Povijest izuma - Nanotehnologija

Već oko 600. pr. ljudi su proizvodili nanotipske strukture, tj. cementitne niti od čelika, nazvane Wootz. To se dogodilo u Indiji i to se može smatrati početkom povijesti nanotehnologije.

VI-XV s. Boje koje se u tom razdoblju koriste za bojanje vitraža koriste nanočestice klorida zlata, kloride drugih metala, kao i metalne okside.

IX-XVII vv. Na mnogim mjestima u Europi proizvode se "šljokice" i druge tvari koje daju sjaj keramici i drugim proizvodima. Sadržavale su nanočestice metala, najčešće srebra ili bakra.

XIII-xviii w. U ovim stoljećima proizveden „čelik iz Damaska“, od kojeg je napravljeno svjetski poznato bijelo oružje, sadrži ugljične nanocijevi i cementitna nanovlakna.

1857 Michael Faraday otkriva koloidno zlato rubin boje, karakteristično za nanočestice zlata.

1931 Max Knoll i Ernst Ruska grade elektronski mikroskop u Berlinu, prvi uređaj koji vidi strukturu nanočestica na atomskoj razini. Što je energija elektrona veća, to je njihova valna duljina kraća i razlučivost mikroskopa je veća. Uzorak je u vakuumu i najčešće prekriven metalnom folijom. Elektronska zraka prolazi kroz ispitivani objekt i ulazi u detektore. Na temelju izmjerenih signala, elektronički uređaji rekreiraju sliku ispitnog uzorka.

1936 Erwin Müller, koji radi u Siemensovim laboratorijima, izume poljudski emisioni mikroskop, najjednostavniji oblik emisionog elektronskog mikroskopa. Ovaj mikroskop koristi jako električno polje za emitiranje polja i snimanje.

1950 Victor La Mer i Robert Dinegar stvaraju teorijske temelje za tehniku ​​dobivanja monodisperznih koloidnih materijala. To je omogućilo proizvodnju posebnih vrsta papira, boja i tankih filmova u industrijskim razmjerima.

1956 Arthur von Hippel s Massachusetts Institute of Technology (MIT) skovao je pojam "molekularno inženjerstvo".

1959 Richard Feynman drži predavanja na temu "Ima dosta mjesta na dnu." Počevši od zamišljanja što bi bilo potrebno da se Encyclopædia Britannica od 24 svezaka stavi na glavu igle, uveo je koncept minijaturizacije i mogućnost korištenja tehnologija koje bi mogle raditi na nanometarskoj razini. Tom je prilikom ustanovio dvije nagrade (tzv. Feynman Prizes) za dostignuća na ovom području - po tisuću dolara.

1960 Isplata prve nagrade razočarala je Feynmana. Pretpostavljao je da će za postizanje njegovih ciljeva biti potreban tehnološki iskorak, ali je tada podcijenio potencijal mikroelektronike. Pobjednik je bio 35-godišnji inženjer William H. McLellan. Stvorio je motor težak 250 mikrograma, snage 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho i John Arthur razvijaju metodu epitaksije. Omogućuje stvaranje površinskih monoatomskih slojeva korištenjem poluvodičke tehnologije - rast novih monokristalnih slojeva na postojećem kristalnom supstratu, duplicirajući strukturu postojećeg kristalnog supstrata. Varijanta epitaksije je epitaksija molekularnih spojeva, koja omogućuje taloženje kristalnih slojeva debljine jednog atomskog sloja. Ova metoda se koristi u proizvodnji kvantnih točaka i tzv. tankih slojeva.

1974 Uvođenje pojma "nanotehnologija". Prvi ga je upotrijebio istraživač sa Sveučilišta u Tokiju Norio Taniguchi na znanstvenoj konferenciji. Definicija japanske fizike ostala je u upotrebi do danas i zvuči ovako: „Nanotehnologija je proizvodnja koja koristi tehnologiju koja omogućuje postizanje vrlo visoke točnosti i iznimno malih veličina, t.j. točnost reda 1 nm.

Vizualizacija kvantnog pada

80 -ih i 90 -ih Razdoblje naglog razvoja litografske tehnologije i proizvodnje ultratankih slojeva kristala. Prvi, MOCVD(), je metoda za taloženje slojeva na površini materijala korištenjem plinovitih organometalnih spojeva. Ovo je jedna od epitaksijalnih metoda, pa otuda i njen alternativni naziv - MOSFE (). Druga metoda, MBE, omogućuje taloženje vrlo tankih nanometarskih slojeva s točno određenim kemijskim sastavom i preciznom raspodjelom profila koncentracije nečistoća. To je moguće zbog činjenice da se komponente sloja na podlogu dovode odvojenim molekularnim zrakama.

1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer stvaraju skenirajući tunelski mikroskop. Koristeći sile međuatomskih interakcija, omogućuje dobivanje slike površine s razlučivosti reda veličine jednog atoma, prolaskom oštrice iznad ili ispod površine uzorka. 1989. uređaj je korišten za manipulaciju pojedinačnim atomima. Binnig i Rohrer su 1986. dobili Nobelovu nagradu za fiziku.

