Uppfinningarnas historia - nanoteknik

Redan omkring 600 f.Kr. människor tillverkade nanotypstrukturer, det vill säga cementitsträngar i stål, kallade Wootz. Detta hände i Indien, och detta kan betraktas som början på nanoteknikens historia.

VI-XV c. De färgämnen som användes under denna period för målning av målade glasfönster använder guldkloridnanopartiklar, klorider av andra metaller, såväl som metalloxider.

IX-XVII århundraden På många håll i Europa produceras "glitter" och andra ämnen för att ge glans till keramik och andra produkter. De innehöll nanopartiklar av metaller, oftast silver eller koppar.

XIII-XVIII w. "Damaskusstålet" som producerades under dessa århundraden, från vilket de världsberömda vita vapnen tillverkades, innehåller kolnanorör och nanofibrer av cementit.

1857 Michael Faraday upptäcker rubinfärgat kolloidalt guld, karakteristiskt för guldnanopartiklar.

1931 Max Knoll och Ernst Ruska bygger ett elektronmikroskop i Berlin, den första enheten som såg strukturen av nanopartiklar på atomnivå. Ju större energi elektronerna har, desto kortare är deras våglängd och desto större upplösning har mikroskopet. Provet är i vakuum och oftast täckt med en metallfilm. Elektronstrålen passerar genom det testade objektet och går in i detektorerna. Baserat på de uppmätta signalerna återskapar de elektroniska enheterna bilden av testprovet.

1936 Erwin Müller, som arbetar på Siemens Laboratories, uppfinner fältemissionsmikroskopet, den enklaste formen av ett emissionselektronmikroskop. Detta mikroskop använder ett starkt elektriskt fält för fältemission och avbildning.

1950 Victor La Mer och Robert Dinegar skapar de teoretiska grunderna för tekniken för att erhålla monodispersa kolloidala material. Detta möjliggjorde tillverkning av speciella typer av papper, färger och tunna filmer i industriell skala.

1956 Arthur von Hippel från Massachusetts Institute of Technology (MIT) myntade termen "molekylär ingenjörskonst".

1959 Richard Feynman föreläser om "Det finns gott om utrymme längst ner." Han började med att föreställa sig vad som skulle krävas för att få plats med en 24-volym Encyclopædia Britannica på ett knappnålshuvud, och introducerade konceptet miniatyrisering och möjligheten att använda tekniker som kunde fungera på nanometernivå. Vid detta tillfälle instiftade han två utmärkelser (de så kallade Feynman-priserna) för prestationer inom detta område - tusen dollar vardera.

1960 Förstaprisutbetalningen gjorde Feynman besviken. Han antog att det skulle krävas ett tekniskt genombrott för att nå sina mål, men vid den tiden underskattade han potentialen för mikroelektronik. Vinnaren var den 35-årige ingenjören William H. McLellan. Han skapade en motor som vägde 250 mikrogram, med en effekt på 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho och John Arthur utvecklar epitaximetoden. Det möjliggör bildandet av ytskikt med monoatomer med hjälp av halvledarteknologi - tillväxten av nya enkristallskikt på ett befintligt kristallint substrat, vilket duplicerar strukturen hos det befintliga kristallina substratsubstratet. En variant av epitaxi är epitaxi av molekylära föreningar, vilket gör det möjligt att avsätta kristallina lager med en tjocklek av ett atomlager. Denna metod används vid framställning av kvantprickar och så kallade tunna lager.

1974 Introduktion av termen "nanoteknik". Den användes först av forskaren Norio Taniguchi vid University of Tokyo vid en vetenskaplig konferens. Definitionen av japansk fysik är fortfarande i bruk än i dag och låter så här: "Nanoteknik är en produktion som använder teknologi som tillåter att uppnå mycket hög noggrannhet och extremt små storlekar, dvs. noggrannhet av storleksordningen 1 nm.

Visualisering av en kvantdroppe

80- och 90-talet Perioden med snabb utveckling av litografisk teknik och produktion av ultratunna lager av kristaller. Den första, MOCVD(), är en metod för att avsätta skikt på ytan av material med hjälp av gasformiga organometalliska föreningar. Detta är en av de epitaxiella metoderna, därav dess alternativa namn - MOSFE (). Den andra metoden, MBE, tillåter deponering av mycket tunna nanometerlager med en exakt definierad kemisk sammansättning och exakt fördelning av föroreningskoncentrationsprofilen. Detta är möjligt på grund av det faktum att skiktkomponenterna tillförs substratet av separata molekylstrålar.

