Leiutiste ajalugu – nanotehnoloogia

Juba umbes 600 eKr. inimesed tootsid nanotüüpstruktuure, st terasest tsemendikiude, mida kutsuti Wootziks. See juhtus Indias ja seda võib pidada nanotehnoloogia ajaloo alguseks.

VI-XV s. Sel perioodil vitraažide värvimisel kasutatud värvainetes on kasutatud kuldkloriidi nanoosakesi, teiste metallide kloriide, aga ka metallioksiide.

IX-XVII sajand Mitmel pool Euroopas toodetakse keraamikale ja muudele toodetele sära andmiseks "glittereid" ja muid aineid. Need sisaldasid metallide nanoosakesi, enamasti hõbedat või vaske.

XIII-xviii w. Nendel sajanditel toodetud “Damaskuse teras”, millest valmistati maailmakuulsaid valgeid relvi, sisaldab süsiniknanotorusid ja tsemendinanokiude.

1857 Michael Faraday avastab rubiinivärvi kolloidkulla, mis on iseloomulik kulla nanoosakestele.

1931 Max Knoll ja Ernst Ruska ehitavad Berliinis elektronmikroskoobi, mis on esimene seade, mis näeb nanoosakeste struktuuri aatomitasandil. Mida suurem on elektronide energia, seda lühem on nende lainepikkus ja seda suurem on mikroskoobi eraldusvõime. Proov on vaakumis ja enamasti kaetud metallkilega. Elektronkiir läbib katseobjekti ja siseneb detektoritesse. Mõõdetud signaalide põhjal loovad elektroonikaseadmed uuesti uuritava proovi kujutise.

1936 Erwin Müller, kes töötab Siemensi laboris, leiutab väljaemissioonimikroskoobi, mis on emissioonielektronmikroskoobi kõige lihtsam vorm. See mikroskoop kasutab väljaemissiooniks ja pildistamiseks tugevat elektrivälja.

1950 Victor La Mer ja Robert Dinegar loovad teoreetilise aluse monodisperssete kolloidsete materjalide saamise tehnikale. See võimaldas tööstuslikus mastaabis toota eritüüpi paberit, värve ja õhukesi kilesid.

1956 Arthur von Hippel Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist (MIT) võttis kasutusele termini "molekulaartehnoloogia".

1959 Richard Feynman peab loenguid teemal "Alt on palju ruumi". Alustades kujutlemisest, mida oleks vaja 24-köitelise Encyclopædia Britannica nööpnõelapea külge mahutamiseks, tutvustas ta miniaturiseerimise kontseptsiooni ja võimalust kasutada nanomeetri tasemel toimivaid tehnoloogiaid. Sel puhul asutas ta selle valdkonna saavutuste eest kaks auhinda (nn Feynmani auhind) - igaüks tuhat dollarit.

1960 Esimese auhinna väljamakse valmistas Feynmanile pettumuse. Ta eeldas, et tema eesmärkide saavutamiseks on vaja tehnoloogilist läbimurret, kuid toona alahindas ta mikroelektroonika potentsiaali. Võitis 35-aastane insener William H. McLellan. Ta lõi 250 mikrogrammi kaaluva mootori võimsusega 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho ja John Arthur arendavad epitaksimeetodit. See võimaldab pooljuhttehnoloogia abil moodustada pinna üheaatomilisi kihte – olemasolevale kristallilisele substraadile uute ühekristallkihtide kasvatamist, dubleerides olemasoleva kristalse substraadi substraadi struktuuri. Epitaksia variatsioon on molekulaarsete ühendite epitaksia, mis võimaldab sadestuda ühe aatomikihi paksusega kristalseid kihte. Seda meetodit kasutatakse kvantpunktide ja nn õhukeste kihtide valmistamisel.

1974 Mõiste "nanotehnoloogia" kasutuselevõtt. Seda kasutas esmakordselt Tokyo ülikooli teadlane Norio Taniguchi teaduskonverentsil. Jaapani füüsika definitsioon on kasutusel tänaseni ja kõlab nii: „Nanotehnoloogia on tootmine, mis kasutab tehnoloogiat, mis võimaldab saavutada väga suurt täpsust ja üliväikesi mõõtmeid, s.o. täpsusega 1 nm.

