Zgodovina izumov - Nanotehnologija

Že okoli leta 600 pr. ljudje so izdelovali nanotipne strukture, to je cementitne niti v jeklu, imenovane Wootz. To se je zgodilo v Indiji in to lahko štejemo za začetek zgodovine nanotehnologije.

VI-XV s. Barvila, ki se v tem obdobju uporabljajo za barvanje vitražov, uporabljajo nanodelce zlatega klorida, kloride drugih kovin, pa tudi kovinske okside.

IX-XVII stoletja Marsikje v Evropi proizvajajo "bleščice" in druge snovi, ki dajejo sijaj keramiki in drugim izdelkom. Vsebovali so nanodelce kovin, največkrat srebra ali bakra.

XIII-xviii w. V teh stoletjih proizvedeno »damaško jeklo«, iz katerega je bilo izdelano svetovno znano belo orožje, vsebuje ogljikove nanocevke in cementitna nanovlakna.

1857 Michael Faraday odkrije koloidno zlato rubinaste barve, značilno za nanodelce zlata.

1931 Max Knoll in Ernst Ruska v Berlinu zgradita elektronski mikroskop, prvo napravo, ki je videla strukturo nanodelcev na atomski ravni. Večja kot je energija elektronov, krajša je njihova valovna dolžina in večja je ločljivost mikroskopa. Vzorec je v vakuumu in najpogosteje prekrit s kovinsko folijo. Elektronski žarek prehaja skozi testirani predmet in vstopi v detektorje. Na podlagi izmerjenih signalov elektronske naprave poustvarijo sliko testnega vzorca.

1936 Erwin Müller, ki dela v Siemensovih laboratorijih, izumlja poljski emisijski mikroskop, najpreprostejšo obliko emisijskega elektronskega mikroskopa. Ta mikroskop uporablja močno električno polje za oddajanje polja in slikanje.

1950 Victor La Mer in Robert Dinegar ustvarjata teoretične temelje za tehniko pridobivanja monodisperznih koloidnih materialov. To je omogočilo proizvodnjo posebnih vrst papirja, barv in tankih filmov v industrijskem obsegu.

1956 Arthur von Hippel z Massachusetts Institute of Technology (MIT) je skoval izraz "molekularni inženiring".

1959 Richard Feynman predava na temo "Na dnu je veliko prostora." Začel je z predstavljanjem, kaj bi bilo potrebno za namestitev 24-odmerne Encyclopædia Britannica na glavo žebljička, je predstavil koncept miniaturizacije in možnosti uporabe tehnologij, ki bi lahko delovale na nanometrski ravni. Ob tej priložnosti je ustanovil dve nagradi (ti Feynman Prizes) za dosežke na tem področju - po tisoč dolarjev.

1960 Izplačilo prve nagrade je razočaralo Feynmana. Domneval je, da bo za dosego njegovih ciljev potreben tehnološki preboj, vendar je takrat podcenjeval potencial mikroelektronike. Zmagal je 35-letni inženir William H. McLellan. Ustvaril je motor, težak 250 mikrogramov, z močjo 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho in John Arthur razvijeta metodo epitaksije. Omogoča tvorbo površinskih monoatomskih plasti z uporabo polprevodniške tehnologije - rast novih monokristalnih plasti na obstoječem kristalnem substratu, ki podvaja strukturo obstoječega kristalnega substrata. Različica epitaksije je epitaksija molekularnih spojin, ki omogoča nanos kristalnih plasti z debelino ene atomske plasti. Ta metoda se uporablja pri izdelavi kvantnih pik in tako imenovanih tankih plasti.

1974 Uvedba pojma "nanotehnologija". Prvič ga je uporabil raziskovalec tokijske univerze Norio Taniguchi na znanstveni konferenci. Definicija japonske fizike ostaja v uporabi še danes in zveni takole: »Nanotehnologija je proizvodnja s tehnologijo, ki omogoča doseganje zelo visoke natančnosti in izjemno majhnih velikosti, t.j. natančnost reda 1 nm.

