תולדות ההמצאות - ננוטכנולוגיה

כבר בסביבות שנת 600 לפני הספירה. אנשים ייצרו מבנים ננוטיפיים, כלומר גדילי צמנטיט בפלדה, הנקראים Wootz. זה קרה בהודו, וזה יכול להיחשב כתחילת ההיסטוריה של הננוטכנולוגיה.

VI-XV ג. הצבעים ששימשו בתקופה זו לצביעת חלונות ויטראז' משתמשים בחלקיקי זהב כלוריד, כלורידים של מתכות אחרות, כמו גם תחמוצות מתכות.

מאות IX-XVII במקומות רבים באירופה מייצרים "גליטרים" וחומרים נוספים כדי לתת ברק לקרמיקה ולמוצרים אחרים. הם הכילו ננו-חלקיקים של מתכות, לרוב כסף או נחושת.

XIII-Xviii w. "פלדת דמשק" שהופקה במאות אלה, וממנה נוצרו הנשק הלבן המפורסם בעולם, מכילה ננו-צינורות פחמן וננו-סיבי צמנטיט.

1857 מייקל פאראדיי מגלה זהב קולואידי בצבע אודם, האופייני לננו-חלקיקי זהב.

1931 מקס נול וארנסט רוסקה בונים מיקרוסקופ אלקטרונים בברלין, המכשיר הראשון שראה את המבנה של ננו-חלקיקים ברמה האטומית. ככל שהאנרגיה של האלקטרונים גדולה יותר, כך אורך הגל שלהם קצר יותר והרזולוציה של המיקרוסקופ גדולה יותר. הדוגמה נמצאת בוואקום ולרוב מכוסה בסרט מתכת. אלומת האלקטרונים עוברת דרך אובייקט הבדיקה ונכנסת אל הגלאים. בהתבסס על האותות הנמדדים, המכשירים האלקטרוניים יוצרים מחדש את התמונה של דגימת הבדיקה.

1936 ארווין מולר, שעובד במעבדות סימנס, ממציא את מיקרוסקופ פליטת השדה, הצורה הפשוטה ביותר של מיקרוסקופ פליטת אלקטרונים. מיקרוסקופ זה משתמש בשדה חשמלי חזק עבור פליטת שדה והדמיה.

1950 ויקטור לה מר ורוברט דינגר יוצרים את היסודות התיאורטיים לטכניקת השגת חומרים קולואידים מונו-פזרים. זה אפשר לייצר סוגים מיוחדים של נייר, צבעים וסרטים דקים בקנה מידה תעשייתי.

1956 ארתור פון היפל מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) טבע את המונח "הנדסה מולקולרית".

1959 ריצ'רד פיינמן מרצה על "יש הרבה מקום בתחתית". הוא התחיל בדמיין מה יידרש כדי להתאים אנציקלופדיה בריטניקה בת 24 כרכים על ראש סיכה, הוא הציג את הרעיון של מזעור והאפשרות להשתמש בטכנולוגיות שיכולות לעבוד ברמת ננומטר. בהזדמנות זו הקים שני פרסים (מה שנקרא פרסי פיינמן) להישגים בתחום זה - אלף דולר כל אחד.

1960 תשלום הפרס הראשון אכזב את פיינמן. הוא הניח שתידרש פריצת דרך טכנולוגית כדי להשיג את מטרותיו, אבל בזמנו הוא העריך בחסרונם את הפוטנציאל של המיקרו-אלקטרוניקה. המנצח היה המהנדס וויליאם ה. מקללן בן ה-35. הוא יצר מנוע במשקל 250 מיקרוגרם, עם הספק של 1 mW.

1968 אלפרד Y. Cho וג'ון ארתור מפתחים את שיטת האפיטקסיה. הוא מאפשר היווצרות של שכבות מונואטומיות פני השטח באמצעות טכנולוגיית מוליכים למחצה - צמיחה של שכבות חד-גבישיות חדשות על מצע גבישי קיים, תוך שכפול המבנה של מצע המצע הגבישי הקיים. וריאציה של אפיטקסיה היא האפיטקסיה של תרכובות מולקולריות, המאפשרת להפקיד שכבות גבישיות בעובי של שכבה אטומית אחת. שיטה זו משמשת בייצור של נקודות קוונטיות ושכבות דקות כביכול.

