Izgudrojumu vēsture – nanotehnoloģijas

Jau ap 600. gadu pirms mūsu ēras. cilvēki ražoja nanotipa struktūras, t.i., cementīta pavedienus no tērauda, ​​ko sauca par Wootz. Tas notika Indijā, un to var uzskatīt par nanotehnoloģiju vēstures sākumu.

VI-XV s. Krāsās, kas šajā periodā izmantotas vitrāžu krāsošanai, izmantotas zelta hlorīda nanodaļiņas, citu metālu hlorīdi, kā arī metālu oksīdi.

IX-XVII gs Daudzviet Eiropā tiek ražoti "gliteri" un citas vielas, lai piešķirtu spīdumu keramikai un citiem izstrādājumiem. Tie saturēja metālu nanodaļiņas, visbiežāk sudraba vai vara.

XIII-xviii w. Šajos gadsimtos ražotais “Damaskas tērauds”, no kura izgatavoti pasaulslavenie baltie ieroči, satur oglekļa nanocaurules un cementīta nanošķiedras.

1857 Maikls Faradejs atklāj rubīna krāsas koloidālo zeltu, kas raksturīgs zelta nanodaļiņām.

1931 Makss Knolls un Ernsts Ruska Berlīnē uzbūvēja elektronu mikroskopu, kas ir pirmā ierīce, kas var redzēt nanodaļiņu struktūru atomu līmenī. Jo lielāka ir elektronu enerģija, jo īsāks ir to viļņa garums un lielāka mikroskopa izšķirtspēja. Paraugs atrodas vakuumā un visbiežāk pārklāts ar metāla plēvi. Elektronu stars iziet cauri pārbaudītajam objektam un nonāk detektoros. Pamatojoties uz izmērītajiem signāliem, elektroniskās ierīces atjauno testa parauga attēlu.

1936 Ervins Millers, kas strādā Siemens laboratorijā, izgudro lauka emisijas mikroskopu, vienkāršāko emisijas elektronu mikroskopa veidu. Šis mikroskops lauka emisijai un attēlveidošanai izmanto spēcīgu elektrisko lauku.

1950 Viktors La Mers un Roberts Dinegars rada teorētiskos pamatus monodisperso koloidālo materiālu iegūšanas tehnikai. Tas ļāva rūpnieciskā mērogā ražot īpaša veida papīru, krāsas un plānas plēves.

1956 Artūrs fon Hipels no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT) radīja terminu "molekulārā inženierija".

1959 Ričards Feinmens lasa lekcijas par tēmu "Apakšā ir daudz vietas". Iesākumā iztēlojoties, kas būtu nepieciešams, lai uz adatas galviņas ievietotu 24 sējumu Encyclopædia Britannica, viņš iepazīstināja ar miniaturizācijas koncepciju un iespēju izmantot tehnoloģijas, kas varētu darboties nanometru līmenī. Šajā gadījumā viņš par sasniegumiem šajā jomā iedibināja divas balvas (tā sauktās Feinmena balvas) - katrs tūkstotis dolāru.

1960 Pirmās balvas izmaksa lika Feinmanam vilties. Viņš pieļāva, ka, lai sasniegtu savus mērķus, būs vajadzīgs tehnoloģisks izrāviens, taču tolaik viņš nenovērtēja mikroelektronikas potenciālu. Uzvarēja 35 gadus vecais inženieris Viljams H. Maklelans. Viņš izveidoja motoru, kas sver 250 mikrogramus, ar jaudu 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho un John Arthur izstrādā epitaksijas metodi. Tas ļauj veidot virsmas monoatomiskus slāņus, izmantojot pusvadītāju tehnoloģiju - jaunu vienkristālu slāņu augšanu uz esoša kristāliskā substrāta, dublējot esošā kristāliskā substrāta substrāta struktūru. Epitaksijas variācija ir molekulāro savienojumu epitaksija, kas ļauj nogulsnēt kristāliskus slāņus ar viena atoma slāņa biezumu. Šo metodi izmanto kvantu punktu un tā saukto plāno slāņu ražošanā.

1974 Termina "nanotehnoloģijas" ieviešana. To pirmo reizi izmantoja Tokijas Universitātes pētnieks Norio Taniguči zinātniskajā konferencē. Japāņu fizikas definīcija tiek lietota līdz mūsdienām un izklausās šādi: “Nanotehnoloģijas ir ražošana, izmantojot tehnoloģiju, kas ļauj sasniegt ļoti augstu precizitāti un ārkārtīgi mazus izmērus, t.i. ar precizitāti 1 nm.

