Ойлоп табуулардын тарыхы - Нанотехнология

Биздин заманга чейинки 600-жылдардын тегерегинде. адамдар нанотиптүү конструкцияларды, б.а. болоттон жасалган цементит жиптерин, Вутц деп аташкан. Бул Индияда болгон жана бул нанотехнологиянын тарыхынын башталышы деп эсептесе болот.

VI-XV -б. Бул мезгилде витраждарды боёо үчүн колдонулган боектордо алтын хлоридинин нанобөлүкчөлөрү, башка металлдардын хлориддери, ошондой эле металл оксиддери колдонулат.

IX-XVII кылымдар Европанын көп жерлеринде керамикага жана башка буюмдарга жылтылдап берүү үчүн "жылтырак" жана башка заттар чыгарылат. Аларда металлдардын нанобөлүкчөлөрү, көбүнчө күмүш же жез болгон.

XIII-xviii w. Бул кылымдарда өндүрүлгөн, дүйнөгө белгилүү ак курал жасалган «Дамаск болоттун» курамында көмүртек нанотүтүкчөлөрү жана цементит наноталдары бар.

1857 Майкл Фарадей алтын нанобөлүкчөлөрүнө мүнөздүү рубин түстүү коллоиддик алтынды ачты.

1931 Макс Нолл жана Эрнст Руска Берлинде атомдук деңгээлдеги нанобөлүкчөлөрдүн түзүлүшүн көргөн биринчи аппарат болгон электрондук микроскопту курушат. Электрондордун энергиясы канчалык чоң болсо, алардын толкун узундугу ошончолук кыска жана микроскоптун чечүүчүлүгү ошончолук чоң болот. Үлгү вакуумда жана көбүнчө металл пленка менен капталган. Электрондук нур текшерилген объект аркылуу өтүп, детекторлорго кирет. Өлчөнгөн сигналдардын негизинде электрондук түзүлүштөр сыноо үлгүсүнүн сүрөтүн кайра жаратат.

1936 Siemens лабораториясында иштеген Эрвин Мюллер эмиссиялык электрондук микроскоптун эң жөнөкөй түрү болгон талаа эмиссиялык микроскобун ойлоп табат. Бул микроскоп талааны чыгаруу жана сүрөттөө үчүн күчтүү электр талаасын колдонот.

1950 Виктор Ла Мер жана Роберт Динегар монодисперстүү коллоиддик материалдарды алуу техникасынын теориялык негиздерин түзүшөт. Бул өнөр жайлык масштабда кагаздын, боёктун жана жука пленканын өзгөчө түрлөрүн чыгарууга мүмкүндүк берди.

1956 Массачусетс технологиялык институтунун (MIT) кызматкери Артур фон Хиппел "молекулярдык инженерия" терминин киргизген.

1959 Ричард Фейнман "Төмөндө орун көп" деген темада лекция окуйт. 24 томдук Британ энциклопедиясын төөнөгүчтүн башына орнотуу үчүн эмне керек экенин элестетүү менен баштап, ал миниатюризация түшүнүгүн жана нанометр деңгээлинде иштей турган технологияларды колдонуу мүмкүнчүлүгүн киргизди. Буга байланыштуу ал бул жааттагы жетишкендиктери үчүн эки сыйлыкты (Фейнман сыйлыктары деп аталган) негиздеген - ар бири бир миң доллардан.

1960 Биринчи сыйлыктын төлөнүшү Фейнмандын көңүлүн калтырды. Ал өз максаттарына жетүү үчүн технологиялык ачылыш талап кылынат деп ойлогон, бирок ал учурда микроэлектрониканын мүмкүнчүлүктөрүн баалабай койгон. Жеңүүчү деп 35 жаштагы инженер Уильям Х.МакЛеллан табылды. Ал 250 микрограмм салмактагы, кубаттуулугу 1 мВт болгон мотор жараткан.

1968 Альфред Ю.Чо жана Джон Артур эпитаксия ыкмасын иштеп чыгышат. Ал жарым өткөргүчтүү технологияны колдонуу менен беттик моноатомдук катмарларды түзүүгө мүмкүндүк берет - учурдагы кристаллдык субстраттын структурасын кайталаган жаңы монокристаллдык катмарлардын өсүшү. Эпитаксиянын вариациясы молекулалык кошулмалардын эпитаксиясы болуп саналат, ал бир атомдук катмардын калыңдыгы менен кристаллдык катмарларды коюуга мүмкүндүк берет. Бул ыкма кванттык чекиттерди жана жука катмар деп аталгандарды өндүрүүдө колдонулат.

