Saga uppfinninga - Nanótækni

Þegar um 600 f.Kr. fólk var að framleiða nanógerð mannvirki, þ.e. sementítþræðir í stáli, kallaðir Wootz. Þetta gerðist á Indlandi og má líta á þetta sem upphaf sögu nanótækninnar.

VI-XV s. Litarefnin sem notuð voru á þessu tímabili til að mála litaða glerglugga nota gullklóríð nanóagnir, klóríð annarra málma, svo og málmoxíð.

IX-XVII öldum Víða í Evrópu eru framleidd „glitter“ og önnur efni til að gefa gljáa í keramik og aðrar vörur. Í þeim voru nanóagnir úr málmum, oftast silfur eða kopar.

XIII-XVIII w. „Damascus stálið“ sem framleitt var á þessum öldum, sem hin heimsfrægu hvítu vopn voru gerð úr, inniheldur kolefnisnanorör og sementítnanotrefjar.

1857 Michael Faraday uppgötvar rúbínlitað kvoðugull sem er einkennandi fyrir nanóagnir úr gulli.

1931 Max Knoll og Ernst Ruska smíða rafeindasmásjá í Berlín, fyrsta tækið til að sjá uppbyggingu nanóagna á atómstigi. Því meiri sem orka rafeindanna er, því styttri bylgjulengd þeirra og því meiri upplausn smásjáarinnar. Sýnið er í lofttæmi og oftast þakið málmfilmu. Rafeindageislinn fer í gegnum prófaðan hlut og fer inn í skynjarana. Byggt á mældum merkjum endurskapa rafeindatæki myndina af prófunarsýninu.

1936 Erwin Müller, sem starfar hjá Siemens Laboratories, finnur upp sviðsgeislunarsmásjána, einfaldasta form rafeindasmásjár. Þessi smásjá notar sterkt rafsvið til sviðsgeislunar og myndatöku.

1950 Victor La Mer og Robert Dinegar skapa fræðilegan grunn fyrir tæknina við að fá eindreifð kvoðuefni. Þetta gerði það kleift að framleiða sérstakar gerðir af pappír, málningu og þunnum filmum í iðnaðar mælikvarða.

1956 Arthur von Hippel frá Massachusetts Institute of Technology (MIT) bjó til hugtakið "sameindaverkfræði".

1959 Richard Feynman flytur fyrirlestur um "Það er nóg pláss neðst." Hann byrjaði á því að ímynda sér hvað þyrfti til að setja 24 binda Encyclopædia Britannica á pinnahaus, hann kynnti hugmyndina um smæðingu og möguleikann á að nota tækni sem gæti virkað á nanómetrastigi. Af þessu tilefni stofnaði hann tvenn verðlaun (svokölluð Feynman-verðlaun) fyrir afrek á þessu sviði - eitt þúsund dollara hvert.

1960 Fyrstu verðlaunin olli Feynman vonbrigðum. Hann gerði ráð fyrir að tæknibylting yrði nauðsynleg til að ná markmiðum sínum, en á þeim tíma vanmeti hann möguleika öreindatækni. Sigurvegari var 35 ára verkfræðingur William H. McLellan. Hann bjó til mótor sem vó 250 míkrógrömm, með afl upp á 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho og John Arthur þróa epitaxy aðferðina. Það gerir kleift að mynda einatóma yfirborðslaga með því að nota hálfleiðaratækni - vöxt nýrra einskristallaga á núverandi kristallaða undirlagi, sem afritar uppbyggingu núverandi kristallaða undirlags undirlags. Afbrigði af epitaxy er epitaxy sameindaefnasambanda, sem gerir það mögulegt að setja kristallað lög með þykkt eins atómlags. Þessi aðferð er notuð við framleiðslu skammtapunkta og svokallaðra þunnra laga.

