Գյուտերի պատմություն - նանոտեխնոլոգիա

Արդեն մոտ 600 մ.թ.ա. մարդիկ արտադրում էին նանոտիպային կառուցվածքներ, այսինքն՝ ցեմենտիտային թելեր պողպատից, որոնք կոչվում էին Wootz: Դա տեղի ունեցավ Հնդկաստանում, և սա կարելի է համարել նանոտեխնոլոգիայի պատմության սկիզբը։

VI-XV դդ. Այս ժամանակահատվածում վիտրաժների ներկման համար օգտագործվող ներկերը օգտագործում են ոսկու քլորիդ նանոմասնիկներ, այլ մետաղների քլորիդներ, ինչպես նաև մետաղի օքսիդներ:

IX-XVII դդ Եվրոպայի շատ վայրերում արտադրվում են «փայլեր» և այլ նյութեր՝ կերամիկաներին և այլ ապրանքներին փայլ հաղորդելու համար։ Դրանք պարունակում էին մետաղների նանոմասնիկներ, առավել հաճախ՝ արծաթ կամ պղինձ։

XIII-XVIII w. Այս դարերում արտադրված «Դամասկոսի պողպատը», որից պատրաստվել են աշխարհահռչակ սպիտակ զենքերը, պարունակում է ածխածնային նանոխողովակներ և ցեմենտիտային նանոմանրաթելեր։

1857 Մայքլ Ֆարադեյը հայտնաբերում է ռուբինի կոլոիդային ոսկի, որը բնորոշ է ոսկու նանոմասնիկներին։

1931 Մաքս Նոլը և Էռնստ Ռուսկան Բեռլինում կառուցում են էլեկտրոնային մանրադիտակ՝ առաջին սարքը, որը տեսնում է նանոմասնիկների կառուցվածքը ատոմային մակարդակում։ Որքան մեծ է էլեկտրոնների էներգիան, այնքան կարճ է նրանց ալիքի երկարությունը և այնքան մեծ է մանրադիտակի լուծունակությունը։ Նմուշը գտնվում է վակուումում և առավել հաճախ ծածկված է մետաղական թաղանթով: Էլեկտրոնային ճառագայթը անցնում է փորձարկված օբյեկտի միջով և մտնում դետեկտորներ: Չափված ազդանշանների հիման վրա էլեկտրոնային սարքերը վերստեղծում են փորձանմուշի պատկերը։

1936 Էրվին Մյուլլերը, աշխատելով Siemens Laboratories-ում, հայտնագործում է դաշտային արտանետումների մանրադիտակը, որը արտանետվող էլեկտրոնային մանրադիտակի ամենապարզ ձևն է: Այս մանրադիտակն օգտագործում է ուժեղ էլեկտրական դաշտ դաշտային արտանետումների և պատկերների համար:

1950 Վիկտոր Լա Մերը և Ռոբերտ Դինեգարը ստեղծում են մոնոդիսպերս կոլոիդ նյութերի ստացման տեխնիկայի տեսական հիմքերը։ Սա թույլ տվեց արտադրել հատուկ տեսակի թուղթ, ներկեր և բարակ թաղանթներ արդյունաբերական մասշտաբով։

1956 Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտից (MIT) Արթուր ֆոն Հիփելը հորինել է «մոլեկուլային ճարտարագիտություն» տերմինը։

1959 Ռիչարդ Ֆեյնմանը դասախոսություններ է կարդում «Ներքևում շատ տեղ կա» թեմայով: Սկսելով պատկերացնելով, թե ինչ կպահանջվի 24 հատորանոց Encyclopædia Britannica-ն քորոցի գլխին տեղադրելու համար, նա ներկայացրեց մանրանկարչության հայեցակարգը և տեխնոլոգիաների կիրառման հնարավորությունը, որոնք կարող են աշխատել նանոմետրի մակարդակում: Այս առիթով նա սահմանել է երկու մրցանակ (այսպես կոչված՝ Ֆեյնմանի մրցանակներ) այս ոլորտում ձեռքբերումների համար՝ յուրաքանչյուրը հազար դոլար։

