გამოგონებების ისტორია - ნანოტექნოლოგია

უკვე დაახლოებით 600 წ. ხალხი აწარმოებდა ნანოტიპის სტრუქტურებს, ანუ ცემენტიტის ძაფებს ფოლადში, სახელად Wootz. ეს მოხდა ინდოეთში და ეს შეიძლება ჩაითვალოს ნანოტექნოლოგიის ისტორიის დასაწყისად.

VI-XV სს. ვიტრაჟების შეღებვისთვის ამ პერიოდში გამოყენებული საღებავები იყენებენ ოქროს ქლორიდის ნანონაწილაკებს, სხვა ლითონების ქლორიდებს, აგრეთვე ლითონის ოქსიდებს.

IX-XVII სს ევროპის ბევრგან „ბრჭყვიალა“ და სხვა ნივთიერებები იწარმოება, რათა ბზინვარება მისცეს კერამიკასა და სხვა პროდუქტებს. ისინი შეიცავდნენ ლითონის ნანონაწილაკებს, ყველაზე ხშირად ვერცხლს ან სპილენძს.

XIII-xviii w. ამ საუკუნეებში წარმოებული "დამასკოს ფოლადი", რომლისგანაც მზადდებოდა მსოფლიოში ცნობილი თეთრი იარაღი, შეიცავს ნახშირბადის ნანომილებს და ცემენტიტის ნანობოჭკოებს.

1857 მაიკლ ფარადეიმ აღმოაჩინა ლალისფერი კოლოიდური ოქრო, რომელიც დამახასიათებელია ოქროს ნანონაწილაკებისთვის.

1931 მაქს ნოლმა და ერნსტ რუსკამ ბერლინში ააშენეს ელექტრონული მიკროსკოპი, პირველი მოწყობილობა, რომელიც ხედავს ნანონაწილაკების სტრუქტურას ატომურ დონეზე. რაც უფრო დიდია ელექტრონების ენერგია, მით უფრო მოკლეა მათი ტალღის სიგრძე და მით უფრო დიდია მიკროსკოპის გარჩევადობა. ნიმუში არის ვაკუუმში და ყველაზე ხშირად დაფარულია ლითონის ფილმით. ელექტრონული სხივი გადის შემოწმებულ ობიექტში და შედის დეტექტორებში. გაზომილი სიგნალების საფუძველზე ელექტრონული მოწყობილობები ხელახლა ქმნიან ტესტის ნიმუშის სურათს.

1936 ერვინ მიულერი, რომელიც მუშაობს Siemens Laboratories-ში, გამოიგონებს საველე ემისიის მიკროსკოპს, ემისიის ელექტრონული მიკროსკოპის უმარტივეს ფორმას. ეს მიკროსკოპი იყენებს ძლიერ ელექტრულ ველს საველე გამოსხივებისა და გამოსახულების მისაღებად.

1950 ვიქტორ ლამერი და რობერტ დინეგარი ქმნიან მონოდისპერსიული კოლოიდური მასალების მიღების ტექნიკის თეორიულ საფუძვლებს. ამან საშუალება მისცა წარმოებულიყო სპეციალური ტიპის ქაღალდი, საღებავები და თხელი ფილმები სამრეწველო მასშტაბით.

1956 მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის (MIT) წარმომადგენელმა არტურ ფონ ჰიპელმა გამოიგონა ტერმინი „მოლეკულური ინჟინერია“.

1959 რიჩარდ ფეინმანი კითხულობს ლექციებს თემაზე: „ქვემოთ უამრავი ადგილია“. დაიწყო იმის წარმოდგენა, თუ რა დასჭირდებოდა 24-ტომიანი ენციკლოპედია ბრიტანიკას ქინძისთავის თავზე დასაყენებლად, მან შემოიტანა მინიატურიზაციის კონცეფცია და ტექნოლოგიების გამოყენების შესაძლებლობა, რომლებიც შეიძლება მუშაობდნენ ნანომეტრულ დონეზე. ამ შემთხვევაში მან დააწესა ორი ჯილდო (ე.წ. ფეინმანის პრიზი) ამ სფეროში მიღწევებისთვის - თითო ათასი დოლარი.

