Keksintöjen historia - Nanoteknologia

Jo noin 600 eKr. ihmiset tuottivat nanotyyppisiä rakenteita, eli sementiittisäikeitä teräksestä, nimeltään Wootz. Tämä tapahtui Intiassa, ja tätä voidaan pitää nanoteknologian historian alussa.

VI-XV s. Tänä aikana lasimaalauksissa käytetyissä väriaineissa käytetään kultakloridin nanohiukkasia, muiden metallien klorideja sekä metallioksideja.

IX-XVII vuosisadalla Monissa paikoissa Euroopassa tuotetaan "glitterejä" ja muita aineita antamaan kiiltoa keramiikalle ja muille tuotteille. Ne sisälsivät metallien nanohiukkasia, useimmiten hopeaa tai kuparia.

XIII-xviii w. Näinä vuosisatoina valmistettu "Damaskoksen teräs", josta maailmankuulut valkoiset aseet valmistettiin, sisältää hiilinanoputkia ja sementiittinanokuituja.

1857 Michael Faraday löytää rubiininvärisen kolloidisen kullan, joka on ominaista kullan nanohiukkasille.

1931 Max Knoll ja Ernst Ruska rakentavat Berliinissä elektronimikroskoopin, ensimmäisen laitteen, joka näki nanohiukkasten rakenteen atomitasolla. Mitä suurempi elektronien energia on, sitä lyhyempi on niiden aallonpituus ja sitä suurempi on mikroskoopin resoluutio. Näyte on tyhjiössä ja useimmiten peitetty metallikalvolla. Elektronisuihku kulkee testattavan kohteen läpi ja menee ilmaisimiin. Mitattujen signaalien perusteella elektroniset laitteet luovat uudelleen kuvan testinäytteestä.

1936 Erwin Müller, joka työskentelee Siemens Laboratoriesissa, keksii kenttäemissiomikroskoopin, emissioelektronimikroskoopin yksinkertaisimman muodon. Tämä mikroskooppi käyttää voimakasta sähkökenttää kentän emissioon ja kuvantamiseen.

1950 Victor La Mer ja Robert Dinegar luovat teoreettisen perustan monodispersisten kolloidisten materiaalien saamiseksi. Tämä mahdollisti erikoispaperien, maalien ja ohutkalvojen tuotannon teollisessa mittakaavassa.

1956 Arthur von Hippel Massachusetts Institute of Technologysta (MIT) loi termin "molekyylitekniikka".

1959 Richard Feynman luennoi aiheesta "Alhaalla on runsaasti tilaa". Aluksi kuvittelemalla, mitä 24-osaisen Encyclopædia Britannican sovittaminen neulanpäähän vaatisi, hän esitteli miniatyrisoinnin käsitteen ja mahdollisuuden käyttää nanometritasolla toimivia teknologioita. Tässä yhteydessä hän perusti kaksi palkintoa (niin sanotut Feynman-palkinnot) saavutuksista tällä alalla - tuhat dollaria kumpikin.

1960 Ensimmäisen palkinnon voitto pettyi Feynmanille. Hän oletti, että tavoitteensa saavuttaminen vaatisi teknologista läpimurtoa, mutta tuolloin hän aliarvioi mikroelektroniikan mahdollisuudet. Voittaja oli 35-vuotias insinööri William H. McLellan. Hän loi 250 mikrogrammaa painavan moottorin, jonka teho on 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho ja John Arthur kehittävät epitaksimenetelmää. Se mahdollistaa yksiatomisten pintakerrosten muodostamisen puolijohdeteknologiaa käyttämällä - uusien yksikidekerrosten kasvattamisen olemassa olevalle kiteiselle alustalle, mikä monistaa olemassa olevan kiteisen substraatin rakenteen. Epitaksian muunnelma on molekyyliyhdisteiden epitaksia, joka mahdollistaa yhden atomikerroksen paksuisten kiteisten kerrosten kerrostamisen. Tätä menetelmää käytetään kvanttipisteiden ja ns. ohuiden kerrosten valmistuksessa.

1974 Käsitteen "nanoteknologia" käyttöönotto. Tokion yliopiston tutkija Norio Taniguchi käytti sitä ensimmäisenä tieteellisessä konferenssissa. Japanilaisen fysiikan määritelmä on edelleen käytössä ja kuulostaa tältä: ”Nanoteknologia on tuotantoa, jossa käytetään teknologiaa, joka mahdollistaa erittäin korkean tarkkuuden ja äärimmäisen pieniä kokoja, ts. 1 nm:n tarkkuudella.

