تاريخ الاختراعات - تقنية النانو

بالفعل حوالي 600 قبل الميلاد. كان الناس ينتجون هياكل نانوية ، أي خيوط سمنتيت من الفولاذ ، تسمى Wootz. حدث هذا في الهند ، ويمكن اعتبار ذلك بداية تاريخ تكنولوجيا النانو.

السادس- الخامس عشر с. تستخدم الأصباغ المستخدمة خلال هذه الفترة لطلاء النوافذ الزجاجية الملونة جزيئات كلوريد الذهب النانوية وكلوريدات المعادن الأخرى بالإضافة إلى أكاسيد المعادن.

القرنين التاسع والسابع عشر في العديد من الأماكن في أوروبا ، يتم إنتاج "بريق" ومواد أخرى لإضفاء لمعان على السيراميك والمنتجات الأخرى. كانت تحتوي على جزيئات نانوية من المعادن ، غالبًا الفضة أو النحاس.

الثالث عشر - الثامن عشر w. "فولاذ دمشق" الذي تم إنتاجه في هذه القرون ، والذي صنع منه الأسلحة البيضاء المشهورة عالمياً ، يحتوي على أنابيب نانوية كربونية وألياف نانوية سمنتيتية.

1857 اكتشف مايكل فاراداي الذهب الغرواني بلون الياقوت ، وهو سمة من سمات جزيئات الذهب النانوية.

1931 قام ماكس نول وإرنست روسكا ببناء مجهر إلكتروني في برلين ، وهو أول جهاز يرى بنية الجسيمات النانوية على المستوى الذري. كلما زادت طاقة الإلكترونات ، كلما كان طولها الموجي أقصر وزادت دقة المجهر. العينة في فراغ وغالبًا ما تكون مغطاة بغشاء معدني. يمر شعاع الإلكترون عبر الجسم الذي تم اختباره ويدخل إلى أجهزة الكشف. بناءً على الإشارات المقاسة ، تعيد الأجهزة الإلكترونية إنشاء صورة عينة الاختبار.

1936 إروين مولر ، الذي يعمل في مختبرات سيمنز ، يخترع مجهر الانبعاث الميداني ، وهو أبسط شكل من أشكال المجهر الإلكتروني المنبعث. يستخدم هذا المجهر مجالًا كهربائيًا قويًا لانبعاث المجال والتصوير.

1950 وضع فيكتور لا مير وروبرت دينيغار الأسس النظرية لتقنية الحصول على المواد الغروية أحادية التشتت. سمح ذلك بإنتاج أنواع خاصة من الورق والدهانات والأغشية الرقيقة على نطاق صناعي.

1956 صاغ آرثر فون هيبل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مصطلح "الهندسة الجزيئية".

1959 ريتشارد فاينمان يحاضر عن "هناك متسع كبير في الأسفل." بدءًا من تخيل ما يتطلبه الأمر لتناسب Encyclopædia Britannica المكونة من 24 مجلدًا على رأس الدبوس ، قدم مفهوم التصغير وإمكانية استخدام التقنيات التي يمكن أن تعمل على مستوى النانومتر. في هذه المناسبة ، أنشأ جائزتين (ما يسمى بجوائز Feynman) لإنجازات في هذا المجال - ألف دولار لكل منهما.

1960 خيبة أمل Feynman دفع الجائزة الأولى. لقد افترض أن الاختراق التكنولوجي سيكون مطلوبًا لتحقيق أهدافه ، لكنه في ذلك الوقت قلل من إمكانات الإلكترونيات الدقيقة. وكان الفائز هو المهندس ويليام ماكليلان البالغ من العمر 35 عامًا. ابتكر محركًا يزن 250 ميكروغرامًا بقوة 1 ميغاواط.

1968 قام ألفريد واي تشو وجون آرثر بتطوير طريقة التصلب. يسمح بتكوين طبقات أحادية الذرة السطحية باستخدام تقنية أشباه الموصلات - نمو طبقات بلورية مفردة جديدة على ركيزة بلورية موجودة ، مما يؤدي إلى تكرار بنية الركيزة البلورية الحالية. الاختلاف في epitaxy هو epitaxy من المركبات الجزيئية ، مما يجعل من الممكن ترسيب طبقات بلورية بسمك طبقة ذرية واحدة. تُستخدم هذه الطريقة في إنتاج النقاط الكمومية وما يسمى بالطبقات الرقيقة.

1974 إدخال مصطلح "تكنولوجيا النانو". تم استخدامه لأول مرة من قبل الباحث بجامعة طوكيو نوريو تانيجوتشي في مؤتمر علمي. لا يزال تعريف الفيزياء اليابانية قيد الاستخدام حتى يومنا هذا ويبدو كالتالي: "تقنية النانو هي إنتاج يستخدم تقنية تتيح تحقيق دقة عالية جدًا وأحجام صغيرة للغاية ، أي دقة ترتيب 1 نانومتر.

