Ιστορία Εφευρέσεων - Νανοτεχνολογία

Ήδη γύρω στο 600 π.Χ. οι άνθρωποι παρήγαγαν δομές νανοτύπων, δηλαδή κλώνους τσιμενίτη σε χάλυβα, που ονομάζονταν Wootz. Αυτό συνέβη στην Ινδία, και αυτό μπορεί να θεωρηθεί η αρχή της ιστορίας της νανοτεχνολογίας.

VI-XV σ. Οι βαφές που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου για τη βαφή βιτρώ χρησιμοποιούν νανοσωματίδια χλωριούχου χρυσού, χλωριούχα άλλα μέταλλα, καθώς και οξείδια μετάλλων.

IX-XVII αιώνες Σε πολλά μέρη στην Ευρώπη παράγονται «γκλίτερ» και άλλες ουσίες για να δώσουν λάμψη σε κεραμικά και άλλα προϊόντα. Περιείχαν νανοσωματίδια μετάλλων, πιο συχνά ασήμι ή χαλκό.

XIII-XVIII w. Ο «ατσάλι της Δαμασκού» που παρήχθη σε αυτούς τους αιώνες, από τον οποίο κατασκευάστηκαν τα παγκοσμίως διάσημα λευκά όπλα, περιέχει νανοσωλήνες άνθρακα και νανοΐνες τσιμενίτη.

1857 Ο Michael Faraday ανακαλύπτει κολλοειδές χρυσό χρώματος ρουμπινιού, χαρακτηριστικό των νανοσωματιδίων χρυσού.

1931 Ο Max Knoll και ο Ernst Ruska κατασκεύασαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στο Βερολίνο, την πρώτη συσκευή που είδε τη δομή των νανοσωματιδίων σε ατομικό επίπεδο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος τους και τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση του μικροσκοπίου. Το δείγμα βρίσκεται σε κενό και τις περισσότερες φορές καλύπτεται με μεταλλική μεμβράνη. Η δέσμη ηλεκτρονίων διέρχεται από το ελεγμένο αντικείμενο και εισέρχεται στους ανιχνευτές. Με βάση τα μετρούμενα σήματα, οι ηλεκτρονικές συσκευές αναδημιουργούν την εικόνα του δείγματος δοκιμής.

1936 Ο Erwin Müller, που εργάζεται στα εργαστήρια Siemens, εφευρίσκει το μικροσκόπιο εκπομπής πεδίου, την απλούστερη μορφή ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου εκπομπής. Αυτό το μικροσκόπιο χρησιμοποιεί ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο για εκπομπή πεδίου και απεικόνιση.

1950 Ο Victor La Mer και ο Robert Dinegar δημιουργούν τις θεωρητικές βάσεις για την τεχνική απόκτησης μονοδιασπαρμένων κολλοειδών υλικών. Αυτό επέτρεψε την παραγωγή ειδικών τύπων χαρτιού, χρωμάτων και λεπτών μεμβρανών σε βιομηχανική κλίμακα.

1956 Ο Άρθουρ φον Χίπελ του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) επινόησε τον όρο «μοριακή μηχανική».

1959 Ο Ρίτσαρντ Φάινμαν κάνει διαλέξεις με θέμα «Υπάρχει αρκετός χώρος στο κάτω μέρος». Ξεκινώντας με το να φαντάζεται τι θα χρειαζόταν για να χωρέσει μια 24-τόμων Encyclopædia Britannica σε μια κεφαλή καρφίτσας, εισήγαγε την έννοια της σμίκρυνσης και τη δυνατότητα χρήσης τεχνολογιών που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε επίπεδο νανομέτρων. Με την ευκαιρία αυτή, καθιέρωσε δύο βραβεία (τα λεγόμενα βραβεία Feynman) για επιτεύγματα στον τομέα αυτό - χίλια δολάρια το καθένα.

1960 Η πληρωμή του πρώτου βραβείου απογοήτευσε τον Φάινμαν. Υπέθεσε ότι θα απαιτούνταν μια τεχνολογική ανακάλυψη για να επιτύχει τους στόχους του, αλλά εκείνη την εποχή υποτίμησε τις δυνατότητες της μικροηλεκτρονικής. Νικητής ήταν ο 35χρονος μηχανικός William H. McLellan. Δημιούργησε έναν κινητήρα βάρους 250 μικρογραμμαρίων, ισχύος 1 mW.