1960 Առաջին մրցանակի վճարումը հիասթափեցրեց Ֆեյնմանին: Նա ենթադրում էր, որ իր նպատակներին հասնելու համար կպահանջվի տեխնոլոգիական առաջընթաց, սակայն այն ժամանակ նա թերագնահատեց միկրոէլեկտրոնիկայի ներուժը։ Հաղթող է ճանաչվել 35-ամյա ինժեներ Ուիլյամ Հ. ՄաքԼելանը։ Նա ստեղծել է 250 միկրոգրամ կշռող շարժիչ՝ 1 մՎտ հզորությամբ։

1968 Ալֆրեդ Յ. Չոն և Ջոն Արթուրը զարգացնում են էպիտաքսիայի մեթոդը: Այն թույլ է տալիս ձևավորել մակերևութային միատոմային շերտեր՝ օգտագործելով կիսահաղորդչային տեխնոլոգիա՝ գոյություն ունեցող բյուրեղային հիմքի վրա նոր միաբյուրեղային շերտերի աճ՝ կրկնօրինակելով գոյություն ունեցող բյուրեղային սուբստրատի կառուցվածքը: Էպիտաքսիայի տատանումները մոլեկուլային միացությունների էպիտաքսիան է, որը հնարավորություն է տալիս տեղավորել մեկ ատոմային շերտի հաստությամբ բյուրեղային շերտեր։ Այս մեթոդը կիրառվում է քվանտային կետերի և այսպես կոչված բարակ շերտերի արտադրության մեջ։

1974 Նանոտեխնոլոգիա տերմինի ներդրում։ Այն առաջին անգամ օգտագործվել է Տոկիոյի համալսարանի հետազոտող Նորիո Տանիգուչիի կողմից գիտական կոնֆերանսի ժամանակ: Ճապոնական ֆիզիկայի սահմանումը մնում է գործածության մեջ մինչ օրս և հնչում է այսպես. 1 նմ կարգի ճշգրտություն:

Քվանտային անկման պատկերացում

80-90-ականներ Վիմագրական տեխնոլոգիայի բուռն զարգացման և բյուրեղների գերբարակ շերտերի արտադրության ժամանակաշրջանը։ Առաջինը՝ MOCVD(), գազային օրգանոմետաղական միացությունների օգտագործմամբ նյութերի մակերեսին շերտերի նստեցման մեթոդ է։ Սա էպիտաքսիալ մեթոդներից մեկն է, այստեղից էլ դրա այլընտրանքային անվանումը՝ MOSFE (): Երկրորդ մեթոդը՝ MBE, թույլ է տալիս շատ բարակ նանոմետրային շերտերի նստեցում՝ հստակ սահմանված քիմիական բաղադրությամբ և կեղտի կոնցենտրացիայի պրոֆիլի ճշգրիտ բաշխմամբ: Դա հնարավոր է շնորհիվ այն բանի, որ շերտի բաղադրիչները մատակարարվում են ենթաշերտին առանձին մոլեկուլային ճառագայթներով:

1981 Գերդ Բինիգը և Հենրիխ Ռորերը ստեղծում են սկանավորող թունելային մանրադիտակը: Օգտագործելով միջատոմային փոխազդեցության ուժերը՝ այն թույլ է տալիս ստանալ մակերեսի պատկեր՝ մեկ ատոմի չափի կարգի լուծմամբ՝ սայրը նմուշի մակերևույթից վերև կամ ներքև անցնելով։ 1989 թվականին սարքն օգտագործվել է առանձին ատոմների մանիպուլյացիայի համար։ Բինիգը և Ռորերը 1986 թվականին արժանացել են ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի։

