Центр естественно-научных исследований был создан в 1996 году по инициативе академика А.М.Прохорова как научное учреждение, занимающееся фундаментальными исследованиями на стыке физики и других естественных наук – химии, биологии, медицины и экологии. В качестве основного приоритета деятельности Центра с самого начала были анонсированы нанофизика и нанотехнология. В настоящее время основными научными направлениями Центра являются:

• Поверхностные наноструктуры
• Новые углеродные материалы
• Лазерные технологии
• Генерация мощных импульсных пучков заряженных частиц
• Биомедицинская физика

Существенным элементом деятельности Центра является работа в области продвижения результатов исследований на рынок высоких технологий. В центре реализована оригинальная концепция, основанная на симбиозе Центра – научного учреждения и малых высокотехнологичных компаний, которые доводят многочисленные разработки Центра до рыночного продукта и успешно конкурируют на внутреннем  и на зарубежном рынках.

За время существования Центра сотрудниками опубликовано более 1000 научных статей, подготовлено и защищено 8 докторских и 21 кандидатских диссертаций, получено более 40 патентов.

Сотрудники награждены высокими научными премиями, в том числе: Государственная Премия РФ (Конов В.И.), Премия Правительства РФ (Раков А.В., Новиков Ю.А.), Государственная Премия РФ для молодых ученых (Кононенко В.В.) и другими.

В структуру Центра входят следующие отделы:

Отдел лазерной физики

Отдел светоиндуцированных поверхностных явлений

Отдел технологий и измерений атомного масштаба  

Общая численность сотрудников Центра - 133, число научных сотрудников – 93,
Академик РАН – 1, число докторов наук – 12, кандидатов наук – 60,
аспирантов и соискателей – 17, студентов – 25.

Основные направления и результаты исследований Центра:

1. Сверхвысоковакуумная зондовая микроскопия атомного разрешения, разработка методов атомного конструирования кристаллических материалов.

• На примере взаимодействия I2 и Cl2 с монокристаллами Ag, Cu, Si, GaAs изучаются механизмы поверхностных химических реакций на атомарном уровне. Разработан ряд технологических приемов, позволяющих управлять атомной структурой поверхности и локально, с атомной точностью, удалять материал подложки, например, кремний.
• Разработан и реализован метод гигантского (до 1000 раз) усиления сигнала комбинационного рассеяния света в туннельном зазоре СТМ.

2. Сканирующая зондовая литография (СЗЛ).

• Разрабатываются методы локального осаждения металлов и локального травления поверхности кремния и арсенида галлия.
• Осуществлен локальный синтез проводящих нанообъектов различной формы диаметром до 10 нм и высотой до 3 нм на поверхности алмазоподобных пленок при импульсном электрическом воздействии на адсорбат хлорорганических паров. Достигнута плотность 1012 элементов/см2 в структурах на основе ультратонких графитовых слоев.
• Обнаружен эффект высокопроизводимого и контролируемого формирования наноконусов в результате локального зондового воздействия на углеродно-кремниевые пленки.

3. Разработка эталонов наноразмеров.

• Предложено, экспериментально и теоретически обосновано применение в качестве эталона для зондовых и растровых электронных микроскопов специальных рельефных наноструктур на поверхности кремния с размерами элементов 50 нм – 2 мкм (совместно с ВНИИОФИ).
• Метод измерения ширины верхнего и нижнего оснований элемента рельефа с трапециевидным профилем включен в проект национального стандарта ГОСТ-Р «Микроскопы электронные растровые измерительные. Методики поверки».

4. Полевая электронная эмиссия из нанометериалов.

