Історія винаходів – нанотехнології

Вже близько 600 р. до н. люди виробляли структури нанотипу, тобто цементні нитки в сталі, звані Wootz. Це сталося в Індії і це можна вважати початком історії нанотехнологій.

VI-XV ст. Барвники, застосовувані у період при фарбуванні вітражів, використовують наночастинки хлориду золота, хлориди інших металів, і навіть оксиди металів.

IX-XVII ст. У багатьох місцях Європи виробляють «блискітки» та інші речовини для надання блиску кераміки та інших виробів. Вони містили наночастинки металів, найчастіше срібла чи міді.

XIII-Xviii w. Вироблена в ці століття «дамаська сталь», з якої виготовлялася всесвітньо відома біла зброя, містить вуглецеві нанотрубки та цементні нановолокна.

1857 Майкл Фарадей виявляє колоїдне золото рубінового кольору, притаманного наночастинок золота.

1931 Макс Нолл та Ернст Руска будують у Берліні електронний мікроскоп – перший пристрій, що дозволяє побачити структуру наночастинок на атомному рівні. Чим більше енергія електронів, тим коротше їх довжина хвилі і тим більша здатність мікроскопа. Зразок знаходиться у вакуумі і найчастіше покритий металевою плівкою. Електронний пучок проходить по об'єкту, що тестується, і надходить на детектори. На основі виміряних сигналів електронні пристрої відтворюють зображення зразка.

1936 Ервін Мюллер, працюючи у лабораторіях Siemens, винаходить польовий емісійний мікроскоп – найпростішу форму емісійного електронного мікроскопа. У цьому мікроскопі для польової емісії та отримання зображення використовується сильне електричне поле.

1950 Віктор Ла Мер та Роберт Дінегар створюють теоретичні основи техніки отримання монодисперсних колоїдних матеріалів. Це дозволило виробляти у промислових масштабах спеціальні види паперу, фарб та тонких плівок.

1956 Артур фон Хіппель із Массачусетського технологічного інституту (MIT) запровадив термін «молекулярна інженерія».

1959 Річард Фейнман читає лекцію "На дні повно місця". Почавши з уявлення про те, що потрібно, щоб вмістити 24-томну «Британську енциклопедію» на шпильковій головці, він представив концепцію мініатюризації та можливості використання технологій, які могли б працювати на нанометровому рівні. З цієї нагоди він заснував дві премії (так звані премії Фейнмана) за досягнення у цій галузі – по тисячі доларів кожна.

1960 Виплата першого призу розчарувала Фейнмана. Він припускав, що з досягнення його цілей знадобиться технологічний прорив, проте тоді він недооцінював потенціал мікроелектроніки. Переможцем став 35-річний інженер Вільям Х. Маклеллан. Він створив двигун вагою 250 мкг, потужністю 1 мВт.

1968 Альфред Ю. Чо та Джон Артур розробляють метод епітаксії. Він дозволяє формувати поверхневі моноатомні шари за допомогою напівпровідникової техніки – вирощування нових монокристалічних шарів на існуючій кристалічній підкладці, що дублюють структуру існуючих кристалічних ґрат підкладки. Різновидом епітаксії є епітаксия молекулярних сполук, що дозволяє наносити кристалічні шари завтовшки один атомний шар. Цей метод використовується у виробництві квантових точок і так званих тонких шарів.

1974 Введення терміна "нанотехнологія". Вперше його використали дослідник Токійського університету Норіо Танігуті на науковій конференції. Визначення японської фізики залишається в ходу і досі звучить так: «Нанотехнологія – це виробництво з використанням технології, що дозволяє досягти дуже високої точності та гранично малих розмірів, тобто. точності близько 1 нм».

Візуалізація квантової краплі

80-і і 90-і роки Період бурхливого розвитку літографічної техніки та отримання надтонких шарів кристалів. Перший, MOCVD (), є метод осадження шарів на поверхні матеріалів з використанням газоподібних металоорганічних сполук. Це один з епітаксійних методів, звідси і його альтернативна назва - МОСФЕ. Другий метод, МЛЕ, дозволяє наносити дуже тонкі нанометрові шари з заданим хімічним складом і точним розподілом профілю концентрації домішки. Це можливо тому, що компоненти шару подаються на підкладку окремими молекулярними пучками.

1981 Герд Бінніг та Генріх Рорер створюють скануючий тунельний мікроскоп. Використовуючи сили міжатомних взаємодій, він дозволяє отримати зображення поверхні з роздільною здатністю порядку розмірів одного атома, проводячи лезом над або під поверхнею зразка. У 1989 році пристрій використовувався для маніпулювання окремими атомами. Бінніг та Рорер були удостоєні Нобелівської премії з фізики 1986 року.