Kvantu krituma vizualizācija

80. un 90. gadi Litogrāfijas tehnoloģijas un īpaši plānu kristālu slāņu ražošanas straujas attīstības periods. Pirmā, MOCVD(), ir metode slāņu uzklāšanai uz materiālu virsmas, izmantojot gāzveida metālorganiskos savienojumus. Šī ir viena no epitaksiālajām metodēm, tāpēc tās alternatīvais nosaukums - MOSFE (). Otrā metode, MBE, ļauj uzklāt ļoti plānus nanometru slāņus ar precīzi noteiktu ķīmisko sastāvu un precīzu piemaisījumu koncentrācijas profila sadalījumu. Tas ir iespējams, pateicoties tam, ka slāņa sastāvdaļas substrātā tiek piegādātas ar atsevišķiem molekulāriem stariem.

1981 Gerds Binigs un Heinrihs Rorers izveido skenējošo tunelēšanas mikroskopu. Izmantojot starpatomu mijiedarbības spēkus, tas ļauj iegūt virsmas attēlu ar viena atoma lieluma izšķirtspēju, nolaižot asmeni virs vai zem parauga virsmas. 1989. gadā ierīce tika izmantota, lai manipulētu ar atsevišķiem atomiem. Binigam un Roreram 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

1985 Luiss Bruss no Bell Labs atklāj koloidālos pusvadītāju nanokristālus (kvantu punktus). Tos definē kā nelielu telpas laukumu, ko trīs dimensijās ierobežo potenciālie šķēršļi, kad tajā iekļūst daļiņa ar viļņa garumu, kas salīdzināms ar punkta izmēru.

Vāks K. Ērika Drekslera grāmatai Radīšanas dzinēji: Nanotehnoloģiju nākošā ēra

1985 Roberts Floids Kērls, jaunākais, Harolds Valters Kroto un Ričards Errets Smolijs atklāj fullerēnus — molekulas, kas sastāv no pāra skaita oglekļa atomu (no 28 līdz aptuveni 1500), kas veido slēgtu dobu ķermeni. Fullerēnu ķīmiskās īpašības daudzējādā ziņā ir līdzīgas aromātisko ogļūdeņražu īpašībām. Fullerēns C60 jeb buckminsterfullerēns, tāpat kā citi fullerēni, ir alotropa oglekļa forma.

1986-1992 C. Ēriks Drekslers izdod divas svarīgas grāmatas par futuroloģiju, kas popularizē nanotehnoloģiju. Pirmais, kas tika izlaists 1986. gadā, saucas Radīšanas dzinēji: nākamā nanotehnoloģiju ēra. Viņš cita starpā prognozē, ka nākotnes tehnoloģijas spēs kontrolēti manipulēt ar atsevišķiem atomiem. 1992. gadā viņš publicēja Nanosistēmas: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, kas savukārt paredzēja, ka nanomašīnas var vairoties pašas.

1989 Donalds M. Aiglers no IBM uz niķeļa virsmas uzliek vārdu "IBM", kas izgatavots no 35 ksenona atomiem.

1991 Sumio Iijima no NEC Cukubā, Japānā, atklāj oglekļa nanocaurules, dobas cilindriskas struktūras. Līdz šim zināmākās oglekļa nanocaurules, kuru sienas ir izgatavotas no velmēta grafēna. Ir arī bezoglekļa nanocaurules un DNS nanocaurules. Plānākās oglekļa nanocaurules ir aptuveni viena nanometra diametrā un var būt miljoniem reižu garākas. Tiem ir ievērojama stiepes izturība un unikālas elektriskās īpašības, un tie ir lieliski siltuma vadītāji. Šīs īpašības padara tos par daudzsološiem materiāliem izmantošanai nanotehnoloģijās, elektronikā, optikā un materiālu zinātnē.

1993 Vorens Robinets no Ziemeļkarolīnas Universitātes un R. Stenlijs Viljamss no UCLA veido virtuālās realitātes sistēmu, kas savienota ar skenējošo tunelēšanas mikroskopu, kas ļauj lietotājam redzēt un pat pieskarties atomiem.

