Programmas virsmērķis ir iegūt pasaules līmeņa zināšanas inovatīvo un uzlaboto materiālu, viedo tehnoloģiju jomās, kas dod ieguldījumu tautsaimniecības problēmu risināšanā un iespēju konkurētspējīgu produktu radīšanai.
Programmas “Daudzfunkcionālie materiāli un kompozīti, fotonika un nanotehnoloģijas” mērķis ir attīstīt inovatīvo un uzlaboto materiālu, fotonikas un nanotehnoloģiju zināšanu bāzi un cilvēkkapitālu tautsaimniecības konkurētspējas paaugstināšanai, liekot uzsvaru uz tām Eiropas Komisijas (EK) noteiktajām atslēgtehnoloģiju (Key Enabling Technologies – KET) jomām, kurās Latvijā eksistē ievērojams zinātniskais potenciāls un tautsaimniecības pieprasījums, t.sk., attīstīt nano materiālu un tehnoloģiju nozari komercializējamu nanotehnoloģiju piedāvājuma un konkurētspējīgas nanotehnoloģiju industrijas attīstībai Latvijā; attīstīt konkurētspējīgas Latvijā radītās zināšanas inovatīvo materiālu jomā līdz ražošanas tehnoloģijām un materiālu ražošanas iniciēšanai; attīstīt kvantu tehnoloģiju un biofotonikas jomu, izstrādājot jaunus komercializējamus prototipus.
Lai šo mērķi īstenotu, programmas ietvaros paredzēts veikt sekojošus, Valsts pētījumu programmu 2014. – 2017.gadam konkursa nolikumā minētos uzdevumus: 1., 2., 3., daļu no 4. uzdevuma „Radīt un izpētīt daudzfunkcionālus materiālu un kompozītu, tajā skaitā polimēru hibrīdnanokompozītu, biomateriālus”, 5., 10., 11., 12., 13.
Programmas uzdevumi tiks veikti tiešā saskaņā ar Eiropas Savienības programmas „Horizon 2020” pīlāra „Leadership in Enabling and Industrial Technologies” prioritātēm un balstoties uz EK definēto pamattehnoloģiju („Key Enabling Technologies” – turpmāk tekstā KET) sinerģisku izmantošanu. Programmas rezultātu potenciālie pielietojumi tautsaimniecībā tiks orientēti uz „Horizon 2020” pīlāra „Societal Challenges” prioritātēm un pētījumus paredzēts veikt, tiecoties uz „Horizon 2020” pīlāru ‘Excellent Science”. Tāpat arī EK dokumentā „Observations on the Partnership Agreement with the Republic of Latvia” ir rekomendēts mūsu Valstī sevišķi fokusēties uz divām KET – modernie materiāli un biotechnoloģijas - atbilstoši LR viedās specializācijas stratēģijai (smart specialization strategy – 3S)
Minēto uzdevumu izpildei nepieciešama dažādu dabas zinātņu un inženierzinātņu pārstāvju līdzdalība un šo daudzdisciplināro speciālistu cieša savstarpējā sadarbība. To paredzēts realizēt vienotā Valsts pētījumu programmā, tematiski koncentrējot uzdevumus četros projektos:
- Fotonika un materiāli fotonikai;
- Nanomateriāli un nanotehnoloģijas;
- Nanokompozītu materiāli;
- Nanomateriāli un nanotehnoloģijas medicīniskajam pielietojumam.
