Гісторыя вынаходстваў - нанатэхналогіі

Ужо каля 600 г. да н. людзі выраблялі структуры нанатыпа, гэта значыць цэментытныя ніткі ў сталі, званыя Wootz. Гэта адбылося ў Індыі, і гэта можна лічыць пачаткам гісторыі нанатэхналогій.

VI-XV стст. Фарбавальнікі, якія прымяняюцца ў гэты перыяд пры афарбоўцы вітражоў, выкарыстоўваюць наначасціц хларыду золата, хларыды іншых металаў, а таксама аксіды металаў.

IX-XVII стст. У шматлікіх месцах Еўропы вырабляюць "бліскаўкі" і іншыя рэчывы для надання бляску кераміцы і іншым вырабам. Яны ўтрымоўвалі наначасціц металаў, часцей за ўсё срэбра ці медзі.

XIII-XVIII w. Вырабляная ў гэтыя стагоддзі «дамаская сталь», з якой выраблялася сусветна вядомая белая зброя, утрымоўвае вугляродныя нанатрубкі і цэментытныя нанавалакна.

1857 Майкл Фарадэй выяўляе калоіднай золата лалавага колеру, характэрнага для наначасціц золата.

1931 Макс Нол і Эрнст Руска будуюць у Берліне электронны мікраскоп - першая прылада, якое дазваляе ўбачыць структуру наначасціц на атамным узроўні. Чым больш энергія электронаў, тым карацей іх даўжыня хвалі і тым больш адрознівальная здольнасць мікраскопа. Узор знаходзіцца ў вакууме і часцей за ўсё пакрыты металічнай плёнкай. Электронны пучок праходзіць па тэстоўваным аб'екце і паступае на дэтэктары. На аснове вымераных сігналаў электронныя прылады ўзнаўляюць малюнак падыспытнага ўзору.

1936 Эрвін Мюлер, працуючы ў лабараторыях Siemens, вынаходзіць палявы эмісійны мікраскоп - найпростую форму эмісійнага электроннага мікраскопа. У гэтым мікраскопе для палявой эмісіі і атрыманні малюнка выкарыстоўваецца моцнае электрычнае поле.

1950 Віктар Ла Мер і Роберт Дынегар ствараюць тэарэтычныя асновы тэхнікі атрымання монадысперсных коллоідных матэрыялаў. Гэта дазволіла вырабляць у прамысловых маштабах спецыяльныя віды паперы, фарбаў і тонкіх плёнак.

1956 Артур фон Хіпель з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута (MIT) увёў тэрмін «малекулярная інжынерыя».

1959 Рычард Фейнман чытае лекцыю "На дне поўна месца". Пачаўшы з уяўлення таго, што спатрэбіцца, каб змясціць 24-млявую «Брытанскую энцыклапедыю» на шпількавай галоўцы, ён прадставіў канцэпцыю мініяцюрызацыі і магчымасці выкарыстання тэхналогій, якія маглі б працаваць на нанаметровым узроўні. З гэтай нагоды ён заснаваў дзве прэміі (так званыя прэміі Фейнмана) за дасягненні ў гэтай галіне - па тысячы даляраў кожная.

1960 Выплата першага прыза расчаравала Фейнмана. Ён меркаваў, што для дасягнення яго мэт спатрэбіцца тэхналагічны прарыў, аднак у той час ён недаацэньваў патэнцыял мікраэлектронікі. Пераможцам стаў 35-гадовы інжынер Уільям Х. Маклелан. Ён стварыў матор вагой 250 мкг магутнасцю 1 мВт.

1968 Альфрэд Ю. Чо і Джон Артур распрацоўваюць метад эпітаксіі. Ён дазваляе фармаваць павярхоўныя моноатомные пласты з дапамогай паўправадніковай тэхнікі – вырошчвання новых монакрышталічных пластоў на існуючай крышталічнай падкладцы, дублюючых структуру існуючай крышталічнай рашоткі падкладкі. Разнавіднасцю эпітаксіі з'яўляецца эпітаксія малекулярных злучэнняў, якая дазваляе наносіць крышталічныя пласты таўшчынёй у адзін атамны пласт. Гэты метад выкарыстоўваецца ў вытворчасці квантавых кропак і так званых тонкія пласты.

1974 Увядзенне тэрміна «нанатэхналогія». Упершыню ён быў выкарыстаны даследчыкам Такійскага ўніверсітэта Нарыа Танігуці на навуковай канферэнцыі. Вызначэнне японскай фізікі застаецца ў ходу да гэтага часу і гучыць так: «Нанатэхналогія - гэта вытворчасць з выкарыстаннем тэхналогіі, якая дазваляе дасягнуць вельмі высокай дакладнасці і лімітава малых памераў, г.зн. дакладнасці парадку 1 нм».