تصور قطرة الكم

السبعينيات والثمانينيات فترة التطور السريع لتكنولوجيا الطباعة الحجرية وإنتاج طبقات بالغة الرقة من البلورات. الطريقة الأولى ، MOCVD () ، هي طريقة لترسيب طبقات على سطح المواد باستخدام المركبات المعدنية العضوية الغازية. هذه إحدى طرق الفوق ، ومن هنا اسمها البديل - MOSFE (). الطريقة الثانية ، MBE ، تسمح بترسيب طبقات نانومترية رقيقة جدًا بتركيبة كيميائية محددة بدقة وتوزيع دقيق لملف تركيز الشوائب. هذا ممكن بسبب حقيقة أن مكونات الطبقة يتم توفيرها إلى الركيزة عن طريق حزم جزيئية منفصلة.

1981 أنشأ جيرد بينيج وهاينريش روهرر مجهر المسح النفقي. باستخدام قوى التفاعلات بين الذرية ، يسمح لك بالحصول على صورة للسطح بدقة بترتيب بحجم ذرة واحدة ، عن طريق تمرير الشفرة أعلى أو أسفل سطح العينة. في عام 1989 ، تم استخدام الجهاز لمعالجة الذرات الفردية. حصل Binnig و Rohrer على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1986.

1985 اكتشف لويس بروس من مختبرات بيل البلورات النانوية شبه الموصلة الغروية (النقاط الكمومية). يتم تعريفها على أنها مساحة صغيرة من الفضاء مقيدة بثلاثة أبعاد بواسطة حواجز محتملة عند دخول جسيم بطول موجة مماثل لحجم نقطة.

غلاف كتاب محركات الخلق: العصر القادم لتقنية النانو بقلم سي إيريك دريكسلر

1985 اكتشف روبرت فلويد كيرل جونيور وهارولد والتر كروتو وريتشارد إريت سمالي الفوليرين ، وهي جزيئات مكونة من عدد زوجي من ذرات الكربون (من 28 إلى حوالي 1500) التي تشكل جسمًا مجوفًا مغلقًا. تتشابه الخواص الكيميائية للفوليرين في كثير من النواحي مع خصائص الهيدروكربونات العطرية. الفوليرين C60 ، أو بوكمينستر فوليرين ، مثل الفوليرينات الأخرى ، هو شكل متآصل من الكربون.

1986-1992 ينشر C.Eric Drexler كتابين مهمين عن علم المستقبل يشيعان تكنولوجيا النانو. الأول ، الذي صدر في عام 1986 ، يسمى محركات الخلق: الحقبة القادمة لتقنية النانو. إنه يتوقع ، من بين أمور أخرى ، أن التقنيات المستقبلية ستكون قادرة على معالجة الذرات الفردية بطريقة مسيطر عليها. في عام 1992 ، نشر أنظمة النانو: الأجهزة الجزيئية ، والتصنيع ، والفكرة الحاسوبية ، والتي تنبأت بدورها بأن الماكينات النانوية يمكنها إعادة إنتاج نفسها.

1989 يضع دونالد إم إيجلر من شركة آي بي إم كلمة "آي بي إم" - المصنوعة من 35 ذرة زينون - على سطح النيكل.

1991 اكتشف Sumio Iijima من NEC في تسوكوبا باليابان الأنابيب النانوية الكربونية ، وهيكل أسطوانية مجوفة. حتى الآن ، أفضل الأنابيب النانوية الكربونية المعروفة ، والتي تصنع جدرانها من الجرافين الملفوف. هناك أيضًا أنابيب نانوية غير كربونية وأنابيب نانوية DNA. يبلغ قطر أنحف الأنابيب النانوية الكربونية نانومتر واحد ويمكن أن يكون أطول بملايين المرات. لديهم قوة شد ملحوظة وخصائص كهربائية فريدة ، وموصلات ممتازة للحرارة. هذه الخصائص تجعلها مواد واعدة للتطبيقات في تكنولوجيا النانو والإلكترونيات والبصريات وعلوم المواد.

1993 يقوم وارن روبينت من جامعة نورث كارولينا و آر. ستانلي ويليامز من جامعة كاليفورنيا بلوس أنجلوس ببناء نظام واقع افتراضي مرتبط بمجهر المسح النفقي الذي يسمح للمستخدم برؤية الذرات بل وحتى لمسها.

