История изобретений – нанотехнологии

Уже около 600 г. до н.э. люди производили структуры нанотипа, то есть цементитные нити в стали, называемые Wootz. Это произошло в Индии, и это можно считать началом истории нанотехнологий.

VI-XV с. Красители, применяемые в этот период при окраске витражей, используют наночастицы хлорида золота, хлориды других металлов, а также оксиды металлов.

IX-XVII вв. Во многих местах Европы производят «блестки» и другие вещества для придания блеска керамике и другим изделиям. Они содержали наночастицы металлов, чаще всего серебра или меди.

XIII-XVIII w. Производимая в эти века «дамасская сталь», из которой изготавливалось всемирно известное белое оружие, содержит углеродные нанотрубки и цементитные нановолокна.

1857 Майкл Фарадей обнаруживает коллоидное золото рубинового цвета, характерного для наночастиц золота.

1931 Макс Нолл и Эрнст Руска строят в Берлине электронный микроскоп — первое устройство, позволяющее увидеть структуру наночастиц на атомном уровне. Чем больше энергия электронов, тем короче их длина волны и тем больше разрешающая способность микроскопа. Образец находится в вакууме и чаще всего покрыт металлической пленкой. Электронный пучок проходит по тестируемому объекту и поступает на детекторы. На основе измеренных сигналов электронные устройства воссоздают изображение испытуемого образца.

1936 Эрвин Мюллер, работая в лабораториях Siemens, изобретает полевой эмиссионный микроскоп — простейшую форму эмиссионного электронного микроскопа. В этом микроскопе для полевой эмиссии и получения изображения используется сильное электрическое поле.

1950 Виктор Ла Мер и Роберт Динегар создают теоретические основы техники получения монодисперсных коллоидных материалов. Это позволило производить в промышленных масштабах специальные виды бумаги, красок и тонких пленок.

1956 Артур фон Хиппель из Массачусетского технологического института (MIT) ввел термин «молекулярная инженерия».

1959 Ричард Фейнман читает лекцию «На дне полно места». Начав с представления того, что потребуется, чтобы уместить 24-томную «Британскую энциклопедию» на булавочной головке, он представил концепцию миниатюризации и возможности использования технологий, которые могли бы работать на нанометровом уровне. По этому случаю он учредил две премии (так называемые премии Фейнмана) за достижения в этой области — по тысяче долларов каждая.

1960 Выплата первого приза разочаровала Фейнмана. Он предполагал, что для достижения его целей потребуется технологический прорыв, однако в то время он недооценивал потенциал микроэлектроники. Победителем стал 35-летний инженер Уильям Х. Маклеллан. Он создал мотор весом 250 мкг, мощностью 1 мВт.

1968 Альфред Ю. Чо и Джон Артур разрабатывают метод эпитаксии. Он позволяет формировать поверхностные моноатомные слои с помощью полупроводниковой техники – выращивания новых монокристаллических слоев на существующей кристаллической подложке, дублирующих структуру существующей кристаллической решетки подложки. Разновидностью эпитаксии является эпитаксия молекулярных соединений, позволяющая наносить кристаллические слои толщиной в один атомный слой. Этот метод используется в производстве квантовых точек и так называемых тонкие слои.

1974 Введение термина «нанотехнология». Впервые он был использован исследователем Токийского университета Норио Танигути на научной конференции. Определение японской физики остается в ходу до сих пор и звучит так: «Нанотехнология – это производство с использованием технологии, позволяющей достичь очень высокой точности и предельно малых размеров, т.е. точности порядка 1 нм».

Визуализация квантовой капли

80-е и 90-е годы Период бурного развития литографической техники и получения сверхтонких слоев кристаллов. Первый, MOCVD (), представляет собой метод осаждения слоев на поверхности материалов с использованием газообразных металлоорганических соединений. Это один из эпитаксиальных методов, отсюда и его альтернативное название — МОСФЭ (). Второй метод, МЛЭ, позволяет наносить очень тонкие нанометровые слои с точно заданным химическим составом и точным распределением профиля концентрации примеси. Это возможно благодаря тому, что компоненты слоя подаются на подложку отдельными молекулярными пучками.

1981 Герд Бинниг и Генрих Рорер создают сканирующий туннельный микроскоп. Используя силы межатомных взаимодействий, он позволяет получить изображение поверхности с разрешающей способностью порядка размеров одного атома, проводя лезвием над или под поверхностью образца. В 1989 году устройство использовалось для манипулирования отдельными атомами. Бинниг и Рорер были удостоены Нобелевской премии по физике 1986 года.

