Sejarah Penemuan - Nanoteknologi

Sudah sekitar 600 SM. orang memproduksi struktur nanotipe, yaitu untaian sementit dalam baja, yang disebut Wootz. Ini terjadi di India, dan ini bisa dianggap sebagai awal dari sejarah nanoteknologi.

VI-XV s. Pewarna yang digunakan selama periode ini untuk mengecat jendela kaca patri menggunakan nanopartikel klorida emas, klorida dari logam lain, serta oksida logam.

IX-XVII v. Di banyak tempat di Eropa, "glitter" dan zat lain diproduksi untuk memberi kilau pada keramik dan produk lainnya. Mereka mengandung nanopartikel logam, paling sering perak atau tembaga.

XIII-xviii w. "Baja Damaskus" yang diproduksi pada abad-abad ini, dari mana senjata putih terkenal di dunia dibuat, mengandung tabung nano karbon dan serat nano sementit.

1857 Michael Faraday menemukan emas koloid berwarna ruby, karakteristik nanopartikel emas.

1931 Max Knoll dan Ernst Ruska membangun mikroskop elektron di Berlin, perangkat pertama yang melihat struktur nanopartikel pada tingkat atom. Semakin besar energi elektron, semakin pendek panjang gelombangnya dan semakin besar resolusi mikroskop. Sampel berada dalam ruang hampa dan paling sering ditutup dengan film logam. Berkas elektron melewati objek yang diuji dan memasuki detektor. Berdasarkan sinyal yang diukur, perangkat elektronik menciptakan kembali gambar sampel uji.

1936 Erwin Müller, bekerja di Siemens Laboratories, menemukan mikroskop emisi medan, bentuk paling sederhana dari mikroskop elektron emisi. Mikroskop ini menggunakan medan listrik yang kuat untuk emisi medan dan pencitraan.

1950 Victor La Mer dan Robert Dinegar menciptakan landasan teoretis untuk teknik memperoleh bahan koloid monodispersi. Ini memungkinkan produksi jenis kertas, cat, dan film tipis khusus dalam skala industri.

1956 Arthur von Hippel dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) menciptakan istilah "rekayasa molekuler".

1959 Richard Feynman memberi kuliah tentang "Ada banyak ruang di bagian bawah." Dimulai dengan membayangkan apa yang diperlukan untuk memuat Encyclopædia Britannica 24 volume pada kepala peniti, ia memperkenalkan konsep miniaturisasi dan kemungkinan menggunakan teknologi yang dapat bekerja pada tingkat nanometer. Pada kesempatan ini, ia menetapkan dua penghargaan (yang disebut Hadiah Feynman) untuk pencapaian di bidang ini - masing-masing seribu dolar.

1960 Pembayaran hadiah pertama mengecewakan Feynman. Dia berasumsi bahwa terobosan teknologi akan diperlukan untuk mencapai tujuannya, tetapi pada saat itu dia meremehkan potensi mikroelektronika. Pemenangnya adalah insinyur berusia 35 tahun William H. McLellan. Dia menciptakan motor seberat 250 mikrogram, dengan kekuatan 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho dan John Arthur mengembangkan metode epitaksi. Ini memungkinkan pembentukan lapisan monoatomik permukaan menggunakan teknologi semikonduktor - pertumbuhan lapisan kristal tunggal baru pada substrat kristal yang ada, menduplikasi struktur substrat substrat kristal yang ada. Variasi epitaksi adalah epitaksi senyawa molekuler, yang memungkinkan untuk mengendapkan lapisan kristal dengan ketebalan satu lapisan atom. Metode ini digunakan dalam produksi titik-titik kuantum dan yang disebut lapisan tipis.

1974 Pengenalan istilah "nanoteknologi". Ini pertama kali digunakan oleh peneliti Universitas Tokyo Norio Taniguchi pada konferensi ilmiah. Definisi fisika Jepang tetap digunakan hingga hari ini dan terdengar seperti ini: “Nanoteknologi adalah produksi yang menggunakan teknologi yang memungkinkan pencapaian akurasi yang sangat tinggi dan ukuran yang sangat kecil, yaitu. akurasi orde 1 nm.

