Geschiedenis van uitvindingen - Nanotechnologie

Al rond 600 voor Christus. mensen produceerden nanotype-structuren, d.w.z. cementietstrengen in staal, Wootz genaamd. Dit gebeurde in India en dit kan worden beschouwd als het begin van de geschiedenis van nanotechnologie.

VI-XV c. De kleurstoffen die in deze periode werden gebruikt voor het schilderen van glas-in-loodramen, gebruiken nanodeeltjes van goudchloride, chloriden van andere metalen en metaaloxiden.

IX-XVII eeuw Op veel plaatsen in Europa worden "glitters" en andere stoffen geproduceerd om keramiek en andere producten glans te geven. Ze bevatten nanodeeltjes van metalen, meestal zilver of koper.

XIII-XVIII w. Het in deze eeuwen geproduceerde "Damascus-staal", waaruit de wereldberoemde witte wapens werden gemaakt, bevat koolstofnanobuisjes en cementiet-nanovezels.

1857 Michael Faraday ontdekt robijnkleurig colloïdaal goud, kenmerkend voor gouden nanodeeltjes.

1931 Max Knoll en Ernst Ruska bouwden een elektronenmicroscoop in Berlijn, het eerste apparaat dat de structuur van nanodeeltjes op atomair niveau kon zien. Hoe groter de energie van de elektronen, hoe korter hun golflengte en hoe groter de resolutie van de microscoop. Het monster bevindt zich in een vacuüm en is meestal bedekt met een metalen film. De elektronenstraal gaat door het testobject en komt de detectoren binnen. Op basis van de gemeten signalen bootsen de elektronische apparaten het beeld van het testmonster na.

1936 Erwin Müller, werkzaam bij de Siemens Laboratories, vindt de veldemissiemicroscoop uit, de eenvoudigste vorm van een emissie-elektronenmicroscoop. Deze microscoop gebruikt een sterk elektrisch veld voor veldemissie en beeldvorming.

1950 Victor La Mer en Robert Dinegar leggen de theoretische basis voor de techniek voor het verkrijgen van monodisperse colloïdale materialen. Hierdoor konden op industriële schaal speciale papiersoorten, verven en dunne films worden geproduceerd.

1956 Arthur von Hippel van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bedacht de term "molecular engineering".

1959 Richard Feynman geeft een lezing over "Er is genoeg ruimte aan de onderkant." Beginnend met zich voor te stellen wat er nodig zou zijn om een ​​24-delige Encyclopædia Britannica op een speldenknop te passen, introduceerde hij het concept van miniaturisatie en de mogelijkheid om technologieën te gebruiken die op nanometerniveau zouden kunnen werken. Bij deze gelegenheid stelde hij twee onderscheidingen (de zogenaamde Feynman-prijzen) in voor prestaties op dit gebied - elk duizend dollar.

1960 De uitbetaling van de eerste prijs stelde Feynman teleur. Hij ging ervan uit dat er een technologische doorbraak nodig zou zijn om zijn doelen te bereiken, maar onderschatte destijds het potentieel van micro-elektronica. De winnaar was de 35-jarige ingenieur William H. McLellan. Hij creëerde een motor van 250 microgram, met een vermogen van 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho en John Arthur ontwikkelen de epitaxiemethode. Het maakt de vorming van monoatomische oppervlaktelagen mogelijk met behulp van halfgeleidertechnologie - de groei van nieuwe monokristallijne lagen op een bestaand kristallijn substraat, waarbij de structuur van het bestaande kristallijne substraatsubstraat wordt gedupliceerd. Een variant van epitaxie is de epitaxie van moleculaire verbindingen, die het mogelijk maakt om kristallijne lagen af ​​te zetten met een dikte van één atoomlaag. Deze methode wordt gebruikt bij de productie van quantum dots en zogenaamde dunne lagen.