Kvanttilga visualiseerimine

80ndad ja 90ndad Litograafiatehnoloogia ja üliõhukeste kristallikihtide tootmise kiire arengu periood. Esimene, MOCVD(), on meetod kihtide sadestamiseks materjalide pinnale, kasutades gaasilisi metallorgaanilisi ühendeid. See on üks epitaksiaalseid meetodeid, seega ka selle alternatiivne nimi - MOSFE (). Teine meetod, MBE, võimaldab ladestada väga õhukesi nanomeetrilisi kihte, millel on täpselt määratletud keemiline koostis ja täpne lisandite kontsentratsiooniprofiili jaotus. See on võimalik tänu sellele, et kihi komponendid tarnitakse substraadile eraldi molekulaarkiirte kaudu.

1981 Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer loovad skaneeriva tunnelmikroskoobi. Aatomitevaheliste interaktsioonide jõude kasutades võimaldab see saada ühe aatomi suurusjärgu eraldusvõimega pinna kujutise, viies tera proovi pinnast kõrgemale või alla. 1989. aastal kasutati seadet üksikute aatomitega manipuleerimiseks. Binnig ja Rohrer said 1986. aasta Nobeli füüsikaauhinna.

1985 Louis Brus ettevõttest Bell Labs avastab kolloidsed pooljuhtnanokristallid (kvantpunktid). Neid määratletakse kui väikest ruumi, mis on kolmemõõtmeliselt piiratud potentsiaalsete barjääridega, kui siseneb osake, mille lainepikkus on võrreldav punkti suurusega.

C. Eric Drexleri raamatu "Loomise mootorid: nanotehnoloogia tulevane ajastu" kaas

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto ja Richard Erret Smalley avastavad fullereenid, molekulid, mis koosnevad paarisarvust süsinikuaatomitest (28 kuni umbes 1500), mis moodustavad suletud õõnsa keha. Fullereenide keemilised omadused on paljuski sarnased aromaatsete süsivesinike omadega. Fullereen C60 ehk buckminsterfullereen, nagu ka teised fullereenid, on süsiniku allotroopne vorm.

1986-1992 C. Eric Drexler annab välja kaks olulist futuroloogiat käsitlevat raamatut, mis populariseerivad nanotehnoloogiat. Esimene, mis ilmus 1986. aastal, kannab nime "Loomise mootorid: Nanotehnoloogia tulev ajastu". Ta ennustab muu hulgas, et tulevikutehnoloogiad suudavad üksikute aatomitega kontrollitult manipuleerida. 1992. aastal avaldas ta teose Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing and the Computational Idea, mis omakorda ennustas, et nanomasinad võivad end taastoota.

1989 IBM-ist pärit Donald M. Aigler paneb niklipinnale sõna "IBM", mis on valmistatud 35 ksenooni aatomist.

1991 Sumio Iijima Jaapanis Tsukubas asuvast NEC-st avastas süsiniknanotorud, õõnsad silindrilised struktuurid. Seni tuntuimad süsinik-nanotorud, mille seinad on valmistatud valtsitud grafeenist. Samuti on olemas mittesüsinik-nanotorud ja DNA nanotorud. Kõige õhemad süsiniknanotorud on suurusjärgus ühe nanomeetri läbimõõduga ja võivad olla miljoneid kordi pikemad. Neil on märkimisväärne tõmbetugevus ja ainulaadsed elektrilised omadused ning need on suurepärased soojusjuhid. Need omadused muudavad need paljulubavateks materjalideks nanotehnoloogia, elektroonika, optika ja materjaliteaduse jaoks.

1993 Warren Robinett Põhja-Carolina ülikoolist ja R. Stanley Williams UCLA-st ehitavad virtuaalreaalsuse süsteemi, mis on ühendatud skaneeriva tunnelmikroskoobiga, mis võimaldab kasutajal aatomeid näha ja isegi puudutada.

