Өнертабыстар тарихы - нанотехнология

Біздің дәуірімізге дейінгі 600 жж. адамдар нанотиптік құрылымдарды, яғни Wootz деп аталатын болаттан цементит жіптерін шығарды. Бұл Үндістанда болды және мұны нанотехнология тарихының бастауы деп санауға болады.

VI-XV ғ. Осы кезеңде витраждарды бояу үшін қолданылатын бояғыштар алтын хлоридінің нанобөлшектерін, басқа металдардың хлоридтерін, сондай-ақ металл оксидтерін пайдаланады.

IX-XVII ғасырлар Еуропаның көптеген жерлерінде керамика мен басқа да бұйымдарға жылтыр беру үшін «жылтыр» және басқа заттар шығарылады. Олардың құрамында металдардың нанобөлшектері болды, көбінесе күміс немесе мыс.

XIII-xviii w. Осы ғасырларда өндірілген, әлемге әйгілі ақ қарулар жасалған «Дамаск болатының» құрамында көміртекті нанотүтіктер мен цементит наноталшықтары бар.

1857 Майкл Фарадей алтын нанобөлшектеріне тән лағыл түсті коллоидты алтынды тапты.

1931 Макс Нолл мен Эрнст Руска Берлинде атомдық деңгейде нанобөлшектердің құрылымын көретін алғашқы құрылғы болып табылатын электронды микроскопты құрастырды. Электрондардың энергиясы неғұрлым көп болса, соғұрлым олардың толқын ұзындығы қысқарады және микроскоптың ажыратымдылығы соғұрлым жоғары болады. Үлгі вакуумда және көбінесе металл пленкамен жабылған. Электрондық сәуле сыналған объект арқылы өтіп, детекторларға түседі. Өлшенген сигналдар негізінде электронды құрылғылар сынақ үлгісінің бейнесін қайта жасайды.

1936 Сименс зертханасында жұмыс істейтін Эрвин Мюллер өрістік эмиссиялық микроскопты, эмиссиялық электронды микроскоптың қарапайым түрін ойлап тапты. Бұл микроскоп өрісті шығару және бейнелеу үшін күшті электр өрісін пайдаланады.

1950 Виктор Ла Мер және Роберт Динегар монодисперсті коллоидты материалдарды алу техникасының теориялық негіздерін жасайды. Бұл өнеркәсіптік ауқымда қағаздың, бояулардың және жұқа пленкалардың арнайы түрлерін шығаруға мүмкіндік берді.

1956 Массачусетс технологиялық институтының (MIT) қызметкері Артур фон Хиппел «молекулалық инженерия» терминін енгізді.

1959 Ричард Фейнман «Төменгі жағында көп орын бар» тақырыбында дәріс оқиды. 24 томдық Британ энциклопедиясын түйреуіш басына қондыру үшін не қажет екенін елестетуден бастап, ол миниатюризация тұжырымдамасын және нанометр деңгейінде жұмыс істей алатын технологияларды пайдалану мүмкіндігін ұсынды. Осы орайда ол осы саладағы жетістіктері үшін екі марапатты (Фейнман сыйлығы деп аталатын) тағайындады - әрқайсысы бір мың доллар.

1960 Бірінші сыйлықты төлеу Фейнманның көңілін қалдырды. Ол өз мақсаттарына жету үшін технологиялық серпіліс қажет деп есептеді, бірақ ол кезде микроэлектрониканың әлеуетін жете бағаламады. Жеңімпаз 35 жастағы инженер Уильям Х. МакЛеллан атанды. Ол салмағы 250 микрограмм, қуаты 1 мВт болатын қозғалтқышты жасады.

1968 Альфред Ю.Чо мен Джон Артур эпитаксистік әдісті дамытады. Ол жартылай өткізгіш технологияны пайдалана отырып, беткі моноатомды қабаттарды қалыптастыруға мүмкіндік береді - бар кристалдық субстраттың құрылымын қайталайтын жаңа монокристалды қабаттардың өсуі. Эпитаксияның вариациясы молекулалық қосылыстардың эпитаксисі болып табылады, бұл бір атомдық қабаттың қалыңдығы бар кристалдық қабаттарды тұндыруға мүмкіндік береді. Бұл әдіс кванттық нүктелерді және жұқа қабаттар деп аталатындарды өндіруде қолданылады.

