Istoria invențiilor - Nanotehnologie

Deja în jurul anului 600 î.Hr. oamenii produceau structuri nanotip, adică fire de cimentită din oțel, numite Wootz. Acest lucru s-a întâmplat în India și acesta poate fi considerat începutul istoriei nanotehnologiei.

VI-XV s. Coloranții folosiți în această perioadă pentru pictarea vitraliilor folosesc nanoparticule de clorură de aur, cloruri ale altor metale, precum și oxizi de metal.

secolele IX-XVII În multe locuri din Europa, „sclipici” și alte substanțe sunt produse pentru a da strălucire ceramicii și altor produse. Conțineau nanoparticule de metale, cel mai adesea argint sau cupru.

XIII-xviii w. „Oțelul de Damasc” produs în aceste secole, din care au fost fabricate armele albe celebre în lume, conține nanotuburi de carbon și nanofibre de cimentită.

1857 Michael Faraday descoperă aurul coloidal de culoare rubin, caracteristic nanoparticulelor de aur.

1931 Max Knoll și Ernst Ruska construiesc un microscop electronic la Berlin, primul dispozitiv care a văzut structura nanoparticulelor la nivel atomic. Cu cât energia electronilor este mai mare, cu atât lungimea de undă a acestora este mai mică și rezoluția microscopului este mai mare. Proba este în vid și cel mai adesea acoperită cu o peliculă metalică. Fasciculul de electroni trece prin obiectul testat și intră în detectoare. Pe baza semnalelor măsurate, dispozitivele electronice recreează imaginea probei de testat.

1936 Erwin Müller, care lucrează la Laboratoarele Siemens, inventează microscopul cu emisie de câmp, cea mai simplă formă de microscop electronic cu emisie. Acest microscop folosește un câmp electric puternic pentru emisia de câmp și imagistica.

1950 Victor La Mer și Robert Dinegar creează bazele teoretice ale tehnicii de obținere a materialelor coloidale monodisperse. Acest lucru a permis producerea unor tipuri speciale de hârtie, vopsele și folii subțiri la scară industrială.

1956 Arthur von Hippel de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) a inventat termenul de „inginerie moleculară”.

1959 Richard Feynman ține prelegeri despre „Există mult loc în partea de jos”. Începând prin a-și imagina ce ar fi nevoie pentru a încadra o Encyclopædia Britannica în 24 de volume pe un cap de ac, el a introdus conceptul de miniaturizare și posibilitatea de a folosi tehnologii care ar putea funcționa la nivel de nanometri. Cu această ocazie, a stabilit două premii (așa-numitele Premii Feynman) pentru realizări în acest domeniu - câte o mie de dolari.

1960 Primul premiu l-a dezamăgit pe Feynman. El a presupus că ar fi nevoie de o descoperire tehnologică pentru a-și atinge obiectivele, dar la acea vreme a subestimat potențialul microelectronicii. Câștigătorul a fost inginerul William H. McLellan, în vârstă de 35 de ani. A creat un motor cu o greutate de 250 de micrograme, cu o putere de 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho și John Arthur dezvoltă metoda epitaxiei. Permite formarea de straturi monoatomice de suprafață folosind tehnologia semiconductoare - creșterea de noi straturi monocristaline pe un substrat cristalin existent, duplicând structura substratului de substrat cristalin existent. O variație a epitaxiei este epitaxia compușilor moleculari, care face posibilă depunerea de straturi cristaline cu o grosime de un strat atomic. Această metodă este folosită la producerea de puncte cuantice și așa-numitele straturi subțiri.

1974 Introducerea termenului de „nanotehnologie”. A fost folosit pentru prima dată de cercetătorul de la Universitatea din Tokyo, Norio Taniguchi, la o conferință științifică. Definiția fizicii japoneze rămâne în uz până în zilele noastre și sună astfel: „Nanotehnologia este o producție care utilizează tehnologie care permite obținerea unei precizii foarte ridicate și dimensiuni extrem de mici, de exemplu. precizie de ordinul a 1 nm.

Vizualizarea unei căderi cuantice

Anii 80 și 90 Perioada de dezvoltare rapidă a tehnologiei litografice și producerea de straturi ultrasubțiri de cristale. Prima, MOCVD(), este o metodă de depunere a straturilor pe suprafața materialelor folosind compuși organometalici gazoși. Aceasta este una dintre metodele epitaxiale, de unde și numele alternativ - MOSFE (). A doua metodă, MBE, permite depunerea de straturi nanometrice foarte subțiri cu o compoziție chimică precis definită și o distribuție precisă a profilului de concentrație de impurități. Acest lucru este posibil datorită faptului că componentele stratului sunt furnizate substratului prin fascicule moleculare separate.

1981 Gerd Binnig și Heinrich Rohrer creează microscopul de scanare tunel. Folosind forțele interacțiunilor interatomice, vă permite să obțineți o imagine a suprafeței cu o rezoluție de ordinul mărimii unui singur atom, prin trecerea lamei deasupra sau sub suprafața probei. În 1989, dispozitivul a fost folosit pentru a manipula atomii individuali. Binnig și Rohrer au primit în 1986 Premiul Nobel pentru Fizică.