1998 Hollandi Delfti Tehnikaülikooli Cees Dekkeri meeskond ehitab süsiniknanotorusid kasutavat transistori. Praegu püüavad teadlased kasutada süsiniknanotorude ainulaadseid omadusi parema ja kiirema elektroonika tootmiseks, mis tarbib vähem elektrit. Seda piirasid mitmed tegurid, millest osast suudeti järk-järgult üle saada, mis viis 2016. aastal Wisconsini-Madisoni ülikooli teadlasteni looma süsiniktransistori, mille parameetrid on paremad kui parimad räni prototüübid. Michael Arnoldi ja Padma Gopalani uuringud viisid süsinik-nanotoru transistori väljatöötamiseni, mis suudab kanda kaks korda suuremat voolu kui tema ränikonkurent.

2003 Samsung patenteerib kõrgtehnoloogia, mis põhineb mikroskoopiliste hõbeioonide toimel, et tappa mikroobe, hallitust ja enam kui kuussada tüüpi baktereid ning takistada nende levikut. Hõbedaosakesed on viidud ettevõtte tolmuimeja olulisematesse filtreerimissüsteemidesse - kõik filtrid ja tolmukoguja või kott.

2004 Briti Kuninglik Selts ja Kuninglik Tehnikaakadeemia avaldavad aruande "Nanoteadus ja nanotehnoloogia: võimalused ja ebakindlus", milles kutsutakse üles uurima nanotehnoloogia võimalikke riske tervisele, keskkonnale ja ühiskonnale, võttes arvesse eetilisi ja õiguslikke aspekte.

Nanomootoriga mudel fullereenratastel

2006 James Tour konstrueerib koos Rice'i ülikooli teadlaste meeskonnaga oligo (fenüleenetünüleen) molekulist mikroskoopilise "kaubiku", mille teljed on valmistatud alumiiniumi aatomitest, rattad aga C60 fullereenidest. Nanosõiduk liikus üle kullaaatomitest koosneva pinna temperatuuri tõusu mõjul fullereeni "rataste" pöörlemise tõttu. Temperatuuril üle 300 ° C kiirenes see nii palju, et keemikud ei suutnud seda enam jälgida ...

2007 Technion nanotehnoloogid mahutavad kogu juudi "Vana Testamendi" vaid 0,5 mm suurusele alale² kullatud räni vahvel. Tekst graveeriti, suunates plaadile fokuseeritud galliumioonide voo.

2009-2010 Nadrian Seaman ja kolleegid New Yorgi ülikoolist loovad rea DNA-laadseid nanokinnitusi, milles saab programmeerida sünteetilisi DNA struktuure, et "tootma" teisi soovitud kuju ja omadustega struktuure.

2013 IBM-i teadlased loovad animafilmi, mida saab vaadata alles pärast 100 miljonikordset suurendamist. Seda nimetatakse "Poiss ja tema aatom" ja see on joonistatud ühe miljardi meetri suuruste kaheaatomiliste täppidega, mis on üksikud süsinikmonooksiidi molekulid. Multikas kujutab poissi, kes esmalt mängib palliga ja seejärel hüppab batuudil. Üks molekulidest täidab ka palli rolli. Kogu tegevus toimub vaskpinnal ja iga filmikaadri suurus ei ületa mitukümmend nanomeetrit.

2014 Zürichi ETH Tehnikaülikooli teadlastel on õnnestunud luua vähem kui ühe nanomeetri paksune poorne membraan. Nanotehnoloogilise manipuleerimise teel saadud materjali paksus on 100 XNUMX. korda väiksem kui inimese juuksekarva oma. Autorite kollektiivi liikmete hinnangul on tegemist kõige õhema poorse materjaliga, mida saada võis ja on üldiselt võimalik. See koosneb kahest kahemõõtmelise grafeenistruktuuri kihist. Membraan on läbilaskev, kuid ainult väikestele osakestele, aeglustades või püüdes täielikult kinni suuremad osakesed.

2015 Loomisel on molekulaarpump, nanomõõtmeline seade, mis kannab energiat ühelt molekulilt teisele, imiteerides looduslikke protsesse. Paigutuse kujundasid Weinberg Northwesterni kunsti- ja teaduskolledži teadlased. Mehhanism sarnaneb valkudes toimuvate bioloogiliste protsessidega. Eeldatavasti leiavad sellised tehnoloogiad rakendust peamiselt biotehnoloogia ja meditsiini valdkondades, näiteks tehislihastes.

