Kasaysayan ng mga Imbensyon - Nanotechnology

Nasa mga 600 BC na. ang mga tao ay gumagawa ng mga istrukturang nanotype, ibig sabihin, mga hibla ng cementite sa bakal, na tinatawag na Wootz. Nangyari ito sa India, at ito ay maituturing na simula ng kasaysayan ng nanotechnology.

VI-XV s. Ang mga tina na ginamit sa panahong ito para sa pagpipinta ng mga stained-glass na bintana ay gumagamit ng gold chloride nanoparticle, chlorides ng iba pang mga metal, pati na rin ang mga metal oxide.

IX-XVII na siglo Sa maraming lugar sa Europa, ang mga "glitters" at iba pang mga sangkap ay ginawa upang magbigay ng ningning sa mga keramika at iba pang mga produkto. Naglalaman ang mga ito ng mga nanoparticle ng mga metal, kadalasang pilak o tanso.

XIII-xviii w. Ang "Damascus steel" na ginawa sa mga siglong ito, kung saan ginawa ang sikat na puting sandata sa mundo, ay naglalaman ng carbon nanotubes at cementite nanofibers.

1857 Natuklasan ni Michael Faraday ang kulay ruby ​​na colloidal na ginto, katangian ng mga nanoparticle ng ginto.

1931 Si Max Knoll at Ernst Ruska ay bumuo ng isang electron microscope sa Berlin, ang unang aparato upang makita ang istraktura ng mga nanoparticle sa atomic level. Kung mas malaki ang enerhiya ng mga electron, mas maikli ang kanilang wavelength at mas malaki ang resolution ng mikroskopyo. Ang sample ay nasa vacuum at kadalasang natatakpan ng metal film. Ang electron beam ay dumadaan sa test object at pumapasok sa mga detector. Batay sa mga sinusukat na signal, nililikha muli ng mga elektronikong device ang imahe ng sample ng pagsubok.

1936 Si Erwin Müller, nagtatrabaho sa Siemens Laboratories, ay nag-imbento ng field emission microscope, ang pinakasimpleng anyo ng isang emission electron microscope. Ang mikroskopyo na ito ay gumagamit ng isang malakas na electric field para sa field emission at imaging.

1950 Si Victor La Mer at Robert Dinegar ay lumikha ng mga teoretikal na pundasyon para sa pamamaraan ng pagkuha ng monodisperse colloidal na materyales. Pinapayagan nito ang paggawa ng mga espesyal na uri ng papel, pintura at manipis na mga pelikula sa isang pang-industriya na sukat.

1956 Si Arthur von Hippel ng Massachusetts Institute of Technology (MIT) ang lumikha ng terminong "molecular engineering".

1959 Si Richard Feynman ay nag-lecture sa "Maraming lugar sa ibaba." Simula sa pag-iisip kung ano ang kakailanganin upang magkasya ang isang 24-volume na Encyclopædia Britannica sa isang pinhead, ipinakilala niya ang konsepto ng miniaturization at ang posibilidad ng paggamit ng mga teknolohiya na maaaring gumana sa antas ng nanometer. Sa pagkakataong ito, nagtatag siya ng dalawang parangal (ang tinatawag na Feynman Prizes) para sa mga tagumpay sa lugar na ito - isang libong dolyar bawat isa.

1960 Nabigo si Feynman ng unang premyo na payout. Ipinapalagay niya na ang isang teknolohikal na pambihirang tagumpay ay kinakailangan upang makamit ang kanyang mga layunin, ngunit sa panahong iyon ay minamaliit niya ang potensyal ng microelectronics. Ang nagwagi ay ang 35-taong-gulang na inhinyero na si William H. McLellan. Gumawa siya ng motor na tumitimbang ng 250 micrograms, na may lakas na 1 mW.

1968 Sina Alfred Y. Cho at John Arthur ay bumuo ng paraan ng epitaxy. Pinapayagan nito ang pagbuo ng mga monoatomic layer sa ibabaw gamit ang teknolohiyang semiconductor - ang paglaki ng mga bagong single-crystal na layer sa isang umiiral na crystalline na substrate, na kino-duplicate ang istraktura ng umiiral na crystalline substrate na substrate. Ang isang pagkakaiba-iba ng epitaxy ay ang epitaxy ng mga molecular compound, na ginagawang posible na magdeposito ng mga kristal na layer na may kapal ng isang atomic na layer. Ang pamamaraang ito ay ginagamit sa paggawa ng mga quantum dots at tinatawag na thin layers.

1974 Panimula ng terminong "nanotechnology". Ito ay unang ginamit ng University of Tokyo researcher na si Norio Taniguchi sa isang scientific conference. Ang kahulugan ng Japanese physics ay nananatiling ginagamit hanggang sa araw na ito at parang ganito: "Ang nanotechnology ay isang produksyon gamit ang teknolohiya na nagbibigay-daan sa pagkamit ng napakataas na katumpakan at napakaliit na sukat, i.e. katumpakan ng pagkakasunud-sunod ng 1 nm.

