Buluşların Tarihi - Nanoteknoloji

Zaten MÖ 600 civarında. insanlar nanotip yapılar, yani Wootz adı verilen çelikten sementit şeritler üretiyorlardı. Bu Hindistan'da oldu ve bu nanoteknoloji tarihinin başlangıcı olarak kabul edilebilir.

VI-XV s. Bu dönemde vitray pencereleri boyamak için kullanılan boyalar, metal oksitlerin yanı sıra altın klorür nanoparçacıklarını, diğer metallerin klorürlerini kullanır.

IX-XVII yüzyıllar Avrupa'nın pek çok yerinde, seramik ve diğer ürünlere parlaklık kazandırmak için "parıltı" ve diğer maddeler üretilmektedir. Çoğu zaman gümüş veya bakır olmak üzere metallerin nanoparçacıklarını içeriyorlardı.

XNUMX-XNUMX w. Dünyaca ünlü beyaz silahların yapıldığı bu yüzyıllarda üretilen “Şam çeliği”, karbon nanotüpler ve sementit nanolifler içerir.

1857 Michael Faraday, altın nanoparçacıklarının özelliği olan yakut renkli kolloidal altını keşfetti.

1931 Max Knoll ve Ernst Ruska, Berlin'de atom seviyesinde nanoparçacıkların yapısını gören ilk cihaz olan bir elektron mikroskobu inşa ediyor. Elektronların enerjisi ne kadar büyük olursa, dalga boyları o kadar kısa olur ve mikroskobun çözünürlüğü o kadar yüksek olur. Numune bir vakum içindedir ve çoğunlukla metal bir film ile kaplanmıştır. Elektron ışını test edilen nesneden geçer ve dedektörlere girer. Ölçülen sinyallere dayanarak, elektronik cihazlar test örneğinin görüntüsünü yeniden oluşturur.

1936 Siemens Laboratuvarlarında çalışan Erwin Müller, emisyon elektron mikroskobunun en basit şekli olan alan emisyon mikroskobunu icat eder. Bu mikroskop, alan emisyonu ve görüntüleme için güçlü bir elektrik alanı kullanır.

1950 Victor La Mer ve Robert Dinegar, monodispers kolloidal materyaller elde etme tekniğinin teorik temellerini oluşturuyor. Bu, endüstriyel ölçekte özel kağıt, boya ve ince film türlerinin üretilmesine izin verdi.

1956 Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) Arthur von Hippel "moleküler mühendislik" terimini ortaya attı.

1959 Richard Feynman, "Altta çok yer var" üzerine ders veriyor. 24 ciltlik bir Britannica Ansiklopedisi'ni bir toplu iğne başına sığdırmak için neler gerektiğini hayal ederek başlayarak, minyatürleştirme kavramını ve nanometre düzeyinde çalışabilecek teknolojileri kullanma olasılığını tanıttı. Bu vesileyle, bu alandaki başarılar için iki ödül (sözde Feynman Ödülleri) belirledi - her biri bin dolar.

1960 Birincilik ödülü Feynman'ı hayal kırıklığına uğrattı. Hedeflerine ulaşmak için teknolojik bir atılımın gerekli olacağını varsayıyordu, ancak o sırada mikro elektroniğin potansiyelini hafife aldı. Kazanan 35 yaşındaki mühendis William H. McLellan oldu. 250 mikrogram ağırlığında, 1 mW gücünde bir motor yarattı.

1968 Alfred Y. Cho ve John Arthur epitaksi yöntemini geliştirdi. Yarı iletken teknolojisi kullanılarak yüzey monoatomik katmanlarının oluşumuna izin verir - mevcut bir kristal alt tabaka üzerinde yeni tek kristalli katmanların büyümesi, mevcut kristal alt tabakanın yapısını kopyalar. Bir epitaksi varyasyonu, moleküler bileşiklerin epitaksisidir ve bu, bir atomik tabaka kalınlığında kristal tabakaların biriktirilmesini mümkün kılar. Bu yöntem, kuantum noktalarının ve sözde ince katmanların üretiminde kullanılır.

1974 "Nanoteknoloji" teriminin tanıtımı. İlk olarak Tokyo Üniversitesi araştırmacısı Norio Taniguchi tarafından bir bilimsel konferansta kullanıldı. Japon fiziğinin tanımı günümüze kadar kullanılmaya devam ediyor ve kulağa şöyle geliyor: “Nanoteknoloji, çok yüksek doğruluk ve son derece küçük boyutlar elde etmeyi sağlayan teknolojiyi kullanan bir üretimdir, yani. 1 nm sırasının doğruluğu.