Vizualizacija kvantne kapljice

80-ih in 90-ih Obdobje hitrega razvoja litografske tehnologije in proizvodnje ultratankih plasti kristalov. Prva, MOCVD(), je metoda za nanašanje plasti na površino materialov z uporabo plinastih organokovinskih spojin. To je ena od epitaksijskih metod, od tod njeno alternativno ime - MOSFE (). Druga metoda, MBE, omogoča nanašanje zelo tankih nanometrskih plasti z natančno določeno kemično sestavo in natančno porazdelitvijo profila koncentracije nečistoč. To je mogoče zaradi dejstva, da se komponente plasti dovajajo na substrat z ločenimi molekularnimi žarki.

1981 Gerd Binnig in Heinrich Rohrer ustvarita skenirni tunelski mikroskop. Z uporabo sil medatomskih interakcij vam omogoča, da dobite sliko površine z ločljivostjo reda velikosti enega atoma, tako da rezilo preidete nad ali pod površino vzorca. Leta 1989 je bila naprava uporabljena za manipulacijo posameznih atomov. Binnig in Rohrer sta leta 1986 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

1985 Louis Brus iz Bell Labs odkriva koloidne polprevodniške nanokristale (kvantne pike). Opredeljeni so kot majhno območje prostora, ki je v treh dimenzijah omejeno s potencialnimi ovirami, ko vstopi delec z valovno dolžino, primerljivo z velikostjo pike.

Naslovnica knjige Motorji ustvarjanja: Prihajajoča era nanotehnologije avtorja C. Erica Drexlerja

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto in Richard Erret Smalley odkrivajo fulerene, molekule, sestavljene iz sodega števila ogljikovih atomov (od 28 do približno 1500), ki tvorijo zaprto votlo telo. Kemične lastnosti fulerenov so v mnogih pogledih podobne lastnostim aromatskih ogljikovodikov. Fulleren C60 ali buckminsterfuleren, tako kot drugi fulereni, je alotropna oblika ogljika.

1986-1992 C. Eric Drexler izda dve pomembni knjigi o futurologiji, ki popularizirata nanotehnologijo. Prvi, ki je izšel leta 1986, se imenuje Motorji ustvarjanja: prihodnja era nanotehnologije. Med drugim napoveduje, da bodo prihodnje tehnologije sposobne nadzorovano manipulirati s posameznimi atomi. Leta 1992 je objavil Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, ki je nato napovedal, da se nanomašini lahko reproducirajo sami.

1989 Donald M. Aigler iz IBM-a postavi besedo "IBM" - izdelano iz 35 atomov ksenona - na površino niklja.

1991 Sumio Iijima iz NEC v Tsukubi na Japonskem odkriva ogljikove nanocevke, votle cilindrične strukture. Do danes so najbolj znane ogljikove nanocevke, katerih stene so izdelane iz valjanega grafena. Obstajajo tudi neogljikove nanocevke in DNK nanocevke. Najtanjše ogljikove nanocevke imajo premer enega nanometra in so lahko milijone krat daljše. Imajo izjemno natezno trdnost in edinstvene električne lastnosti ter so odlični prevodniki toplote. Zaradi teh lastnosti so obetavni materiali za uporabo v nanotehnologiji, elektroniki, optiki in znanosti o materialih.

1993 Warren Robinett z Univerze v Severni Karolini in R. Stanley Williams z UCLA gradita sistem virtualne resničnosti, povezan s skenirajočim tunelskim mikroskopom, ki uporabniku omogoča, da vidi in se celo dotakne atomov.