1974 Kynning á hugtakinu "nanotækni". Það var fyrst notað af háskólanum í Tókýó vísindamanni Norio Taniguchi á vísindaráðstefnu. Skilgreining japanskrar eðlisfræði er enn í notkun enn þann dag í dag og hljómar svona: „Nanótækni er framleiðsla sem notar tækni sem gerir kleift að ná mjög mikilli nákvæmni og mjög litlum stærðum, þ.e. nákvæmni af stærðargráðunni 1 nm.

Sjónmynd af skammtadropa

80s og 90s Tímabil hröðrar þróunar litógrafískrar tækni og framleiðslu á ofurþunnum lögum af kristöllum. Sú fyrsta, MOCVD(), er aðferð til að setja lög á yfirborð efna með því að nota loftkennd málmefnasambönd. Þetta er ein af epitaxial aðferðunum, þess vegna annað nafn hennar - MOSFE (). Önnur aðferðin, MBE, leyfir útfellingu á mjög þunnum nanómetralögum með nákvæmlega skilgreindri efnasamsetningu og nákvæmri dreifingu óhreinindastyrkleikasniðs. Þetta er mögulegt vegna þess að lagþættirnir eru færðir til undirlagsins með aðskildum sameindageislum.

1981 Gerd Binnig og Heinrich Rohrer búa til skönnunargöngusmásjána. Með því að nota krafta milli atóma víxlverkana gerir það þér kleift að fá mynd af yfirborðinu með upplausn í stærðargráðu eins atóms, með því að fara með blaðið fyrir ofan eða neðan yfirborð sýnisins. Árið 1989 var tækið notað til að vinna með einstök atóm. Binnig og Rohrer hlutu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1986.

1985 Louis Brus frá Bell Labs uppgötvar kolloidal hálfleiðara nanókristalla (skammtapunkta). Þeir eru skilgreindir sem lítið svæði rýmis sem afmarkast í þrívídd af hugsanlegum hindrunum þegar ögn með bylgjulengd sem er sambærileg við stærð punkts fer inn.

Kápa bókarinnar Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology eftir C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto og Richard Erret Smalley uppgötva fullerenes, sameindir úr jöfnum fjölda kolefnisatóma (frá 28 til um 1500) sem mynda lokaðan holan líkama. Efnafræðilegir eiginleikar fullerena eru að mörgu leyti svipaðir og arómatísk kolvetni. Fulleren C60, eða buckminsterfulleren, eins og önnur fulleren, er allótrópískt form kolefnis.

1986-1992 C. Eric Drexler gefur út tvær mikilvægar bækur um framtíðarfræði sem gera nanótækni vinsælar. Sú fyrsta, sem kom út árið 1986, heitir Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Hann spáir því meðal annars að framtíðartækni muni geta stjórnað einstökum frumeindum. Árið 1992 gaf hann út Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, sem aftur spáði því að nanóvélar gætu endurskapað sig.

1989 Donald M. Aigler hjá IBM setur orðið "IBM" - gert úr 35 xenónatómum á nikkelyfirborði.

1991 Sumio Iijima frá NEC í Tsukuba, Japan, uppgötvar kolefni nanórör, hol sívalur mannvirki. Hingað til eru þekktustu kolefnis nanórörin, veggir þeirra eru úr valsuðu grafeni. Það eru líka nanórör án kolefnis og DNA nanórör. Þynnstu kolefnis nanórörin eru af stærðargráðunni einn nanómetri í þvermál og geta verið milljón sinnum lengri. Þeir hafa ótrúlegan togstyrk og einstaka rafeiginleika og eru framúrskarandi hitaleiðarar. Þessir eiginleikar gera þau að efnilegum efnum til notkunar í nanótækni, rafeindatækni, ljósfræði og efnisfræði.

1993 Warren Robinett frá háskólanum í Norður-Karólínu og R. Stanley Williams frá UCLA eru að smíða sýndarveruleikakerfi sem er tengt við skönnunargöng smásjá sem gerir notandanum kleift að sjá og jafnvel snerta frumeindir.