1998 يقوم فريق Cees Dekker بجامعة ديلفت للتكنولوجيا في هولندا ببناء ترانزستور يستخدم الأنابيب النانوية الكربونية. حاليًا ، يحاول العلماء استخدام الخصائص الفريدة للأنابيب النانوية الكربونية لإنتاج إلكترونيات أفضل وأسرع تستهلك قدرًا أقل من الكهرباء. كان هذا مقيدًا بعدد من العوامل ، تم التغلب على بعضها تدريجيًا ، والتي قادت في عام 2016 الباحثين في جامعة ويسكونسن ماديسون إلى إنشاء ترانزستور كربون بمعايير أفضل من أفضل نماذج السيليكون الأولية. أدى البحث الذي أجراه مايكل أرنولد وبادما جوبالان إلى تطوير ترانزستور أنبوب نانوي كربوني يمكنه حمل ضعف التيار من منافسه من السيليكون.

2003 حصلت سامسونج على براءة اختراع لتقنية متطورة تعتمد على عمل أيونات الفضة المجهرية التي تقضي على الجراثيم والعفن وأكثر من ستمائة نوع من البكتيريا وتمنع انتشارها. تم إدخال جزيئات الفضة في أهم أنظمة الترشيح الخاصة بالشركة - جميع المرشحات ومجمع الغبار أو الأكياس.

2004 تنشر الجمعية الملكية البريطانية والأكاديمية الملكية للهندسة تقرير "علم النانو وتكنولوجيا النانو: الفرص وعدم اليقين" ، داعين إلى البحث في المخاطر المحتملة لتكنولوجيا النانو على الصحة والبيئة والمجتمع ، مع مراعاة الجوانب الأخلاقية والقانونية.

نموذج محرك نانوي على عجلات الفوليرين

2006 يقوم جيمس تور ، مع فريق من العلماء من جامعة رايس ، ببناء "شاحنة" مجهرية من جزيء أوليغو (فينيلين إيثينيلين) ، محاور مصنوعة من ذرات الألومنيوم ، والعجلات مصنوعة من C60 الفوليرين. تحركت المركبة النانوية فوق السطح ، وتتكون من ذرات الذهب ، تحت تأثير زيادة درجة الحرارة ، بسبب دوران "عجلات" الفوليرين. فوق درجة حرارة 300 درجة مئوية ، تسارعت كثيرًا لدرجة أن الكيميائيين لم يعد بإمكانهم تتبعها ...

2007 يلائم خبراء تقنية النانو في التخنيون "العهد القديم" اليهودي بأكمله في مساحة 0,5 مم فقط² رقاقة سيليكون مطلية بالذهب. تم نقش النص عن طريق توجيه تيار مركّز من أيونات الغاليوم على اللوحة.

2009-2010 يقوم نادريان سيمان وزملاؤه في جامعة نيويورك بإنشاء سلسلة من الأعداد النانوية الشبيهة بالحمض النووي والتي يمكن فيها برمجة هياكل الحمض النووي الاصطناعية "لإنتاج" بنى أخرى ذات الأشكال والخصائص المرغوبة.

2013 يقوم علماء IBM بإنشاء فيلم رسوم متحركة لا يمكن مشاهدته إلا بعد تكبيره 100 مليون مرة. يطلق عليه "الصبي وذرته" ويتم رسمه بنقاط ثنائية الذرة بحجم واحد على مليار من المتر ، وهي جزيئات مفردة من أول أكسيد الكربون. يصور الكارتون صبيًا يلعب بالكرة أولاً ثم يقفز على الترامبولين. يلعب أحد الجزيئات أيضًا دور الكرة. تتم جميع الإجراءات على سطح نحاسي ، ولا يتجاوز حجم كل إطار فيلم عدة عشرات من النانومترات.

2014 نجح علماء من جامعة ETH للتكنولوجيا في زيورخ في إنشاء غشاء مسامي بسمك أقل من نانومتر واحد. سمك المادة التي تم الحصول عليها من خلال التلاعب في تكنولوجيا النانو هو 100 XNUMX. مرات أصغر من شعرة الإنسان. وفقًا لأعضاء فريق المؤلفين ، هذه هي أنحف مادة مسامية يمكن الحصول عليها وهي ممكنة بشكل عام. يتكون من طبقتين من بنية الجرافين ثنائية الأبعاد. الغشاء قابل للاختراق ، ولكن فقط للجزيئات الصغيرة ، مما يؤدي إلى إبطاء أو حبس الجسيمات الكبيرة تمامًا.

2015 يتم إنشاء مضخة جزيئية ، جهاز نانوي الحجم ينقل الطاقة من جزيء إلى آخر ، محاكياً العمليات الطبيعية. تم تصميم التصميم من قبل باحثين في كلية وينبيرج نورث وسترن للفنون والعلوم. تذكرنا الآلية بالعمليات البيولوجية في البروتينات. من المتوقع أن تجد مثل هذه التقنيات تطبيقًا بشكل أساسي في مجالات التكنولوجيا الحيوية والطب ، على سبيل المثال ، في العضلات الاصطناعية.

