Lịch sử phát minh - công nghệ nano

Đã có khoảng 600 năm trước Công nguyên. người ta đã sản xuất các cấu trúc kiểu nano, tức là các sợi xi măng bằng thép, được gọi là Wootz. Điều này đã xảy ra ở Ấn Độ, và đây có thể được coi là sự khởi đầu của lịch sử công nghệ nano.

VI-XV s. Thuốc nhuộm được sử dụng trong thời kỳ này để sơn cửa sổ kính màu sử dụng các hạt nano clorua vàng, clorua của các kim loại khác, cũng như các oxit kim loại.

Thế kỷ IX-XVII Ở nhiều nơi ở Châu Âu, "lấp lánh" và các chất khác được sản xuất để tạo độ sáng bóng cho đồ gốm và các sản phẩm khác. Chúng chứa các hạt kim loại nano, thường là bạc hoặc đồng.

XIII-xviii w. "Thép Damascus" được sản xuất trong những thế kỷ này, từ đó sản xuất vũ khí trắng nổi tiếng thế giới, chứa các ống nano cacbon và sợi nano xi măng.

1857 Michael Faraday phát hiện ra chất vàng keo có màu hồng ngọc, đặc trưng của các hạt nano vàng.

1931 Max Knoll và Ernst Ruska xây dựng một kính hiển vi điện tử ở Berlin, thiết bị đầu tiên nhìn thấy cấu trúc của các hạt nano ở cấp độ nguyên tử. Năng lượng của các electron càng lớn thì bước sóng của chúng càng ngắn và độ phân giải của kính hiển vi càng lớn. Mẫu ở trong chân không và thường được bao phủ bởi một lớp màng kim loại. Chùm điện tử đi qua đối tượng được kiểm tra và đi vào các máy dò. Dựa trên các tín hiệu đo được, các thiết bị điện tử sẽ tái tạo lại hình ảnh của mẫu thử.

1936 Erwin Müller, làm việc tại Phòng thí nghiệm Siemens, phát minh ra kính hiển vi phát xạ trường, dạng đơn giản nhất của kính hiển vi điện tử phát xạ. Kính hiển vi này sử dụng một điện trường mạnh để phát xạ trường và hình ảnh.

1950 Victor La Mer và Robert Dinegar tạo ra cơ sở lý thuyết cho kỹ thuật thu được vật liệu keo đơn phân tán. Điều này cho phép sản xuất các loại giấy, sơn và màng mỏng đặc biệt ở quy mô công nghiệp.

1956 Arthur von Hippel của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã đặt ra thuật ngữ "kỹ thuật phân tử".

1959 Richard Feynman thuyết trình về "Còn rất nhiều chỗ trống ở phía dưới." Bắt đầu bằng việc tưởng tượng những gì sẽ xảy ra để lắp một cuốn Encyclopædia Britannica 24 tập trên đầu đinh ghim, ông đưa ra khái niệm thu nhỏ và khả năng sử dụng các công nghệ có thể hoạt động ở cấp độ nanomet. Nhân dịp này, ông đã thiết lập hai giải thưởng (cái gọi là Giải thưởng Feynman) cho những thành tựu trong lĩnh vực này - một nghìn đô la mỗi giải.

1960 Việc thanh toán giải nhất khiến Feynman thất vọng. Ông cho rằng cần phải có một bước đột phá về công nghệ để đạt được mục tiêu của mình, nhưng vào thời điểm đó ông đã đánh giá thấp tiềm năng của vi điện tử. Người chiến thắng là kỹ sư 35 tuổi William H. McLellan. Ông đã tạo ra một động cơ nặng 250 microgam, với công suất 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho và John Arthur phát triển phương pháp epitaxy. Nó cho phép hình thành các lớp đơn nguyên tử bề mặt bằng công nghệ bán dẫn - sự phát triển của các lớp đơn tinh thể mới trên chất nền tinh thể hiện có, sao chép cấu trúc của chất nền tinh thể hiện có. Một biến thể của epitaxy là epitaxy của các hợp chất phân tử, giúp lắng đọng các lớp tinh thể có độ dày bằng một lớp nguyên tử. Phương pháp này được sử dụng trong sản xuất chấm lượng tử và cái gọi là lớp mỏng.