Bir kuantum düşüşünün görselleştirilmesi

80'lar ve 90'ler Litografik teknolojinin hızlı gelişme dönemi ve ultra ince kristal katmanlarının üretimi. Birincisi, MOCVD(), gaz halindeki organometalik bileşikler kullanılarak malzemelerin yüzeyinde katmanların biriktirilmesi için bir yöntemdir. Bu epitaksiyel yöntemlerden biridir, dolayısıyla alternatif adı - MOSFE (). İkinci yöntem olan MBE, kesin olarak tanımlanmış bir kimyasal bileşim ve safsızlık konsantrasyon profilinin kesin dağılımı ile çok ince nanometre katmanlarının biriktirilmesini mümkün kılar. Bu, katman bileşenlerinin alt tabakaya ayrı moleküler ışınlarla beslenmesi nedeniyle mümkündür.

1981 Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, taramalı tünelleme mikroskobunu yarattı. Atomlar arası etkileşimlerin kuvvetlerini kullanarak, bıçağı numunenin yüzeyinin üstünden veya altından geçirerek, tek bir atomun büyüklüğünün mertebesinde bir çözünürlükle yüzeyin bir görüntüsünü elde etmenizi sağlar. 1989'da, cihaz tek tek atomları manipüle etmek için kullanıldı. Binnig ve Rohrer 1986 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

1985 Bell Laboratuarlarından Louis Brus, kolloidal yarı iletken nanokristalleri (kuantum noktaları) keşfeder. Nokta boyutuna benzer dalga boyuna sahip bir parçacık girdiğinde, potansiyel engellerle üç boyutta sınırlanmış küçük bir alan alanı olarak tanımlanırlar.

C. Eric Drexler tarafından kaleme alınan Yaratılış Motorları: Nanoteknolojinin Yaklaşan Çağı kitabının kapağı

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto ve Richard Erret Smalley, kapalı, içi boş bir gövde oluşturan çift sayıda karbon atomundan (28 ila 1500 arası) oluşan fullerenleri keşfettiler. Fullerenlerin kimyasal özellikleri birçok yönden aromatik hidrokarbonlarınkine benzerdir. Fullerene C60 veya buckminsterfullerene, diğer fullerenler gibi, karbonun allotropik bir formudur.

1986-1992 C. Eric Drexler, nanoteknolojiyi popülerleştiren fütüroloji üzerine iki önemli kitap yayınlıyor. 1986'da piyasaya sürülen ilki, Yaratılış Motorları: Nanoteknolojinin Yaklaşan Çağı olarak adlandırılıyor. Diğer şeylerin yanı sıra, gelecekteki teknolojilerin tek tek atomları kontrollü bir şekilde manipüle edebileceğini tahmin ediyor. 1992'de Nanosistemler: Moleküler Donanım, İmalat ve Hesaplamalı Fikir'i yayınladı ve bu da nanomakinelerin kendilerini yeniden üretebileceğini öngördü.

1989 IBM'den Donald M. Aigler, 35 ksenon atomundan yapılmış "IBM" kelimesini nikel bir yüzeye koyuyor.

1991 Japonya, Tsukuba'daki NEC'den Sumio Iijima, içi boş silindirik yapılar olan karbon nanotüpleri keşfeder. Bugüne kadar, duvarları haddelenmiş grafenden yapılmış en iyi bilinen karbon nanotüpler. Karbon olmayan nanotüpler ve DNA nanotüpler de vardır. En ince karbon nanotüpler, bir nanometre çapındadır ve milyonlarca kat daha uzun olabilir. Olağanüstü gerilme mukavemetine ve benzersiz elektriksel özelliklere sahiptirler ve mükemmel ısı iletkenleridir. Bu özellikler onları nanoteknoloji, elektronik, optik ve malzeme bilimindeki uygulamalar için umut verici malzemeler haline getiriyor.

1993 North Carolina Üniversitesi'nden Warren Robinett ve UCLA'dan R. Stanley Williams, kullanıcının atomları görmesini ve hatta dokunmasını sağlayan bir tarama tünelleme mikroskobuna bağlı bir sanal gerçeklik sistemi inşa ediyor.