1998 Ekipa Cees Dekker na Tehnološki univerzi Delft na Nizozemskem gradi tranzistor, ki uporablja ogljikove nanocevke. Trenutno znanstveniki poskušajo uporabiti edinstvene lastnosti ogljikovih nanocevk za proizvodnjo boljše in hitrejše elektronike, ki porabi manj električne energije. To je bilo omejeno s številnimi dejavniki, od katerih so bili nekateri postopoma premagani, zaradi česar so leta 2016 raziskovalci na Univerzi Wisconsin-Madison ustvarili ogljikov tranzistor z boljšimi parametri kot najboljši silicijevi prototipi. Raziskave Michaela Arnolda in Padme Gopalan so pripeljale do razvoja tranzistorja z ogljikovimi nanocevkami, ki lahko prenaša dvakrat večji tok kot njegov silicijev konkurent.

2003 Samsung patentira napredno tehnologijo, ki temelji na delovanju mikroskopskih srebrovih ionov, da uniči mikrobe, plesen in več kot šeststo vrst bakterij ter prepreči njihovo širjenje. Srebrni delci so bili uvedeni v najpomembnejše filtracijske sisteme podjetja – vse filtre in zbiralnik prahu ali vrečko.

2004 Britanska kraljeva družba in Kraljeva inženirska akademija objavljata poročilo »Nanoznanost in nanotehnologija: priložnosti in negotovosti«, v katerem pozivata k raziskovanju možnih tveganj nanotehnologije za zdravje, okolje in družbo ob upoštevanju etičnih in pravnih vidikov.

Nanomotorni model na fulerenskih kolesih

2006 James Tour skupaj z ekipo znanstvenikov z univerze Rice konstruira mikroskopski "kombi" iz molekule oligo (fenileneetinilen), katerega osi so izdelane iz atomov aluminija, kolesa pa iz fulerenov C60. Nanovo vozilo se je pod vplivom dviga temperature zaradi vrtenja fulerenskih "koles" premikalo po površini, sestavljeni iz atomov zlata. Nad temperaturo 300 °C se je tako pospešil, da mu kemiki niso mogli več slediti ...

2007 Technion nanotehnologi so celotno judovsko "Staro zavezo" namestili na območje le 0,5 mm² pozlačena silikonska rezina. Besedilo je bilo vgravirano z usmerjanjem usmerjenega toka galijevih ionov na ploščo.

2009-2010 Nadrian Seaman in sodelavci z univerze v New Yorku ustvarjajo serijo DNK podobnih nanomountov, v katerih je mogoče sintetične strukture DNK programirati za "proizvodnjo" drugih struktur z želenimi oblikami in lastnostmi.

2013 IBM-ovi znanstveniki ustvarjajo animirani film, ki si ga lahko ogledate šele, ko ga povečate 100 milijonov krat. Imenuje se "Fant in njegov atom" in je narisan z dvoatomskimi pikami, velikimi milijardo metra, ki so posamezne molekule ogljikovega monoksida. Risanka prikazuje fanta, ki se najprej igra z žogo, nato pa skoči na trampolin. Ena od molekul igra tudi vlogo žogice. Vse akcije potekajo na bakreni površini, velikost posameznega okvirja filma pa ne presega več deset nanometrov.

2014 Znanstveniki s tehnološke univerze ETH v Zürichu so uspeli ustvariti porozno membrano, manjšo od enega nanometra. Debelina materiala, pridobljenega z nanotehnološko manipulacijo, je 100 XNUMX. krat manjša kot pri človeškem lasu. Po mnenju članov avtorske ekipe je to najtanjši porozen material, ki ga je mogoče dobiti in je na splošno mogoč. Sestavljen je iz dveh plasti dvodimenzionalne strukture grafena. Membrana je prepustna, vendar le za majhne delce, upočasnjuje ali popolnoma ujame večje delce.

2015 Ustvarja se molekularna črpalka, naprava na nanosmerju, ki prenaša energijo iz ene molekule v drugo in posnema naravne procese. Postavitev so zasnovali raziskovalci na Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mehanizem spominja na biološke procese v beljakovinah. Pričakuje se, da bodo takšne tehnologije našle uporabo predvsem na področju biotehnologije in medicine, na primer pri umetnih mišicah.

