تاریخچه اختراعات - فناوری نانو

در حدود 600 سال قبل از میلاد. مردم در حال تولید ساختارهای نانوتیپی بودند، یعنی رشته های سیمانیت در فولاد به نام Wootz. این اتفاق در هند رخ داد و این را می توان سرآغاز تاریخ فناوری نانو دانست.

VI-XV قرن. رنگ های مورد استفاده در این دوره برای رنگ آمیزی شیشه های رنگی از نانوذرات کلرید طلا، کلریدهای سایر فلزات و همچنین اکسیدهای فلزی استفاده می شود.

قرن IX-XVII در بسیاری از نقاط اروپا، "جلیتر" و سایر مواد برای درخشندگی به سرامیک و سایر محصولات تولید می شود. آنها حاوی نانوذرات فلزات، اغلب نقره یا مس بودند.

سیزدهم-هجدهم w. «فولاد دمشق» تولید شده در این قرون، که سلاح‌های سفید معروف جهان از آن ساخته شده‌اند، حاوی نانولوله‌های کربنی و نانوالیاف سیمانیت است.

1857 مایکل فارادی طلای کلوئیدی یاقوتی رنگ را کشف کرد که مشخصه نانوذرات طلا است.

1931 ماکس نول و ارنست روسکا یک میکروسکوپ الکترونی در برلین می سازند، اولین وسیله ای که ساختار نانوذرات را در سطح اتمی می بیند. هر چه انرژی الکترونها بیشتر باشد طول موج آنها کوتاهتر و قدرت تفکیک میکروسکوپ بیشتر می شود. نمونه در خلاء است و اغلب با یک فیلم فلزی پوشیده شده است. پرتو الکترونی از جسم مورد آزمایش عبور کرده و وارد آشکارسازها می شود. بر اساس سیگنال های اندازه گیری شده، دستگاه های الکترونیکی تصویر نمونه آزمایشی را بازسازی می کنند.

1936 اروین مولر که در آزمایشگاه‌های زیمنس کار می‌کند، میکروسکوپ انتشار میدانی را اختراع کرد که ساده‌ترین شکل میکروسکوپ الکترونی گسیلی است. این میکروسکوپ از یک میدان الکتریکی قوی برای انتشار میدانی و تصویربرداری استفاده می کند.

1950 ویکتور لامر و رابرت دینگار پایه های نظری تکنیک به دست آوردن مواد کلوئیدی تک پراکنده را ایجاد می کنند. این امکان تولید انواع خاصی از کاغذ، رنگ و لایه های نازک را در مقیاس صنعتی فراهم می کرد.

1956 آرتور فون هیپل از موسسه فناوری ماساچوست (MIT) اصطلاح "مهندسی مولکولی" را ابداع کرد.

1959 ریچارد فاینمن در مورد "جای زیادی در پایین وجود دارد" سخنرانی می کند. او با تصور اینکه چه چیزی برای جا دادن یک دایره المعارف 24 جلدی بریتانیکا روی سر سوزن نیاز است، مفهوم کوچک سازی و امکان استفاده از فناوری هایی را معرفی کرد که می توانند در سطح نانومتر کار کنند. به همین مناسبت، او دو جایزه (به اصطلاح جوایز فاینمن) را برای دستاوردهای در این زمینه - هر یک هزار دلار - تعیین کرد.

1960 پرداخت جایزه اول فاینمن را ناامید کرد. او تصور می کرد که برای دستیابی به اهدافش به یک پیشرفت تکنولوژیک نیاز است، اما در آن زمان پتانسیل میکروالکترونیک را دست کم گرفت. برنده مهندس 35 ساله ویلیام اچ. مک للان بود. او موتوری به وزن 250 میکروگرم با قدرت 1 مگاوات ساخت.

1968 آلفرد وای چو و جان آرتور روش اپیتاکسی را توسعه می دهند. این امکان تشکیل لایه های تک اتمی سطحی را با استفاده از فناوری نیمه هادی فراهم می کند - رشد لایه های تک کریستالی جدید بر روی یک بستر کریستالی موجود، که ساختار زیرلایه کریستالی موجود را تکرار می کند. یکی از انواع اپیتاکسی، اپیتاکسی ترکیبات مولکولی است که امکان رسوب لایه های کریستالی با ضخامت یک لایه اتمی را فراهم می کند. از این روش در تولید نقاط کوانتومی و به اصطلاح لایه های نازک استفاده می شود.