1985 Луї Брус із Bell Labs відкриває колоїдні напівпровідникові нанокристали (квантові точки). Вони визначаються як невелика ділянка простору, обмежена у трьох вимірах потенційними бар'єрами, коли всередину потрапляє частка з довжиною хвилі, порівнянної з розміром точки.

Обкладинка книги К. Еріка Дрекслера «Двигуни творення: майбутня ера нанотехнологій»

1985 Роберт Флойд Керл-молодший, Гарольд Волтер Крото і Річард Еррет Смоллі відкривають фулерени, молекули, що складаються з парного числа атомів вуглецю (від 28 до приблизно 1500), що утворюють замкнене порожнє тіло. Хімічні властивості фулеренів багато в чому схожі на властивості ароматичних вуглеводнів. Фуллерен С60, або бакмінстерфуллерен, як і інші фулерени, є алотропною формою вуглецю.

1986-1992 Ерік Дрекслер видає дві важливі книги з футурології, що популяризують нанотехнології. Перший, випущений 1986 року, називається «Двигуни творення: майбутня епоха нанотехнологій». Він передбачає, серед іншого, що майбутні технології зможуть керувати окремими атомами контрольованим чином. У 1992 році він опублікував книгу "Наносистеми: молекулярне обладнання, виробництво та обчислювальна ідея", в якій, у свою чергу, передбачалося, що наномашини можуть відтворювати себе.

1989 Дональд М. Ейглер із IBM поміщає слово “IBM” – зроблено з 35 атомів ксенону на поверхні нікелю.

1991 Суміо Іізіма з NEC в Цукубі, Японія, відкриває вуглецеві нанотрубки - порожнисті циліндричні структури. На сьогоднішній день найбільш відомі вуглецеві нанотрубки, стінки яких виконані зі згорнутого графену. Існують також невуглецеві нанотрубки та нанотрубки з ДНК. Найтонші вуглецеві нанотрубки мають діаметр близько одного нанометра і можуть бути в мільйони разів довшими. Вони володіють чудовою міцністю на розтяг і унікальними електричними властивостями, а також є відмінними провідниками тепла. Ці властивості роблять їх перспективними матеріалами для застосування в нанотехнологіях, електроніці, оптиці та матеріалознавстві.

1993 Уоррен Робінетт з Університету Північної Кароліни та Р. Стенлі Вільямс з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі створюють систему віртуальної реальності, пов'язану зі скануючим тунельним мікроскопом, який дозволяє користувачеві бачити атоми і навіть торкатися їх.

1998 Команда Cees Dekker із Делфтського технологічного університету в Нідерландах створює транзистор, у якому використовуються вуглецеві нанотрубки. В даний час вчені намагаються використовувати унікальні властивості вуглецевих нанотрубок для більш якісної та швидкої електроніки, що споживає менше електроенергії. Це було обмежено рядом факторів, деякі з яких були поступово подолані, завдяки чому в 2016 році дослідники з Університету Вісконсін-Медісон створили вуглецевий транзистор з параметрами, кращими, ніж у кращих кремнієвих прототипів. Дослідження, проведені Майклом Арнольдом і Падмою Гопалан, призвели до розробки транзистора з вуглецевих нанотрубок, який може передавати струм вдвічі більше, ніж його кремнієвий конкурент.

2003 Samsung патентує передову технологію, засновану на дії мікроскопічних іонів срібла, що знищують мікроби, цвіль і більше шестисот видів бактерій і запобігають їх поширенню. Частинки срібла були введені в найважливіші системи фільтрації в пилососі компанії - всі фільтри та пилозбірник або мішок.

2004 Британське Королівське товариство та Королівська інженерна академія публікують звіт «Нанонаука та нанотехнології: можливості та невизначеності», що закликає до дослідження потенційних ризиків нанотехнологій для здоров'я, навколишнього середовища та суспільства з урахуванням етичних та правових аспектів.

Модель наномотора на фулеренових колесах

2006 Джеймс Тур разом із командою вчених з Університету Райса конструює мікроскопічний «фургон» з молекули оліго (феніленетинілену), осі якого складаються з атомів алюмінію, а колеса — з фулеренів С60. Нанотранспортний засіб переміщався поверхнею, що складається з атомів золота, під дією підвищення температури, завдяки обертанню фулеренових «колес». Вище температури 300 ° С він розганявся настільки, що хіміки вже не могли його відстежити.

2007 Нанотехнологи Техніону помістили весь єврейський Старий Завіт на площі всього 0,5 мм.² позолочена кремнієва пластина. Текст був вигравіюваний шляхом спрямування на пластину сфокусованого потоку іонів галію.

2009-2010 Надріан Сіман та його колеги з Нью-Йоркського університету створюють серію ДНК-подібних нано-маунтів, у яких синтетичні структури ДНК можуть бути запрограмовані для виробництва інших структур з бажаними формами і властивостями.