1998 Cees Dekker komanda Delftas Tehnoloģiju universitātē Nīderlandē būvē tranzistoru, kas izmanto oglekļa nanocaurules. Pašlaik zinātnieki cenšas izmantot oglekļa nanocauruļu unikālās īpašības, lai ražotu labāku un ātrāku elektroniku, kas patērē mazāk elektrības. To ierobežoja vairāki faktori, no kuriem daži tika pakāpeniski pārvarēti, kas 2016. gadā lika Viskonsinas-Medisonas universitātes pētniekiem izveidot oglekļa tranzistoru ar labākiem parametriem nekā labākajiem silīcija prototipiem. Michael Arnold un Padma Gopalan pētījumi noveda pie oglekļa nanocaurules tranzistora izstrādes, kas spēj pārvadāt divreiz lielāku strāvu nekā tā konkurenta silīcija strāva.

2003 Samsung patentē progresīvu tehnoloģiju, kuras pamatā ir mikroskopisku sudraba jonu darbība, lai iznīcinātu baktērijas, pelējumu un vairāk nekā sešus simtus baktēriju veidu un novērstu to izplatīšanos. Sudraba daļiņas ir ievadītas uzņēmuma putekļu sūcēja svarīgākajās filtrēšanas sistēmās - visos filtros un putekļu savācējā vai maisā.

2004 Britu Karaliskā biedrība un Karaliskā inženierzinātņu akadēmija publicē ziņojumu "Nanozinātne un nanotehnoloģija: iespējas un neskaidrības", aicinot veikt pētījumus par nanotehnoloģiju potenciālajiem riskiem veselībai, videi un sabiedrībai, ņemot vērā ētiskos un juridiskos aspektus.

Nanomotora modelis uz fullerēna riteņiem

2006 Džeimss Tūrs kopā ar Raisas universitātes zinātnieku komandu no oligo (feniletinilēna) molekulas konstruē mikroskopisku "furgonu", kura asis ir izgatavotas no alumīnija atomiem, bet riteņi - no C60 fullerēniem. Nanotransportlīdzeklis pārvietojās virs virsmas, kas sastāvēja no zelta atomiem, temperatūras paaugstināšanās ietekmē fullerēna "riteņu" rotācijas dēļ. Temperatūrai virs 300 ° C tas tik ļoti paātrinājās, ka ķīmiķi vairs nevarēja to izsekot ...

2007 Tehniķi nanotehnologi iekļauj visu ebreju "Veco Derību" tikai 0,5 mm platībā² apzeltīta silīcija vafele. Teksts tika iegravēts, virzot fokusētu gallija jonu plūsmu uz plāksni.

2009-2010 Nadrian Seaman un kolēģi no Ņujorkas universitātes veido virkni DNS līdzīgu nanomontu, kuros var ieprogrammēt sintētiskās DNS struktūras, lai "ražotu" citas struktūras ar vēlamām formām un īpašībām.

2013 IBM zinātnieki veido animācijas filmu, kuru var noskatīties tikai pēc 100 miljonu reižu palielināšanas. To sauc par "Zēnu un viņa atomu", un tas ir uzzīmēts ar divatomu punktiem, kuru izmērs ir viena miljardā daļa, kas ir atsevišķas oglekļa monoksīda molekulas. Multfilmā ir attēlots zēns, kurš vispirms spēlējas ar bumbu un pēc tam lec uz batuta. Viena no molekulām pilda arī bumbiņas lomu. Visa darbība notiek uz vara virsmas, un katra filmas kadra izmērs nepārsniedz vairākus desmitus nanometru.

2014 Zinātniekiem no ETH Tehnoloģiju universitātes Cīrihē ir izdevies izveidot porainu membrānu, kuras biezums nepārsniedz vienu nanometru. Materiāla biezums, kas iegūts ar nanotehnoloģiskām manipulācijām, ir 100 XNUMX. reizes mazāks par cilvēka matu. Pēc autoru kolektīva dalībnieku domām, šis ir plānākais porainais materiāls, kādu varēja iegūt un vispār iespējams. Tas sastāv no diviem divdimensiju grafēna struktūras slāņiem. Membrāna ir caurlaidīga, bet tikai mazām daļiņām, palēninot vai pilnībā aizturot lielākas daļiņas.

2015 Tiek radīts molekulārais sūknis, nanomēroga ierīce, kas pārnes enerģiju no vienas molekulas uz otru, atdarinot dabiskos procesus. Izkārtojumu izstrādāja Veinbergas Ziemeļrietumu mākslas un zinātņu koledžas pētnieki. Mehānisms atgādina bioloģiskos procesus olbaltumvielās. Paredzams, ka šādas tehnoloģijas atradīs pielietojumu galvenokārt biotehnoloģiju un medicīnas jomās, piemēram, mākslīgajos muskuļos.