1960 პირველი პრიზის გადახდამ იმედგაცრუება გამოიწვია ფეინმანმა. მან ივარაუდა, რომ მიზნების მისაღწევად საჭირო იქნებოდა ტექნოლოგიური გარღვევა, მაგრამ იმ დროს მან სათანადოდ ვერ შეაფასა მიკროელექტრონიკის პოტენციალი. გამარჯვებული იყო 35 წლის ინჟინერი უილიამ ჰ. მაკლელანი. მან შექმნა ძრავა, რომლის წონაა 250 მიკროგრამი, სიმძლავრე 1 მვტ.

1968 ალფრედ ი. ჩო და ჯონ არტური ავითარებენ ეპიტაქსიის მეთოდს. იგი იძლევა ზედაპირული მონოატომური ფენების ფორმირებას ნახევარგამტარული ტექნოლოგიის გამოყენებით - ახალი ერთკრისტალური ფენების ზრდა არსებულ კრისტალურ სუბსტრატზე, არსებული კრისტალური სუბსტრატის სუბსტრატის სტრუქტურის დუბლირება. ეპიტაქსიის ვარიაცია არის მოლეკულური ნაერთების ეპიტაქსია, რაც შესაძლებელს ხდის კრისტალური ფენების დეპონირებას ერთი ატომური ფენის სისქით. ეს მეთოდი გამოიყენება კვანტური წერტილების და ე.წ თხელი ფენების წარმოებაში.

1974 ტერმინის „ნანოტექნოლოგიის“ შემოღება. ის პირველად გამოიყენა ტოკიოს უნივერსიტეტის მკვლევარმა ნორიო ტანიგუჩიმ სამეცნიერო კონფერენციაზე. იაპონური ფიზიკის განმარტება დღემდე გამოიყენება და ასე ჟღერს: „ნანოტექნოლოგია არის წარმოება ტექნოლოგიის გამოყენებით, რომელიც საშუალებას იძლევა მივაღწიოთ ძალიან მაღალი სიზუსტისა და უკიდურესად მცირე ზომის, ე.ი. 1 ნმ რიგის სიზუსტე.

კვანტური ვარდნის ვიზუალიზაცია

80-იანი და 90-იანი წლები ლითოგრაფიული ტექნოლოგიის სწრაფი განვითარებისა და კრისტალების ულტრა თხელი ფენების წარმოების პერიოდი. პირველი, MOCVD(), არის მეთოდი მასალის ზედაპირზე ფენების დეპონირების მეთოდი აირისორგანომეტალური ნაერთების გამოყენებით. ეს არის ერთ-ერთი ეპიტაქსიალური მეთოდი, აქედან გამომდინარეობს მისი ალტერნატიული სახელი - MOSFE (). მეორე მეთოდი, MBE, შესაძლებელს ხდის ძალიან თხელი ნანომეტრიანი ფენების დეპონირებას ზუსტად განსაზღვრული ქიმიური შემადგენლობით და მინარევების კონცენტრაციის პროფილის ზუსტი განაწილებით. ეს შესაძლებელია იმის გამო, რომ ფენის კომპონენტები მიეწოდება სუბსტრატს ცალკეული მოლეკულური სხივებით.

1981 გერდ ბინიგი და ჰაინრიხ რორერი ქმნიან სკანირების გვირაბის მიკროსკოპს. ატომთაშორისი ურთიერთქმედების ძალების გამოყენებით, ის საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ზედაპირის გამოსახულება ერთი ატომის ზომის რიგის რეზოლუციით, ნიმუშის ზედაპირის ზემოთ ან ქვემოთ დანის გავლის გზით. 1989 წელს მოწყობილობა გამოიყენეს ცალკეული ატომების მანიპულირებისთვის. ბინიგს და რორერს 1986 წელს მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიკაში.

