Išradimų istorija – nanotechnologijos

Jau apie 600 m.pr.Kr. žmonės gamino nanotipų struktūras, t. y. cementito gijas iš plieno, vadinamų Wootz. Tai atsitiko Indijoje ir tai gali būti laikoma nanotechnologijų istorijos pradžia.

VI-XV p. Šiuo laikotarpiu vitražų dažymui naudojamuose dažuose naudojamos aukso chlorido nanodalelės, kitų metalų chloridai, taip pat metalų oksidai.

IX-XVII a Daug kur Europoje gaminami „blizgučiai“ ir kitos medžiagos, suteikiančios keramikai ir kitiems gaminiams blizgesio. Juose buvo metalų, dažniausiai sidabro arba vario, nanodalelių.

XIII-XVIII w. Šiuos šimtmečius gamintame „Damasko pliene“, iš kurio buvo gaminami visame pasaulyje žinomi baltieji ginklai, yra anglies nanovamzdelių ir cementito nanopluoštų.

1857 Michaelas Faradėjus atranda rubino spalvos koloidinį auksą, būdingą aukso nanodalelėms.

1931 Maxas Knollas ir Ernstas Ruska Berlyne pastato elektroninį mikroskopą – pirmąjį prietaisą, kuris matė nanodalelių struktūrą atominiu lygmeniu. Kuo didesnė elektronų energija, tuo trumpesnis jų bangos ilgis ir didesnė mikroskopo skiriamoji geba. Mėginys yra vakuume ir dažniausiai padengtas metaline plėvele. Elektronų pluoštas praeina per tiriamą objektą ir patenka į detektorius. Remiantis išmatuotais signalais, elektroniniai prietaisai atkuria tiriamojo pavyzdžio vaizdą.

1936 Erwinas Mülleris, dirbantis Siemens laboratorijoje, išrado lauko emisijos mikroskopą – paprasčiausią emisijos elektroninio mikroskopo formą. Šis mikroskopas naudoja stiprų elektrinį lauką lauko spinduliavimui ir vaizdavimui.

1950 Victoras La Meras ir Robertas Dinegaras sukuria teorinius monodispersinių koloidinių medžiagų gavimo technikos pagrindus. Tai leido pramoniniu mastu gaminti specialių rūšių popierių, dažus ir plonas plėveles.

1956 Arthuras von Hippelis iš Masačusetso technologijos instituto (MIT) sukūrė terminą „molekulinė inžinerija“.

1959 Richardas Feynmanas skaito paskaitas tema „Apačioje daug vietos“. Pradėjęs įsivaizduoti, ko prireiktų 24 tomų Encyclopædia Britannica sutalpinti ant smeigtuko galvutės, jis pristatė miniatiūrizavimo koncepciją ir galimybę panaudoti technologijas, kurios galėtų veikti nanometrų lygiu. Šia proga jis įsteigė du apdovanojimus (vadinamuosius Feynmano prizus) už pasiekimus šioje srityje – po tūkstantį dolerių.

1960 Pirmojo prizo išmokėjimas nuvylė Feynmaną. Jis manė, kad norint pasiekti savo tikslus reikės technologinio proveržio, tačiau tuo metu jis neįvertino mikroelektronikos galimybių. Nugalėtoju tapo 35 metų inžinierius Williamas H. McLellanas. Jis sukūrė 250 mikrogramų sveriantį variklį, kurio galia 1 mW.

1968 Alfredas Y. Cho ir Johnas Arthuras kuria epitaksijos metodą. Tai leidžia formuoti paviršinius monoatominius sluoksnius naudojant puslaidininkių technologiją – ant esamo kristalinio pagrindo išauginti naujus vienkristalinius sluoksnius, dubliuojant esamo kristalinio substrato substrato struktūrą. Epitaksijos variantas – tai molekulinių junginių epitaksija, leidžianti nusodinti vieno atominio sluoksnio storio kristalinius sluoksnius. Šis metodas naudojamas kvantinių taškų ir vadinamųjų plonųjų sluoksnių gamyboje.

1974 Sąvokos „nanotechnologija“ įvedimas. Pirmą kartą jį panaudojo Tokijo universiteto mokslininkas Norio Taniguchi mokslinėje konferencijoje. Japonų fizikos apibrėžimas išlieka naudojamas iki šiol ir skamba taip: „Nanotechnologija – tai gamyba naudojant technologijas, leidžiančias pasiekti labai didelį tikslumą ir itin mažus dydžius, t.y. 1 nm tikslumu.