1974 Introductie van de term "nanotechnologie". Het werd voor het eerst gebruikt door onderzoeker Norio Taniguchi van de Universiteit van Tokio tijdens een wetenschappelijke conferentie. De definitie van de Japanse natuurkunde blijft tot op de dag van vandaag in gebruik en klinkt als volgt: “Nanotechnologie is een productie waarbij technologie wordt gebruikt die het mogelijk maakt een zeer hoge nauwkeurigheid en extreem kleine afmetingen te bereiken, d.w.z. nauwkeurigheid in de orde van 1 nm.

Visualisatie van een kwantumdruppel

Jaren 80 en 90 De periode van snelle ontwikkeling van lithografische technologie en de productie van ultradunne kristallagen. De eerste, MOCVD(), is een methode voor het aanbrengen van lagen op het oppervlak van materialen met behulp van gasvormige organometaalverbindingen. Dit is een van de epitaxiale methoden, vandaar de alternatieve naam - MOSFE (). De tweede methode, MBE, maakt de depositie mogelijk van zeer dunne nanometerlagen met een nauwkeurig gedefinieerde chemische samenstelling en een nauwkeurige verdeling van het onzuiverheidsconcentratieprofiel. Dit is mogelijk doordat de laagcomponenten door afzonderlijke moleculaire bundels aan het substraat worden toegevoerd.

1981 Gerd Binnig en Heinrich Rohrer creëren de scanning tunneling microscoop. Door de krachten van interatomaire interacties te gebruiken, kunt u een beeld van het oppervlak verkrijgen met een resolutie in de orde van grootte van een enkel atoom, door het mes boven of onder het oppervlak van het monster te halen. In 1989 werd het apparaat gebruikt om individuele atomen te manipuleren. Binnig en Rohrer ontvingen in 1986 de Nobelprijs voor natuurkunde.

1985 Louis Brus van Bell Labs ontdekt colloïdale halfgeleider nanokristallen (quantum dots). Ze worden gedefinieerd als een klein ruimtegebied dat in drie dimensies wordt begrensd door potentiële barrières wanneer een deeltje met een golflengte vergelijkbaar met de grootte van een punt binnenkomt.

Omslag van het boek Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology door C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto en Richard Erret Smalley ontdekken fullerenen, moleculen die bestaan ​​uit een even aantal koolstofatomen (van 28 tot ongeveer 1500) die een gesloten hol lichaam vormen. De chemische eigenschappen van fullerenen zijn in veel opzichten vergelijkbaar met die van aromatische koolwaterstoffen. Fullereen C60, of buckminsterfullereen, is net als andere fullerenen een allotrope vorm van koolstof.

1986-1992 C. Eric Drexler publiceert twee belangrijke boeken over futurologie die nanotechnologie populair maken. De eerste, uitgebracht in 1986, heet Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Hij voorspelt onder andere dat toekomstige technologieën individuele atomen gecontroleerd kunnen manipuleren. In 1992 publiceerde hij Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, dat op zijn beurt voorspelde dat nanomachines zichzelf zouden kunnen reproduceren.

1989 Donald M. Aigler van IBM zet het woord "IBM" - gemaakt van 35 xenonatomen - op een nikkelen oppervlak.

1991 Sumio Iijima van NEC in Tsukuba, Japan, ontdekt koolstofnanobuisjes, holle cilindrische structuren. Tot op heden de bekendste koolstofnanobuisjes, waarvan de wanden zijn gemaakt van opgerold grafeen. Er zijn ook niet-koolstof nanobuisjes en DNA nanobuisjes. De dunste koolstofnanobuisjes hebben een diameter in de orde van één nanometer en kunnen miljoenen keren langer zijn. Ze hebben een opmerkelijke treksterkte en unieke elektrische eigenschappen en zijn uitstekende warmtegeleiders. Deze eigenschappen maken ze veelbelovende materialen voor toepassingen in nanotechnologie, elektronica, optica en materiaalkunde.

1993 Warren Robinett van de University of North Carolina en R. Stanley Williams van de University of California, Los Angeles bouwen een virtual reality-systeem dat is gekoppeld aan een scanning tunneling-microscoop waarmee de gebruiker atomen kan zien en zelfs aanraken.