2016 Glede na objavo v znanstveni reviji Nature Nanotechnology so raziskovalci z nizozemske tehnične univerze Delft razvili prelomne medije za shranjevanje z enim atomom. Nova metoda bi morala zagotoviti več kot petstokrat večjo gostoto shranjevanja kot katera koli trenutno uporabljena tehnologija. Avtorji ugotavljajo, da je še boljše rezultate mogoče doseči z uporabo tridimenzionalnega modela lokacije delcev v prostoru.

Klasifikacija nanotehnologij in nanomaterialov

1. Nanotehnološke strukture vključujejo:

• kvantne vrtine, žice in pike, tj. različne strukture, ki združujejo naslednjo lastnost - prostorsko omejevanje delcev na določenem območju s potencialnimi ovirami;
• plastike, katerih struktura je nadzorovana na ravni posameznih molekul, zaradi česar je mogoče na primer pridobiti materiale z mehanskimi lastnostmi brez primere;
• umetna vlakna - materiali z zelo natančno molekularno strukturo, ki jih odlikujejo tudi nenavadne mehanske lastnosti;
• nanocevke, supramolekularne strukture v obliki votlih valjev. Do danes so najbolj znane ogljikove nanocevke, katerih stene so izdelane iz zloženega grafena (monatomske grafitne plasti). Obstajajo tudi neogljikove nanocevke (na primer iz volframovega sulfida) in iz DNK;
• materiali, zdrobljeni v obliki prahu, katerih zrna so na primer kopičenje kovinskih atomov. Srebro () z močnimi antibakterijskimi lastnostmi se pogosto uporablja v tej obliki;
• nanožice (na primer srebrne ali bakrene);
• elementi, oblikovani z elektronsko litografijo in drugimi metodami nanolitografije;
• fulereni;
• grafen in drugi dvodimenzionalni materiali (borofen, grafen, heksagonalni borov nitrid, silicen, germanen, molibdenov sulfid);
• kompozitnih materialov, ojačanih z nanodelci.

Nanolitografska površina

2. Klasifikacija nanotehnologij v sistematiki znanosti, ki jo je leta 2004 razvila Organizacija za gospodarsko sodelovanje in razvoj (OECD):

• nanomateriali (proizvodnja in lastnosti);
• nanoprocesi (aplikacije v nanosmeru - biomateriali sodijo v industrijsko biotehnologijo).

3. Nanomateriali so vsi materiali, v katerih so pravilne strukture na molekularni ravni, t.j. ne presega 100 nanometrov.

Ta omejitev se lahko nanaša na velikost domen kot osnovne enote mikrostrukture ali na debelino plasti, pridobljenih ali nanesenih na podlago. V praksi je meja, pod katero se pripisuje nanomaterialom, drugačna za materiale z različnimi lastnostmi delovanja – povezana je predvsem s pojavom specifičnih lastnosti ob prekoračitvi. Z zmanjšanjem velikosti urejenih struktur materialov je mogoče bistveno izboljšati njihove fizikalno-kemijske, mehanske in druge lastnosti.

Nanomateriale lahko razdelimo v naslednje štiri skupine:

• ničdimenzionalni (točkovni nanomateriali) - na primer kvantne pike, nanodelci srebra;
• enodimenzionalni – na primer kovinske ali polprevodniške nanožice, nanopalice, polimerna nanovlakna;
• dvodimenzionalni – na primer nanometrske plasti enofaznega ali večfaznega tipa, grafen in drugi materiali z debelino enega atoma;
• tridimenzionalni (ali nanokristalni) - sestavljeni so iz kristalnih domen in kopičenja faz z velikostmi reda nanometrov ali kompozitov, ojačanih z nanodelci.