1985 Louis Brus iz Bell Labsa otkriva koloidne poluvodičke nanokristale (kvantne točke). Oni su definirani kao mala površina prostora, ograničena u tri dimenzije potencijalnim barijerama, kada uđe čestica valne duljine usporedive s veličinom točke.

Naslovnica knjige Motori stvaranja: Nadolazeća era nanotehnologije autora C. Erica Drexlera

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto i Richard Erret Smalley otkrivaju fulerene, molekule sastavljene od parnog broja ugljikovih atoma (od 28 do oko 1500) koji tvore zatvoreno šuplje tijelo. Kemijska svojstva fulerena u mnogo su aspekta slična onima aromatskih ugljikovodika. Fulleren C60, ili buckminsterfulleren, kao i drugi fulereni, alotropni je oblik ugljika.

1986-1992 C. Eric Drexler objavljuje dvije važne knjige o futurologiji koje populariziraju nanotehnologiju. Prvi, objavljen 1986., zove se Motori stvaranja: nadolazeća era nanotehnologije. On predviđa, između ostalog, da će buduće tehnologije moći kontrolirano manipulirati pojedinačnim atomima. Godine 1992. objavio je Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, koji je zauzvrat predvidio da se nanomstrojevi mogu sami reproducirati.

1989 Donald M. Aigler iz IBM-a stavlja riječ "IBM" - napravljenu od 35 atoma ksenona - na površinu nikla.

1991 Sumio Iijima iz NEC-a u Tsukubi, Japan, otkriva ugljikove nanocijevi, šuplje cilindrične strukture. Do danas su najpoznatije ugljikove nanocijevi, čije su stijenke izrađene od valjanog grafena. Postoje i neugljične nanocijevi i DNK nanocijevi. Najtanje ugljične nanocijevi promjera su reda veličine jednog nanometra i mogu biti milijune puta duže. Imaju izuzetnu vlačnu čvrstoću i jedinstvena električna svojstva, te su izvrsni provodnici topline. Ova svojstva ih čine obećavajućim materijalima za primjenu u nanotehnologiji, elektronici, optici i znanosti o materijalima.

1993 Warren Robinett sa Sveučilišta Sjeverne Karoline i R. Stanley Williams s UCLA grade sustav virtualne stvarnosti povezan sa skenirajućim tunelskim mikroskopom koji korisniku omogućuje da vidi, pa čak i dodirne atome.

1998 Tim Ceesa Dekkera na Tehnološkom sveučilištu Delft u Nizozemskoj gradi tranzistor koji koristi ugljikove nanocijevi. Trenutno znanstvenici pokušavaju iskoristiti jedinstvena svojstva ugljikovih nanocijevi za proizvodnju bolje i brže elektronike koja troši manje električne energije. To je bilo ograničeno brojnim čimbenicima, od kojih su neki postupno prevladani, što je 2016. godine navelo istraživače na Sveučilištu Wisconsin-Madison da stvore ugljični tranzistor s boljim parametrima od najboljih prototipova silicija. Istraživanja Michaela Arnolda i Padme Gopalan dovela su do razvoja tranzistora s ugljikovim nanocijevima koji mogu nositi dvostruko veću struju od svog silicijskog konkurenta.

2003 Samsung patentira naprednu tehnologiju temeljenu na djelovanju mikroskopskih iona srebra kako bi ubio klice, plijesan i više od šest stotina vrsta bakterija te spriječio njihovo širenje. Čestice srebra uvedene su u najvažnije filtracijske sustave tvrtke - sve filtere i sakupljač prašine ili vrećicu.

2004 Britansko kraljevsko društvo i Kraljevska inženjerska akademija objavljuju izvješće "Nanoznanost i nanotehnologija: mogućnosti i neizvjesnosti", pozivajući na istraživanje potencijalnih rizika nanotehnologije za zdravlje, okoliš i društvo, uzimajući u obzir etičke i pravne aspekte.

Nanomotorni model na fulerenskim kotačima

2006 James Tour zajedno s timom znanstvenika sa Sveučilišta Rice konstruira mikroskopski "kombi" od molekule oligo (fenileneetinilen) čije su osovine izrađene od atoma aluminija, a kotači od C60 fulerena. Nanovozilo se kretalo po površini, koja se sastoji od atoma zlata, pod utjecajem porasta temperature, zbog rotacije fulerenskih "kotača". Iznad temperature od 300°C, toliko se ubrzao da ga kemičari više nisu mogli pratiti...

2007 Technion nanotehnolozi stavljaju cijeli židovski "Stari zavjet" u područje od samo 0,5 mm² pozlaćena silikonska pločica. Tekst je ugraviran usmjeravanjem usmjerene struje galijevih iona na ploču.

2009-2010 Nadrian Seaman i kolege sa Sveučilišta New York stvaraju seriju nanomounta sličnih DNK u kojima se sintetičke strukture DNK mogu programirati da "proizvode" druge strukture željenih oblika i svojstava.