Visualisasi penurunan kuantum

80-an dan 90-an Periode perkembangan pesat teknologi litografi dan produksi lapisan kristal ultra tipis. Yang pertama, MOCVD(), adalah metode untuk mendepositokan lapisan pada permukaan bahan menggunakan senyawa organologam gas. Ini adalah salah satu metode epitaxial, maka nama alternatifnya - MOSFE (). Metode kedua, MBE, memungkinkan untuk menyimpan lapisan nanometer yang sangat tipis dengan komposisi kimia yang ditentukan secara tepat dan distribusi yang tepat dari profil konsentrasi pengotor. Hal ini dimungkinkan karena fakta bahwa komponen lapisan disuplai ke substrat oleh berkas molekul terpisah.

1981 Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer menciptakan mikroskop tunneling pemindaian. Menggunakan kekuatan interaksi interatomik, ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan gambar permukaan dengan resolusi urutan ukuran atom tunggal, dengan melewatkan bilah di atas atau di bawah permukaan sampel. Pada tahun 1989, perangkat itu digunakan untuk memanipulasi atom individu. Binnig dan Rohrer dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika 1986.

1985 Louis Brus dari Bell Labs menemukan nanocrystals semikonduktor koloid (titik kuantum). Mereka didefinisikan sebagai area kecil ruang yang dibatasi dalam tiga dimensi oleh penghalang potensial ketika partikel dengan panjang gelombang yang sebanding dengan ukuran titik masuk.

Sampul buku Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology oleh C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto, dan Richard Erret Smalley menemukan fullerene, molekul yang terdiri dari jumlah atom karbon genap (dari 28 hingga sekitar 1500) yang membentuk benda berongga tertutup. Sifat kimia fullerene dalam banyak hal mirip dengan hidrokarbon aromatik. Fullerene C60, atau buckminsterfullerene, seperti fullerene lainnya, adalah bentuk karbon alotropik.

1986-1992 C. Eric Drexler menerbitkan dua buku penting tentang futurologi yang mempopulerkan nanoteknologi. Yang pertama, dirilis pada 1986, berjudul Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Dia memprediksi, antara lain, bahwa teknologi masa depan akan mampu memanipulasi atom individu secara terkendali. Pada tahun 1992, ia menerbitkan Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, yang pada gilirannya meramalkan bahwa mesin nano dapat mereproduksi dirinya sendiri.

1989 Donald M. Aigler dari IBM meletakkan kata "IBM" - terbuat dari 35 atom xenon - pada permukaan nikel.

1991 Sumio Iijima dari NEC di Tsukuba, Jepang, menemukan karbon nanotube, struktur silinder berongga. Sampai saat ini, nanotube karbon paling terkenal, yang dindingnya terbuat dari graphene yang digulung. Ada juga nanotube non-karbon dan nanotube DNA. Nanotube karbon tertipis berada di urutan satu nanometer dengan diameter dan bisa jutaan kali lebih lama. Mereka memiliki kekuatan tarik yang luar biasa dan sifat listrik yang unik, dan merupakan konduktor panas yang sangat baik. Sifat-sifat ini menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk aplikasi dalam nanoteknologi, elektronik, optik, dan ilmu material.

1993 Warren Robinett dari University of North Carolina dan R. Stanley Williams dari UCLA sedang membangun sistem realitas virtual yang terhubung dengan mikroskop tunneling pemindaian yang memungkinkan pengguna untuk melihat dan bahkan menyentuh atom.