1985 Լուի Բրուսը Bell Labs-ից հայտնաբերում է կոլոիդային կիսահաղորդչային նանաբյուրեղներ (քվանտային կետեր): Դրանք սահմանվում են որպես տարածության փոքր տարածք, որը սահմանափակվում է եռաչափ պոտենցիալ խոչընդոտներով, երբ ներթափանցում է կետի չափին համեմատվող ալիքի երկարությամբ մասնիկը:

Ք. Էրիկ Դրեքսլերի «Արարման շարժիչներ. Նանոտեխնոլոգիայի գալիք դարաշրջանը» գրքի շապիկը

1985 Ռոբերտ Ֆլոյդ Քերլը, Կրտսերը, Հարոլդ Ուոլտեր Կրոտոն և Ռիչարդ Էրետ Սմալլին հայտնաբերում են ֆուլերեններ՝ զույգ թվով ածխածնի ատոմներից կազմված մոլեկուլներ (28-ից մինչև մոտ 1500), որոնք կազմում են փակ խոռոչ մարմին։ Ֆուլերենների քիմիական հատկությունները շատ առումներով նման են արոմատիկ ածխաջրածինների հատկություններին։ Ֆուլերեն C60-ը կամ բուկմինստերֆուլլերենը, ինչպես մյուս ֆուլերենները, ածխածնի ալոտրոպիկ ձև է:

1986-1992 Ք. Էրիկ Դրեքսլերը հրատարակում է ֆուտուրոլոգիայի վերաբերյալ երկու կարևոր գիրք, որոնք հանրահռչակում են նանոտեխնոլոգիան: Առաջինը, որը թողարկվել է 1986 թվականին, կոչվում է Ստեղծման շարժիչներ. Նանոտեխնոլոգիայի գալիք դարաշրջանը: Նա, ի թիվս այլ բաների, կանխատեսում է, որ ապագա տեխնոլոգիաները կկարողանան կառավարել առանձին ատոմները: 1992 թվականին նա հրատարակեց Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing and the Computational Idea, որն իր հերթին կանխատեսում էր, որ նանոմեքենաները կարող են վերարտադրվել իրենք իրենց։

1989 IBM-ից Դոնալդ Մ. Այգլերը «IBM» բառը, որը պատրաստված է 35 քսենոնի ատոմներից, դնում է նիկելի մակերեսի վրա:

1991 Ճապոնական Ցուկուբայում գտնվող NEC-ից Սումիո Իիջիման հայտնաբերում է ածխածնային նանոխողովակներ, խոռոչ գլանաձև կառուցվածքներ: Մինչ օրս ամենահայտնի ածխածնային նանոխողովակները, որոնց պատերը պատրաստված են գլորված գրաֆենից: Կան նաև ոչ ածխածնային նանոխողովակներ և ԴՆԹ նանոխողովակներ: Ամենաբարակ ածխածնային նանոխողովակները ունեն մեկ նանոմետրի տրամագիծ և կարող են լինել միլիոնավոր անգամ ավելի երկար: Նրանք ունեն ուշագրավ առաձգական ուժ և յուրահատուկ էլեկտրական հատկություններ և ջերմության հիանալի հաղորդիչներ են: Այս հատկությունները դրանք դարձնում են խոստումնալից նյութեր՝ նանոտեխնոլոգիաների, էլեկտրոնիկայի, օպտիկայի և նյութերի գիտության մեջ կիրառելու համար:

1993 Հյուսիսային Կարոլինայի համալսարանի Ուորեն Ռոբինեթը և Լոս Անջելեսի Կալիֆոռնիայի համալսարանի Ռ. Սթենլի Ուիլյամսը կառուցում են վիրտուալ իրականության համակարգ՝ կապված սկանավորող թունելային մանրադիտակի հետ, որը թույլ է տալիս օգտվողին տեսնել և նույնիսկ դիպչել ատոմներին:

1998 Նիդեռլանդների Դելֆտի տեխնոլոգիական համալսարանի Cees Dekker թիմը կառուցում է տրանզիստոր, որն օգտագործում է ածխածնային նանոխողովակներ: Ներկայումս գիտնականները փորձում են օգտագործել ածխածնային նանոխողովակների յուրահատուկ հատկությունները՝ ավելի լավ և արագ էլեկտրոնիկա արտադրելու համար, որն ավելի քիչ էլեկտրաէներգիա է սպառում: Սա սահմանափակված էր մի շարք գործոններով, որոնցից մի քանիսը աստիճանաբար հաղթահարվեցին, ինչը 2016 թվականին Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանի հետազոտողներին ստիպեց ստեղծել ածխածնային տրանզիստոր՝ ավելի լավ պարամետրերով, քան սիլիցիումի լավագույն նախատիպերը: Մայքլ Առնոլդի և Պադմա Գոպալանի կատարած հետազոտությունները հանգեցրին ածխածնային նանոխողովակային տրանզիստորի ստեղծմանը, որը կարող է երկու անգամ գերազանցել իր սիլիցիումային մրցակցի հոսանքը:

2003 Samsung-ը արտոնագրում է առաջադեմ տեխնոլոգիա, որը հիմնված է մանրադիտակային արծաթի իոնների գործողության վրա, որոնք ոչնչացնում են մանրէները, բորբոսը և ավելի քան վեց հարյուր տեսակի բակտերիաներ և կանխում դրանց տարածումը։ Արծաթի մասնիկները ներդրվել են ընկերության ամենակարևոր ֆիլտրման համակարգերում՝ բոլոր ֆիլտրերը և փոշու հավաքիչը կամ պայուսակը:

2004 Բրիտանական թագավորական հասարակությունը և Ճարտարագիտության թագավորական ակադեմիան հրապարակում են «Նանոգիտություն և նանոտեխնոլոգիա. հնարավորություններ և անորոշություններ» զեկույցը՝ կոչ անելով ուսումնասիրել նանոտեխնոլոգիայի հնարավոր ռիսկերը առողջության, շրջակա միջավայրի և հասարակության համար՝ հաշվի առնելով էթիկական և իրավական ասպեկտները:

Նանոշարժիչի մոդելը ֆուլերենային անիվների վրա

2006 Ջեյմս Տուրը Ռայսի համալսարանի գիտնականների թիմի հետ օլիգո (ֆենիլենէթինիլեն) մոլեկուլից միկրոսկոպիկ «ֆուրգոն» է կառուցում, որի առանցքները պատրաստված են ալյումինի ատոմներից, իսկ անիվները՝ C60 ֆուլերեններից։ Նանոմեքենան ոսկու ատոմներից բաղկացած մակերեսով շարժվել է ջերմաստիճանի բարձրացման ազդեցությամբ՝ ֆուլերենի «անիվների» պտույտի պատճառով։ 300 ° C ջերմաստիճանից բարձր, այն այնքան արագացավ, որ քիմիկոսներն այլևս չկարողացան հետևել դրան…

2007 Technion նանոտեխնոլոգիաները տեղավորում են ողջ հրեական «Հին Կտակարանը» ընդամենը 0,5 մմ տարածքի վրա² ոսկեզօծ սիլիկոնային վաֆլի: Տեքստը փորագրվել է՝ գալիումի իոնների կենտրոնացված հոսք ուղղելով ափսեի վրա:

2009-2010 Նադրիան Սիմանը և Նյու Յորքի համալսարանի գործընկերները ստեղծում են մի շարք ԴՆԹ-ի նման նանոմոնտաժներ, որոնցում սինթետիկ ԴՆԹ-ի կառուցվածքները կարող են ծրագրավորվել՝ «արտադրելու» այլ կառուցվածքներ՝ ցանկալի ձևերով և հատկություններով:

2013 IBM-ի գիտնականները անիմացիոն ֆիլմ են ստեղծում, որը կարելի է դիտել միայն 100 միլիոն անգամ խոշորացնելուց հետո։ Այն կոչվում է «Տղան և նրա ատոմը» և գծված է մետրի մեկ միլիարդերորդական չափի երկատոմային կետերով, որոնք ածխածնի երկօքսիդի առանձին մոլեկուլներ են: Մուլտֆիլմում պատկերված է մի տղա, ով սկզբում խաղում է գնդակով, իսկ հետո ցատկում բատուտի վրա։ Մոլեկուլներից մեկը նույնպես գնդակի դեր է կատարում։ Բոլոր գործողությունները տեղի են ունենում պղնձե մակերեսի վրա, և յուրաքանչյուր ֆիլմի շրջանակի չափը չի գերազանցում մի քանի տասնյակ նանոմետրը:

2014 Ցյուրիխի ETH տեխնոլոգիական համալսարանի գիտնականներին հաջողվել է ստեղծել մեկ նանոմետրից պակաս ծակոտկեն թաղանթ: Նանոտեխնոլոգիական մանիպուլյացիայի միջոցով ստացված նյութի հաստությունը 100 XNUMX է: անգամ ավելի փոքր, քան մարդու մազից: Ըստ հեղինակների թիմի անդամների՝ սա ամենաբարակ ծակոտկեն նյութն է, որը կարելի էր ձեռք բերել և ընդհանրապես հնարավոր է։ Այն բաղկացած է երկչափ գրաֆենի կառուցվածքի երկու շերտից։ Մեմբրանը թափանցելի է, բայց միայն փոքր մասնիկների համար՝ դանդաղեցնելով կամ ամբողջությամբ փակելով ավելի մեծ մասնիկները։

2015 Ստեղծվում է մոլեկուլային պոմպ՝ նանոմաշտաբով սարք, որը էներգիա է փոխանցում մի մոլեկուլից մյուսը՝ ընդօրինակելով բնական գործընթացները։ Դասավորությունը մշակվել է Weinberg Northwestern Arts and Sciences քոլեջի հետազոտողների կողմից: Մեխանիզմը հիշեցնում է սպիտակուցների կենսաբանական պրոցեսները։ Ակնկալվում է, որ նման տեխնոլոգիաները կիրառություն կգտնեն հիմնականում կենսատեխնոլոգիայի և բժշկության ոլորտներում, օրինակ՝ արհեստական մկանների մեջ։

2016 Nature Nanotechnology գիտական ամսագրում հրապարակված հրապարակման համաձայն՝ Նիդեռլանդական Դելֆթի տեխնիկական համալսարանի հետազոտողները մշակել են բեկումնային մեկ ատոմային պահեստային կրիչներ: Նոր մեթոդը պետք է ապահովի ավելի քան հինգ հարյուր անգամ ավելի մեծ պահեստավորման խտություն, քան ներկայումս օգտագործվող ցանկացած տեխնոլոգիա: Հեղինակները նշում են, որ նույնիսկ ավելի լավ արդյունքների կարելի է հասնել տիեզերքում մասնիկների տեղակայման եռաչափ մոդելի միջոցով:

Նանոտեխնոլոգիաների և նանոնյութերի դասակարգում

Նանոտեխնոլոգիական կառույցները ներառում են.