Kvanttipisaran visualisointi

80- ja 90-luvut Litografisen tekniikan nopean kehityksen ja ultraohuiden kidekerrosten tuotannon aika. Ensimmäinen, MOCVD(), on menetelmä kerrosten kerrostamiseksi materiaalien pinnalle käyttämällä kaasumaisia ​​organometallisia yhdisteitä. Tämä on yksi epitaksiaalisista menetelmistä, joten sen vaihtoehtoinen nimi - MOSFE (). Toinen menetelmä, MBE, mahdollistaa erittäin ohuiden nanometrikerrosten kerrostamisen, joilla on tarkasti määritelty kemiallinen koostumus ja tarkka epäpuhtauspitoisuusprofiilin jakautuminen. Tämä on mahdollista johtuen siitä, että kerroskomponentit syötetään substraattiin erillisillä molekyylisäteillä.

1981 Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer luovat pyyhkäisytunnelimikroskoopin. Käyttämällä atomien välisten vuorovaikutusten voimia sen avulla voit saada kuvan pinnasta, jonka resoluutio on yhden atomin koon suuruusluokkaa, ohjaamalla terä näytteen pinnan ylä- tai alapuolelle. Vuonna 1989 laitetta käytettiin yksittäisten atomien manipuloimiseen. Binnig ja Rohrer saivat fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1986.

1985 Louis Brus Bell Labsista löytää kolloidisia puolijohteen nanokiteitä (kvanttipisteitä). Ne määritellään pieneksi tila-alueeksi, jota kolmiulotteisesti rajoittavat potentiaaliesteet, kun sisään tulee hiukkanen, jonka aallonpituus on verrattavissa pisteen kokoon.

Kansi kirjasta Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, kirjoittanut C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto ja Richard Erret Smalley löytävät fullereeneja, molekyylejä, jotka koostuvat parillisesta määrästä hiiliatomeja (28 - noin 1500), jotka muodostavat suljetun onton kappaleen. Fullereenien kemialliset ominaisuudet ovat monessa suhteessa samanlaisia ​​kuin aromaattisten hiilivetyjen. Fullereeni C60 tai buckminsterfullereeni, kuten muut fullereenit, on allotrooppinen hiilen muoto.

1986-1992 C. Eric Drexler julkaisee kaksi tärkeää futurologiaa käsittelevää kirjaa, jotka popularisoivat nanoteknologiaa. Ensimmäinen, vuonna 1986 julkaistu, on nimeltään Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Hän ennustaa muun muassa, että tulevaisuuden teknologiat pystyvät manipuloimaan yksittäisiä atomeja hallitusti. Vuonna 1992 hän julkaisi Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing and the Computational Idea, joka puolestaan ​​ennusti, että nanokoneet voisivat tuottaa itseään.

1989 IBM:n Donald M. Aigler laittaa sanan "IBM" - joka on valmistettu 35 ksenonatomista - nikkelipinnalle.

1991 Sumio Iijima NEC:stä Tsukubasta Japanista löytää hiilinanoputkia, onttoja sylinterimäisiä rakenteita. Tähän mennessä tunnetuimmat hiilinanoputket, joiden seinät on valmistettu valssatusta grafeenista. On myös ei-hiilinanoputkia ja DNA-nanoputkia. Ohuimmat hiilinanoputket ovat halkaisijaltaan noin yhden nanometrin luokkaa ja voivat olla miljoonia kertoja pidempiä. Niillä on huomattava vetolujuus ja ainutlaatuiset sähköiset ominaisuudet, ja ne ovat erinomaisia ​​lämmönjohtimia. Nämä ominaisuudet tekevät niistä lupaavia materiaaleja nanoteknologian, elektroniikan, optiikan ja materiaalitieteen sovelluksiin.

1993 Warren Robinett North Carolinan yliopistosta ja R. Stanley Williams UCLA:sta rakentavat virtuaalitodellisuusjärjestelmää, joka on yhdistetty skannaavaan tunnelimikroskooppiin, jonka avulla käyttäjä voi nähdä ja jopa koskettaa atomeja.

