ประวัติสิ่งประดิษฐ์ - นาโนเทคโนโลยี

แล้วประมาณ 600 ปีก่อนคริสตกาล ผู้คนกำลังผลิตโครงสร้างนาโนไทป์ เช่น เส้นใยซีเมนต์ในเหล็กกล้า เรียกว่า Wootz สิ่งนี้เกิดขึ้นในอินเดียและถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของประวัติศาสตร์นาโนเทคโนโลยี

VI-XV ส. สีย้อมที่ใช้ในช่วงเวลานี้ในการทาสีหน้าต่างกระจกสีใช้อนุภาคนาโนคลอไรด์ทองคำ คลอไรด์ของโลหะอื่นๆ และโลหะออกไซด์

ทรงเครื่อง-XVII в. ในหลายพื้นที่ในยุโรป มีการผลิต "กลิตเตอร์" และสารอื่นๆ เพื่อให้เซรามิกและผลิตภัณฑ์อื่นๆ มีความเงางาม ประกอบด้วยอนุภาคนาโนของโลหะ ส่วนใหญ่มักเป็นเงินหรือทองแดง

XIII-xviii w. “เหล็กกล้าดามัสกัส” ที่ผลิตขึ้นในศตวรรษนี้ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดอาวุธสีขาวที่มีชื่อเสียงระดับโลก ประกอบด้วยท่อนาโนคาร์บอนและเส้นใยนาโนซีเมนต์

1857 ไมเคิล ฟาราเดย์ ค้นพบทองคำคอลลอยด์สีทับทิม ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอนุภาคนาโนทองคำ

1931 Max Knoll และ Ernst Ruska สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในเบอร์ลิน ซึ่งเป็นอุปกรณ์แรกที่มองเห็นโครงสร้างของอนุภาคนาโนในระดับอะตอม ยิ่งมีพลังงานของอิเล็กตรอนมากเท่าใด ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนก็จะสั้นลงเท่านั้น และความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์ก็จะยิ่งมากขึ้น ตัวอย่างอยู่ในสุญญากาศและส่วนใหญ่มักปกคลุมด้วยฟิล์มโลหะ ลำอิเล็กตรอนจะทะลุผ่านวัตถุที่ทดสอบแล้วเข้าสู่เครื่องตรวจจับ ตามสัญญาณที่วัดได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะสร้างภาพของตัวอย่างทดสอบขึ้นใหม่

1936 Erwin Müller ซึ่งทำงานที่ Siemens Laboratories ได้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์แบบปล่อยภาคสนาม ซึ่งเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแผ่รังสี กล้องจุลทรรศน์นี้ใช้สนามไฟฟ้าแรงสูงสำหรับการปล่อยและการถ่ายภาพสนาม

1950 Victor La Mer และ Robert Dinegar สร้างพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับเทคนิคการรับวัสดุคอลลอยด์แบบแยกส่วน ทำให้สามารถผลิตกระดาษ สี และฟิล์มบางชนิดพิเศษในระดับอุตสาหกรรมได้

1956 Arthur von Hippel จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) บัญญัติศัพท์คำว่า "วิศวกรรมระดับโมเลกุล"

1959 Richard Feynman บรรยายเรื่อง "มีที่ว่างมากมายที่ด้านล่าง" เริ่มต้นด้วยการจินตนาการถึงสิ่งที่ต้องใช้เพื่อให้พอดีกับสารานุกรมบริแทนนิกา 24 เล่มบนหัวเข็มหมุด เขาได้แนะนำแนวคิดเรื่องการย่อขนาดและความเป็นไปได้ในการใช้เทคโนโลยีที่สามารถทำงานได้ในระดับนาโนเมตร ในโอกาสนี้ เขาได้มอบรางวัลสองรางวัล (ซึ่งเรียกว่า Feynman Prizes) สำหรับความสำเร็จในด้านนี้ - รางวัลละ XNUMX ดอลลาร์

1960 การจ่ายเงินรางวัลแรกทำให้ไฟน์แมนผิดหวัง เขาสันนิษฐานว่าจำเป็นต้องมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย แต่ในขณะนั้นเขาประเมินศักยภาพของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ต่ำไป ผู้ชนะคือวิศวกร William H. McLellan อายุ 35 ปี เขาสร้างมอเตอร์ที่มีน้ำหนัก 250 ไมโครกรัม กำลัง 1 mW