Kvantinio kritimo vizualizacija

80–90 metų Sparčios litografijos technologijos raidos ir itin plonų kristalų sluoksnių gamybos laikotarpis. Pirmasis, MOCVD(), yra sluoksnių nusodinimo ant medžiagų paviršiaus metodas naudojant dujinius organometalinius junginius. Tai vienas iš epitaksinių metodų, todėl jo alternatyvus pavadinimas - MOSFE (). Antrasis metodas, MBE, leidžia nusodinti labai plonus nanometrinius sluoksnius su tiksliai apibrėžta chemine sudėtimi ir tiksliu priemaišų koncentracijos profilio pasiskirstymu. Tai įmanoma dėl to, kad sluoksnio komponentai į substratą tiekiami atskirais molekuliniais pluoštais.

1981 Gerd Binnig ir Heinrich Rohrer sukuria skenuojantį tunelinį mikroskopą. Naudojant tarpatominės sąveikos jėgas, jis leidžia gauti paviršiaus vaizdą, kurio skiriamoji geba yra vieno atomo dydžio, praleidžiant ašmenis virš arba žemiau mėginio paviršiaus. 1989 m. prietaisas buvo naudojamas manipuliuoti atskirais atomais. Binnig ir Rohrer buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija 1986 m.

1985 Louisas Brusas iš Bell Labs atrado koloidinius puslaidininkinius nanokristalus (kvantinius taškus). Jie apibrėžiami kaip mažas erdvės plotas, trimis matmenimis apribotas potencialių barjerų, kai patenka dalelė, kurios bangos ilgis panašus į taško dydį.

C. Erico Drexlerio knygos „Kūrybos varikliai: ateinanti nanotechnologijų era“ viršelis

1985 Robertas Floydas Curlas jaunesnysis, Haroldas Walteris Kroto ir Richardas Erretas Smalley atranda fullerenus – molekules, sudarytas iš lyginio skaičiaus anglies atomų (nuo 28 iki maždaug 1500), kurios sudaro uždarą tuščiavidurį kūną. Fullerenų cheminės savybės daugeliu atžvilgių yra panašios į aromatinių angliavandenilių savybes. Fullerenas C60 arba buckminsterfullerenas, kaip ir kiti fullerenai, yra alotropinė anglies forma.

1986-1992 C. Ericas Drexleris išleidžia dvi svarbias futurologijos knygas, kurios populiarina nanotechnologijas. Pirmasis, išleistas 1986 m., pavadintas „Kūrybos varikliai: ateinanti nanotechnologijų era“. Jis, be kita ko, prognozuoja, kad ateities technologijos galės kontroliuojamai manipuliuoti atskirais atomais. 1992 m. jis paskelbė „Nanosistemos: molekulinė įranga, gamyba ir skaičiavimo idėja“, kuri savo ruožtu numatė, kad nanomašinos gali daugintis pačios.

1989 Donaldas M. Aigleris iš IBM ant nikelio paviršiaus uždeda žodį „IBM“ – pagamintą iš 35 ksenono atomų.

1991 Sumio Iijima iš NEC Cukuboje, Japonijoje, atranda anglies nanovamzdelius, tuščiavidures cilindrines struktūras. Iki šiol geriausiai žinomi anglies nanovamzdeliai, kurių sienelės pagamintos iš valcuoto grafeno. Taip pat yra ne anglies nanovamzdelių ir DNR nanovamzdelių. Ploniausi anglies nanovamzdeliai yra vieno nanometro skersmens ir gali būti milijonus kartų ilgesni. Jie turi nepaprastą atsparumą tempimui ir unikalias elektrines savybes bei yra puikūs šilumos laidininkai. Šios savybės daro juos perspektyviomis medžiagomis nanotechnologijų, elektronikos, optikos ir medžiagų mokslo srityse.

1993 Warrenas Robinettas iš Šiaurės Karolinos universiteto ir R. Stanley Williamsas iš UCLA kuria virtualios realybės sistemą, susietą su skenuojančiu tuneliniu mikroskopu, leidžiančiu vartotojui matyti ir net liesti atomus.