2013 IBM-ovi znanstvenici stvaraju animirani film koji se može pogledati tek nakon što se poveća 100 milijuna puta. Zove se "Dječak i njegov atom" i nacrtan je dvoatomskim točkama veličine milijardu metra, koje su pojedinačne molekule ugljičnog monoksida. Crtić prikazuje dječaka koji se prvo igra s loptom, a zatim skače na trampolinu. Jedna od molekula također igra ulogu lopte. Sva se radnja odvija na bakrenoj površini, a veličina svakog okvira filma ne prelazi nekoliko desetaka nanometara.

2014 Znanstvenici s Tehnološkog sveučilišta ETH u Zürichu uspjeli su stvoriti poroznu membranu debljinu manju od jednog nanometra. Debljina materijala dobivenog nanotehnološkom manipulacijom je 100 XNUMX. puta manji od ljudske kose. Prema riječima članova autorskog tima, ovo je najtanji porozni materijal koji se mogao dobiti i općenito je moguć. Sastoji se od dva sloja dvodimenzionalne strukture grafena. Membrana je propusna, ali samo za male čestice, usporavajući ili potpuno hvatajući veće čestice.

2015 Stvara se molekularna pumpa, uređaj na nanosmjeri koji prenosi energiju s jedne molekule na drugu, oponašajući prirodne procese. Izgled su osmislili istraživači na Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mehanizam podsjeća na biološke procese u proteinima. Očekuje se da će takve tehnologije naći primjenu uglavnom u područjima biotehnologije i medicine, na primjer, u umjetnim mišićima.

2016 Prema publikaciji u znanstvenom časopisu Nature Nanotechnology, istraživači s nizozemskog tehničkog sveučilišta Delft razvili su revolucionarne medije za pohranu s jednim atomom. Nova metoda trebala bi osigurati više od petsto puta veću gustoću skladištenja od bilo koje trenutno korištene tehnologije. Autori napominju da se još bolji rezultati mogu postići korištenjem trodimenzionalnog modela položaja čestica u prostoru.

Klasifikacija nanotehnologija i nanomaterijala

1. Nanotehnološke strukture uključuju:

• kvantne jame, žice i točkice, tj. razne strukture koje kombiniraju sljedeću značajku - prostorno ograničenje čestica u određenom području kroz potencijalne barijere;
• plastike, čija se struktura kontrolira na razini pojedinačnih molekula, zahvaljujući kojima je moguće, na primjer, dobiti materijale s neviđenim mehaničkim svojstvima;
• umjetna vlakna - materijali s vrlo preciznom molekularnom strukturom, također se razlikuju po neobičnim mehaničkim svojstvima;
• nanocijevi, supramolekularne strukture u obliku šupljih cilindara. Do danas su najpoznatije ugljikove nanocijevi, čije su stijenke izrađene od presavijenog grafena (monatomski grafitni slojevi). Postoje i neugljične nanocijevi (na primjer, od volfram sulfida) i od DNK;
• materijali zgnječeni u obliku prašine, čija su zrna, na primjer, nakupine atoma metala. Srebro () s jakim antibakterijskim svojstvima naširoko se koristi u ovom obliku;
• nanožice (na primjer, srebro ili bakar);
• elementi oblikovani elektroničkom litografijom i drugim metodama nanolitografije;
• fulereni;
• grafen i drugi dvodimenzionalni materijali (borofen, grafen, heksagonalni bor nitrid, silicen, germanen, molibden sulfid);
• kompozitni materijali ojačani nanočesticama.

Nanolitografska površina

2. Klasifikacija nanotehnologija u sistematici znanosti koju je 2004. razvila Organizacija za ekonomsku suradnju i razvoj (OECD):

• nanomaterijali (proizvodnja i svojstva);
• nanoprocesi (primjene u nanosmjeru – biomaterijali pripadaju industrijskoj biotehnologiji).

3. Nanomaterijali su svi materijali u kojima postoje pravilne strukture na molekularnoj razini, t.j. ne prelazi 100 nanometara.

Ovo ograničenje može se odnositi na veličinu domena kao osnovne jedinice mikrostrukture ili na debljinu slojeva dobivenih ili nanesenih na podlogu. U praksi je granica ispod koje se pripisuje nanomaterijalima različita za materijale s različitim svojstvima izvedbe - uglavnom je povezana s pojavom specifičnih svojstava kada se prekorače. Smanjenjem veličine uređenih struktura materijala moguće je značajno poboljšati njihova fizikalno-kemijska, mehanička i druga svojstva.

Nanomaterijali se mogu podijeliti u sljedeće četiri skupine:

• nuldimenzionalni (točkasti nanomaterijali) - na primjer, kvantne točke, nanočestice srebra;
• jednodimenzionalni – na primjer, metalne ili poluvodičke nanožice, nanošipke, polimerna nanovlakna;
• dvodimenzionalan – na primjer, nanometarski slojevi jednofaznog ili višefaznog tipa, grafen i drugi materijali debljine jednog atoma;
• trodimenzionalni (ili nanokristalni) - sastoje se od kristalnih domena i nakupina faza veličine reda nanometara ili kompozita pojačanih nanočesticama.