2016 وفقًا لمنشور في المجلة العلمية Nature Nanotechnology ، طور باحثون في جامعة Delft التقنية الهولندية وسائط تخزين ذرة واحدة رائدة. يجب أن توفر الطريقة الجديدة كثافة تخزين أعلى بخمسمائة مرة من أي تقنية مستخدمة حاليًا. لاحظ المؤلفون أنه يمكن تحقيق نتائج أفضل باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد لموقع الجسيمات في الفضاء.

تصنيف التكنولوجيات النانوية والمواد النانوية

1. تشمل الهياكل التكنولوجية النانوية:

• الآبار والأسلاك والنقاط الكمومية ، أي الهياكل المختلفة التي تجمع بين الميزة التالية - الحد المكاني للجسيمات في منطقة معينة من خلال الحواجز المحتملة ؛
• اللدائن ، التي يتم التحكم في هيكلها على مستوى الجزيئات الفردية ، والتي بفضلها يمكن ، على سبيل المثال ، الحصول على مواد ذات خصائص ميكانيكية غير مسبوقة ؛
• ألياف اصطناعية - مواد ذات بنية جزيئية دقيقة للغاية ، تتميز أيضًا بخصائص ميكانيكية غير عادية ؛
• الأنابيب النانوية ، الهياكل فوق الجزيئية في شكل اسطوانات مجوفة. حتى الآن ، أفضل الأنابيب النانوية الكربونية المعروفة ، والتي تتكون جدرانها من الجرافين المطوي (طبقات الجرافيت أحادية الذرة). هناك أيضًا أنابيب نانوية غير كربونية (على سبيل المثال ، من كبريتيد التنجستن) ومن الحمض النووي ؛
• يتم تكسير المواد على شكل غبار ، وتكون حبيباته ، على سبيل المثال ، تراكمات من ذرات المعادن. الفضة () ذات الخصائص القوية المضادة للبكتيريا تستخدم على نطاق واسع في هذا الشكل ؛
• الأسلاك النانوية (على سبيل المثال ، الفضة أو النحاس) ؛
• العناصر المكونة باستخدام الطباعة الحجرية الإلكترونية وطرق الطباعة النانوية الأخرى ؛
• الفوليرين.
• الجرافين والمواد ثنائية الأبعاد الأخرى (البوروفين ، الجرافين ، نيتريد البورون السداسي ، السيليسين ، الجيرمانين ، كبريتيد الموليبدينوم) ؛
• المواد المركبة المقواة بالجسيمات النانوية.

سطح نانوليثوغرافي

2. تصنيف التكنولوجيات النانوية في منهجيات العلوم ، الذي تم تطويره في عام 2004 من قبل منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية (OECD):

• المواد النانوية (الإنتاج والخصائص) ؛
• العمليات النانوية (تطبيقات النانو - المواد الحيوية تنتمي إلى التكنولوجيا الحيوية الصناعية).

3. المواد النانوية هي جميع المواد التي توجد فيها هياكل منتظمة على المستوى الجزيئي ، أي لا تتجاوز 100 نانومتر.

قد يشير هذا الحد إلى حجم المجالات كوحدة أساسية للبنية المجهرية ، أو إلى سمك الطبقات التي تم الحصول عليها أو ترسبها على الركيزة. من الناحية العملية ، يختلف الحد أدناه المنسوب إلى المواد النانوية بالنسبة للمواد ذات خصائص الأداء المختلفة - فهو يرتبط بشكل أساسي بظهور خصائص معينة عند تجاوزه. من خلال تقليل حجم الهياكل المرتبة للمواد ، من الممكن تحسين خصائصها الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية وغيرها بشكل كبير.

يمكن تقسيم المواد النانوية إلى المجموعات الأربع التالية:

• صفر الأبعاد (المواد النانوية النقطية) - على سبيل المثال ، النقاط الكمومية ، وجسيمات الفضة النانوية ؛
• أحادي البعد - على سبيل المثال ، الأسلاك النانوية المعدنية أو أشباه الموصلات ، النانو ، الألياف النانوية البوليمرية ؛
• ثنائي الأبعاد - على سبيل المثال ، طبقات نانومترية من نوع أحادي الطور أو متعدد الطور ، والجرافين ومواد أخرى بسمك ذرة واحدة ؛
• ثلاثي الأبعاد (أو nanocrystalline) - تتكون من مجالات بلورية وتراكمات مراحل بأحجام بترتيب النانومتر أو مركبات مقواة بالجسيمات النانوية.