Oppfinnelsens historie - nanoteknologi

Allerede rundt 600 f.Kr. folk produserte nanotypestrukturer, det vil si sementitttråder i stål, kalt Wootz. Dette skjedde i India, og dette kan betraktes som begynnelsen på nanoteknologiens historie.

VI-XV s. Fargestoffene som ble brukt i denne perioden for å male glassmalerier, bruker gullkloridnanopartikler, klorider av andre metaller, samt metalloksider.

IX-XVII århundrer Mange steder i Europa produseres «glitter» og andre stoffer for å gi glans til keramikk og andre produkter. De inneholdt nanopartikler av metaller, oftest sølv eller kobber.

XIII-xviii w. "Damascus-stålet" produsert i disse århundrene, som de verdensberømte hvite våpnene ble laget av, inneholder karbon-nanorør og sementitt-nanofibre.

1857 Michael Faraday oppdager rubinfarget kolloidalt gull, karakteristisk for gullnanopartikler.

1931 Max Knoll og Ernst Ruska bygger et elektronmikroskop i Berlin, den første enheten som ser strukturen til nanopartikler på atomnivå. Jo større energi elektronene har, desto kortere er bølgelengden og desto større oppløsning har mikroskopet. Prøven er i vakuum og oftest dekket med en metallfilm. Elektronstrålen passerer gjennom testobjektet og går inn i detektorene. Basert på de målte signalene gjenskaper de elektroniske enhetene bildet av testprøven.

1936 Erwin Müller, som jobber ved Siemens Laboratories, finner opp feltemisjonsmikroskopet, den enkleste formen for et emisjonselektronmikroskop. Dette mikroskopet bruker et sterkt elektrisk felt for feltemisjon og bildebehandling.

1950 Victor La Mer og Robert Dinegar skaper det teoretiske grunnlaget for teknikken for å oppnå monodisperse kolloidale materialer. Dette tillot produksjon av spesielle typer papir, maling og tynne filmer i industriell skala.

1956 Arthur von Hippel fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) laget begrepet "molekylær ingeniørkunst".

1959 Richard Feynman foreleser om «Det er god plass i bunnen». Han startet med å forestille seg hva som skulle til for å få plass til en 24-binders Encyclopædia Britannica på et knappenålshode, og introduserte konseptet miniatyrisering og muligheten for å bruke teknologier som kunne fungere på nanometernivå. Ved denne anledningen etablerte han to priser (de såkalte Feynman-prisene) for prestasjoner på dette området – tusen dollar hver.

1960 Førstepremieutbetalingen skuffet Feynman. Han antok at et teknologisk gjennombrudd ville være nødvendig for å nå målene hans, men på den tiden undervurderte han potensialet til mikroelektronikk. Vinneren ble 35 år gamle ingeniør William H. McLellan. Han skapte en motor som veide 250 mikrogram, med en effekt på 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho og John Arthur utvikler epitaksimetoden. Den tillater dannelse av monoatomiske overflatelag ved bruk av halvlederteknologi - veksten av nye enkeltkrystalllag på et eksisterende krystallinsk substrat, som dupliserer strukturen til det eksisterende krystallinske substratsubstratet. En variant av epitaksi er epitaksien til molekylære forbindelser, som gjør det mulig å avsette krystallinske lag med en tykkelse på ett atomlag. Denne metoden brukes i produksjon av kvanteprikker og såkalte tynne lag.

1974 Introduksjon av begrepet "nanoteknologi". Den ble først brukt av University of Tokyo-forsker Norio Taniguchi på en vitenskapelig konferanse. Definisjonen av japansk fysikk er fortsatt i bruk den dag i dag og høres slik ut: «Nanoteknologi er en produksjon som bruker teknologi som gjør det mulig å oppnå svært høy nøyaktighet og ekstremt små størrelser, i.e. nøyaktighet i størrelsesorden 1 nm.

Visualisering av en kvantedråpe

80- og 90 -tallet Perioden med rask utvikling av litografisk teknologi og produksjon av ultratynne lag av krystaller. Den første, MOCVD(), er en metode for å avsette lag på overflaten av materialer ved bruk av gassformige organometalliske forbindelser. Dette er en av de epitaksiale metodene, derav dets alternative navn - MOSFE (). Den andre metoden, MBE, gjør det mulig å avsette svært tynne nanometerlag med en nøyaktig definert kjemisk sammensetning og presis fordeling av urenhetskonsentrasjonsprofilen. Dette er mulig på grunn av det faktum at lagkomponentene tilføres underlaget av separate molekylstråler.

1981 Gerd Binnig og Heinrich Rohrer lager det skannede tunnelmikroskopet. Ved å bruke kreftene til interatomiske interaksjoner, lar den deg få et bilde av overflaten med en oppløsning i størrelsesordenen til et enkelt atom, ved å føre bladet over eller under overflaten av prøven. I 1989 ble enheten brukt til å manipulere individuelle atomer. Binnig og Rohrer ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1986.

