Историја проналазака – нанотехнологија

Већ око 600. године п.н.е. људи су производили нанотипске структуре, односно цементитне нити од челика, зване Воотз. То се догодило у Индији и то се може сматрати почетком историје нанотехнологије.

ВИ-КСВ с. Боје које се користе у овом периоду за фарбање витража користе наночестице хлорида злата, хлориде других метала, као и оксиде метала.

ИКС-КСВИИ вв. На многим местима у Европи производе се „шљокице” и друге супстанце које дају сјај керамици и другим производима. Садржале су наночестице метала, најчешће сребра или бакра.

КСИИИ-квиии w. „Дамаски челик” произведен у овим вековима, од којег је направљено светски познато бело оружје, садржи угљеничне наноцеви и цементитна нановлакна.

1857 Мајкл Фарадеј открива колоидно злато рубин боје, карактеристично за наночестице злата.

1931 Макс Кнол и Ернст Руска граде електронски микроскоп у Берлину, први уређај који види структуру наночестица на атомском нивоу. Што је енергија електрона већа, то је њихова таласна дужина краћа и резолуција микроскопа је већа. Узорак је у вакууму и најчешће прекривен металним филмом. Електронски сноп пролази кроз испитивани објекат и улази у детекторе. На основу измерених сигнала, електронски уређаји поново креирају слику узорка за тестирање.

1936 Ервин Милер, који ради у Сименсовим лабораторијама, изуме пољски емисиони микроскоп, најједноставнији облик емисионог електронског микроскопа. Овај микроскоп користи јако електрично поље за емитовање поља и снимање.

1950 Виктор Ла Мер и Роберт Динегар стварају теоријске основе за технику добијања монодисперзних колоидних материјала. Ово је омогућило производњу специјалних врста папира, боја и танких филмова у индустријском обиму.

1956 Артур фон Хипел са Масачусетског технолошког института (МИТ) сковао је термин „молекуларни инжењеринг”.

1959 Ричард Фајнман држи предавања на тему „Има доста места на дну“. Почевши од замишљања шта би било потребно да се Енцицлопӕдиа Британница од 24 тома стави на главу игле, увео је концепт минијатуризације и могућност коришћења технологија које би могле да раде на нанометарском нивоу. Овом приликом установио је две награде (тзв. Фејнманове награде) за достигнућа у овој области – по хиљаду долара.

1960 Исплата прве награде разочарала је Фејнмана. Претпостављао је да ће за постизање његових циљева бити потребан технолошки напредак, али је у то време потценио потенцијал микроелектронике. Победник је био 35-годишњи инжењер Виллиам Х. МцЛеллан. Створио је мотор тежине 250 микрограма, снаге 1 мВ.

1968 Алфред И. Цхо и Јохн Артхур развијају метод епитаксије. Омогућава формирање површинских моноатомских слојева коришћењем полупроводничке технологије – раст нових монокристалних слојева на постојећем кристалном супстрату, дуплирајући структуру постојећег кристалног супстрата. Варијанта епитаксије је епитаксија молекуларних једињења, која омогућава наношење кристалних слојева дебљине једног атомског слоја. Ова метода се користи у производњи квантних тачака и такозваних танких слојева.

1974 Увођење појма „нанотехнологија“. Први га је употребио истраживач Универзитета у Токију Норио Танигучи на научној конференцији. Дефиниција јапанске физике остала је у употреби до данас и звучи овако: „Нанотехнологија је производња која користи технологију која омогућава постизање веома високе тачности и изузетно малих величина, тј. тачност реда од 1 нм.

Визуелизација квантног пада

80-их и 90-их Период наглог развоја литографске технологије и производње ултратанких слојева кристала. Први, МОЦВД(), је метода за наношење слојева на површину материјала коришћењем гасовитих органометалних једињења. Ово је једна од епитаксијалних метода, па отуда и њен алтернативни назив - МОСФЕ (). Други метод, МБЕ, омогућава наношење веома танких нанометарских слојева са тачно дефинисаним хемијским саставом и прецизном расподелом профила концентрације нечистоћа. Ово је могуће због чињенице да се компоненте слоја доводе на подлогу одвојеним молекуларним зракама.

1981 Герд Бинниг и Хеинрицх Рохрер креирају скенирајући тунелски микроскоп. Користећи силе међуатомских интеракција, омогућава вам да добијете слику површине са резолуцијом реда величине једног атома, проласком оштрице изнад или испод површине узорка. Године 1989. уређај је коришћен за манипулацију појединачним атомима. Биниг и Рорер су 1986. добили Нобелову награду за физику.