1998 Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'ndeki Cees Dekker ekibi, karbon nanotüpleri kullanan bir transistör inşa ediyor. Şu anda bilim adamları, daha az elektrik tüketen daha iyi ve daha hızlı elektronikler üretmek için karbon nanotüplerin benzersiz özelliklerini kullanmaya çalışıyorlar. Bu, 2016'da Wisconsin-Madison Üniversitesi'ndeki araştırmacıları en iyi silikon prototiplerinden daha iyi parametrelere sahip bir karbon transistör oluşturmaya yönlendiren, bazıları yavaş yavaş üstesinden gelinen bir dizi faktörle sınırlıydı. Michael Arnold ve Padma Gopalan tarafından yapılan araştırma, silikon rakibinin iki katı akım taşıyabilen bir karbon nanotüp transistörünün geliştirilmesine yol açtı.

2003 Samsung, mikroskobik gümüş iyonlarının mikropları, küfü ve altı yüzden fazla bakteri türünü öldürme ve yayılmalarını önleme etkisine dayanan ileri bir teknolojinin patentini alır. Şirketin en önemli filtreleme sistemlerine - tüm filtrelere ve toz toplayıcı veya torbaya - gümüş parçacıklar eklenmiştir.

2004 İngiliz Kraliyet Cemiyeti ve Kraliyet Mühendislik Akademisi, "Nanobilim ve Nanoteknoloji: Fırsatlar ve Belirsizlikler" raporunu yayınlayarak, nanoteknolojinin sağlık, çevre ve toplum üzerindeki potansiyel risklerini etik ve yasal yönleri dikkate alarak araştırma çağrısında bulundu.

Fulleren tekerlekler üzerinde nanomotor modeli

2006 James Tour, Rice Üniversitesi'nden bir bilim insanı ekibiyle birlikte, aksları alüminyum atomlarından ve tekerlekleri C60 fullerenlerden oluşan oligo (fenilenetinilen) molekülünden mikroskobik bir "kamyonet" inşa ediyor. Nano araç, fulleren "tekerleklerin" dönmesi nedeniyle sıcaklık artışının etkisi altında altın atomlarından oluşan yüzey üzerinde hareket etti. 300 °C'nin üzerinde bir sıcaklık o kadar hızlandı ki kimyagerler artık onu izleyemedi ...

2007 Technion nanoteknoloji uzmanları, tüm Yahudi "Eski Ahit" i sadece 0,5 mm'lik bir alana sığdırıyor² altın kaplama silikon gofret. Metin, odaklanmış bir galyum iyonu akışı plakaya yönlendirilerek oyulmuştur.

2009-2010 Nadrian Seaman ve New York Üniversitesi'ndeki meslektaşları, sentetik DNA yapılarının istenen şekil ve özelliklere sahip diğer yapıları "üretmek" için programlanabileceği bir dizi DNA benzeri nano-bağlar oluşturuyorlar.

2013 IBM bilim adamları, yalnızca 100 milyon kez büyütüldükten sonra izlenebilecek bir animasyon filmi oluşturuyorlar. "Oğlan ve Atomu" olarak adlandırılır ve tek karbon monoksit molekülleri olan metrenin milyarda biri büyüklüğünde iki atomlu noktalarla çizilir. Çizgi film, önce topla oynayan, sonra trambolinde zıplayan bir çocuğu tasvir ediyor. Moleküllerden biri de bir top rolünü oynar. Tüm hareketler bakır bir yüzey üzerinde gerçekleşir ve her bir film çerçevesinin boyutu birkaç on nanometreyi geçmez.

2014 Zürih'teki ETH Teknoloji Üniversitesi'nden bilim adamları, bir nanometre kalınlığından daha az gözenekli bir zar oluşturmayı başardılar. Nanoteknolojik manipülasyon yoluyla elde edilen malzemenin kalınlığı 100 XNUMX'dir. insan saçından kat kat daha küçüktür. Yazar ekibinin üyelerine göre, bu elde edilebilecek ve genellikle mümkün olan en ince gözenekli malzemedir. İki boyutlu bir grafen yapısının iki katmanından oluşur. Membran geçirgendir, ancak yalnızca küçük parçacıklara karşı, daha büyük parçacıkları yavaşlatır veya tamamen yakalar.