• Разработан оригинальный вакуумный СТМ прибор, позволяющий на одном участке исследуемой поверхности получать последовательно рельеф поверхности и локальное распределение работы выхода электронов, полевой электронной эмиссии и электропроводности.
• Проведен большой цикл исследований автоэлектронной эмиссии из массивных и наноструктурных материалов, главным образом углеродных. Обнаружено, что низкополевая (?1В/мкм) эмиссия происходит только из проводящей нанофазы, окруженной изолирующим материалом или вакуумом.
• Предложен квантоворазмерный механизм низкополевой электронной эмиссии и экспериментально обоснован в опытах с созданными методами СЛЗ углеродными наноструктурами.
• Продемонстрирована моноэнергетичность (3.10-2 эВ) и когерентность автоэлектронных пучков из матриц наноэмиттеров.
• Полученные результаты используются для создания нового поколения «холодных» катодов для вакуумной электроники.

5. Разработка технологий синтеза, методов контроля и обработки, применений одностенных углеродных нанотрубок (УОНТ) в фотонике.

• Разрабатываются различные методы синтеза УОНТ, базовым из которых является электродуговой.
• Показано, что метод комбинационного рассеяния позволяет определить ряд важных параметров нанотрубок (распределение и абсолютное значение диаметра, температура и др.).
• Развитие методов химической очистки и ультразвуковой обработки с применением поверхностно активных веществ и последующим ультрацентрифугированием (150.000д) суспензий позволяют получать УОНТ высокого качества, в том числе оптического.
• Ведутся оригинальные разработки новых нелинейно-оптических материалов на основе УОНТ. Созданы и успешно испытаны жидкие и твердые среды, «легированные» нанотрубками. В качестве твердотельной матрицы использованы водорастворимые полимеры и целлюлоза. УОНТ элементы продемонстрировали ультракороткие времена срабатывания. Их использование позволило реализовать режим синхронизации мод и получить фемтосекундные импульсы излучения целого ряда ИК лазеров.
• Разработана технология электрофоретического осаждения нанотрубок на подложки и создания на их основе низкопороговых и высокоэффективных холодных катодов. Совместно с НИИ «Волга» такие катоды были применены в цифровых индикаторах, продемонстрировавших рекордные параметры: при полях всего 3 В/мкм их яркость достигала 2000 кандел/м2.

6. Плазмохимический синтез нанокристаллических алмазных пленок.

• Разработана технология синтеза ультрагладких и твердых алмазных пленок – ультрананокристаллического алмаза (размер зерен 3-15 нм).
• Продемонстрирована возможность легирования таких пленок с получением n-типа проводимости. Исследуется возможность использования таких пленок в качестве защитных покрытий, новых элементов электроники и в электрохимии.

7. Разработка технологий лазерной микро- и  нанообработки материалов.

• Имеется набор лазеров с микро, нано, пико и фемтосекундной длительностью импульсов УФ, видимого и ИК излучения.
• Предложен ряд новых технологий лазерно стимулированного физического и химического удаления ультратонких (вплоть до атомарной толщины) слоев различных материалов.
• Исследуются методы создания поверхностных и объемных субмикронных структур при воздействии УФ излучением и ультракороткими и высокоинтенсивными лазерными импульсами.
• Разрабатываются методы лазерного переноса нанобиоматериалов на подложки.

8. Магнетометры на основе материалов с чередующимися нанослоями.

• Исследуются процессы перемагничивания новых перспективных тонкопленочных магнитных материалов с целью выбора образцов с минимальными шумовыми характеристиками.
• Созданы прототипы магнетометров с рекордно низким уровнем шума при комнатной температуре порядка 300 фТ\Гц1/2 в диапазоне частот 0.1-150Гц. На их основе ведется разработка высокочувствительных многодатчиковых систем обеспечения безопасности в аэропортах (совместно с ИРЭ РАН), методов защиты и автоматизированной идентификации изделий Госзнака.

9. Оптические сенсоры для химии и биологии.