1974 Giới thiệu thuật ngữ "công nghệ nano". Nó được sử dụng lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu Norio Taniguchi của Đại học Tokyo tại một hội nghị khoa học. Định nghĩa về vật lý Nhật Bản vẫn được sử dụng cho đến ngày nay và có vẻ như thế này: “Công nghệ nano là một ngành sản xuất sử dụng công nghệ cho phép đạt được độ chính xác rất cao và kích thước cực nhỏ, tức là độ chính xác của bậc 1 nm.

Hình dung về một giọt lượng tử

Những năm 80 và 90 Thời kỳ phát triển nhanh chóng của công nghệ in thạch bản và sản xuất các lớp tinh thể siêu mỏng. Phương pháp thứ nhất, MOCVD (), là một phương pháp lắng đọng các lớp trên bề mặt vật liệu bằng cách sử dụng các hợp chất cơ kim loại ở thể khí. Đây là một trong những phương pháp biểu mô, do đó có tên thay thế của nó - MOSFE (). Phương pháp thứ hai, MBE, cho phép lắng đọng các lớp nanomet rất mỏng với thành phần hóa học được xác định chính xác và sự phân bố chính xác của cấu hình nồng độ tạp chất. Điều này có thể xảy ra do các thành phần của lớp được cung cấp cho chất nền bằng các chùm phân tử riêng biệt.

1981 Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tạo ra kính hiển vi quét đường hầm. Sử dụng các lực tương tác giữa các nguyên tử, nó cho phép bạn thu được hình ảnh của bề mặt với độ phân giải theo thứ tự của kích thước của một nguyên tử, bằng cách đưa lưỡi dao lên trên hoặc dưới bề mặt của mẫu. Năm 1989, thiết bị này được sử dụng để thao tác trên các nguyên tử riêng lẻ. Binnig và Rohrer được trao giải Nobel Vật lý năm 1986.

1985 Louis Brus của Bell Labs phát hiện ra các tinh thể nano bán dẫn dạng keo (chấm lượng tử). Chúng được định nghĩa là một vùng không gian nhỏ bị giới hạn trong ba chiều bởi các rào cản thế năng khi một hạt có bước sóng tương đương với kích thước của một chấm đi vào.

Bìa cuốn sách Động cơ sáng tạo: Kỷ nguyên sắp tới của công nghệ nano của C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto và Richard Erret Smalley khám phá ra fulleren, các phân tử được tạo thành từ một số nguyên tử cacbon chẵn (từ 28 đến khoảng 1500) tạo thành một thể rỗng khép kín. Tính chất hóa học của fulleren về nhiều mặt tương tự như các tính chất hóa học của hiđrocacbon thơm. Fullerene C60, hoặc buckminsterfullerene, giống như các fullerene khác, là một dạng thù hình của cacbon.

1986-1992 C. Eric Drexler xuất bản hai cuốn sách quan trọng về tương lai học phổ biến công nghệ nano. Đầu tiên, được phát hành vào năm 1986, có tên là Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Ông dự đoán, trong số những thứ khác, các công nghệ trong tương lai sẽ có thể điều khiển các nguyên tử riêng lẻ một cách có kiểm soát. Năm 1992, ông xuất bản Hệ thống nano: Phần cứng phân tử, Chế tạo và Ý tưởng Tính toán, từ đó dự đoán rằng các máy nano có thể tự tái tạo.

1989 Donald M. Aigler của IBM đặt chữ "IBM" - được làm từ 35 nguyên tử xenon trên bề mặt niken.

1991 Sumio Iijima của NEC ở Tsukuba, Nhật Bản, phát hiện ra ống nano carbon, cấu trúc hình trụ rỗng. Cho đến nay, các ống nano carbon được biết đến nhiều nhất, thành của chúng được làm bằng graphene cán. Ngoài ra còn có các ống nano không cacbon và ống nano DNA. Các ống nano carbon mỏng nhất có đường kính theo thứ tự một nanomet và có thể dài hơn hàng triệu lần. Chúng có độ bền kéo đáng kể và các đặc tính điện độc đáo, và là chất dẫn nhiệt tuyệt vời. Những đặc tính này khiến chúng trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong công nghệ nano, điện tử, quang học và khoa học vật liệu.

1993 Warren Robinett của Đại học Bắc Carolina và R. Stanley Williams của UCLA đang xây dựng một hệ thống thực tế ảo được liên kết với kính hiển vi quét đường hầm cho phép người dùng nhìn thấy và thậm chí chạm vào các nguyên tử.

