Historia Wynalazków - Nanotechnologia

Już około 600 roku p.n.e. ludzie wytwarzali struktury nanotypowe, czyli nici cementytowe w stali, zwane Wootz. Stało się to w Indiach i można to uznać za początek historii nanotechnologii.

VI-XV w. W barwnikach stosowanych w tym okresie do malowania witraży wykorzystuje się nanocząsteczki chlorku złota, chlorków innych metali, a także tlenki metali.

IX-XVII wiek Wiele miejsc w Europie produkuje „brokat” i inne substancje, które dodają połysku ceramice i innym przedmiotom. Zawierały nanocząsteczki metali, najczęściej srebra lub miedzi.

XNUMX-XNUMX w. Wytwarzana w ciągu tych stuleci „stal damasceńska”, z której wykonano słynną na całym świecie broń białą, zawiera nanorurki węglowe i nanowłókien cementytu.

1857 Michael Faraday odkrywa złoto koloidalne o rubinowej barwie charakterystycznej dla nanocząstek złota.

1931 Max Knoll i Ernst Ruska budują w Berlinie mikroskop elektronowy, pierwsze urządzenie pozwalające zobaczyć strukturę nanocząstek na poziomie atomowym. Im wyższa energia elektronów, tym krótsza jest ich długość fali i większa rozdzielczość mikroskopu. Próbka znajduje się w próżni i najczęściej jest pokryta metalową folią. Wiązka elektronów przechodzi przez obiekt testowy i dociera do detektorów. Na podstawie zmierzonych sygnałów urządzenia elektroniczne rekonstruują obraz badanej próbki.

1936 Erwin Müller, pracując w laboratoriach Siemensa, wynajduje polowy mikroskop emisyjny, najprostszą formę emisyjnego mikroskopu elektronowego. Mikroskop ten wykorzystuje silne pole elektryczne do emisji pola i obrazowania.

1950 Victor La Mer i Robert Dinegar tworzą teoretyczne podstawy techniki otrzymywania monodyspersyjnych materiałów koloidalnych. Umożliwiło to produkcję specjalnych rodzajów papieru, farb i cienkich folii na skalę przemysłową.

1956 Arthur von Hippel z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ukuł termin „inżynieria molekularna”.

1959 Richard Feynman wygłasza wykład „Na dole jest mnóstwo miejsca”. Zaczynając od wyobrażenia sobie, ile potrzeba, aby na główce szpilki zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannica, przedstawił koncepcję miniaturyzacji i możliwości wykorzystania technologii działających na poziomie nanometrów. Z tej okazji ustanowił dwie nagrody (tzw. Nagrody Feynmana) za osiągnięcia na tym polu – każda o wartości tysiąca dolarów.

1960 Wypłata pierwszej nagrody rozczarowała Feynmana. Zakładał, że do osiągnięcia swoich celów potrzebne będą przełomy technologiczne, jednak wówczas nie docenił potencjału mikroelektroniki. Zwycięzcą został 35-letni inżynier William H. McLellan. Stworzył silnik o wadze 250 mikrogramów i mocy 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho i John Arthur opracowują metodę epitaksji. Pozwala na tworzenie monoatomowych warstw powierzchniowych przy użyciu technologii półprzewodnikowej - wzrost nowych warstw monokrystalicznych na istniejącym podłożu krystalicznym, powielając strukturę istniejącego podłoża krystalicznego. Odmianą epitaksji jest epitaksja związków molekularnych, która umożliwia osadzanie warstw krystalicznych o grubości jednej warstwy atomowej. Metodę tę wykorzystuje się do produkcji kropek kwantowych i tzw. cienkich warstw.

1974 Wprowadzenie terminu „nanotechnologia”. Została po raz pierwszy zastosowana przez badacza z Uniwersytetu Tokijskiego Norio Taniguchi na konferencji naukowej. Definicja japońskiej fizyki jest wciąż w użyciu i brzmi tak: „Nanotechnologia to produkcja z wykorzystaniem technologii, która pozwala na osiągnięcie bardzo dużej precyzji i niezwykle małych rozmiarów, tj. dokładność rzędu 1 nm.”