1968 Alfred Y. Cho และ John Arthur พัฒนาวิธี epitaxy ช่วยให้การก่อตัวของชั้น monoatomic พื้นผิวโดยใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ - การเติบโตของชั้นผลึกเดี่ยวใหม่บนซับสเตรตผลึกที่มีอยู่ การจำลองโครงสร้างของซับสเตรตผลึกเดี่ยวที่มีอยู่ รูปแบบหนึ่งของ epitaxy คือ epitaxy ของสารประกอบโมเลกุล ซึ่งทำให้สามารถสะสมชั้นผลึกที่มีความหนาเท่ากับชั้นอะตอมหนึ่งชั้นได้ วิธีนี้ใช้ในการผลิตจุดควอนตัมและชั้นบางๆ ที่เรียกว่า

1974 บทนำของคำว่า "นาโนเทคโนโลยี" มันถูกใช้ครั้งแรกโดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยโตเกียว Norio Taniguchi ในการประชุมทางวิทยาศาสตร์ คำจำกัดความของฟิสิกส์ญี่ปุ่นยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้และฟังดูเหมือน: “นาโนเทคโนโลยีคือการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีที่ช่วยให้บรรลุความแม่นยำสูงมากและมีขนาดเล็กมาก กล่าวคือ ความแม่นยำของคำสั่ง 1 นาโนเมตร

การแสดงภาพของควอนตัมดรอป

ทศวรรษ 80 และ 90 ช่วงเวลาของการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการพิมพ์หินและการผลิตชั้นคริสตัลบางเฉียบ ประการแรก MOCVD() คือวิธีการวางชั้นบนพื้นผิวของวัสดุโดยใช้สารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกที่เป็นก๊าซ นี่เป็นหนึ่งในวิธี epitaxial ดังนั้นจึงมีชื่ออื่น - MOSFE () วิธีที่สอง MBE ช่วยให้เกิดการสะสมของชั้นนาโนเมตรที่บางมากด้วยองค์ประกอบทางเคมีที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำและกระจายโปรไฟล์ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากองค์ประกอบของชั้นถูกจ่ายให้กับสารตั้งต้นโดยคานโมเลกุลที่แยกจากกัน

1981 Gerd Binnig และ Heinrich Rohrer สร้างกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สำหรับสแกน การใช้แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมจะช่วยให้คุณได้ภาพพื้นผิวที่มีความละเอียดลำดับของขนาดของอะตอมเดียว โดยส่งใบมีดเหนือหรือใต้พื้นผิวของตัวอย่าง ในปี 1989 อุปกรณ์นี้ถูกใช้เพื่อจัดการกับแต่ละอะตอม Binnig และ Rohrer ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1986

1985 Louis Brus จาก Bell Labs ค้นพบนาโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์คอลลอยด์ (จุดควอนตัม) พวกมันถูกกำหนดให้เป็นพื้นที่เล็ก ๆ ของพื้นที่ที่ล้อมรอบในสามมิติโดยสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีความยาวคลื่นเทียบได้กับขนาดของจุดเข้ามา

ปกหนังสือ Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology โดย C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto และ Richard Erret Smalley ค้นพบ fullerenes ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนจำนวนเท่ากัน (ตั้งแต่ 28 ถึงประมาณ 1500) ที่ก่อตัวเป็นโพรงกลวง คุณสมบัติทางเคมีของฟูลเลอรีนนั้นคล้ายคลึงกับคุณสมบัติทางเคมีของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนหลายประการ Fullerene C60 หรือ buckminsterfullerene เช่นเดียวกับ fullerenes อื่น ๆ เป็นคาร์บอนในรูปแบบ allotropic

1986-1992 C. Eric Drexler ตีพิมพ์หนังสือสำคัญสองเล่มเกี่ยวกับอนาคตวิทยาที่ทำให้นาโนเทคโนโลยีเป็นที่นิยม ครั้งแรกที่เปิดตัวในปี 1986 เรียกว่า Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology เขาคาดการณ์เหนือสิ่งอื่นใดว่าเทคโนโลยีในอนาคตจะสามารถจัดการกับอะตอมแต่ละตัวในลักษณะที่ควบคุมได้ ในปี 1992 เขาตีพิมพ์ Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea ซึ่งคาดการณ์ว่าเครื่องนาโนจะสามารถผลิตซ้ำได้

