Sejarah Ciptaan - Nanoteknologi

Sudah sekitar 600 SM. orang ramai menghasilkan struktur nanotaip, iaitu helai simentit dalam keluli, dipanggil Wootz. Ini berlaku di India, dan ini boleh dianggap sebagai permulaan sejarah nanoteknologi.

VI-XV s. Pewarna yang digunakan dalam tempoh ini untuk mengecat tingkap kaca berwarna menggunakan nanopartikel klorida emas, klorida logam lain, serta oksida logam.

abad IX-XVII Di banyak tempat di Eropah, "glitters" dan bahan lain dihasilkan untuk memberi kilauan kepada seramik dan produk lain. Ia mengandungi nanozarah logam, selalunya perak atau tembaga.

XIII-xviii w. "Keluli Damaskus" yang dihasilkan pada abad-abad ini, dari mana senjata putih terkenal dunia dibuat, mengandungi nanotube karbon dan nanofiber simentit.

1857 Michael Faraday menemui emas koloid berwarna delima, ciri zarah nano emas.

1931 Max Knoll dan Ernst Ruska membina mikroskop elektron di Berlin, peranti pertama untuk melihat struktur nanozarah pada tahap atom. Semakin besar tenaga elektron, semakin pendek panjang gelombangnya dan semakin besar resolusi mikroskop. Sampel berada dalam vakum dan paling kerap ditutup dengan filem logam. Rasuk elektron melalui objek yang diuji dan memasuki pengesan. Berdasarkan isyarat yang diukur, peranti elektronik mencipta semula imej sampel ujian.

1936 Erwin Müller, bekerja di Makmal Siemens, mencipta mikroskop pelepasan medan, bentuk termudah bagi mikroskop elektron pelepasan. Mikroskop ini menggunakan medan elektrik yang kuat untuk pelepasan medan dan pengimejan.

1950 Victor La Mer dan Robert Dinegar mencipta asas teori untuk teknik mendapatkan bahan koloid monodisperse. Ini membolehkan pengeluaran jenis khas kertas, cat dan filem nipis pada skala perindustrian.

1956 Arthur von Hippel dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) mencipta istilah "kejuruteraan molekul".

1959 Richard Feynman bersyarah tentang "Terdapat banyak ruang di bahagian bawah." Bermula dengan membayangkan apa yang diperlukan untuk memuatkan Encyclopædia Britannica 24 jilid pada kepala jarum, beliau memperkenalkan konsep pengecilan dan kemungkinan menggunakan teknologi yang boleh berfungsi pada tahap nanometer. Pada kesempatan ini, beliau menubuhkan dua anugerah (yang dipanggil Hadiah Feynman) untuk pencapaian dalam bidang ini - seribu dolar setiap satu.

1960 Pembayaran hadiah pertama mengecewakan Feynman. Dia mengandaikan bahawa kejayaan teknologi diperlukan untuk mencapai matlamatnya, tetapi pada masa itu dia memandang rendah potensi mikroelektronik. Pemenangnya ialah jurutera William H. McLellan berusia 35 tahun. Dia mencipta motor seberat 250 mikrogram, dengan kuasa 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho dan John Arthur membangunkan kaedah epitaksi. Ia membenarkan pembentukan lapisan monoatomik permukaan menggunakan teknologi semikonduktor - pertumbuhan lapisan kristal tunggal baharu pada substrat kristal sedia ada, menduplikasi struktur substrat substrat kristal sedia ada. Variasi epitaksi ialah epitaksi sebatian molekul, yang memungkinkan untuk memendapkan lapisan kristal dengan ketebalan satu lapisan atom. Kaedah ini digunakan dalam penghasilan titik kuantum dan apa yang dipanggil lapisan nipis.

1974 Pengenalan istilah "teknologi nano". Ia pertama kali digunakan oleh penyelidik Universiti Tokyo Norio Taniguchi pada persidangan saintifik. Takrifan fizik Jepun kekal digunakan sehingga hari ini dan berbunyi seperti ini: “Teknologi nano ialah pengeluaran menggunakan teknologi yang membolehkan mencapai ketepatan yang sangat tinggi dan saiz yang sangat kecil, i.e. ketepatan susunan 1 nm.

