Historie vynálezů - Nanotechnologie

Již kolem roku 600 př. Kr. lidé vyráběli nanotypové struktury, tj. cementitová vlákna v oceli, nazývaná Wootz. Stalo se to v Indii a to lze považovat za začátek historie nanotechnologií.

VI-XV s. Barviva používaná v tomto období k malování vitráží využívají nanočástice chloridu zlata, chloridy jiných kovů a také oxidy kovů.

IX-XVII v. Na mnoha místech v Evropě se vyrábí „třpytky“ a další látky, které dodávají keramice a dalším výrobkům lesk. Obsahovaly nanočástice kovů, nejčastěji stříbra nebo mědi.

XIII-xviii w. „Damašková ocel“ vyráběná v těchto stoletích, ze které byly vyrobeny světově proslulé bílé zbraně, obsahuje uhlíkové nanotrubice a cementitová nanovlákna.

1857 Michael Faraday objevuje rubínově zbarvené koloidní zlato, charakteristické pro zlaté nanočástice.

1931 Max Knoll a Ernst Ruska staví v Berlíně elektronový mikroskop, první zařízení, které vidí strukturu nanočástic na atomární úrovni. Čím větší je energie elektronů, tím kratší je jejich vlnová délka a tím větší je rozlišovací schopnost mikroskopu. Vzorek je ve vakuu a nejčastěji pokrytý kovovým filmem. Elektronový paprsek prochází testovaným objektem a vstupuje do detektorů. Na základě naměřených signálů elektronická zařízení znovu vytvoří obraz zkušebního vzorku.

1936 Erwin Müller, pracující v laboratořích Siemens, vynalézá polní emisní mikroskop, nejjednodušší formu emisního elektronového mikroskopu. Tento mikroskop využívá silné elektrické pole pro emisi pole a zobrazování.

1950 Victor La Mer a Robert Dinegar vytvářejí teoretické základy pro techniku ​​získávání monodisperzních koloidních materiálů. To umožnilo výrobu speciálních typů papíru, barev a tenkých filmů v průmyslovém měřítku.

1956 Arthur von Hippel z Massachusettského technologického institutu (MIT) vytvořil termín „molekulární inženýrství“.

1959 Richard Feynman přednáší na téma "Dole je spousta místa." Počínaje představou toho, co by bylo zapotřebí k tomu, aby se na špendlíkovou hlavičku vešla 24svazková Encyclopædia Britannica, představil koncept miniaturizace a možnost použití technologií, které by mohly fungovat na úrovni nanometrů. Při této příležitosti založil dvě ceny (tzv. Feynmanovy ceny) za úspěchy v této oblasti – po tisíci dolarech.

1960 Výplata první ceny Feynmana zklamala. Předpokládal, že k dosažení jeho cílů bude zapotřebí technologický průlom, ale v té době podcenil potenciál mikroelektroniky. Vítězem se stal 35letý inženýr William H. McLellan. Vytvořil motor o hmotnosti 250 mikrogramů s výkonem 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho a John Arthur vyvinuli metodu epitaxe. Umožňuje tvorbu povrchových monoatomárních vrstev pomocí polovodičové technologie - růst nových monokrystalických vrstev na stávajícím krystalickém substrátu, duplikující strukturu stávajícího substrátu krystalického substrátu. Variantou epitaxe je epitaxe molekulárních sloučenin, která umožňuje ukládat krystalické vrstvy o tloušťce jedné atomové vrstvy. Tato metoda se používá při výrobě kvantových teček a tzv. tenkých vrstev.

1974 Zavedení pojmu „nanotechnologie“. Poprvé jej použil výzkumník z Tokijské univerzity Norio Taniguchi na vědecké konferenci. Definice japonské fyziky se používá dodnes a zní takto: „Nanotechnologie je výroba využívající technologii, která umožňuje dosáhnout velmi vysoké přesnosti a extrémně malých rozměrů, tzn. přesnost v řádu 1 nm.

Vizualizace kvantové kapky

80 a 90 let Období prudkého rozvoje litografické technologie a výroby ultratenkých vrstev krystalů. První, MOCVD(), je metoda pro nanášení vrstev na povrch materiálů pomocí plynných organokovových sloučenin. Jedná se o jednu z epitaxních metod, odtud její alternativní název - MOSFE (). Druhá metoda, MBE, umožňuje nanášení velmi tenkých nanometrových vrstev s přesně definovaným chemickým složením a přesnou distribucí profilu koncentrace nečistot. To je možné díky skutečnosti, že složky vrstvy jsou dodávány do substrátu samostatnými molekulárními paprsky.