1989 Donald M. Aigler จาก IBM ใช้คำว่า "IBM" ซึ่งทำจากอะตอมซีนอน 35 อะตอม บนพื้นผิวนิกเกิล

1991 Sumio Iijima จาก NEC ในเมือง Tsukuba ประเทศญี่ปุ่น ค้นพบท่อนาโนคาร์บอน โครงสร้างทรงกระบอกกลวง จนถึงปัจจุบันท่อนาโนคาร์บอนที่รู้จักกันดีที่สุดซึ่งผนังทำจากกราฟีนรีด นอกจากนี้ยังมีท่อนาโนที่ไม่ใช่คาร์บอนและท่อนาโนดีเอ็นเอ ท่อนาโนคาร์บอนที่บางที่สุดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง XNUMX นาโนเมตรและอาจยาวกว่าหลายล้านเท่า พวกมันมีความต้านทานแรงดึงที่โดดเด่นและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ และเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้วัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานในด้านนาโนเทคโนโลยี อิเล็กทรอนิกส์ ทัศนศาสตร์ และวัสดุศาสตร์

1993 Warren Robinett จาก University of North Carolina และ R. Stanley Williams แห่ง UCLA กำลังสร้างระบบความเป็นจริงเสมือนที่เชื่อมโยงกับกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถมองเห็นและสัมผัสอะตอมได้

1998 ทีม Cees Dekker แห่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ในเนเธอร์แลนด์กำลังสร้างทรานซิสเตอร์ที่ใช้ท่อนาโนคาร์บอน ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามใช้คุณสมบัติเฉพาะของท่อนาโนคาร์บอนเพื่อผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ดีและเร็วขึ้นซึ่งใช้ไฟฟ้าน้อยลง สิ่งนี้ถูกจำกัดด้วยปัจจัยหลายประการ ซึ่งบางส่วนก็ค่อยๆ เอาชนะไป ซึ่งในปี 2016 ได้นำนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน มาสร้างทรานซิสเตอร์คาร์บอนที่มีพารามิเตอร์ที่ดีกว่าต้นแบบซิลิกอนที่ดีที่สุด การวิจัยโดย Michael Arnold และ Padma Gopalan นำไปสู่การพัฒนาทรานซิสเตอร์ nanotube คาร์บอนที่สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้เป็นสองเท่าของคู่แข่งที่เป็นซิลิกอน

2003 Samsung จดสิทธิบัตรเทคโนโลยีขั้นสูงโดยอิงจากการกระทำของไอออนเงินด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งทำลายเชื้อโรค เชื้อรา และแบคทีเรียมากกว่าหกร้อยชนิด และป้องกันการแพร่กระจาย อนุภาคเงินถูกนำมาใช้ในระบบการกรองที่สำคัญที่สุดของบริษัท - ตัวกรองทั้งหมดและตัวเก็บฝุ่นหรือถุง

2004 British Royal Society และ Royal Academy of Engineering เผยแพร่รายงาน "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties" โดยเรียกร้องให้มีการวิจัยเกี่ยวกับความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นจากนาโนเทคโนโลยีด้านสุขภาพ สิ่งแวดล้อม และสังคม โดยคำนึงถึงด้านจริยธรรมและกฎหมาย

รุ่น Nanomotor ล้อฟูลเลอรีน

2006 เจมส์ ทัวร์ ร่วมกับทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์ ได้สร้าง "รถตู้" ด้วยกล้องจุลทรรศน์จากโมเลกุลโอลิโก (ฟีนิลีนเอธินิลีน) แกนซึ่งทำจากอะตอมอะลูมิเนียม และล้อทำด้วย C60 ฟูลเลอรีน ยานพาหนะระดับนาโนเคลื่อนผ่านพื้นผิวซึ่งประกอบด้วยอะตอมสีทองภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอันเนื่องมาจากการหมุนของ "ล้อ" ฟูลเลอรีน อุณหภูมิที่สูงกว่า 300 ° C มันเร่งขึ้นมากจนนักเคมีไม่สามารถติดตามได้อีกต่อไป ...