1998 Cees Dekker teymið við Tækniháskólann í Delft í Hollandi er að smíða smára sem notar kolefnis nanórör. Eins og er, eru vísindamenn að reyna að nota einstaka eiginleika kolefnis nanóröra til að framleiða betri og hraðari rafeindatækni sem eyðir minni rafmagni. Þetta var takmarkað af fjölda þátta, sem sumir hverjir voru smám saman sigrast á, sem árið 2016 leiddu til þess að vísindamenn við háskólann í Wisconsin-Madison bjuggu til kolefnistransistor með betri breytum en bestu kísilfrumgerðin. Rannsóknir Michael Arnold og Padma Gopalan leiddu til þróunar á kolefnis nanórör smári sem getur borið tvöfalt meiri straum en kísilkeppinautur hans.

2003 Samsung hefur einkaleyfi á háþróaðri tækni sem byggir á verkun smásæra silfurjóna til að drepa sýkla, myglu og meira en sex hundruð tegundir baktería og koma í veg fyrir útbreiðslu þeirra. Silfuragnir hafa verið settar inn í mikilvægustu síunarkerfi fyrirtækisins - allar síur og ryksöfnunin eða pokann.

2004 Breska konungsfélagið og Konunglega verkfræðiakademían gefa út skýrsluna "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", þar sem hvatt er til rannsókna á hugsanlegri áhættu nanótækni fyrir heilsu, umhverfi og samfélag, með hliðsjón af siðferðilegum og lagalegum þáttum.

Nanomotor módel á fullerene hjólum

2006 James Tour, ásamt hópi vísindamanna frá Rice háskólanum, smíðar smásjáan „van“ úr fákeppninni (fenýlenetýnylen) sameindinni, ásar hennar eru gerðir úr álutómum og hjólin eru úr C60 fullerenum. Nanóbíllinn hreyfðist yfir yfirborðið, sem samanstendur af gullatómum, undir áhrifum hitastigshækkunar, vegna snúnings fullerens "hjóla". Yfir 300 ° C hitastig hraði það svo mikið að efnafræðingar gátu ekki lengur fylgst með því ...

2007 Technion nanótæknifræðingar passa allt "Gamla testamentið" gyðinga inn á svæði sem er aðeins 0,5 mm² gullhúðuð sílikonskífa. Textinn var grafinn með því að beina einbeittum straumi gallíumjóna á plötuna.

2009-2010 Nadrian Seaman og félagar við háskólann í New York eru að búa til röð DNA-líkra nanófjalla þar sem hægt er að forrita tilbúið DNA mannvirki til að „framleiða“ önnur mannvirki með æskileg lögun og eiginleika.

2013 Vísindamenn IBM eru að búa til teiknimynd sem aðeins er hægt að skoða eftir að hafa verið stækkuð 100 milljón sinnum. Það er kallað „Drengurinn og atómið hans“ og er teiknað með kísilgóma punktum einn milljarðasta úr metra að stærð, sem eru stakar sameindir af kolmónoxíði. Teiknimyndin sýnir strák sem fyrst leikur sér með bolta og hoppar síðan á trampólín. Ein sameindanna gegnir einnig hlutverki kúlu. Öll virkni fer fram á koparfleti og stærð hvers filmuramma fer ekki yfir nokkra tugi nanómetra.

2014 Vísindamönnum frá ETH Tækniháskólanum í Zürich hefur tekist að búa til gljúpa himnu sem er innan við einn nanómetra þykk. Þykkt efnisins sem fæst með nanótæknilegri meðferð er 100 XNUMX. sinnum minni en mannshár. Að sögn höfundateymisins er þetta þynnsta gljúpa efni sem hægt er að fá og er almennt mögulegt. Það samanstendur af tveimur lögum af tvívíða grafenbyggingu. Himnan er gegndræp, en aðeins fyrir litlar agnir, hægir á eða fangar alveg stærri agnir.