• Создан технологический участок по нанесению монослойных Ленгмюр-Блоджет органических пленок, исследуются методы получения и свойств комплексов из наночастиц металла (нанотрубок) и биологических материалов.
• Разрабатывается технология создания сенсоров различных газов (пары ртути, озон, метан и др.) на основе поверхностного плазмонного резонанса.
• Разработано семейство приборов, которые основаны на методе низкокогерентной интерферометрии и позволяют регистрировать изменения толщины молекулярного слоя на поверхности прозрачной подложки с точностью до пикометров. На их основе создаются биочипы (имеется 96 канальный образец) для регистрации различных иммунохимических реакций. Порог обнаружения ряда бактерий, например туляремии, достигает всего 104кл/мл, что на 1-2 порядка лучше, чем у стандартных методов иммуноанализа.
• Экологические системы и методы диагностики малых примесей ( масс спектроскопия,  лазерно-искровой анализ ). 
• Разработка и создание приборов и методов дистанционного контроля  параметров жизнедеятельности  охотничьих  животных и других субъектов, а также  дистанционной медицинской диагностики человека. 

10. Синтез, оптические и медицинские применения наночастиц.

• Разрабатываются технологии получения наночастиц при лазерном пиролизе силана и лазерной абляции металлов и полупроводников в жидкостях.
• Исследуются структурные, оптические и нелинейно-оптические свойства наночастиц с целью разработки методов лазерной диагностики и эффективного воздействия на такие частицы.
• Разработана технология изготовления наночастиц фотосенсибилизаторов, например, фталоцианина алюминия (препарат Фотосенс), обладающих в ряде случаев более эффективным и проникающим воздействием, чем исходные жидкости, что открывает новые возможности в лазерной терапии.

11. Создание и применение магнитных наночастиц для контроля биохимических процессов и в медицине.

• Разработан метод синтеза полимерных наносфер, наполненных магнитными наночастицами с размером 10-20 нм, что позволяет создать магнитные метки с высокой магнитной восприимчивостью, хорошей поверхностной иммобилизацией биолигантов и специфическим связыванием.
• Созданы оригинальные высокочувствительные устройства для регистрации малых концентраций супермагнитных наночастиц. Порог детектирования суммарной массы магнитного материала составил 3 нг в объеме 0,5 см3.
• Ведется разработка нового диагностического метода – магнитного иммуноанализа и ряда других биосенсорных применений магнитных наночастиц. В частности, на специальных структурах уже удалось сократить время магнитного иммуноанализа до 20 мин при пороге регистрации бактерий ниже, чем в стандартных методах иммуноанализа.
• Исследуется возможность магнитоуправляемой доставки лекарственных препаратов с помощью магнитных наночастиц, а также их использование при фотодинамической терапии различных заболеваний и гипертермии опухолей.
• Разработка инфракрасных фотодетекторов и фотоприемных матриц для тепловизионной техники.
• Медицинская термография: разработка диагностических критериев для медицинской термографической диагностики различных патологий.
• Термография в науке и промышленности: разработка аппаратуры, методик применения и диагностических критериев.

12.   Электрофизика - мощная наносекундная импульсная энергетика.

• Разработка физических основ получения кратковременных (<10-8 с) электрических, СВЧ, рентгеновских и корпускулярных импульсов излучения мощностью до 1014 Вт, напряжением до 106-107 В,током до 106 А. Решение данной проблемы основывается на замкнутой модели электрического разряда в вакууме.
• Сформулированы и получены экспериментальные подтверждения основных положений эктонной модели катодного пятна вакуумного разряда, так называемой "взрывной" электронной эмиссии в вакууме.
• Предложена модель коллективного ускорения ионов на искровой стадии вакуумного разряда.

13.  Сверхбыстрые явления в оптике.

Для регистрации сверхбыстрых явлений в оптике разрабатываются  и изготавливаются лабораторные  макеты по кадровых рентгеновских электронно-оптических  преобразователей с наносекундными экспозициями и пространственным разрешением не хуже 20 пар линий / мм. Столь высокого пространственного разрешения удается достичь за счет модернизации фотокатодного узла и электронной оптики.