Wizualizacja kropli kwantowej

80 i 90 Okres szybkiego rozwoju technologii litograficznej i wytwarzania ultracienkich warstw kryształów. Pierwsza, MOCVD (), to metoda osadzania warstw na powierzchni materiałów za pomocą gazowych związków metaloorganicznych. Jest to jedna z metod epitaksjalnych, stąd jej alternatywna nazwa – MOSFE (). Druga metoda, MBE, pozwala na osadzanie bardzo cienkich warstw nanometrowych o ściśle określonym składzie chemicznym i precyzyjnym rozkładzie profilu stężenia zanieczyszczeń. Jest to możliwe dzięki temu, że składniki warstwy dostarczane są do podłoża osobnymi wiązkami molekularnymi.

1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer tworzą skaningowy mikroskop tunelowy. Wykorzystując siły oddziaływań międzyatomowych, pozwala na zobrazowanie powierzchni z rozdzielczością rzędu wielkości pojedynczego atomu poprzez przesuwanie ostrza nad lub pod powierzchnią próbki. W 1989 roku urządzenie wykorzystano do manipulacji pojedynczymi atomami. Binnig i Rohrer otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku.

1985 Louis Brus z Bell Labs odkrywa koloidalne nanokryształy półprzewodników (kropki kwantowe). Definiuje się je jako mały obszar przestrzeni, ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, w który wchodzi cząstka o długości fali porównywalnej z wielkością punktu.

Okładka książki Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology autorstwa C. Erica Drexlera

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Croteau i Richard Errett Smalley odkrywają fulereny, cząsteczki złożone z parzystej liczby atomów węgla (od 28 do około 1500), które tworzą zamknięte, puste w środku ciało. Właściwości chemiczne fulerenów są pod wieloma względami podobne do właściwości węglowodorów aromatycznych. Fuleren C60, czyli buckminsterfulleren, podobnie jak inne fulereny, jest alotropową formą węgla.

1986-1992 C. Eric Drexler publikuje dwie ważne książki z zakresu futurologii popularyzujące nanotechnologię. Pierwsza, wydana w 1986 roku, nosi tytuł Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Przewiduje m.in., że przyszłe technologie będą mogły manipulować pojedynczymi atomami w kontrolowany sposób. W 1992 roku opublikował książkę Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, w której z kolei przewidywał, że nanomaszyny będą mogły się rozmnażać.

1989 Donald M. Aigler z IBM umieszcza słowo „IBM” – wykonane z 35 atomów ksenonu – na niklowej powierzchni.

1991 Sumio Iijima z NEC w Tsukuba w Japonii odkrywa nanorurki węglowe, puste cylindryczne struktury. Obecnie najbardziej znane są nanorurki węglowe, których ścianki wykonane są z walcowanego grafenu. Istnieją również nanorurki niewęglowe i nanorurki DNA. Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę rzędu jednego nanometra i mogą być miliony razy dłuższe. Mają niezwykłą wytrzymałość na rozciąganie i wyjątkowe właściwości elektryczne, a także są doskonałymi przewodnikami ciepła. Te właściwości czynią je obiecującymi materiałami do zastosowań w nanotechnologii, elektronice, optyce i materiałoznawstwie.

1993 Warren Robinett z Uniwersytetu Karoliny Północnej i R. Stanley Williams z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles tworzą system rzeczywistości wirtualnej połączony ze skaningowym mikroskopem tunelowym, który pozwala użytkownikowi zobaczyć, a nawet dotknąć atomów.

