Találmányok története - Nanotechnológia

Már Kr.e. 600 körül. az emberek nanotípusú szerkezeteket, azaz acélból készült cementitszálakat gyártottak, Wootz néven. Ez Indiában történt, és ez tekinthető a nanotechnológia történetének kezdetének.

VI-XV s. Az ólomüveg ablakfestéshez ebben az időszakban használt festékek arany-klorid nanorészecskéket, más fémek kloridjait, valamint fémoxidokat használnak.

IX-XVII Európában sok helyen "csillámokat" és egyéb anyagokat állítanak elő, hogy fényt adjanak a kerámiáknak és egyéb termékeknek. Fém nanorészecskéket tartalmaztak, leggyakrabban ezüstöt vagy rezet.

XNUMX-XNUMX w. Az ezekben az évszázadokban gyártott „damaszkuszi acél”, amelyből a világhírű fehér fegyvereket készítették, szén nanocsöveket és cementit nanoszálakat tartalmaz.

1857 Michael Faraday felfedezi az arany nanorészecskékre jellemző rubinszínű kolloid aranyat.

1931 Max Knoll és Ernst Ruska elektronmikroszkópot építenek Berlinben, az első olyan eszközt, amely a nanorészecskék szerkezetét atomi szinten látta. Minél nagyobb az elektronok energiája, annál rövidebb a hullámhosszuk és annál nagyobb a mikroszkóp felbontása. A minta vákuumban van, és leggyakrabban fémfóliával van borítva. Az elektronsugár áthalad a vizsgált tárgyon és belép a detektorokba. A mért jelek alapján az elektronikus eszközök újra létrehozzák a vizsgálati minta képét.

1936 Erwin Müller, a Siemens Laboratories munkatársa feltalálja a terepi emissziós mikroszkópot, az emissziós elektronmikroszkóp legegyszerűbb formáját. Ez a mikroszkóp erős elektromos mezőt használ a térkibocsátáshoz és a képalkotáshoz.

1950 Victor La Mer és Robert Dinegar megteremti a monodiszperz kolloid anyagok előállítási technikájának elméleti alapjait. Ez lehetővé tette speciális papírfajták, festékek és vékonyrétegek ipari méretekben történő előállítását.

1956 Arthur von Hippel, a Massachusetts Institute of Technology (MIT) munkatársa alkotta meg a „molekuláris tervezés” kifejezést.

1959 Richard Feynman előadásokat tart: "Bőven van hely alul". Kezdve azzal, hogy elképzelte, mi kell egy 24 kötetes Encyclopædia Britannica tűfejre illesztéséhez, majd bemutatta a miniatürizálás fogalmát és a nanométeres szinten működő technológiák alkalmazásának lehetőségét. Ebből az alkalomból két díjat (az úgynevezett Feynman-díjat) alapított az ezen a területen elért eredményekért - egyenként ezer dollárt.

1960 Az első díj kifizetése csalódást okozott Feynmannek. Feltételezte, hogy céljai eléréséhez technológiai áttörésre lesz szükség, de akkoriban alábecsülte a mikroelektronikában rejlő lehetőségeket. A győztes a 35 éves mérnök, William H. McLellan lett. Létrehozott egy 250 mikrogramm tömegű, 1 mW teljesítményű motort.

1968 Alfred Y. Cho és John Arthur kifejlesztik az epitaxiás módszert. Lehetővé teszi felületi egyatomos rétegek kialakítását félvezető technológiával - új egykristályos rétegek növekedését egy meglévő kristályos hordozón, megkettőzve a meglévő kristályos szubsztrát szerkezetét. Az epitaxia egyik változata a molekuláris vegyületek epitaxiája, amely lehetővé teszi egy atomi réteg vastagságú kristályos rétegek lerakását. Ezt a módszert kvantumpontok és úgynevezett vékony rétegek előállítására használják.

1974 A „nanotechnológia” kifejezés bevezetése. Norio Taniguchi, a Tokiói Egyetem kutatója használta először egy tudományos konferencián. A japán fizika definíciója a mai napig használatban van, és így hangzik: „A nanotechnológia olyan technológiát alkalmazó gyártás, amely lehetővé teszi nagyon nagy pontosság és rendkívül kis méretek elérését, pl. 1 nm-es nagyságrendű pontosság.

Egy kvantumcsepp vizualizálása

80-es és 90-as évek A litográfiai technológia rohamos fejlődésének és az ultravékony kristályrétegek előállításának időszaka. Az első, a MOCVD(), egy olyan módszer, amellyel fémorganikus vegyületek gáznemű vegyületei segítségével rétegeket vihetünk fel anyagok felületére. Ez az egyik epitaxiális módszer, innen ered az alternatív neve - MOSFE (). A második módszer, az MBE, lehetővé teszi nagyon vékony nanométeres rétegek lerakását pontosan meghatározott kémiai összetétellel és precíz szennyeződéskoncentráció-profillal. Ez annak köszönhető, hogy a rétegkomponenseket külön molekuláris nyalábok juttatják a szubsztrátumhoz.

1981 Gerd Binnig és Heinrich Rohrer megalkotják a pásztázó alagútmikroszkópot. Az interatomikus kölcsönhatások erőinek felhasználásával lehetővé teszi, hogy egyetlen atom nagyságrendű felbontású képét kapja a felületről, ha a pengét a minta felülete felett vagy alatt vezeti át. 1989-ben az eszközt egyes atomok manipulálására használták. Binnig és Rohrer 1986-ban fizikai Nobel-díjat kapott.

1985 Louis Brus, a Bell Labs munkatársa kolloid félvezető nanokristályokat (kvantumpontokat) fedez fel. Úgy definiálják őket, mint egy kis térterületet, amelyet három dimenzióban potenciálgát határol, amikor egy pont méretéhez hasonló hullámhosszú részecske lép be.

C. Eric Drexler: A teremtés motorjai: A nanotechnológia eljövendő korszaka című könyvének borítója

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto és Richard Erret Smalley fulleréneket fedez fel, páros számú szénatomból (28-tól körülbelül 1500-ig) álló molekulákat, amelyek zárt üreges testet alkotnak. A fullerének kémiai tulajdonságai sok tekintetben hasonlóak az aromás szénhidrogénekéhez. A fullerén C60 vagy buckminsterfullerén más fullerénekhez hasonlóan a szén allotróp formája.

1986-1992 C. Eric Drexler két fontos, a nanotechnológiát népszerűsítő könyvet ad ki a futurológiáról. Az első, 1986-ban megjelent, a Teremtés motorjai: A nanotechnológia eljövendő korszaka címet viseli. Többek között azt jósolja, hogy a jövő technológiái képesek lesznek az egyes atomokat ellenőrzött módon manipulálni. 1992-ben publikálta a Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing and the Computational Idea című művét, amely viszont azt jósolta, hogy a nanogépek képesek reprodukálni önmagukat.

1989 Donald M. Aigler, az IBM-től a 35 xenon atomból készült "IBM" szót egy nikkel felületre helyezi.

1991 Sumio Iijima, a NEC-től a japán Tsukubában, szén nanocsöveket, üreges hengeres szerkezeteket fedez fel. A mai napig a legismertebb szén nanocsövek, amelyek falai hengerelt grafénből készülnek. Vannak nem szén nanocsövek és DNS nanocsövek is. A legvékonyabb szén nanocsövek egy nanométeres nagyságrendűek, és milliószor hosszabbak is lehetnek. Figyelemre méltó szakítószilárdsággal és egyedülálló elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, és kiváló hővezetők. Ezek a tulajdonságok ígéretes anyagokká teszik őket a nanotechnológiában, az elektronikában, az optikában és az anyagtudományban.

1993 Warren Robinett, a University of North Carolina és R. Stanley Williams, az UCLA munkatársa egy olyan virtuális valóság rendszert építenek, amely egy pásztázó alagútmikroszkóphoz kapcsolódik, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy atomokat lásson, sőt meg is érintsen.

1998 A holland Delfti Műszaki Egyetemen működő Cees Dekker csapata szén nanocsöveket használó tranzisztort épít. Jelenleg a tudósok a szén nanocsövek egyedi tulajdonságait próbálják felhasználni jobb és gyorsabb, kevesebb áramot fogyasztó elektronika előállítására. Ennek számos tényező korlátozta, amelyek közül néhányat fokozatosan sikerült legyőzni, ami 2016-ban arra késztette a Wisconsin-Madison Egyetem kutatóit, hogy olyan széntranzisztort hozzanak létre, amely jobb paraméterekkel rendelkezik, mint a legjobb szilícium prototípusok. Michael Arnold és Padma Gopalan kutatása egy szén nanocső tranzisztor kifejlesztéséhez vezetett, amely kétszer akkora áramot képes szállítani, mint a szilícium versenytársa.

2003 A Samsung szabadalmaztat egy fejlett technológiát, amely mikroszkopikus méretű ezüstionok hatásán alapul, hogy elpusztítsa a baktériumokat, a penészgombát és több mint hatszáz fajta baktériumot, és megakadályozza azok terjedését. A cég porszívójának legfontosabb szűrőrendszereibe ezüstrészecskéket juttattak be – minden szűrőbe és porgyűjtőbe vagy porzsákba.

2004 A Brit Királyi Társaság és a Royal Academy of Engineering közzéteszi a „Nanotudomány és nanotechnológia: lehetőségek és bizonytalanságok” című jelentését, amelyben kutatást kér a nanotechnológia egészségre, környezetre és társadalomra gyakorolt ​​lehetséges kockázatairól, figyelembe véve az etikai és jogi szempontokat.

Nanomotoros modell fullerén kerekeken

2006 James Tour a Rice Egyetem tudóscsoportjával közösen egy mikroszkopikus "furgont" szerkeszt az oligo (fenil-etinilén) molekulából, melynek tengelyei alumíniumatomokból, kerekei C60 fullerénekből készülnek. A nanojármű a fullerén „kerekek” forgása miatt a hőmérséklet-emelkedés hatására az aranyatomokból álló felület felett mozgott. 300 ° C felett annyira felgyorsult, hogy a vegyészek már nem tudták követni ...

2007 Technion nanotechnológusok a teljes zsidó "Ószövetséget" mindössze 0,5 mm-es területre illesztik² aranyozott szilícium ostya. A szöveget úgy gravírozták, hogy galliumionok fókuszált áramát irányították a lemezre.

2009-2010 Nadrian Seaman és munkatársai a New York-i Egyetemen egy sor DNS-szerű nanoelemet hoznak létre, amelyekben szintetikus DNS-struktúrák programozhatók úgy, hogy más, kívánt alakú és tulajdonságú struktúrákat "előállítsanak".

2013 Az IBM tudósai olyan animációs filmet készítenek, amelyet csak 100 milliószoros nagyítás után lehet megnézni. "A fiú és az atomja" a neve, és a méter egymilliárd része nagyságú kétatomos pontokkal van megrajzolva, amelyek egyetlen szén-monoxid-molekulák. A rajzfilm egy fiút ábrázol, aki először labdával játszik, majd trambulinon ugrik. Az egyik molekula a labda szerepét is betölti. Minden akció rézfelületen zajlik, és az egyes filmkockák mérete nem haladja meg a több tíz nanométert.

2014 A zürichi ETH Műszaki Egyetem tudósainak sikerült egy nanométernél kisebb vastagságú porózus membránt létrehozniuk. A nanotechnológiai manipulációval nyert anyag vastagsága 100 XNUMX. szor kisebb, mint egy emberi hajszál. A szerzői gárda tagjai szerint ez a legvékonyabb porózus anyag, amihez hozzá lehet jutni és általában is lehetséges. Két rétegű kétdimenziós grafénszerkezetből áll. A membrán áteresztő, de csak a kis részecskéket, lassítja vagy teljesen befogja a nagyobb részecskéket.

2015 Létrejön egy molekuláris pumpa, egy nanoméretű eszköz, amely energiát ad át egyik molekuláról a másikra, utánozva a természetes folyamatokat. Az elrendezést a Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences kutatói tervezték. A mechanizmus a fehérjékben zajló biológiai folyamatokra emlékeztet. Az ilyen technológiák várhatóan elsősorban a biotechnológia és az orvostudomány területén találnak majd alkalmazást, például a mesterséges izomzatban.

2016 A Nature Nanotechnology tudományos folyóiratban megjelent publikáció szerint a holland Delfti Műszaki Egyetem kutatói úttörő, egyatomos adathordozókat fejlesztettek ki. Az új módszer több mint ötszázszor nagyobb tárolási sűrűséget biztosít, mint bármely jelenleg használt technológia. A szerzők megjegyzik, hogy még jobb eredményeket lehet elérni a részecskék térbeli elhelyezkedésének háromdimenziós modelljével.

A nanotechnológiák és nanoanyagok osztályozása

1. A nanotechnológiai struktúrák a következők:

• kvantumkutak, vezetékek és pontok, azaz. különféle struktúrák, amelyek a következő jellemzőt egyesítik - a részecskék térbeli korlátozása egy bizonyos területen potenciális akadályokon keresztül;
• műanyagok, amelyek szerkezetét az egyes molekulák szintjén szabályozzák, aminek köszönhetően például példátlan mechanikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokat lehet előállítani;
• mesterséges szálak - nagyon pontos molekulaszerkezetű anyagok, amelyeket szokatlan mechanikai tulajdonságok is megkülönböztetnek;
• nanocsövek, szupramolekuláris szerkezetek üreges hengerek formájában. A mai napig a legismertebb szén nanocsövek, amelyek falai hajtogatott grafénből (monatomikus grafitrétegek) készülnek. Vannak nem szén nanocsövek is (például volfrám-szulfidból) és DNS-ből;
• por formájában zúzott anyagok, amelyek szemcséi például fématomok felhalmozódása. Az erős antibakteriális tulajdonságokkal rendelkező ezüstöt () széles körben használják ebben a formában;
• nanohuzalok (például ezüst vagy réz);
• elektronlitográfiával és más nanolitográfiás módszerekkel előállított elemek;
• fullerének;
• grafén és más kétdimenziós anyagok (borofén, grafén, hatszögletű bór-nitrid, szilikén, germanén, molibdén-szulfid);
• nanorészecskékkel erősített kompozit anyagok.

Nanolitografikus felület

2. A 2004-ben a Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet (OECD) által kidolgozott nanotechnológiák osztályozása a tudományok szisztematikában:

• nanoanyagok (előállítás és tulajdonságok);
• nanofolyamatok (nanoléptékű alkalmazások – a bioanyagok az ipari biotechnológiához tartoznak).

3. Nanoanyagnak nevezzük mindazokat az anyagokat, amelyekben molekuláris szinten szabályos szerkezetek vannak, pl. nem haladja meg a 100 nanométert.

Ez a határ vonatkozhat a domének méretére, mint a mikrostruktúra alapegységére, vagy a kapott vagy a hordozóra felvitt rétegek vastagságára. A gyakorlatban a nanoanyagoknak tulajdonított határérték eltérő a különböző teljesítményjellemzőkkel rendelkező anyagok esetében – ez főként bizonyos tulajdonságok megjelenésével jár, ha túllépik. Az anyagok rendezett szerkezeteinek méretének csökkentésével jelentősen javíthatók azok fizikai-kémiai, mechanikai és egyéb tulajdonságai.

A nanoanyagok a következő négy csoportba oszthatók:

• nulla dimenziós (pont nanoanyagok) - például kvantumpontok, ezüst nanorészecskék;
• egydimenziós – például fém vagy félvezető nanohuzalok, nanorudak, polimer nanoszálak;
• kétdimenziós – például egyfázisú vagy többfázisú nanométeres rétegek, grafén és egyéb, egy atom vastagságú anyagok;
• háromdimenziós (vagy nanokristályos) - kristályos doménekből és nanométeres nagyságrendű fázisok halmozódásából vagy nanorészecskékkel megerősített kompozitokból állnak.