1998 Delfto technologijos universiteto Nyderlanduose Cees Dekker komanda kuria tranzistorių, kuriame naudojami anglies nanovamzdeliai. Šiuo metu mokslininkai bando panaudoti unikalias anglies nanovamzdelių savybes, kad pagamintų geresnę ir greitesnę elektroniką, kuri sunaudoja mažiau elektros. Tai ribojo daugybė veiksnių, kai kurie iš jų buvo palaipsniui įveikti, todėl 2016 metais Viskonsino-Madisono universiteto mokslininkai sukūrė anglies tranzistorių, kurio parametrai geresni nei geriausi silicio prototipai. Michaelo Arnoldo ir Padmos Gopalan tyrimai paskatino sukurti anglies nanovamzdelio tranzistorių, galintį perduoti dvigubai didesnę srovę nei jo konkurentas iš silicio.

2003 „Samsung“ patentuoja pažangią technologiją, pagrįstą mikroskopinių sidabro jonų veikimu, kurie naikina mikrobus, pelėsius ir daugiau nei šešis šimtus rūšių bakterijų bei neleidžia jiems plisti. Sidabro dalelės buvo įtrauktos į svarbiausias įmonės filtravimo sistemas – visus filtrus ir dulkių rinktuvą arba maišelį.

2004 Didžiosios Britanijos karališkoji draugija ir Karališkoji inžinerijos akademija skelbia ataskaitą „Nanomokslas ir nanotechnologijos: galimybės ir neapibrėžtumas“, raginančią ištirti galimą nanotechnologijų riziką sveikatai, aplinkai ir visuomenei, atsižvelgiant į etinius ir teisinius aspektus.

Nanomotorinis modelis ant fullereno ratų

2006 Jamesas Touras kartu su Rice universiteto mokslininkų komanda iš oligo (feniletinileno) molekulės konstruoja mikroskopinį „furgoną“, kurio ašys – iš aliuminio atomų, o ratai – iš C60 fullerenų. Nanotransporto priemonė judėjo virš paviršiaus, sudaryto iš aukso atomų, veikiama temperatūros padidėjimo dėl fullereno „ratų“ sukimosi. Virš 300 ° C temperatūros jis taip įsibėgėjo, kad chemikai nebegalėjo jo atsekti ...

2007 Technion nanotechnologai sutalpina visą žydų „Senąjį Testamentą“ į vos 0,5 mm plotą² paauksuota silicio plokštelė. Tekstas buvo išgraviruotas nukreipiant sutelktą galio jonų srautą į plokštelę.

2009-2010 Nadrianas Seamanas su kolegomis iš Niujorko universiteto kuria seriją į DNR panašių nanomontų, kuriuose galima užprogramuoti sintetines DNR struktūras „gaminti“ kitas norimų formų ir savybių struktūras.

2013 IBM mokslininkai kuria animacinį filmą, kurį galima žiūrėti tik padidinus 100 milijonų kartų. Jis vadinamas „Berniuku ir jo atomu“ ir nupieštas vienos milijardosios metro dalies dviatominiais taškais, kurie yra pavienės anglies monoksido molekulės. Animaciniame filme vaizduojamas berniukas, kuris iš pradžių žaidžia su kamuoliu, o paskui šokinėja ant batuto. Viena iš molekulių taip pat atlieka rutulio vaidmenį. Visas veiksmas vyksta ant vario paviršiaus, o kiekvieno filmo kadro dydis neviršija kelių dešimčių nanometrų.

2014 Mokslininkams iš ETH technologijos universiteto Ciuriche pavyko sukurti porėtą membraną, mažesnės nei vieno nanometro storio. Nanotechnologiniu būdu gautos medžiagos storis yra 100 XNUMX. kartų mažesnis už žmogaus plauką. Anot autorių kolektyvo narių, tai pati ploniausia porėta medžiaga, kokią tik buvo galima gauti ir apskritai įmanoma. Jį sudaro du dvimatės grafeno struktūros sluoksniai. Membrana yra pralaidi, bet tik mažoms dalelėms, sulėtina arba visiškai sulaiko didesnes daleles.

2015 Kuriamas molekulinis siurblys – nanomastelio įrenginys, pernešantis energiją iš vienos molekulės į kitą, imituojantis natūralius procesus. Išdėstymą sukūrė Weinbergo šiaurės vakarų menų ir mokslų koledžo mokslininkai. Mechanizmas primena biologinius procesus baltymuose. Tikimasi, kad tokios technologijos bus pritaikytos daugiausia biotechnologijų ir medicinos srityse, pavyzdžiui, dirbtiniuose raumenyse.