1974 معرفی اصطلاح نانوتکنولوژی. این اولین بار توسط محقق دانشگاه توکیو نوریو تانیگوچی در یک کنفرانس علمی مورد استفاده قرار گرفت. تعریف فیزیک ژاپنی تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرد و به نظر می رسد: «نانو فناوری تولیدی با استفاده از فناوری است که امکان دستیابی به دقت بسیار بالا و اندازه های بسیار کوچک را فراهم می کند. دقت مرتبه 1 نانومتر

تجسم یک قطره کوانتومی

دهه های 80 و 90 دوره توسعه سریع فناوری لیتوگرافی و تولید لایه های فوق نازک کریستال ها. روش اول، MOCVD()، روشی برای رسوب گذاری لایه ها بر روی سطح مواد با استفاده از ترکیبات آلی فلزی گازی است. این یکی از روش های همپایی است، از این رو نام جایگزین آن - MOSFE (). روش دوم، MBE، امکان رسوب لایه های بسیار نازک نانومتری با ترکیب شیمیایی دقیق و توزیع دقیق مشخصات غلظت ناخالصی را فراهم می کند. این امر با توجه به این واقعیت امکان پذیر است که اجزای لایه توسط پرتوهای مولکولی جداگانه به زیرلایه عرضه می شوند.

1981 گرد بینینگ و هاینریش رورر میکروسکوپ تونل زنی روبشی را ایجاد کردند. با استفاده از نیروهای فعل و انفعالات بین اتمی، به شما این امکان را می دهد که با عبور دادن تیغه از بالا یا زیر سطح نمونه، تصویری از سطح با وضوحی به اندازه یک اتم به دست آورید. در سال 1989، از این دستگاه برای دستکاری اتم های منفرد استفاده شد. بیننیگ و روهرر در سال 1986 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.

1985 لوئیس بروس از آزمایشگاه های بل، نانوکریستال های نیمه هادی کلوئیدی (نقاط کوانتومی) را کشف کرد. آنها به عنوان یک منطقه کوچک از فضا تعریف می شوند که در سه بعدی توسط موانع بالقوه محدود می شود، زمانی که یک ذره با طول موج قابل مقایسه با اندازه یک نقطه وارد می شود.

جلد کتاب Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology اثر سی اریک درکسلر

1985 رابرت فلوید کرل جونیور، هارولد والتر کروتو و ریچارد اررت اسمالی فولرن‌ها را کشف کردند، مولکول‌هایی که از تعداد زوج اتم کربن (از 28 تا حدود 1500) تشکیل شده‌اند که یک جسم توخالی بسته را تشکیل می‌دهند. خواص شیمیایی فولرن ها از بسیاری جهات شبیه به هیدروکربن های معطر است. فولرن C60 یا باکمینسترفولرن، مانند سایر فولرن ها، شکل آلوتروپیک کربن است.

1986-1992 سی. اریک درکسلر دو کتاب مهم در زمینه آینده پژوهی منتشر می کند که فناوری نانو را رواج می دهد. اولین مورد که در سال 1986 منتشر شد، موتورهای خلقت: عصر آینده نانوتکنولوژی نام دارد. او از جمله پیش‌بینی می‌کند که فناوری‌های آینده می‌توانند اتم‌های فردی را به شیوه‌ای کنترل‌شده دستکاری کنند. در سال 1992، او Nanosystems: Molecular Hardware، Manufacturing, and Computational Idea را منتشر کرد که به نوبه خود پیش بینی کرد که نانوماشین ها می توانند خود را بازتولید کنند.

1989 Donald M. Aigler از IBM کلمه "IBM" - ساخته شده از 35 اتم زنون - را بر روی سطح نیکل قرار می دهد.

1991 سومیو ایجیما از NEC در تسوکوبای ژاپن، نانولوله‌های کربنی، ساختارهای استوانه‌ای توخالی را کشف کرد. تا به امروز، بهترین نانولوله های کربنی شناخته شده، که دیواره های آن از گرافن نورد شده ساخته شده است. نانولوله های غیر کربنی و نانولوله های DNA نیز وجود دارد. نازک ترین نانولوله های کربنی در حدود یک نانومتر قطر دارند و می توانند میلیون ها بار بلندتر باشند. آنها دارای استحکام کششی قابل توجه و خواص الکتریکی منحصر به فرد هستند و رسانای عالی گرما هستند. این ویژگی‌ها آنها را به مواد امیدوارکننده‌ای برای کاربرد در نانوتکنولوژی، الکترونیک، اپتیک و علم مواد تبدیل می‌کند.

1993 وارن رابینت از دانشگاه کارولینای شمالی و آر. استنلی ویلیامز از UCLA در حال ساختن یک سیستم واقعیت مجازی هستند که به یک میکروسکوپ تونلی روبشی مرتبط است که به کاربر امکان دیدن و حتی لمس اتم ها را می دهد.