Visualization ng isang quantum drop

80s at 90s Ang panahon ng mabilis na pag-unlad ng teknolohiyang lithographic at ang paggawa ng mga ultrathin na layer ng mga kristal. Ang una, MOCVD(), ay isang paraan para sa pagdedeposito ng mga layer sa ibabaw ng mga materyales gamit ang mga gaseous na organometallic compound. Ito ay isa sa mga epitaxial na pamamaraan, kaya ang alternatibong pangalan nito - MOSFE (). Ang pangalawang paraan, MBE, ay ginagawang posible na magdeposito ng napakanipis na mga layer ng nanometer na may tiyak na tinukoy na komposisyon ng kemikal at tumpak na pamamahagi ng profile ng konsentrasyon ng karumihan. Ito ay posible dahil sa ang katunayan na ang mga bahagi ng layer ay ibinibigay sa substrate sa pamamagitan ng hiwalay na mga molecular beam.

1981 Sina Gerd Binnig at Heinrich Rohrer ang lumikha ng scanning tunneling microscope. Gamit ang mga puwersa ng interatomic na pakikipag-ugnayan, pinapayagan ka nitong makakuha ng isang imahe ng ibabaw na may resolusyon ng pagkakasunud-sunod ng laki ng isang atom, sa pamamagitan ng pagpasa sa talim sa itaas o sa ibaba ng ibabaw ng sample. Noong 1989, ginamit ang aparato upang manipulahin ang mga indibidwal na atomo. Sina Binnig at Rohrer ay ginawaran ng 1986 Nobel Prize sa Physics.

1985 Natuklasan ni Louis Brus ng Bell Labs ang colloidal semiconductor nanocrystals (quantum dots). Ang mga ito ay tinukoy bilang isang maliit na lugar ng espasyo na nakatali sa tatlong dimensyon ng mga potensyal na hadlang kapag ang isang particle na may wavelength na maihahambing sa laki ng isang tuldok ay pumasok.

Pabalat ng aklat na Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology ni C. Eric Drexler

1985 Natuklasan nina Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto, at Richard Erret Smalley ang mga fullerenes, mga molekula na binubuo ng pantay na bilang ng mga carbon atoms (mula 28 hanggang 1500) na bumubuo ng saradong guwang na katawan. Ang mga kemikal na katangian ng fullerenes sa maraming aspeto ay katulad ng sa aromatic hydrocarbons. Ang Fullerene C60, o buckminsterfullerene, tulad ng ibang fullerenes, ay isang allotropic na anyo ng carbon.

1986-1992 Naglalathala si C. Eric Drexler ng dalawang mahahalagang libro sa futurology na nagpapasikat sa nanotechnology. Ang una, na inilabas noong 1986, ay tinatawag na Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Hinuhulaan niya, bukod sa iba pang mga bagay, na ang mga teknolohiya sa hinaharap ay magagawang manipulahin ang mga indibidwal na atomo sa isang kontroladong paraan. Noong 1992, inilathala niya ang Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, na hinulaan naman na ang mga nanomachines ay maaaring magparami ng kanilang mga sarili.

1989 Inilagay ni Donald M. Aigler ng IBM ang salitang "IBM" - ginawa mula sa 35 xenon atoms - sa ibabaw ng nikel.

1991 Natuklasan ni Sumio Iijima ng NEC sa Tsukuba, Japan, ang mga carbon nanotubes, mga guwang na cylindrical na istruktura. Sa ngayon, ang pinakakilalang carbon nanotubes, ang mga dingding nito ay gawa sa pinagsamang graphene. Mayroon ding mga non-carbon nanotubes at DNA nanotubes. Ang pinakamanipis na carbon nanotubes ay nasa pagkakasunud-sunod ng isang nanometer ang lapad at maaaring milyon-milyong beses na mas mahaba. Mayroon silang kahanga-hangang lakas ng makunat at kakaibang mga katangian ng kuryente, at mahusay na mga conductor ng init. Ang mga pag-aari na ito ay nagbibigay sa kanila ng mga promising na materyales para sa mga aplikasyon sa nanotechnology, electronics, optika, at agham ng mga materyales.

1993 Si Warren Robinett ng University of North Carolina at R. Stanley Williams ng UCLA ay gumagawa ng isang virtual reality system na naka-link sa isang scanning tunneling microscope na nagbibigay-daan sa user na makita at mahawakan ang mga atom.