1985 Луи Брус из Bell Labs открывает коллоидные полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки). Они определяются как небольшой участок пространства, ограниченный в трех измерениях потенциальными барьерами, когда внутрь попадает частица с длиной волны, сравнимой с размером точки.

Обложка книги К. Эрика Дрекслера «Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий»

1985 Роберт Флойд Керл-младший, Гарольд Уолтер Крото и Ричард Эррет Смолли открывают фуллерены, молекулы, состоящие из четного числа атомов углерода (от 28 до примерно 1500), образующие замкнутое полое тело. Химические свойства фуллеренов во многом схожи со свойствами ароматических углеводородов. Фуллерен С60, или бакминстерфуллерен, как и другие фуллерены, представляет собой аллотропную форму углерода.

1986-1992 К. Эрик Дрекслер издает две важные книги по футурологии, популяризирующие нанотехнологии. Первый, выпущенный в 1986 году, называется «Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий». Он предсказывает, среди прочего, что будущие технологии смогут управлять отдельными атомами контролируемым образом. В 1992 году он опубликовал книгу «Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычислительная идея», в которой, в свою очередь, предсказывалось, что наномашины могут воспроизводить себя.

1989 Дональд М. Эйглер из IBM помещает слово “IBM” – сделано из 35 атомов ксенона на поверхности никеля.

1991 Сумио Иидзима из NEC в Цукубе, Япония, открывает углеродные нанотрубки — полые цилиндрические структуры. На сегодняшний день наиболее известны углеродные нанотрубки, стенки которых выполнены из свернутого графена. Существуют также неуглеродные нанотрубки и нанотрубки из ДНК. Самые тонкие углеродные нанотрубки имеют диаметр порядка одного нанометра и могут быть в миллионы раз длиннее. Они обладают замечательной прочностью на растяжение и уникальными электрическими свойствами, а также являются отличными проводниками тепла. Эти свойства делают их перспективными материалами для применения в нанотехнологиях, электронике, оптике и материаловедении.

1993 Уоррен Робинетт из Университета Северной Каролины и Р. Стэнли Уильямс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создают систему виртуальной реальности, связанную со сканирующим туннельным микроскопом, который позволяет пользователю видеть атомы и даже прикасаться к ним.

1998 Команда Cees Dekker из Делфтского технологического университета в Нидерландах создает транзистор, в котором используются углеродные нанотрубки. В настоящее время ученые пытаются использовать уникальные свойства углеродных нанотрубок для производства более качественной и быстрой электроники, потребляющей меньше электроэнергии. Это было ограничено рядом факторов, некоторые из которых были постепенно преодолены, благодаря чему в 2016 году исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон создали углеродный транзистор с параметрами, лучшими, чем у лучших из кремниевых прототипов. Исследования, проведенные Майклом Арнольдом и Падмой Гопалан, привели к разработке транзистора из углеродных нанотрубок, который может передавать ток в два раза больше, чем его кремниевый конкурент.

2003 Samsung патентует передовую технологию, основанную на действии микроскопических ионов серебра, уничтожающих микробы, плесень и более шестисот видов бактерий и предотвращающих их распространение. Частицы серебра были введены в самые важные системы фильтрации в пылесосе компании — все фильтры и пылесборник или мешок.

2004 Британское Королевское общество и Королевская инженерная академия публикуют отчет «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности», призывающий к исследованию потенциальных рисков нанотехнологий для здоровья, окружающей среды и общества с учетом этических и правовых аспектов.

Модель наномотора на фуллереновых колесах

2006 Джеймс Тур вместе с командой ученых из Университета Райса конструирует микроскопический «фургон» из молекулы олиго (фенилэнэтинилена), оси которого состоят из атомов алюминия, а колеса — из фуллеренов С60. Нанотранспортное средство перемещалось по поверхности, состоящей из атомов золота, под действием повышения температуры, благодаря вращению фуллереновых «колес». Выше температуры 300°С он разгонялся настолько, что химики уже не могли его отследить…

2007 Нанотехнологи Техниона поместили весь еврейский «Ветхий Завет» на площади всего 0,5 мм² позолоченная кремниевая пластина. Текст был выгравирован путем направления на пластину сфокусированного потока ионов галлия.

2009-2010 Надриан Симан и его коллеги из Нью-Йоркского университета создают серию ДНК-подобных нано-маунтов, в которых синтетические структуры ДНК могут быть запрограммированы для «производства» других структур с желаемыми формами и свойствами.