1998 تیم Cees Dekker در دانشگاه صنعتی دلفت در هلند در حال ساخت ترانزیستوری است که از نانولوله های کربنی استفاده می کند. در حال حاضر، دانشمندان در تلاش هستند تا از خواص منحصر به فرد نانولوله های کربنی برای تولید وسایل الکترونیکی بهتر و سریع تری که برق کمتری مصرف می کنند، استفاده کنند. این توسط تعدادی از عوامل محدود شد، که برخی از آنها به تدریج برطرف شد، که در سال 2016 باعث شد تا محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون یک ترانزیستور کربنی با پارامترهای بهتر از بهترین نمونه های اولیه سیلیکونی ایجاد کنند. تحقیقات مایکل آرنولد و پادما گوپالان منجر به ساخت ترانزیستور نانولوله‌ای کربنی شد که می‌تواند دو برابر رقیب سیلیکونی خود جریان داشته باشد.

2003 سامسونگ یک فناوری پیشرفته بر اساس عملکرد یون‌های نقره میکروسکوپی برای از بین بردن میکروب‌ها، کپک‌ها و بیش از ششصد نوع باکتری و جلوگیری از گسترش آنها به ثبت رساند. ذرات نقره به مهم ترین سیستم های فیلتراسیون در جاروبرقی این شرکت - همه فیلترها و گردگیر یا کیسه - وارد شده اند.

2004 انجمن سلطنتی بریتانیا و آکادمی سلطنتی مهندسی گزارش «علم نانو و فناوری نانو: فرصت‌ها و عدم قطعیت‌ها» را منتشر می‌کنند و خواستار تحقیق در مورد خطرات بالقوه نانوتکنولوژی برای سلامت، محیط زیست و جامعه با در نظر گرفتن جنبه‌های اخلاقی و قانونی هستند.

مدل نانوموتور روی چرخ های فولرن

2006 جیمز تور به همراه تیمی از دانشمندان دانشگاه رایس، یک "ون" میکروسکوپی از مولکول الیگو (فنیل اتینیلن) می سازد که محورهای آن از اتم های آلومینیوم و چرخ ها از فولرن C60 ساخته شده است. این نانو وسیله نقلیه متشکل از اتم‌های طلا، تحت تأثیر افزایش دما، به دلیل چرخش «چرخ‌های فولرن» بر روی سطح حرکت کرد. در دمای بالای 300 درجه سانتیگراد، آنقدر شتاب گرفت که شیمیدانان دیگر نتوانستند آن را ردیابی کنند.

2007 نانوتکنولوژیست های تکنیون کل «عهد عتیق» یهودی را در فضایی به اندازه 0,5 میلی متر قرار می دهند.² ویفر سیلیکونی با روکش طلا. متن با هدایت یک جریان متمرکز از یون‌های گالیوم بر روی صفحه حک شد.

2009-2010 نادریان سیمن و همکارانش در دانشگاه نیویورک در حال ایجاد یک سری نانومواد شبیه DNA هستند که در آنها ساختارهای DNA مصنوعی را می توان برای "تولید" ساختارهای دیگر با اشکال و خواص دلخواه برنامه ریزی کرد.

2013 دانشمندان IBM در حال ساخت یک فیلم انیمیشن هستند که تنها پس از 100 میلیون بار بزرگنمایی قابل مشاهده است. این "پسر و اتم او" نامیده می شود و با نقاط دو اتمی به اندازه یک میلیاردم متر ترسیم شده است که تک مولکول های مونوکسید کربن هستند. این کارتون پسری را به تصویر می کشد که ابتدا با توپ بازی می کند و سپس روی ترامپولین می پرد. یکی از مولکول ها نیز نقش توپ را بازی می کند. تمام اقدامات روی سطح مسی انجام می شود و اندازه هر فریم فیلم از چند ده نانومتر تجاوز نمی کند.

2014 دانشمندان دانشگاه فناوری ETH در زوریخ موفق به ایجاد یک غشای متخلخل با ضخامت کمتر از یک نانومتر شدند. ضخامت ماده به دست آمده از طریق دستکاری فناوری نانو 100 XNUMX است. چند برابر کوچکتر از موی انسان به گفته اعضای تیم نویسندگان، این نازک ترین ماده متخلخلی است که می توان به دست آورد و به طور کلی امکان پذیر است. از دو لایه ساختار گرافن دو بعدی تشکیل شده است. غشاء نفوذ پذیر است، اما فقط به ذرات کوچک، کاهش می یابد و یا به طور کامل ذرات بزرگتر را به دام می اندازد.