1998 Delftin teknillisen yliopiston Cees Dekker -tiimi Alankomaissa rakentaa transistoria, joka käyttää hiilinanoputkia. Tällä hetkellä tutkijat yrittävät käyttää hiilinanoputkien ainutlaatuisia ominaisuuksia tuottaakseen parempaa ja nopeampaa elektroniikkaa, joka kuluttaa vähemmän sähköä. Tätä rajoittivat useat tekijät, joista osa voitettiin vähitellen, mikä johti vuonna 2016 Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijat luomaan hiilitransistorin, jonka parametrit ovat paremmat kuin parhaat piiprototyypit. Michael Arnoldin ja Padma Gopalanin tutkimus johti hiilinanoputkitransistorin kehittämiseen, joka voi kuljettaa kaksi kertaa piikilpailijaansa verrattuna.

2003 Samsung patentoi edistyneen teknologian, joka perustuu mikroskooppisten hopea-ionien toimintaan, joka tappaa bakteereita, hometta ja yli kuusisataa bakteerityyppiä ja estää niiden leviämisen. Hopeahiukkaset on lisätty yrityksen pölynimurin tärkeimpiin suodatusjärjestelmiin - kaikkiin suodattimiin ja pölynkerääjään tai -pussiin.

2004 British Royal Society ja Royal Academy of Engineering julkaisevat raportin "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", jossa kehotetaan tutkimaan nanoteknologian mahdollisia riskejä terveydelle, ympäristölle ja yhteiskunnalle ottaen huomioon eettiset ja oikeudelliset näkökohdat.

Nanomoottori malli fullereenipyörillä

2006 James Tour rakentaa yhdessä Rice Universityn tutkijaryhmän kanssa oligo- (fenyylieetynyleeni) -molekyylistä mikroskooppisen "pakettiauton", jonka akselit on valmistettu alumiiniatomeista ja pyörät C60-fulereeneistä. Nanoajoneuvo liikkui kultaatomeista koostuvan pinnan yli lämpötilan nousun vaikutuksesta fullereeni "pyörien" pyörimisen vuoksi. Yli 300 °C:n lämpötilassa se kiihtyi niin paljon, että kemistit eivät enää pystyneet jäljittämään sitä ...

2007 Tekniset nanoteknikot sopivat koko juutalaisen "Vanhan testamentin" vain 0,5 mm:n alueelle² kullattu piikiekko. Teksti kaiverrettiin ohjaamalla fokusoitu gallium-ionien virta levylle.

2009-2010 Nadrian Seaman ja kollegat New Yorkin yliopistosta luovat sarjan DNA:n kaltaisia ​​nanokiinnikkeitä, joissa synteettiset DNA-rakenteet voidaan ohjelmoida "tuottamaan" muita rakenteita, joilla on halutut muodot ja ominaisuudet.

2013 IBM:n tutkijat luovat animaatioelokuvaa, joka voidaan katsoa vasta 100 miljoonan kertaisen suurennuksen jälkeen. Sitä kutsutaan nimellä "Poika ja hänen atominsa", ja se on piirretty kahden miljardisosan metrin kooltaan diatomisilla pisteillä, jotka ovat yksittäisiä hiilimonoksidimolekyylejä. Sarjakuva kuvaa poikaa, joka ensin leikkii pallolla ja sitten hyppää trampoliinilla. Yksi molekyyleistä toimii myös pallon roolina. Kaikki toiminta tapahtuu kuparipinnalla, ja yhden filmikehyksen koko ei ylitä useita kymmeniä nanometrejä.

2014 Zürichin ETH:n teknillisen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet luomaan alle nanometrin paksuisen huokoisen kalvon. Nanoteknologisella käsittelyllä saadun materiaalin paksuus on 100 XNUMX. kertaa pienempi kuin ihmisen hiukset. Kirjoittajaryhmän jäsenten mukaan tämä on ohuin huokoinen materiaali, joka voidaan saada ja on yleensä mahdollista. Se koostuu kahdesta kaksiulotteisen grafeenirakenteen kerroksesta. Kalvo on läpäisevä, mutta vain pienille hiukkasille, hidastaen tai vangitseen kokonaan suuremmat hiukkaset.

2015 Molekyylipumppu on luomassa, nanomittakaavan laite, joka siirtää energiaa molekyylistä toiseen jäljittelemällä luonnollisia prosesseja. Ulkoasun suunnittelivat Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences -yliopiston tutkijat. Mekanismi muistuttaa proteiinien biologisia prosesseja. Tällaisten teknologioiden odotetaan löytävän käyttöä pääasiassa biotekniikan ja lääketieteen aloilla, esimerkiksi tekolihaksissa.