Tiek uzskatīts, ka 21.gadsimtā elektronikas dominējošo lomu sabiedrības dzīvē pārņems fotonika - daudzdisciplīnu zinātnes un tehnoloģiju nozare, kuru EK definējusi kā vienu no pamattehnoloģijām (KET). Fotonikas ierīču darbība tiek nodrošināta, ekspluatējot gaismas daļiņu (fotonu) plūsmas atšķirībā no elektronikas ierīcēm, kurās tiek ekspluatētas lādētu daļiņu (elektronu) plūsmas. Fotoniem nav arī elektriskā lādiņa un tiem nepiemīt paātrinājums, jo tie jau sākotnēji izplatās ar gaismas ātrumu, t.i., 299 792 458 m/s. Paredzēts veikt pētījumus sekojošās, ar fotonu plūsmu saistītajās jomās: gaismas ģenerēšanā, ar mērķi izveidot jauna tipa (elektro)luminiscentos gaismas avotus, kuros izpaužas kvantu efekti, padarot neefektīvi luminiscējošu makromateriālu par efektīvi luminiscējošu nanomateriālu; gaismas detektēšanā, izveidojot tautsaimniecībā lietojamus dažādu ārējo iedarbību sensorus; gaismas vadīšanā, izpētot un izstrādājot augstas fotojutības materiālus ar pielietojumu hologrāfijā un elektronstaru litogrāfijā; paredzēts veikt pētījumus elektrooptisko modulatoru ātrdarbības palielināšanā; gaismas pārveidošanā, izveidojot efektīvus luminoforus izmantošanai gan gaismas ģenerēšanai, gan svarīgu dokumentu aizsardzībai pret viltojumiem.
Nanotehnoloģijas ir neapšaubāma 21. gadsimta sākuma zinātnes un tehnololoģiju paradigma. Nanotehnoloģijas pašreiz ir pārejā uz kompleksām sistēmām un fundamentāli jauniem produktiem, sākot no pasīvām nanostruktūrām ar nemainīgām īpašībām uz aktīvām struktūrām, ieskaitot trīs dimensiju nanosistēmas. Nanotehnoloģijas ir starpdisciplināras, ietverot fiziku, ķīmiju, materiālzinātni, bioloģiju, molekulāro bioloģiju, medicīnu, elektroniku, fotoniku, inženierzinātnes. Modernās cilvēces attīstības vēsture ir pārpārēm uzskatāmi parādījusi, ka fundamentālā zinātne ir visa tā pārsteidzošā tehnoloģiskā progresa, kuru šodien piedzīvojām, pamatā. Tāpēc arī konkrētajā VPP priekšlikumā uz pielietojumiem orientētie pētījumi balstīsies uz teorētiskiem priekšstatiem, īpašību liela mērogā modelēšanu (tās mērķis ir materiāla īpašību vai sistēmas uzvedības aprēķināšana vienā līmenī, izmantojot informāciju vai modeļus no dažādiem līmeņiem) un datorsimulācijas rezultātiem. Daudzlīmeņu modelēšanu kombinācijā ar uz pirmajiem principiem balstītiem aprēķiniem atomārā līmenī ļauj noteikt materiāla 3-dimensiju struktūras modeli, minimizējot atšķirību starp teorētiski aprēķinātajām un eksperimentāli noteiktajām īpašībām. Rezultātā tiek paredzēti prognozējamo ierīču raksturlielumi un ekspluatācijas parametri, ietaupot laiku un materiālus. Eksperimentālos pētījumos papildus „Nanostrukturēto un daudzfunkcionālo materiālu, konstrukciju un tehnoloģiju” Valsts nozīmes pētniecības centra (VNPC) jaunajām iespējām (izmantot TEM, SEM, FIB), VPP strādājošiem pētniekiem piemīt unikālas oriģinālas prasmes un iespējas izmantot modernākās sinhrotronu starojuma spektroskopijas (Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS) metodes informācijas iegūšanai par starpatomu attālumiem materiālā, par atomu svārstību anizotropiju, atomu kustības korelāciju un starpatomu saišu stiprumiem.
