmijas aprēķini.

Tika turpināta silicija nanovadu kvantu ķīmiskā modelēšana ar pusempīrisko programmu CLUSTER, kura izmanto Hatrī-Foka vienādojumus un INDO metodes aprēķināšanas shēmu. Tika pārbaudīta hipotēze, kā luminescences enerģijas palielināšana samazinot nanovada diametru ir saistīta ar virsmas spriegumiem, kuri izmaina vidējos attālumus starp silicija atomiem nanovadā, salīdzinot ar kristālisko siliciju. Aprēķinu rezultāti atbilst tai tendencei, kura ir novērojama nanovados, bet eksperimentos luminescences maksimuma nobīde ir 2-3 reizes lielāka nekā mūsu aprēķinos.

Ar molekulārās dinamikas metodi sākti aprēķini par zelta nanovadu transformācijām pakļaujot tos slodzei vertikālā, laterālā, diagonālā un zigzag virzienos. Parādīts, ka beigu fāzē starp kontaktiem paliek tikai viens atoms. Šie aprēķini svarīgi ne tikai nanovadu mehānisko īpašibu pētījumiem, bet arī tādā zinātnes nozarē kā nanotriboloģija.

Iebūvētā moleku­lārā klāstera modeļa tālākai attīstīšanai un modificēšanai tika pētīti iebūvēšanas vienādojumi klāstera elektroniem tiešās variāciju un pseido­potenciālu metožu ietvaros.

1.4. Nanovadu materiāli

Stiklveida silīcija dioksīds vai amorfas SiO₂ kārtiņas, kas iegūtas oksidējot silīcija kristālu, tiek plaši izmantotas kā matricas silīcija, germānija un metāliskām nanodaļiņām. To optiskās īpašības nosaka ne vien nanodaļiņu dimensionālie efekti, bet arī virsmas defekti uz nanodaļiņas - SiO₂ matricas robežvirsmas. Detalizēti pētīti punktdefekti stiklveida SiO₂: skābekļa norautās saites un peroksīda radikāļi. Noskaidrota elektronisko pāreju shēma NBOHC defektos un to pārvēršanās peroksīda radikāļos fotostimulētās reakcijās ar atomāro skābekli.

2. Molekulāras izcelsmes organizētas nanostruktūras

2.1. DNS arhitektūras

Individuālu un organizētu DNS un to fragmentu arhitektūra pētījumi notika divos virzienos. Pirmais variants balstījās uz DNS molekulu pašorganizēšanu divdimensionālās arhitektūrās uz Au virsmas, kā saiti starp DNS molekulām un virsmu izmatojot alkāntiolus. Šādā veidā tika iegūtas telpiski atdalītas DNS molekulas. Parādīts, ka DNS molekulas orientētas perpendikulāri virsmai. Mūsu pētījumi rāda, ka DNS var būt pusvadītāja īpašības, taču tam nepieciešami papildus eksperimentāli un teorētiski pētījumi.

Otrais variants bija veidot DNS tīklveida arhitektūras. Tika veidotas linearizētu un cirkulāru plazmīdu DNS tīklveida struktūras uz vizlas virsmas un pētīts to veidošanās mehānisms atkarībā no DNS un Mg jonu koncentrācijas sķīdumos.

2.2.DNS transportvielu plānās kārtiņas

Izpētītas dažādu struktūru daļēji hidrēto piridīnu īpašības veidot monomolekulāros slāņus uz zelta virsmas. Šai nolūkā iegūti dihidropiridīna atvasinājumi, kas satur polārās alkilpiridīnija grupas (vienu vai divas molekulā) un vienu, divas vai trīs lipofilas dažāda garuma alkilķēdes. Šie amfifilie savienojumi veido uz ūdens-gaisa fāžu robežas slānīti, kas atrodas līdzsvarā ar šķīduma tilpumu un ir nepietiekoši stabils. Sēra saturošais piridona atvasinājums izrādījās noderīgāks; tas uz zelta virsmas veido sfēriskus agregātus.

