Historia ya Uvumbuzi - Nanoteknolojia

Tayari karibu 600 BC. watu walikuwa wakitengeneza miundo ya nanotype, yaani nyuzi za simenti katika chuma, inayoitwa Wootz. Hii ilitokea India, na hii inaweza kuchukuliwa kuwa mwanzo wa historia ya nanoteknolojia.

VI-XV s. Rangi zinazotumiwa katika kipindi hiki kwa uchoraji madirisha ya glasi hutumia nanoparticles ya kloridi ya dhahabu, kloridi ya metali nyingine, pamoja na oksidi za chuma.

IX-XVII mst. Katika sehemu nyingi za Ulaya, "glitters" na vitu vingine vinatolewa ili kutoa mwanga kwa keramik na bidhaa nyingine. Zilikuwa na nanoparticles za metali, mara nyingi fedha au shaba.

XIII-xviii w. "Chuma cha Damascus" kilichozalishwa katika karne hizi, ambazo silaha nyeupe maarufu duniani zilifanywa, zina nanotubes za kaboni na nanofibers za cementite.

1857 Michael Faraday anagundua dhahabu yenye rangi ya rubi, ambayo ni sifa ya chembechembe za dhahabu.

1931 Max Knoll na Ernst Ruska huunda hadubini ya elektroni huko Berlin, kifaa cha kwanza kuona muundo wa nanoparticles katika kiwango cha atomiki. Kadiri nishati ya elektroni inavyoongezeka, urefu wao wa mawimbi ni fupi na azimio kubwa la darubini. Sampuli iko kwenye utupu na mara nyingi hufunikwa na filamu ya chuma. Boriti ya elektroni hupitia kitu kilichojaribiwa na huingia kwenye detectors. Kulingana na ishara zilizopimwa, vifaa vya elektroniki vinaunda upya picha ya sampuli ya jaribio.

1936 Erwin Müller, akifanya kazi katika Maabara za Siemens, anavumbua darubini ya utoaji wa shamba, aina rahisi zaidi ya darubini ya elektroni. Hadubini hii hutumia uwanja wa umeme wenye nguvu kwa utoaji wa shamba na upigaji picha.

1950 Victor La Mer na Robert Dinegar huunda misingi ya kinadharia ya mbinu ya kupata vifaa vya colloidal vya monodisperse. Hii iliruhusu uzalishaji wa aina maalum za karatasi, rangi na filamu nyembamba kwa kiwango cha viwanda.

1956 Arthur von Hippel wa Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts (MIT) aliunda neno "uhandisi wa molekuli".

1959 Richard Feynman anatoa mihadhara juu ya "Kuna nafasi nyingi chini." Akianza kwa kuwazia kile ambacho kingechukua ili kupatana na Encyclopædia Britannica ya juzuu 24 kwenye pini, alianzisha dhana ya uboreshaji mdogo na uwezekano wa kutumia teknolojia zinazoweza kufanya kazi katika kiwango cha nanometa. Katika hafla hii, alianzisha tuzo mbili (kinachojulikana kama Tuzo za Feynman) kwa mafanikio katika eneo hili - dola elfu moja kila moja.

1960 Malipo ya zawadi ya kwanza yalimkatisha tamaa Feynman. Alidhani kwamba mafanikio ya kiteknolojia yangehitajika ili kufikia malengo yake, lakini wakati huo alipunguza uwezo wa microelectronics. Mshindi alikuwa mhandisi William H. McLellan mwenye umri wa miaka 35. Aliunda motor yenye uzito wa micrograms 250, yenye nguvu ya 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho na John Arthur huendeleza mbinu ya epitaxy. Inaruhusu uundaji wa tabaka za uso wa monoatomiki kwa kutumia teknolojia ya semiconductor - ukuaji wa tabaka mpya za fuwele kwenye substrate iliyopo ya fuwele, kunakili muundo wa substrate iliyopo ya fuwele. Tofauti ya epitaksi ni epitaksi ya misombo ya molekuli, ambayo inafanya uwezekano wa kuweka tabaka za fuwele na unene wa safu moja ya atomiki. Njia hii hutumiwa katika uzalishaji wa dots za quantum na kinachojulikana tabaka nyembamba.

1974 Utangulizi wa neno "nanoteknolojia". Ilitumiwa kwanza na mtafiti wa Chuo Kikuu cha Tokyo Norio Taniguchi katika mkutano wa kisayansi. Ufafanuzi wa fizikia ya Kijapani bado unatumika hadi leo na inaonekana kama hii: "Nanoteknolojia ni uzalishaji unaotumia teknolojia ambayo inaruhusu kufikia usahihi wa juu sana na ukubwa mdogo sana, i.e. usahihi wa utaratibu wa 1 nm.