1981 Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vytvářejí rastrovací tunelový mikroskop. Pomocí sil meziatomových interakcí umožňuje získat obraz povrchu s rozlišením řádově velikosti jednoho atomu, a to průchodem lopatky nad nebo pod povrchem vzorku. V roce 1989 bylo zařízení použito k manipulaci s jednotlivými atomy. Binnig a Rohrer získali v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

1985 Louis Brus z Bell Labs objevuje koloidní polovodičové nanokrystaly (kvantové tečky). Jsou definovány jako malá oblast prostoru ohraničená ve třech rozměrech potenciálními bariérami, když vstoupí částice s vlnovou délkou srovnatelnou s velikostí bodu.

Obálka knihy Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology od C. Erica Drexlera

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto a Richard Erret Smalley objevují fullereny, molekuly tvořené sudým počtem atomů uhlíku (od 28 do asi 1500), které tvoří uzavřené duté těleso. Chemické vlastnosti fullerenů jsou v mnoha ohledech podobné vlastnostem aromatických uhlovodíků. Fulleren C60 nebo buckminsterfulleren, stejně jako ostatní fullereny, je alotropní forma uhlíku.

1986-1992 C. Eric Drexler vydává dvě důležité knihy o futurologii, které popularizují nanotechnologie. První, vydaný v roce 1986, se jmenuje Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Předpovídá mimo jiné, že budoucí technologie budou schopny řízeně manipulovat s jednotlivými atomy. V roce 1992 publikoval Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, který zase předpovídal, že nanostroje se mohou samy reprodukovat.

1989 Donald M. Aigler z IBM umístí slovo „IBM“ – vyrobené z 35 atomů xenonu – na niklový povrch.

1991 Sumio Iijima z NEC v Tsukubě v Japonsku objevuje uhlíkové nanotrubice, duté válcové struktury. Dodnes nejznámější uhlíkové nanotrubice, jejichž stěny jsou vyrobeny z válcovaného grafenu. Existují také neuhlíkové nanotrubice a nanotrubice DNA. Nejtenčí uhlíkové nanotrubice mají průměr řádově jeden nanometr a mohou být milionkrát delší. Mají pozoruhodnou pevnost v tahu a jedinečné elektrické vlastnosti a jsou vynikajícími vodiči tepla. Tyto vlastnosti z nich činí slibné materiály pro aplikace v nanotechnologiích, elektronice, optice a materiálové vědě.

1993 Warren Robinett z University of North Carolina a R. Stanley Williams z UCLA budují systém virtuální reality propojený se skenovacím tunelovým mikroskopem, který umožňuje uživateli vidět atomy a dokonce se jich dotýkat.

1998 Tým Cees Dekker na Delft University of Technology v Nizozemsku staví tranzistor, který využívá uhlíkové nanotrubice. V současné době se vědci snaží využít unikátní vlastnosti uhlíkových nanotrubiček k výrobě lepší a rychlejší elektroniky, která spotřebuje méně elektřiny. To bylo limitováno řadou faktorů, z nichž některé byly postupně překonány, což vedlo v roce 2016 výzkumníky z University of Wisconsin-Madison k vytvoření uhlíkového tranzistoru s lepšími parametry, než mají nejlepší křemíkové prototypy. Výzkum Michaela Arnolda a Padmy Gopalanové vedl k vývoji uhlíkového nanotrubkového tranzistoru, který dokáže přenášet dvojnásobek proudu než jeho křemíkový konkurent.

2003 Samsung si patentuje pokročilou technologii založenou na působení mikroskopických iontů stříbra, které zabíjejí choroboplodné zárodky, plísně a více než šest set druhů bakterií a brání jejich šíření. Částice stříbra byly zavedeny do nejdůležitějších filtračních systémů společnosti - všech filtrů a sběrače prachu nebo vaku.

2004 Britská královská společnost a Královská akademie inženýrství publikují zprávu „Nanověda a nanotechnologie: příležitosti a nejistoty“, v níž vyzývají k výzkumu potenciálních rizik nanotechnologií pro zdraví, životní prostředí a společnost s přihlédnutím k etickým a právním aspektům.

Nanomotorový model na fullerenových kolech

2006 James Tour spolu s týmem vědců z Rice University zkonstruuje z molekuly oligo (fenyleneethynylen) mikroskopickou „dodávku“, jejíž osy jsou vyrobeny z atomů hliníku a kola z fullerenů C60. Nanovo vozidlo se po povrchu složeném z atomů zlata pohybovalo pod vlivem zvýšení teploty v důsledku rotace fullerenových „kol“. Nad teplotou 300 °C se zrychlil natolik, že ho chemici už nemohli sledovat...

2007 Nanotechnologové z Technionu vešli celý židovský „Starý zákon“ do oblasti pouhých 0,5 mm² pozlacený křemíkový plátek. Text byl vyryt nasměrováním soustředěného proudu galliových iontů na desku.

2009-2010 Nadrian Seaman a kolegové z New York University vytvářejí sérii nanočástí podobných DNA, ve kterých lze syntetické struktury DNA naprogramovat tak, aby „vytvářely“ další struktury s požadovanými tvary a vlastnostmi.