2016 Remiantis publikacija moksliniame žurnale Nature Nanotechnology, Nyderlandų technikos universiteto Delfto mokslininkai sukūrė novatoriškas vieno atomo laikmenas. Naujasis metodas turėtų užtikrinti daugiau nei penkis šimtus kartų didesnį saugojimo tankį nei bet kuri šiuo metu naudojama technologija. Autoriai pastebi, kad dar geresnių rezultatų galima pasiekti naudojant trimatį dalelių išsidėstymo erdvėje modelį.

Nanotechnologijų ir nanomedžiagų klasifikacija

1. Nanotechnologinės struktūros apima:

• kvantiniai šuliniai, laidai ir taškai, t.y. įvairios struktūros, kurios apjungia tokią savybę – dalelių erdvinį ribojimą tam tikroje srityje per potencialius barjerus;
• plastikai, kurių struktūra kontroliuojama atskirų molekulių lygiu, todėl galima, pavyzdžiui, gauti medžiagas, turinčias precedento neturinčias mechanines savybes;
• dirbtiniai pluoštai – labai tikslios molekulinės struktūros medžiagos, taip pat išsiskiriančios neįprastomis mechaninėmis savybėmis;
• nanovamzdeliai, supramolekulinės struktūros tuščiavidurių cilindrų pavidalu. Iki šiol geriausiai žinomi anglies nanovamzdeliai, kurių sienelės pagamintos iš sulankstyto grafeno (monatominiai grafito sluoksniai). Taip pat yra ne anglies nanovamzdelių (pavyzdžiui, iš volframo sulfido) ir iš DNR;
• dulkių pavidalu susmulkintos medžiagos, kurių grūdeliai yra, pavyzdžiui, metalo atomų sankaupos. Šioje formoje plačiai naudojamas sidabras () su stipriomis antibakterinėmis savybėmis;
• nanolaidai (pavyzdžiui, sidabriniai arba variniai);
• elementai, suformuoti naudojant elektroninę litografiją ir kitus nanolitografijos metodus;
• fullerenai;
• grafenas ir kitos dvimatės medžiagos (borofenas, grafenas, šešiakampis boro nitridas, silicenas, germanenas, molibdeno sulfidas);
• kompozitinės medžiagos, sustiprintos nanodalelėmis.

Nanolitografinis paviršius

2. Ekonominio bendradarbiavimo ir plėtros organizacijos (EBPO) 2004 metais sukurta nanotechnologijų klasifikacija mokslų sistematikoje:

• nanomedžiagos (gamyba ir savybės);
• nanoprocesai (nano masto pritaikymai – biomedžiagos priklauso pramoninei biotechnologijai).

3. Nanomedžiagos – tai visos medžiagos, kuriose molekuliniame lygmenyje yra taisyklingos struktūros, t.y. ne didesnis kaip 100 nanometrų.

Ši riba gali būti susijusi su domenų, kaip pagrindinio mikrostruktūros vieneto, dydžiu arba gautų arba ant pagrindo nusodintų sluoksnių storiu. Praktikoje riba, žemiau kurios priskiriama nanomedžiagoms, skiriasi medžiagoms, turinčioms skirtingas eksploatacines savybes – ji daugiausia susijusi su specifinių savybių atsiradimu, kai viršijama. Sumažinus užsakytų medžiagų konstrukcijų dydį, galima žymiai pagerinti jų fizikines chemines, mechanines ir kitas savybes.

Nanomedžiagas galima suskirstyti į keturias grupes:

• nulinės dimensijos (taškinės nanomedžiagos) – pavyzdžiui, kvantiniai taškai, sidabro nanodalelės;
• vienmatis – pavyzdžiui, metaliniai arba puslaidininkiniai nanolaideliai, nanostypeliai, polimeriniai nanopluoštai;
• dvimatis – pavyzdžiui, vienfazių arba daugiafazių nanometrinių sluoksnių, grafeno ir kitų medžiagų, kurių storis vienas atomas;
• trimatis (arba nanokristalinis) – susideda iš kristalinių domenų ir nanometrų dydžio fazių sankaupų arba nanodalelėmis sustiprintų kompozitų.