2.3.Optiski jutīgo organisko molekulu plānās kārtiņas

Optiski jutīgo organisko molekulu plāno kārtiņu veidošana un īpašību pētīšana notika FEI un CFI sadarbībā arī ar ĶFI. Tika pētīti jaunu betaina (IPB) atvasinājumu plānās polimēra matricu kārtiņas, kur kā matrica ir izmantots PMMA. IPB atvasinājumiem novēro fotooksidācijas procesus. Lai to novērstu, polimēra matrica tika pārklāta ar polivinilspirta atvasinājuma plāno kārtiņu. Pirmie rezultāti ir daudzsološi, bet darbs tiks turpināts, variējot aizsargkārtiņas, kas noderētu elektriskiem pētījumiem.

IPB polimēra kārtiņu struktūras pētījumi ar AFM metodi tika veikti IPB molekulām izotaktiskā PMMA matricā (i-PMMA) atkarībā no koronas orientēšanas apstākļiem. Bez tam tika pētītas jaunsintezēta poliēstera, kas satur ar IPB polāro grupu (IPB oligomērs), plānās lietās kārtiņas.

Molekulām, ierosinot ar gaismu elektronu pārneses joslā, notiek iekšmolekulāra elektrona pārnese, kas izraisa molekulas dipola momenta maiņu. Spektrālās virsmas potenciāla atkarības maksimums korelē ar absorbcijas spektra maksimumu. Fotoierosinātās virsmas potenciāla izmaiņas ir atgriezeniskas un varētu tikt izmantotas fotojutīgu sensoru izveidē.

Ir iesākta arī 4’-(3H-1,2,5-ditiazepān-5-il)benzilidēnindān-1,3-diona (DMABI-2S) monoslāņu uz Au elektroda optiskie un foroelektriskie pētījumi. Uz Au(111) kārtiņas izsēdinātu monoslāņu raksturošanai izmanto AFM metodi un aprakstam tiek veikti kvantu ķīmiskie aprēķini.

3. Nanostrukturēti materiāli 3.2.Nanostrukturēti vadoši polimēru kompozīti

Veikts materiāla dizains lai uzlabotu poliizoprēna – oglekļa nanokompozītu elektromehāniskās īpašības un palielinātu pjezorezistīvo efektu. Izgatavoti poliizoprēna – oglekļa nanokompozīti ar speciāla mazmolekulāra plastifikātora iestrādi matricā. Plastifikātors pievienots, lai samazinātu nanodaļiņu tieksmi aglomerēties, kā arī palielinātu nanodaļiņu mobilitāti. Pētītas modificēto nanokompozītu elektromehāniskās īpašības stiepes un spiedes režīmos. Konstatēts, ka plastifikātora ietekmē pjezorezistīvais efekts palielinājies par vairāk kā vienu kārtu. Plastifikātora ietekmē paplašinās oglekļa nanodaļiņu koncentrācijas vērtību apgabals, kurā nanokompozītiem novēro pjezorezistīvo efektu.

3.3. Nanostrukturētas segnetoelektriķu kārtiņas

Ar vadošo AFM tika veikta bārija titanāta (100) monokristāla virsmas lokāla polarizācija ar transversālo izšķiršana 30 nm un vertikāla izšķiršana < 0.2 nm. Tika noteiktas optiskās īpašības (laušanas koeficients n un absorbcijas koeficients k) svina cirkonāta titanāta PbZr_0,53Ti_0,47O₃, bārija titanāta BaTiO₃, svina magnija niobāta Pb(Mn_0,33Nb_0,67)O₃ un stroncija bismuta tantalāta SrBi₂Ta₂O₉ kārtiņās atkarībā no to biezuma. Dielektrisko īpašību izmaiņas neitronu apstarošanas rezultātā tika saistītas ar kustīgo lādiņu saķeršanu uz defektiem (graudu robežas, starpslāņi) kā arī skābekļa vakanču izveidošanos pēc apstarošanas plāno kārtiņu heterostruktūrās.