1985 ლუის ბრუსი Bell Labs-იდან აღმოაჩენს კოლოიდური ნახევარგამტარული ნანოკრისტალები (კვანტური წერტილები). ისინი განისაზღვრება, როგორც სივრცის მცირე ფართობი, რომელიც შემოიფარგლება სამ განზომილებაში პოტენციური ბარიერებით, როდესაც ნაწილაკი ტალღის სიგრძით შედარებულია წერტილის ზომასთან.

C. Eric Drexler-ის წიგნის „შემოქმედების ძრავები: ნანოტექნოლოგიის მომავალი ერა“ ყდა

1985 რობერტ ფლოიდ კურლი, უმცროსი, ჰაროლდ უოლტერ კროტო და რიჩარდ ერეტ სმელი აღმოაჩენენ ფულერენებს, მოლეკულებს, რომლებიც შედგება ნახშირბადის ატომების ლუწი რაოდენობისგან (28-დან დაახლოებით 1500-მდე), რომლებიც ქმნიან დახურულ ღრუ სხეულს. ფულერენების ქიმიური თვისებები მრავალი თვალსაზრისით მსგავსია არომატული ნახშირწყალბადების. Fullerene C60, ან buckminsterfullerene, ისევე როგორც სხვა ფულერენი, არის ნახშირბადის ალოტროპული ფორმა.

1986-1992 C. Eric Drexler აქვეყნებს ორ მნიშვნელოვან წიგნს ფუტუროლოგიაზე, რომლებიც პოპულარიზაციას უწევენ ნანოტექნოლოგიას. პირველს, რომელიც გამოვიდა 1986 წელს, სახელწოდებით Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. ის პროგნოზირებს, სხვა საკითხებთან ერთად, რომ მომავალ ტექნოლოგიებს შეეძლებათ ცალკეული ატომების კონტროლირებადი მანიპულირება. 1992 წელს მან გამოაქვეყნა Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, რომელიც თავის მხრივ იწინასწარმეტყველა, რომ ნანომანქანებს შეეძლოთ საკუთარი თავის რეპროდუცირება.

1989 დონალდ მ. აიგლერი IBM-დან ათავსებს სიტყვას "IBM" - დამზადებულია 35 ქსენონის ატომისგან - ნიკელის ზედაპირზე.

1991 სუმიო იჯიმა NEC-დან ცუკუბაში, იაპონია, აღმოაჩენს ნახშირბადის ნანომილებს, ღრუ ცილინდრულ სტრუქტურებს. დღეისათვის ყველაზე ცნობილი ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა კედლები დამზადებულია ნაგლინი გრაფენისგან. ასევე არსებობს არანახშირბადის ნანომილები და დნმ-ის ნანომილები. ყველაზე წვრილი ნახშირბადის ნანომილები არის ერთი ნანომეტრის დიამეტრის რიგის და შეიძლება იყოს მილიონჯერ გრძელი. მათ აქვთ შესანიშნავი დაჭიმვის ძალა და უნიკალური ელექტრული თვისებები და არიან სითბოს შესანიშნავი გამტარები. ეს თვისებები მათ პერსპექტიულ მასალას ხდის ნანოტექნოლოგიაში, ელექტრონიკაში, ოპტიკასა და მასალების მეცნიერებაში გამოსაყენებლად.

1993 უორენ რობინეტი ჩრდილოეთ კაროლინას უნივერსიტეტიდან და რ. სტენლი უილიამსი UCLA-დან აშენებენ ვირტუალური რეალობის სისტემას, რომელიც დაკავშირებულია სკანირების გვირაბის მიკროსკოპთან, რომელიც მომხმარებელს საშუალებას აძლევს დაინახოს და შეეხოს ატომებსაც კი.