2007 Technion nanotechnologists พอดีกับ "พันธสัญญาเดิม" ของชาวยิวทั้งหมดในพื้นที่เพียง 0,5 มม.² เวเฟอร์ซิลิกอนเคลือบทอง ข้อความถูกแกะสลักโดยนำกระแสไอออนของแกลเลียมที่เน้นไปที่จาน

2009-2010 Nadrian Seaman และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์กกำลังสร้างชุดของ nanomounts ที่เหมือน DNA ซึ่งโครงสร้าง DNA สังเคราะห์สามารถตั้งโปรแกรมให้ "ผลิต" โครงสร้างอื่น ๆ ที่มีรูปร่างและคุณสมบัติที่ต้องการได้

2013 นักวิทยาศาสตร์ของ IBM กำลังสร้างภาพยนตร์แอนิเมชั่นที่สามารถดูได้หลังจากถูกขยาย 100 ล้านครั้งเท่านั้น มันถูกเรียกว่า "เด็กชายและอะตอมของเขา" และวาดด้วยจุดไดอะตอมมิกขนาดหนึ่งในพันล้านของเมตร ซึ่งเป็นโมเลกุลเดี่ยวของคาร์บอนมอนอกไซด์ การ์ตูนแสดงให้เห็นเด็กผู้ชายที่เล่นลูกบอลครั้งแรกแล้วกระโดดบนแทรมโพลีน หนึ่งในโมเลกุลยังเล่นบทบาทของลูกบอล การกระทำทั้งหมดเกิดขึ้นบนพื้นผิวทองแดง และขนาดของเฟรมฟิล์มแต่ละเฟรมต้องไม่เกินหลายสิบนาโนเมตร

2014 นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี ETH ในเมืองซูริค ประสบความสำเร็จในการสร้างเมมเบรนที่มีรูพรุนที่มีความหนาน้อยกว่าหนึ่งนาโนเมตร ความหนาของวัสดุที่ได้จากการจัดการนาโนเทคโนโลยีคือ 100 XNUMX เล็กกว่าเส้นผมมนุษย์หลายเท่า ตามที่สมาชิกในทีมผู้เขียนกล่าวว่านี่เป็นวัสดุที่มีรูพรุนที่บางที่สุดที่สามารถรับได้และเป็นไปได้โดยทั่วไป ประกอบด้วยโครงสร้าง graphene สองมิติสองชั้น เมมเบรนสามารถซึมผ่านได้ แต่เฉพาะกับอนุภาคขนาดเล็กเท่านั้น ทำให้ช้าลงหรือดักจับอนุภาคขนาดใหญ่ได้อย่างสมบูรณ์

2015 กำลังสร้างปั๊มโมเลกุล ซึ่งเป็นอุปกรณ์ระดับนาโนที่ถ่ายโอนพลังงานจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง โดยเลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติ เลย์เอาต์นี้ออกแบบโดยนักวิจัยจากวิทยาลัยศิลปะและวิทยาศาสตร์ Weinberg Northwestern กลไกนี้คล้ายกับกระบวนการทางชีววิทยาในโปรตีน คาดว่าเทคโนโลยีดังกล่าวจะพบการประยุกต์ใช้ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการแพทย์เป็นหลัก เช่น ในกล้ามเนื้อเทียม

2016 ตามการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Nature Nanotechnology นักวิจัยจาก Dutch Technical University Delft ได้พัฒนาสื่อจัดเก็บข้อมูลแบบอะตอมเดี่ยวที่ก้าวล้ำ วิธีการใหม่นี้ควรให้ความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลมากกว่าเทคโนโลยีที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมากกว่าห้าร้อยเท่า ผู้เขียนทราบว่าผลลัพธ์ที่ดียิ่งขึ้นสามารถทำได้โดยใช้แบบจำลองสามมิติของตำแหน่งของอนุภาคในอวกาศ

การจำแนกประเภทของนาโนเทคโนโลยีและวัสดุนาโน

โครงสร้างนาโนเทคโนโลยี ได้แก่ :