1985 Лоуис Брус из Белл Лабс открива колоидне полупроводничке нанокристале (квантне тачке). Дефинишу се као мала површина простора ограничена у три димензије потенцијалним баријерама када уђе честица чија је таласна дужина упоредива са величином тачке.

Корица књиге Мотори стварања: Надолазећа ера нанотехнологије од Ц. Ерица Дреклера

1985 Роберт Флоид Цурл, Јр., Харолд Валтер Крото и Рицхард Еррет Смаллеи откривају фулерене, молекуле састављене од парног броја атома угљеника (од 28 до око 1500) који формирају затворено шупље тело. Хемијска својства фулерена су у многим аспектима слична онима ароматичних угљоводоника. Фулерен Ц60, или букминстерфулерен, као и други фулерени, је алотропни облик угљеника.

1986-1992 Ц. Ериц Дреклер објављује две важне књиге о футурологији које популаришу нанотехнологију. Први, објављен 1986. године, зове се Мотори стварања: Надолазећа ера нанотехнологије. Он предвиђа, између осталог, да ће будуће технологије моћи на контролисан начин да манипулишу појединачним атомима. Године 1992. објавио је Наносистеми: молекуларни хардвер, производња и рачунарска идеја, која је заузврат предвидела да би наномашине могле да се репродукују.

1989 Доналд М. Аиглер из ИБМ-а ставља реч "ИБМ" - направљену од 35 атома ксенона - на површину никла.

1991 Сумио Иијима из НЕЦ-а у Цукуби, Јапан, открива угљеничне наноцеви, шупље цилиндричне структуре. До данас су најпознатије угљеничне наноцеви, чији су зидови направљени од ваљаног графена. Постоје и неугљеничне наноцеви и ДНК наноцеви. Најтање угљеничне наноцеви су величине једног нанометра у пречнику и могу бити милионе пута дуже. Имају изузетну затезну чврстоћу и јединствена електрична својства и одлични су проводници топлоте. Ова својства их чине обећавајућим материјалима за примену у нанотехнологији, електроници, оптици и науци о материјалима.

1993 Ворен Робинет са Универзитета Северне Каролине и Р. Стенли Вилијамс са УЦЛА граде систем виртуелне реалности повезан са скенирајућим тунелским микроскопом који омогућава кориснику да види, па чак и додирне атоме.

1998 Тим Цеес Деккер са Технолошког универзитета Делфт у Холандији прави транзистор који користи угљеничне наноцеви. Тренутно научници покушавају да искористе јединствена својства угљеничних наноцеви за производњу боље и брже електронике која троши мање електричне енергије. Ово је било ограничено бројним факторима, од којих су неки постепено превазиђени, што је 2016. навело истраживаче на Универзитету Висконсин-Медисон да створе угљенични транзистор са бољим параметрима од најбољих силицијумских прототипова. Истраживање Мајкла Арнолда и Падме Гопалан довело је до развоја транзистора од угљеничних наноцеви који може да носи двоструко већу струју од свог силицијумског конкурента.

2003 Самсунг патентира напредну технологију засновану на дејству микроскопских јона сребра да убије клице, буђ и више од шест стотина врста бактерија и спречи њихово ширење. Честице сребра су уведене у најважније системе филтрације у усисивачу компаније - све филтере и сакупљач прашине или врећу.

2004 Британско краљевско друштво и Краљевска инжењерска академија објављују извештај „Нанонаука и нанотехнологија: могућности и неизвесности“, позивајући на истраживање потенцијалних ризика нанотехнологије по здравље, животну средину и друштво, узимајући у обзир етичке и правне аспекте.

Наномоторни модел на фулеренским точковима

2006 Џејмс Тур, заједно са тимом научника са Универзитета Рајс, конструише микроскопски „комби” од молекула олиго (фениленетинилена) чије су осовине направљене од атома алуминијума, а точкови од Ц60 фулерена. Нановозило се кретало по површини, која се састоји од атома злата, под утицајем повећања температуре, услед ротације фулеренских „точкова”. Изнад температуре од 300 ° Ц, толико се убрзао да хемичари више нису могли да га прате...

2007 Тецхнион нанотехнолози уклапају цео јеврејски "Стари завет" у површину од само 0,5 мм² позлаћена силиконска плочица. Текст је угравиран усмеравањем фокусираног тока јона галијума на плочу.

2009-2010 Надриан Сеаман и колеге са Универзитета у Њујорку стварају серију наномоунта сличних ДНК у којима се синтетичке структуре ДНК могу програмирати да "производе" друге структуре жељених облика и својстава.