Візуалізацыя квантавай кроплі

80-е і 90-я гады Перыяд бурнага развіцця літаграфічнай тэхнікі і атрыманні звыштонкіх пластоў крышталяў. Першы, MOCVD (), уяўляе сабой метад аблогі пластоў на паверхні матэрыялаў з выкарыстаннем газападобных металлоорганических злучэнняў. Гэта адзін з эпітаксіяльных метадаў, адсюль і яго альтэрнатыўная назва - МОСФЭ (). Другі метад, МЛЭ, дазваляе наносіць вельмі тонкія нанаметровыя пласты з сапраўды зададзеным хімічным складам і дакладным размеркаваннем профіля канцэнтрацыі прымешкі. Гэта магчыма дзякуючы таму, што кампаненты пласта падаюцца на падкладку асобнымі малекулярнымі пучкамі.

1981 Герд Бініг і Генрых Рорэр ствараюць сканавальны тунэльны мікраскоп. Выкарыстоўваючы сілы міжатамных узаемадзеянняў, ён дазваляе атрымаць відарыс паверхні з адрознівальнай здольнасцю парадку памераў аднаго атама, праводзячы лязом над або пад паверхняй узору. У 1989 годзе прылада выкарыстоўвалася для маніпулявання асобнымі атамамі. Бініг і Рорэр былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі па фізіцы 1986 года.

1985 Луі Брус з Bell Labs адкрывае коллоідных паўправадніковыя нанакрышталі (квантавыя кропкі). Яны вызначаюцца як невялікі ўчастак прасторы, абмежаваны ў трох вымярэннях патэнцыйнымі бар'ерамі, калі ўнутр пападае часціца з даўжынёй хвалі, параўнальнай з памерам кропкі.

Вокладка кнігі К. Эрыка Дрэкслера "Рухавікі стварэння: будучая эра нанатэхналогій"

1985 Роберт Флойд Керл-малодшы, Гаральд Уолтар Крота і Рычард Эрэт Смолі адкрываюць фулерэны, малекулы, якія складаюцца з цотнага ліку атамаў вугляроду (ад 28 да прыкладна 1500), якія ўтвараюць замкнёнае полае цела. Хімічныя ўласцівасці фулерэнаў шмат у чым падобныя са ўласцівасцямі араматычных вуглевадародаў. Фулерэн С60, або бакмінстэрфулерэн, як і іншыя фулерэны, уяўляе сабой алатропную форму вугляроду.

1986-1992 К. Эрык Дрэкслер выдае дзве важныя кнігі па футуралогіі, якія папулярызуюць нанатэхналогіі. Першы, выпушчаны ў 1986 годзе, называецца "Рухавікі стварэння: будучая эра нанатэхналогій". Ён прадказвае, сярод іншага, што будучыя тэхналогіі змогуць кіраваць асобнымі атамамі кантраляванай выявай. У 1992 годзе ён апублікаваў кнігу "Нанасістэмы: малекулярнае абсталяванне, вытворчасць і вылічальная ідэя", у якой, у сваю чаргу, прадказвалася, што нанамашыны могуць прайграваць сябе.

1989 Дональд М. Эйглер з IBM змяшчае слова "IBM" - зроблена з 35 атамаў ксенону на паверхні нікеля.

1991 Суміо Іідзіма з NEC у Цукубе, Японія, адкрывае вугляродныя нанатрубкі - полыя цыліндрычныя структуры. На сённяшні дзень найболей вядомыя вугляродныя нанатрубкі, сценкі якіх выкананы з згорнутага графена. Існуюць таксама неуглеродные нанатрубкі і нанатрубкі з ДНК. Самыя тонкія вугляродныя нанатрубкі маюць дыяметр парадку аднаго нанаметра і могуць быць у мільёны разоў даўжэй. Яны валодаюць выдатнай трываласцю на расцяжэнне і ўнікальнымі электрычнымі ўласцівасцямі, а таксама з'яўляюцца выдатнымі праваднікамі цяпла. Гэтыя ўласцівасці робяць іх перспектыўнымі матэрыяламі для прымянення ў нанатэхналогіях, электроніцы, оптыцы і матэрыялазнаўстве.

1993 Уорэн Робінет з Універсітэта Паўночнай Караліны і Р. Стэнлі Уільямс з Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Лос-Анджэлесе ствараюць сістэму віртуальнай рэальнасці, звязаную са сканавальным тунэльным мікраскопам, які дазваляе карыстачу бачыць атамы і нават дакранацца да іх.

1998 Каманда Cees Dekker з Дэлфцкага тэхналагічнага ўніверсітэта ў Нідэрландах стварае транзістар, у якім выкарыстоўваюцца вугляродныя нанатрубкі. У цяперашні час навукоўцы спрабуюць выкарыстоўваць унікальныя ўласцівасці вугляродных нанатрубак для вытворчасці больш якаснай і хуткай электронікі, якая спажывае менш электраэнергіі. Гэта было абмежавана шэрагам фактараў, некаторыя з якіх былі паступова пераадолены, дзякуючы чаму ў 2016 годзе даследчыкі з Універсітэта Вісконсін-Мэдысан стварылі вугляродны транзістар з параметрамі, лепшымі, чым у лепшых з крамянёвых прататыпаў. Даследаванні, праведзеныя Майклам Арнольдам і Падмай Гапалан, прывялі да распрацоўкі транзістара з вугляродных нанатрубак, які можа перадаваць ток у два разы больш, чым яго крамянёвы канкурэнт.

2003 Samsung патэнтуе перадавую тэхналогію, заснаваную на дзеянні мікраскапічных іёнаў срэбра, якія знішчаюць мікробы, цвіль і больш за шэсцьсот відаў бактэрый і прадухіляюць іх распаўсюджванне. Часціцы срэбра былі ўведзены ў самыя важныя сістэмы фільтрацыі ў пыласосе кампаніі - усе фільтры і пылазборнік або мяшок.

2004 Брытанскае Каралеўскае таварыства і Каралеўская інжынерная акадэмія публікуюць справаздачу «Нананавука і нанатэхналогіі: магчымасці і нявызначанасці», якая заклікае да даследавання патэнцыйных рызык нанатэхналогій для здароўя, навакольнага асяроддзя і грамадства з улікам этычных і прававых аспектаў.

Мадэль нанаматора на фулерэнавых колах

2006 Джэймс Тур разам з камандай навукоўцаў з Універсітэта Райса канструюе мікраскапічны «фургон» з малекулы аліга (фенілэнэтынілену), восі якога складаюцца з атамаў алюмінія, а колы — з фулерэнаў С60. Нанатранспартны сродак перамяшчаўся па паверхні, якая складаецца з атамаў золата, пад дзеяннем павышэння тэмпературы, дзякуючы кручэнню фулерэнавых «колаў». Вышэй за тэмпературу 300°С ён разганяўся настолькі, што хімікі ўжо не маглі яго адсачыць…

2007 Нанатэхнолагі Тэхніёна змясцілі ўвесь габрэйскі "Стары Запавет" на плошчы ўсяго 0,5 мм.² пазалочаная крамянёвая пласціна. Тэкст быў выгравіраваны шляхам накіравання на пласціну сфакусаванага патоку іёнаў галію.

2009-2010 Надрыян Сіман і яго калегі з Нью-Йоркскага ўніверсітэта ствараюць серыю ДНК-падобных нана-маўнтаў, у якіх сінтэтычныя структуры ДНК могуць быць запраграмаваны для «вытворчасці» іншых структур з жаданымі формамі і ўласцівасцямі.

2013 Навукоўцы IBM ствараюць анімацыйны фільм, які можна будзе паглядзець толькі пасля павелічэння ў 100 мільёнаў разоў. Ён называецца «Хлопчык і яго атам» і намаляваны двухатамнымі кропкамі памерам у адну мільярдную частку метра, якія ўяўляюць сабой адзіночныя малекулы ўгарнага газу. У мультфільме намаляваны хлопчык, які спачатку гуляе з мячом, а потым скача на батуце. Адна з малекул таксама мае ролю шара. Усё дзеянне адбываецца на меднай паверхні, а памер кожнага кадра плёнкі не перавышае некалькіх дзясяткаў нанаметраў.

2014 Навукоўцам з Тэхналагічнага ўніверсітэта ETH у Цюрыху атрымалася стварыць сітаватую мембрану таўшчынёй меней аднаго нанаметра. Таўшчыня матэрыялу, атрыманага з дапамогай нанатэхналагічных маніпуляцый, складае 100 XNUMX. разоў менш, чым у чалавечага воласа. На думку сябраў аўтарскага калектыва, гэта самы тонкі сітаваты матэрыял, які можна было атрымаць і наогул магчыма. Ён складаецца з двух пластоў двухмернай графенавай структуры. Мембрана пранікальная, але толькі для дробных часціц, запавольваючы ці цалкам затрымліваючы буйнейшыя часціцы.

2015 Ствараецца малекулярная помпа - нанапамерная прылада, якое перадае энергію ад адной малекулы да іншай, імітуючы натуральныя працэсы. Макет быў распрацаваны даследчыкамі з Паўночна-Заходняга каледжа мастацтваў і навук Вайнберга. Механізм нагадвае біялагічныя працэсы ў вавёрках. Чакаецца, што такія тэхналогіі знойдуць прымяненне ў асноўным у галінах біятэхналогіі і медыцыны, напрыклад, у штучных мышцах.

2016 Паводле публікацыі ў навуковым часопісе Nature Nanotechnology, даследнікі з Галандскага тэхнічнага ўніверсітэта ў Дэлфце распрацавалі наватарскія носьбіты дадзеных з запісам аднаго атама. Новы метад павінен забяспечыць больш за ў пяцьсот разоў больш высокую шчыльнасць захоўвання дадзеных, чым любая выкарыстоўваная ў цяперашні час тэхналогія. Аўтары адзначаюць, што з дапамогай трохмернай мадэлі размяшчэння часціц у прасторы можна дабіцца яшчэ лепшых вынікаў.

Класіфікацыя нанатэхналогій і нанаматэрыялаў

1. Да нанатэхналагічных структур адносяцца:

• квантавыя ямы, дроту і кропкі, г.зн. розныя структуры, якія аб'ядноўваюць наступную прыкмету - прасторавае абмежаванне часціц у пэўнай вобласці праз патэнцыйныя бар'еры;
• пластыкі, структура якіх кантралюецца на ўзроўні асобных малекул, дзякуючы чаму можна, напрыклад, атрымліваць матэрыялы з беспрэцэдэнтнымі механічнымі ўласцівасцямі;
• штучныя валокны - матэрыялы з вельмі дакладнай малекулярнай структурай, якія адрозніваюцца таксама незвычайнымі механічнымі ўласцівасцямі;
• нанатрубкі, надмалекулярныя структуры ў выглядзе полых цыліндраў. На сённяшні дзень найболей вядомыя вугляродныя нанатрубкі, сценкі якіх выкананы са складчатага графена (пласты аднаатамнага графіту). Існуюць таксама неуглеродные нанатрубкі (напрыклад, з сульфіду вальфраму) і з ДНК;
• матэрыялы, здробненыя ў выглядзе пылу, зернямі якіх з'яўляюцца, напрыклад, навалы атамаў металу. Срэбра () з моцнымі антыбактэрыйнымі ўласцівасцямі шырока выкарыстоўваецца ў гэтай форме;
• нанадроту (напрыклад, срэбра або медзь);
• элементы, сфарміраваныя з дапамогай электроннай літаграфіі і іншых метадаў наналітаграфіі;
• фулерэны;
• графен і іншыя двухмерныя матэрыялы (барафен, графен, гексаганальны нітрыд бора, сіліцэн, германен, сульфід малібдэна);
• кампазітныя матэрыялы, армаваныя наначасціц.

Наналітаграфічная паверхня

2. Класіфікацыя нанатэхналогій у сістэматыцы навук, распрацаваная ў 2004 г. Арганізацыяй эканамічнага супрацоўніцтва і развіцця (АЭСР):

• нанаматэрыялы (вытворчасць і ўласцівасці);
• нанапрацэсы (нанапамерныя прыкладанні – біяматэрыялы адносяцца да прамысловай біятэхналогіі).

3. Нанаматэрыялы - гэта ўсе матэрыялы, у якіх прысутнічаюць рэгулярныя структуры на малекулярным узроўні, г.зн. якія не перавышаюць 100 нанаметраў.

Гэтая мяжа можа ставіцца да памеру даменаў як асноўнай адзінцы мікраструктуры ці да таўшчыні пластоў, атрыманых ці нанесеных на падкладку. На практыцы мяжа, ніжэй якога адносяць да нанаматэрыялаў, адрозніваецца для матэрыялаў з рознымі эксплуатацыйнымі ўласцівасцямі – у асноўным ён звязаны са з'яўленнем спецыфічных уласцівасцяў пры перавышэнні. За кошт памяншэння памераў упарадкаваных структур матэрыялаў можна значна палепшыць іх фізіка-хімічныя, механічныя і інш. Уласцівасці.

Нанаматэрыялы можна падзяліць на наступныя чатыры групы:

• нульмерны (кропкавыя нанаматэрыялы) - напрыклад, квантавыя кропкі, наначасціц срэбра;
• аднамерны – напрыклад, металічныя ці паўправадніковыя нанадроты, нанастрыжні, палімерныя нанавалакна;
• двухмерны – напрыклад, нанаметровыя пласты аднафазнага ці шматфазнага тыпу, графен і іншыя матэрыялы таўшчынёй у адзін атам;
• трохмерны (або нанакрышталічныя) - складаюцца з крышталічных даменаў і навал фаз з памерамі парадку нанаметраў або кампазітаў, армаваных наначасціцамі.