1998 Ang koponan ng Cees Dekker sa Delft University of Technology sa Netherlands ay gumagawa ng isang transistor na gumagamit ng carbon nanotubes. Sa kasalukuyan, sinusubukan ng mga siyentipiko na gamitin ang mga natatanging katangian ng carbon nanotubes upang makabuo ng mas mahusay at mas mabilis na electronics na kumonsumo ng mas kaunting kuryente. Nalimitahan ito ng ilang salik, ang ilan sa mga ito ay unti-unting napagtagumpayan, na noong 2016 ay humantong sa mga mananaliksik sa University of Wisconsin-Madison na lumikha ng isang carbon transistor na may mas mahusay na mga parameter kaysa sa pinakamahusay na mga prototype ng silikon. Ang pananaliksik nina Michael Arnold at Padma Gopalan ay humantong sa pagbuo ng isang carbon nanotube transistor na maaaring magdala ng dalawang beses sa kasalukuyang ng silicon na katunggali nito.

2003 Pinapatent ng Samsung ang isang advanced na teknolohiya batay sa pagkilos ng mga microscopic silver ions upang patayin ang mga mikrobyo, amag at higit sa anim na raang uri ng bakterya at pigilan ang pagkalat ng mga ito. Ang mga particle ng pilak ay ipinakilala sa pinakamahalagang sistema ng pagsasala sa vacuum cleaner ng kumpanya - lahat ng mga filter at dust collector o bag.

2004 Inilathala ng British Royal Society at ng Royal Academy of Engineering ang ulat na "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", na humihiling ng pananaliksik sa mga potensyal na panganib ng nanotechnology para sa kalusugan, kapaligiran at lipunan, na isinasaalang-alang ang etikal at legal na mga aspeto.

Modelo ng nanomotor sa mga fullerene na gulong

2006 Si James Tour, kasama ang isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Rice University, ay gumagawa ng isang microscopic na "van" mula sa oligo (phenyleneethynylene) molecule, na ang mga axle ay gawa sa mga aluminum atoms, at ang mga gulong ay gawa sa C60 fullerenes. Ang nanovehicle ay lumipat sa ibabaw, na binubuo ng mga gintong atomo, sa ilalim ng impluwensya ng pagtaas ng temperatura, dahil sa pag-ikot ng fullerene na "mga gulong". Sa itaas ng temperatura na 300 ° C, bumilis ito nang labis na hindi na ito masusubaybayan ng mga chemist ...

2007 Ang mga nanotechnologist ng technion ay umaangkop sa buong "Lumang Tipan" ng mga Hudyo sa isang lugar na 0,5 mm lamang² ostiya ng silikon na may ginto. Ang teksto ay inukit sa pamamagitan ng pagdidirekta ng isang nakatutok na stream ng gallium ions papunta sa plato.

2009-2010 Gumagawa si Nadrian Seaman at mga kasamahan sa New York University ng isang serye ng mga nanomount na tulad ng DNA kung saan maaaring i-program ang mga sintetikong istruktura ng DNA upang "gumawa" ng iba pang mga istruktura na may gustong mga hugis at katangian.

2013 Gumagawa ang mga siyentipiko ng IBM ng isang animated na pelikula na mapapanood lamang pagkatapos ng pagpapalaki ng 100 milyong beses. Ito ay tinatawag na "The Boy and His Atom" at iginuhit gamit ang mga diatomic na tuldok sa isang bilyong bahagi ng isang metro ang laki, na mga solong molekula ng carbon monoxide. Ang cartoon ay naglalarawan ng isang batang lalaki na unang naglalaro ng bola at pagkatapos ay tumalon sa isang trampolin. Ang isa sa mga molekula ay gumaganap din ng papel ng isang bola. Ang lahat ng aksyon ay nagaganap sa ibabaw ng tanso, at ang laki ng bawat frame ng pelikula ay hindi lalampas sa ilang sampu ng nanometer.

2014 Ang mga siyentipiko mula sa ETH University of Technology sa Zurich ay nagtagumpay sa paglikha ng porous membrane na mas mababa sa isang nanometer ang kapal. Ang kapal ng materyal na nakuha sa pamamagitan ng nanotechnological manipulation ay 100 XNUMX. beses na mas maliit kaysa sa buhok ng tao. Ayon sa mga miyembro ng pangkat ng mga may-akda, ito ang pinakamanipis na buhaghag na materyal na maaaring makuha at sa pangkalahatan ay posible. Binubuo ito ng dalawang layer ng isang two-dimensional na istraktura ng graphene. Ang lamad ay natatagusan, ngunit sa mga maliliit na particle lamang, bumabagal o ganap na nakakakuha ng mas malalaking particle.