1974 הצגת המונח "ננוטכנולוגיה". זה שימש לראשונה את חוקר אוניברסיטת טוקיו Norio Taniguchi בכנס מדעי. ההגדרה של הפיזיקה היפנית נשארת בשימוש עד היום ונשמעת כך: "ננוטכנולוגיה היא ייצור באמצעות טכנולוגיה המאפשרת השגת דיוק גבוה מאוד וגדלים קטנים במיוחד, כלומר. דיוק בסדר גודל של 1 ננומטר.

הדמיה של ירידה קוונטית

שנות ה -80 וה -90 תקופת ההתפתחות המהירה של הטכנולוגיה הליטוגרפית וייצור שכבות אולטרה דקות של גבישים. הראשונה, MOCVD(), היא שיטה להנחת שכבות על פני השטח של חומרים באמצעות תרכובות אורגנו-מתכתיות גזיות. זוהי אחת השיטות האפיטקסיאליות, ומכאן שמה החלופי - MOSFE (). השיטה השנייה, MBE, מאפשרת להפקיד שכבות ננומטריות דקות מאוד בעלות הרכב כימי מוגדר במדויק ופיזור מדויק של פרופיל ריכוז הטומאה. זה אפשרי בשל העובדה שמרכיבי השכבה מסופקים למצע על ידי קורות מולקולריות נפרדות.

1981 גרד ביניג והיינריך רוהר יוצרים את מיקרוסקופ המנהור הסורק. באמצעות הכוחות של אינטראקציות בין-אטומיות, זה מאפשר לך לקבל תמונה של פני השטח ברזולוציה בסדר גודל של אטום בודד, על ידי העברת הלהב מעל או מתחת לפני השטח של הדגימה. בשנת 1989, המכשיר שימש לתמרן אטומים בודדים. ביניג ורוהר זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1986.

1985 לואי ברוס ממעבדות בל מגלה ננו-גבישים מוליכים למחצה קולואידים (נקודות קוונטיות). הם מוגדרים כשטח קטן של חלל התחום בתלת מימד על ידי מחסומים פוטנציאליים כאשר נכנס חלקיק עם אורך גל השווה לגודל של נקודה.

עטיפת הספר Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology מאת סי אריק דרקסלר

1985 רוברט פלויד קורל ג'וניור, הרולד וולטר קרוטו וריצ'רד ארט סמלי מגלים פולרנים, מולקולות המורכבות ממספר זוגי של אטומי פחמן (מ-28 עד 1500 בערך) היוצרים גוף חלול סגור. התכונות הכימיות של פולרנים דומות במובנים רבים לאלו של פחמימנים ארומטיים. פולרן C60, או buckminsterfullerene, כמו פולרנים אחרים, היא צורה אלוטרופית של פחמן.

1986-1992 ג. אריק דרקסלר מפרסם שני ספרים חשובים על עתידולוגיה המפרסמים ננוטכנולוגיה פופולרית. הראשון, שיצא ב-1986, נקרא Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. הוא חוזה, בין היתר, שטכנולוגיות עתידיות יוכלו לתמרן אטומים בודדים בצורה מבוקרת. ב-1992 הוא פרסם את ננוסיסטמס: חומרה מולקולרית, ייצור והרעיון החישובי, שבתורו חזה שננו-מכונות יכולות להתרבות את עצמן.

1989 דונלד מ. אייגלר מ-IBM שם את המילה "IBM" - עשויה מ-35 אטומי קסנון - על משטח ניקל.

1991 Sumio Iijima מ-NEC ב-Tsukuba, יפן, מגלה ננו-צינורות פחמן, מבנים גליליים חלולים. עד כה, ננו-צינורות הפחמן הידועים ביותר, שקירותיהם עשויים גרפן מגולגל. יש גם ננו-צינוריות ללא פחמן וננו-צינוריות DNA. צינורות הפחמן הדקים ביותר הם בקוטר של ננומטר אחד ויכולים להיות ארוכים פי מיליוני מונים. יש להם חוזק מתיחה יוצא דופן ותכונות חשמליות ייחודיות, והם מוליכים מעולים של חום. מאפיינים אלה הופכים אותם לחומרים מבטיחים ליישומים בננוטכנולוגיה, אלקטרוניקה, אופטיקה ומדעי החומרים.

1993 וורן רובינט מאוניברסיטת צפון קרולינה ור' סטנלי וויליאמס מ-UCLA בונים מערכת מציאות מדומה המקושרת למיקרוסקופ מנהור סורק המאפשר למשתמש לראות ואף לגעת באטומים.

