Шинэ бүтээлийн түүх - Нанотехнологи

МЭӨ 600 оны үед. хүмүүс нанотип бүтэц, тухайлбал, ган дахь цементит утаснуудыг Wootz гэж нэрлэдэг байв. Энэ нь Энэтхэгт болсон бөгөөд үүнийг нано технологийн түүхийн эхлэл гэж үзэж болно.

VI-XV х. Энэ хугацаанд будсан шилэн цонхыг будахад ашигласан будагч бодисууд нь алтны хлоридын нано хэсгүүд, бусад металлын хлоридууд, түүнчлэн металлын ислийг ашигладаг.

IX-XVII v. Европын олон оронд керамик болон бусад бүтээгдэхүүнийг гэрэлтүүлэх зорилгоор "гялалзсан" болон бусад бодисыг үйлдвэрлэдэг. Тэдгээр нь металлын нано хэсгүүд, ихэвчлэн мөнгө эсвэл зэс агуулсан байв.

XIII-xviii w. Дэлхийд алдартай цагаан зэвсгийг бүтээж байсан эдгээр зуунд үйлдвэрлэсэн “Дамаскийн ган” нь нүүрстөрөгчийн нано хоолой, цементит нано эсийг агуулдаг.

1857 Майкл Фарадей алтны нано бөөмсийн шинж чанартай бадмаараг өнгөтэй коллоид алтыг нээв.

1931 Макс Нолл, Эрнст Руска нар Берлинд электрон микроскоп бүтээсэн нь атомын түвшинд нано бөөмсийн бүтцийг хардаг анхны төхөөрөмж юм. Электронуудын энерги их байх тусам долгионы урт богино, микроскопын нягтрал их байх болно. Дээж нь вакуум орчинд байдаг бөгөөд ихэнхдээ металл хальсаар бүрхэгдсэн байдаг. Электрон цацраг нь туршилтын объектоор дамжин детектор руу ордог. Хэмжсэн дохион дээр үндэслэн электрон төхөөрөмжүүд туршилтын дээжийн дүрсийг дахин бүтээдэг.

1936 Сименсийн лабораторид ажилладаг Эрвин Мюллер цацрагийн электрон микроскопын хамгийн энгийн хэлбэр болох хээрийн цацрагийн микроскопыг зохион бүтээжээ. Энэхүү микроскоп нь хээрийн ялгаруулалт болон дүрслэлд хүчтэй цахилгаан талбар ашигладаг.

1950 Виктор Ла Мер, Роберт Динегар нар монодисперс коллоид материалыг олж авах техникийн онолын үндсийг бий болгосон. Энэ нь үйлдвэрлэлийн хэмжээнд тусгай төрлийн цаас, будаг, нимгэн хальс үйлдвэрлэх боломжийг олгосон.

1956 Массачусетсийн Технологийн Институтын (MIT) Артур фон Хиппел "молекулын инженерчлэл" гэсэн нэр томъёог гаргаж ирсэн.

1959 Ричард Фейнман "Доор талд хангалттай зай байна" гэсэн сэдвээр лекц уншдаг. 24 боть Британника нэвтэрхий толь бичгийг зүү дээр байрлуулахын тулд юу хийх хэрэгтэйг төсөөлж эхэлснээр тэрээр жижигрүүлэх тухай ойлголт, нанометрийн түвшинд ажиллах боломжтой технологийг ашиглах боломжийг танилцуулав. Энэ үеэр тэрээр энэ чиглэлээр ололт амжилтад зориулсан хоёр шагналыг (Фейнманы шагнал гэгддэг) байгуулжээ - тус бүр нэг мянган доллар.

1960 Анхны шагналын төлбөр Фейнманы урмыг хугалжээ. Тэрээр зорилгодоо хүрэхийн тулд технологийн нээлт хийх шаардлагатай гэж үзэж байсан ч тэр үед микроэлектроникийн боломжийг дутуу үнэлжээ. Ялагчаар 35 настай инженер Уильям Х.МакЛеллан тодорчээ. Тэрээр 250 микрограмм жинтэй, 1 мВт чадалтай мотор бүтээжээ.

