História vynálezov - Nanotechnológia

Už okolo roku 600 pred Kr. ľudia vyrábali nanotypové štruktúry, t. j. cementitové vlákna v oceli, nazývané Wootz. Stalo sa to v Indii a možno to považovať za začiatok histórie nanotechnológie.

VI-XV s. Farbivá používané v tomto období na maľovanie vitráží využívajú nanočastice chloridu zlata, chloridy iných kovov, ako aj oxidy kovov.

IX-XVII v. Na mnohých miestach v Európe sa vyrábajú „glitre“ a iné látky, ktoré dodávajú lesk keramike a iným výrobkom. Obsahovali nanočastice kovov, najčastejšie striebra alebo medi.

XIII-xviii w. „Damašková oceľ“ vyrobená v týchto storočiach, z ktorej boli vyrobené svetoznáme biele zbrane, obsahuje uhlíkové nanorúrky a cementitové nanovlákna.

1857 Michael Faraday objavuje rubínovo sfarbené koloidné zlato, charakteristické pre zlaté nanočastice.

1931 Max Knoll a Ernst Ruska stavajú v Berlíne elektrónový mikroskop, prvé zariadenie, ktoré vidí štruktúru nanočastíc na atómovej úrovni. Čím väčšia je energia elektrónov, tým kratšia je ich vlnová dĺžka a tým väčšia je rozlišovacia schopnosť mikroskopu. Vzorka je vo vákuu a najčastejšie je pokrytá kovovým filmom. Elektrónový lúč prechádza cez testovaný objekt a vstupuje do detektorov. Na základe nameraných signálov elektronické zariadenia znovu vytvoria obraz testovanej vzorky.

1936 Erwin Müller, pracujúci v laboratóriách Siemens, vynašiel poľný emisný mikroskop, najjednoduchšiu formu emisného elektrónového mikroskopu. Tento mikroskop využíva silné elektrické pole na emisiu poľa a zobrazovanie.

1950 Victor La Mer a Robert Dinegar vytvárajú teoretické základy pre techniku ​​získavania monodisperzných koloidných materiálov. To umožnilo výrobu špeciálnych druhov papiera, farieb a tenkých filmov v priemyselnom meradle.

1956 Arthur von Hippel z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) vymyslel termín „molekulárne inžinierstvo“.

1959 Richard Feynman prednáša na tému „Dnu je veľa miesta“. Počnúc predstavou toho, čo by bolo potrebné na nasadenie 24-zväzkovej Encyclopædia Britannica na špendlíkovú hlavičku, predstavil koncept miniaturizácie a možnosť využitia technológií, ktoré by mohli fungovať na úrovni nanometrov. Pri tejto príležitosti založil dve ocenenia (tzv. Feynmanove ceny) za úspechy v tejto oblasti – po tisíc dolárov.

1960 Vyplatenie prvej ceny Feynmana sklamalo. Predpokladal, že na dosiahnutie jeho cieľov bude potrebný technologický prielom, ale v tom čase podcenil potenciál mikroelektroniky. Víťazom sa stal 35-ročný inžinier William H. McLellan. Vytvoril motor s hmotnosťou 250 mikrogramov s výkonom 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho a John Arthur vyvinuli metódu epitaxie. Umožňuje vytváranie povrchových monoatomických vrstiev pomocou polovodičovej technológie - rast nových monokryštálových vrstiev na existujúcom kryštalickom substráte, duplikujúcich štruktúru existujúceho substrátu kryštalického substrátu. Variáciou epitaxie je epitaxia molekulárnych zlúčenín, ktorá umožňuje nanášať kryštalické vrstvy s hrúbkou jednej atómovej vrstvy. Táto metóda sa používa pri výrobe kvantových bodov a takzvaných tenkých vrstiev.

1974 Zavedenie pojmu „nanotechnológia“. Prvýkrát ho použil výskumník z Tokijskej univerzity Norio Taniguchi na vedeckej konferencii. Definícia japonskej fyziky sa používa dodnes a znie takto: „Nanotechnológia je výroba využívajúca technológiu, ktorá umožňuje dosiahnuť veľmi vysokú presnosť a extrémne malé rozmery, t.j. presnosť rádovo 1 nm.