1985 Louis Brus de la Bell Labs descoperă nanocristale semiconductoare coloidale (puncte cuantice). Ele sunt definite ca o zonă mică a spațiului, limitată în trei dimensiuni de bariere potențiale, atunci când intră o particulă cu o lungime de undă comparabilă cu dimensiunea unui punct.

Coperta cărții Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto și Richard Erret Smalley descoperă fullerene, molecule formate dintr-un număr par de atomi de carbon (de la 28 la aproximativ 1500) care formează un corp gol închis. Proprietățile chimice ale fulerenelor sunt în multe privințe similare cu cele ale hidrocarburilor aromatice. Fullerene C60 sau buckminsterfulerene, ca și alte fullerene, este o formă alotropică de carbon.

1986-1992 C. Eric Drexler publică două cărți importante despre futurologie care popularizează nanotehnologia. Primul, lansat în 1986, se numește Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. El prezice, printre altele, că tehnologiile viitoare vor putea manipula atomii individuali într-o manieră controlată. În 1992, a publicat Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, care, la rândul său, a prezis că nanomașinile se pot reproduce singure.

1989 Donald M. Aigler de la IBM pune cuvântul „IBM” - format din 35 de atomi de xenon - pe o suprafață de nichel.

1991 Sumio Iijima de la NEC din Tsukuba, Japonia, descoperă nanotuburi de carbon, structuri cilindrice goale. Până în prezent, cele mai cunoscute nanotuburi de carbon, ai căror pereți sunt fabricați din grafen laminat. Există, de asemenea, nanotuburi non-carbon și nanotuburi ADN. Cele mai subțiri nanotuburi de carbon au un diametru de ordinul unui nanometru și pot fi de milioane de ori mai lungi. Au o rezistență remarcabilă la tracțiune și proprietăți electrice unice și sunt excelente conductoare de căldură. Aceste proprietăți le fac materiale promițătoare pentru aplicații în nanotehnologie, electronică, optică și știința materialelor.

1993 Warren Robinett de la Universitatea din Carolina de Nord și R. Stanley Williams de la UCLA construiesc un sistem de realitate virtuală legat de un microscop de scanare cu tunel care permite utilizatorului să vadă și chiar să atingă atomii.

1998 Echipa Cees Dekker de la Universitatea de Tehnologie Delft din Țările de Jos construiește un tranzistor care utilizează nanotuburi de carbon. În prezent, oamenii de știință încearcă să folosească proprietățile unice ale nanotuburilor de carbon pentru a produce electronice mai bune și mai rapide, care consumă mai puțină energie electrică. Acest lucru a fost limitat de o serie de factori, dintre care unii au fost depășiți treptat, ceea ce i-a determinat în 2016 pe cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison să creeze un tranzistor de carbon cu parametri mai buni decât cele mai bune prototipuri de siliciu. Cercetările lui Michael Arnold și Padma Gopalan au condus la dezvoltarea unui tranzistor cu nanotuburi de carbon care poate transporta de două ori curentul concurentului său de siliciu.

2003 Samsung brevetează o tehnologie avansată bazată pe acțiunea ionilor microscopici de argint, care distrug germenii, mucegaiul și peste șase sute de tipuri de bacterii și împiedică răspândirea acestora. Particulele de argint au fost introduse în cele mai importante sisteme de filtrare ale companiei - toate filtrele și colectorul de praf sau punga.

2004 Societatea Regală Britanică și Academia Regală de Inginerie publică raportul „Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties”, solicitând cercetarea riscurilor potențiale ale nanotehnologiei pentru sănătate, mediu și societate, ținând cont de aspectele etice și legale.

Model nanomotor pe roți fullerene

2006 James Tour, împreună cu o echipă de oameni de știință de la Universitatea Rice, construiește o „dubă” microscopică din molecula de oligo (fenilenetinilen), ale cărei axe sunt făcute din atomi de aluminiu, iar roțile sunt din fulerene C60. Nanovehiculul s-a deplasat pe suprafață, format din atomi de aur, sub influența creșterii temperaturii, datorită rotației „roților” fullerene. Peste o temperatură de 300 ° C, a accelerat atât de mult încât chimiștii nu l-au mai putut urmări...

2007 Nanotehnologii Technion potrivesc întregul „Vechiul Testament” evreiesc într-o zonă de doar 0,5 mm² napolitană de siliciu placată cu aur. Textul a fost gravat prin direcționarea unui flux concentrat de ioni de galiu pe placă.

2009-2010 Nadrian Seaman și colegii de la Universitatea din New York creează o serie de nanomounts asemănătoare ADN-ului în care structurile ADN sintetice pot fi programate pentru a „produce” alte structuri cu formele și proprietățile dorite.

