Hanes Dyfeisiadau - Nanotechnoleg

Eisoes tua 600 CC. roedd pobl yn cynhyrchu strwythurau nanoteip, h.y. llinynnau smentit mewn dur, o’r enw Wootz. Digwyddodd hyn yn India, a gellir ystyried hyn yn ddechrau hanes nanotechnoleg.

VI-XV t. Mae'r llifynnau a ddefnyddir yn ystod y cyfnod hwn ar gyfer paentio ffenestri gwydr lliw yn defnyddio nanoronynnau clorid aur, cloridau metelau eraill, yn ogystal ag ocsidau metel.

IX-XVII canrifoedd Mewn llawer o leoedd yn Ewrop, cynhyrchir "glitters" a sylweddau eraill i roi disgleirio i serameg a chynhyrchion eraill. Roeddent yn cynnwys nanoronynnau o fetelau, gan amlaf arian neu gopr.

XIII-XVIII w. Mae'r “dur Damascus” a gynhyrchwyd yn y canrifoedd hyn, y gwnaed yr arfau gwyn byd-enwog ohono, yn cynnwys nanotiwbiau carbon a nanoffibrau smentit.

1857 Michael Faraday yn darganfod aur coloidaidd lliw rhuddem, sy'n nodweddiadol o nanoronynnau aur.

1931 Mae Max Knoll ac Ernst Ruska yn adeiladu microsgop electron yn Berlin, y ddyfais gyntaf i weld strwythur nanoronynnau ar y lefel atomig. Po fwyaf yw egni'r electronau, y byrraf yw eu tonfedd a'r mwyaf yw cydraniad y microsgop. Mae'r sampl mewn gwactod ac yn aml wedi'i orchuddio â ffilm fetel. Mae'r pelydr electron yn mynd trwy'r gwrthrych a brofwyd ac yn mynd i mewn i'r synwyryddion. Yn seiliedig ar y signalau mesuredig, mae'r dyfeisiau electronig yn ail-greu delwedd y sampl prawf.

1936 Mae Erwin Müller, sy'n gweithio yn Labordai Siemens, yn dyfeisio'r microsgop allyriadau maes, y ffurf symlaf ar ficrosgop electron allyrru. Mae'r microsgop hwn yn defnyddio maes trydan cryf ar gyfer allyrru maes a delweddu.

1950 Victor La Mer a Robert Dinegar sy'n creu'r sylfeini damcaniaethol ar gyfer y dechneg o gael deunyddiau monodisperse coloidal. Roedd hyn yn caniatáu cynhyrchu mathau arbennig o bapur, paent a ffilmiau tenau ar raddfa ddiwydiannol.

1956 Bathodd Arthur von Hippel o Sefydliad Technoleg Massachusetts (MIT) y term "peirianneg moleciwlaidd".

1959 Richard Feynman yn darlithio ar "Mae digon o le yn y gwaelod." Gan ddechrau trwy ddychmygu beth fyddai ei angen i osod Encyclopædia Britannica 24 cyfrol ar ben pin, cyflwynodd y cysyniad o finiatureiddio a'r posibilrwydd o ddefnyddio technolegau a allai weithio ar lefel nanometr. Ar yr achlysur hwn, sefydlodd ddwy wobr (Gwobrau Feynman fel y'u gelwir) am gyflawniadau yn y maes hwn - mil o ddoleri yr un.

1960 Siomodd taliad y wobr gyntaf i Feynman. Tybiodd y byddai angen datblygiad technolegol arloesol i gyflawni ei nodau, ond ar y pryd roedd yn tanamcangyfrif potensial microelectroneg. Yr enillydd oedd y peiriannydd 35 oed William H. McLellan. Creodd fodur yn pwyso 250 microgram, gyda phwer o 1 mW.