1998 Het Cees Dekker-team van de Technische Universiteit Delft in Nederland bouwt een transistor die koolstofnanobuisjes gebruikt. Momenteel proberen wetenschappers de unieke eigenschappen van koolstofnanobuisjes te gebruiken om betere en snellere elektronica te produceren die minder elektriciteit verbruikt. Dit werd beperkt door een aantal factoren, waarvan sommige geleidelijk werden overwonnen, waardoor onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison in 2016 een koolstoftransistor creëerden met betere parameters dan de beste siliciumprototypes. Onderzoek door Michael Arnold en Padma Gopalan leidde tot de ontwikkeling van een koolstofnanobuistransistor die twee keer zoveel stroom kan geleiden als zijn siliciumconcurrent.

2003 Samsung patenteert een geavanceerde technologie die is gebaseerd op de werking van microscopisch kleine zilverionen, die ziektekiemen, schimmels en meer dan zeshonderd soorten bacteriën vernietigen en de verspreiding ervan voorkomen. Zilverdeeltjes zijn geïntroduceerd in de belangrijkste filtersystemen van het bedrijf - alle filters en de stofafscheider of -zak.

2004 De Britse Royal Society en de Royal Academy of Engineering publiceren het rapport "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", waarin wordt opgeroepen tot onderzoek naar de mogelijke risico's van nanotechnologie voor de gezondheid, het milieu en de samenleving, rekening houdend met ethische en juridische aspecten.

Nanomotormodel op wielen van fullereen

2006 James Tour bouwt samen met een team van wetenschappers van Rice University een microscopisch kleine "bus" van een oligo (fenyleenethynylene) molecuul, waarvan de assen zijn gemaakt van aluminiumatomen en de wielen zijn gemaakt van C60 fullerenen. Het nanovoertuig bewoog over het oppervlak, bestaande uit goudatomen, onder invloed van temperatuurstijging, door de rotatie van fullereen "wielen". Boven een temperatuur van 300 ° C versnelde het zo sterk dat chemici het niet meer konden volgen ...

2007 Nanotechnologen van Technion passen het hele Joodse "Oude Testament" in een gebied van slechts 0,5 mm² vergulde silicium wafer. De tekst werd gegraveerd door een gerichte stroom galliumionen op de plaat te richten.

2009-2010 Nadrian Seaman en collega's van de New York University creëren een reeks DNA-achtige nanomounts waarin synthetische DNA-structuren kunnen worden geprogrammeerd om andere structuren met gewenste vormen en eigenschappen te "produceren".

2013 IBM-wetenschappers maken een animatiefilm die alleen kan worden bekeken nadat deze 100 miljoen keer is vergroot. Het heet "The Boy and His Atom" en is getekend met diatomische stippen van een miljardste van een meter groot, die enkele moleculen koolmonoxide zijn. De cartoon toont een jongen die eerst met een bal speelt en daarna op een trampoline springt. Een van de moleculen speelt ook de rol van een bal. Alle actie vindt plaats op een koperen oppervlak en de grootte van elk filmframe is niet groter dan enkele tientallen nanometers.

2014 Wetenschappers van de ETH University of Technology in Zürich zijn erin geslaagd een poreus membraan van minder dan een nanometer dik te maken. De dikte van het materiaal verkregen door nanotechnologische manipulatie is 100 XNUMX. keer kleiner dan die van een mensenhaar. Volgens de leden van het team van auteurs is dit het dunste poreuze materiaal dat kan worden verkregen en is het over het algemeen mogelijk. Het bestaat uit twee lagen van een tweedimensionale grafeenstructuur. Het membraan is doorlatend, maar alleen voor kleine deeltjes, waardoor grotere deeltjes worden afgeremd of volledig worden vastgehouden.

2015 Er wordt een moleculaire pomp gemaakt, een apparaat op nanoschaal dat energie van het ene molecuul naar het andere overbrengt, waarmee natuurlijke processen worden nagebootst. De lay-out is ontworpen door onderzoekers van het Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Het mechanisme doet denken aan biologische processen in eiwitten. De verwachting is dat dergelijke technologieën vooral toepassing zullen vinden op het gebied van biotechnologie en geneeskunde, bijvoorbeeld in kunstspieren.