2015 Doğal süreçleri taklit ederek enerjiyi bir molekülden diğerine aktaran nano ölçekli bir cihaz olan moleküler bir pompa oluşturuluyor. Düzen, Weinberg Northwestern Sanat ve Bilim Koleji'ndeki araştırmacılar tarafından tasarlandı. Mekanizma, proteinlerdeki biyolojik süreçleri andırıyor. Bu tür teknolojilerin esas olarak biyoteknoloji ve tıp alanlarında, örneğin yapay kaslarda uygulama bulması beklenmektedir.

2016 Bilimsel dergi Nature Nanotechnology'de yayınlanan bir yayına göre, Hollanda Teknik Üniversitesi Delft'teki araştırmacılar çığır açan tek atomlu depolama ortamı geliştirdiler. Yeni yöntem, şu anda kullanımda olan herhangi bir teknolojiden beş yüz kat daha yüksek depolama yoğunluğu sağlamalıdır. Yazarlar, parçacıkların uzaydaki konumunun üç boyutlu bir modeli kullanılarak daha da iyi sonuçların elde edilebileceğini belirtiyorlar.

Nanoteknolojilerin ve nanomalzemelerin sınıflandırılması

1. Nanoteknolojik yapılar şunları içerir:

• kuantum kuyuları, teller ve noktalar, yani aşağıdaki özelliği birleştiren çeşitli yapılar - belirli bir alandaki parçacıkların potansiyel engeller yoluyla uzamsal olarak sınırlandırılması;
• yapısı, örneğin benzeri görülmemiş mekanik özelliklere sahip malzemeler elde etmenin mümkün olduğu, tek tek moleküller düzeyinde kontrol edilen plastikler;
• yapay lifler - çok hassas moleküler yapıya sahip malzemeler, ayrıca olağandışı mekanik özelliklerle ayırt edilir;
• nanotüpler, içi boş silindirler şeklinde supramoleküler yapılar. Bugüne kadar, duvarları katlanmış grafenden (monatomik grafit katmanları) yapılmış en iyi bilinen karbon nanotüpler. Ayrıca karbon olmayan nanotüpler (örneğin, tungsten sülfürden) ve DNA'dan;
• taneleri örneğin metal atomlarının birikimi olan toz şeklinde ezilmiş malzemeler. Güçlü antibakteriyel özelliklere sahip olan gümüş () bu formda yaygın olarak kullanılmaktadır;
• nanoteller (örneğin gümüş veya bakır);
• elektron litografisi ve diğer nanolitografi yöntemleri kullanılarak oluşturulan elemanlar;
• fullerenler;
• grafen ve diğer iki boyutlu malzemeler (borofen, grafen, altıgen bor nitrür, silisen, germanen, molibden sülfür);
• nanoparçacıklarla güçlendirilmiş kompozit malzemeler.

nanolitografik yüzey

2. 2004 yılında Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü (OECD) tarafından geliştirilen bilim sistematiğinde nanoteknolojilerin sınıflandırılması:

• nanomalzemeler (üretim ve özellikler);
• nanoprosesler (nano ölçekli uygulamalar - endüstriyel biyoteknolojiye ait biyomalzemeler).

3. Nanomalzemeler, moleküler düzeyde düzenli yapıların olduğu tüm materyallerdir, yani. 100 nanometreyi geçmez.

Bu sınır, mikroyapının temel birimi olarak alanların boyutuna veya substrat üzerinde elde edilen veya biriktirilen katmanların kalınlığına atıfta bulunabilir. Uygulamada, nanomalzemelere atfedilen alt sınır, farklı performans özelliklerine sahip malzemeler için farklıdır - esas olarak aşıldığında belirli özelliklerin ortaya çıkmasıyla ilişkilendirilir. Malzemelerin sıralı yapılarının boyutunu küçülterek, fizikokimyasal, mekanik ve diğer özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmek mümkündür.

Nanomalzemeler aşağıdaki dört gruba ayrılabilir:

• sıfır boyutlu (nokta nanomalzemeler) - örneğin kuantum noktaları, gümüş nanopartiküller;
• tek boyutlu – örneğin, metal veya yarı iletken nanoteller, nanoçubuklar, polimerik nanolifler;
• iki boyutlu – örneğin, tek fazlı veya çok fazlı tipteki nanometre katmanları, grafen ve bir atom kalınlığındaki diğer malzemeler;
• XNUMX boyutlu (veya nanokristalin) - kristalin alanlardan ve nanometre mertebesinde boyutlara sahip faz birikimlerinden veya nanoparçacıklarla güçlendirilmiş kompozitlerden oluşur.