1998 צוות Cees Dekker באוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה בהולנד בונה טרנזיסטור שמשתמש בננו-צינורות פחמן. נכון לעכשיו, מדענים מנסים להשתמש בתכונות הייחודיות של ננו-צינוריות פחמן כדי לייצר אלקטרוניקה טובה ומהירה יותר שצורכת פחות חשמל. זה הוגבל על ידי מספר גורמים, שחלקם התגברו בהדרגה, מה שהוביל ב-2016 חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון ליצור טרנזיסטור פחמן עם פרמטרים טובים יותר מאבות הטיפוס הטובים ביותר של סיליקון. מחקר של מייקל ארנולד ופדמה גופאלן הוביל לפיתוח של טרנזיסטור ננו-צינורות פחמן שיכול לשאת זרם כפול מהמתחרה שלו בסיליקון.

2003 סמסונג רושמת פטנט על טכנולוגיה מתקדמת המבוססת על פעולת יוני כסף מיקרוסקופיים להרוג חיידקים, עובש ויותר משש מאות סוגי חיידקים ומניעת התפשטותם. חלקיקי כסף הוכנסו למערכות הסינון החשובות ביותר בשואב האבק של החברה - כל המסננים ואוסף האבק או השקית.

2004 החברה המלכותית הבריטית והאקדמיה המלכותית להנדסה מפרסמות את הדו"ח "ננו-מדע וננוטכנולוגיה: הזדמנויות ואי-ודאות", הקוראת לחקור את הסיכונים הפוטנציאליים של ננוטכנולוגיה לבריאות, לסביבה ולחברה, תוך התחשבות בהיבטים אתיים ומשפטיים.

דגם ננו-מוטורי על גלגלי פולרן

2006 ג'יימס טור, יחד עם צוות מדענים מאוניברסיטת רייס, בונים "וואן" מיקרוסקופי ממולקולת אוליגו (פנילין-אטיניילן), שציריה עשויים מאטומי אלומיניום, והגלגלים עשויים מפולרנים C60. הננו-רכב נע על פני השטח, המורכב מאטומי זהב, בהשפעת עליית הטמפרטורה, עקב סיבובם של "גלגלי פולרן". מעל טמפרטורה של 300 מעלות צלזיוס, הוא האיץ כל כך עד שהכימאים כבר לא יכלו לעקוב אחריו...

2007 ננו-טכנולוגים של הטכניון מתאימים את כל "הברית הישנה" היהודית לשטח של 0,5 מ"מ בלבד² פרוסות סיליקון מצופה זהב. הטקסט נחרט על ידי הפניית זרם ממוקד של יוני גליום על הצלחת.

2009-2010 Nadrian Seaman ועמיתיו מאוניברסיטת ניו יורק יוצרים סדרה של ננו-mounts דמויי DNA שבהם ניתן לתכנת מבני DNA סינתטיים ל"לייצר" מבנים אחרים בעלי צורות ותכונות רצויות.

2013 מדעני IBM יוצרים סרט אנימציה שניתן לצפות בו רק לאחר הגדלה של פי 100 מיליון. הוא נקרא "הילד והאטום שלו" והוא מצויר עם נקודות דו-אטומיות בגודל של מיליארדית המטר, שהן מולקולות בודדות של פחמן חד-חמצני. הקריקטורה מתארת ​​ילד שמשחק תחילה בכדור ולאחר מכן קופץ על טרמפולינה. אחת המולקולות ממלאת גם תפקיד של כדור. כל הפעולה מתרחשת על משטח נחושת, וגודל כל מסגרת סרט אינו עולה על כמה עשרות ננומטרים.

2014 מדענים מאוניברסיטת ETH לטכנולוגיה בציריך הצליחו ליצור קרום נקבובי בעובי של פחות מננומטר אחד. עובי החומר המתקבל באמצעות מניפולציה ננוטכנולוגית הוא 100 XNUMX. קטן פי כמה מזה של שערה אנושית. לדברי חברי צוות המחברים, זהו החומר הנקבובי הדק ביותר שניתן להשיג והוא אפשרי בדרך כלל. הוא מורכב משתי שכבות של מבנה גרפן דו מימדי. הקרום חדיר, אך רק לחלקיקים קטנים, מאט או לוכד לחלוטין חלקיקים גדולים יותר.

2015 נוצרת משאבה מולקולרית, מכשיר ננומטרי המעביר אנרגיה ממולקולה אחת לאחרת, המחקה תהליכים טבעיים. הפריסה תוכננה על ידי חוקרים מהמכללה לאמנויות ומדעים של ויינברג נורת'ווסטרן. המנגנון מזכיר תהליכים ביולוגיים בחלבונים. צפוי שטכנולוגיות כאלה ימצאו יישום בעיקר בתחומי הביוטכנולוגיה והרפואה, למשל בשרירים מלאכותיים.