1974 «Нанотехнология» терминін енгізу. Оны алғаш рет Токио университетінің зерттеушісі Норио Танигучи ғылыми конференцияда қолданған. Жапон физикасының анықтамасы күні бүгінге дейін қолданылуда және келесідей естіледі: «Нанотехнология - бұл өте жоғары дәлдік пен өте кішкентай өлшемдерге қол жеткізуге мүмкіндік беретін технологияны пайдаланатын өндіріс, яғни. ретінің дәлдігі 1 нм.

Кванттық құлдырауды визуализациялау

80-90 жж Литографиялық технологияның қарқынды дамуы және кристалдардың ультра жұқа қабаттарын алу кезеңі. Бірінші, MOCVD(), газтәрізді металлорганикалық қосылыстар арқылы материалдардың бетіне қабаттарды тұндыру әдісі. Бұл эпитаксиалды әдістердің бірі, сондықтан оның балама атауы - MOSFE (). Екінші әдіс, MBE, өте жұқа нанометрлік қабаттарды нақты анықталған химиялық құрамы және қоспалар концентрациясы профилін дәл бөлуге мүмкіндік береді. Бұл қабаттың құрамдас бөліктері субстратқа бөлек молекулалық сәулелер арқылы жеткізілуіне байланысты мүмкін.

1981 Герд Бинниг пен Генрих Рорер сканерлеуші туннельдік микроскопты жасайды. Атомаралық әрекеттесу күштерін пайдалана отырып, пышақты үлгінің бетінен жоғары немесе төмен өткізу арқылы бір атомның өлшем ретінің рұқсаты бар беттің кескінін алуға мүмкіндік береді. 1989 жылы құрылғы жеке атомдарды басқару үшін пайдаланылды. Бинниг пен Рорер 1986 жылы физика бойынша Нобель сыйлығына ие болды.

1985 Bell Labs қызметкері Луис Брюс коллоидтық жартылай өткізгіш нанокристалдарды (кванттық нүктелер) ашты. Олар толқын ұзындығы нүктенің өлшемімен салыстырылатын бөлшек енген кезде потенциалдық кедергілермен үш өлшемде шектелген кеңістіктің шағын ауданы ретінде анықталады.

C. Эрик Дрекслердің «Жаратылу қозғалтқыштары: нанотехнологияның келе жатқан дәуірі» кітабының мұқабасы

1985 Кіші Роберт Флойд Керл, Гарольд Уолтер Крото және Ричард Эррет Смолли фуллерендер, көміртегі атомдарының жұп санынан (28-ден 1500-ге дейін) тұйық қуыс денені құрайтын молекулаларды ашты. Фуллерендердің химиялық қасиеттері көп жағынан ароматты көмірсутектерге ұқсас. Фуллерен C60 немесе букминстерфуллерен басқа фуллерендер сияқты көміртектің аллотропты түрі болып табылады.

1986-1992 C. Эрик Дрекслер нанотехнологияны танымал ететін футурология бойынша екі маңызды кітапты шығарады. Біріншісі, 1986 жылы шыққан, «Жасау қозғалтқыштары: нанотехнологияның келе жатқан дәуірі» деп аталады. Ол басқа нәрселермен қатар, болашақ технологиялар жеке атомдарды басқарылатын түрде басқара алатынын болжайды. 1992 жылы ол «Наножүйелер: молекулярлық жабдық, өндіріс және есептеу идеясы» атты еңбегін жариялады, бұл өз кезегінде наномашиналар өздерін көбейте алатынын болжады.

1989 IBM компаниясынан Дональд М.Айглер никель бетіне 35 ксенон атомынан жасалған «IBM» сөзін қояды.

1991 Жапонияның Цукуба қаласындағы NEC қызметкері Сумио Иидзима көміртекті нанотүтіктерді, қуыс цилиндрлік құрылымдарды ашты. Бүгінгі күні қабырғалары графеннен жасалған ең жақсы белгілі көміртекті нанотүтіктер. Сондай-ақ көміртекті емес нанотүтіктер және ДНҚ нанотүтіктері бар. Ең жұқа көміртекті нанотүтіктер диаметрі бір нанометрге жуық және миллиондаған есе ұзағырақ болуы мүмкін. Олар керемет созылу беріктігі мен бірегей электрлік қасиеттерге ие және жылуды тамаша өткізеді. Бұл қасиеттер оларды нанотехнология, электроника, оптика және материалтану салаларында қолдану үшін перспективалы материалдарға айналдырады.

1993 Солтүстік Каролина университетінен Уоррен Робинетт пен UCLA-дан Р. Стэнли Уильямс пайдаланушыға атомдарды көруге және тіпті қолмен ұстауға мүмкіндік беретін сканерлеуші туннельдік микроскоппен байланыстырылған виртуалды шындық жүйесін құруда.