1998 Zespół Ceesa Dekkera na Uniwersytecie Technologicznym w Delft w Holandii tworzy tranzystor wykorzystujący nanorurki węglowe. Obecnie naukowcy próbują wykorzystać unikalne właściwości nanorurek węglowych do produkcji lepszej i szybszej elektroniki, zużywającej mniej prądu. Ograniczało to szereg czynników, z których część stopniowo przezwyciężano, dzięki czemu w 2016 roku badacze z Uniwersytetu Wisconsin-Madison stworzyli tranzystor węglowy o parametrach lepszych od najlepszych krzemowych prototypów. Badania prowadzone przez Michaela Arnolda i Padmę Gopalan doprowadziły do ​​opracowania tranzystora z nanorurki węglowej, który może przewodzić prąd dwukrotnie większy niż jego krzemowy konkurent.

2003 Samsung opatentował zaawansowaną technologię opartą na działaniu mikroskopijnych jonów srebra, które niszczą zarazki, pleśń i ponad sześćset rodzajów bakterii oraz zapobiegają ich rozprzestrzenianiu się. Cząsteczki srebra zostały wprowadzone do najważniejszych układów filtracyjnych w firmowym odkurzaczu – wszystkich filtrów oraz pojemnika lub worka na kurz.

2004 Brytyjskie Towarzystwo Królewskie i Królewska Akademia Inżynierii publikują raport „Nanonauka i nanotechnologia: możliwości i niepewności”, w którym wzywają do przeprowadzenia badań nad potencjalnymi zagrożeniami, jakie nanotechnologia stanowi dla zdrowia, środowiska i społeczeństwa, z uwzględnieniem względów etycznych i prawnych.

Model nanosilnika na kołach fulerenowych

2006 James Tour wraz z zespołem naukowców z Rice University konstruuje mikroskopijną „furgonetkę” z cząsteczki oligo (fenylenoetynylenu), której osie zbudowane są z atomów aluminium, a koła z fulerenów C60. Nanonośnik poruszał się po powierzchni składającej się z atomów złota pod wpływem rosnącej temperatury, dzięki obrotowi „koł” fulerenowych. Powyżej temperatury 300°C przyspieszał tak bardzo, że chemicy nie byli już w stanie go wyśledzić...

2007 Nanotechnologowie Technion umieścili cały żydowski „Stary Testament” na powierzchni zaledwie 0,5 mm² pozłacany wafelek silikonowy. Tekst został wygrawerowany poprzez skierowanie skupionego strumienia jonów galu na płytkę.

2009-2010 Nadrian Seaman i jego współpracownicy z New York University tworzą serię nanocząsteczek przypominających DNA, w których można zaprogramować syntetyczne struktury DNA w celu „wytwarzania” innych struktur o pożądanych kształtach i właściwościach.

2013 Naukowcy IBM tworzą film animowany, który można obejrzeć dopiero po 100 milionach powiększeń. Nazywa się „Chłopiec i jego atom” i jest narysowany za pomocą dwuatomowych kropek o wielkości jednej miliardowej metra, które reprezentują pojedyncze cząsteczki tlenku węgla. Kreskówka przedstawia chłopca, który najpierw bawi się piłką, a następnie skacze na trampolinie. Jedna z cząsteczek pełni także rolę kuli. Cała akcja rozgrywa się na miedzianej powierzchni, a wielkość każdej klatki filmu nie przekracza kilkudziesięciu nanometrów.

2014 Naukowcom z Politechniki ETH w Zurychu udało się stworzyć porowatą membranę o grubości mniejszej niż jeden nanometr. Grubość materiału uzyskanego w wyniku manipulacji nanotechnologicznej wynosi 100. razy mniej niż ludzki włos. Według członków zespołu autorów jest to najcieńszy materiał porowaty, jaki można uzyskać i jest w zasadzie możliwy. Składa się z dwóch warstw dwuwymiarowej struktury grafenowej. Membrana jest przepuszczalna, ale tylko dla małych cząstek, spowalniając lub całkowicie zatrzymując większe cząstki.