1974 «Нанотехнология» терминин киргизүү. Аны биринчи жолу Токио университетинин изилдөөчүсү Норио Танигучи илимий конференцияда колдонгон. Жапон физикасынын аныктамасы ушул күнгө чейин колдонулуп келе жатат жана мындай угулат: «Нанотехнология – бул өтө жогорку тактыкка жана өтө кичинекей өлчөмдөргө жетүүгө мүмкүндүк берген технологияны колдонуучу өндүрүш, б.а. 1 нм тартиптин тактыгы.

Кванттык тамчыны визуализациялоо

80s жана 90s Литографиялык технологиянын тез өнүгүү мезгили жана кристаллдардын өтө жука катмарларын өндүрүү. Биринчи, MOCVD(), газ түрүндөгү металлорганикалык кошулмаларды колдонуу менен материалдардын бетине катмарларды салуу ыкмасы. Бул эпитаксиалдык ыкмалардын бири, ошондуктан анын альтернативалуу аталышы - MOSFE (). Экинчи ыкма, MBE, так аныкталган химиялык курамы жана аралашмалардын концентрациясынын профилин так бөлүштүрүү менен өтө ичке нанометрдик катмарларды коюуга мүмкүндүк берет. Бул катмардын компоненттери субстратка өзүнчө молекулярдык нурлар аркылуу берилип жаткандыгына байланыштуу мүмкүн.

1981 Герд Бинниг жана Генрих Рорер сканерлөөчү туннелдик микроскопту түзүшөт. Атомдор аралык өз ара аракеттешүү күчтөрүн колдонуу менен үлгүнүн үстүнкү же ылдый жагындагы бычакты өткөрүү жолу менен бир атомдун өлчөмүнүн тартибин чечүүчү беттин сүрөтүн алууга мүмкүндүк берет. 1989-жылы аппарат айрым атомдор менен иштөө үчүн колдонулган. Бинниг менен Рорер 1986-жылы физика боюнча Нобель сыйлыгын алышкан.

1985 Белл лабораториясынын кызматкери Луис Брус коллоиддик жарым өткөргүч нанокристаллдарды (кванттык чекиттер) ачкан. Алар толкун узундугу чекиттин өлчөмүнө окшош бөлүкчө киргенде потенциалдуу тоскоолдуктар менен үч өлчөм менен чектелген мейкиндиктин кичинекей аянты катары аныкталат.

C. Эрик Дрекслердин "Жаратуу механизмдери: нанотехнологиянын келе жаткан доору" китебинин мукабасы

1985 Роберт Флойд Керл, кичи, Гарольд Уолтер Крото жана Ричард Эррет Смолли фуллерендерди ачышкан, молекулалар жуп сандагы көмүртек атомдорунан (28ден 1500гө чейин) түзүлүп, жабык көңдөй денени түзүшөт. Фуллерендердин химиялык касиеттери ароматтык углеводороддоруна көп жагынан окшош. Фуллерен C60 же букминстерфуллерен башка фуллерендер сыяктуу көмүртектин аллотропиялык түрү болуп саналат.

1986-1992 C. Эрик Дрекслер нанотехнологияны популярдуу кылган футурология боюнча эки маанилүү китепти чыгарат. Биринчиси, 1986-жылы чыгарылган, "Жаратылуунун Engines: The Coming Era of Nanotechnology" деп аталат. Ал башка нерселер менен катар, келечектеги технологиялар жеке атомдорду башкарылуучу түрдө башкара алат деп болжолдойт. 1992-жылы ал «Наносистемалар: молекулярдык аппаратура, өндүрүш жана эсептөө идеясы» аттуу китебин жарыялаган, ал өз кезегинде наномашиналар өздөрүн көбөйтө аларын алдын ала айткан.

1989 IBMден Дональд М. Эйглер никель бетине 35 ксенон атомунан жасалган "IBM" деген сөздү жайгаштырган.

1991 Япониянын Цукуба шаарындагы NEC уюмунун кызматкери Сумио Иидзима көмүртектүү нанотүтүктөрдү, көңдөй цилиндрдик түзүлүштөрдү ачты. Бүгүнкү күнгө чейин, дубалдары графенден жасалган эң белгилүү көмүртек нанотүтүкчөлөрү. Көмүртек эмес нанотүтүкчөлөр жана ДНК нанотүтүкчөлөрү да бар. Эң ичке көмүртек нанотрубаларынын диаметри бир нанометрге жакын жана миллиондогон эсе узун болушу мүмкүн. Алар кереметтүү чыңалууга жана уникалдуу электрдик касиеттерге ээ жана жылуулукту эң сонун өткөрүүчү. Бул касиеттери аларды нанотехнология, электроника, оптика жана материал таануу тармагында колдонуу үчүн келечектүү материалдарды түзөт.

1993 Түндүк Каролина университетинен Уоррен Робинетт жана UCLAдан Р. Стэнли Уильямс колдонуучуга атомдорду көрүүгө, атүгүл тийүүгө мүмкүндүк берген сканерлөөчү туннелдик микроскоп менен байланышкан виртуалдык реалдуулук системасын куруп жатышат.