Nanostrukturēti materiāli, kā nanodaļiņas, oksīdu plānās kārtiņas, nanostrukturētas keramikas un stikli ar noteiktām, prognozējamām īpašībām, rod plašu lietojumu elektronikā un fotonikā (t.sk., caurspīdīgos elektrodos), informācijas tehnoloģijās, t.sk., pretestības atmiņas elementos (ReRAM, kuru darbība ir balstīta uz metāla-izolatora-metāla (MIM) struktūras pretestības izmaiņām), pielietojumiem enerģētikā, kā fotovoltaiskajās šūnās (saules baterijās), cietvielu oksīdu kurināmās šūnās (fuel cells), keramiskās membrānās CO2 gāzes sadalīšanai, augstas kapacitātes litija baterijās, jaunos konstrukcijas materiālos termiskās kodolsintēzes nākotnes reaktoriem, biomateriālos, antiseptikas materiālos, katalīzē un citur. Īpaša uzmanība tiks veltīta nanostrukturētiem termoelektriskiem materiāliem termiskās enerģijas pārvēršanai elektriskajā, kurus var raksturot kā nanokompozītus ar īpašībām, kas ir atkarīgas no to struktūras: graudu un disperģēto daļiņu izmēriem, nano-ieslēgumiem, atomu defektiem.
Arvien plašāka nanotehnoloģiju attīstība, veidojot miniatūras, jaunas paaudzes daudzfunkcionālas fotonikas un elektronikas ierīces, ļauj izmantot samazinātus izejmateriālu un enerģijas resursus
Ievērojot pieaugošās prasības funkcionālo un konstruktīvo materiālu parametru uzlabošanā, tiks veikti nozīmīgi pētījumi nanokristālisku, viendabīgu daudzkomponentu materiālu izstrādē. Uz iegūto zināšanu pamata tiks attīstītas ekonomiski efektīvas un videi draudzīgas oksīdu nanostruktūru izstrādes tehnoloģijas. Pēdējos gados ir ievērojami aktualizējusies jaunu daudzfunkcionālu uz polimēriem bāzētu kompozītmateriālu izstrāde valsts prioritārajām nozarēm tautsaimniecībā, kas notiek ciešā saistībā ar nacionālajām prioritātēm eksakto zinātņu jomās kā arī ar EK attīstības vadlīnijām. Apzinoties neatjaunojamo dabas resursu izsmelšanas problēmas nozīmīgumu, programmā paredzēts izstrādāt reciklējamus polimēru nanokompozītus ar uzlabotām stiprības-deformācijas, barjeras, adhēzijas un citām īpašībām pielietojumiem būvniecībā un plaša patēriņa elektroierīču ražošanā. Saskaņā ar KET pamatnostādnēm, programmā paredzēts izstrādāt viedos polimēru nanokompozītus pielietojumiem termonosēdelementos, mehāniskajos sensoros, mehānisko vibrāciju enerģijas pārveidotājos elektroenerģijā, ķīmisko vielu sensoros, liela laukuma elektromagnētiskā starojuma polarizātoros, jaunas paaudzes pjezooptiskajos modulatoros.
Šajā programmā tiks risinātas arī ar dzīves kvalitāti saistītās problēmas. Ir paredzēts radīt un izpētīt jaunus biomateriālus, kuriem piemīt kaulus reģenerējošas, antibakteriālas, pretosteoporozes īpašības. Šis uzdevums ir vērsts uz sabiedrības novecošanas problēmas risināšanu, kas saistīta ar cilvēku balsta un kustību sistēmas slimību izraisīto kaulu funkciju traucējumu (osteoporozes) novēršanu. Osteoporoze kā otrs izplatītākais cēlonis invaliditātei globālā līmenī ir sabiedrības veselības apdraudējums. Latvijā aptuveni 160000 sieviešu vecumā no 45 līdz 85 gadiem cieš no osteoporozes. Apjomīgu kaulu lūzumu stabilizēšana un osteoporotisku lūzumu ārstēšana ir būtiski izaicinājumi ortopēdijas jomā, tādēļ arvien jauni pētījumi tiek vērsti uz inovatīvu sintētisku kaulu implantmateriālu izstrādi. Pateicoties savām unikālajām īpašībām - biosaderībai, bioaktivitātei un osteokonduktivitatei, kalcija fosfātu (CaP), īpaši hidroksilapatīta (HAp) un β-trikalcija fosfāta (TCP), biokeramika ir piemērota izmantošanai kaulu rekonstrukcijā. Tiek plānots veikt pētījumus pilnīgi jaunā implantu izstrādes jomā, radot tādas zāļu ievades metodes implantos, no kurām ir atkarīga zāļu izdalīšanās kinētika maksimālās pieļaujamās devās.