Visualisasi penurunan kuantum

80an dan 90an Tempoh perkembangan pesat teknologi litografi dan penghasilan lapisan ultranipis kristal. Yang pertama, MOCVD(), ialah kaedah untuk memendapkan lapisan pada permukaan bahan menggunakan sebatian organologam gas. Ini adalah salah satu kaedah epitaxial, maka nama alternatifnya - MOSFE (). Kaedah kedua, MBE, membenarkan pemendapan lapisan nanometer yang sangat nipis dengan komposisi kimia yang ditakrifkan dengan tepat dan pengedaran tepat profil kepekatan kekotoran. Ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa komponen lapisan dibekalkan kepada substrat oleh rasuk molekul yang berasingan.

1981 Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer mencipta mikroskop terowong pengimbasan. Menggunakan daya interaksi antara atom, ia membolehkan anda mendapatkan imej permukaan dengan resolusi tertib saiz atom tunggal, dengan melepasi bilah di atas atau di bawah permukaan sampel. Pada tahun 1989, peranti ini digunakan untuk memanipulasi atom individu. Binnig dan Rohrer telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik 1986.

1985 Louis Brus dari Bell Labs menemui nanohablur semikonduktor koloid (titik kuantum). Mereka ditakrifkan sebagai kawasan kecil ruang yang dibatasi dalam tiga dimensi oleh halangan berpotensi apabila zarah dengan panjang gelombang yang setanding dengan saiz titik masuk.

Muka depan buku Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology oleh C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto, dan Richard Erret Smalley menemui fullerene, molekul yang terdiri daripada bilangan atom karbon genap (dari 28 hingga kira-kira 1500) yang membentuk badan berongga tertutup. Sifat kimia fullerene dalam banyak aspek serupa dengan hidrokarbon aromatik. Fullerene C60, atau buckminsterfullerene, seperti fullerene lain, ialah bentuk alotropik karbon.

1986-1992 C. Eric Drexler menerbitkan dua buku penting mengenai futurologi yang mempopularkan nanoteknologi. Yang pertama, dikeluarkan pada tahun 1986, dipanggil Enjin Penciptaan: Era Nanoteknologi Akan Datang. Beliau meramalkan, antara lain, bahawa teknologi masa depan akan dapat memanipulasi atom individu secara terkawal. Pada tahun 1992, beliau menerbitkan Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, yang seterusnya meramalkan bahawa nanomachine boleh membiak sendiri.

1989 Donald M. Aigler dari IBM meletakkan perkataan "IBM" - diperbuat daripada 35 atom xenon - pada permukaan nikel.

1991 Sumio Iijima dari NEC di Tsukuba, Jepun, menemui tiub nano karbon, struktur silinder berongga. Sehingga kini, tiub nano karbon yang paling terkenal, dindingnya diperbuat daripada graphene yang digulung. Terdapat juga tiub nano bukan karbon dan nanotiub DNA. Nanotube karbon paling nipis berada pada susunan diameter satu nanometer dan boleh berjuta-juta kali lebih lama. Mereka mempunyai kekuatan tegangan yang luar biasa dan sifat elektrik yang unik, dan merupakan pengalir haba yang sangat baik. Ciri-ciri ini menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk aplikasi dalam teknologi nano, elektronik, optik dan sains bahan.

1993 Warren Robinett dari University of North Carolina dan R. Stanley Williams dari UCLA sedang membina sistem realiti maya yang dipautkan kepada mikroskop terowong pengimbasan yang membolehkan pengguna melihat dan juga menyentuh atom.