2016 Teadusajakirjas Nature Nanotechnology avaldatud väljaande kohaselt on Hollandi Delfti tehnikaülikooli teadlased välja töötanud murrangulised üheaatomilised andmekandjad. Uus meetod peaks andma rohkem kui viissada korda suurema salvestustiheduse kui mis tahes praegu kasutatav tehnoloogia. Autorid märgivad, et veelgi paremaid tulemusi on võimalik saavutada ruumis osakeste paiknemise kolmemõõtmelise mudeli abil.

Nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide klassifikatsioon

1. Nanotehnoloogilised struktuurid hõlmavad:

• kvantkaevud, juhtmed ja punktid, st. mitmesugused struktuurid, mis ühendavad endas järgmise omaduse – osakeste ruumiline piiramine teatud piirkonnas läbi potentsiaalsete barjääride;
• plastid, mille struktuuri kontrollitakse üksikute molekulide tasemel, tänu millele on võimalik saada näiteks enneolematute mehaaniliste omadustega materjale;
• tehiskiud - väga täpse molekulaarstruktuuriga materjalid, mida eristavad ka ebatavalised mehaanilised omadused;
• nanotorud, supramolekulaarsed struktuurid õõnsate silindrite kujul. Siiani tuntuimad süsinik-nanotorud, mille seinad on tehtud volditud grafeenist (monatoomilised grafiidikihid). On ka mittesüsinik-nanotorusid (näiteks volframsulfiidist) ja DNA-st;
• tolmu kujul purustatud materjalid, mille teradeks on näiteks metalliaatomite akumulatsioonid. Sellel kujul kasutatakse laialdaselt tugevate antibakteriaalsete omadustega hõbedat ();
• nanotraadid (näiteks hõbe või vask);
• elemendid, mis on moodustatud elektronlitograafia ja muude nanolitograafia meetodite abil;
• fullereenid;
• grafeen ja muud kahemõõtmelised materjalid (borofeen, grafeen, kuusnurkne boornitriid, siliceen, germaneen, molübdeensulfiid);
• nanoosakestega tugevdatud komposiitmaterjalid.

Nanolitograafiline pind

2. 2004. aastal Majanduskoostöö ja Arengu Organisatsiooni (OECD) poolt välja töötatud nanotehnoloogiate klassifikatsioon teaduste süstemaatikas:

• nanomaterjalid (tootmine ja omadused);
• nanoprotsessid (nanomastaabis rakendused – biomaterjalid kuuluvad tööstusliku biotehnoloogia alla).

3. Nanomaterjalid on kõik materjalid, milles on molekulaarsel tasemel korrapärased struktuurid, s.t. mitte üle 100 nanomeetri.

See piirang võib viidata domeenide suurusele kui mikrostruktuuri põhiühikule või saadud või substraadile sadestatud kihtide paksusele. Praktikas on nanomaterjalidele omistatav piirmäär erinev erinevate toimivusomadustega materjalide puhul – see on peamiselt seotud konkreetsete omaduste ilmnemisega ületamise korral. Materjalide järjestatud struktuuride mõõtmeid vähendades on võimalik oluliselt parandada nende füüsikalis-keemilisi, mehaanilisi ja muid omadusi.

Nanomaterjalid võib jagada järgmisse nelja rühma:

• nullmõõtmeline (täpp-nanomaterjalid) - näiteks kvantpunktid, hõbeda nanoosakesed;
• ühemõõtmeline – näiteks metallist või pooljuhtidest nanojuhtmed, nanovardad, polümeersed nanokiud;
• kahemõõtmeline – näiteks ühe- või mitmefaasilised nanomeetrikihid, grafeen ja muud materjalid, mille paksus on üks aatom;
• kolmemõõtmeline (või nanokristalliline) - koosnevad kristallilistest domeenidest ja faaside kogumitest, mille suurus on nanomeetrites, või nanoosakestega tugevdatud komposiitidest.