Opfindelsernes historie - nanoteknologi

Allerede omkring 600 f.Kr. mennesker producerede nanotypestrukturer, dvs. cementitstrenge i stål, kaldet Wootz. Dette skete i Indien, og dette kan betragtes som begyndelsen på nanoteknologiens historie.

VI-XV c. Farvestofferne, der blev brugt i denne periode til maling af farvede glasvinduer, bruger guldkloridnanopartikler, chlorider af andre metaller samt metaloxider.

IX-XVII århundreder Mange steder i Europa produceres "glitter" og andre stoffer for at give glans til keramik og andre produkter. De indeholdt nanopartikler af metaller, oftest sølv eller kobber.

XIII-xviii w. "Damascus-stålet", der blev produceret i disse århundreder, og som de verdensberømte hvide våben blev fremstillet af, indeholder kulstofnanorør og cementitnanofibre.

1857 Michael Faraday opdager rubinfarvet kolloidt guld, der er karakteristisk for guldnanopartikler.

1931 Max Knoll og Ernst Ruska bygger et elektronmikroskop i Berlin, det første apparat til at se strukturen af ​​nanopartikler på atomniveau. Jo større energi elektronerne har, jo kortere er deres bølgelængde og jo større opløsning har mikroskopet. Prøven er i et vakuum og oftest dækket af en metalfilm. Elektronstrålen passerer gennem det testede objekt og kommer ind i detektorerne. Baseret på de målte signaler genskaber de elektroniske enheder billedet af testprøven.

1936 Erwin Müller, der arbejder på Siemens Laboratories, opfinder feltemissionsmikroskopet, den enkleste form for et emissionselektronmikroskop. Dette mikroskop bruger et stærkt elektrisk felt til feltemission og billeddannelse.

1950 Victor La Mer og Robert Dinegar skaber det teoretiske grundlag for teknikken til at opnå monodisperse kolloide materialer. Dette gjorde det muligt at fremstille specielle typer papir, maling og tynde film i industriel skala.

1956 Arthur von Hippel fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) opfandt udtrykket "molekylær teknik".

1959 Richard Feynman holder foredrag om "Der er masser af plads i bunden." Han startede med at forestille sig, hvad det krævede for at sætte en 24-binds Encyclopædia Britannica på et knappenålshoved, og introducerede begrebet miniaturisering og muligheden for at bruge teknologier, der kunne fungere på nanometerniveau. Ved denne lejlighed indstiftede han to priser (de såkaldte Feynman-priser) for præstationer på dette område - tusind dollars hver.

1960 Udbetalingen af ​​førstepræmien skuffede Feynman. Han antog, at et teknologisk gennembrud ville være påkrævet for at nå hans mål, men på det tidspunkt undervurderede han potentialet i mikroelektronik. Vinderen blev den 35-årige ingeniør William H. McLellan. Han skabte en motor, der vejede 250 mikrogram, med en effekt på 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho og John Arthur udvikler epitaksimetoden. Det tillader dannelsen af ​​monoatomiske overfladelag ved hjælp af halvlederteknologi - væksten af ​​nye enkeltkrystallag på et eksisterende krystallinsk substrat, der duplikerer strukturen af ​​det eksisterende krystallinske substratsubstrat. En variation af epitaksi er epitaksi af molekylære forbindelser, som gør det muligt at afsætte krystallinske lag med en tykkelse på et atomlag. Denne metode bruges til fremstilling af kvanteprikker og såkaldte tynde lag.

1974 Introduktion af begrebet "nanoteknologi". Det blev først brugt af University of Tokyo-forsker Norio Taniguchi på en videnskabelig konference. Definitionen af ​​japansk fysik forbliver i brug den dag i dag og lyder således: "Nanoteknologi er en produktion, der bruger teknologi, der gør det muligt at opnå meget høj nøjagtighed og ekstremt små størrelser, dvs. nøjagtighed af størrelsesordenen 1 nm.

Visualisering af et kvantedråbe

80'erne og 90'erne Perioden med hurtig udvikling af litografisk teknologi og produktion af ultratynde lag af krystaller. Den første, MOCVD(), er en metode til aflejring af lag på overfladen af ​​materialer ved hjælp af gasformige organometalliske forbindelser. Dette er en af ​​de epitaksielle metoder, deraf dets alternative navn - MOSFE (). Den anden metode, MBE, gør det muligt at afsætte meget tynde nanometerlag med en præcist defineret kemisk sammensætning og præcis fordeling af urenhedskoncentrationsprofilen. Dette er muligt på grund af det faktum, at lagkomponenterne tilføres substratet af separate molekylære stråler.

1981 Gerd Binnig og Heinrich Rohrer skaber det scannende tunnelmikroskop. Ved at bruge kræfterne fra interatomiske interaktioner giver det dig mulighed for at få et billede af overfladen med en opløsning i størrelsesordenen af ​​et enkelt atoms størrelse ved at føre bladet over eller under prøvens overflade. I 1989 blev enheden brugt til at manipulere individuelle atomer. Binnig og Rohrer blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1986.