1968 Альфред Ю.Чо, Жон Артур нар эпитаксийн аргыг боловсруулсан. Энэ нь хагас дамжуулагч технологийг ашиглан гадаргуугийн моноатомын давхаргыг үүсгэх боломжийг олгодог - одоо байгаа талст субстрат дээр шинэ нэг талст давхаргын өсөлт, одоо байгаа талст субстратын субстратын бүтцийг хуулбарлах. Эпитаксийн өөрчлөлт нь молекулын нэгдлүүдийн эпитакси бөгөөд энэ нь нэг атомын давхаргын зузаантай талст давхаргыг байрлуулах боломжийг олгодог. Энэ аргыг квант цэгүүд болон нимгэн давхарга гэж нэрлэдэг үйлдвэрлэлд ашигладаг.

1974 "Нанотехнологи" гэсэн нэр томъёоны танилцуулга. Үүнийг Токиогийн их сургуулийн судлаач Норио Танигучи эрдэм шинжилгээний хурал дээр анх хэрэглэжээ. Японы физикийн тодорхойлолт өнөөг хүртэл ашиглагдаж байгаа бөгөөд дараах байдлаар сонсогдож байна: "Нанотехнологи нь маш өндөр нарийвчлалтай, маш жижиг хэмжээтэй, жишээлбэл, технологи ашигласан үйлдвэрлэл юм. 1 нм-ийн дарааллын нарийвчлал.

Квантын уналтын дүрслэл

80, 90-аад он Литографийн технологи хурдацтай хөгжиж, талстуудын хэт нимгэн давхаргыг үйлдвэрлэх үе. Эхнийх нь MOCVD() нь хийн органик металлын нэгдлүүдийг ашиглан материалын гадаргуу дээр давхаргыг буулгах арга юм. Энэ бол эпитаксиаль аргуудын нэг тул түүний өөр нэр - MOSFE (). Хоёрдахь арга болох MBE нь нарийн тодорхойлогдсон химийн найрлагатай, хольцын концентрацийн профайлыг нарийн хуваарилсан маш нимгэн нанометрийн давхаргыг буулгах боломжийг олгодог. Энэ нь давхаргын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг тусдаа молекулын цацрагаар субстрат руу нийлүүлдэг тул боломжтой юм.

1981 Герд Бинниг, Хайнрих Рорер нар сканнерийн хонгилын микроскопыг бүтээжээ. Атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчийг ашиглан дээжийн гадаргуугаас дээш эсвэл доор ирийг дамжуулж, нэг атомын хэмжээтэй эрэмбийн нарийвчлал бүхий гадаргуугийн зургийг авах боломжийг танд олгоно. 1989 онд уг төхөөрөмжийг бие даасан атомуудыг удирдахад ашигласан. Бинниг, Рорер нар 1986 онд Физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртжээ.

1985 Bell Labs-ийн Луис Брус коллоид хагас дамжуулагч нанокристаллуудыг (квант цэг) нээсэн. Тэдгээр нь цэгийн хэмжээтэй дүйцэхүйц долгионы урттай бөөмс орж ирэхэд боломжит саадаар гурван хэмжээстээр хязгаарлагдах орон зайн жижиг талбай гэж тодорхойлогддог.

C. Эрик Дрекслерийн "Бүтээлийн хөдөлгүүр: Нано технологийн ирэх эрин үе" номын хавтас.

1985 Бага Роберт Флойд Кёрл, Харолд Уолтер Крото, Ричард Эррет Смолли нар битүү хөндий биеийг бүрдүүлдэг тэгш тооны нүүрстөрөгчийн атомаас (28-аас 1500 хүртэл) бүрдэх молекулууд болох фуллеренүүдийг нээжээ. Фуллеренүүдийн химийн шинж чанар нь олон талаараа үнэрт нүүрсустөрөгчтэй төстэй байдаг. Фуллерен С60 буюу бакминстерфуллерен нь бусад фуллеренүүдийн нэгэн адил нүүрстөрөгчийн аллотроп хэлбэр юм.