2013 Научници ИБМ-а креирају анимирани филм који се може погледати само након што се увећа 100 милиона пута. Зове се "Дечак и његов атом" и нацртан је двоатомским тачкама величине милијарду дела метра, које су појединачни молекули угљен-моноксида. Цртић приказује дечака који се прво игра са лоптом, а затим скаче на трамполину. Један од молекула такође игра улогу лопте. Сва радња се одвија на површини бакра, а величина сваког оквира филма не прелази неколико десетина нанометара.

2014 Научници са Технолошког универзитета ЕТХ у Цириху успели су да створе порозну мембрану дебљину мању од једног нанометра. Дебљина материјала добијеног нанотехнолошком манипулацијом је 100 КСНУМКС. пута мањи од људске косе. Према речима чланова ауторског тима, ово је најтањи порозни материјал који се могао добити и који је генерално могућ. Састоји се од два слоја дводимензионалне структуре графена. Мембрана је пропусна, али само за мале честице, успоравајући или потпуно хватајући веће честице.

2015 Ствара се молекуларна пумпа, уређај наноразмера који преноси енергију са једног молекула на други, опонашајући природне процесе. Распоред су дизајнирали истраживачи са Веинберг Нортхвестерн Цоллеге оф Артс анд Сциенцес. Механизам подсећа на биолошке процесе у протеинима. Очекује се да ће такве технологије наћи примену углавном у областима биотехнологије и медицине, на пример, у вештачким мишићима.

2016 Према публикацији у научном часопису Натуре Нанотецхнологи, истраживачи са холандског техничког универзитета Делфт развили су револуционарне медије за складиштење са једним атомом. Нова метода би требало да обезбеди више од петсто пута већу густину складиштења од било које технологије која се тренутно користи. Аутори напомињу да се још бољи резултати могу постићи коришћењем тродимензионалног модела локације честица у простору.

Класификација нанотехнологија и наноматеријала

1. Нанотехнолошке структуре укључују:

• квантне бушотине, жице и тачке, тј. разне структуре које комбинују следећу особину – просторно ограничење честица у одређеном подручју кроз потенцијалне баријере;
• пластике, чија се структура контролише на нивоу појединачних молекула, захваљујући којима је могуће, на пример, добити материјале са механичким својствима без преседана;
• вештачка влакна - материјали са врло прецизном молекуларном структуром, такође се одликују необичним механичким својствима;
• наноцеви, супрамолекуларне структуре у облику шупљих цилиндара. До данас су најпознатије угљеничне наноцеви, чији су зидови направљени од пресавијеног графена (монатомски графитни слојеви). Постоје и неугљеничне наноцеви (на пример, од волфрам сулфида) и од ДНК;
• материјали згњечени у облику прашине чија су зрна, на пример, накупине атома метала. Сребро () са јаким антибактеријским својствима се широко користи у овом облику;
• наножице (на пример, сребро или бакар);
• елементи формирани електронском литографијом и другим методама нанолитографије;
• фулерени;
• графен и други дводимензионални материјали (борофен, графен, хексагонални бор нитрид, силицен, германен, молибден сулфид);
• композитни материјали ојачани наночестицама.

Нанолитографска површина

2. Класификација нанотехнологија у систематици наука, коју је 2004. године развила Организација за економску сарадњу и развој (ОЕЦД):

• наноматеријали (производња и својства);
• нанопроцеси (примена наноразмера – биоматеријали припадају индустријској биотехнологији).

3. Наноматеријали су сви материјали у којима постоје правилне структуре на молекуларном нивоу, тј. не прелази 100 нанометара.

Ово ограничење се може односити на величину домена као основне јединице микроструктуре, или на дебљину слојева добијених или депонованих на подлогу. У пракси, граница испод које се приписује наноматеријалима је другачија за материјале са различитим карактеристикама перформанси – углавном је повезана са појавом специфичних особина када се прекораче. Смањењем величине уређених структура материјала могуће је значајно побољшати њихова физичко-хемијска, механичка и друга својства.

Наноматеријали се могу поделити у следеће четири групе:

• нул-димензионални (тачкасти наноматеријали) - на пример, квантне тачке, наночестице сребра;
• једнодимензионални – на пример, металне или полупроводничке наножице, наношипке, полимерна нановлакна;
• дводимензионални – на пример, нанометарски слојеви једнофазног или вишефазног типа, графен и други материјали дебљине једног атома;
• тродимензионални (или нанокристални) – састоје се од кристалних домена и накупина фаза величине реда нанометара или композита ојачаних наночестицама.