Taswira ya kushuka kwa quantum

80 na 90 Kipindi cha maendeleo ya haraka ya teknolojia ya lithographic na uzalishaji wa tabaka za ultrathin za fuwele. Ya kwanza, MOCVD(), ni njia ya kuweka tabaka juu ya uso wa nyenzo kwa kutumia misombo ya oganometallic ya gesi. Hii ni mojawapo ya mbinu za epitaxial, kwa hiyo jina lake mbadala - MOSFE (). Njia ya pili, MBE, hufanya iwezekane kuweka tabaka nyembamba sana za nanomita na muundo wa kemikali uliobainishwa kwa usahihi na usambazaji sahihi wa wasifu wa mkusanyiko wa uchafu. Hii inawezekana kutokana na ukweli kwamba vipengele vya safu hutolewa kwa substrate na mihimili tofauti ya Masi.

1981 Gerd Binnig na Heinrich Rohrer huunda hadubini ya kuchanganua. Kutumia nguvu za mwingiliano wa interatomic, inakuwezesha kupata picha ya uso na azimio la utaratibu wa ukubwa wa atomi moja, kwa kupitisha blade juu au chini ya uso wa sampuli. Mnamo 1989, kifaa kilitumiwa kudhibiti atomi za kibinafsi. Binnig na Rohrer walitunukiwa Tuzo ya Nobel ya Fizikia mwaka wa 1986.

1985 Louis Brus wa Bell Labs anagundua nanocrystals za semiconductor za colloidal (nukta za quantum). Zinafafanuliwa kama eneo dogo la nafasi lililofungwa kwa vipimo vitatu na vizuizi vinavyowezekana wakati chembe yenye urefu wa mawimbi inayolinganishwa na saizi ya nukta inapoingia.

Jalada la kitabu Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology cha C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Mdogo, Harold Walter Kroto, na Richard Erret Smalley hugundua fullerenes, molekuli zinazoundwa na idadi sawa ya atomi za kaboni (kutoka 28 hadi 1500 hivi) ambazo huunda mwili uliofungwa. Sifa za kemikali za fullerenes katika mambo mengi ni sawa na zile za hidrokaboni zenye kunukia. Fullerene C60, au buckminsterfullerene, kama fullerenes nyingine, ni aina ya allotropiki ya kaboni.

1986-1992 C. Eric Drexler huchapisha vitabu viwili muhimu kuhusu futurology ambavyo vinaeneza nanoteknolojia. Ya kwanza, iliyotolewa mwaka wa 1986, inaitwa Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Anatabiri, kati ya mambo mengine, kwamba teknolojia za siku zijazo zitaweza kudhibiti atomi za kibinafsi kwa njia iliyodhibitiwa. Mnamo 1992, alichapisha Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, na Computational Idea, ambayo nayo ilitabiri kwamba nanomachines zinaweza kujizalisha zenyewe.

1989 Donald M. Aigler wa IBM anaweka neno "IBM" - lililotengenezwa kutoka kwa atomi 35 za xenon - kwenye uso wa nikeli.

1991 Sumio Iijima wa NEC huko Tsukuba, Japani, anagundua nanotubes za kaboni, miundo ya silinda isiyo na mashimo. Hadi sasa, nanotubes za kaboni zinazojulikana zaidi, kuta zake zinafanywa na graphene iliyovingirwa. Pia kuna nanotubes zisizo za kaboni na nanotubes za DNA. Nanotube za kaboni nyembamba zaidi ziko kwenye mpangilio wa nanomita moja kwa kipenyo na zinaweza kuwa mara milioni zaidi. Wana nguvu ya ajabu ya mvutano na mali ya kipekee ya umeme, na ni waendeshaji bora wa joto. Sifa hizi huwafanya kuwa nyenzo za kuahidi kwa matumizi katika nanoteknolojia, vifaa vya elektroniki, macho na sayansi ya nyenzo.

1993 Warren Robinett wa Chuo Kikuu cha North Carolina na R. Stanley Williams wa UCLA wanaunda mfumo wa uhalisia pepe unaohusishwa na hadubini ya kuchanganua inayomruhusu mtumiaji kuona na hata kugusa atomu.