2013 Ученые IBM создают анимационный фильм, который можно будет посмотреть только после увеличения в 100 миллионов раз. Он называется «Мальчик и его атом» и нарисован двухатомными точками размером в одну миллиардную часть метра, которые представляют собой одиночные молекулы угарного газа. В мультфильме изображен мальчик, который сначала играет с мячом, а потом прыгает на батуте. Одна из молекул также играет роль шара. Все действие происходит на медной поверхности, а размер каждого кадра пленки не превышает нескольких десятков нанометров.

2014 Ученым из Технологического университета ETH в Цюрихе удалось создать пористую мембрану толщиной менее одного нанометра. Толщина материала, полученного с помощью нанотехнологических манипуляций, составляет 100 XNUMX. раз меньше, чем у человеческого волоса. По мнению членов авторского коллектива, это самый тонкий пористый материал, который можно было получить и вообще возможно. Он состоит из двух слоев двумерной графеновой структуры. Мембрана проницаема, но только для мелких частиц, замедляя или полностью задерживая более крупные частицы.

2015 Создается молекулярный насос — наноразмерное устройство, которое передает энергию от одной молекулы к другой, имитируя естественные процессы. Макет был разработан исследователями из Северо-Западного колледжа искусств и наук Вайнберга. Механизм напоминает биологические процессы в белках. Ожидается, что такие технологии найдут применение в основном в областях биотехнологии и медицины, например, в искусственных мышцах.

2016 Согласно публикации в научном журнале Nature Nanotechnology, исследователи из Голландского технического университета в Делфте разработали новаторские носители данных с записью одного атома. Новый метод должен обеспечить более чем в пятьсот раз более высокую плотность хранения данных, чем любая используемая в настоящее время технология. Авторы отмечают, что с помощью трехмерной модели расположения частиц в пространстве можно добиться еще лучших результатов.

Классификация нанотехнологий и наноматериалов

1. К нанотехнологическим структурам относятся:

• квантовые ямы, проволоки и точки, т.е. различные структуры, объединяющие следующий признак – пространственное ограничение частиц в определенной области через потенциальные барьеры;
• пластики, структура которых контролируется на уровне отдельных молекул, благодаря чему можно, например, получать материалы с беспрецедентными механическими свойствами;
• искусственные волокна – материалы с очень точной молекулярной структурой, отличающиеся также необычными механическими свойствами;
• нанотрубки, надмолекулярные структуры в виде полых цилиндров. На сегодняшний день наиболее известны углеродные нанотрубки, стенки которых выполнены из складчатого графена (слои одноатомного графита). Существуют также неуглеродные нанотрубки (например, из сульфида вольфрама) и из ДНК;
• материалы, измельченные в виде пыли, зернами которых являются, например, скопления атомов металла. Серебро () с сильными антибактериальными свойствами широко используется в этой форме;
• нанопроволоки (например, серебро или медь);
• элементы, сформированные с помощью электронной литографии и других методов нанолитографии;
• фулерены;
• графен и другие двумерные материалы (борофен, графен, гексагональный нитрид бора, силицен, германен, сульфид молибдена);
• композитные материалы, армированные наночастицами.

Нанолитографическая поверхность

2. Классификация нанотехнологий в систематике наук, разработанная в 2004 г. Организацией экономического сотрудничества и развития (ОЭСР):

• наноматериалы (производство и свойства);
• нанопроцессы (наноразмерные приложения – биоматериалы относятся к промышленной биотехнологии).

3. Наноматериалы – это все материалы, в которых присутствуют регулярные структуры на молекулярном уровне, т.е. не превышающие 100 нанометров.

Этот предел может относиться к размеру доменов как основной единице микроструктуры или к толщине слоев, полученных или нанесенных на подложку. На практике предел, ниже которого относят к наноматериалам, различен для материалов с разными эксплуатационными свойствами – в основном он связан с появлением специфических свойств при превышении. За счет уменьшения размеров упорядоченных структур материалов можно значительно улучшить их физико-химические, механические и др. свойства.

Наноматериалы можно разделить на следующие четыре группы:

• нульмерный (точечные наноматериалы) – например, квантовые точки, наночастицы серебра;
• одномерный – например, металлические или полупроводниковые нанопроволоки, наностержни, полимерные нановолокна;
• двухмерный – например, нанометровые слои однофазного или многофазного типа, графен и другие материалы толщиной в один атом;
• трехмерный (или нанокристаллические) – состоят из кристаллических доменов и скоплений фаз с размерами порядка нанометров или композитов, армированных наночастицами.