1981 Gerd Binnig och Heinrich Rohrer skapar det skanande tunnelmikroskopet. Med hjälp av krafterna från interatomiska interaktioner kan du få en bild av ytan med en upplösning i storleksordningen av en enda atom, genom att föra bladet över eller under provets yta. 1989 användes enheten för att manipulera enskilda atomer. Binnig och Rohrer tilldelades 1986 Nobelpriset i fysik.

1985 Louis Brus från Bell Labs upptäcker kolloidala halvledarnanokristaller (kvantprickar). De definieras som ett litet område av rymden avgränsat i tre dimensioner av potentiella barriärer när en partikel med en våglängd jämförbar med storleken på en punkt kommer in.

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

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto och Richard Erret Smalley upptäcker fullerener, molekyler som består av ett jämnt antal kolatomer (från 28 till cirka 1500) som bildar en sluten ihålig kropp. De kemiska egenskaperna hos fullerener liknar i många avseenden hos aromatiska kolväten. Fulleren C60, eller buckminsterfulleren, liksom andra fullerener, är en allotrop form av kol.

1986-1992 C. Eric Drexler publicerar två viktiga böcker om futurologi som populariserar nanoteknik. Den första, som släpptes 1986, heter Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Han förutspår bland annat att framtida teknologier kommer att kunna manipulera enskilda atomer på ett kontrollerat sätt. 1992 publicerade han Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, som i sin tur förutspådde att nanomaskiner kunde reproducera sig själva.

1989 Donald M. Aigler från IBM sätter ordet "IBM" - gjord av 35 xenonatomer - på en nickelyta.

1991 Sumio Iijima från NEC i Tsukuba, Japan, upptäcker kolnanorör, ihåliga cylindriska strukturer. Hittills de mest kända kolnanorören, vars väggar är gjorda av rullad grafen. Det finns också nanorör utan kol och DNA-nanorör. De tunnaste kolnanorören är i storleksordningen en nanometer i diameter och kan vara miljontals gånger längre. De har anmärkningsvärd draghållfasthet och unika elektriska egenskaper och är utmärkta värmeledare. Dessa egenskaper gör dem till lovande material för tillämpningar inom nanoteknik, elektronik, optik och materialvetenskap.

1993 Warren Robinett från University of North Carolina och R. Stanley Williams från University of California, Los Angeles bygger ett virtuell verklighetssystem kopplat till ett skanningstunnelmikroskop som låter användaren se och till och med röra atomer.

1998 Cees Dekker-teamet vid Delft University of Technology i Nederländerna bygger en transistor som använder kolnanorör. För närvarande försöker forskare använda de unika egenskaperna hos kolnanorör för att producera bättre och snabbare elektronik som förbrukar mindre elektricitet. Detta begränsades av ett antal faktorer, av vilka några gradvis övervanns, vilket under 2016 ledde till att forskare vid University of Wisconsin-Madison skapade en koltransistor med bättre parametrar än de bästa kiselprototyperna. Forskning av Michael Arnold och Padma Gopalan ledde till utvecklingen av en kolnanorörstransistor som kan bära dubbelt så mycket ström som sin kiselkonkurrent.

2003 Samsung patenterar en avancerad teknologi baserad på verkan av mikroskopiska silverjoner, som förstör bakterier, mögel och mer än sexhundra typer av bakterier och förhindrar att de sprids. Silverpartiklar har införts i företagets viktigaste filtreringssystem - alla filter och dammuppsamlaren eller påsen.

2004 British Royal Society och Royal Academy of Engineering publicerar rapporten "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", där man efterlyser forskning om nanoteknologins potentiella risker för hälsa, miljö och samhälle, med beaktande av etiska och juridiska aspekter.

Nanomotormodell på fullerenhjul

2006 James Tour, tillsammans med ett team av forskare från Rice University, konstruerar en mikroskopisk "van" av en oligo (fenylenetynylen) molekyl, vars axlar är gjorda av aluminiumatomer och hjulen är gjorda av C60 fullerener. Nanovehicle rörde sig över ytan, bestående av guldatomer, under påverkan av temperaturökning, på grund av rotationen av fulleren "hjul". Över en temperatur på 300 ° C accelererade den så mycket att kemister inte längre kunde spåra den ...

2007 Technions nanoteknologer passar in hela det judiska "Gamla testamentet" i ett område på bara 0,5 mm² guldpläterad silikonwafer. Texten graverades genom att rikta en fokuserad ström av galliumjoner på plattan.

2009-2010 Nadrian Seaman och kollegor vid New York University skapar en serie DNA-liknande nanomounts där syntetiska DNA-strukturer kan programmeras för att "producera" andra strukturer med önskade former och egenskaper.