2016 Saskaņā ar publikāciju zinātniskajā žurnālā Nature Nanotechnology, Nīderlandes Tehniskās universitātes Delftas pētnieki ir izstrādājuši revolucionārus viena atoma datu nesējus. Jaunajai metodei vajadzētu nodrošināt vairāk nekā piecsimt reižu lielāku uzglabāšanas blīvumu nekā jebkurai pašlaik izmantotajai tehnoloģijai. Autori atzīmē, ka vēl labākus rezultātus var sasniegt, izmantojot trīsdimensiju modeli daļiņu atrašanās vietai kosmosā.

Nanotehnoloģiju un nanomateriālu klasifikācija

1. Nanotehnoloģiskās struktūras ietver:

• kvantu akas, vadi un punktiņi, t.i. dažādas struktūras, kas apvieno šādu pazīmi - daļiņu telpiskais ierobežojums noteiktā apgabalā caur potenciālajiem šķēršļiem;
• plastmasa, kuras struktūra tiek kontrolēta atsevišķu molekulu līmenī, pateicoties kurām ir iespējams, piemēram, iegūt materiālus ar vēl nebijušām mehāniskām īpašībām;
• mākslīgās šķiedras - materiāli ar ļoti precīzu molekulāro struktūru, kas atšķiras arī ar neparastām mehāniskām īpašībām;
• nanocaurules, supramolekulāras struktūras dobu cilindru veidā. Līdz šim zināmākās oglekļa nanocaurules, kuru sienas ir izgatavotas no salocīta grafēna (monatomiski grafīta slāņi). Ir arī bezoglekļa nanocaurules (piemēram, no volframa sulfīda) un no DNS;
• putekļu veidā sasmalcināti materiāli, kuru graudi ir, piemēram, metālu atomu uzkrāšanās. Šajā formā plaši izmanto sudrabu () ar spēcīgām antibakteriālām īpašībām;
• nanovadi (piemēram, sudrabs vai varš);
• elementi, kas veidoti, izmantojot elektronu litogrāfijas un citas nanolitogrāfijas metodes;
• fullerēni;
• grafēns un citi divdimensiju materiāli (borofēns, grafēns, sešstūra bora nitrīds, silicēns, germanēns, molibdēna sulfīds);
• kompozītmateriāli, kas pastiprināti ar nanodaļiņām.

Nanolitogrāfiskā virsma

2. Ekonomiskās sadarbības un attīstības organizācijas (OECD) 2004. gadā izstrādātā nanotehnoloģiju klasifikācija zinātņu sistemātikā:

• nanomateriāli (ražošana un īpašības);
• nanoprocesi (nanomēroga pielietojumi – biomateriāli pieder pie industriālās biotehnoloģijas).

3. Nanomateriāli ir visi materiāli, kuros molekulārā līmenī ir regulāras struktūras, t.i. nepārsniedz 100 nanometrus.

Šis ierobežojums var attiekties uz domēnu lielumu kā mikrostruktūras pamatvienību vai iegūto vai uz substrāta uzklāto slāņu biezumu. Praksē robeža, zem kuras nanomateriāli tiek attiecināta, ir atšķirīga materiāliem ar atšķirīgām veiktspējas īpašībām – tas galvenokārt ir saistīts ar konkrētu īpašību parādīšanos, kad tās tiek pārsniegtas. Samazinot materiālu sakārtoto konstrukciju izmērus, iespējams būtiski uzlabot to fizikāli ķīmiskās, mehāniskās un citas īpašības.

Nanomateriālus var iedalīt šādās četrās grupās:

• nulles dimensijas (punktu nanomateriāli) - piemēram, kvantu punkti, sudraba nanodaļiņas;
• viendimensionāls – piemēram, metāla vai pusvadītāju nanovadi, nanostieņi, polimēru nanošķiedras;
• divdimensiju – piemēram, vienfāzes vai daudzfāžu tipa nanometru slāņi, grafēns un citi materiāli ar viena atoma biezumu;
• trīsdimensiju (vai nanokristālisks) - sastāv no kristāliskiem domēniem un fāžu uzkrājumiem ar izmēru nanometriem vai kompozītmateriāliem, kas pastiprināti ar nanodaļiņām.