1968 Ο Alfred Y. Cho και ο John Arthur αναπτύσσουν τη μέθοδο της επιταξίας. Επιτρέπει το σχηματισμό επιφανειακών μονοατομικών στρωμάτων χρησιμοποιώντας τεχνολογία ημιαγωγών - την ανάπτυξη νέων μονοκρυσταλλικών στρωμάτων σε ένα υπάρχον κρυσταλλικό υπόστρωμα, αντιγράφοντας τη δομή του υπάρχοντος κρυσταλλικού υποστρώματος. Μια παραλλαγή της επιταξίας είναι η επιταξία των μοριακών ενώσεων, η οποία καθιστά δυνατή την εναπόθεση κρυσταλλικών στρωμάτων με πάχος ενός ατομικού στρώματος. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στην παραγωγή κβαντικών κουκκίδων και των λεγόμενων λεπτών στρωμάτων.

1974 Εισαγωγή του όρου «νανοτεχνολογία». Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον ερευνητή του Πανεπιστημίου του Τόκιο, Norio Taniguchi, σε ένα επιστημονικό συνέδριο. Ο ορισμός της ιαπωνικής φυσικής παραμένει σε χρήση μέχρι σήμερα και ακούγεται ως εξής: «Η νανοτεχνολογία είναι μια παραγωγή που χρησιμοποιεί τεχνολογία που επιτρέπει την επίτευξη πολύ υψηλής ακρίβειας και εξαιρετικά μικρών μεγεθών, δηλ. ακρίβεια της τάξης του 1 nm.

Οπτικοποίηση μιας κβαντικής πτώσης

80 και 90 Η περίοδος της ραγδαίας ανάπτυξης της λιθογραφικής τεχνολογίας και της παραγωγής υπερλεπτών στρωμάτων κρυστάλλων. Η πρώτη, MOCVD(), είναι μια μέθοδος για την εναπόθεση στρωμάτων στην επιφάνεια των υλικών χρησιμοποιώντας αέριες οργανομεταλλικές ενώσεις. Αυτή είναι μια από τις επιταξιακές μεθόδους, εξ ου και η εναλλακτική της ονομασία - MOSFE (). Η δεύτερη μέθοδος, MBE, επιτρέπει την εναπόθεση πολύ λεπτών στρωμάτων νανομέτρων με επακριβώς καθορισμένη χημική σύνθεση και ακριβή κατανομή του προφίλ συγκέντρωσης ακαθαρσιών. Αυτό είναι δυνατό λόγω του γεγονότος ότι τα συστατικά του στρώματος τροφοδοτούνται στο υπόστρωμα με ξεχωριστές μοριακές δέσμες.

1981 Ο Gerd Binnig και ο Heinrich Rohrer δημιουργούν το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας. Χρησιμοποιώντας τις δυνάμεις των διατομικών αλληλεπιδράσεων, σας επιτρέπει να αποκτήσετε μια εικόνα της επιφάνειας με ανάλυση της τάξης του μεγέθους ενός μεμονωμένου ατόμου, περνώντας τη λεπίδα πάνω ή κάτω από την επιφάνεια του δείγματος. Το 1989, η συσκευή χρησιμοποιήθηκε για τον χειρισμό μεμονωμένων ατόμων. Ο Binnig και ο Rohrer τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1986.

1985 Ο Louis Brus των εργαστηρίων Bell ανακαλύπτει κολλοειδείς ημιαγωγούς νανοκρυστάλλους (κβαντικές κουκκίδες). Ορίζονται ως μια μικρή περιοχή χώρου που οριοθετείται σε τρεις διαστάσεις από πιθανά εμπόδια όταν εισέρχεται ένα σωματίδιο με μήκος κύματος συγκρίσιμο με το μέγεθος μιας κουκκίδας.

Εξώφυλλο του βιβλίου Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology του C. Eric Drexler

1985 Οι Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto και Richard Erret Smalley ανακαλύπτουν φουλερένια, μόρια που αποτελούνται από ζυγό αριθμό ατόμων άνθρακα (από 28 έως περίπου 1500) που σχηματίζουν ένα κλειστό κοίλο σώμα. Οι χημικές ιδιότητες των φουλερενίων είναι από πολλές απόψεις παρόμοιες με εκείνες των αρωματικών υδρογονανθράκων. Το Fullerene C60, ή buckminsterfullerene, όπως και άλλα φουλερένια, είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα.