քվանտային հորեր, լարեր և կետեր, այսինքն. տարբեր կառուցվածքներ, որոնք միավորում են հետևյալ հատկանիշը՝ որոշակի տարածքում մասնիկների տարածական սահմանափակում պոտենցիալ խոչընդոտների միջոցով.
պլաստմասսա, որի կառուցվածքը վերահսկվում է առանձին մոլեկուլների մակարդակով, որի շնորհիվ հնարավոր է, օրինակ, ստանալ աննախադեպ մեխանիկական հատկություններով նյութեր.
արհեստական մանրաթելեր - շատ ճշգրիտ մոլեկուլային կառուցվածք ունեցող նյութեր, որոնք նույնպես առանձնանում են անսովոր մեխանիկական հատկություններով.
նանոխողովակներ, վերմոլեկուլային կառուցվածքներ՝ խոռոչ գլանների տեսքով։ Մինչ օրս ամենահայտնի ածխածնային նանոխողովակները, որոնց պատերը պատրաստված են ծալված գրաֆենից (միատոմ գրաֆիտի շերտեր): Կան նաև ոչ ածխածնային նանոխողովակներ (օրինակ՝ վոլֆրամի սուլֆիդից) և ԴՆԹ-ից;
փոշու տեսքով մանրացված նյութեր, որոնց հատիկները, օրինակ, մետաղի ատոմների կուտակումներ են։ Արծաթը () ուժեղ հակաբակտերիալ հատկություններով լայնորեն օգտագործվում է այս ձևով.
նանոլարեր (օրինակ, արծաթ կամ պղինձ);
տարրեր, որոնք ձևավորվել են էլեկտրոնային լիտոգրաֆիայի և նանոլիտոգրաֆիայի այլ մեթոդների միջոցով.
ֆուլերեններ;
գրաֆեն և այլ երկչափ նյութեր (բորոֆեն, գրաֆեն, վեցանկյուն բորի նիտրիդ, սիլիցեն, գերմանեն, մոլիբդենի սուլֆիդ);
կոմպոզիտային նյութեր՝ ամրապնդված նանոմասնիկներով։

Նանոլիտոգրաֆիկ մակերես

Նանոտեխնոլոգիաների դասակարգումը գիտությունների համակարգում, որը մշակվել է 2004 թվականին Տնտեսական համագործակցության և զարգացման կազմակերպության (ՏՀԶԿ) կողմից.

նանոնյութեր (արտադրություն և հատկություններ);
նանոպրոցեսներ (նանոմաշտաբի կիրառություններ. կենսանյութերը պատկանում են արդյունաբերական կենսատեխնոլոգիային):

Նանոնյութերը բոլոր այն նյութերն են, որոնցում մոլեկուլային մակարդակում կան կանոնավոր կառուցվածքներ, այսինքն. 100 նանոմետրից ոչ ավելի:

Այս սահմանը կարող է վերաբերել տիրույթների չափերին՝ որպես միկրոկառուցվածքի հիմնական միավոր, կամ ստացված կամ ենթաշերտի վրա դրված շերտերի հաստությանը: Գործնականում սահմանը, որից ցածր է վերագրվում նանոնյութերին, տարբեր է տարբեր կատարողական հատկություններով նյութերի համար. այն հիմնականում կապված է հատուկ հատկությունների առաջացման հետ, երբ դրանք գերազանցում են: Նվազեցնելով նյութերի պատվիրված կառուցվածքների չափերը՝ հնարավոր է զգալիորեն բարելավել դրանց ֆիզիկաքիմիական, մեխանիկական և այլ հատկությունները։

Նանոնյութերը կարելի է բաժանել հետևյալ չորս խմբերի.

զրոյական (կետային նանոնյութեր) - օրինակ, քվանտային կետեր, արծաթի նանոմասնիկներ;
միաչափ – օրինակ՝ մետաղական կամ կիսահաղորդչային նանոլարեր, նանոգողիկներ, պոլիմերային նանոմանրաթելեր;
երկչափ – օրինակ՝ միաֆազ կամ բազմաֆազ տիպի նանոմետրային շերտեր, գրաֆեն և մեկ ատոմ հաստությամբ այլ նյութեր.
եռաչափ (կամ նանոբյուրեղային) - բաղկացած է բյուրեղային տիրույթներից և նանոմետրերի կարգի չափերով փուլերի կուտակումներից կամ նանոմասնիկներով ամրապնդված կոմպոզիտներից: