Historia e shpikjeve - Nanoteknologjia

Tashmë rreth vitit 600 para Krishtit. njerëzit po prodhonin struktura nanotipi, d.m.th. fije çimentiti në çelik, të quajtura Wootz. Kjo ndodhi në Indi dhe ky mund të konsiderohet si fillimi i historisë së nanoteknologjisë.

VI-XV shek. Ngjyrat e përdorura gjatë kësaj periudhe për lyerjen e dritareve me njolla përdorin nanogrimca klorur ari, kloride të metaleve të tjera, si dhe okside metali.

IX-XVII vv. Në shumë vende të Evropës prodhohen "shkëlqime" dhe substanca të tjera për t'i dhënë shkëlqim qeramikës dhe produkteve të tjera. Ato përmbanin nanogrimca të metaleve, më shpesh argjendi ose bakri.

XIII-xviii w. "Çeliku i Damaskut" i prodhuar në këto shekuj, nga i cili u bënë armët e bardha me famë botërore, përmban nanotuba karboni dhe nanofibra çimentiti.

1857 Michael Faraday zbulon arin koloidal me ngjyrë rubin, karakteristik për nanogrimcat e arit.

1931 Max Knoll dhe Ernst Ruska ndërtojnë një mikroskop elektronik në Berlin, pajisja e parë për të parë strukturën e nanogrimcave në nivelin atomik. Sa më e madhe të jetë energjia e elektroneve, aq më e shkurtër është gjatësia e valës së tyre dhe aq më e madhe është rezolucioni i mikroskopit. Mostra është në vakum dhe më së shpeshti mbulohet me një film metalik. Rrezja elektronike kalon nëpër objektin e testuar dhe hyn në detektorë. Në bazë të sinjaleve të matura, pajisjet elektronike rikrijojnë imazhin e kampionit të provës.

1936 Erwin Müller, duke punuar në Laboratorët Siemens, shpik mikroskopin e emetimit në terren, forma më e thjeshtë e një mikroskopi elektronik emetues. Ky mikroskop përdor një fushë të fortë elektrike për emetimin në terren dhe imazhin.

1950 Victor La Mer dhe Robert Dinegar krijojnë bazat teorike për teknikën e përftimit të materialeve koloidale monodisperse. Kjo lejoi prodhimin e llojeve të veçanta të letrës, bojrave dhe filmave të hollë në shkallë industriale.

1956 Arthur von Hippel i Institutit të Teknologjisë në Masaçusets (MIT) shpiku termin "inxhinieri molekulare".

1959 Richard Feynman jep leksione me temën "Ka shumë vend në fund". Duke filluar duke imagjinuar se çfarë do të duhej për të vendosur një Encyclopædia Britannica me 24 vëllime në një kokë gjilpëre, ai prezantoi konceptin e miniaturizimit dhe mundësinë e përdorimit të teknologjive që mund të funksionojnë në nivelin nanometër. Me këtë rast, ai vendosi dy çmime (të ashtuquajturat çmime Feynman) për arritje në këtë fushë - nga një mijë dollarë secili.

1960 Shpërblimi i çmimit të parë e zhgënjeu Feynman. Ai supozoi se do të kërkohej një përparim teknologjik për të arritur qëllimet e tij, por në atë kohë ai nënvlerësoi potencialin e mikroelektronikës. Fituesi ishte inxhinieri 35-vjeçar William H. McLellan. Ai krijoi një motor me peshë 250 mikrogramë, me fuqi 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho dhe John Arthur zhvillojnë metodën e epitaksisë. Ai lejon formimin e shtresave sipërfaqësore monoatomike duke përdorur teknologjinë gjysmëpërçuese - rritjen e shtresave të reja me një kristal në një substrat ekzistues kristalor, duke dublikuar strukturën e substratit ekzistues kristalor. Një variacion i epitaksisë është epitaksia e përbërjeve molekulare, e cila bën të mundur depozitimin e shtresave kristalore me një trashësi prej një shtrese atomike. Kjo metodë përdoret në prodhimin e pikave kuantike dhe të ashtuquajturave shtresa të holla.

1974 Prezantimi i termit "nanoteknologji". Ajo u përdor për herë të parë nga studiuesi i Universitetit të Tokios, Norio Taniguchi në një konferencë shkencore. Përkufizimi i fizikës japoneze mbetet në përdorim edhe sot e kësaj dite dhe tingëllon kështu: “Nanoteknologjia është një prodhim që përdor teknologjinë që lejon arritjen e saktësisë shumë të lartë dhe madhësive jashtëzakonisht të vogla, d.m.th. saktësia e rendit prej 1 nm.

Vizualizimi i një rënie kuantike

80 dhe 90 Periudha e zhvillimit të shpejtë të teknologjisë litografike dhe prodhimit të shtresave ultra të holla të kristaleve. E para, MOCVD(), është një metodë për depozitimin e shtresave në sipërfaqen e materialeve duke përdorur komponime organometalike të gazta. Kjo është një nga metodat epitaksiale, prandaj emri i saj alternativ - MOSFE (). Metoda e dytë, MBE, bën të mundur depozitimin e shtresave shumë të holla nanometërsh me një përbërje kimike të përcaktuar saktë dhe shpërndarje të saktë të profilit të përqendrimit të papastërtive. Kjo është e mundur për shkak të faktit se përbërësit e shtresës furnizohen në substrat nga trarë të veçantë molekularë.

1981 Gerd Binnig dhe Heinrich Rohrer krijojnë mikroskopin e tunelit të skanimit. Duke përdorur forcat e ndërveprimeve ndëratomike, ju lejon të merrni një imazh të sipërfaqes me një rezolucion të rendit të madhësisë së një atomi të vetëm, duke kaluar tehun sipër ose nën sipërfaqen e mostrës. Në vitin 1989, pajisja u përdor për të manipuluar atomet individuale. Binnig dhe Rohrer u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë në vitin 1986.

1985 Louis Brus i Bell Labs zbulon nanokristale gjysmëpërçuese koloidale (pika kuantike). Ato përcaktohen si një zonë e vogël hapësire e kufizuar në tre dimensione nga pengesat e mundshme kur hyn një grimcë me një gjatësi vale të krahasueshme me madhësinë e një pike.

Kopertina e librit Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology nga C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto dhe Richard Erret Smalley zbulojnë fullerene, molekula të përbëra nga një numër çift atomesh karboni (nga 28 në rreth 1500) që formojnë një trup të mbyllur të zbrazët. Vetitë kimike të fullereneve janë në shumë aspekte të ngjashme me ato të hidrokarbureve aromatike. Fullereni C60, ose buckminsterfullereni, si fullerenet e tjera, është një formë alotropike e karbonit.

1986-1992 C. Eric Drexler boton dy libra të rëndësishëm mbi futurologjinë që popullarizojnë nanoteknologjinë. E para, e lëshuar në vitin 1986, quhet Engines of Creation: The Coming Era of Nanoteknology. Ai parashikon, ndër të tjera, se teknologjitë e ardhshme do të jenë në gjendje të manipulojnë atomet individuale në një mënyrë të kontrolluar. Në vitin 1992, ai botoi Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and Computational Idea, të cilat nga ana e tyre parashikuan që nanomakinat mund të riprodhoheshin vetë.

1989 Donald M. Aigler i IBM vendos fjalën "IBM" - e bërë nga 35 atome ksenon - në një sipërfaqe nikeli.

1991 Sumio Iijima nga NEC në Tsukuba, Japoni, zbulon nanotuba karboni, struktura cilindrike të zbrazëta. Deri më sot, nanotubat e karbonit më të njohur, muret e të cilave janë bërë prej grafeni të mbështjellë. Ekzistojnë gjithashtu nanotuba pa karbon dhe nanotuba të ADN-së. Nanotubat më të hollë të karbonit janë të rendit të një nanometër në diametër dhe mund të jenë miliona herë më të gjatë. Ata kanë forcë të jashtëzakonshme tërheqëse dhe veti unike elektrike, dhe janë përcjellës të shkëlqyeshëm të nxehtësisë. Këto veti i bëjnë ato materiale premtuese për aplikime në nanoteknologji, elektronikë, optikë dhe shkencën e materialeve.

1993 Warren Robinett i Universitetit të Karolinës së Veriut dhe R. Stanley Williams nga UCLA po ndërtojnë një sistem realiteti virtual të lidhur me një mikroskop tunelimi skanues që lejon përdoruesin të shohë dhe madje të prekë atomet.

1998 Ekipi i Cees Dekker në Universitetin e Teknologjisë Delft në Holandë po ndërton një tranzistor që përdor nanotuba karboni. Aktualisht, shkencëtarët po përpiqen të përdorin vetitë unike të nanotubave të karbonit për të prodhuar elektronikë më të mirë dhe më të shpejtë që konsumojnë më pak energji elektrike. Kjo u kufizua nga një sërë faktorësh, disa prej të cilëve u tejkaluan gradualisht, të cilët në vitin 2016 i shtynë studiuesit në Universitetin e Wisconsin-Madison të krijonin një transistor karboni me parametra më të mirë se prototipet më të mira të silikonit. Hulumtimet nga Michael Arnold dhe Padma Gopalan çuan në zhvillimin e një tranzistori me nanotub karboni që mund të mbajë dyfishin e rrymës së konkurrentit të tij silikoni.

2003 Samsung patenton një teknologji të avancuar të bazuar në veprimin e joneve mikroskopike të argjendit për të vrarë mikrobet, mykun dhe më shumë se gjashtëqind lloje bakteresh dhe për të parandaluar përhapjen e tyre. Grimcat e argjendit janë futur në sistemet më të rëndësishme të filtrimit të kompanisë - të gjithë filtrat dhe kolektori i pluhurit ose qesja.

2004 Shoqëria Mbretërore Britanike dhe Akademia Mbretërore e Inxhinierisë publikojnë raportin "Nanoshkenca dhe Nanoteknologjia: Mundësitë dhe Pasiguritë", duke bërë thirrje për kërkime mbi rreziqet e mundshme të nanoteknologjisë për shëndetin, mjedisin dhe shoqërinë, duke marrë parasysh aspektet etike dhe ligjore.

Modeli nanomotor në rrota fullerene

2006 James Tour, së bashku me një ekip shkencëtarësh nga Universiteti Rajs, ndërton një "fugon" mikroskopik nga molekula oligo (fenileneetinileni), boshtet e së cilës janë bërë nga atome alumini, dhe rrotat janë bërë nga fullerene C60. Nanovetura lëvizi mbi sipërfaqe, e përbërë nga atome ari, nën ndikimin e rritjes së temperaturës, për shkak të rrotullimit të "rrotave" të fullerenit. Mbi një temperaturë prej 300 ° C, ajo u përshpejtua aq shumë sa kimistët nuk mund ta gjurmonin më ...

2007 Nanoteknologët e Teknionit vendosin të gjithë "Dhjatën e Vjetër" hebreje në një sipërfaqe prej vetëm 0,5 mm² meshë silikoni të veshur me ar. Teksti u gdhend duke drejtuar një rrymë të fokusuar të joneve të galiumit në pjatë.

2009-2010 Nadrian Seaman dhe kolegët në Universitetin e Nju Jorkut po krijojnë një seri nanomantesh të ngjashme me ADN-në, në të cilat strukturat sintetike të ADN-së mund të programohen për të "prodhuar" struktura të tjera me forma dhe veti të dëshiruara.

2013 Shkencëtarët e IBM po krijojnë një film të animuar që mund të shihet vetëm pas zmadhimit 100 milionë herë. Quhet "Djali dhe atomi i tij" dhe vizatohet me pika diatomike një të miliarda e metër në madhësi, të cilat janë molekula të vetme të monoksidit të karbonit. Filmi vizatimor përshkruan një djalë që fillimisht luan me një top dhe më pas hidhet në një trampolinë. Një nga molekulat luan gjithashtu rolin e një topi. I gjithë veprimi zhvillohet në një sipërfaqe bakri dhe madhësia e çdo kornize filmi nuk i kalon disa dhjetëra nanometra.

2014 Shkencëtarët nga Universiteti i Teknologjisë ETH në Cyrih kanë arritur të krijojnë një membranë poroze të trashë më pak se një nanometër. Trashësia e materialit të marrë përmes manipulimit nanoteknologjik është 100 XNUMX. herë më e vogël se ajo e flokëve të njeriut. Sipas anëtarëve të ekipit të autorëve, ky është materiali poroz më i hollë që mund të merret dhe në përgjithësi është i mundur. Ai përbëhet nga dy shtresa të një strukture grafeni dydimensionale. Membrana është e përshkueshme, por vetëm ndaj grimcave të vogla, duke ngadalësuar ose duke bllokuar plotësisht grimcat më të mëdha.