1998 Нидерланддагы Делфт технологиялык университетинин Cees Dekker командасы көмүртек нанотүтүкчөлөрүн колдонгон транзисторду курууда. Учурда илимпоздор көмүртек нанотүтүкчөлөрүнүн уникалдуу касиеттерин пайдаланып, электр энергиясын аз сарптаган жакшыраак жана тезирээк электрониканы чыгарууга аракет кылып жатышат. Бул бир катар факторлор менен чектелди, алардын айрымдары акырындык менен жеңип чыкты, алар 2016-жылы Висконсин-Мэдисон университетинин изилдөөчүлөрүн эң жакшы кремний прототиптеринен жакшыраак параметрлери бар көмүртек транзисторун түзүүгө алып келген. Майкл Арнольд жана Падма Гопалан тарабынан жүргүзүлгөн изилдөөлөр кремний атаандашынан эки эсе көп ток өткөрө ала турган көмүртек нанотүтүк транзисторунун өнүгүшүнө алып келди.

2003 Samsung микроскопиялык күмүш иондорунун аракетине негизделген өнүккөн технологияны патенттейт, ал микробдорду, көктөрдү жана бактериялардын алты жүздөн ашык түрүн жок кылып, алардын жайылышын алдын алат. Күмүш бөлүкчөлөрү компаниянын эң маанилүү чыпкалоо системаларына – бардык чыпкаларга жана чаң жыйгычка же баштыкка киргизилди.

2004 Британ Королдук Коому жана Королдук Инженердик Академиясы этикалык жана укуктук аспектилерди эске алуу менен нанотехнологиянын ден соолук, айлана-чөйрө жана коом үчүн потенциалдуу тобокелдиктерин изилдөөгө чакырган “Нано илим жана нанотехнология: мүмкүнчүлүктөр жана белгисиздиктер” баяндамасын жарыялайт.

Фуллерен дөңгөлөктөрүндөгү наном моторлуу модель

2006 Джеймс Тур Райс университетинин окумуштуулар тобу менен бирге олиго (фениленэтинилен) молекуласынан микроскопиялык «фургонду» куруп жатат, анын огу алюминий атомдорунан, ал эми дөңгөлөктөрү С60 фуллерендеринен жасалган. Фуллерендик «дөңгөлөктөрдүн» айлануусунан улам, температуранын жогорулашынын таасири астында алтын атомдорунан турган наномобилдин бетинде жылып турган. 300°Сден жогору температурада ал ушунчалык ылдамдагандыктан, химиктер аны байкай албай калышты ...

2007 Technion нанотехнологдору бүт жүйүттөрдүн "Эски Келишимди" болгону 0,5 мм аянтка тууралашат.² алтын жалатылган кремний пластинкасы. Текст пластинкага галлий иондорунун багытталган агымын багыттоо менен чегилген.

2009-2010 Надриан Симан жана Нью-Йорк университетиндеги кесиптештери ДНКга окшош наномоктордун сериясын түзүп жатышат, аларда синтетикалык ДНК түзүмдөрү каалаган формага жана касиетке ээ башка структураларды "чыгарууга" программаланышы мүмкүн.

2013 IBM окумуштуулары 100 миллион эсе чоңойткондон кийин гана көрүүгө боло турган анимациялык тасма жаратууда. Ал "Бала жана анын атому" деп аталат жана көмүртек кычкылынын бир молекуласы болгон метрдин миллиарддан бир бөлүгүн түзгөн эки атомдуу чекиттер менен тартылган. Мультфильмде алгач топ менен ойноп, андан кийин батутта секирген бала сүрөттөлөт. Молекулалардын бири да топтун ролун аткарат. Бардык иш-аракеттер жез бетинде ишке ашат жана ар бир пленка кадрынын өлчөмү бир нече ондогон нанометрден ашпайт.

2014 Цюрихтеги ETH технологиялык университетинин окумуштуулары калыңдыгы бир нанометрге жетпеген тешиктүү мембрананы түзүүгө жетишти. Нанотехнологиялык манипуляция аркылуу алынган материалдын калыңдыгы 100 XNUMX. адамдын чачынан эсе кичине. Авторлор тобунун мүчөлөрүнүн айтымында, бул эң ичке көзөнөктүү материал, аны алууга болот жана жалпысынан мүмкүн. Ал эки өлчөмдүү графен структурасынын эки катмарынан турат. Мембрана өткөргүч, бирок кичинекей бөлүкчөлөр үчүн гана, чоңураак бөлүкчөлөрдү жайлатып же толугу менен кармап турат.