Vizualizácia kvantovej kvapky

80. a 90. roky Obdobie prudkého rozvoja litografickej technológie a výroby ultratenkých vrstiev kryštálov. Prvá, MOCVD(), je metóda na nanášanie vrstiev na povrch materiálov pomocou plynných organokovových zlúčenín. Toto je jedna z epitaxných metód, preto jej alternatívny názov - MOSFE (). Druhá metóda, MBE, umožňuje nanášať veľmi tenké nanometrové vrstvy s presne definovaným chemickým zložením a presným rozložením profilu koncentrácie nečistôt. To je možné vďaka skutočnosti, že zložky vrstvy sú dodávané do substrátu samostatnými molekulárnymi lúčmi.

1981 Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vytvárajú skenovací tunelový mikroskop. Pomocou síl medziatómových interakcií umožňuje získať obraz povrchu s rozlíšením rádovo veľkosti jedného atómu prechodom čepele nad alebo pod povrch vzorky. V roku 1989 bolo zariadenie použité na manipuláciu s jednotlivými atómami. Binnig a Rohrer získali v roku 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

1985 Louis Brus z Bell Labs objavuje koloidné polovodičové nanokryštály (kvantové bodky). Sú definované ako malá oblasť priestoru ohraničená v troch rozmeroch potenciálnymi bariérami pri vstupe častice s vlnovou dĺžkou porovnateľnou s veľkosťou bodu.

Obal knihy Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology od C. Erica Drexlera

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto a Richard Erret Smalley objavujú fullerény, molekuly zložené z párneho počtu atómov uhlíka (od 28 do asi 1500), ktoré tvoria uzavreté duté teleso. Chemické vlastnosti fullerénov sú v mnohých ohľadoch podobné vlastnostiam aromatických uhľovodíkov. Fullerén C60 alebo buckminsterfullerén, podobne ako iné fullerény, je alotropná forma uhlíka.

1986-1992 C. Eric Drexler vydáva dve dôležité knihy o futurológii, ktoré popularizujú nanotechnológie. Prvý, vydaný v roku 1986, sa volá Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnológie. Predpovedá okrem iného, ​​že budúce technológie budú schopné kontrolovane manipulovať s jednotlivými atómami. V roku 1992 publikoval Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, ktorý zase predpovedal, že nanostroje sa môžu samy reprodukovať.

1989 Donald M. Aigler z IBM kladie slovo „IBM“ – vyrobené z 35 xenónových atómov – na niklový povrch.

1991 Sumio Iijima z NEC v Tsukube v Japonsku objavil uhlíkové nanorúrky, duté valcové štruktúry. Dodnes sú najznámejšie uhlíkové nanorúrky, ktorých steny sú vyrobené z valcovaného grafénu. Existujú aj bezuhlíkové nanorúrky a nanorúrky DNA. Najtenšie uhlíkové nanorúrky majú priemer rádovo jeden nanometer a môžu byť miliónkrát dlhšie. Majú pozoruhodnú pevnosť v ťahu a jedinečné elektrické vlastnosti a sú vynikajúcimi vodičmi tepla. Tieto vlastnosti z nich robia sľubné materiály pre aplikácie v nanotechnológii, elektronike, optike a materiálovej vede.

1993 Warren Robinett z University of North Carolina a R. Stanley Williams z UCLA budujú systém virtuálnej reality prepojený so skenovacím tunelovým mikroskopom, ktorý umožňuje užívateľovi vidieť a dokonca sa dotýkať atómov.

1998 Tím Ceesa Dekkera na Delft University of Technology v Holandsku stavia tranzistor, ktorý využíva uhlíkové nanorúrky. V súčasnosti sa vedci snažia využiť jedinečné vlastnosti uhlíkových nanorúrok na výrobu kvalitnejšej a rýchlejšej elektroniky, ktorá spotrebuje menej elektriny. To bolo limitované množstvom faktorov, z ktorých niektoré boli postupne prekonané, čo v roku 2016 viedlo výskumníkov z University of Wisconsin-Madison k vytvoreniu uhlíkového tranzistora s lepšími parametrami, ako mali najlepšie kremíkové prototypy. Výskum Michaela Arnolda a Padmy Gopalan viedol k vývoju uhlíkového nanorúrkového tranzistora, ktorý dokáže prenášať dvojnásobok prúdu ako jeho kremíkový konkurent.

2003 Samsung si patentuje pokročilú technológiu založenú na pôsobení mikroskopických iónov striebra, ktoré ničia choroboplodné zárodky, plesne a viac ako šesťsto druhov baktérií a zabraňujú ich šíreniu. Častice striebra boli zavedené do najdôležitejších filtračných systémov spoločnosti - všetkých filtrov a zberača prachu alebo vrecka.

2004 Britská kráľovská spoločnosť a Kráľovská akadémia inžinierstva publikujú správu „Nanoveda a nanotechnológia: príležitosti a neistoty“, v ktorej vyzývajú na výskum potenciálnych rizík nanotechnológií pre zdravie, životné prostredie a spoločnosť, berúc do úvahy etické a právne aspekty.

Nanomotorový model na fullerénových kolesách

2006 James Tour spolu s tímom vedcov z Rice University skonštruuje mikroskopickú „dodávku“ z molekuly oligo (fenylénetynylénu), ktorej nápravy sú vyrobené z atómov hliníka a kolesá sú vyrobené z fulerénov C60. Nanovo vozidlo sa pohybovalo po povrchu pozostávajúcom z atómov zlata pod vplyvom zvýšenia teploty v dôsledku rotácie fulerénových „kolesov“. Nad teplotou 300 °C sa zrýchlil natoľko, že ho chemici už nedokázali sledovať ...

2007 Nanotechnológovia Technion umiestnili celý židovský „Starý zákon“ do oblasti len 0,5 mm² pozlátený kremíkový plátok. Text bol vyrytý nasmerovaním sústredeného prúdu iónov gália na platňu.

2009-2010 Nadrian Seaman a kolegovia z New York University vytvárajú sériu nanočastí podobných DNA, v ktorých možno syntetické štruktúry DNA naprogramovať tak, aby „vyrábali“ iné štruktúry s požadovanými tvarmi a vlastnosťami.

2013 Vedci z IBM vytvárajú animovaný film, ktorý si možno pozrieť až po 100 miliónovom zväčšení. Volá sa „Chlapec a jeho atóm“ a je nakreslený dvojatómovými bodkami s veľkosťou jednej miliardtiny metra, čo sú jednotlivé molekuly oxidu uhoľnatého. Karikatúra zobrazuje chlapca, ktorý sa najskôr hrá s loptou a potom skáče na trampolíne. Jedna z molekúl hrá aj rolu lopty. Celá akcia prebieha na medenom povrchu a veľkosť každého filmového políčka nepresahuje niekoľko desiatok nanometrov.

2014 Vedcom z ETH University of Technology v Zürichu sa podarilo vytvoriť poréznu membránu s hrúbkou menšou ako jeden nanometer. Hrúbka materiálu získaného nanotechnologickou manipuláciou je 100 XNUMX. krát menší ako ľudský vlas. Podľa členov kolektívu autorov ide o najtenší porézny materiál, aký sa dá získať a je vo všeobecnosti možný. Skladá sa z dvoch vrstiev dvojrozmernej grafénovej štruktúry. Membrána je priepustná, ale len pre malé častice, pričom spomaľuje alebo úplne zachytáva väčšie častice.

2015 Vytvára sa molekulárna pumpa, nanorozmerové zariadenie, ktoré prenáša energiu z jednej molekuly do druhej, napodobňujúc prirodzené procesy. Rozloženie navrhli výskumníci z Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mechanizmus pripomína biologické procesy v proteínoch. Očakáva sa, že takéto technológie nájdu uplatnenie najmä v oblasti biotechnológie a medicíny, napríklad v umelých svaloch.

2016 Podľa publikácie vo vedeckom časopise Nature Nanotechnology vedci z holandskej technickej univerzity Delft vyvinuli prelomové jednoatómové pamäťové médiá. Nová metóda by mala poskytnúť viac ako päťstokrát vyššiu hustotu uloženia ako ktorákoľvek v súčasnosti používaná technológia. Autori poznamenávajú, že ešte lepšie výsledky možno dosiahnuť pomocou trojrozmerného modelu umiestnenia častíc v priestore.

Klasifikácia nanotechnológií a nanomateriálov

1. Medzi nanotechnologické štruktúry patria:

• kvantové jamky, drôty a bodky, t.j. rôzne štruktúry, ktoré kombinujú nasledujúci znak - priestorové obmedzenie častíc v určitej oblasti cez potenciálne bariéry;
• plasty, ktorých štruktúra je riadená na úrovni jednotlivých molekúl, vďaka čomu je možné napríklad získať materiály s nevídanými mechanickými vlastnosťami;
• umelé vlákna - materiály s veľmi presnou molekulárnou štruktúrou, vyznačujúce sa tiež nezvyčajnými mechanickými vlastnosťami;
• nanorúrky, supramolekulové štruktúry vo forme dutých valcov. Dodnes najznámejšie uhlíkové nanorúrky, ktorých steny sú vyrobené zo skladaného grafénu (monatomické grafitové vrstvy). Existujú aj neuhlíkové nanorúrky (napríklad zo sulfidu wolfrámového) a z DNA;
• materiály rozdrvené vo forme prachu, ktorých zrná sú napríklad nahromadenia atómov kovov. V tejto forme sa široko používa striebro () so silnými antibakteriálnymi vlastnosťami;
• nanodrôty (napríklad striebro alebo meď);
• prvky vytvorené pomocou elektrónovej litografie a iných metód nanolitografie;
• fullerény;
• grafén a iné dvojrozmerné materiály (borofén, grafén, hexagonálny nitrid bóru, silicén, germanén, sulfid molybdénu);
• kompozitné materiály vystužené nanočasticami.

Nanolitografický povrch

2. Klasifikácia nanotechnológií v systematike vied, vyvinutá v roku 2004 Organizáciou pre hospodársku spoluprácu a rozvoj (OECD):

• nanomateriály (výroba a vlastnosti);
• nanoprocesy (aplikácie v nanorozmeroch - biomateriály patria do priemyselnej biotechnológie).

3. Nanomateriály sú všetky materiály, v ktorých sú na molekulárnej úrovni pravidelné štruktúry, t.j. nepresahujúce 100 nanometrov.

Tento limit sa môže týkať veľkosti domén ako základnej jednotky mikroštruktúry alebo hrúbky vrstiev získaných alebo nanesených na substráte. V praxi je hranica, pod ktorú sa pripisuje nanomateriálom, iná pre materiály s rôznymi úžitkovými vlastnosťami – súvisí najmä s objavením sa špecifických vlastností pri prekročení. Zmenšením veľkosti usporiadaných štruktúr materiálov je možné výrazne zlepšiť ich fyzikálno-chemické, mechanické a iné vlastnosti.

Nanomateriály možno rozdeliť do nasledujúcich štyroch skupín:

• nulový rozmer (bodové nanomateriály) – napríklad kvantové bodky, nanočastice striebra;
• jednorozmerný – napríklad kovové alebo polovodičové nanodrôty, nanorety, polymérne nanovlákna;
• dvojrozmerný – napríklad nanometrové vrstvy jednofázového alebo viacfázového typu, grafén a iné materiály s hrúbkou jedného atómu;
• trojrozmerný (alebo nanokryštalické) - pozostávajú z kryštalických domén a akumulácií fáz s veľkosťou rádovo nanometrov alebo kompozitov vystužených nanočasticami.