2015 Po krijohet një pompë molekulare, një pajisje në shkallë nano që transferon energjinë nga një molekulë në tjetrën, duke imituar proceset natyrore. Paraqitja është projektuar nga studiues në Kolegjin Veriperëndimor të Arteve dhe Shkencave Weinberg. Mekanizmi i ngjan proceseve biologjike në proteina. Pritet që teknologji të tilla të gjejnë zbatim kryesisht në fushat e bioteknologjisë dhe mjekësisë, për shembull, në muskujt artificialë.

2016 Sipas një botimi në revistën shkencore Nature Nanotechnology, kërkuesit në Universitetin Teknik Hollandez Delft kanë zhvilluar mediume novatore të ruajtjes me një atom. Metoda e re duhet të sigurojë më shumë se pesëqind herë më shumë densitet magazinimi se çdo teknologji e përdorur aktualisht. Autorët vërejnë se rezultate edhe më të mira mund të arrihen duke përdorur një model tre-dimensional të vendndodhjes së grimcave në hapësirë.

Klasifikimi i nanoteknologjive dhe nanomaterialeve

1. Strukturat nanoteknologjike përfshijnë:

• puse kuantike, tela dhe pika, d.m.th. struktura të ndryshme që kombinojnë veçorinë e mëposhtme - kufizimin hapësinor të grimcave në një zonë të caktuar përmes barrierave të mundshme;
• plastika, struktura e së cilës kontrollohet në nivelin e molekulave individuale, falë të cilave është e mundur, për shembull, të merren materiale me veti mekanike të paparë;
• fibra artificiale - materiale me strukturë molekulare shumë precize, të dalluara edhe nga vetitë mekanike të pazakonta;
• nanotuba, struktura supramolekulare në formë cilindrash të zbrazëta. Deri më sot, nanotubat e karbonit më të njohur, muret e të cilëve janë bërë nga grafeni i palosur (shtresa grafiti monoatomik). Ekzistojnë gjithashtu nanotuba jo karboni (për shembull, nga sulfati i tungstenit) dhe nga ADN-ja;
• materialet e grimcuara në formë pluhuri, kokrrat e të cilit janë, për shembull, grumbullime atomesh metali. Argjendi () me veti të forta antibakteriale përdoret gjerësisht në këtë formë;
• nanotela (për shembull, argjendi ose bakri);
• elementë të formuar duke përdorur litografinë elektronike dhe metoda të tjera nanolitografike;
• fullerene;
• grafen dhe materiale të tjera dydimensionale (borofeni, grafeni, nitridi i borit gjashtëkëndor, siliceni, germaneni, sulfidi i molibdenit);
• materiale të përbëra të përforcuara me nanogrimca.

Sipërfaqja nanolitografike

2. Klasifikimi i nanoteknologjive në sistematikën e shkencave, i zhvilluar në vitin 2004 nga Organizata për Bashkëpunim dhe Zhvillim Ekonomik (OECD):

• nanomaterialet (prodhimi dhe vetitë);
• nanoproceset (aplikacionet në shkallë nano – biomaterialet i përkasin bioteknologjisë industriale).

3. Nanomateriale janë të gjitha materialet në të cilat ka struktura të rregullta në nivel molekular, d.m.th. jo më shumë se 100 nanometra.

Ky kufi mund t'i referohet madhësisë së domeneve si njësia bazë e mikrostrukturës, ose trashësisë së shtresave të marra ose të depozituara në nënshtresë. Në praktikë, kufiri nën të cilin i atribuohet nanomaterialeve është i ndryshëm për materialet me karakteristika të ndryshme të performancës - ai lidhet kryesisht me shfaqjen e vetive specifike kur tejkalohen. Duke zvogëluar madhësinë e strukturave të porositura të materialeve, është e mundur të përmirësohen ndjeshëm vetitë e tyre fiziko-kimike, mekanike dhe të tjera.

Nanomaterialet mund të ndahen në katër grupet e mëposhtme:

• zero-dimensionale (nanomateriale me pika) - për shembull, pika kuantike, nanogrimca argjendi;
• njëdimensionale – për shembull, nanotela metalikë ose gjysmëpërçues, nanoshkopinj, nanofibra polimerike;
• dy dimensionale – për shembull, shtresa nanometrike të një lloji njëfazor ose shumëfazor, grafen dhe materiale të tjera me trashësi prej një atomi;
• tredimensionale (ose nanokristaline) - përbëhet nga domene kristalore dhe akumulime fazash me madhësi të rendit të nanometrave ose përbërës të përforcuar me nanogrimca.