2016 על פי פרסום בכתב העת המדעי Nature Nanotechnology, חוקרים מהאוניברסיטה הטכנית ההולנדית דלפט פיתחו אמצעי אחסון פורצי דרך עם אטום בודד. השיטה החדשה אמורה לספק צפיפות אחסון גבוהה יותר מפי חמש מאות מכל טכנולוגיה הנמצאת בשימוש כיום. המחברים מציינים שניתן להשיג תוצאות טובות אף יותר באמצעות מודל תלת מימדי של מיקומם של חלקיקים בחלל.

סיווג ננו-טכנולוגיות וננו-חומרים

1. מבנים ננוטכנולוגיים כוללים:

• בארות קוונטיות, חוטים ונקודות, כלומר. מבנים שונים המשלבים את התכונה הבאה - הגבלה מרחבית של חלקיקים באזור מסוים באמצעות מחסומים פוטנציאליים;
• פלסטיק, שמבנהו נשלט ברמת מולקולות בודדות, שבזכותם ניתן, למשל, להשיג חומרים בעלי תכונות מכניות חסרות תקדים;
• סיבים מלאכותיים - חומרים בעלי מבנה מולקולרי מדויק מאוד, המובחנים גם בתכונות מכניות יוצאות דופן;
• ננו-צינורות, מבנים על-מולקולריים בצורת גלילים חלולים. עד כה, ננו-צינורות הפחמן הידועים ביותר, שקירותיהם עשויים גרפן מקופל (שכבות גרפיט מונוטומי). יש גם ננו-צינוריות שאינן פחמן (למשל, מטונגסטן גופרתי) ומ-DNA;
• חומרים כתושים בצורה של אבק, שגרגיריו הם, למשל, הצטברויות של אטומי מתכת. כסף () עם תכונות אנטיבקטריאליות חזקות נמצא בשימוש נרחב בצורה זו;
• חוטי ננו (לדוגמה, כסף או נחושת);
• יסודות שנוצרו באמצעות ליטוגרפיה אלקטרונית ושיטות ננוליטוגרפיה אחרות;
• פולרנים;
• גרפן וחומרים דו מימדיים אחרים (בורופן, גרפן, בורון ניטריד משושה, סיליקן, גרמן, מוליבדן גופרתי);
• חומרים מרוכבים מחוזקים בננו-חלקיקים.

משטח ננוליטוגרפי

2. הסיווג של ננו-טכנולוגיות בשיטתיות של המדעים, שפותח ב-2004 על ידי הארגון לשיתוף פעולה ופיתוח כלכלי (OECD):

• ננו-חומרים (ייצור ומאפיינים);
• ננו-תהליכים (יישומים בקנה מידה ננו-ביו-חומרים שייכים לביוטכנולוגיה תעשייתית).

3. ננו-חומרים הם כל החומרים שיש בהם מבנים קבועים ברמה המולקולרית, כלומר. לא יעלה על 100 ננומטר.

מגבלה זו עשויה להתייחס לגודל התחומים כיחידה הבסיסית של מבנה מיקרו, או לעובי השכבות המתקבלות או שהופקדו על המצע. בפועל, הגבול שמתחתיו מיוחס לננו-חומרים שונה עבור חומרים בעלי תכונות ביצועים שונות - הוא קשור בעיקר להופעת תכונות ספציפיות בעת חריגה. על ידי הפחתת גודלם של מבנים מסודרים של חומרים, ניתן לשפר באופן משמעותי את התכונות הפיזיקוכימיות, המכניות ואחרות שלהם.

ניתן לחלק ננו-חומרים לארבע הקבוצות הבאות:

• אפס מימד (ננו-חומרי נקודה) - למשל, נקודות קוונטיות, ננו-חלקיקי כסף;
• חד מימדי - למשל, ננו-חוטי מתכת או מוליכים למחצה, ננו-מודים, ננו-סיביים פולימריים;
• דו מימד – למשל שכבות ננומטריות מסוג חד-פאזי או רב-פאזי, גרפן וחומרים אחרים בעובי אטום אחד;
• תלת ממדי (או ננו-גבישי) - מורכבים מתחומים גבישיים והצטברויות של פאזות בגדלים בסדר גודל של ננומטרים או חומרים מרוכבים מחוזקים בננו-חלקיקים.