1998 Timu ya Cees Dekker katika Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Delft nchini Uholanzi inaunda transistor inayotumia nanotubes za kaboni. Hivi sasa, wanasayansi wanajaribu kutumia sifa za kipekee za nanotubes za kaboni ili kuzalisha umeme bora na wa haraka ambao hutumia umeme kidogo. Hii ilipunguzwa na mambo kadhaa, ambayo baadhi yao yalishindwa hatua kwa hatua, ambayo mwaka wa 2016 ilisababisha watafiti katika Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison kuunda transistor ya kaboni yenye vigezo bora zaidi kuliko prototypes bora za silicon. Utafiti wa Michael Arnold na Padma Gopalan ulisababisha kuundwa kwa transistor ya nanotube ya kaboni ambayo inaweza kubeba mara mbili ya sasa ya mshindani wake wa silicon.

2003 Samsung patent teknolojia ya juu kulingana na hatua ya ions microscopic fedha, ambayo kuharibu vijidudu, mold na aina zaidi ya mia sita ya bakteria na kuzuia kuenea kwao. Chembe za fedha zimeingizwa kwenye mifumo muhimu zaidi ya kuchuja ya kampuni - vichungi vyote na mtoza vumbi au mfuko.

2004 Jumuiya ya Kifalme ya Uingereza na Chuo cha Uhandisi cha Kifalme cha Uhandisi huchapisha ripoti "Nanoscience na Nanoteknolojia: Fursa na Kutokuwa na uhakika", ikitoa wito wa utafiti juu ya hatari zinazowezekana za teknolojia ya nano kwa afya, mazingira na jamii, kwa kuzingatia maadili na sheria.

Mfano wa Nanomotor kwenye magurudumu ya fullerene

2006 James Tour, pamoja na timu ya wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Rice, wanaunda "van" hadubini kutoka kwa molekuli ya oligo (phenyleneethynylene), eksili zake zimetengenezwa kwa atomi za alumini, na magurudumu yameundwa na C60 fullerenes. Nanovehicle ilihamia juu ya uso, yenye atomi za dhahabu, chini ya ushawishi wa ongezeko la joto, kutokana na mzunguko wa "magurudumu" ya fullerene. Juu ya joto la 300 ° C, iliongeza kasi sana hivi kwamba wanakemia hawakuweza tena kuifuatilia ...

2007 Wataalamu wa teknolojia ya nanoteknolojia wanalingana na "Agano la Kale" lote la Kiyahudi katika eneo la mm 0,5 tu.² kaki ya silicon iliyopambwa kwa dhahabu. Maandishi yalichongwa kwa kuelekeza mkondo uliolengwa wa ioni za galliamu kwenye sahani.

2009-2010 Nadrian Seaman na wenzake katika Chuo Kikuu cha New York wanaunda mfululizo wa nanomounts zinazofanana na DNA ambapo miundo ya syntetisk ya DNA inaweza kupangwa ili "kutoa" miundo mingine yenye maumbo na sifa zinazohitajika.

2013 Wanasayansi wa IBM wanaunda filamu ya uhuishaji ambayo inaweza tu kutazamwa baada ya ukuzaji wa mara milioni 100. Inaitwa "Mvulana na Atomu Yake" na imechorwa na nukta za diatomiki moja ya bilioni ya mita kwa ukubwa, ambazo ni molekuli moja ya monoksidi ya kaboni. Katuni inaonyesha mvulana ambaye kwanza anacheza na mpira na kisha anaruka kwenye trampoline. Moja ya molekuli pia ina jukumu la mpira. Hatua zote hufanyika kwenye uso wa shaba, na ukubwa wa kila sura ya filamu hauzidi makumi kadhaa ya nanometers.

2014 Wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Teknolojia cha ETH huko Zurich wamefaulu kuunda utando wa vinyweleo chini ya unene wa nanometa moja. Unene wa nyenzo zilizopatikana kwa kudanganywa nanoteknolojia ni 100 XNUMX. mara ndogo kuliko ile ya nywele za binadamu. Kulingana na washiriki wa timu ya waandishi, hii ndiyo nyenzo nyembamba zaidi ya porous ambayo inaweza kupatikana na kwa ujumla inawezekana. Inajumuisha tabaka mbili za muundo wa graphene mbili-dimensional. Utando unaweza kupenyeza, lakini kwa chembe ndogo tu, kupunguza kasi au kunasa kabisa chembe kubwa.

2015 Pampu ya molekuli inaundwa, kifaa cha nanoscale ambacho huhamisha nishati kutoka kwa molekuli moja hadi nyingine, kuiga michakato ya asili. Mpangilio uliundwa na watafiti katika Chuo cha Sanaa na Sayansi cha Weinberg Northwestern. Utaratibu huo unawakumbusha michakato ya kibiolojia katika protini. Inatarajiwa kwamba teknolojia hizo zitapata matumizi hasa katika nyanja za bioteknolojia na dawa, kwa mfano, katika misuli ya bandia.