1998 Нидерландының Делфт технологиялық университетіндегі Cees Dekker командасы көміртекті нанотүтіктерді пайдаланатын транзисторды құрастыруда. Қазіргі уақытта ғалымдар көміртекті нанотүтіктердің бірегей қасиеттерін электр энергиясын аз тұтынатын жақсырақ және жылдамырақ электрониканы шығару үшін қолдануға тырысуда. Бұл бірқатар факторлармен шектелді, олардың кейбіреулері бірте-бірте еңсерілді, бұл 2016 жылы Висконсин-Мэдисон университетінің зерттеушілерін кремнийдің ең жақсы прототиптерінен жақсырақ параметрлері бар көміртекті транзисторды жасауға әкелді. Майкл Арнольд пен Падма Гопаланның зерттеулері кремний бәсекелесінен екі есе көп ток өткізе алатын көміртекті нанотүтік транзисторын жасауға әкелді.

2003 Samsung микроскопиялық күміс иондарының әрекетіне негізделген микробтарды, зеңді және алты жүзден астам бактерия түрлерін өлтіріп, олардың таралуын болдырмайтын озық технологияны патенттеді. Күміс бөлшектер компанияның шаңсорғышындағы ең маңызды сүзу жүйелеріне - барлық сүзгілерге және шаң жинағышқа немесе қапшыққа енгізілді.

2004 Британдық корольдік қоғам мен Корольдік инженерлік академиясы этикалық және құқықтық аспектілерді ескере отырып, денсаулық, қоршаған орта және қоғам үшін нанотехнологияның ықтимал тәуекелдерін зерттеуге шақыратын «Наноғылым және нанотехнология: мүмкіндіктер мен белгісіздік» баяндамасын жариялайды.

Фуллерен дөңгелектеріндегі наномамоторлы модель

2006 Джеймс Тур Райс университетінің ғалымдар тобымен бірге осьтері алюминий атомдарынан, ал дөңгелектері С60 фуллерендерінен жасалған олиго (фениленэтинилен) молекуласынан микроскопиялық «фургон» құрастырады. Наноавтомобиль фуллерен «дөңгелектерінің» айналуына байланысты, температураның жоғарылауы әсерінен алтын атомдарынан тұратын жер бетінде қозғалды. 300 ° C-тан жоғары температурада ол соншалықты жылдамдады, химиктер оны қадағалай алмады ...

2007 Technion нанотехнологтары еврейлердің «Ескі өсиетін» небәрі 0,5 мм аумаққа орналастырады.² алтын жалатылған кремний пластинасы. Мәтін галлий иондарының фокусталған ағынын пластинаға бағыттау арқылы ойылған.

2009-2010 Надриан Симан және Нью-Йорк университетіндегі әріптестері синтетикалық ДНҚ құрылымдарын қалаған пішіндері мен қасиеттері бар басқа құрылымдарды «шығару» үшін бағдарламалауға болатын ДНҚ-тәрізді наномендер сериясын жасауда.

2013 IBM ғалымдары 100 миллион есе ұлғайтқаннан кейін ғана көруге болатын анимациялық фильм жасауда. Ол «Бала және оның атомы» деп аталады және көміртегі тотығының жалғыз молекуласы болып табылатын өлшемі метрдің миллиардтан бір бөлігіне тең екі атомды нүктелермен сызылған. Мультфильмде алдымен доппен ойнап, кейін батутта секіретін бала бейнеленген. Молекулалардың бірі шардың рөлін де атқарады. Барлық әрекет мыс бетінде орын алады және әрбір пленка кадрының өлшемі бірнеше ондаған нанометрден аспайды.

2014 Цюрихтегі ETH технологиялық университетінің ғалымдары қалыңдығы бір нанометрден аз кеуекті мембрана жасай алды. Нанотехнологиялық манипуляция арқылы алынған материалдың қалыңдығы 100 ХNUMX. адам шашынан есе аз. Авторлар тобының мүшелерінің айтуынша, бұл алуға болатын және әдетте мүмкін болатын ең жұқа кеуекті материал. Ол екі өлшемді графен құрылымының екі қабатынан тұрады. Мембрана өткізгіш болып табылады, бірақ тек ұсақ бөлшектерге, үлкенірек бөлшектерді баяулатады немесе толығымен ұстайды.