1986-1992 C. Эрик Дрекслер нанотехнологийг дэлгэрүүлсэн футурологийн тухай хоёр чухал ном хэвлүүлсэн. Эхнийх нь 1986 онд гарсан бөгөөд "Бүтээлийн Engines: The Coming Era of Nanotechnology" нэртэй. Тэрээр бусад зүйлсийн дотор ирээдүйн технологиуд бие даасан атомуудыг хяналттай удирдах боломжтой болно гэж таамаглаж байна. 1992 онд тэрээр "Наносистем: Молекулын техник хангамж, үйлдвэрлэл, тооцооллын санаа" номоо хэвлүүлсэн бөгөөд энэ нь наномашин өөрөө өөрийгөө үржүүлж чадна гэж таамаглаж байжээ.

1989 IBM-ийн Доналд М.Айглер никель гадаргуу дээр 35 ксеноны атомаас бүтсэн "IBM" гэдэг үгийг тавьжээ.

1991 Японы Цүкүба хотын NEC-ийн ажилтан Сумио Иижима нүүрстөрөгчийн нано хоолой, хөндий цилиндр бүтцийг олж илрүүлжээ. Өнөөдрийг хүртэл хамгийн сайн мэддэг нүүрстөрөгчийн нано хоолойнууд нь хана нь цувисан графенээр хийгдсэн байдаг. Мөн нүүрстөрөгчийн бус нано гуурс, ДНХ нано гуурс байдаг. Хамгийн нимгэн нүүрстөрөгчийн нано хоолой нь нэг нанометрийн диаметртэй бөгөөд хэдэн сая дахин урт байж болно. Тэд гайхалтай суналтын бат бэх, өвөрмөц цахилгаан шинж чанартай бөгөөд дулааныг маш сайн дамжуулагч юм. Эдгээр шинж чанарууд нь нанотехнологи, электроник, оптик, материалын шинжлэх ухаанд хэрэглэх ирээдүйтэй материал болгодог.

1993 Хойд Каролинагийн их сургуулийн Уоррен Робинетт, UCLA-ийн Р.Стэнли Уильямс нар хэрэглэгчдэд атомыг харж, бүр хүрэх боломжийг олгодог сканнерийн туннелийн микроскоптой холбогдсон виртуал бодит байдлын системийг бүтээж байна.

1998 Нидерландын Делфтийн Технологийн Их Сургуулийн Cees Dekker багийнхан нүүрстөрөгчийн нано хоолой ашигладаг транзистор бүтээж байна. Одоогоор эрдэмтэд нүүрстөрөгчийн нано хоолойн өвөрмөц шинж чанарыг ашиглан цахилгаан бага зарцуулдаг илүү сайн, хурдан электроникийг үйлдвэрлэхээр оролдож байна. Энэ нь хэд хэдэн хүчин зүйлээр хязгаарлагдаж, заримыг нь аажмаар даван туулсан бөгөөд энэ нь 2016 онд Висконсин-Мэдисоны их сургуулийн судлаачдыг цахиурын шилдэг загваруудаас илүү сайн параметр бүхий нүүрстөрөгчийн транзистор бүтээхэд хүргэсэн. Майкл Арнольд, Падма Гопалан нарын судалгаанууд цахиурын өрсөлдөгчөөсөө хоёр дахин их гүйдэл дамжуулах чадвартай нүүрстөрөгчийн нано хоолойт транзистор бүтээхэд хүргэсэн.

2003 Самсунг нь микроскопийн мөнгөн ионуудын үйлчлэлд суурилсан дэвшилтэт технологийг патентжуулж, нян, хөгц, зургаан зуу гаруй төрлийн бактерийг устгаж, тархахаас сэргийлж байна. Мөнгөний тоосонцорыг компанийн тоос сорогчийн хамгийн чухал шүүлтүүрийн системд нэвтрүүлсэн - бүх шүүлтүүр, тоос цуглуулагч эсвэл уут.

2004 Их Британийн Хатан хааны нийгэмлэг болон Хатан хааны инженерийн академи хамтран "Нано шинжлэх ухаан ба нанотехнологи: Боломж ба тодорхойгүй байдал" тайланг нийтэлж, нанотехнологийн эрүүл мэнд, байгаль орчин, нийгэмд үзүүлж болзошгүй эрсдлийг ёс зүй, хууль эрх зүйн талаас нь харгалзаж судлахыг уриалж байна.

