История на изобретенията - нанотехнологии

Още около 600 г. пр.н.е. хората произвеждаха нанотипни структури, т.е. цементитни нишки от стомана, наречени Wootz. Това се случи в Индия и това може да се счита за началото на историята на нанотехнологиите.

VI-XV стр. Боите, използвани през този период за боядисване на витражи, използват наночастици от златен хлорид, хлориди на други метали, както и метални оксиди.

IX-XVII век На много места в Европа се произвеждат "блестки" и други вещества, които да придават блясък на керамика и други продукти. Те съдържаха наночастици от метали, най-често сребро или мед.

XIII-Xviii w. „Дамаската стомана”, произведена през тези векове, от която са направени световноизвестните бели оръжия, съдържа въглеродни нанотръби и циментитни нановлакна.

1857 Майкъл Фарадей открива колоидно злато с цвят на рубин, характерно за златните наночастици.

1931 Макс Нол и Ернст Руска изграждат електронен микроскоп в Берлин, първото устройство, което вижда структурата на наночастиците на атомно ниво. Колкото по-голяма е енергията на електроните, толкова по-къса е тяхната дължина на вълната и по-голяма е разделителната способност на микроскопа. Пробата е във вакуум и най-често е покрита с метален филм. Електронният лъч преминава през изпитвания обект и влиза в детекторите. Въз основа на измерените сигнали електронните устройства пресъздават образа на тестовата проба.

1936 Ервин Мюлер, работещ в лабораториите на Siemens, изобретява полевия емисионен микроскоп, най-простата форма на емисионен електронен микроскоп. Този микроскоп използва силно електрическо поле за излъчване на полето и изображения.

1950 Виктор Ла Мер и Робърт Динегар създават теоретичните основи на техниката за получаване на монодисперсни колоидни материали. Това позволи производството на специални видове хартия, бои и тънки филми в индустриален мащаб.

1956 Артър фон Хипел от Масачузетския технологичен институт (MIT) измисли термина "молекулярно инженерство".

1959 Ричард Файнман изнася лекции на тема „Има много място на дъното“. Започвайки с представянето на това, което би било необходимо, за да се постави 24-томна енциклопедия Британика на щифтова глава, той представи концепцията за миниатюризация и възможността за използване на технологии, които могат да работят на нанометрово ниво. По този повод той учреди две награди (т.нар. Feynman Prizes) за постижения в тази област – по хиляда долара всяка.

1960 Изплащането на първата награда разочарова Файнман. Той предполагаше, че ще е необходим технологичен пробив за постигане на целите му, но по това време подценяваше потенциала на микроелектрониката. Победител стана 35-годишният инженер Уилям Х. Маклелан. Той създаде двигател с тегло 250 микрограма, с мощност 1 mW.

1968 Алфред Чо и Джон Артър разработват метода на епитаксията. Позволява образуването на повърхностни моноатомни слоеве с помощта на полупроводникова технология - растеж на нови монокристални слоеве върху съществуващ кристален субстрат, дублиращ структурата на съществуващия кристален субстрат субстрат. Разновидност на епитаксията е епитаксията на молекулярни съединения, която прави възможно отлагането на кристални слоеве с дебелина от един атомен слой. Този метод се използва при производството на квантови точки и така наречените тънки слоеве.

1974 Въвеждане на термина "нанотехнология". За първи път е използван от изследователя на Токийския университет Норио Танигучи на научна конференция. Определението на японската физика остава в употреба и до днес и звучи така: „Нанотехнологията е производство, използващо технология, която позволява постигане на много висока точност и изключително малки размери, т.е. точност от порядъка на 1 nm.

Визуализация на квантов капка

80-те и 90-те Периодът на бързо развитие на литографската технология и производството на ултратънки слоеве от кристали. Първият, MOCVD(), е метод за отлагане на слоеве върху повърхността на материали, използващи газообразни органометални съединения. Това е един от епитаксиалните методи, откъдето идва и алтернативното му име - MOSFE (). Вторият метод, MBE, прави възможно отлагането на много тънки нанометрови слоеве с точно определен химичен състав и точно разпределение на профила на концентрацията на примеси. Това е възможно поради факта, че компонентите на слоя се подават към субстрата чрез отделни молекулни лъчи.

1981 Герд Биниг и Хайнрих Рорер създават сканиращия тунелен микроскоп. Използвайки силите на междуатомните взаимодействия, той ви позволява да получите изображение на повърхността с разделителна способност от порядъка на размера на единичен атом, като преминете острието над или под повърхността на пробата. През 1989 г. устройството е използвано за манипулиране на отделни атоми. Биниг и Рорер са удостоени с Нобелова награда за физика през 1986 г.