2016 Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistun julkaisun mukaan hollantilaisen Delftin teknisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uraauurtavia yhden atomin tallennusvälineitä. Uuden menetelmän pitäisi tarjota yli viisisataa kertaa suurempi varastointitiheys kuin mikään tällä hetkellä käytössä oleva tekniikka. Kirjoittajat huomauttavat, että vielä parempia tuloksia voidaan saavuttaa käyttämällä kolmiulotteista mallia hiukkasten sijainnista avaruudessa.

Nanoteknologian ja nanomateriaalien luokittelu

1. Nanoteknologisia rakenteita ovat mm.

• kvanttikuivat, johdot ja pisteet, ts. erilaisia ​​rakenteita, jotka yhdistävät seuraavan ominaisuuden - hiukkasten alueellinen rajoitus tietyllä alueella mahdollisten esteiden kautta;
• muovit, joiden rakennetta ohjataan yksittäisten molekyylien tasolla, minkä ansiosta on mahdollista saada esimerkiksi materiaaleja, joilla on ennennäkemättömät mekaaniset ominaisuudet;
• tekokuidut - materiaalit, joilla on erittäin tarkka molekyylirakenne ja jotka erottuvat myös epätavallisista mekaanisista ominaisuuksista;
• nanoputket, supramolekyyliset rakenteet onttojen sylinterien muodossa. Tähän mennessä tunnetuimmat hiilinanoputket, joiden seinät on valmistettu taitetusta grafeenista (monatomiset grafiittikerrokset). On myös muita kuin hiilinanoputkia (esimerkiksi volframisulfidista) ja DNA:sta;
• pölyn muodossa murskatut materiaalit, joiden rakeet ovat esimerkiksi metalliatomien kertymiä. Hopeaa (), jolla on vahvoja antibakteerisia ominaisuuksia, käytetään laajalti tässä muodossa;
• nanolangat (esimerkiksi hopea tai kupari);
• elementit, jotka on muodostettu käyttämällä elektronilitografiaa ja muita nanolitografiamenetelmiä;
• fullereenit;
• grafeeni ja muut kaksiulotteiset materiaalit (borofeeni, grafeeni, kuusikulmainen boorinitridi, silikeeni, germaneeni, molybdeenisulfidi);
• komposiittimateriaalit, jotka on vahvistettu nanohiukkasilla.

Nanolitografinen pinta

2. Taloudellisen yhteistyön ja kehityksen järjestön (OECD) vuonna 2004 kehittämä nanoteknologian luokittelu tieteiden systematiikassa:

• nanomateriaalit (tuotanto ja ominaisuudet);
• nanoprosessit (nanomittakaavasovellukset – biomateriaalit kuuluvat teolliseen biotekniikkaan).

3. Nanomateriaalit ovat kaikkia materiaaleja, joissa on säännöllisiä rakenteita molekyylitasolla, ts. enintään 100 nanometriä.

Tämä raja voi viitata mikrorakenteen perusyksikkönä olevien domeenien kokoon tai substraatille saatujen tai kerrostettujen kerrosten paksuuteen. Käytännössä nanomateriaaleille laskettava raja on erilainen materiaaleille, joilla on erilaiset suorituskykyominaisuudet - se liittyy pääasiassa tiettyjen ominaisuuksien ilmenemiseen ylittyessään. Pienentämällä materiaalien tilattujen rakenteiden kokoa on mahdollista parantaa merkittävästi niiden fysikaaliskemiallisia, mekaanisia ja muita ominaisuuksia.

Nanomateriaalit voidaan jakaa seuraaviin neljään ryhmään:

• nollaulotteinen (piste nanomateriaalit) - esimerkiksi kvanttipisteet, hopean nanohiukkaset;
• yksiulotteinen – esimerkiksi metalli- tai puolijohdenanolangat, nanosauvat, polymeeriset nanokuidut;
• kaksiulotteinen – esimerkiksi yksi- tai monifaasityyppiset nanometrikerrokset, grafeeni ja muut materiaalit, joiden paksuus on yksi atomi;
• kolmiulotteinen (tai nanokiteinen) - koostuvat kiteisistä domeeneista ja faasien kertymistä, joiden koko on nanometriä, tai komposiiteista, jotka on vahvistettu nanohiukkasilla.