1986-1992 Ο C. Eric Drexler δημοσιεύει δύο σημαντικά βιβλία για τη μελλοντολογία που εκλαϊκεύουν τη νανοτεχνολογία. Το πρώτο, που κυκλοφόρησε το 1986, ονομάζεται Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Προβλέπει, μεταξύ άλλων, ότι οι μελλοντικές τεχνολογίες θα είναι σε θέση να χειρίζονται μεμονωμένα άτομα με ελεγχόμενο τρόπο. Το 1992, δημοσίευσε το Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, το οποίο με τη σειρά του προέβλεψε ότι οι νανομηχανές θα μπορούσαν να αναπαραχθούν.

1989 Ο Donald M. Aigler της IBM τοποθετεί τη λέξη "IBM" - κατασκευασμένη από 35 άτομα ξένον - σε μια επιφάνεια νικελίου.

1991 Ο Sumio Iijima της NEC στην Tsukuba της Ιαπωνίας, ανακαλύπτει νανοσωλήνες άνθρακα, κοίλες κυλινδρικές δομές. Μέχρι σήμερα, οι πιο γνωστοί νανοσωλήνες άνθρακα, τα τοιχώματα των οποίων είναι κατασκευασμένα από ρολό γραφένιο. Υπάρχουν επίσης νανοσωλήνες χωρίς άνθρακα και νανοσωλήνες DNA. Οι λεπτότεροι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν διάμετρο της τάξης του ενός νανομέτρου και μπορεί να είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτεροι. Έχουν αξιοσημείωτη αντοχή σε εφελκυσμό και μοναδικές ηλεκτρικές ιδιότητες και είναι εξαιρετικοί αγωγοί της θερμότητας. Αυτές οι ιδιότητες τα καθιστούν πολλά υποσχόμενα υλικά για εφαρμογές στη νανοτεχνολογία, την ηλεκτρονική, την οπτική και την επιστήμη των υλικών.

1993 Ο Warren Robinett από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας και ο R. Stanley Williams από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες κατασκευάζουν ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας που συνδέεται με ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας που επιτρέπει στον χρήστη να βλέπει και ακόμη και να αγγίζει τα άτομα.

1998 Η ομάδα του Cees Dekker στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία κατασκευάζει ένα τρανζίστορ που χρησιμοποιεί νανοσωλήνες άνθρακα. Επί του παρόντος, οι επιστήμονες προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τις μοναδικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα για να παράγουν καλύτερα και ταχύτερα ηλεκτρονικά που καταναλώνουν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό περιορίστηκε από διάφορους παράγοντες, ορισμένοι από τους οποίους ξεπεράστηκαν σταδιακά, οι οποίοι το 2016 οδήγησαν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison να δημιουργήσουν ένα τρανζίστορ άνθρακα με καλύτερες παραμέτρους από τα καλύτερα πρωτότυπα πυριτίου. Έρευνα από τον Michael Arnold και την Padma Gopalan οδήγησε στην ανάπτυξη ενός τρανζίστορ νανοσωλήνων άνθρακα που μπορεί να μεταφέρει διπλάσιο ρεύμα από τον ανταγωνιστή του από πυρίτιο.

2003 Η Samsung κατοχυρώνει μια προηγμένη τεχνολογία που βασίζεται στη δράση μικροσκοπικών ιόντων αργύρου, τα οποία καταστρέφουν μικρόβια, μούχλα και περισσότερους από εξακόσιους τύπους βακτηρίων και εμποδίζουν την εξάπλωσή τους. Τα σωματίδια αργύρου έχουν εισαχθεί στα πιο σημαντικά συστήματα φιλτραρίσματος της εταιρείας - όλα τα φίλτρα και ο συλλέκτης σκόνης ή η σακούλα.

2004 Η Βρετανική Βασιλική Εταιρεία και η Βασιλική Ακαδημία Μηχανικής δημοσιεύουν την έκθεση «Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties», καλώντας για έρευνα σχετικά με τους πιθανούς κινδύνους της νανοτεχνολογίας για την υγεία, το περιβάλλον και την κοινωνία, λαμβάνοντας υπόψη ηθικές και νομικές πτυχές.

Μοντέλο νανοκινητήρα σε τροχούς φουλερενίου

2006 Ο James Tour, μαζί με μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Rice, κατασκευάζει ένα μικροσκοπικό «βαν» από ένα μόριο ολίγο (φαινυλενοαιθυνυλένιο), οι άξονες του οποίου είναι κατασκευασμένοι από άτομα αλουμινίου και οι τροχοί από φουλερένια C60. Το νανοόχημα κινήθηκε πάνω από την επιφάνεια, αποτελούμενο από άτομα χρυσού, υπό την επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας, λόγω της περιστροφής των «τροχών» φουλλερενίου. Πάνω από μια θερμοκρασία 300 ° C, επιταχύνθηκε τόσο πολύ που οι χημικοί δεν μπορούσαν πλέον να το παρακολουθήσουν ...