2013 Вчені IBM створюють анімаційний фільм, який можна буде подивитися лише після збільшення у 100 мільйонів разів. Він називається «Хлопчик і його атом» і намальований двоатомними точками розміром в одну мільярдну частину метра, які є одиночними молекулами чадного газу. У мультфільмі зображено хлопчика, який спочатку грає з м'ячем, а потім стрибає на батуті. Одна з молекул також грає роль кулі. Вся дія відбувається на мідній поверхні, а розмір кожного кадру плівки не перевищує кількох десятків нанометрів.

2014 Вченим із Технологічного університету ETH у Цюріху вдалося створити пористу мембрану завтовшки менше одного нанометра. Товщина матеріалу, отриманого за допомогою нанотехнологічних маніпуляцій становить 100 XNUMX. разів менше, ніж у людської волосини. На думку членів авторського колективу, це найтонший пористий матеріал, який можна було б отримати і взагалі можливо. Він складається із двох шарів двовимірної графенової структури. Мембрана проникна, але тільки для дрібних частинок, уповільнюючи або повністю затримуючи більші частинки.

2015 Створюється молекулярний насос — нанорозмірний пристрій, який передає енергію від однієї молекули на іншу, імітуючи природні процеси. Макет був розроблений дослідниками із Північно-Західного коледжу мистецтв та наук Вайнберга. Механізм нагадує біологічні процеси у білках. Очікується, що такі технології знайдуть застосування переважно в галузях біотехнології та медицини, наприклад, у штучних м'язах.

2016 Згідно з публікацією в науковому журналі Nature Nanotechnology, дослідники з Голландського технічного університету в Делфті розробили новаторські носії даних із записом одного атома. Новий метод повинен забезпечити більш ніж у п'ятсот разів більш високу щільність зберігання даних, ніж будь-яка технологія, що використовується в даний час. Автори відзначають, що за допомогою тривимірної моделі розташування частинок у просторі можна досягти ще кращих результатів.

Класифікація нанотехнологій та наноматеріалів

1. До нанотехнологічних структур відносяться:

• квантові ями, дроту та крапки, тобто. різні структури, що поєднують таку ознаку – просторове обмеження частинок у певній галузі через потенційні бар'єри;
• пластики, структура яких контролюється на рівні окремих молекул, завдяки чому, наприклад, можна отримувати матеріали з безпрецедентними механічними властивостями;
• штучні волокна - матеріали з дуже точною молекулярною структурою, що відрізняються також незвичайними механічними властивостями;
• нанотрубки, надмолекулярні структури як порожнистих циліндрів. На сьогоднішній день найбільш відомі вуглецеві нанотрубки, стінки яких виконані зі складчастого графену (шари одноатомного графіту). Існують також невуглецеві нанотрубки (наприклад, сульфіду вольфраму) і з ДНК;
• матеріали, подрібнені як пилу, зернами яких є, наприклад, скупчення атомів металу. Срібло () із сильними антибактеріальними властивостями широко використовується у цій формі;
• нанодроту (наприклад, срібло або мідь);
• елементи, сформовані за допомогою електронної літографії та інших методів нанолітографії;
• фулерени;
• графен та інші двовимірні матеріали (борофен, графен, гексагональний нітрид бору, силіцен, германен, сульфід молібдену);
• композитні матеріали, армовані наночастинками.

Нанолітографічна поверхня

2. Класифікація нанотехнологій у систематиці наук, розроблена у 2004 р. Організацією економічного співробітництва та розвитку (ОЕСР):

• наноматеріали (виробництво та властивості);
• нанопроцеси (нанорозмірні програми - біоматеріали відносяться до промислової біотехнології).

3. Наноматеріали – це матеріали, у яких присутні регулярні структури на молекулярному рівні, тобто. що не перевищують 100 нанометрів.

Ця межа може відноситися до розміру доменів як основної одиниці мікроструктури або товщини шарів, отриманих або нанесених на підкладку. Насправді межа, нижче якого відносять до наноматеріалів, різний для матеріалів із різними експлуатаційними властивостями – переважно він пов'язані з появою специфічних властивостей при перевищенні. За рахунок зменшення розмірів упорядкованих структур матеріалів можна значно покращити їх фізико-хімічні, механічні та інші властивості.

Наноматеріали можна розділити на чотири групи:

• нульмерний (точкові наноматеріали) – наприклад, квантові точки, наночастки срібла;
• одномірний – наприклад, металеві або напівпровідникові нанодроти, наностержні, полімерні нановолокна;
• двомірний – наприклад, нанометрові шари однофазного або багатофазного типу, графен та інші матеріали завтовшки один атом;
• тривимірний (або нанокристалічні) – складаються з кристалічних доменів та скупчень фаз з розмірами порядку нанометрів або композитів, армованих наночастинками.