1998 Nhóm Cees Dekker tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan đang chế tạo một bóng bán dẫn sử dụng ống nano carbon. Hiện tại, các nhà khoa học đang cố gắng sử dụng các đặc tính độc đáo của ống nano carbon để sản xuất các thiết bị điện tử tốt hơn và nhanh hơn, tiêu thụ ít điện hơn. Điều này bị hạn chế bởi một số yếu tố, một số trong số đó đã được khắc phục dần, vào năm 2016, các nhà nghiên cứu tại Đại học Wisconsin-Madison đã tạo ra một bóng bán dẫn carbon với các thông số tốt hơn so với các nguyên mẫu silicon tốt nhất. Nghiên cứu của Michael Arnold và Padma Gopalan đã dẫn đến sự phát triển của bóng bán dẫn ống nano carbon có thể mang dòng điện gấp đôi đối thủ cạnh tranh silicon của nó.

2003 Samsung cấp bằng sáng chế cho một công nghệ tiên tiến dựa trên hoạt động của các ion bạc cực nhỏ để tiêu diệt vi trùng, nấm mốc và hơn sáu trăm loại vi khuẩn và ngăn chặn sự lây lan của chúng. Các hạt bạc đã được đưa vào các hệ thống lọc quan trọng nhất của công ty - tất cả các bộ lọc và túi hoặc túi hút bụi.

2004 Hiệp hội Hoàng gia Anh và Học viện Kỹ thuật Hoàng gia công bố báo cáo "Khoa học nano và Công nghệ nano: Cơ hội và điều chưa chắc chắn", kêu gọi nghiên cứu những rủi ro tiềm ẩn của công nghệ nano đối với sức khỏe, môi trường và xã hội, có tính đến các khía cạnh đạo đức và pháp lý.

Mô hình động cơ nano trên bánh xe fullerene

2006 James Tour, cùng với một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Rice, chế tạo một "van" cực nhỏ từ phân tử oligo (phenyleneethynylen), các trục của chúng được làm bằng nguyên tử nhôm và bánh xe được làm bằng fulleren C60. Các nanovehicle di chuyển trên bề mặt, bao gồm các nguyên tử vàng, dưới tác động của sự tăng nhiệt độ, do sự quay của các "bánh xe" fullerene. Trên nhiệt độ 300 ° C, nó tăng tốc đến mức các nhà hóa học không thể theo dõi được nữa ...

2007 Các nhà công nghệ nano Technion xếp toàn bộ "Cựu ước" của người Do Thái vào một diện tích chỉ 0,5 mm² tấm silicon mạ vàng. Văn bản được khắc bằng cách hướng một luồng ion gali tập trung vào đĩa.

2009-2010 Nadrian Seaman và các đồng nghiệp tại Đại học New York đang tạo ra một loạt các nano nano giống DNA, trong đó các cấu trúc DNA tổng hợp có thể được lập trình để "tạo ra" các cấu trúc khác với hình dạng và đặc tính mong muốn.

2013 Các nhà khoa học của IBM đang tạo ra một bộ phim hoạt hình chỉ có thể xem được sau khi phóng đại 100 triệu lần. Nó được gọi là "Cậu bé và nguyên tử của anh ấy" và được vẽ bằng các chấm diatomic có kích thước một phần tỷ mét, là các phân tử đơn lẻ của carbon monoxide. Phim hoạt hình mô tả một cậu bé lần đầu tiên chơi với một quả bóng và sau đó nhảy trên tấm bạt lò xo. Một trong những phân tử cũng đóng vai trò của một quả bóng. Tất cả các hành động đều diễn ra trên một bề mặt đồng, và kích thước của mỗi khung phim không vượt quá vài chục nanomet.

2014 Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ ETH ở Zurich đã thành công trong việc tạo ra một màng xốp dày chưa đến một nanomet. Độ dày của vật liệu thu được thông qua thao tác công nghệ nano là 100 XNUMX. nhỏ hơn nhiều lần so với sợi tóc của con người. Theo các thành viên của nhóm tác giả, đây là vật liệu xốp mỏng nhất có thể có được và nói chung là có thể. Nó bao gồm hai lớp của cấu trúc graphene hai chiều. Màng có thể thấm qua, nhưng chỉ đối với các hạt nhỏ, làm chậm lại hoặc giữ hoàn toàn các hạt lớn hơn.