1998 Pasukan Cees Dekker di Universiti Teknologi Delft di Belanda sedang membina transistor yang menggunakan tiub nano karbon. Pada masa ini, saintis cuba menggunakan sifat unik tiub nano karbon untuk menghasilkan elektronik yang lebih baik dan lebih pantas yang menggunakan kurang elektrik. Ini dihadkan oleh beberapa faktor, beberapa daripadanya telah diatasi secara beransur-ansur, yang pada tahun 2016 membawa penyelidik di University of Wisconsin-Madison untuk mencipta transistor karbon dengan parameter yang lebih baik daripada prototaip silikon terbaik. Penyelidikan oleh Michael Arnold dan Padma Gopalan membawa kepada pembangunan transistor tiub nano karbon yang boleh membawa dua kali ganda arus pesaing silikonnya.

2003 Samsung mematenkan teknologi canggih berdasarkan tindakan ion perak mikroskopik untuk membunuh kuman, acuan dan lebih daripada enam ratus jenis bakteria dan menghalang penyebarannya. Zarah perak telah dimasukkan ke dalam sistem penapisan terpenting syarikat - semua penapis dan pengumpul habuk atau beg.

2004 British Royal Society dan Akademi Kejuruteraan Diraja menerbitkan laporan "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", menyeru penyelidikan tentang potensi risiko nanoteknologi untuk kesihatan, alam sekitar dan masyarakat, dengan mengambil kira aspek etika dan undang-undang.

Model nanomotor pada roda fullerene

2006 James Tour, bersama-sama dengan pasukan saintis dari Rice University, membina "van" mikroskopik daripada molekul oligo (phenyleneethynylene), yang gandarnya diperbuat daripada atom aluminium, dan rodanya diperbuat daripada fullerene C60. Kenderaan nano bergerak di atas permukaan, yang terdiri daripada atom emas, di bawah pengaruh peningkatan suhu, disebabkan oleh putaran "roda" fullerene. Di atas suhu 300 ° C, ia dipercepatkan sehingga ahli kimia tidak dapat menjejakinya lagi ...

2007 Ahli nanoteknologi teknologi menyesuaikan keseluruhan "Perjanjian Lama" Yahudi ke dalam kawasan seluas 0,5 mm sahaja² wafer silikon bersalut emas. Teks itu diukir dengan mengarahkan aliran tertumpu ion galium ke atas pinggan.

2009-2010 Nadrian Seaman dan rakan sekerja di Universiti New York sedang mencipta satu siri nanomount seperti DNA di mana struktur DNA sintetik boleh diprogramkan untuk "menghasilkan" struktur lain dengan bentuk dan sifat yang diingini.

2013 Para saintis IBM sedang mencipta filem animasi yang hanya boleh ditonton selepas pembesaran 100 juta kali. Ia dipanggil "The Boy and His Atom" dan dilukis dengan titik diatomik bersaiz satu bilion meter, yang merupakan molekul tunggal karbon monoksida. Kartun itu menggambarkan seorang budak lelaki yang mula-mula bermain dengan bola dan kemudian melompat di atas trampolin. Salah satu molekul juga memainkan peranan sebagai bola. Semua tindakan berlaku pada permukaan tembaga, dan saiz setiap bingkai filem tidak melebihi beberapa puluh nanometer.

2014 Para saintis dari Universiti Teknologi ETH di Zurich telah berjaya mencipta membran berliang kurang daripada satu nanometer tebal. Ketebalan bahan yang diperoleh melalui manipulasi nanoteknologi ialah 100 XNUMX. kali lebih kecil daripada rambut manusia. Menurut ahli pasukan pengarang, ini adalah bahan berliang paling nipis yang boleh diperolehi dan secara amnya mungkin. Ia terdiri daripada dua lapisan struktur graphene dua dimensi. Membran adalah telap, tetapi hanya kepada zarah kecil, melambatkan atau memerangkap sepenuhnya zarah yang lebih besar.

2015 Pam molekul sedang dicipta, peranti skala nano yang memindahkan tenaga dari satu molekul ke molekul lain, meniru proses semula jadi. Susun atur itu direka oleh penyelidik di Kolej Seni dan Sains Weinberg Northwestern. Mekanisme ini mengingatkan proses biologi dalam protein. Dijangkakan bahawa teknologi sedemikian akan mendapat aplikasi terutamanya dalam bidang bioteknologi dan perubatan, contohnya, dalam otot buatan.