2015 Молекулярлық сорғы, табиғи процестерге ұқсайтын энергияны бір молекуладан екіншісіне тасымалдайтын наноөлшемді құрылғы жасалуда. Макетті Вайнберг Солтүстік-Батыс өнер және ғылым колледжінің зерттеушілері жасаған. Механизм белоктардағы биологиялық процестерді еске түсіреді. Мұндай технологиялар негізінен биотехнология және медицина салаларында, мысалы, жасанды бұлшықеттерде қолданылады деп күтілуде.

2016 Nature Nanotechnology ғылыми журналындағы жарияланымға сәйкес, Нидерландының Делфт техникалық университетінің зерттеушілері жаңа бір атомды сақтау құралдарын жасап шығарды. Жаңа әдіс кез келген қазіргі уақытта қолданылатын технологиядан бес жүз есе жоғары сақтау тығыздығын қамтамасыз етуі керек. Авторлар бөлшектердің кеңістікте орналасуының үш өлшемді моделін қолдану арқылы бұдан да жақсы нәтижелерге қол жеткізуге болатынын атап өтті.

Нанотехнологиялар мен наноматериалдардың классификациясы

Нанотехнологиялық құрылымдарға мыналар жатады:

кванттық ұңғымалар, сымдар мен нүктелер, яғни. келесі ерекшелікті біріктіретін әртүрлі құрылымдар - потенциалдық кедергілер арқылы белгілі бір аумақтағы бөлшектердің кеңістіктік шектелуі;
құрылымы жеке молекулалар деңгейінде бақыланатын пластмассалар, соның арқасында, мысалы, бұрын-соңды болмаған механикалық қасиеттері бар материалдарды алуға болады;
жасанды талшықтар - өте дәл молекулалық құрылымы бар материалдар, сондай-ақ әдеттен тыс механикалық қасиеттерімен ерекшеленеді;
нанотүтіктер, қуыс цилиндрлер түріндегі супрамолекулалық құрылымдар. Бүгінгі күні қабырғалары бүктелген графеннен (монатомдық графит қабаттары) жасалған көміртекті нанотүтіктер ең танымал. Сондай-ақ көміртекті емес нанотүтіктер (мысалы, вольфрам сульфидінен) және ДНҚ-дан;
шаң түрінде ұсақталған материалдар, олардың түйірлері, мысалы, металл атомдарының жинақталуы. Күшті бактерияға қарсы қасиеттері бар күміс () бұл пішінде кеңінен қолданылады;
нано сымдар (мысалы, күміс немесе мыс);
электронды литография және басқа нанолитография әдістерін қолдану арқылы түзілген элементтер;
фуллерендер;
графен және басқа екі өлшемді материалдар (борофен, графен, алтыбұрышты бор нитриді, силицен, германен, молибден сульфиді);
нанобөлшектермен күшейтілген композициялық материалдар.

Нанолитографиялық бет

Экономикалық ынтымақтастық және даму ұйымы (ЭЫДҰ) 2004 жылы әзірлеген ғылымдар систематикасындағы нанотехнологиялардың классификациясы:

наноматериалдар (өндіріс және қасиеттері);
нанопроцестер (наноөлшемді қосымшалар – биоматериалдар өнеркәсіптік биотехнологияға жатады).

Наноматериалдар молекулалық деңгейде тұрақты құрылымдары бар барлық материалдар болып табылады, яғни. 100 нанометрден аспайды.

Бұл шек микроқұрылымның негізгі бірлігі ретінде домендердің өлшеміне немесе субстратта алынған немесе тұндырылған қабаттардың қалыңдығына қатысты болуы мүмкін. Тәжірибеде наноматериалдарға жататын төменгі шек өнімділік қасиеттері әртүрлі материалдар үшін әр түрлі болады - ол негізінен асып кеткен кезде ерекше қасиеттердің пайда болуымен байланысты. Материалдардың реттелген құрылымдарының өлшемдерін азайту арқылы олардың физика-химиялық, механикалық және басқа да қасиеттерін айтарлықтай жақсартуға болады.

Наноматериалдарды келесі төрт топқа бөлуге болады:

нөлдік (нүктелік наноматериалдар) – мысалы, кванттық нүктелер, күміс нанобөлшектері;
бір өлшемді – мысалы, металл немесе жартылай өткізгішті наноөткізгіштер, наноторлар, полимерлі наноталшықтар;
екі өлшемді – мысалы, бір фазалы немесе көп фазалы типтегі нанометрлік қабаттар, графен және бір атомның қалыңдығы бар басқа материалдар;
үш өлшемді (немесе нанокристалды) - нанометрлер немесе нанобөлшектермен күшейтілген композиттік өлшемдері бар кристалдық домендерден және фазалардың жинақтарынан тұрады.