3.4. Nanostrukturēta keramika

Tika pētīta iespēja kodolsintēzes reaktora konstrukcijās izmantot nanomateriālus, konkrēti ultradispersu (daļiņu izmērs zem 120 nm) litijsaturošu keramisko materiālu (Li₄SiO₄ un Li₂TiO₃), kurš nepieciešams reaktora blanketam tritija atražošanai. Tritija izdalīšanās efektivitāte atkarīga no keramisko graudu izmēriem un materiālu iekšējās porainības. Patreizējā keramikas izgatavošanas tehnoloģija dod iespēju iegūt graudus ar izmēru 1-10 μm. Tika pārbaudīta blanketa keramikas makroelementu (tabletes, lodītes) iegūšanas iespējas no plazmas ķīmiskajā sintēzē iegūtā ultradispersā izejmateriāla. Iegūtajā keramikā graudu izmērs nepārsniedz 200 nm, tomēr mehāniskā izturība vēl ir nepietiekoša. Nanoizmēru keramiskie materiāli uzrāda ļoti zemu tritija aizturi (ap 0,1 %, salīdzinot ar 10-20 % tradicionālajai keramikai pie blanketa darba temperatūras) un par 50 % augstāku radiācijas izturību.

4. Instrumentu un mēraparātu konstruēšana

1. Veikta TEM funkcionālās bāzes paplašināšana, savietojot to ar STM un AFM, kas ļaus pētīt dažādas nanomijiedarbības in situ. Paredzēta iespēja optiskā signāla reģistrēšanai (pasaulē vēl nav realizēta).

2. Izgatavota kontrolējamas atmosfēras sistēma molekulāro savienojumu pētīšanai ar AFM.

3. Izveidota iekārtu nanostrukturēto polimēru mehānisko īpašību un relaksācijas pētījumiem.

4. Izveidota pjezodeformācijas mērīšanas metodes izveidošana uz AFM “Smena” bāzes, ar kuru iespējams mērīt lokālo pjezodeformāciju gan perpendikulāri, gan paralēli virsmai, kā arī tieši detektēt nanoizmēra apgabalu lokālās polarizācijas pārslēgšanos.

Pētījumi notika sadarbībā arī ar starptautiskajiem zinātnes centriem: Čalmera tehnoloģisko universitāti, Zviedrija (TEM-SPM, nanovadi), Ņūkāslas (Newcastle) universitāti Anglijā, Bioloģijas matemātisko problēmu institūtu Pusčino Krievijā, Kuopio Universitāti, Somija (DNS, to transportmolekulas), Korkas universitāti Īrijā (nanovadu arhitektūras) Karlsrūes Kodolpētniecības centru, Vācija (blanketa materiāli), Oulu Universitāti, Somija, Fraunhofera Cietvielu fizikas institūtu Drēzdenē, Maksa Planka institūtu Hallē Vācija, Joffes Fikāli tehnisko institūtu St.Pēterburga (segnetoelektriķi).

Darba rezultāti tika publicēti 30 rakstos un rakstu krājumos, no tiem 20 starptautiskos referējamos žurnālos un tika nolasīti 37 referāti Latvijas un starptautiskās konferencēs.

Rezultāti tika iekļauti E. Saks maģistra, K. Pajustes bakalaura darbos, tiks iekļauti B Poļakova, U. Malinovska, K.Kundziņa promocijas, I Aulikas, K. Pajustes maģistra, D. Cepītes, A. Tokmakova bakalaura darbos. B. Poļakovs un I. Aulika 2003. gadā saņēma balvas ZA konkursā par labāko studentu zinātnisko darbu.

Projekta rezultātus izmantos mācību kursos Bioloģijas un Fizikas matemātikas fakultātēs, piemēram, “Producentu fizioloģija un citoloģija”, “Virsmas fizika” un “Virsmas nanofizika un nanoķīmija”, "Materialzinātnes pamati”.