2013 Vědci z IBM vytvářejí animovaný film, který lze zhlédnout až po stomilionovém zvětšení. Jmenuje se „Chlapec a jeho atom“ a je nakreslen dvouatomovými tečkami o velikosti jedné miliardtiny metru, což jsou jednotlivé molekuly oxidu uhelnatého. Karikatura zobrazuje chlapce, který si nejprve hraje s míčem a poté skáče na trampolíně. Jedna z molekul také hraje roli míče. Veškerá akce se odehrává na měděném povrchu a velikost každého filmového políčka nepřesahuje několik desítek nanometrů.

2014 Vědcům z ETH University of Technology v Curychu se podařilo vytvořit porézní membránu o tloušťce menší než jeden nanometr. Tloušťka materiálu získaného nanotechnologickou manipulací je 100 XNUMX. krát menší než lidský vlas. Podle členů autorského týmu se jedná o nejtenčí porézní materiál, který lze získat a je obecně možný. Skládá se ze dvou vrstev dvourozměrné grafenové struktury. Membrána je propustná, ale pouze pro malé částice, větší částice zpomaluje nebo úplně zachycuje.

2015 Vzniká molekulární pumpa, nanoměřítko, které přenáší energii z jedné molekuly do druhé a napodobuje přírodní procesy. Rozvržení bylo navrženo výzkumníky z Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mechanismus připomíná biologické procesy v proteinech. Očekává se, že takové technologie najdou uplatnění především v oblasti biotechnologie a medicíny, například v umělých svalech.

2016 Podle publikace ve vědeckém časopise Nature Nanotechnology vyvinuli vědci z nizozemské technické univerzity Delft průlomová jednoatomová paměťová média. Nová metoda by měla poskytnout více než pětsetkrát vyšší hustotu úložiště než kterákoli v současnosti používaná technologie. Autoři podotýkají, že ještě lepších výsledků lze dosáhnout pomocí trojrozměrného modelu umístění částic v prostoru.

Klasifikace nanotechnologií a nanomateriálů

1. Mezi nanotechnologické struktury patří:

• kvantové jamky, dráty a tečky, tzn. různé struktury, které kombinují následující vlastnost - prostorové omezení částic v určité oblasti prostřednictvím potenciálních bariér;
• plasty, jejichž struktura je řízena na úrovni jednotlivých molekul, díky čemuž je možné například získat materiály s nevídanými mechanickými vlastnostmi;
• umělá vlákna - materiály s velmi přesnou molekulární strukturou, vyznačující se také neobvyklými mechanickými vlastnostmi;
• nanotrubice, supramolekulární struktury ve formě dutých válců. Dodnes nejznámější uhlíkové nanotrubice, jejichž stěny jsou vyrobeny ze skládaného grafenu (monatomické grafitové vrstvy). Existují také neuhlíkové nanotrubice (například ze sulfidu wolframu) a z DNA;
• materiály rozdrcené ve formě prachu, jehož zrny jsou například nahromadění atomů kovů. V této formě je široce používáno stříbro () se silnými antibakteriálními vlastnostmi;
• nanodrátky (například stříbro nebo měď);
• prvky vytvořené pomocí elektronové litografie a dalších metod nanolitografie;
• fullereny;
• grafen a další dvourozměrné materiály (borofen, grafen, hexagonální nitrid boru, silicen, germanen, sulfid molybdenu);
• kompozitní materiály vyztužené nanočásticemi.

Nanolitografický povrch

2. Klasifikace nanotechnologií v systematice věd, vyvinutá v roce 2004 Organizací pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD):

• nanomateriály (výroba a vlastnosti);
• nanoprocesy (aplikace v nanoměřítku - biomateriály patří do průmyslové biotechnologie).

3. Nanomateriály jsou všechny materiály, ve kterých jsou na molekulární úrovni pravidelné struktury, tzn. nepřesahující 100 nanometrů.

Tento limit se může vztahovat k velikosti domén jako základní jednotky mikrostruktury nebo k tloušťce vrstev získaných nebo nanesených na substrátu. V praxi je hranice, pod kterou je nanomateriálům přisuzována, jiná u materiálů s různými výkonnostními vlastnostmi – souvisí především s výskytem specifických vlastností při překročení. Zmenšením velikosti uspořádaných struktur materiálů je možné výrazně zlepšit jejich fyzikálně-chemické, mechanické a další vlastnosti.

Nanomateriály lze rozdělit do následujících čtyř skupin:

• nulový rozměr (tečkové nanomateriály) - například kvantové tečky, nanočástice stříbra;
• jednorozměrný – například kovové nebo polovodičové nanodrátky, nanorody, polymerní nanovlákna;
• dvourozměrný – například nanometrické vrstvy jednofázového nebo vícefázového typu, grafen a další materiály o tloušťce jednoho atomu;
• trojrozměrný (nebo nanokrystalické) - sestávají z krystalických domén a akumulací fází o velikosti řádově nanometrů nebo kompozitů vyztužených nanočásticemi.