Pieteiktās programmas izpildītājiem ir uzkrāta bagātīga pieredze līdzīgu problēmu risināšanā. Iepriekšējo Valsts pētījumu programmu materiālzinātnē (2005-2009; 2010-2013) ietvaros iegūti progresīvi nanomateriāli un izstrādātas nanotehnoloģijas, par ko liecina ievērojams skaits starptautiski citētu publikāciju. Ir tikuši izstrādāti paņēmieni jaunu organisko savienojumu sintēzei fotonikas vajadzībām. Ir izpētīta gaismas frekvences pārveidošana ar retzemju elementu joniem aktivētās nanostruktūrās un tiks meklēti paņēmieni procesa efektivitātes palielināšanai, lai izveidotu gaismas avotus un gaismas pārveidotājus fotonikas ierīcēm. Ir gūtas eksperimentālās un teorētiskās atziņas par magneto-optisko signālu veidošanos gāzēs, paredzot šā efekta izmantošanu magnētiskā lauka sensora izveidē. Uzkrātā pieredze nanokompozītu izpētes jomā parādījusi, ka izstrādāto kompozītu ekspluatācijas īpašību uzlabojumus ierobežo matricas un nanostrukturētās pildvielas mijiedarbība nanolīmenī. Šajā sakarā īpaši aktuāla ir paredzētā polimēru matricas hibrīdnanokompozītu veidošana.
Iepriekšējo gadu VPP ietvaros veiktie divfāžu CaP biokeramikas in vivo un klīnikas pētījumi ir pierādījuši principiāli jaunu šo materiālu īpašību atkarību no pacienta cieto audu strukturālā stāvokļa, tāpēc tiek plānots veikt pētījumus jaunā implantu izstrādes jomā, modificējot zāļu ievades metodes implantos.
Līdztekus Valsts pētījumu programmai materiālzinātnēs, sekmīgi īstenoti vairāki citi projekti ar atbilstošu tematiku, t. sk., Latvijas Zinātnes Padomes (LZP) finansēts projekts 10.0032 "Pētnieciskā un tehnoloģiskā potenciāla attīstība jaunu nanostrukturētu materiālu un saistīto pielietojumu izstrādei", LZP finansēts projekts 09.1242. „Diferencēta sastāva un struktūras biokeramikas implantu izgatavošana kaulaudu rekonstrukcijai, modificētu ar luminiscentu krāsvielu” (2010.); vairāki ESF projekti, piem., "Nanomateriāli perspektīviem energoefektīviem risinājumiem", “Jauno zinātnieku grupas multidisciplinārs pētījums biomateriālu tehnoloģiju izstrādei” u.c.
Programmā paredzēto materiālu un tehnoloģiju izstrādē ieinteresēti ir gan Latvijas lielie, gan vidējie un mazie ražotāji, tādi kā a/s Latvenergo, AS „Sidrabe”, SIA „GroGlass”, SIA „EVOPIPES”, SIA „EuroLCDs”, SIA „Z-Light”, SIA „Difraks”. SIA „Hologramma”, SIA „Dardedze-Hologrāfija”, A/S „Alfa RPAR”, SIA „Polimers”, SIA PCT „Neomat”, SIA „Baltijas Gumija Fabrika”, SIA „Gamma-Rent” u.c., kā arī Valstiskā organizācija „Latvijas Mašīnbūves un Metālapstrādes Rūpniecības Asociācija”, jo tas ļautu celt šo uzņēmumu konkurētspēju kā arī eksportspēju. Šo uzņēmumu attīstība neapšaubāmi veicinās jaunu darba vietu radīšanu ražojošajā sektorā.