2013 IBM-forskare skapar en animerad film som bara kan ses efter att ha förstorats 100 miljoner gånger. Den kallas "Pojken och hans atom" och är ritad med diatomiska prickar en miljarddels meter i storlek, som är enstaka molekyler av kolmonoxid. Serien föreställer en pojke som först leker med en boll och sedan hoppar på en studsmatta. En av molekylerna spelar också rollen som en boll. All handling sker på en kopparyta, och storleken på varje filmram överstiger inte flera tiotals nanometer.

2014 Forskare från ETH University of Technology i Zürich har lyckats skapa ett poröst membran som är mindre än en nanometer tjockt. Tjockleken på materialet som erhålls genom nanoteknologisk manipulation är 100 XNUMX. gånger mindre än ett människohår. Enligt medlemmarna i författargruppen är detta det tunnaste porösa materialet som kan erhållas och är generellt möjligt. Den består av två lager av en tvådimensionell grafenstruktur. Membranet är permeabelt, men bara för små partiklar, saktar ner eller helt fångar större partiklar.

2015 En molekylär pump skapas, en enhet i nanoskala som överför energi från en molekyl till en annan, efterliknar naturliga processer. Layouten designades av forskare vid Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mekanismen påminner om biologiska processer i proteiner. Det förväntas att sådan teknik kommer att finna tillämpning främst inom bioteknik och medicin, till exempel i konstgjorda muskler.

2016 Enligt en publikation i den vetenskapliga tidskriften Nature Nanotechnology har forskare vid det holländska tekniska universitetet i Delft utvecklat banbrytande enatomslagringsmedia. Den nya metoden ska ge mer än femhundra gånger högre lagringstäthet än någon teknik som för närvarande används. Författarna noterar att ännu bättre resultat kan uppnås med en tredimensionell modell av partiklarnas placering i rymden.

Klassificering av nanoteknik och nanomaterial

1. Nanoteknologiska strukturer inkluderar:

• kvantbrunnar, ledningar och prickar, d.v.s. olika strukturer som kombinerar följande särdrag - den rumsliga begränsningen av partiklar i ett visst område genom potentiella barriärer;
• plast, vars struktur styrs på nivån av enskilda molekyler, tack vare vilken det till exempel är möjligt att erhålla material med oöverträffade mekaniska egenskaper;
• konstgjorda fibrer - material med en mycket exakt molekylstruktur, även kännetecknad av ovanliga mekaniska egenskaper;
• nanorör, supramolekylära strukturer i form av ihåliga cylindrar. Hittills de mest kända kolnanorören, vars väggar är gjorda av vikt grafen (monatomiska grafitskikt). Det finns också nanorör utan kol (till exempel från volframsulfid) och från DNA;
• material som krossats i form av damm, vars korn är till exempel ansamlingar av metallatomer. Silver () med starka antibakteriella egenskaper används ofta i denna form;
• nanotrådar (till exempel silver eller koppar);
• element bildade med hjälp av elektronlitografi och andra nanolitografimetoder;
• fullerener;
• grafen och andra tvådimensionella material (borofen, grafen, hexagonal bornitrid, silicen, germanen, molybdensulfid);
• kompositmaterial förstärkta med nanopartiklar.

Nanolitografisk yta

2. Klassificeringen av nanoteknik i vetenskapens systematik, utvecklad 2004 av Organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD):

• nanomaterial (produktion och egenskaper);
• nanoprocesser (tillämpningar i nanoskala - biomaterial tillhör industriell bioteknik).

3. Nanomaterial är alla material där det finns regelbundna strukturer på molekylär nivå, d.v.s. inte överstiga 100 nanometer.

Denna gräns kan hänvisa till storleken på domänerna som den grundläggande enheten för mikrostruktur, eller till tjockleken på skikten som erhålls eller avsatts på substratet. I praktiken är gränsen under vilken tillskrivs nanomaterial olika för material med olika prestandaegenskaper - den är främst förknippad med utseendet på specifika egenskaper när de överskrids. Genom att minska storleken på de ordnade strukturerna av material är det möjligt att avsevärt förbättra deras fysikalisk-kemiska, mekaniska och andra egenskaper.

Nanomaterial kan delas in i följande fyra grupper:

• nolldimensionell (pricknanomaterial) - till exempel kvantprickar, silvernanopartiklar;
• en-dimensionell – till exempel metall- eller halvledarnanotrådar, nanorods, polymera nanofibrer;
• tvådimensionell – till exempel nanometerlager av enfas- eller flerfastyp, grafen och andra material med en tjocklek på en atom;
• tredimensionell (eller nanokristallina) - består av kristallina domäner och ansamlingar av faser med storlekar i storleksordningen nanometer eller kompositer förstärkta med nanopartiklar.