1985 Louis Brus fra Bell Labs oppdager kolloidale halvledernanokrystaller (kvanteprikker). De er definert som et lite romområde avgrenset i tre dimensjoner av potensielle barrierer når en partikkel med en bølgelengde som kan sammenlignes med størrelsen på en prikk kommer inn.

Omslag til boken Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology av C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto og Richard Erret Smalley oppdager fullerener, molekyler som består av et jevnt antall karbonatomer (fra 28 til ca. 1500) som danner en lukket hul kropp. De kjemiske egenskapene til fullerener er i mange henseender lik egenskapene til aromatiske hydrokarboner. Fulleren C60, eller buckminsterfulleren, som andre fullerener, er en allotropisk form for karbon.

1986-1992 C. Eric Drexler gir ut to viktige bøker om futurologi som populariserer nanoteknologi. Den første, utgitt i 1986, heter Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Han spår blant annet at fremtidige teknologier vil kunne manipulere enkeltatomer på en kontrollert måte. I 1992 publiserte han Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, som igjen spådde at nanomaskiner kunne reprodusere seg selv.

1989 Donald M. Aigler fra IBM setter ordet «IBM» – laget av 35 xenonatomer – på en nikkeloverflate.

1991 Sumio Iijima fra NEC i Tsukuba, Japan, oppdager karbon nanorør, hule sylindriske strukturer. Til dags dato, de mest kjente karbon nanorør, veggene som er laget av rullet grafen. Det finnes også nanorør uten karbon og DNA-nanorør. De tynneste nanorørene i karbon er i størrelsesorden én nanometer i diameter og kan være millioner av ganger lengre. De har bemerkelsesverdig strekkfasthet og unike elektriske egenskaper, og er utmerkede varmeledere. Disse egenskapene gjør dem til lovende materialer for applikasjoner innen nanoteknologi, elektronikk, optikk og materialvitenskap.

1993 Warren Robinett fra University of North Carolina og R. Stanley Williams fra UCLA bygger et virtuell virkelighetssystem knyttet til et skanningstunnelmikroskop som lar brukeren se og til og med berøre atomer.

1998 Cees Dekker-teamet ved Delft University of Technology i Nederland bygger en transistor som bruker karbon nanorør. For tiden prøver forskere å bruke de unike egenskapene til karbon-nanorør for å produsere bedre og raskere elektronikk som bruker mindre strøm. Dette ble begrenset av en rekke faktorer, hvorav noen gradvis ble overvunnet, noe som i 2016 førte til at forskere ved University of Wisconsin-Madison laget en karbontransistor med bedre parametere enn de beste silisiumprototypene. Forskning av Michael Arnold og Padma Gopalan førte til utviklingen av en karbon nanorørtransistor som kan bære dobbelt så mye strøm som sin silisiumkonkurrent.

2003 Samsung patenterer en avansert teknologi basert på virkningen av mikroskopiske sølvioner for å drepe bakterier, mugg og mer enn seks hundre typer bakterier og forhindre spredning av dem. Sølvpartikler er introdusert i selskapets viktigste filtreringssystemer – alle filtre og støvsamleren eller posen.

2004 British Royal Society og Royal Academy of Engineering publiserer rapporten "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", som etterlyser forskning på potensielle risikoer ved nanoteknologi for helse, miljø og samfunn, med hensyn til etiske og juridiske aspekter.

Nanomotormodell på fullerenhjul

2006 James Tour, sammen med et team av forskere fra Rice University, konstruerer en mikroskopisk "van" av oligo (phenyleneethynylene) molekylet, hvis aksler er laget av aluminiumsatomer, og hjulene er laget av C60 fullerener. Nanovehicle beveget seg over overflaten, bestående av gullatomer, under påvirkning av temperaturøkning, på grunn av rotasjonen av fulleren "hjul". Over en temperatur på 300 ° C akselererte den så mye at kjemikere ikke lenger kunne spore den ...

2007 Technion nanoteknologer passer hele det jødiske "gamle testamentet" inn i et område på bare 0,5 mm² gullbelagt silisiumskive. Teksten ble gravert ved å rette en fokusert strøm av galliumioner på platen.

2009-2010 Nadrian Seaman og kolleger ved New York University lager en serie DNA-lignende nanomounts der syntetiske DNA-strukturer kan programmeres til å "produsere" andre strukturer med ønskede former og egenskaper.