2015 یک پمپ مولکولی در حال ایجاد است، دستگاهی در مقیاس نانو که انرژی را از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل می کند و فرآیندهای طبیعی را تقلید می کند. این طرح توسط محققان کالج هنر و علوم Weinberg Northwestern طراحی شده است. این مکانیسم یادآور فرآیندهای بیولوژیکی در پروتئین ها است. انتظار می رود که چنین فناوری هایی عمدتاً در زمینه های بیوتکنولوژی و پزشکی، به عنوان مثال، در عضلات مصنوعی کاربرد پیدا کنند.

2016 بر اساس نشریه ای در مجله علمی Nature Nanotechnology، محققان دانشگاه فنی هلندی دلفت، رسانه های ذخیره سازی تک اتمی پیشگامانه ای را توسعه داده اند. روش جدید باید بیش از پانصد برابر تراکم ذخیره سازی بالاتر از هر فناوری مورد استفاده فعلی را ارائه دهد. نویسندگان خاطرنشان می کنند که با استفاده از یک مدل سه بعدی از مکان ذرات در فضا می توان به نتایج بهتری دست یافت.

طبقه بندی نانوتکنولوژی ها و نانومواد

ساختارهای نانوتکنولوژی عبارتند از:

چاه های کوانتومی، سیم ها و نقاط، به عنوان مثال. ساختارهای مختلفی که ویژگی زیر را ترکیب می کنند - محدودیت فضایی ذرات در یک منطقه خاص از طریق موانع بالقوه.
پلاستیک هایی که ساختار آن در سطح مولکول های منفرد کنترل می شود و به لطف آنها می توان به عنوان مثال موادی با خواص مکانیکی بی سابقه به دست آورد.
الیاف مصنوعی - مواد با ساختار مولکولی بسیار دقیق، همچنین با خواص مکانیکی غیر معمول متمایز می شوند.
نانولوله ها، ساختارهای فوق مولکولی به شکل استوانه های توخالی. تا به امروز، بهترین نانولوله های کربنی شناخته شده، که دیواره های آن از گرافن چین خورده (لایه های گرافیت تک اتمی) ساخته شده است. همچنین نانولوله های غیر کربنی (به عنوان مثال، از سولفید تنگستن) و از DNA وجود دارد.
مواد خرد شده به شکل گرد و غبار که دانه های آن مثلاً انباشته شدن اتم های فلزی است. نقره () با خواص ضد باکتری قوی به طور گسترده ای در این شکل استفاده می شود.
نانوسیم ها (به عنوان مثال، نقره یا مس)؛
عناصر تشکیل شده با استفاده از لیتوگرافی الکترونی و سایر روش های نانولیتوگرافی.
فولرن ها؛
گرافن و سایر مواد دو بعدی (بوروفن، گرافن، نیترید بور شش ضلعی، سیلیسن، ژرمانن، سولفید مولیبدن)؛
مواد کامپوزیتی تقویت شده با نانوذرات

سطح نانو سنگی

طبقه بندی فناوری نانو در سیستماتیک علوم، که در سال 2004 توسط سازمان همکاری و توسعه اقتصادی (OECD) ایجاد شد:

نانومواد (تولید و خواص)؛
نانو فرآیندها (کاربردهای نانومقیاس - بیومواد متعلق به بیوتکنولوژی صنعتی است).

نانومواد همه موادی هستند که در آنها ساختارهای منظمی در سطح مولکولی وجود دارد. بیش از 100 نانومتر نباشد.

این محدودیت ممکن است به اندازه دامنه ها به عنوان واحد اصلی ریزساختار یا به ضخامت لایه های به دست آمده یا رسوب شده روی بستر اشاره کند. در عمل، حدی که زیر آن به نانومواد نسبت داده می‌شود، برای موادی با ویژگی‌های عملکردی متفاوت متفاوت است - این محدودیت عمدتاً با ظاهر ویژگی‌های خاص در صورت فراتر رفتن همراه است. با کاهش اندازه ساختارهای سفارش داده شده مواد، می توان به طور قابل توجهی خواص فیزیکوشیمیایی، مکانیکی و غیره آنها را بهبود بخشید.

نانومواد را می توان به چهار گروه زیر تقسیم کرد:

صفر بعدی (نانومواد نقطه ای) - به عنوان مثال، نقاط کوانتومی، نانوذرات نقره؛
یک بعدی – به عنوان مثال، نانوسیم های فلزی یا نیمه هادی، نانومیله ها، نانوالیاف پلیمری؛
دو بعدی – به عنوان مثال، لایه های نانومتری از نوع تک فاز یا چند فاز، گرافن و سایر مواد با ضخامت یک اتم؛
سه بعدی (یا نانوکریستالی) - شامل حوزه‌های کریستالی و تجمع فازهایی با اندازه‌های مرتبه نانومتر یا کامپوزیت‌های تقویت‌شده با نانوذرات است.