2015 Verið er að búa til sameindadælu, tæki á nanóskala sem flytur orku frá einni sameind til annarrar og líkir eftir náttúrulegum ferlum. Útlitið var hannað af vísindamönnum við Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Aðgerðin minnir á líffræðilega ferla í próteinum. Búist er við að slík tækni muni einkum nýtast á sviði líftækni og læknisfræði, til dæmis í gervivöðvum.

2016 Samkvæmt riti í vísindatímaritinu Nature Nanotechnology hafa vísindamenn við hollenska tækniháskólann í Delft þróað byltingarkennda einsatóma geymslumiðla. Nýja aðferðin ætti að veita meira en fimm hundruð sinnum meiri geymsluþéttleika en nokkur tækni sem nú er notuð. Höfundarnir benda á að hægt sé að ná enn betri árangri með því að nota þrívíddarlíkan af staðsetningu agna í geimnum.

Flokkun nanótækni og nanóefna

1. Nanótæknileg mannvirki innihalda:

• skammtabrunnar, víra og punkta, þ.e. ýmis mannvirki sem sameina eftirfarandi eiginleika - staðbundna takmörkun agna á ákveðnu svæði í gegnum hugsanlegar hindranir;
• plast, uppbygging sem er stjórnað á stigi einstakra sameinda, þökk sé til dæmis hægt að fá efni með áður óþekkta vélræna eiginleika;
• gervitrefjar - efni með mjög nákvæma sameindabyggingu, einnig aðgreind með óvenjulegum vélrænni eiginleikum;
• nanórör, supramolecular mannvirki í formi holra strokka. Hingað til eru þekktustu kolefnis nanórörin, veggir þeirra eru úr samanbrotnu grafeni (einatóma grafítlög). Það eru líka nanórör án kolefnis (til dæmis úr wolframsúlfíði) og úr DNA;
• efni sem eru mulin í formi ryks, en kornin eru til dæmis uppsöfnun málmfrumeinda. Silfur () með sterka bakteríudrepandi eiginleika er mikið notað í þessu formi;
• nanóvírar (til dæmis silfur eða kopar);
• frumefni sem eru mynduð með rafeindalitógrafíu og öðrum nanólitgrafískum aðferðum;
• fullerenes;
• grafen og önnur tvívíð efni (bórófen, grafen, sexhyrnt bórnítríð, kísil, germanen, mólýbdensúlfíð);
• samsett efni styrkt með nanóögnum.

Nanólitógrafískt yfirborð

2. Flokkun nanótækni í kerfisfræði vísinda, þróuð árið 2004 af Efnahags- og framfarastofnuninni (OECD):

• nanóefni (framleiðsla og eiginleikar);
• nanóferlar (notkun á nanóskala - lífefni tilheyra iðnaðarlíftækni).

3. Nanóefni eru öll efni sem eru reglulegar byggingar á sameindastigi, þ.e. ekki yfir 100 nanómetrum.

Þessi mörk geta átt við stærð lénanna sem grunneiningu örbyggingar, eða til þykkt laganna sem eru fengin eða sett á undirlagið. Í reynd eru mörkin fyrir neðan sem eru kennd við nanóefni mismunandi fyrir efni með mismunandi frammistöðueiginleika - þau tengjast aðallega útliti sérstakra eiginleika þegar farið er yfir það. Með því að minnka stærð skipaðra mannvirkja efna er hægt að bæta eðlisefnafræðilega, vélræna og aðra eiginleika þeirra verulega.

Nanóefni má skipta í eftirfarandi fjóra hópa:

• núllvíddar (punktur nanóefni) - til dæmis skammtapunktar, silfur nanóagnir;
• einvídd - til dæmis, málm- eða hálfleiðara nanóvíra, nanorods, fjölliða nanótrefjar;
• tvívídd – til dæmis nanómetralög af einfasa eða fjölfasa gerð, grafen og önnur efni með þykkt eins atóms;
• þrívíddar (eða nanókristallað) - samanstanda af kristalluðum lénum og uppsöfnun fasa með stærðir af stærðargráðunni nanómetrar eða samsett efni styrkt með nanóögnum.