2013 IBM-forskere lager en animasjonsfilm som bare kan sees etter å ha blitt forstørret 100 millioner ganger. Den kalles "Gutten og hans atom" og er tegnet med diatomiske prikker en milliarddels meter i størrelse, som er enkeltmolekyler av karbonmonoksid. Tegneserien viser en gutt som først leker med en ball og deretter hopper på en trampoline. Et av molekylene spiller også rollen som en ball. All handling foregår på en kobberoverflate, og størrelsen på hver filmramme overstiger ikke flere titalls nanometer.

2014 Forskere fra ETH University of Technology i Zürich har lyktes i å lage en porøs membran som er mindre enn én nanometer tykk. Tykkelsen på materialet oppnådd gjennom nanoteknologisk manipulasjon er 100 XNUMX. ganger mindre enn et menneskehår. I følge medlemmene av forfatterteamet er dette det tynneste porøse materialet som kan oppnås og er generelt mulig. Den består av to lag av en todimensjonal grafenstruktur. Membranen er gjennomtrengelig, men bare for små partikler, bremser opp eller helt fanger opp større partikler.

2015 En molekylær pumpe blir laget, en enhet i nanoskala som overfører energi fra ett molekyl til et annet, og etterligner naturlige prosesser. Oppsettet ble designet av forskere ved Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mekanismen ligner biologiske prosesser i proteiner. Det forventes at slike teknologier vil finne anvendelse hovedsakelig innen bioteknologi og medisin, for eksempel i kunstige muskler.

2016 Ifølge en publikasjon i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Nanotechnology har forskere ved det nederlandske tekniske universitetet i Delft utviklet banebrytende enkeltatoms lagringsmedier. Den nye metoden skal gi mer enn fem hundre ganger høyere lagringstetthet enn noen for tiden brukt teknologi. Forfatterne bemerker at enda bedre resultater kan oppnås ved å bruke en tredimensjonal modell av plasseringen av partikler i rommet.

Klassifisering av nanoteknologi og nanomaterialer

1. Nanoteknologiske strukturer inkluderer:

• kvantebrønner, ledninger og prikker, dvs. ulike strukturer som kombinerer følgende funksjon - den romlige begrensningen av partikler i et bestemt område gjennom potensielle barrierer;
• plast, hvis struktur er kontrollert på nivået av individuelle molekyler, takket være hvilke det er mulig, for eksempel, å oppnå materialer med enestående mekaniske egenskaper;
• kunstige fibre - materialer med en veldig presis molekylær struktur, også preget av uvanlige mekaniske egenskaper;
• nanorør, supramolekylære strukturer i form av hule sylindre. Til dags dato, de mest kjente karbon nanorør, veggene som er laget av foldet grafen (monatomiske grafittlag). Det finnes også nanorør uten karbon (for eksempel fra wolframsulfid) og fra DNA;
• materialer knust i form av støv, hvis korn er for eksempel ansamlinger av metallatomer. Sølv () med sterke antibakterielle egenskaper er mye brukt i denne formen;
• nanotråder (for eksempel sølv eller kobber);
• elementer dannet ved hjelp av elektronlitografi og andre nanolitografimetoder;
• fullerener;
• grafen og andre todimensjonale materialer (borofen, grafen, sekskantet bornitrid, silisen, germanen, molybdensulfid);
• komposittmaterialer forsterket med nanopartikler.

Nanolitografisk overflate

2. Klassifiseringen av nanoteknologi i vitenskapens systematikk, utviklet i 2004 av Organisasjonen for økonomisk samarbeid og utvikling (OECD):

• nanomaterialer (produksjon og egenskaper);
• nanoprosesser (anvendelser i nanoskala - biomaterialer tilhører industriell bioteknologi).

3. Nanomaterialer er alle materialer hvor det er vanlige strukturer på molekylært nivå, dvs. ikke over 100 nanometer.

Denne grensen kan referere til størrelsen på domenene som den grunnleggende enheten for mikrostruktur, eller til tykkelsen på lagene oppnådd eller avsatt på underlaget. I praksis er grensen under som tilskrives nanomaterialer forskjellig for materialer med forskjellige ytelsesegenskaper - den er hovedsakelig forbundet med utseendet til spesifikke egenskaper når de overskrides. Ved å redusere størrelsen på de ordnede strukturene til materialer, er det mulig å forbedre deres fysisk-kjemiske, mekaniske og andre egenskaper betydelig.

Nanomaterialer kan deles inn i følgende fire grupper:

• nulldimensjonal (dot nanomaterials) - for eksempel kvanteprikker, sølv nanopartikler;
• endimensjonale – for eksempel metall eller halvleder nanotråder, nanorods, polymere nanofibre;
• todimensjonal – for eksempel nanometerlag av enfase- eller flerfasetype, grafen og andre materialer med en tykkelse på ett atom;
• tredimensjonal (eller nanokrystallinsk) - består av krystallinske domener og ansamlinger av faser med størrelser i størrelsesorden nanometer eller kompositter forsterket med nanopartikler.