Фуллерен дугуйтай наноматор загвар

2006 Жеймс Тур Райсын их сургуулийн эрдэмтдийн багтай хамтран олиго (фениленэтинилен) молекулаас тэнхлэгүүд нь хөнгөн цагаан атомаар хийгдсэн, дугуй нь C60 фуллеренээр хийгдсэн бичил харуурын "фургон" бүтээжээ. Нано машин нь фуллерений "дугуй" эргэлтийн улмаас температурын өсөлтийн нөлөөн дор алтны атомуудаас бүрдсэн гадаргуу дээгүүр хөдөлсөн. 300 хэмээс дээш температурт энэ нь маш их хурдассан тул химич үүнийг хянах боломжгүй болсон ...

2007 Technion нанотехнологичид Еврей "Хуучин Гэрээ"-г бүхэлд нь ердөө 0,5 мм-ийн талбайд багтаасан.² алтаар бүрсэн цахиур хавтан . Галийн ионуудын төвлөрсөн урсгалыг хавтан дээр чиглүүлэх замаар бичвэрийг сийлсэн.

2009-2010 Надриан Симан болон Нью-Йоркийн Их Сургуулийн хамт олон ДНХ-тэй төстэй хэд хэдэн наномаагтуудыг бүтээж байгаа бөгөөд тэдгээрт хиймэл ДНХ-ийн бүтцийг хүссэн хэлбэр, шинж чанартай бусад бүтцийг "үйлдвэрлэх" зорилгоор програмчлах боломжтой.

2013 IBM-ийн эрдэмтэд 100 сая дахин томруулсаны дараа л үзэх боломжтой хүүхэлдэйн кино бүтээж байна. Үүнийг "Хүү ба түүний атом" гэж нэрлэдэг бөгөөд нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн нэг молекул болох метрийн тэрбумын нэг хэмжээтэй хоёр атомт цэгээр зурсан байна. Хүүхэлдэйн кинонд эхлээд бөмбөгөөр тоглож, дараа нь трамплин дээр үсэрч буй хүүг дүрсэлжээ. Молекулуудын нэг нь бөмбөгний үүрэг гүйцэтгэдэг. Бүх үйлдэл нь зэс гадаргуу дээр явагддаг бөгөөд киноны хүрээ бүрийн хэмжээ хэдэн арван нанометрээс хэтрэхгүй.

2014 Цюрих хотын ETH технологийн их сургуулийн эрдэмтэд нэг нанометрээс бага зузаантай сүвэрхэг мембран бүтээж чадсан байна. Нанотехнологийн аргаар олж авсан материалын зузаан нь 100 XNUMX юм. хүний ​​үснээс хэд дахин бага. Зохиогчдын багийн гишүүдийн үзэж байгаагаар энэ бол олж авч болох хамгийн нимгэн сүвэрхэг материал бөгөөд ерөнхийдөө боломжтой юм. Энэ нь хоёр хэмжээст графен бүтцийн хоёр давхаргаас бүрдэнэ. Мембран нь нэвчих чадвартай, гэхдээ зөвхөн жижиг хэсгүүдэд хүрч, илүү том хэсгүүдийг удаашруулж эсвэл бүрмөсөн барьж авдаг.

2015 Байгалийн үйл явцыг дуурайлган энергийг нэг молекулаас нөгөөд шилжүүлдэг нано хэмжээний төхөөрөмж болох молекулын насосыг бүтээж байна. Энэхүү зураг төслийг Вейнбергийн баруун хойд урлаг, шинжлэх ухааны коллежийн судлаачид зохион бүтээжээ. Энэ механизм нь уураг дахь биологийн процесстой төстэй юм. Ийм технологи нь биотехнологи, анагаах ухааны салбарт, жишээлбэл, хиймэл булчинд хэрэглэгдэх болно гэж найдаж байна.

2016 Шинжлэх ухааны "Nature Nanotechnology" сэтгүүлд нийтлэгдсэн нийтлэлд дурдсанаар Голландын Делфтийн Техникийн Их Сургуулийн судлаачид нэг атомын агуулахын шинэ төхөөрөмж бүтээжээ. Шинэ арга нь одоогийн ашиглаж байгаа технологиос таван зуу дахин их хадгалах нягтыг хангах ёстой. Сансар огторгуй дахь бөөмсийн байршлын гурван хэмжээст загварыг ашиглан илүү сайн үр дүнд хүрч болохыг зохиогчид тэмдэглэжээ.