1985 Louis Brus fra Bell Labs opdager kolloide halvleder nanokrystaller (kvanteprikker). De er defineret som et lille område af rummet afgrænset i tre dimensioner af potentielle barrierer, når en partikel med en bølgelængde, der kan sammenlignes med størrelsen af ​​en prik, trænger ind.

Omslag til bogen Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology af C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto og Richard Erret Smalley opdager fullerener, molekyler, der består af et lige antal kulstofatomer (fra 28 til omkring 1500), der danner et lukket hult legeme. De kemiske egenskaber af fullerener svarer i mange henseender til aromatiske kulbrinters. Fulleren C60, eller buckminsterfulleren, er ligesom andre fullerener en allotrop form for kulstof.

1986-1992 C. Eric Drexler udgiver to vigtige bøger om futurologi, der populariserer nanoteknologi. Den første, udgivet i 1986, hedder Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Han forudser blandt andet, at fremtidige teknologier vil være i stand til at manipulere individuelle atomer på en kontrolleret måde. I 1992 udgav han Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, som igen forudsagde, at nanomaskiner kunne reproducere sig selv.

1989 Donald M. Aigler fra IBM sætter ordet "IBM" - lavet af 35 xenonatomer - på en nikkeloverflade.

1991 Sumio Iijima fra NEC i Tsukuba, Japan, opdager kulstofnanorør, hule cylindriske strukturer. Til dato, de bedst kendte kulstof nanorør, hvis vægge er lavet af rullet grafen. Der er også ikke-kulstof nanorør og DNA nanorør. De tyndeste kulstofnanorør er i størrelsesordenen en nanometer i diameter og kan være millioner af gange længere. De har bemærkelsesværdig trækstyrke og unikke elektriske egenskaber og er fremragende varmeledere. Disse egenskaber gør dem til lovende materialer til applikationer inden for nanoteknologi, elektronik, optik og materialevidenskab.

1993 Warren Robinett fra University of North Carolina og R. Stanley Williams fra UCLA er ved at bygge et virtual reality-system, der er knyttet til et scanning-tunneling-mikroskop, der gør det muligt for brugeren at se og endda røre ved atomer.

1998 Cees Dekker-teamet ved Delft University of Technology i Holland er ved at bygge en transistor, der bruger kulstof nanorør. I øjeblikket forsøger forskere at bruge kulstofnanorørs unikke egenskaber til at producere bedre og hurtigere elektronik, der forbruger mindre elektricitet. Dette var begrænset af en række faktorer, hvoraf nogle gradvist blev overvundet, hvilket i 2016 fik forskere ved University of Wisconsin-Madison til at skabe en kulstoftransistor med bedre parametre end de bedste siliciumprototyper. Forskning udført af Michael Arnold og Padma Gopalan førte til udviklingen af ​​en kulstof-nanorørtransistor, der kan bære dobbelt så meget strøm som sin siliciumkonkurrent.

2003 Samsung patenterer en avanceret teknologi baseret på virkningen af ​​mikroskopiske sølvioner for at dræbe bakterier, skimmelsvamp og mere end seks hundrede typer bakterier og forhindre deres spredning. Sølvpartikler er blevet indført i de vigtigste filtreringssystemer i virksomhedens støvsuger – alle filtre og støvopsamler eller pose.

2004 British Royal Society og Royal Academy of Engineering udgiver rapporten "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", der opfordrer til forskning i de potentielle risici ved nanoteknologi for sundhed, miljø og samfund under hensyntagen til etiske og juridiske aspekter.

Nanomotor model på fulleren hjul

2006 James Tour konstruerer sammen med et team af forskere fra Rice University en mikroskopisk "van" af oligo-molekylet (phenyleneethynylen), hvis aksler er lavet af aluminiumatomer, og hjulene er lavet af C60 fullerener. Nanovehicle bevægede sig over overfladen, bestående af guldatomer, under indflydelse af temperaturstigning på grund af rotationen af ​​fulleren "hjul". Over en temperatur på 300 ° C accelererede den så meget, at kemikere ikke længere kunne spore den ...

2007 Technion nanoteknologer passer hele det jødiske "Gamle Testamente" ind i et område på kun 0,5 mm² forgyldt silicium wafer. Teksten blev indgraveret ved at rette en fokuseret strøm af galliumioner på pladen.

2009-2010 Nadrian Seaman og kolleger ved New York University skaber en række DNA-lignende nanomounts, hvori syntetiske DNA-strukturer kan programmeres til at "producere" andre strukturer med ønskede former og egenskaber.