2015 Powstaje pompa molekularna – urządzenie wielkości nano, które przenosi energię z jednej cząsteczki na drugą, imitując naturalne procesy. Układ został opracowany przez naukowców z Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. Mechanizm przypomina procesy biologiczne zachodzące w białkach. Oczekuje się, że technologie tego typu znajdą zastosowanie głównie w dziedzinach biotechnologii i medycyny, np. sztuczne mięśnie.

2016 Jak wynika z publikacji w czasopiśmie naukowym Nature Nanotechnology, naukowcy z Holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft opracowali innowacyjne jednoatomowe nośniki danych. Nowa metoda powinna zapewnić ponad pięćsetkrotnie większą gęstość przechowywania danych niż jakakolwiek obecnie stosowana technologia. Autorzy zauważają, że stosując trójwymiarowy model lokalizacji cząstek w przestrzeni, można uzyskać jeszcze lepsze wyniki.

Klasyfikacja nanotechnologii i nanomateriałów

1. Struktury nanotechnologiczne obejmują:

• studnie, druty i kropki kwantowe, tj. różne struktury, które łączą następującą cechę - przestrzenne ograniczenie cząstek na określonym obszarze przez bariery potencjału;
• tworzywa sztuczne, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek, dzięki czemu możliwe jest np. uzyskanie materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach mechanicznych;
• włókna sztuczne – materiały o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, wyróżniające się także niezwykłymi właściwościami mechanicznymi;
• nanorurki, struktury supramolekularne w postaci pustych cylindrów. Obecnie najbardziej znane są nanorurki węglowe, których ścianki zbudowane są z sfałdowanego grafenu (warstwy grafitu jednoatomowego). Istnieją również nanorurki niewęglowe (na przykład z siarczku wolframu) i z DNA;
• materiały rozdrobnione na pył, których ziarna stanowią np. skupiska atomów metalu. W tej postaci szeroko stosowane jest srebro () o silnych właściwościach antybakteryjnych;
• nanodruty (na przykład srebro lub miedź);
• elementy formowane metodami litografii elektronowej i innymi metodami nanolitografii;
• fulereny;
• grafen i inne materiały dwuwymiarowe (borofen, grafen, heksagonalny azotek boru, silicen, german, siarczek molibdenu);
• materiały kompozytowe wzmacniane nanocząsteczkami.

Powierzchnia nanolitograficzna

2. Klasyfikacja nanotechnologii w taksonomii nauk opracowana w 2004 roku przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD):

• nanomateriały (produkcja i właściwości);
• nanoprocesy (zastosowania w nanoskali - biomateriały należą do biotechnologii przemysłowej).

3. Nanomateriałami są wszelkie materiały posiadające regularne struktury na poziomie molekularnym, tj. nie przekraczającej 100 nanometrów.

Granica ta może odnosić się do wielkości domen jako podstawowej jednostki mikrostruktury lub do grubości warstw otrzymanych lub osadzonych na podłożu. W praktyce granica, poniżej której przypisuje się nanomateriałom, jest różna dla materiałów o różnych właściwościach użytkowych – wiąże się głównie z pojawieniem się określonych właściwości po przekroczeniu. Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów, można znacznie poprawić ich właściwości fizykochemiczne, mechaniczne i inne.

Nanomateriały można podzielić na cztery grupy:

• zerowymiarowy (nanomateriały kropkowe) – np. kropki kwantowe, nanocząsteczki srebra;
• jednowymiarowy – na przykład nanodruty metalowe lub półprzewodnikowe, nanopręty, nanowłókna polimerowe;
• dwuwymiarowy – na przykład warstwy nanometrowe typu jednofazowego lub wielofazowego, grafenu i innych materiałów o grubości jednego atomu;
• trójwymiarowy (lub nanokrystaliczne) - składają się z domen krystalicznych i nagromadzeń faz o wielkości rzędu nanometrów lub kompozytów wzmocnionych nanocząstkami.