2007 Οι νανοτεχνολόγοι Technion προσαρμόζουν ολόκληρη την Εβραϊκή «Παλαιά Διαθήκη» σε μια περιοχή μόλις 0,5 mm² επίχρυση γκοφρέτα σιλικόνης. Το κείμενο χαράχθηκε κατευθύνοντας ένα εστιασμένο ρεύμα ιόντων γαλλίου πάνω στην πλάκα.

2009-2010 Ο Nadrian Seaman και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης δημιουργούν μια σειρά από νανομονάδες που μοιάζουν με DNA στις οποίες μπορούν να προγραμματιστούν συνθετικές δομές DNA για να «παράγουν» άλλες δομές με επιθυμητά σχήματα και ιδιότητες.

2013 Οι επιστήμονες της IBM δημιουργούν μια ταινία κινουμένων σχεδίων που μπορεί να προβληθεί μόνο αφού μεγεθυνθεί 100 εκατομμύρια φορές. Ονομάζεται "The Boy and His Atom" και σχεδιάζεται με διατομικές κουκκίδες μεγέθους ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου, οι οποίες είναι μεμονωμένα μόρια μονοξειδίου του άνθρακα. Η γελοιογραφία απεικονίζει ένα αγόρι που πρώτα παίζει με μια μπάλα και μετά πηδά σε ένα τραμπολίνο. Ένα από τα μόρια παίζει επίσης το ρόλο μιας μπάλας. Όλη η δράση λαμβάνει χώρα σε μια χάλκινη επιφάνεια και το μέγεθος κάθε πλαισίου φιλμ δεν υπερβαίνει τις πολλές δεκάδες νανόμετρα.

2014 Επιστήμονες από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο ETH στη Ζυρίχη κατάφεραν να δημιουργήσουν μια πορώδη μεμβράνη πάχους μικρότερου του ενός νανόμετρο. Το πάχος του υλικού που λαμβάνεται μέσω νανοτεχνολογικού χειρισμού είναι 100 XNUMX. φορές μικρότερο από αυτό μιας ανθρώπινης τρίχας. Σύμφωνα με τα μέλη της ομάδας των συγγραφέων, αυτό είναι το λεπτότερο πορώδες υλικό που θα μπορούσε να ληφθεί και είναι γενικά δυνατό. Αποτελείται από δύο στρώματα δισδιάστατης δομής γραφενίου. Η μεμβράνη είναι διαπερατή, αλλά μόνο σε μικρά σωματίδια, επιβραδύνοντας ή παγιδεύοντας εντελώς μεγαλύτερα σωματίδια.

2015 Δημιουργείται μια μοριακή αντλία, μια συσκευή νανοκλίμακας που μεταφέρει ενέργεια από το ένα μόριο στο άλλο, μιμούμενος φυσικές διεργασίες. Η διάταξη σχεδιάστηκε από ερευνητές στο Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Ο μηχανισμός θυμίζει βιολογικές διεργασίες στις πρωτεΐνες. Αναμένεται ότι τέτοιες τεχνολογίες θα βρουν εφαρμογή κυρίως στους τομείς της βιοτεχνολογίας και της ιατρικής, για παράδειγμα, στους τεχνητούς μύες.

2016 Σύμφωνα με δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Nature Nanotechnology, ερευνητές στο Ολλανδικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο Ντελφτ ανέπτυξαν πρωτοποριακά μέσα αποθήκευσης ενός ατόμου. Η νέα μέθοδος θα πρέπει να παρέχει περισσότερο από πεντακόσιες φορές μεγαλύτερη πυκνότητα αποθήκευσης από οποιαδήποτε τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα. Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι ακόμη καλύτερα αποτελέσματα μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας ένα τρισδιάστατο μοντέλο της θέσης των σωματιδίων στο διάστημα.