2016 Kulingana na chapisho katika jarida la kisayansi Nature Nanotechnology, watafiti katika Chuo Kikuu cha Ufundi cha Uholanzi Delft wameunda vyombo vya habari vya uhifadhi wa chembe moja. Mbinu mpya inapaswa kutoa msongamano wa hifadhi zaidi ya mara mia tano kuliko teknolojia yoyote inayotumika sasa. Waandishi wanaona kuwa matokeo bora zaidi yanaweza kupatikana kwa kutumia mfano wa tatu-dimensional wa eneo la chembe katika nafasi.

Uainishaji wa nanotechnologies na nanomaterials

1. Miundo ya nanoteknolojia ni pamoja na:

• visima vya quantum, waya na dots, i.e. miundo mbalimbali inayochanganya kipengele kifuatacho - kizuizi cha anga cha chembe katika eneo fulani kupitia vikwazo vinavyowezekana;
• plastiki, muundo ambao unadhibitiwa kwa kiwango cha molekuli ya mtu binafsi, shukrani ambayo inawezekana, kwa mfano, kupata vifaa na mali isiyo ya kawaida ya mitambo;
• nyuzi za bandia - vifaa vilivyo na muundo sahihi wa Masi, pia hutofautishwa na mali isiyo ya kawaida ya mitambo;
• nanotubes, miundo ya supramolecular kwa namna ya mitungi ya mashimo. Hadi sasa, nanotubes za kaboni zinazojulikana zaidi, kuta zake zinafanywa kwa graphene iliyopigwa (tabaka za grafiti za monatomic). Pia kuna nanotubes zisizo za kaboni (kwa mfano, kutoka kwa sulfidi ya tungsten) na kutoka kwa DNA;
• nyenzo zilizovunjwa kwa namna ya vumbi, nafaka ambazo ni, kwa mfano, mkusanyiko wa atomi za chuma. Fedha () yenye mali kali ya antibacterial hutumiwa sana katika fomu hii;
• nanowires (kwa mfano, fedha au shaba);
• vipengele vinavyotengenezwa kwa kutumia lithography ya elektroni na mbinu nyingine za nanolithography;
• fullerenes;
• graphene na vifaa vingine viwili-dimensional (borophene, graphene, hexagonal boroni nitridi, silicene, germanene, molybdenum sulfidi);
• vifaa vya mchanganyiko vilivyoimarishwa na nanoparticles.

Nanolithographic uso

2. Uainishaji wa teknolojia za nano katika mifumo ya sayansi, iliyoandaliwa mnamo 2004 na Shirika la Ushirikiano wa Kiuchumi na Maendeleo (OECD):

• nanomaterials (uzalishaji na mali);
• nanoprocesses (maombi ya nanoscale - biomaterials ni ya bioteknolojia ya viwanda).

3. Nanomaterials ni nyenzo zote ambazo kuna miundo ya kawaida katika ngazi ya Masi, i.e. isiyozidi nanomita 100.

Kikomo hiki kinaweza kurejelea saizi ya vikoa kama kitengo cha msingi cha muundo mdogo, au unene wa safu zilizopatikana au zilizowekwa kwenye substrate. Kwa mazoezi, kikomo cha chini ambacho kinahusishwa na nanomaterials ni tofauti kwa vifaa na mali tofauti za utendaji - inahusishwa hasa na kuonekana kwa mali maalum wakati unazidi. Kwa kupunguza ukubwa wa miundo iliyoagizwa ya vifaa, inawezekana kuboresha kwa kiasi kikubwa physicochemical yao, mitambo, na mali nyingine.

Nanomaterials zinaweza kugawanywa katika vikundi vinne vifuatavyo:

• sifuri-dimensional (dot nanomaterials) - kwa mfano, dots za quantum, nanoparticles za fedha;
• yenye mwelekeo mmoja - kwa mfano, nanowires za chuma au semiconductor, nanorodi, nanofiber za polymeric;
• zenye pande mbili - kwa mfano, tabaka za nanometer za aina ya awamu moja au ya awamu nyingi, graphene na vifaa vingine vyenye unene wa atomi moja;
• tatu dimensional (au nanocrystalline) - inajumuisha vikoa vya fuwele na mkusanyiko wa awamu na ukubwa wa utaratibu wa nanometers au composites zilizoimarishwa na nanoparticles.