1998 Tim Cees Dekker di Delft University of Technology di Belanda sedang membangun transistor yang menggunakan nanotube karbon. Saat ini, para ilmuwan sedang mencoba menggunakan sifat unik dari karbon nanotube untuk menghasilkan elektronik yang lebih baik dan lebih cepat yang mengkonsumsi lebih sedikit listrik. Hal ini dibatasi oleh sejumlah faktor, beberapa di antaranya secara bertahap diatasi, yang pada tahun 2016 mengarahkan para peneliti di University of Wisconsin-Madison untuk membuat transistor karbon dengan parameter yang lebih baik daripada prototipe silikon terbaik. Penelitian oleh Michael Arnold dan Padma Gopalan mengarah pada pengembangan transistor karbon nanotube yang dapat membawa arus dua kali lipat dari pesaing silikonnya.

2003 Samsung mematenkan teknologi canggih berdasarkan aksi ion perak mikroskopis untuk membunuh kuman, jamur, dan lebih dari enam ratus jenis bakteri serta mencegah penyebarannya. Partikel perak telah dimasukkan ke dalam sistem filtrasi terpenting perusahaan - semua filter dan pengumpul atau kantong debu.

2004 British Royal Society dan Royal Academy of Engineering menerbitkan laporan "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", menyerukan penelitian tentang potensi risiko nanoteknologi bagi kesehatan, lingkungan dan masyarakat, dengan mempertimbangkan aspek etika dan hukum.

Model nanomotor pada roda fullerene

2006 James Tour, bersama dengan tim ilmuwan dari Rice University, membangun sebuah "van" mikroskopis dari molekul oligo (phenyleneethynylene), yang porosnya terbuat dari atom aluminium, dan rodanya terbuat dari fullerene C60. Nanovehicle bergerak di atas permukaan, yang terdiri dari atom emas, di bawah pengaruh kenaikan suhu, karena rotasi "roda" fullerene. Di atas suhu 300 ° C, kecepatannya sangat tinggi sehingga ahli kimia tidak bisa lagi melacaknya ...

2007 Ahli nano teknologi memasukkan seluruh "Perjanjian Lama" Yahudi ke dalam area hanya 0,5 mm² wafer silikon berlapis emas. Teks itu diukir dengan mengarahkan aliran terfokus ion galium ke piring.

2009-2010 Nadrian Seaman dan rekan-rekannya di Universitas New York sedang menciptakan serangkaian nanomount mirip DNA di mana struktur DNA sintetis dapat diprogram untuk "menghasilkan" struktur lain dengan bentuk dan sifat yang diinginkan.

2013 Ilmuwan IBM sedang membuat film animasi yang hanya dapat dilihat setelah diperbesar 100 juta kali. Itu disebut "Anak Laki-Laki dan Atom-Nya" dan digambar dengan titik-titik diatomik berukuran sepermiliar meter, yang merupakan molekul tunggal karbon monoksida. Kartun tersebut menggambarkan seorang anak laki-laki yang pertama kali bermain dengan bola dan kemudian melompat di atas trampolin. Salah satu molekul juga berperan sebagai bola. Semua aksi terjadi pada permukaan tembaga, dan ukuran setiap bingkai film tidak melebihi beberapa puluh nanometer.

2014 Para ilmuwan dari Universitas Teknologi ETH di Zurich telah berhasil menciptakan membran berpori dengan ketebalan kurang dari satu nanometer. Ketebalan material yang diperoleh melalui manipulasi nanoteknologi adalah 100 XNUMX. kali lebih kecil dari rambut manusia. Menurut anggota tim penulis, ini adalah bahan berpori tertipis yang dapat diperoleh dan secara umum dimungkinkan. Ini terdiri dari dua lapisan struktur graphene dua dimensi. Membran permeabel, tetapi hanya untuk partikel kecil, memperlambat atau sepenuhnya menjebak partikel yang lebih besar.

2015 Sebuah pompa molekul sedang dibuat, perangkat berskala nano yang mentransfer energi dari satu molekul ke molekul lain, meniru proses alami. Tata letak dirancang oleh para peneliti di Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Mekanismenya mengingatkan pada proses biologis dalam protein. Diharapkan teknologi tersebut akan menemukan aplikasi terutama di bidang bioteknologi dan kedokteran, misalnya, pada otot buatan.