1968 Mae Alfred Y. Cho a John Arthur yn datblygu'r dull epitaxy. Mae'n caniatáu ffurfio haenau monoatomig arwyneb gan ddefnyddio technoleg lled-ddargludyddion - twf haenau un-grisial newydd ar swbstrad crisialog presennol, gan ddyblygu strwythur y swbstrad swbstrad crisialog presennol. Amrywiad o epitaxy yw epitaxy cyfansoddion moleciwlaidd, sy'n ei gwneud hi'n bosibl dyddodi haenau crisialog gyda thrwch o un haen atomig. Defnyddir y dull hwn wrth gynhyrchu dotiau cwantwm a haenau tenau fel y'u gelwir.

1974 Cyflwyniad y term "nanotechnoleg". Fe'i defnyddiwyd gyntaf gan ymchwilydd Prifysgol Tokyo, Norio Taniguchi, mewn cynhadledd wyddonol. Mae’r diffiniad o ffiseg Japaneaidd yn parhau i gael ei ddefnyddio hyd heddiw ac mae’n swnio fel hyn: “Mae nanotechnoleg yn gynhyrchiad sy’n defnyddio technoleg sy’n caniatáu cyflawni cywirdeb uchel iawn a meintiau bach iawn, h.y. cywirdeb y drefn o 1 nm.

Delweddu cwymp cwantwm

80au ac 90au Y cyfnod o ddatblygiad cyflym technoleg lithograffig a chynhyrchu haenau ultrathin o grisialau. Mae'r cyntaf, MOCVD(), yn ddull ar gyfer dyddodi haenau ar wyneb deunyddiau gan ddefnyddio cyfansoddion organometalig nwyol. Dyma un o'r dulliau epitaxial, a dyna pam ei enw amgen - MOSFE (). Mae'r ail ddull, MBE, yn ei gwneud hi'n bosibl adneuo haenau nanomedr tenau iawn gyda chyfansoddiad cemegol wedi'i ddiffinio'n fanwl gywir a dosbarthiad manwl gywir y proffil crynodiad amhuredd. Mae hyn yn bosibl oherwydd bod y cydrannau haen yn cael eu cyflenwi i'r swbstrad gan drawstiau moleciwlaidd ar wahân.

1981 Gerd Binnig a Heinrich Rohrer sy'n creu'r microsgop twnelu sganio. Gan ddefnyddio grymoedd rhyngweithiadau rhyngatomig, mae'n caniatáu ichi gael delwedd o'r wyneb gyda chydraniad o drefn maint un atom, trwy basio'r llafn uwchben neu o dan wyneb y sampl. Ym 1989, defnyddiwyd y ddyfais i drin atomau unigol. Dyfarnwyd Gwobr Nobel mewn Ffiseg 1986 i Binnig a Rohrer.

1985 Mae Louis Brus o Bell Labs yn darganfod nanocrystalau lled-ddargludyddion coloidaidd (smotiau cwantwm). Fe'u diffinnir fel ardal fach o ofod, wedi'i gyfyngu mewn tri dimensiwn gan rwystrau posibl, pan fydd gronyn â thonfedd sy'n debyg i faint dot yn mynd i mewn.

Clawr y llyfr Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology gan C. Eric Drexler

1985 Mae Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto, a Richard Erret Smalley yn darganfod ffwlerenau, moleciwlau sy'n cynnwys eilrif o atomau carbon (o 28 i tua 1500) sy'n ffurfio corff gwag caeedig. Mae priodweddau cemegol ffwlerenau ar lawer ystyr yn debyg i eiddo hydrocarbonau aromatig. Mae Fullerene C60, neu buckminsterfullerene, fel ffwlerenau eraill, yn ffurf allotropig o garbon.