2015 Nililikha ang isang molecular pump, isang nanoscale device na naglilipat ng enerhiya mula sa isang molekula patungo sa isa pa, na ginagaya ang mga natural na proseso. Ang layout ay dinisenyo ng mga mananaliksik sa Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Ang mekanismo ay nakapagpapaalaala sa mga biological na proseso sa mga protina. Inaasahan na ang mga naturang teknolohiya ay makakahanap ng aplikasyon pangunahin sa mga larangan ng biotechnology at medisina, halimbawa, sa mga artipisyal na kalamnan.

2016 Ayon sa isang publikasyon sa siyentipikong journal Nature Nanotechnology, ang mga mananaliksik sa Dutch Technical University Delft ay nakabuo ng groundbreaking na single-atom storage media. Ang bagong paraan ay dapat magbigay ng higit sa limang daang beses na mas mataas na density ng imbakan kaysa sa anumang kasalukuyang ginagamit na teknolohiya. Napansin ng mga may-akda na ang mas mahusay na mga resulta ay maaaring makamit gamit ang isang three-dimensional na modelo ng lokasyon ng mga particle sa espasyo.

Pag-uuri ng mga nanotechnologies at nanomaterial

1. Kasama sa mga istrukturang nanotechnological ang:

• quantum wells, wires at tuldok, i.e. iba't ibang mga istraktura na pinagsama ang sumusunod na tampok - ang spatial na limitasyon ng mga particle sa isang tiyak na lugar sa pamamagitan ng mga potensyal na hadlang;
• mga plastik, ang istraktura na kung saan ay kinokontrol sa antas ng mga indibidwal na molekula, salamat sa kung saan posible, halimbawa, upang makakuha ng mga materyales na may hindi pa nagagawang mekanikal na mga katangian;
• artipisyal na mga hibla - mga materyales na may isang napaka-tumpak na istraktura ng molekular, na nakikilala din sa pamamagitan ng hindi pangkaraniwang mga mekanikal na katangian;
• nanotubes, mga supramolecular na istruktura sa anyo ng mga guwang na cylinder. Sa ngayon, ang pinakakilalang carbon nanotube, ang mga dingding nito ay gawa sa nakatiklop na graphene (monatomic graphite layers). Mayroon ding mga non-carbon nanotubes (halimbawa, mula sa tungsten sulfide) at mula sa DNA;
• mga materyales na durog sa anyo ng alikabok, ang mga butil na kung saan ay, halimbawa, mga akumulasyon ng mga atomo ng metal. Ang pilak () na may malakas na mga katangian ng antibacterial ay malawakang ginagamit sa form na ito;
• nanowires (halimbawa, pilak o tanso);
• mga elementong nabuo gamit ang electron lithography at iba pang pamamaraan ng nanolithography;
• fullerenes;
• graphene at iba pang dalawang-dimensional na materyales (borophene, graphene, hexagonal boron nitride, silicene, germanene, molibdenum sulfide);
• pinagsama-samang mga materyales na pinalakas ng nanoparticle.

Nanolitographic na ibabaw

2. Ang pag-uuri ng mga nanotechnologies sa systematics ng mga agham, na binuo noong 2004 ng Organization for Economic Cooperation and Development (OECD):

• nanomaterials (produksyon at mga katangian);
• nanoprocesses (nanoscale applications - biomaterials nabibilang sa pang-industriya biotechnology).

3. Ang mga nanomaterial ay lahat ng mga materyales kung saan mayroong mga regular na istruktura sa antas ng molekular, i.e. hindi hihigit sa 100 nanometer.

Ang limitasyong ito ay maaaring tumukoy sa laki ng mga domain bilang pangunahing yunit ng microstructure, o sa kapal ng mga layer na nakuha o idineposito sa substrate. Sa pagsasagawa, ang limitasyon sa ibaba na iniuugnay sa mga nanomaterial ay iba para sa mga materyales na may iba't ibang mga katangian ng pagganap - ito ay pangunahing nauugnay sa hitsura ng mga partikular na katangian kapag lumampas. Sa pamamagitan ng pagbawas sa laki ng mga nakaayos na istruktura ng mga materyales, posible na makabuluhang mapabuti ang kanilang physicochemical, mekanikal, at iba pang mga katangian.

Ang mga nanomaterial ay maaaring nahahati sa sumusunod na apat na grupo:

• zero-dimensional (dot nanomaterials) - halimbawa, quantum dots, silver nanoparticle;
• one-dimensional – halimbawa, metal o semiconductor nanowires, nanorods, polymeric nanofibers;
• dalawang-dimensional – halimbawa, mga layer ng nanometer ng isang single-phase o multi-phase na uri, graphene at iba pang mga materyales na may kapal ng isang atom;
• tatlong dimensyon (o nanocrystalline) - binubuo ng mga mala-kristal na domain at mga akumulasyon ng mga phase na may mga sukat ng pagkakasunud-sunod ng mga nanometer o mga composite na pinalakas ng mga nanoparticle.