2013 Oamenii de știință IBM creează un film de animație care poate fi vizionat doar după ce a fost mărit de 100 de milioane de ori. Se numește „Băiatul și atomul lui” și este desenat cu puncte biatomice de o miliardime dintr-un metru, care sunt molecule simple de monoxid de carbon. Desenul animat infatiseaza un baiat care mai intai se joaca cu o minge si apoi sare pe o trambulina. Una dintre molecule joacă și rolul unei mingi. Toată acțiunea are loc pe o suprafață de cupru, iar dimensiunea fiecărui cadru de film nu depășește câteva zeci de nanometri.

2014 Oamenii de știință de la Universitatea de Tehnologie ETH din Zurich au reușit să creeze o membrană poroasă mai mică de un nanometru grosime. Grosimea materialului obținut prin manipulare nanotehnologică este de 100 XNUMX. ori mai mic decât cel al unui păr uman. Potrivit membrilor echipei de autori, acesta este cel mai subțire material poros care ar putea fi obținut și este în general posibil. Este format din două straturi dintr-o structură bidimensională de grafen. Membrana este permeabilă, dar numai la particule mici, încetinind sau captând complet particulele mai mari.

2015 Se creează o pompă moleculară, un dispozitiv la scară nanometrică care transferă energie de la o moleculă la alta, mimând procesele naturale. Aspectul a fost conceput de cercetătorii de la Colegiul de Arte și Științe Weinberg Northwestern. Mecanismul amintește de procesele biologice din proteine. Este de așteptat ca astfel de tehnologii să găsească aplicații în principal în domeniile biotehnologiei și medicinei, de exemplu, în mușchii artificiali.

2016 Potrivit unei publicații din revista științifică Nature Nanotechnology, cercetătorii de la Universitatea Tehnică Olandeză Delft au dezvoltat medii de stocare inovatoare cu un singur atom. Noua metodă ar trebui să ofere o densitate de stocare de peste cinci sute de ori mai mare decât orice tehnologie utilizată în prezent. Autorii notează că pot fi obținute rezultate și mai bune folosind un model tridimensional al locației particulelor în spațiu.

Clasificarea nanotehnologiilor și a nanomaterialelor

1. Structurile nanotehnologice includ:

• puțuri cuantice, fire și puncte, i.e. diverse structuri care combină următoarea caracteristică - limitarea spațială a particulelor într-o anumită zonă prin potențiale bariere;
• materiale plastice, a căror structură este controlată la nivelul moleculelor individuale, datorită cărora este posibil, de exemplu, să se obțină materiale cu proprietăți mecanice fără precedent;
• fibre artificiale - materiale cu o structură moleculară foarte precisă, care se disting și prin proprietăți mecanice neobișnuite;
• nanotuburi, structuri supramoleculare sub formă de cilindri goale. Până în prezent, cele mai cunoscute nanotuburi de carbon, ai căror pereți sunt făcuți din grafen pliat (straturi de grafit monotomic). Există și nanotuburi fără carbon (de exemplu, din sulfură de wolfram) și din ADN;
• materiale zdrobite sub formă de praf, ale căror boabe sunt, de exemplu, acumulări de atomi de metal. Argintul () cu proprietăți antibacteriene puternice este utilizat pe scară largă în această formă;
• nanofire (de exemplu, argint sau cupru);
• elemente formate folosind litografie electronică și alte metode de nanolitografie;
• fulerene;
• grafen și alte materiale bidimensionale (borofen, grafen, nitrură de bor hexagonală, silicen, germanen, sulfură de molibden);
• materiale compozite armate cu nanoparticule.

Suprafață nanolitografică

2. Clasificarea nanotehnologiilor în sistematica științelor, elaborată în 2004 de Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (OCDE):

• nanomateriale (producție și proprietăți);
• nanoprocese (aplicații la scară nano – biomaterialele aparțin biotehnologiei industriale).

3. Nanomaterialele sunt toate materialele în care există structuri regulate la nivel molecular, adică. nu depășește 100 de nanometri.

Această limită se poate referi la dimensiunea domeniilor ca unitate de bază a microstructurii, sau la grosimea straturilor obținute sau depuse pe substrat. În practică, limita sub care este atribuită nanomaterialelor este diferită pentru materialele cu proprietăți de performanță diferite - este asociată în principal cu apariția unor proprietăți specifice atunci când sunt depășite. Prin reducerea dimensiunii structurilor ordonate ale materialelor, este posibilă îmbunătățirea semnificativă a proprietăților lor fizico-chimice, mecanice și de altă natură.

Nanomaterialele pot fi împărțite în următoarele patru grupe:

• zero-dimensională (nanomateriale cu puncte) - de exemplu, puncte cuantice, nanoparticule de argint;
• unidimensional – de exemplu, nanofire metalice sau semiconductoare, nanofibre, nanofibre polimerice;
• bidimensionale – de exemplu, straturi nanometrice de tip monofazic sau multifazic, grafen și alte materiale cu grosimea unui atom;
• tridimensional (sau nanocristalin) - constau din domenii cristaline și acumulări de faze cu dimensiuni de ordinul nanometrilor sau compozite armate cu nanoparticule.