1986-1992 Mae C. Eric Drexler yn cyhoeddi dau lyfr pwysig ar ddyfodoleg sy'n poblogeiddio nanotechnoleg. Enw'r cyntaf, a ryddhawyd ym 1986, yw Peiriannau'r Creu: Cyfnod Nanotechnoleg i Ddod. Mae'n rhagweld, ymhlith pethau eraill, y bydd technolegau'r dyfodol yn gallu trin atomau unigol mewn modd rheoledig. Ym 1992, cyhoeddodd Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, a oedd yn ei dro yn rhagweld y gallai nanomachines atgynhyrchu eu hunain.

1989 Mae Donald M. Aigler o IBM yn rhoi'r gair "IBM" - wedi'i wneud o 35 atom xenon - ar wyneb nicel.

1991 Mae Sumio Iijima o NEC yn Tsukuba, Japan, yn darganfod nanotiwbiau carbon, strwythurau silindrog gwag. Hyd yn hyn, mae'r nanotiwbiau carbon mwyaf adnabyddus, y mae eu waliau wedi'u gwneud o graffen wedi'i rolio. Mae yna hefyd nanotiwbiau di-garbon a nanotiwbiau DNA. Mae'r nanotiwbiau carbon teneuaf ar drefn un nanomedr mewn diamedr a gallant fod filiynau o weithiau'n hirach. Mae ganddynt gryfder tynnol rhyfeddol a phriodweddau trydanol unigryw, ac maent yn ddargludyddion gwres rhagorol. Mae'r priodweddau hyn yn eu gwneud yn ddeunyddiau addawol ar gyfer cymwysiadau mewn nanotechnoleg, electroneg, opteg, a gwyddor deunyddiau.

1993 Mae Warren Robinett o Brifysgol Gogledd Carolina ac R. Stanley Williams o UCLA yn adeiladu system rhith-realiti sy'n gysylltiedig â microsgop twnelu sganio sy'n caniatáu i'r defnyddiwr weld a hyd yn oed gyffwrdd ag atomau.

1998 Mae tîm Cees Dekker ym Mhrifysgol Technoleg Delft yn yr Iseldiroedd yn adeiladu transistor sy'n defnyddio nanotiwbiau carbon. Ar hyn o bryd, mae gwyddonwyr yn ceisio defnyddio priodweddau unigryw nanotiwbiau carbon i gynhyrchu electroneg well a chyflymach sy'n defnyddio llai o drydan. Cyfyngwyd hyn gan nifer o ffactorau, a chafodd rhai ohonynt eu goresgyn yn raddol, a arweiniodd yn 2016 ymchwilwyr ym Mhrifysgol Wisconsin-Madison i greu transistor carbon gyda pharamedrau gwell na'r prototeipiau silicon gorau. Arweiniodd ymchwil gan Michael Arnold a Padma Gopalan at ddatblygiad transistor nanotiwb carbon a all gario dwywaith y cerrynt ei gystadleuydd silicon.

2003 Mae Samsung yn patentio technoleg uwch yn seiliedig ar weithred ïonau arian microsgopig i ladd germau, llwydni a mwy na chwe chant o fathau o facteria ac atal eu lledaeniad. Mae gronynnau arian wedi'u cyflwyno i'r systemau hidlo pwysicaf yn sugnwr llwch y cwmni - pob hidlydd a chasglwr llwch neu fag.

2004 Mae Cymdeithas Frenhinol Prydain a'r Academi Beirianneg Frenhinol yn cyhoeddi'r adroddiad "Nanowyddoniaeth a Nanotechnoleg: Cyfleoedd ac Ansicrwydd", yn galw am ymchwil i risgiau posibl nanotechnoleg ar gyfer iechyd, yr amgylchedd a chymdeithas, gan ystyried agweddau moesegol a chyfreithiol.

Model nanomotor ar olwynion llawnerene

2006 Mae James Tour, ynghyd â thîm o wyddonwyr o Brifysgol Rice, yn adeiladu "fan" microsgopig o'r moleciwl oligo (phenyleethynylene), y mae ei echelau wedi'u gwneud o atomau alwminiwm, ac mae'r olwynion wedi'u gwneud o ffwlerenau C60. Symudodd y nanovehicle dros yr wyneb, sy'n cynnwys atomau aur, o dan ddylanwad cynnydd tymheredd, oherwydd cylchdroi "olwynion" fullerene. Uwchben tymheredd o 300 ° C, cyflymodd gymaint fel na allai cemegwyr ei olrhain mwyach ...

2007 Mae nanotechnolegwyr technoleg yn ffitio'r "Hen Destament" Iddewig gyfan i ardal o ddim ond 0,5 mm² wafer silicon aur-plated. Cafodd y testun ei ysgythru trwy gyfeirio ffrwd â ffocws o ïonau gallium ar y plât.

2009-2010 Mae Nadrian Seaman a chydweithwyr ym Mhrifysgol Efrog Newydd yn creu cyfres o nanomounts tebyg i DNA lle gellir rhaglennu strwythurau DNA synthetig i “gynhyrchu” strwythurau eraill gyda siapiau a phriodweddau dymunol.

2013 Mae gwyddonwyr IBM yn creu ffilm animeiddiedig na ellir ond ei gweld ar ôl cael ei chwyddo 100 miliwn o weithiau. Fe'i gelwir yn "Y Bachgen a'i Atom" ac fe'i llunnir â dotiau diatomig un biliwnfed o fetr mewn maint, sef moleciwlau sengl o garbon monocsid. Mae'r cartŵn yn darlunio bachgen sy'n chwarae gyda phêl i ddechrau ac yna'n neidio ar drampolîn. Mae un o'r moleciwlau hefyd yn chwarae rôl pêl. Mae pob cam yn digwydd ar wyneb copr, ac nid yw maint pob ffrâm ffilm yn fwy na sawl degau o nanometrau.

2014 Mae gwyddonwyr o Brifysgol Technoleg ETH yn Zurich wedi llwyddo i greu pilen hydraidd llai nag un nanomedr o drwch. Trwch y deunydd a geir trwy drin nanotechnolegol yw 100 XNUMX. gwaith yn llai na gwallt dynol. Yn ôl aelodau'r tîm o awduron, dyma'r deunydd mandyllog teneuaf y gellir ei gael ac sy'n bosibl yn gyffredinol. Mae'n cynnwys dwy haen o strwythur graphene dau ddimensiwn. Mae'r bilen yn athraidd, ond dim ond i ronynnau bach, gan arafu neu ddal gronynnau mwy yn gyfan gwbl.

2015 Mae pwmp moleciwlaidd yn cael ei greu, dyfais nanoraddfa sy'n trosglwyddo egni o un moleciwl i'r llall, gan ddynwared prosesau naturiol. Dyluniwyd y cynllun gan ymchwilwyr yng Ngholeg Celfyddydau a Gwyddorau Gogledd-orllewinol Weinberg. Mae'r mecanwaith yn atgoffa rhywun o brosesau biolegol mewn proteinau. Disgwylir y bydd technolegau o'r fath yn cael eu cymhwyso'n bennaf ym meysydd biotechnoleg a meddygaeth, er enghraifft, mewn cyhyrau artiffisial.

2016 Yn ôl cyhoeddiad yn y cyfnodolyn gwyddonol Nature Nanotechnology, mae ymchwilwyr ym Mhrifysgol Dechnegol yr Iseldiroedd Delft wedi datblygu cyfryngau storio un atom arloesol. Dylai'r dull newydd ddarparu mwy na phum can gwaith yn fwy o ddwysedd storio nag unrhyw dechnoleg a ddefnyddir ar hyn o bryd. Mae'r awduron yn nodi y gellir cyflawni canlyniadau gwell fyth gan ddefnyddio model tri dimensiwn o leoliad gronynnau yn y gofod.

Dosbarthiad nanotechnolegau a nanoddeunyddiau

1. Mae strwythurau nanotechnolegol yn cynnwys:

• ffynhonnau cwantwm, gwifrau a dotiau, h.y. strwythurau amrywiol sy'n cyfuno'r nodwedd ganlynol - cyfyngiad gofodol gronynnau mewn ardal benodol trwy rwystrau posibl;
• plastigau, y mae eu strwythur yn cael ei reoli ar lefel moleciwlau unigol, oherwydd mae'n bosibl, er enghraifft, cael deunyddiau â phriodweddau mecanyddol digynsail;
• ffibrau artiffisial - deunyddiau â strwythur moleciwlaidd manwl iawn, sydd hefyd yn cael eu gwahaniaethu gan briodweddau mecanyddol anarferol;
• nanotiwbiau, strwythurau supramoleciwlaidd ar ffurf silindrau gwag. Hyd yn hyn, mae'r nanotiwbiau carbon mwyaf adnabyddus, y mae eu waliau wedi'u gwneud o graphene plygu (haenau graffit monotomig). Mae yna hefyd nanotiwbiau di-garbon (er enghraifft, o sylffid twngsten) ac o DNA;
• deunyddiau wedi'u malu ar ffurf llwch, y mae eu grawn, er enghraifft, yn groniadau o atomau metel. Arian () ag eiddo gwrthfacterol cryf yn cael ei ddefnyddio'n eang yn y ffurflen hon;
• nanowires (er enghraifft, arian neu gopr);
• elfennau a ffurfiwyd gan ddefnyddio lithograffeg electronau a dulliau nanolithograffi eraill;
• ffwlerenau;
• graphene a deunyddiau dau ddimensiwn eraill (borophene, graphene, boron nitrid hecsagonol, silicene, germanene, molybdenwm sylffid);
• deunyddiau cyfansawdd wedi'u hatgyfnerthu â nanoronynnau.

Arwyneb Nanolithograffig

2. Dosbarthiad nanotechnolegau yn systemateg y gwyddorau, a ddatblygwyd yn 2004 gan y Sefydliad ar gyfer Cydweithrediad a Datblygiad Economaidd (OECD):

• nanoddeunyddiau (cynhyrchu a phriodweddau);
• nanobrosesau (cymwysiadau nanoscale - mae biomaterials yn perthyn i fiotechnoleg ddiwydiannol).

3. Mae nanomaterials i gyd yn ddeunyddiau lle mae strwythurau rheolaidd ar y lefel foleciwlaidd, h.y. heb fod yn fwy na 100 nanometr.

Gall y terfyn hwn gyfeirio at faint y parthau fel yr uned sylfaenol o ficrostrwythur, neu at drwch yr haenau a gafwyd neu a adneuwyd ar y swbstrad. Yn ymarferol, mae'r terfyn isod sy'n cael ei briodoli i nanomaterials yn wahanol ar gyfer deunyddiau â gwahanol briodweddau perfformiad - mae'n gysylltiedig yn bennaf ag ymddangosiad eiddo penodol pan eir y tu hwnt iddo. Trwy leihau maint y strwythurau archebu deunyddiau, mae'n bosibl gwella'n sylweddol eu priodweddau ffisegolcemegol, mecanyddol ac eraill.

Gellir rhannu nanoddeunyddiau i'r pedwar grŵp canlynol:

• sero-dimensiwn (nanomaterials dot) - er enghraifft, dotiau cwantwm, nanoronynnau arian;
• un-dimensiwn – er enghraifft, nanowires metel neu led-ddargludyddion, nanorodau, nanoffibrau polymerig;
• dau-ddimensiwn – er enghraifft, haenau nanomedr o fath un cam neu aml-gyfnod, graphene a deunyddiau eraill gyda thrwch o un atom;
• tri dimensiwn (neu nanocrystalline) - yn cynnwys parthau crisialog a chroniadau o gamau gyda meintiau o'r drefn nanometrau neu gyfansoddion wedi'u hatgyfnerthu â nanoronynnau.