2016 Menurut sebuah publikasi di jurnal ilmiah Nature Nanotechnology, para peneliti di Universitas Teknik Belanda Delft telah mengembangkan media penyimpanan atom tunggal yang inovatif. Metode baru harus menyediakan kepadatan penyimpanan lebih dari lima ratus kali lebih tinggi daripada teknologi yang digunakan saat ini. Para penulis mencatat bahwa hasil yang lebih baik dapat dicapai dengan menggunakan model tiga dimensi dari lokasi partikel di ruang angkasa.

Klasifikasi nanoteknologi dan nanomaterial

1. Struktur nanoteknologi meliputi:

• sumur kuantum, kabel dan titik, mis. berbagai struktur yang menggabungkan fitur berikut - batasan spasial partikel di area tertentu melalui penghalang potensial;
• plastik, yang strukturnya dikendalikan pada tingkat molekul individu, berkat itu dimungkinkan, misalnya, untuk mendapatkan bahan dengan sifat mekanik yang belum pernah terjadi sebelumnya;
• serat buatan - bahan dengan struktur molekul yang sangat presisi, juga dibedakan oleh sifat mekanik yang tidak biasa;
• nanotube, struktur supramolekul dalam bentuk silinder berongga. Sampai saat ini, nanotube karbon paling terkenal, yang dindingnya terbuat dari graphene terlipat (lapisan grafit monoatomik). Ada juga nanotube non-karbon (misalnya, dari tungsten sulfida) dan dari DNA;
• bahan yang dihancurkan dalam bentuk debu, yang butirannya, misalnya, akumulasi atom logam. Perak () dengan sifat antibakteri yang kuat banyak digunakan dalam bentuk ini;
• kawat nano (misalnya, perak atau tembaga);
• elemen yang dibentuk menggunakan litografi elektron dan metode nanolitografi lainnya;
• fullerene;
• graphene dan bahan dua dimensi lainnya (borofen, graphene, boron nitrida heksagonal, silicene, germanene, molibdenum sulfida);
• material komposit yang diperkuat dengan nanopartikel.

Permukaan nanolitografi

2. Klasifikasi nanoteknologi dalam sistematika ilmu pengetahuan, yang dikembangkan pada tahun 2004 oleh Organisasi untuk Kerjasama Ekonomi dan Pembangunan (OECD):

• nanomaterial (produksi dan properti);
• nanoproses (aplikasi skala nano - biomaterial milik bioteknologi industri).

3. Nanomaterials adalah semua material yang memiliki struktur teratur pada tingkat molekuler, mis. tidak melebihi 100 nanometer.

Batasan ini dapat mengacu pada ukuran domain sebagai unit dasar struktur mikro, atau pada ketebalan lapisan yang diperoleh atau diendapkan pada substrat. Dalam praktiknya, batas di bawah yang dikaitkan dengan bahan nano berbeda untuk bahan dengan sifat kinerja berbeda - ini terutama terkait dengan penampilan sifat spesifik saat terlampaui. Dengan mengurangi ukuran struktur material yang dipesan, dimungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan sifat fisikokimia, mekanik, dan lainnya.

Nanomaterials dapat dibagi menjadi empat kelompok berikut:

• dimensi nol (dot nanomaterials) - misalnya, titik kuantum, nanopartikel perak;
• satu dimensi - misalnya, kawat nano logam atau semikonduktor, batang nano, serat nano polimer;
• dua dimensi - misalnya, lapisan nanometer dari jenis fase tunggal atau multifase, graphene dan bahan lainnya dengan ketebalan satu atom;
• tiga dimensi (atau nanokristalin) - terdiri dari domain kristal dan akumulasi fase dengan ukuran urutan nanometer atau komposit yang diperkuat dengan partikel nano.