1985 Луис Брус от Bell Labs открива колоидни полупроводникови нанокристали (квантови точки). Те се определят като малка площ от пространство, ограничена в три измерения от потенциални бариери, когато в нея влезе частица с дължина на вълната, сравнима с размера на точка.

Корица на книгата Двигатели на сътворението: Настъпващата ера на нанотехнологиите от К. Ерик Дрекслер

1985 Робърт Флойд Кърл-младши, Харолд Уолтър Крото и Ричард Ерет Смоли откриват фулерени, молекули, съставени от четен брой въглеродни атоми (от 28 до около 1500), които образуват затворено кухо тяло. Химичните свойства на фулерените в много отношения са подобни на тези на ароматните въглеводороди. Фулерен C60 или бакминстерфулерен, подобно на други фулерени, е алотропна форма на въглерод.

1986-1992 C. Ерик Дрекслер публикува две важни книги по футурология, които популяризират нанотехнологиите. Първият, издаден през 1986 г., се нарича Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Той прогнозира, наред с други неща, че бъдещите технологии ще могат да манипулират отделни атоми по контролиран начин. През 1992 г. той публикува Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, което от своя страна предсказва, че наномашините могат да се възпроизвеждат сами.

1989 Donald M. Aigler от IBM поставя думата "IBM" - направена от 35 ксенонови атома - върху никелова повърхност.

1991 Sumio Iijima от NEC в Цукуба, Япония, открива въглеродни нанотръби, кухи цилиндрични структури. Към днешна дата най-известните въглеродни нанотръби, чиито стени са направени от валцуван графен. Има и невъглеродни нанотръби и ДНК нанотръби. Най-тънките въглеродни нанотръби са от порядъка на един нанометър в диаметър и могат да бъдат милиони пъти по-дълги. Те имат забележителна якост на опън и уникални електрически свойства и са отлични проводници на топлина. Тези свойства ги правят обещаващи материали за приложения в нанотехнологиите, електрониката, оптиката и материалознанието.

1993 Уорън Робинет от Университета на Северна Каролина и Р. Стенли Уилямс от UCLA изграждат система за виртуална реалност, свързана със сканиращ тунелен микроскоп, който позволява на потребителя да вижда и дори да докосва атоми.

1998 Екипът на Cees Dekker от Технологичния университет в Делфт в Холандия изгражда транзистор, който използва въглеродни нанотръби. В момента учените се опитват да използват уникалните свойства на въглеродните нанотръби, за да произвеждат по-добра и по-бърза електроника, която консумира по-малко електроенергия. Това беше ограничено от редица фактори, някои от които постепенно бяха преодолени, което през 2016 г. накара изследователи от Университета на Уисконсин-Медисън да създадат въглероден транзистор с по-добри параметри от най-добрите силициеви прототипи. Изследванията на Майкъл Арнолд и Падма Гопалан доведоха до разработването на транзистор с въглеродни нанотръби, който може да носи два пъти по-голям ток от своя силициев конкурент.

2003 Samsung патентова усъвършенствана технология, базирана на действието на микроскопични сребърни йони, за да убие микроби, мухъл и повече от шестстотин вида бактерии и да предотврати разпространението им. Сребърните частици са въведени в най-важните системи за филтриране в прахосмукачката на компанията – всички филтри и прахоуловител или торба.

2004 Британското кралско общество и Кралската инженерна академия публикуват доклада „Нанонаука и нанотехнологии: възможности и несигурности“, призовавайки за изследване на потенциалните рискове от нанотехнологиите за здравето, околната среда и обществото, като се вземат предвид етичните и правни аспекти.

Модел наномотор на фулеренови колела

2006 Джеймс Тур, заедно с екип от учени от Университета Райс, конструира микроскопичен „ван“ от олиго (фениленеетиниленова) молекула, чиито оси са направени от алуминиеви атоми, а колелата са от C60 фулерени. Нанововозът се движеше над повърхността, състояща се от златни атоми, под влияние на повишаване на температурата, поради въртенето на фулеренови „колела“. Над температура от 300 ° C, той се ускори толкова много, че химиците вече не можеха да го проследят ...

2007 Нанотехнологи от Technion поставят целия еврейски „Стар завет“ в площ от само 0,5 mm² позлатена силиконова вафла. Текстът е гравиран чрез насочване на фокусиран поток от галиеви йони върху плочата.

2009-2010 Надриан Сийман и колеги от Нюйоркския университет създават серия от ДНК-подобни наномаунти, в които синтетичните ДНК структури могат да бъдат програмирани да „произвеждат“ други структури с желани форми и свойства.

2013 Учените от IBM създават анимационен филм, който може да се гледа само след като бъде увеличен 100 милиона пъти. Нарича се "Момчето и неговият атом" и е нарисувано с двуатомни точки с размер една милиардна от метъра, които са единични молекули въглероден оксид. Карикатурата изобразява момче, което първо играе с топка, а след това скача на батут. Една от молекулите също играе ролята на топка. Всички действия се извършват върху медна повърхност, а размерът на всяка филмова рамка не надвишава няколко десетки нанометра.

2014 Учени от Технологичния университет ETH в Цюрих успяха да създадат пореста мембрана с дебелина по-малка от един нанометър. Дебелината на материала, получен чрез нанотехнологична манипулация, е 100 XNUMX. пъти по-малък от този на човешки косъм. Според членовете на авторския екип това е най-тънкият порест материал, който може да се получи и като цяло е възможен. Състои се от два слоя двуизмерна графенова структура. Мембраната е пропусклива, но само за малки частици, като забавя или напълно улавя по-големите частици.

2015 Създава се молекулярна помпа, наномащабно устройство, което пренася енергия от една молекула на друга, имитирайки естествени процеси. Оформлението е проектирано от изследователи от Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Механизмът напомня биологичните процеси в протеините. Очаква се подобни технологии да намерят приложение главно в областта на биотехнологиите и медицината, например в изкуствените мускули.

2016 Според публикация в научното списание Nature Nanotechnology, изследователи от Холандския технически университет Делфт са разработили новаторски носители за съхранение с един атом. Новият метод трябва да осигури повече от петстотин пъти по-висока плътност на съхранение от която и да е използвана в момента технология. Авторите отбелязват, че дори по-добри резултати могат да бъдат постигнати с помощта на триизмерен модел на разположението на частиците в пространството.

Класификация на нанотехнологиите и наноматериалите

Нанотехнологичните структури включват:

квантови кладенци, проводници и точки, т.е. различни структури, които съчетават следната характеристика - пространственото ограничаване на частиците в определена област чрез потенциални бариери;
пластмаси, чиято структура се контролира на ниво отделни молекули, благодарение на което е възможно, например, да се получат материали с безпрецедентни механични свойства;
изкуствени влакна - материали с много прецизна молекулярна структура, също се отличават с необичайни механични свойства;
нанотръби, супрамолекулни структури под формата на кухи цилиндри. Към днешна дата най-известните въглеродни нанотръби, чиито стени са направени от сгънат графен (монатомни графитни слоеве). Има и невъглеродни нанотръби (например от волфрамов сулфид) и от ДНК;
материали, натрошени под формата на прах, чиито зърна са например натрупвания от метални атоми. Среброто () със силни антибактериални свойства се използва широко в тази форма;
нанопроводници (например сребърни или медни);
елементи, образувани с помощта на електронна литография и други методи на нанолитография;
фулерени;
графен и други двуизмерни материали (борофен, графен, хексагонален борен нитрид, силицен, германен, молибденов сулфид);
композитни материали, подсилени с наночастици.

Нанолитографска повърхност

Класификацията на нанотехнологиите в систематиката на науките, разработена през 2004 г. от Организацията за икономическо сътрудничество и развитие (OECD):

наноматериали (производство и свойства);
нанопроцеси (наномащабни приложения - биоматериалите спадат към индустриалната биотехнология).

Наноматериалите са всички материали, в които има правилни структури на молекулярно ниво, т.е. не повече от 100 нанометра.

Това ограничение може да се отнася до размера на домейните като основна единица на микроструктурата или до дебелината на слоевете, получени или отложени върху субстрата. На практика границата, под която се приписва на наноматериалите, е различна за материали с различни експлоатационни свойства - тя се свързва главно с появата на специфични свойства при надвишаване. Чрез намаляване на размера на подредените структури на материалите е възможно значително да се подобрят техните физикохимични, механични и други свойства.

Наноматериалите могат да бъдат разделени на следните четири групи:

нулево измерени (точкови наноматериали) - например квантови точки, сребърни наночастици;
едноизмерен – например метални или полупроводникови нанопроводници, нанопръчки, полимерни нановлакна;
двуизмерен – например нанометрови слоеве от еднофазен или многофазен тип, графен и други материали с дебелина един атом;
триизмерен (или нанокристални) - състоят се от кристални домени и натрупвания на фази с размери от порядъка на нанометри или композити, подсилени с наночастици.