1998 ნიდერლანდების დელფტის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის Cees Dekker-ის გუნდი აშენებს ტრანზისტორს, რომელიც იყენებს ნახშირბადის ნანომილებს. ამჟამად მეცნიერები ცდილობენ გამოიყენონ ნახშირბადის ნანომილების უნიკალური თვისებები უკეთესი და სწრაფი ელექტრონიკის წარმოებისთვის, რომელიც ნაკლებ ელექტროენერგიას მოიხმარს. ეს შემოიფარგლებოდა რიგი ფაქტორებით, რომელთაგან ზოგიერთი თანდათან გადაილახა, რამაც 2016 წელს ვისკონსინ-მედისონის უნივერსიტეტის მკვლევარები აიძულა შეექმნათ ნახშირბადის ტრანზისტორი უკეთესი პარამეტრებით, ვიდრე საუკეთესო სილიკონის პროტოტიპები. მაიკლ არნოლდისა და პადმა გოპალანის მიერ ჩატარებულმა კვლევებმა განაპირობა ნახშირბადის ნანომილის ტრანზისტორის შექმნა, რომელსაც შეუძლია სილიკონის კონკურენტზე ორჯერ მეტი დენი გადაიტანოს.

2003 სამსუნგი აპატენტებს მოწინავე ტექნოლოგიას, რომელიც დაფუძნებულია მიკროსკოპული ვერცხლის იონების მოქმედებაზე მიკრობების, ობის და ექვსასზე მეტი ტიპის ბაქტერიების მოსაკლავად და მათი გავრცელების თავიდან ასაცილებლად. ვერცხლის ნაწილაკები შეტანილია კომპანიის მტვერსასრუტის ყველაზე მნიშვნელოვან ფილტრაციის სისტემებში - ყველა ფილტრი და მტვრის შემგროვებელი ან ჩანთა.

2004 ბრიტანეთის სამეფო საზოგადოება და სამეფო ინჟინერიის აკადემია აქვეყნებენ მოხსენებას "ნანომეცნიერება და ნანოტექნოლოგია: შესაძლებლობები და გაურკვევლობები", რომელიც მოითხოვს კვლევის ჩატარებას ნანოტექნოლოგიის პოტენციური რისკების შესახებ ჯანმრთელობისთვის, გარემოსთვის და საზოგადოებისთვის, ეთიკური და სამართლებრივი ასპექტების გათვალისწინებით.

ნანოძრავის მოდელი ფულერენის ბორბლებზე

2006 ჯეიმს ტური, რაისის უნივერსიტეტის მეცნიერთა ჯგუფთან ერთად, ოლიგო (ფენილენეთინილენის) მოლეკულისგან მიკროსკოპულ „ფურგს“ აშენებს, რომლის ღერძები დამზადებულია ალუმინის ატომებისგან, ბორბლები კი C60 ფულერენებისგან. ნანომანქანა ოქროს ატომებისგან შემდგარ ზედაპირზე მოძრაობდა ტემპერატურის ზრდის გავლენის ქვეშ, ფულერენის „ბორბლების“ ბრუნვის გამო. 300 ° C ტემპერატურაზე მაღლა, ის იმდენად აჩქარდა, რომ ქიმიკოსებმა ვეღარ აკონტროლეს ...

2007 ტექნიონის ნანოტექნოლოგები ათავსებენ მთელ ებრაულ „ძველ აღთქმას“ სულ რაღაც 0,5 მმ ფართობზე.² მოოქროვილი სილიკონის ვაფლი. ტექსტი ამოტვიფრული იყო გალიუმის იონების ფოკუსირებული ნაკადის ფირფიტაზე გადატანით.

2009-2010 ნადრიან სიმანი და მისი კოლეგები ნიუ-იორკის უნივერსიტეტიდან ქმნიან დნმ-ის მსგავსი ნანოსამაგრების სერიას, რომლებშიც სინთეზური დნმ-ის სტრუქტურების დაპროგრამება შესაძლებელია სასურველი ფორმისა და თვისებების მქონე სხვა სტრუქტურების „წარმოებისთვის“.