2016 Volgens een publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Delft baanbrekende single-atom opslagmedia ontwikkeld. De nieuwe methode moet een meer dan vijfhonderd keer hogere opslagdichtheid bieden dan alle momenteel gebruikte technologie. De auteurs merken op dat nog betere resultaten kunnen worden bereikt met een driedimensionaal model van de locatie van deeltjes in de ruimte.

Classificatie van nanotechnologieën en nanomaterialen

1. Nanotechnologische structuren omvatten:

• kwantumputten, draden en stippen, d.w.z. verschillende structuren die het volgende kenmerk combineren - de ruimtelijke beperking van deeltjes in een bepaald gebied door potentiële barrières;
• kunststoffen, waarvan de structuur wordt gecontroleerd op het niveau van individuele moleculen, waardoor het bijvoorbeeld mogelijk is materialen te verkrijgen met ongekende mechanische eigenschappen;
• kunstmatige vezels - materialen met een zeer precieze moleculaire structuur, ook gekenmerkt door ongebruikelijke mechanische eigenschappen;
• nanobuisjes, supramoleculaire structuren in de vorm van holle cilinders. Tot op heden de bekendste koolstofnanobuisjes, waarvan de wanden zijn gemaakt van gevouwen grafeen (monatomische grafietlagen). Er zijn ook niet-koolstof nanobuisjes (bijvoorbeeld van wolfraamsulfide) en van DNA;
• materialen verpulverd in de vorm van stof, waarvan de korrels bijvoorbeeld ophopingen van metaalatomen zijn. Zilver () met sterke antibacteriële eigenschappen wordt veel gebruikt in deze vorm;
• nanodraden (bijvoorbeeld zilver of koper);
• elementen gevormd met behulp van elektronenlithografie en andere nanolithografische methoden;
• fullerenen;
• grafeen en andere tweedimensionale materialen (borofeen, grafeen, hexagonaal boornitride, siliceen, germaneen, molybdeensulfide);
• composietmaterialen versterkt met nanodeeltjes.

Nanolithografisch oppervlak

2. De classificatie van nanotechnologieën in de systematiek van wetenschappen, ontwikkeld in 2004 door de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling (OESO):

• nanomaterialen (productie en eigenschappen);
• nanoprocessen (toepassingen op nanoschaal - biomaterialen behoren tot de industriële biotechnologie).

3. Nanomaterialen zijn alle materialen waarin zich op moleculair niveau regelmatige structuren bevinden, d.w.z. niet groter dan 100 nanometer.

Deze limiet kan verwijzen naar de grootte van de domeinen als de basiseenheid van de microstructuur, of naar de dikte van de verkregen of op het substraat aangebrachte lagen. In de praktijk is de limiet waaronder aan nanomaterialen wordt toegeschreven anders voor materialen met verschillende prestatie-eigenschappen - het wordt voornamelijk geassocieerd met het verschijnen van specifieke eigenschappen wanneer deze worden overschreden. Door de grootte van de geordende structuren van materialen te verkleinen, is het mogelijk om hun fysisch-chemische, mechanische en andere eigenschappen aanzienlijk te verbeteren.

Nanomaterialen kunnen worden onderverdeeld in de volgende vier groepen:

• nul-dimensionaal (dot nanomaterialen) - bijvoorbeeld kwantumstippen, zilveren nanodeeltjes;
• eendimensionaal - bijvoorbeeld metalen of halfgeleider nanodraden, nanostaafjes, polymere nanovezels;
• tweedimensionaal – bijvoorbeeld nanometerlagen van eenfasig of meerfasig type, grafeen en andere materialen met een dikte van één atoom;
• driedimensionaal (of nanokristallijn) - bestaan ​​uit kristallijne domeinen en opeenhopingen van fasen met groottes in de orde van nanometers of composieten versterkt met nanodeeltjes.