2016 Menurut penerbitan dalam jurnal saintifik Nature Nanotechnology, penyelidik di Dutch Technical University Delft telah membangunkan media penyimpanan atom tunggal yang terobosan. Kaedah baharu itu seharusnya memberikan lebih daripada lima ratus kali lebih kepadatan storan lebih tinggi daripada mana-mana teknologi yang digunakan sekarang. Penulis ambil perhatian bahawa keputusan yang lebih baik boleh dicapai menggunakan model tiga dimensi lokasi zarah di angkasa.

Klasifikasi nanoteknologi dan bahan nano

1. Struktur nanoteknologi termasuk:

• telaga kuantum, wayar dan titik, i.e. pelbagai struktur yang menggabungkan ciri berikut - had spatial zarah di kawasan tertentu melalui halangan berpotensi;
• plastik, struktur yang dikawal pada tahap molekul individu, berkat yang mungkin, sebagai contoh, untuk mendapatkan bahan dengan sifat mekanikal yang belum pernah terjadi sebelumnya;
• gentian tiruan - bahan dengan struktur molekul yang sangat tepat, juga dibezakan oleh sifat mekanikal yang luar biasa;
• tiub nano, struktur supramolekul dalam bentuk silinder berongga. Sehingga kini, nanotiub karbon yang paling terkenal, dindingnya diperbuat daripada graphene terlipat (lapisan grafit monatomik). Terdapat juga tiub nano bukan karbon (contohnya, daripada tungsten sulfida) dan daripada DNA;
• bahan yang dihancurkan dalam bentuk habuk, yang bijirinnya, sebagai contoh, pengumpulan atom logam. Perak () dengan sifat antibakteria yang kuat digunakan secara meluas dalam bentuk ini;
• wayar nano (contohnya, perak atau tembaga);
• unsur yang dibentuk menggunakan litografi elektron dan kaedah nanolitografi lain;
• fullerenes;
• graphene dan bahan dua dimensi lain (borofen, graphene, boron nitrida heksagon, silicene, germanene, molibdenum sulfida);
• bahan komposit diperkukuh dengan nanozarah.

Permukaan nanolitografi

2. Klasifikasi nanoteknologi dalam sistematik sains, dibangunkan pada tahun 2004 oleh Pertubuhan Kerjasama Ekonomi dan Pembangunan (OECD):

• bahan nano (pengeluaran dan sifat);
• nanoprocesses (aplikasi skala nano - biomaterial tergolong dalam bioteknologi industri).

3. Bahan nano ialah semua bahan yang terdapat struktur tetap pada tahap molekul, i.e. tidak melebihi 100 nanometer.

Had ini mungkin merujuk kepada saiz domain sebagai unit asas struktur mikro, atau kepada ketebalan lapisan yang diperoleh atau didepositkan pada substrat. Dalam amalan, had di bawah yang dikaitkan dengan bahan nano adalah berbeza untuk bahan dengan sifat prestasi yang berbeza - ia dikaitkan terutamanya dengan penampilan sifat tertentu apabila melebihi. Dengan mengurangkan saiz struktur bahan yang dipesan, adalah mungkin untuk meningkatkan sifat fizikokimia, mekanikal dan lain-lainnya dengan ketara.

Bahan nano boleh dibahagikan kepada empat kumpulan berikut:

• berdimensi sifar (bahan nano titik) - contohnya, titik kuantum, nanozarah perak;
• satu dimensi – contohnya, wayar nano logam atau semikonduktor, nanorod, gentian nano polimer;
• dua dimensi – contohnya, lapisan nanometer jenis fasa tunggal atau berbilang fasa, graphene dan bahan lain dengan ketebalan satu atom;
• tiga dimensi (atau nanohabluran) - terdiri daripada domain kristal dan pengumpulan fasa dengan saiz tertib nanometer atau komposit yang diperkukuh dengan zarah nano.