2013 IBM-forskere laver en animationsfilm, der kun kan ses efter at være blevet forstørret 100 millioner gange. Det kaldes "Drengen og hans atom" og er tegnet med diatomiske prikker en milliardtedel af en meter i størrelse, som er enkelte molekyler af kulilte. Tegnefilmen forestiller en dreng, der først leger med en bold og derefter hopper på en trampolin. Et af molekylerne spiller også rollen som en bold. Al handling foregår på en kobberoverflade, og størrelsen af ​​hver filmramme overstiger ikke flere titusinder af nanometer.

2014 Det er lykkedes for forskere fra ETH University of Technology i Zürich at skabe en porøs membran på mindre end en nanometer tyk. Tykkelsen af ​​materialet opnået gennem nanoteknologisk manipulation er 100 XNUMX. gange mindre end et menneskehår. Ifølge medlemmerne af holdet af forfattere er dette det tyndeste porøse materiale, der kunne opnås, og er generelt muligt. Den består af to lag af en todimensionel grafenstruktur. Membranen er gennemtrængelig, men kun for små partikler, der bremser eller fuldstændig fanger større partikler.

2015 En molekylær pumpe er ved at blive skabt, en enhed i nanoskala, der overfører energi fra et molekyle til et andet og efterligner naturlige processer. Layoutet er designet af forskere ved Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mekanismen minder om biologiske processer i proteiner. Det forventes, at sådanne teknologier hovedsageligt vil finde anvendelse inden for bioteknologi og medicin, for eksempel i kunstige muskler.

2016 Ifølge en publikation i det videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology har forskere ved det hollandske tekniske universitet Delft udviklet banebrydende enkeltatom-lagringsmedier. Den nye metode skulle give mere end fem hundrede gange højere lagertæthed end nogen aktuelt anvendt teknologi. Forfatterne bemærker, at der kan opnås endnu bedre resultater ved at bruge en tredimensionel model af partiklernes placering i rummet.

Klassificering af nanoteknologier og nanomaterialer

1. Nanoteknologiske strukturer omfatter:

• kvantebrønde, ledninger og prikker, dvs. forskellige strukturer, der kombinerer følgende egenskab - den rumlige begrænsning af partikler i et bestemt område gennem potentielle barrierer;
• plast, hvis struktur styres på niveauet af individuelle molekyler, takket være hvilket det for eksempel er muligt at opnå materialer med hidtil usete mekaniske egenskaber;
• kunstige fibre - materialer med en meget præcis molekylær struktur, også kendetegnet ved usædvanlige mekaniske egenskaber;
• nanorør, supramolekylære strukturer i form af hule cylindre. Til dato de bedst kendte kulstof nanorør, hvis vægge er lavet af foldet grafen (monatomiske grafitlag). Der findes også nanorør uden kulstof (f.eks. fra wolframsulfid) og fra DNA;
• materialer knust i form af støv, hvis korn er for eksempel ophobninger af metalatomer. Sølv () med stærke antibakterielle egenskaber er meget udbredt i denne form;
• nanotråde (for eksempel sølv eller kobber);
• elementer dannet ved hjælp af elektronlitografi og andre nanolitografimetoder;
• fullerener;
• grafen og andre todimensionelle materialer (borophen, grafen, sekskantet bornitrid, silicen, germanen, molybdænsulfid);
• kompositmaterialer forstærket med nanopartikler.

Nanolitografisk overflade

2. Klassificeringen af ​​nanoteknologier i videnskabens systematik, udviklet i 2004 af Organisationen for Økonomisk Samarbejde og Udvikling (OECD):

• nanomaterialer (produktion og egenskaber);
• nanoprocesser (anvendelser i nanoskala - biomaterialer hører til industriel bioteknologi).

3. Nanomaterialer er alle materialer, hvori der er regulære strukturer på molekylært niveau, dvs. ikke over 100 nanometer.

Denne grænse kan referere til størrelsen af ​​domænerne som den grundlæggende enhed af mikrostruktur eller til tykkelsen af ​​lagene opnået eller aflejret på substratet. I praksis er grænsen under, som tilskrives nanomaterialer, forskellig for materialer med forskellige ydeevneegenskaber - den er hovedsageligt forbundet med udseendet af specifikke egenskaber, når de overskrides. Ved at reducere størrelsen af ​​de ordnede strukturer af materialer er det muligt at forbedre deres fysisk-kemiske, mekaniske og andre egenskaber betydeligt.

Nanomaterialer kan opdeles i følgende fire grupper:

• nuldimensional (dot nanomaterialer) - for eksempel kvanteprikker, sølv nanopartikler;
• endimensionel – for eksempel metal- eller halvledernannotråde, nanorods, polymere nanofibre;
• todimensionelle – for eksempel nanometerlag af enfaset eller flerfaset type, grafen og andre materialer med en tykkelse på et atom;
• tredimensionelle (eller nanokrystallinsk) - består af krystallinske domæner og ophobninger af faser med størrelser af størrelsesordenen nanometer eller kompositter forstærket med nanopartikler.