Ταξινόμηση νανοτεχνολογιών και νανοϋλικών

1. Οι νανοτεχνολογικές δομές περιλαμβάνουν:

• κβαντικά πηγάδια, σύρματα και τελείες, δηλ. διάφορες δομές που συνδυάζουν το ακόλουθο χαρακτηριστικό - τον χωρικό περιορισμό των σωματιδίων σε μια συγκεκριμένη περιοχή μέσω πιθανών φραγμών.
• πλαστικά, η δομή των οποίων ελέγχεται σε επίπεδο μεμονωμένων μορίων, χάρη στα οποία είναι δυνατόν, για παράδειγμα, να ληφθούν υλικά με άνευ προηγουμένου μηχανικές ιδιότητες.
• τεχνητές ίνες - υλικά με πολύ ακριβή μοριακή δομή, που διακρίνονται επίσης από ασυνήθιστες μηχανικές ιδιότητες.
• νανοσωλήνες, υπερμοριακές δομές σε μορφή κοίλων κυλίνδρων. Μέχρι σήμερα, οι πιο γνωστοί νανοσωλήνες άνθρακα, τα τοιχώματα των οποίων είναι κατασκευασμένα από διπλωμένο γραφένιο (μονατομικά στρώματα γραφίτη). Υπάρχουν επίσης νανοσωλήνες χωρίς άνθρακα (για παράδειγμα, από θειούχο βολφράμιο) και από DNA.
• υλικά θρυμματισμένα με τη μορφή σκόνης, οι κόκκοι της οποίας είναι, για παράδειγμα, συσσωρεύσεις ατόμων μετάλλου. Το ασήμι () με ισχυρές αντιβακτηριακές ιδιότητες χρησιμοποιείται ευρέως σε αυτή τη μορφή.
• νανοσύρματα (για παράδειγμα, ασήμι ή χαλκός).
• στοιχεία που σχηματίζονται με χρήση ηλεκτρονικής λιθογραφίας και άλλων μεθόδων νανολιθογραφίας.
• φουλερένια?
• γραφένιο και άλλα δισδιάστατα υλικά (βοροφαίνιο, γραφένιο, εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου, πυριτικό, γερμανένιο, θειούχο μολυβδαίνιο).
• σύνθετα υλικά ενισχυμένα με νανοσωματίδια.

Νανολιθογραφική επιφάνεια

2. Η ταξινόμηση των νανοτεχνολογιών στη συστηματική των επιστημών, που αναπτύχθηκε το 2004 από τον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ):

• νανοϋλικά (παραγωγή και ιδιότητες)·
• νανοδιεργασίες (εφαρμογές νανοκλίμακας – τα βιοϋλικά ανήκουν στη βιομηχανική βιοτεχνολογία).

3. Νανοϋλικά είναι όλα τα υλικά στα οποία υπάρχουν κανονικές δομές σε μοριακό επίπεδο, δηλ. που δεν υπερβαίνει τα 100 νανόμετρα.

Αυτό το όριο μπορεί να αναφέρεται στο μέγεθος των περιοχών ως βασική μονάδα μικροδομής ή στο πάχος των στρωμάτων που λαμβάνονται ή εναποτίθενται στο υπόστρωμα. Στην πράξη, το όριο κάτω από το οποίο αποδίδεται στα νανοϋλικά είναι διαφορετικό για υλικά με διαφορετικές ιδιότητες απόδοσης - σχετίζεται κυρίως με την εμφάνιση συγκεκριμένων ιδιοτήτων όταν ξεπερνιέται. Με τη μείωση του μεγέθους των διατεταγμένων δομών των υλικών, είναι δυνατό να βελτιωθούν σημαντικά οι φυσικοχημικές, μηχανικές και άλλες ιδιότητές τους.

Τα νανοϋλικά μπορούν να χωριστούν στις ακόλουθες τέσσερις ομάδες:

• μηδενικών διαστάσεων (νανοϋλικά κουκκίδων) - για παράδειγμα, κβαντικές κουκκίδες, νανοσωματίδια αργύρου.
• μονοδιάστατη – για παράδειγμα, μεταλλικά ή ημιαγωγικά νανοσύρματα, νανοράβδοι, πολυμερείς νανοΐνες.
• δισδιάστατη – για παράδειγμα, στρώματα νανομέτρων μονοφασικού ή πολυφασικού τύπου, γραφένιο και άλλα υλικά με πάχος ενός ατόμου·
• τρισδιάστατη (ή νανοκρυσταλλικό) - αποτελούνται από κρυσταλλικές περιοχές και συσσωρεύσεις φάσεων με μεγέθη της τάξης των νανομέτρων ή σύνθετα υλικά ενισχυμένα με νανοσωματίδια.