2013 IBM-ის მეცნიერები ქმნიან ანიმაციურ ფილმს, რომლის ნახვა მხოლოდ 100 მილიონჯერ გადიდების შემდეგ შეიძლება. მას ჰქვია "ბიჭი და მისი ატომი" და დახატულია მეტრის მემილიარდედი მეტრის დიატომური წერტილებით, რომლებიც ნახშირბადის მონოქსიდის ცალკეული მოლეკულებია. მულტფილმში გამოსახულია ბიჭი, რომელიც ჯერ ბურთით თამაშობს, შემდეგ კი ბატუტზე ხტება. ერთ-ერთი მოლეკულა ასევე თამაშობს ბურთის როლს. ყველა მოქმედება ხდება სპილენძის ზედაპირზე და თითოეული ფილმის ჩარჩოს ზომა არ აღემატება რამდენიმე ათეულ ნანომეტრს.

2014 ციურიხის ETH ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის მეცნიერებმა მოახერხეს შექმნან ფოროვანი მემბრანა ერთ ნანომეტრზე ნაკლები სისქით. ნანოტექნოლოგიური მანიპულაციის შედეგად მიღებული მასალის სისქე არის 100 XNUMX. ჯერ უფრო მცირეა ვიდრე ადამიანის თმა. ავტორთა ჯგუფის წევრების თქმით, ეს არის ყველაზე თხელი ფოროვანი მასალა, რომლის მიღებაც შესაძლებელია და ზოგადად შესაძლებელია. იგი შედგება ორგანზომილებიანი გრაფენის სტრუქტურის ორი ფენისგან. მემბრანა გამტარია, მაგრამ მხოლოდ მცირე ნაწილაკებისთვის, ანელებს ან მთლიანად იჭერს უფრო დიდ ნაწილაკებს.

2015 იქმნება მოლეკულური ტუმბო, ნანომასშტაბიანი მოწყობილობა, რომელიც გადასცემს ენერგიას ერთი მოლეკულიდან მეორეზე, ბუნებრივი პროცესების მიბაძვით. განლაგება შეიმუშავეს ვეინბერგის ჩრდილო-დასავლეთის ხელოვნებისა და მეცნიერების კოლეჯის მკვლევარებმა. მექანიზმი მოგვაგონებს ცილების ბიოლოგიურ პროცესებს. მოსალოდნელია, რომ ასეთი ტექნოლოგიები იპოვის გამოყენებას ძირითადად ბიოტექნოლოგიისა და მედიცინის სფეროებში, მაგალითად, ხელოვნურ კუნთებში.

2016 სამეცნიერო ჟურნალში Nature Nanotechnology-ში გამოქვეყნებული პუბლიკაციის მიხედვით, ჰოლანდიის ტექნიკური უნივერსიტეტის დელფტის მკვლევარებმა შეიმუშავეს ინოვაციური ერთატომიანი შესანახი მედია. ახალმა მეთოდმა უნდა უზრუნველყოს ხუთასჯერ მეტი შენახვის სიმკვრივე, ვიდრე ნებისმიერი ამჟამად გამოყენებული ტექნოლოგია. ავტორები აღნიშნავენ, რომ კიდევ უკეთესი შედეგების მიღწევა შესაძლებელია სივრცეში ნაწილაკების მდებარეობის სამგანზომილებიანი მოდელის გამოყენებით.

ნანოტექნოლოგიებისა და ნანომასალების კლასიფიკაცია

1. ნანოტექნოლოგიური სტრუქტურები მოიცავს:

• კვანტური ჭები, მავთულები და წერტილები, ე.ი. სხვადასხვა სტრუქტურები, რომლებიც აერთიანებს შემდეგ მახასიათებელს - ნაწილაკების სივრცითი შეზღუდვა გარკვეულ ტერიტორიაზე პოტენციური ბარიერების მეშვეობით;
• პლასტმასი, რომლის სტრუქტურა კონტროლდება ცალკეული მოლეკულების დონეზე, რომლის წყალობითაც შესაძლებელია, მაგალითად, არნახული მექანიკური თვისებების მქონე მასალების მიღება;
• ხელოვნური ბოჭკოები - მასალები ძალიან ზუსტი მოლეკულური სტრუქტურით, ასევე გამოირჩევა უჩვეულო მექანიკური თვისებებით;
• ნანომილები, სუპრამოლეკულური სტრუქტურები ღრუ ცილინდრების სახით. დღეისათვის ყველაზე ცნობილი ნახშირბადის ნანომილები, რომელთა კედლები დამზადებულია დაკეცილი გრაფენისგან (მონატომური გრაფიტის ფენები). ასევე არსებობს არანახშირბადოვანი ნანომილები (მაგალითად, ვოლფრამის სულფიდიდან) და დნმ-დან;
• მტვრის სახით დამსხვრეული მასალები, რომელთა მარცვლები, მაგალითად, ლითონის ატომების დაგროვებაა. ამ ფორმით ფართოდ გამოიყენება ვერცხლი () ძლიერი ანტიბაქტერიული თვისებებით;
• ნანომავთულები (მაგალითად, ვერცხლი ან სპილენძი);
• ელექტრონული ლითოგრაფიის და სხვა ნანოლითოგრაფიული მეთოდების გამოყენებით წარმოქმნილი ელემენტები;
• ფულერენი;
• გრაფენი და სხვა ორგანზომილებიანი მასალები (ბოროფენი, გრაფენი, ექვსკუთხა ბორის ნიტრიდი, სილიცინი, გერმანინი, მოლიბდენის სულფიდი);
• ნანონაწილაკებით გამაგრებული კომპოზიციური მასალები.

ნანოლითოგრაფიული ზედაპირი

2. ნანოტექნოლოგიების კლასიფიკაცია მეცნიერებათა სისტემატიკაში, შემუშავებული 2004 წელს ეკონომიკური თანამშრომლობისა და განვითარების ორგანიზაციის (OECD) მიერ:

• ნანომასალები (წარმოება და თვისებები);
• ნანოპროცესები (ნანომასშტაბიანი აპლიკაციები - ბიომასალები მიეკუთვნება სამრეწველო ბიოტექნოლოგიას).

3. ნანომასალა არის ყველა მასალა, რომელშიც არის რეგულარული სტრუქტურები მოლეკულურ დონეზე, ე.ი. არაუმეტეს 100 ნანომეტრი.

ეს ზღვარი შეიძლება ეხებოდეს დომენების ზომას, როგორც მიკროსტრუქტურის ძირითად ერთეულს, ან სუბსტრატზე მიღებული ან დეპონირებული ფენების სისქეს. პრაქტიკაში, ლიმიტი, რომლის ქვემოთ მიეკუთვნება ნანომასალებს, განსხვავებულია სხვადასხვა ეფექტურობის თვისებების მქონე მასალებისთვის - ეს ძირითადად დაკავშირებულია კონკრეტული თვისებების გაჩენასთან, როდესაც გადაჭარბებულია. მასალების შეკვეთილი სტრუქტურების ზომის შემცირებით შესაძლებელია მათი ფიზიკოქიმიური, მექანიკური და სხვა თვისებების საგრძნობლად გაუმჯობესება.

ნანომასალები შეიძლება დაიყოს შემდეგ ოთხ ჯგუფად:

• ნულოვანი განზომილებიანი (წერტილი ნანომასალები) - მაგალითად, კვანტური წერტილები, ვერცხლის ნანონაწილაკები;
• ერთგანზომილებიანი – მაგალითად, ლითონის ან ნახევარგამტარული ნანომავთულები, ნანოროლები, პოლიმერული ნანობოჭკოები;
• ორ განზომილებიანი – მაგალითად, ერთფაზიანი ან მრავალფაზიანი ტიპის ნანომეტრიანი ფენები, გრაფენი და სხვა მასალები ერთი ატომის სისქით;
• სამგანზომილებიანი (ან ნანოკრისტალური) - შედგება კრისტალური დომენებისგან და ფაზების დაგროვებისაგან ნანომეტრების რიგის ზომით ან ნანონაწილაკებით გამაგრებული კომპოზიტებით.