หลุมควอนตัม สายไฟ และจุด เช่น โครงสร้างต่าง ๆ ที่รวมคุณสมบัติต่อไปนี้ - ข้อ จำกัด เชิงพื้นที่ของอนุภาคในพื้นที่หนึ่ง ๆ ผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น
พลาสติกซึ่งโครงสร้างถูกควบคุมที่ระดับของโมเลกุลแต่ละโมเลกุลซึ่งเป็นไปได้เช่นเพื่อให้ได้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางกลที่ไม่เคยมีมาก่อน
เส้นใยประดิษฐ์ - วัสดุที่มีโครงสร้างโมเลกุลที่แม่นยำมากและยังโดดเด่นด้วยคุณสมบัติทางกลที่ผิดปกติ
ท่อนาโน โครงสร้างเหนือโมเลกุลในรูปทรงกระบอกกลวง จนถึงปัจจุบัน ท่อนาโนคาร์บอนที่รู้จักกันดีที่สุด ผนังที่ทำจากกราฟีนแบบพับ นอกจากนี้ยังมีท่อนาโนที่ไม่ใช่คาร์บอน (เช่น จากทังสเตนซัลไฟด์) และจากดีเอ็นเอ
วัสดุที่ถูกบดขยี้ในรูปของฝุ่น เมล็ดพืช เช่น การสะสมของอะตอมโลหะ เงิน () ที่มีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียที่แข็งแกร่งถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรูปแบบนี้
ลวดนาโน (เช่น เงินหรือทองแดง);
องค์ประกอบที่เกิดขึ้นโดยใช้อิเล็กตรอน lithography และวิธีการ nanolithography อื่น ๆ
ฟูลเลอรีน;
กราฟีนและวัสดุสองมิติอื่นๆ (โบโรฟีน, กราฟีน, โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม, ซิลิซีน, เจอร์มีน, โมลิบดีนัมซัลไฟด์);
วัสดุคอมโพสิตเสริมด้วยอนุภาคนาโน

พื้นผิวนาโนลิโทกราฟี

การจำแนกประเภทของนาโนเทคโนโลยีในระบบของวิทยาศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นในปี 2004 โดยองค์การเพื่อความร่วมมือทางเศรษฐกิจและการพัฒนา (OECD):

วัสดุนาโน (การผลิตและคุณสมบัติ);
กระบวนการนาโน (การใช้งานระดับนาโน - วัสดุชีวภาพอยู่ในเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรม)

วัสดุนาโนเป็นวัสดุทั้งหมดที่มีโครงสร้างปกติในระดับโมเลกุลเช่น ไม่เกิน 100 นาโนเมตร

ขีดจำกัดนี้อาจหมายถึงขนาดของโดเมนที่เป็นหน่วยพื้นฐานของโครงสร้างจุลภาค หรือความหนาของชั้นที่ได้มาหรือทับถมบนวัสดุพิมพ์ ในทางปฏิบัติ ขีดจำกัดด้านล่างซึ่งเกิดจากวัสดุนาโนจะแตกต่างกันสำหรับวัสดุที่มีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพต่างกัน โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับลักษณะที่ปรากฏของคุณสมบัติเฉพาะเมื่อเกิน ด้วยการลดขนาดของโครงสร้างที่สั่งซื้อของวัสดุ จึงเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ เชิงกล และคุณสมบัติอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ

วัสดุนาโนสามารถแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มต่อไปนี้:

ศูนย์มิติ (วัสดุนาโนแบบจุด) - ตัวอย่างเช่น จุดควอนตัม อนุภาคนาโนเงิน
หนึ่งมิติ – ตัวอย่างเช่น สายนาโนโลหะหรือสารกึ่งตัวนำ แท่งนาโน เส้นใยนาโนโพลิเมอร์
สองมิติ – ตัวอย่างเช่น ชั้นนาโนเมตรของประเภทเฟสเดียวหรือหลายเฟส กราฟีนและวัสดุอื่นๆ ที่มีความหนาเท่ากับหนึ่งอะตอม
สามมิติ (หรือผลึกนาโน) - ประกอบด้วยโดเมนผลึกและการสะสมของเฟสที่มีขนาดตามลำดับนาโนเมตรหรือคอมโพสิตที่เสริมด้วยอนุภาคนาโน