Istorija izuma - nanotehnologija

Već oko 600. godine prije Krista. ljudi su proizvodili nanotipske strukture, odnosno cementitne niti u čeliku, nazvane Wootz. To se dogodilo u Indiji i to se može smatrati početkom istorije nanotehnologije.

VI-XV s. Boje koje se koriste u ovom periodu prilikom farbanja vitraža koriste nanočestice hlorida zlata, hlorida drugih metala, kao i metalnih oksida.

IX-XVII vv. Mnoga mjesta u Evropi proizvode "šljokice" i druge supstance za dodavanje sjaja keramici i drugim predmetima. Sadržavale su nanočestice metala, najčešće srebra ili bakra.

XIII-XVIII w. „Damaski čelik” proizveden tokom ovih vekova, od kojeg je napravljeno svetski poznato belo oružje, sadrži ugljenične nanocevi i cementitna nanovlakna.

1857 Michael Faraday otkriva koloidno zlato s rubin bojom karakterističnom za nanočestice zlata.

1931 Max Knoll i Ernst Ruska grade elektronski mikroskop u Berlinu, prvi uređaj koji omogućava da se vidi struktura nanočestica na atomskom nivou. Što je energija elektrona veća, to je kraća njihova talasna dužina i veća je rezolucija mikroskopa. Uzorak je u vakuumu i najčešće je prekriven metalnom folijom. Snop elektrona prolazi kroz ispitni objekat i stiže do detektora. Na osnovu izmjerenih signala, elektronski uređaji rekonstruiraju sliku ispitnog uzorka.

1936 Erwin Müller, koji radi u Siemensovim laboratorijama, izume poljski emisioni mikroskop, najjednostavniji oblik emisionog elektronskog mikroskopa. Ovaj mikroskop koristi visoko električno polje za emitovanje polja i snimanje.

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

1956 Arthur von Hippel sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) skovao je termin "molekularni inženjering".

1959 Richard Feynman drži predavanja na temu "Ima dosta mjesta na dnu." Počevši od zamišljanja šta bi bilo potrebno da se Encyclopædia Britannica od 24 toma stavi na glavu igle, uveo je koncept minijaturizacije i mogućnost korišćenja tehnologija koje bi mogle da rade na nanometarskom nivou. Ovom prilikom ustanovio je dvije nagrade (tzv. Feynman nagrade) za dostignuća u ovoj oblasti - po hiljadu dolara.

1960 Isplata prve nagrade razočarala je Feynmana. Pretpostavljao je da će za postizanje njegovih ciljeva biti potrebna tehnološka otkrića, ali je u to vrijeme potcijenio 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. Omogućava formiranje površinskih monoatomskih slojeva koristeći poluvodičku tehnologiju - rast novih monokristalnih slojeva na postojećem kristalnom supstratu, duplicirajući strukturu postojećeg kristalnog supstrata. Varijanta epitaksije je epitaksija molekularnih spojeva, koja omogućava nanošenje kristalnih slojeva debljine jednog atomskog sloja. Ova metoda se koristi u proizvodnji kvantnih tačaka i takozvanih tankih slojeva.

1974 Uvođenje pojma „nanotehnologija“. Prvi ga je upotrijebio istraživač sa Univerziteta u Tokiju Norio Taniguchi na naučnoj konferenciji. Definicija japanske fizike je još uvijek u upotrebi i zvuči ovako: „Nanotehnologija je proizvodnja pomoću tehnologije koja omogućava postizanje vrlo visoke preciznosti i ekstremno malih veličina, tj. tačnost reda veličine 1 nm."

Vizualizacija kvantnog pada

80-ih i 90-ih Period naglog razvoja litografske tehnologije i proizvodnje ultratankih slojeva kristala. Prvi, MOCVD(), je metoda za nanošenje slojeva na površinu materijala korištenjem plinovitih organometalnih jedinjenja. Ovo je jedna od epitaksijalnih metoda, pa otuda i njen alternativni naziv - MOSFE (). Druga metoda, MBE, omogućava nanošenje vrlo tankih nanometarskih slojeva sa precizno definisanim hemijskim sastavom i preciznom raspodelom profila koncentracije nečistoća. To je moguće zbog činjenice da se komponente sloja dovode na podlogu odvojenim molekularnim zrakama.

1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer kreiraju skenirajući tunelski mikroskop. Koristeći sile međuatomskih interakcija, omogućava vam da snimite površinu s rezolucijom veličine jednog atoma pomicanjem oštrice iznad ili ispod površine uzorka. Godine 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 tačke). Definišu se kao mali prostor prostora, ograničen u tri dimenzije potencijalnim barijerama, kada uđe čestica čija je talasna dužina uporediva sa veličinom tačke.

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

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Croteau i Richard Errett Smalley otkrivaju fulerene, molekule sastavljene od parnog broja atoma ugljika (od 28 do oko 1500) koji formiraju zatvoreno, šuplje tijelo. Hemijska svojstva fulerena su na mnogo načina slična svojstvima aromatičnih ugljovodonika. Fulleren C60, ili buckminsterfuleren, kao i drugi fulereni, je alotropni 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 nanomašine mogu sami reproducirati.

1989 Donald M. Eigler iz IBM-a stavlja riječ “IBM” – napravljenu od 35 atoma ksenona na površini nikla.

1991 Sumio Iijima iz NEC-a u Tsukubi, Japan, otkriva ugljične nanocijevi, šuplje cilindrične strukture. Do danas su najpoznatije ugljične nanocijevi, čiji su zidovi napravljeni od valjanog grafena. Postoje i nanocevi bez ugljenika i DNK nanocevi. Najtanje ugljične nanocijevi su veličine jednog nanometra u prečniku i mogu biti milione puta duže. Imaju izuzetnu vlačnu čvrstoću i jedinstvena električna svojstva, te su odlični provodnici topline. Ova svojstva ih čine obećavajućim materijalima za primjenu u nanotehnologiji, elektronici, optici i nauci o materijalima.

1993 Warren Robinett sa Univerziteta Sjeverne Karoline i R. Stanley Williams sa Univerziteta Kalifornije u Los Angelesu kreiraju sistem virtuelne stvarnosti povezan sa skenirajućim tunelskim mikroskopom koji omogućava korisniku da vidi, pa čak i dodirne atome.

1998 Tim Cees Dekker sa Tehnološkog univerziteta Delft u Holandiji gradi tranzistor koji koristi ugljenične nanocevi. Trenutno naučnici pokušavaju da iskoriste jedinstvena svojstva ugljeničnih nanocevi za proizvodnju bolje i brže elektronike koja troši manje električne energije. Ovo je bilo ograničeno brojnim faktorima, od kojih su neki postepeno prevaziđeni, što je 2016. godine navelo istraživače na Univerzitetu Wisconsin-Madison da stvore karbonski tranzistor s boljim parametrima od najboljih silicijumskih prototipova. Istraživanja Michaela Arnolda i Padme Gopalan dovela su do razvoja tranzistora od ugljične nanocijevi koji može nositi dvostruko veću struju od svog silicijumskog konkurenta.

2003 Samsung patentira naprednu tehnologiju zasnovanu na dejstvu mikroskopskih jona srebra koji uništavaju klice, buđ i više od šest stotina vrsta bakterija i sprečavaju njihovo širenje. Čestice srebra su uvedene u najvažnije sisteme filtracije u usisivaču kompanije - sve filtere i kontejner ili vreću za prašinu.

2004 Britansko kraljevsko društvo i Kraljevska inženjerska akademija objavljuju izvještaj, Nanoznanost i nanotehnologija: mogućnosti i neizvjesnosti, pozivajući na istraživanje potencijalnih rizika nanotehnologije po zdravlje, okoliš i društvo, uzimajući u obzir etička i pravna razmatranja.

Model nanomotora na fulerenskim točkovima

2006 Džejms Tur, zajedno sa timom naučnika sa Univerziteta Rajs, konstruiše mikroskopski "kombi" od oligo (fenileneetinilena) molekula, čije su osovine napravljene od atoma aluminijuma, a točkovi od C60 fulerena. Nanovozilo se kretalo po površini, koja se sastoji od atoma zlata, pod uticajem porasta temperature, usled rotacije fuleren "točkova". Iznad temperature od 300°C, toliko se ubrzao da ga hemičari više nisu mogli pratiti...

2007 Technion nanotehnolozi postavili su cijeli jevrejski "Stari zavjet" na površinu od samo 0,5 mm² pozlaćena silikonska pločica. Tekst je ugraviran usmjeravanjem fokusiranog toka jona galijuma na ploču.

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

2013 Naučnici IBM-a kreiraju animirani film koji se može pogledati samo nakon što se uveća 100 miliona puta. Zove se "Dječak i njegov atom" i nacrtan je dvoatomskim tačkama veličine jedne milijarde metra, koje su pojedinačni molekuli ugljičnog monoksida. Crtić prikazuje dječaka koji se prvo igra s loptom, a zatim skače na trampolinu. Jedan od molekula igra i ulogu lopte. Sva radnja se odvija na bakrenoj površini, a veličina svakog okvira filma ne prelazi nekoliko desetina nanometara.

2014 Naučnici sa Tehnološkog univerziteta ETH u Cirihu 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 koji je općenito 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 nanorazmjeri koji prenosi energiju s jednog molekula na drugi, oponašajući prirodne procese. Raspored su dizajnirali istraživači sa Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mehanizam podsjeća na biološke procese u proteinima. Očekuje se da će takve tehnologije naći primjenu uglavnom u oblastima biotehnologije i medicine, na primjer, u umjetnim mišićima.

2016 Prema publikaciji u naučnom časopisu Nature Nanotechnology, istraživači sa holandskog tehničkog univerziteta Delft razvili su revolucionarne medije za skladištenje podataka sa jednim atomom. Nova metoda bi trebala osigurati više od petsto puta veću gustinu skladištenja od bilo koje tehnologije koja se trenutno koristi. Autori napominju da se još bolji rezultati mogu postići korištenjem trodimenzionalnog modela lokacije čestica u prostoru.

Klasifikacija nanotehnologija i nanomaterijala

1. Nanotehnološke strukture uključuju:

• kvantne bušotine, žice i tačke, tj. razne strukture koje kombinuju sledeće karakteristike - 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 odlikuju neobičnim mehaničkim svojstvima;
• nanocijevi, supramolekularne strukture u obliku šupljih cilindara. Danas su najpoznatije ugljenične nanocevi čiji su zidovi napravljeni od presavijenog grafena (slojevi jednoatomnog grafita). Postoje i neugljične nanocijevi (na primjer, od volfram sulfida) i od DNK;
• materijali smrvljeni u prašinu, čija su zrna, na primjer, nakupine atoma metala. Srebro () sa jakim antibakterijskim svojstvima se široko koristi u ovom obliku;
• nanožice (na primjer, srebro ili bakar);
• elementi formirani elektronskom 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 taksonomiji nauka, koju je 2004. godine razvila Organizacija za ekonomsku saradnju i razvoj (OECD):

• nanomaterijali (proizvodnja i svojstva);
• nanoprocesi (nanorazmjerne primjene - biomaterijali pripadaju industrijskoj biotehnologiji).

3. Nanomaterijali su svi materijali koji sadrže pravilne strukture na molekularnom nivou, tj. ne prelazi 100 nanometara.

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

Nanomaterijali se mogu podijeliti u sljedeće četiri grupe:

• nul-dimenzionalni (tačkasti nanomaterijali) – na primjer, kvantne tačke, nanočestice srebra;
• jednodimenzionalni – na primjer, metalne ili poluvodičke nanožice, nanošipke, polimerna nanovlakna;
• dvodimenzionalni – 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 sa dimenzijama reda nanometara ili kompozita ojačanih nanočesticama.