2015 Молекулярдык насос, табигый процесстерди туураган энергияны бир молекуладан экинчисине өткөрүп берүүчү наноөлчөмдүү аппарат түзүлүүдө. Макети Вайнберг Түндүк-Батыш искусство жана илим колледжинин изилдөөчүлөрү тарабынан иштелип чыккан. Механизм белоктордогу биологиялык процесстерди эске салат. Мындай технологиялар негизинен биотехнология жана медицина тармактарында, мисалы, жасалма булчуңдарда колдонулат деп күтүлүүдө.

2016 Nature Nanotechnology илимий журналындагы басылмага ылайык, Голландиянын Делфт техникалык университетинин изилдөөчүлөрү бир атомдук сактоочу жабдыктарды иштеп чыгышты. Жаңы ыкма азыркы учурда колдонулуп жаткан технологияга караганда беш жүз эседен ашык сактоо тыгыздыгын камсыз кылууга тийиш. Авторлор мейкиндикте бөлүкчөлөрдүн жайгашуусунун үч өлчөмдүү моделин колдонуу менен дагы жакшы натыйжаларга жетишүүгө болорун белгилешет.

Нанотехнологиялардын жана наноматериалдардын классификациясы

1. Нанотехнологиялык структураларга төмөнкүлөр кирет:

• кванттык скважиналар, зымдар жана чекиттер, б.а. төмөнкү өзгөчөлүгүн бириктирген ар кандай структуралар - потенциалдуу тоскоолдуктар аркылуу белгилүү бир аймактагы бөлүкчөлөрдүн мейкиндикте чектелиши;
• пластмассалар, алардын түзүмү жеке молекулалардын деңгээлинде башкарылат, анын аркасында, мисалы, болуп көрбөгөндөй механикалык касиеттери бар материалдарды алууга болот;
• жасалма жипчелер - өтө так молекулярдык түзүлүштөгү, ошондой эле адаттан тыш механикалык касиеттери менен айырмаланган материалдар;
• нанотүтүкчөлөр, көңдөй цилиндр түрүндөгү супрамолекулалык структуралар. Бүгүнкү күнгө чейин, дубалдары бүктөлгөн графенден (монатомдук графит катмарлары) жасалган эң белгилүү көмүртек нанотүтүкчөлөрү. Ошондой эле көмүртек эмес нанотүтүкчөлөр (мисалы, вольфрам сульфидинен) жана ДНКдан;
• чаң түрүндө майдаланган материалдар, алардын дандары, мисалы, металл атомдорунун топтолушу. Күчтүү антибактериалдык касиетке ээ күмүш () бул формада кеңири колдонулат;
• нано зымдар (мисалы, күмүш же жез);
• электрондук литография жана башка нанолитография ыкмаларын колдонуу менен түзүлгөн элементтер;
• фуллерендер;
• графен жана башка эки өлчөмдүү материалдар (борофен, графен, алты бурчтуу бор нитриди, силицен, германен, молибден сульфиди);
• нанобөлүкчөлөр менен бекемделген композиттик материалдар.

Нанолитографиялык бет

2. Экономикалык кызматташтык жана өнүктүрүү уюму (OECD) тарабынан 2004-жылы иштелип чыккан илимдер систематикасындагы нанотехнологиялардын классификациясы:

• наноматериалдар (өндүрүш жана касиеттери);
• нанопроцесстер (нано масштабдагы колдонмолор - биоматериалдар өнөр жай биотехнологиясына таандык).

3. Наноматериалдар — молекулярдык деңгээлдеги регулярдуу структуралар болгон бардык материалдар, б.а. 100 нанометрден ашпаган.

Бул чек микроструктуранын негизги бирдиги катары домендердин өлчөмүнө, же алынган же субстратка салынган катмарлардын калыңдыгына тиешелүү болушу мүмкүн. Практикада наноматериалдарга тиешелүү болгон төмөнкү чек ар кандай аткаруу касиеттери бар материалдар үчүн ар кандай болот - бул негизинен ашып кеткенде спецификалык касиеттердин пайда болушу менен байланышкан. Материалдардын иреттелген структураларынын өлчөмүн кичирейтүү менен алардын физикалык-химиялык, механикалык жана башка касиеттерин олуттуу жакшыртууга болот.

Наноматериалдарды төмөнкү төрт топко бөлүүгө болот:

• нөл өлчөмдүү (чекит наноматериалдары) - мисалы, кванттык чекиттер, күмүш нанобөлүкчөлөрү;
• бир өлчөмдүү – мисалы, металл же жарым өткөргүч нано зымдар, нанороддор, полимердик нанобулалар;
• эки өлчөмдүү – мисалы, бир фазалуу же көп фазалуу типтеги нанометрдик катмарлар, графен жана бир атомдун калыңдыгы бар башка материалдар;
• үч өлчөмдүү (же нанокристаллдык) - нанобөлүкчөлөр менен бекемделген нанометр же композиттик өлчөмдөрдөгү кристаллдык домендерден жана фазалардын топтолушунан турат.