2015 Một máy bơm phân tử đang được tạo ra, một thiết bị kích thước nano truyền năng lượng từ phân tử này sang phân tử khác, bắt chước các quá trình tự nhiên. Bố cục được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Tây Bắc Weinberg. Cơ chế này gợi nhớ đến các quá trình sinh học trong protein. Dự kiến, những công nghệ như vậy sẽ được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực công nghệ sinh học và y học, chẳng hạn như trong cơ nhân tạo.

2016 Theo một công bố trên tạp chí khoa học Nature Nanotechnology, các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Hà Lan Delft đã phát triển phương tiện lưu trữ đơn nguyên tử mang tính đột phá. Phương pháp mới sẽ cung cấp mật độ lưu trữ cao hơn năm trăm lần so với bất kỳ công nghệ nào hiện đang được sử dụng. Các tác giả lưu ý rằng có thể đạt được kết quả tốt hơn nữa khi sử dụng mô hình ba chiều về vị trí của các hạt trong không gian.

Phân loại công nghệ nano và vật liệu nano

Cấu trúc công nghệ nano bao gồm:

giếng lượng tử, dây và chấm, tức là các cấu trúc khác nhau kết hợp tính năng sau - giới hạn không gian của các hạt trong một khu vực nhất định thông qua các rào cản tiềm năng;
chất dẻo, cấu trúc của nó được kiểm soát ở cấp độ của các phân tử riêng lẻ, nhờ đó nó có thể, ví dụ, có thể thu được các vật liệu có các đặc tính cơ học chưa từng có;
sợi nhân tạo - vật liệu có cấu trúc phân tử rất chính xác, cũng được phân biệt bởi các đặc tính cơ học khác thường;
ống nano, cấu trúc siêu phân tử ở dạng hình trụ rỗng. Cho đến nay, các ống nano carbon được biết đến nhiều nhất, thành của chúng được làm bằng graphene gấp nếp (các lớp graphite đơn nguyên). Ngoài ra còn có các ống nano không cacbon (ví dụ, từ vonfram sulfua) và từ DNA;
vật liệu bị nghiền nát dưới dạng bụi, ví dụ như các hạt trong đó tích tụ các nguyên tử kim loại. Bạc () với đặc tính kháng khuẩn mạnh được sử dụng rộng rãi ở dạng này;
dây nano (ví dụ, bạc hoặc đồng);
các nguyên tố được hình thành bằng cách sử dụng phương pháp in thạch bản điện tử và các phương pháp in khắc nano khác;
fullerenes;
graphene và các vật liệu hai chiều khác (borophene, graphene, boron nitride lục giác, silicene, germanene, molypdenum sulfide);
vật liệu composite được gia cố bằng các hạt nano.

Bề mặt nanolithographic

Phân loại công nghệ nano trong khoa học hệ thống, do Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) phát triển năm 2004:

vật liệu nano (sản xuất và đặc tính);
nanoprocesses (ứng dụng kích thước nano - vật liệu sinh học thuộc công nghệ sinh học công nghiệp).

Vật liệu nano là tất cả các vật liệu trong đó có cấu trúc đều đặn ở cấp độ phân tử, tức là không quá 100 nanomet.

Giới hạn này có thể đề cập đến kích thước của các miền là đơn vị cơ bản của cấu trúc vi mô hoặc độ dày của các lớp thu được hoặc lắng đọng trên chất nền. Trong thực tế, giới hạn dưới đây được quy cho vật liệu nano là khác nhau đối với các vật liệu có đặc tính hiệu suất khác nhau - nó chủ yếu liên quan đến sự xuất hiện của các đặc tính cụ thể khi vượt quá. Bằng cách giảm kích thước của các cấu trúc được sắp xếp theo thứ tự của vật liệu, có thể cải thiện đáng kể các tính chất hóa lý, cơ học và các tính chất khác của chúng.

Vật liệu nano có thể được chia thành bốn nhóm sau:

không chiều (vật liệu nano chấm) - ví dụ, chấm lượng tử, hạt nano bạc;
một chiều – ví dụ, dây nano kim loại hoặc chất bán dẫn, thanh nano, sợi nano polyme;
hai chiều – ví dụ, các lớp nanomet thuộc loại một pha hoặc nhiều pha, graphene và các vật liệu khác có độ dày một nguyên tử;
ba chiều (hoặc tinh thể nano) - bao gồm các miền tinh thể và sự tích tụ của các pha có kích thước theo thứ tự nanomet hoặc vật liệu tổng hợp được gia cố bằng các hạt nano.