Нанотехнологи ба наноматериалуудын ангилал

1. Нанотехнологийн бүтцэд дараахь зүйлс орно.

• квант худаг, утас ба цэгүүд, i.e. дараах шинж чанарыг хослуулсан янз бүрийн бүтэц - боломжит саад тотгороор дамжуулан тодорхой газар нутагт бөөмсийн орон зайн хязгаарлалт;
• хуванцар, бүтэц нь бие даасан молекулуудын түвшинд хянагддаг бөгөөд үүний ачаар жишээлбэл, урьд өмнө хэзээ ч байгаагүй механик шинж чанартай материалыг олж авах боломжтой;
• хиймэл утас - маш нарийн молекулын бүтэцтэй материал, мөн ер бусын механик шинж чанараараа ялгагдана;
• нано хоолой, хөндий цилиндр хэлбэртэй супрамолекулын бүтэц. Өнөөдрийг хүртэл хамгийн сайн мэддэг нүүрстөрөгчийн нано гуурсууд нь хана нь атираат графен (монатомын бал чулууны давхарга) -аар хийгдсэн байдаг. Мөн нүүрстөрөгчийн бус нано хоолой (жишээлбэл, вольфрамын сульфид) болон ДНХ-ээс;
• тоос хэлбэрээр буталсан материал, тэдгээрийн мөхлөгүүд нь жишээлбэл, металлын атомын хуримтлал юм. Хүчтэй бактерийн эсрэг шинж чанартай мөнгө () энэ хэлбэрээр өргөн хэрэглэгддэг;
• нано утас (жишээлбэл, мөнгө эсвэл зэс);
• электрон литограф болон бусад нанолитографийн аргуудыг ашиглан үүссэн элементүүд;
• фуллерен;
• графен болон бусад хоёр хэмжээст материал (борофен, графен, зургаан өнцөгт борын нитрид, силицен, германен, молибдений сульфид);
• нано бөөмсөөр бэхжүүлсэн нийлмэл материал.

Нанолитографийн гадаргуу

2. Эдийн засгийн хамтын ажиллагаа, хөгжлийн байгууллагын (OECD) 2004 онд боловсруулсан шинжлэх ухааны систем дэх нанотехнологийн ангилал:

• наноматериал (үйлдвэрлэл, шинж чанар);
• нано процесс (нано хэмжээний хэрэглээ - биоматериалууд нь үйлдвэрлэлийн биотехнологид хамаардаг).

3. Наноматериалууд нь молекулын түвшинд тогтмол бүтэцтэй бүх материал юм. 100 нанометрээс хэтрэхгүй.

Энэ хязгаар нь бичил бүтцийн үндсэн нэгж болох домэйнуудын хэмжээ, эсвэл субстрат дээр олж авсан эсвэл хадгалсан давхаргын зузаантай холбоотой байж болно. Практикт наноматериалд хамаарах доод хязгаар нь өөр өөр гүйцэтгэлийн шинж чанартай материалын хувьд өөр байдаг - энэ нь голчлон хэтэрсэн үед тодорхой шинж чанарууд гарч ирдэгтэй холбоотой байдаг. Материалын захиалгат бүтцийн хэмжээг багасгах замаар тэдгээрийн физик-хими, механик болон бусад шинж чанарыг эрс сайжруулах боломжтой.

Наноматериалуудыг дараах дөрвөн бүлэгт хувааж болно.

• тэг хэмжээст (цэг наноматериалууд) - жишээлбэл, квант цэгүүд, мөнгөн нано хэсгүүд;
• нэг хэмжээст – жишээлбэл, металл эсвэл хагас дамжуулагч нано утас, наноод, полимер нано утас;
• хоёр хэмжээст – жишээлбэл, нэг фазын буюу олон фазын төрлийн нанометрийн давхарга, графен болон нэг атомын зузаантай бусад материал;
• гурван хэмжээст (эсвэл нанокристалл) - талст домэйн ба нанометрийн хэмжээтэй фазын хуримтлал эсвэл нано бөөмсөөр бэхжүүлсэн нийлмэл материалаас бүрдэнэ.