Geskiedenis van uitvindings - Nanotegnologie

Reeds om en by 600 vC. mense het nanotipe strukture vervaardig, dit wil sê sementietstringe in staal, genoem Wootz. Dit het in Indië gebeur, en dit kan as die begin van die geskiedenis van nanotegnologie beskou word.

VI-XV s. Die kleurstowwe wat gedurende hierdie tydperk gebruik word om gebrandskilderde vensters te verf, gebruik goudchloried-nanopartikels, chloriede van ander metale, sowel as metaaloksiede.

IX-XVII eeue Op baie plekke in Europa word “glitters” en ander stowwe vervaardig om glans aan keramiek en ander produkte te gee. Hulle het nanopartikels van metale bevat, meestal silwer of koper.

XIII-xviii w. Die “Damaskustaal” wat in hierdie eeue vervaardig is, waaruit die wêreldbekende wit wapens gemaak is, bevat koolstofnanobuise en sementietnanovesels.

1857 Michael Faraday ontdek robynkleurige kolloïdale goud, kenmerkend van goue nanopartikels.

1931 Max Knoll en Ernst Ruska bou 'n elektronmikroskoop in Berlyn, die eerste toestel wat die struktuur van nanopartikels op atoomvlak gesien het. Hoe groter die energie van die elektrone, hoe korter hul golflengte en hoe groter is die resolusie van die mikroskoop. Die monster is in 'n vakuum en meestal bedek met 'n metaalfilm. Die elektronstraal gaan deur die toetsvoorwerp en gaan die detektors binne. Op grond van die gemete seine herskep die elektroniese toestelle die beeld van die toetsmonster.

1936 Erwin Müller, werksaam by die Siemens Laboratoriums, vind die veldemissiemikroskoop uit, die eenvoudigste vorm van 'n emissie-elektronmikroskoop. Hierdie mikroskoop gebruik 'n sterk elektriese veld vir veldemissie en beeldvorming.

1950 Victor La Mer en Robert Dinegar skep die teoretiese grondslae vir die tegniek om monodisperse kolloïdale materiale te verkry. Dit het die vervaardiging van spesiale soorte papier, verf en dun films op industriële skaal moontlik gemaak.

1956 Arthur von Hippel van die Massachusetts Institute of Technology (MIT) het die term "molekulêre ingenieurswese" geskep.

1959 Richard Feynman lesings oor "Daar is genoeg ruimte aan die onderkant." Hy het begin deur te dink wat dit sou verg om 'n 24-volume Encyclopædia Britannica op 'n speldekop te pas, en het die konsep van miniaturisering en die moontlikheid om tegnologieë te gebruik wat op nanometervlak kan werk, bekendgestel. By hierdie geleentheid het hy twee toekennings (die sogenaamde Feynman-pryse) vir prestasies op hierdie gebied ingestel – eenduisend dollar elk.

1960 Die eerste prysuitbetaling het Feynman teleurgestel. Hy het aanvaar dat 'n tegnologiese deurbraak nodig sou wees om sy doelwitte te bereik, maar hy het destyds die potensiaal van mikro-elektronika onderskat. Die wenner was die 35-jarige ingenieur William H. McLellan. Hy het 'n motor geskep wat 250 mikrogram weeg, met 'n krag van 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho en John Arthur ontwikkel die epitaksie-metode. Dit laat die vorming van oppervlak monoatomiese lae toe met behulp van halfgeleier tegnologie - die groei van nuwe enkel-kristal lae op 'n bestaande kristallyne substraat, wat die struktuur van die bestaande kristallyne substraat substraat dupliseer. 'n Variasie van epitaksie is die epitaksie van molekulêre verbindings, wat dit moontlik maak om kristallyne lae met 'n dikte van een atoomlaag af te lê. Hierdie metode word gebruik in die vervaardiging van kwantumkolletjies en sogenaamde dun lae.

1974 Bekendstelling van die term "nanotegnologie". Dit is die eerste keer deur Norio Taniguchi, navorser van die Universiteit van Tokio, tydens 'n wetenskaplike konferensie gebruik. Die definisie van Japannese fisika bly tot vandag toe in gebruik en klink soos volg: “Nanotegnologie is 'n produksie wat tegnologie gebruik wat die bereiking van baie hoë akkuraatheid en uiters klein groottes moontlik maak, d.w.s. akkuraatheid van die orde van 1 nm.

Visualisering van 'n kwantumdruppel

80's en 90's Die tydperk van vinnige ontwikkeling van litografiese tegnologie en die produksie van ultradun lae kristalle. Die eerste, MOCVD(), is 'n metode om lae op die oppervlak van materiale af te lê deur gasvormige organometaalverbindings te gebruik. Dit is een van die epitaksiale metodes, vandaar sy alternatiewe naam - MOSFE (). Die tweede metode, MBE, maak dit moontlik om baie dun nanometerlae met 'n presies gedefinieerde chemiese samestelling en presiese verspreiding van die onsuiwerheidskonsentrasieprofiel te deponeer. Dit is moontlik as gevolg van die feit dat die laagkomponente deur afsonderlike molekulêre balke aan die substraat voorsien word.

1981 Gerd Binnig en Heinrich Rohrer skep die skandeertonnelmikroskoop. Deur die kragte van interatomiese interaksies te gebruik, laat dit jou toe om 'n beeld van die oppervlak te verkry met 'n resolusie van die orde van die grootte van 'n enkele atoom, deur die lem bo of onder die oppervlak van die monster te laat slaag. In 1989 is die toestel gebruik om individuele atome te manipuleer. Binnig en Rohrer is in 1986 met die Nobelprys in Fisika bekroon.

1985 Louis Brus van Bell Labs ontdek kolloïdale halfgeleier nanokristalle (kwantumkolletjies). Hulle word gedefinieer as 'n klein area van die ruimte wat in drie dimensies begrens word deur potensiële hindernisse wanneer 'n deeltjie met 'n golflengte vergelykbaar met die grootte van 'n punt inkom.

Omslag van die boek Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology deur C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto en Richard Erret Smalley ontdek fullerene, molekules wat bestaan ​​uit 'n ewe aantal koolstofatome (van 28 tot ongeveer 1500) wat 'n geslote hol liggaam vorm. Die chemiese eienskappe van fullerene is in baie opsigte soortgelyk aan dié van aromatiese koolwaterstowwe. Fullereen C60, of buckminsterfullereen, soos ander fullereen, is 'n allotropiese vorm van koolstof.

1986-1992 C. Eric Drexler publiseer twee belangrike boeke oor futurologie wat nanotegnologie gewild maak. Die eerste, wat in 1986 vrygestel is, heet Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Hy voorspel onder meer dat toekomstige tegnologieë individuele atome op 'n beheerde wyse sal kan manipuleer. In 1992 het hy Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea gepubliseer, wat weer voorspel het dat nanomasjiene hulself kan reproduseer.

1989 Donald M. Aigler van IBM plaas die woord "IBM" - gemaak van 35 xenonatome - op 'n nikkeloppervlak.

1991 Sumio Iijima van NEC in Tsukuba, Japan, ontdek koolstofnanobuise, hol silindriese strukture. Tot op datum, die bekendste koolstof-nanobuise, waarvan die mure van gerolde grafeen gemaak is. Daar is ook nie-koolstof-nanobuise en DNA-nanobuise. Die dunste koolstofnanobuise is in die orde van een nanometer in deursnee en kan miljoene kere langer wees. Hulle het merkwaardige treksterkte en unieke elektriese eienskappe, en is uitstekende geleiers van hitte. Hierdie eienskappe maak hulle belowende materiale vir toepassings in nanotegnologie, elektronika, optika en materiaalwetenskap.

1993 Warren Robinett van die Universiteit van Noord-Carolina en R. Stanley Williams van UCLA bou 'n virtuele realiteitstelsel wat gekoppel is aan 'n skandeertonnelmikroskoop wat die gebruiker toelaat om atome te sien en selfs aan te raak.

1998 Die Cees Dekker-span by die Delft Universiteit van Tegnologie in Nederland bou 'n transistor wat koolstofnanobuise gebruik. Tans probeer wetenskaplikes om die unieke eienskappe van koolstofnanobuise te gebruik om beter en vinniger elektronika te vervaardig wat minder elektrisiteit verbruik. Dit is beperk deur 'n aantal faktore, waarvan sommige geleidelik oorkom is, wat in 2016 daartoe gelei het dat navorsers aan die Universiteit van Wisconsin-Madison 'n koolstoftransistor met beter parameters as die beste silikonprototipes geskep het. Navorsing deur Michael Arnold en Padma Gopalan het gelei tot die ontwikkeling van 'n koolstofnanobuistransistor wat twee keer die stroom van sy silikon-mededinger kan dra.

2003 Samsung patenteer 'n gevorderde tegnologie gebaseer op die werking van mikroskopiese silwerione om kieme, skimmel en meer as seshonderd soorte bakterieë dood te maak en die verspreiding daarvan te voorkom. Silwer deeltjies is in die belangrikste filtrasiestelsels in die maatskappy se stofsuier ingebring – alle filters en stofverwyderaar of sak.

2004 Die British Royal Society en die Royal Academy of Engineering publiseer die verslag "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", wat vra vir navorsing oor die potensiële risiko's van nanotegnologie vir gesondheid, die omgewing en die samelewing, met inagneming van etiese en wetlike aspekte.

Nanomotor model op fullereen wiele

2006 James Tour, saam met 'n span wetenskaplikes van die Rice-universiteit, is besig om 'n mikroskopiese "bussie" te bou uit 'n oligo (fenieleentienileen)-molekule, waarvan die asse van aluminiumatome gemaak is, en die wiele van C60-fullerene. Die nanovehicle het oor die oppervlak beweeg, bestaande uit goudatome, onder die invloed van temperatuurverhoging, as gevolg van die rotasie van fullereen "wiele". Bo 'n temperatuur van 300 ° C het dit so versnel dat chemici dit nie meer kon volg nie ...

2007 Technion nanotegnoloë pas die hele Joodse "Ou Testament" in 'n gebied van net 0,5 mm² vergulde silikonwafel. Die teks is gegraveer deur 'n gefokusde stroom galliumione op die plaat te rig.

2009-2010 Nadrian Seaman en kollegas aan die Universiteit van New York is besig om 'n reeks DNS-agtige nanomounts te skep waarin sintetiese DNS-strukture geprogrammeer kan word om ander strukture met gewenste vorms en eienskappe te "produseer".

2013 IBM-wetenskaplikes skep 'n animasiefilm wat slegs na 'n vergroting van 100 miljoen keer gekyk kan word. Dit word "Die seun en sy atoom" genoem en is geteken met diatomiese kolletjies van een biljoenste van 'n meter groot, wat enkele molekules koolstofmonoksied is. Die spotprent beeld 'n seun uit wat eers met 'n bal speel en dan op 'n trampolien spring. Een van die molekules speel ook die rol van 'n bal. Alle aksie vind plaas op 'n koperoppervlak, en die grootte van elke filmraam oorskry nie 'n paar tientalle nanometer nie.

2014 Wetenskaplikes van die ETH Universiteit van Tegnologie in Zürich het daarin geslaag om 'n poreuse membraan van minder as een nanometer dik te skep. Die dikte van die materiaal wat deur nanotegnologiese manipulasie verkry word, is 100 XNUMX. keer kleiner as dié van 'n menslike haar. Volgens die lede van die span skrywers is dit die dunste poreuse materiaal wat verkry kon word en is dit oor die algemeen moontlik. Dit bestaan ​​uit twee lae van 'n tweedimensionele grafeenstruktuur. Die membraan is deurlaatbaar, maar slegs vir klein deeltjies, wat groter deeltjies vertraag of heeltemal vasvang.

2015 ’n Molekulêre pomp word geskep, ’n nanoskaaltoestel wat energie van een molekule na ’n ander oordra, wat natuurlike prosesse naboots. Die uitleg is ontwerp deur navorsers by die Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Die meganisme herinner aan biologiese prosesse in proteïene. Daar word verwag dat sulke tegnologieë hoofsaaklik toepassing sal vind in die velde van biotegnologie en medisyne, byvoorbeeld in kunsmatige spiere.

2016 Volgens ’n publikasie in die wetenskaplike joernaal Nature Nanotechnology het navorsers aan die Nederlandse Tegniese Universiteit Delft baanbrekende enkelatoombergingsmedia ontwikkel. Die nuwe metode behoort meer as vyfhonderd keer hoër bergingsdigtheid te bied as enige tegnologie wat tans gebruik word. Die skrywers merk op dat selfs beter resultate bereik kan word deur 'n driedimensionele model van die ligging van deeltjies in die ruimte te gebruik.

Klassifikasie van nanotegnologieë en nanomateriale

1. Nanotegnologiese strukture sluit in:

• kwantumputte, drade en kolletjies, m.a.w. verskeie strukture wat die volgende kenmerk kombineer - die ruimtelike beperking van deeltjies in 'n sekere area deur potensiële hindernisse;
• plastiek, waarvan die struktuur op die vlak van individuele molekules beheer word, waardeur dit byvoorbeeld moontlik is om materiale met ongekende meganiese eienskappe te verkry;
• kunsmatige vesels - materiale met 'n baie presiese molekulêre struktuur, ook onderskei deur ongewone meganiese eienskappe;
• nanobuise, supramolekulêre strukture in die vorm van hol silinders. Tot op datum, die bekendste koolstof-nanobuise, waarvan die mure van gevoude grafeen (monatomiese grafietlae) gemaak is. Daar is ook nie-koolstof nanobuise (byvoorbeeld van wolframsulfied) en van DNA;
• materiaal wat in die vorm van stof vergruis word, waarvan die korrels byvoorbeeld ophopings van metaalatome is. Silwer () met sterk antibakteriese eienskappe word wyd gebruik in hierdie vorm;
• nanodrade (byvoorbeeld silwer of koper);
• elemente wat met behulp van elektronlitografie en ander nanolitografiemetodes gevorm word;
• fullerene;
• grafeen en ander tweedimensionele materiale (boorfeen, grafeen, seskantige boornitried, siliseen, germaneen, molibdeensulfied);
• saamgestelde materiale wat met nanopartikels versterk is.

Nanolitografiese oppervlak

2. Die klassifikasie van nanotegnologie in die sistematiek van wetenskappe, ontwikkel in 2004 deur die Organisasie vir Ekonomiese Samewerking en Ontwikkeling (OESO):

• nanomateriale (produksie en eienskappe);
• nanoprosesse (nanoskaaltoepassings - biomateriale behoort aan industriële biotegnologie).

3. Nanomateriale is alle materiale waarin daar gereelde strukture op molekulêre vlak voorkom, m.a.w. nie meer as 100 nanometer nie.

Hierdie limiet kan verwys na die grootte van die domeine as die basiese eenheid van mikrostruktuur, of na die dikte van die lae wat op die substraat verkry of neergelê word. In die praktyk is die limiet hieronder wat aan nanomateriale toegeskryf word, verskillend vir materiale met verskillende prestasie-eienskappe - dit word hoofsaaklik geassosieer met die voorkoms van spesifieke eienskappe wanneer dit oorskry word. Deur die grootte van die geordende strukture van materiale te verminder, is dit moontlik om hul fisies-chemiese, meganiese en ander eienskappe aansienlik te verbeter.

Nanomateriale kan in die volgende vier groepe verdeel word:

• nul-dimensioneel (kol nanomateriale) - byvoorbeeld kwantumkolletjies, silwer nanopartikels;
• eendimensioneel – byvoorbeeld metaal- of halfgeleier nanodrade, nanorods, polimeriese nanovesels;
• tweedimensioneel – byvoorbeeld nanometerlae van 'n enkelfase- of meerfasetipe, grafeen en ander materiale met 'n dikte van een atoom;
• driedimensioneel (of nanokristallyn) - bestaan ​​uit kristallyne domeine en ophopings van fases met groottes van die orde van nanometer of samestellings versterk met nanopartikels.