Historia das Invencións - Nanotecnoloxía

Xa arredor do 600 a.C. a xente estaba a producir estruturas de nanotipos, é dicir, fíos de cementita en aceiro, chamados Wootz. Isto aconteceu na India, e isto pódese considerar o inicio da historia da nanotecnoloxía.

Séculos VI-XV. Os colorantes utilizados durante este período para pintar vidreiras usan nanopartículas de cloruro de ouro, cloruros doutros metais e óxidos metálicos.

Séculos IX-XVII En moitos lugares de Europa prodúcense "glitters" e outras substancias para darlle brillo á cerámica e outros produtos. Contiñan nanopartículas de metais, a maioría das veces prata ou cobre.

XIII-XVIII w. O "aceiro de Damasco" producido nestes séculos, do que se fabricaron as famosas armas brancas, contén nanotubos de carbono e nanofibras de cemento.

1857 Michael Faraday descobre ouro coloidal de cor rubí, característico das nanopartículas de ouro.

1931 Max Knoll e Ernst Ruska constrúen un microscopio electrónico en Berlín, o primeiro dispositivo en ver a estrutura das nanopartículas a nivel atómico. Canto maior sexa a enerxía dos electróns, menor será a súa lonxitude de onda e maior resolución do microscopio. A mostra está no baleiro e a maioría das veces cuberta cunha película metálica. O feixe de electróns atravesa o obxecto probado e entra nos detectores. A partir dos sinais medidos, os dispositivos electrónicos recrean a imaxe da mostra da proba.

1936 Erwin Müller, que traballa nos Laboratorios Siemens, inventa o microscopio de emisión de campo, a forma máis sinxela de microscopio electrónico de emisión. Este microscopio utiliza un campo eléctrico forte para a emisión de campos e imaxes.

1950 Victor La Mer e Robert Dinegar crean as bases teóricas para a técnica de obtención de materiais coloidais monodispersos. Isto permitiu a produción de tipos especiais de papel, pinturas e películas finas a escala industrial.

1956 Arthur von Hippel do Instituto Tecnolóxico de Massachusetts (MIT) acuñou o termo "enxeñaría molecular".

1959 Richard Feynman dá conferencias sobre "Hai moito espazo no fondo". Comezando imaxinando o que sería necesario para encaixar nunha cabeza de alfiler unha Encyclopædia Britannica de 24 volumes, introduciu o concepto de miniaturización e a posibilidade de utilizar tecnoloxías que puidesen funcionar a nivel nanómetro. Nesta ocasión, estableceu dous premios (os chamados premios Feynman) por logros nesta área: mil dólares cada un.

1960 O primeiro premio decepcionou a Feynman. Asumiu que sería necesario un avance tecnolóxico para acadar os seus obxectivos, pero no seu momento subestimou o potencial da microelectrónica. O gañador foi o enxeñeiro William H. McLellan, de 35 anos. Creou un motor de 250 microgramos de peso, cunha potencia de 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho e John Arthur desenvolven o método da epitaxia. Permite a formación de capas monoatómicas superficiais mediante a tecnoloxía de semicondutores: o crecemento de novas capas monocristais nun substrato cristalino existente, duplicando a estrutura do substrato cristalino existente. Unha variación da epitaxia é a epitaxia dos compostos moleculares, que permite depositar capas cristalinas cun espesor dunha capa atómica. Este método utilízase na produción de puntos cuánticos e as chamadas capas finas.

1974 Introdución do termo "nanotecnoloxía". Foi utilizado por primeira vez polo investigador da Universidade de Tokio, Norio Taniguchi, nunha conferencia científica. A definición da física xaponesa segue en uso ata hoxe e soa así: “A nanotecnoloxía é unha produción que utiliza tecnoloxía que permite acadar unha precisión moi alta e tamaños extremadamente pequenos, é dicir. precisión da orde de 1 nm.

Visualización dunha caída cuántica

80 e 90 O período de rápido desenvolvemento da tecnoloxía litográfica e da produción de capas ultrafinas de cristais. O primeiro, MOCVD(), é un método para depositar capas na superficie de materiais utilizando compostos organometálicos gasosos. Este é un dos métodos epitaxiais, de aí o seu nome alternativo - MOSFE (). O segundo método, MBE, permite a deposición de capas nanométricas moi finas cunha composición química definida con precisión e unha distribución precisa do perfil de concentración de impurezas. Isto é posible debido ao feito de que os compoñentes da capa son subministrados ao substrato por feixes moleculares separados.

1981 Gerd Binnig e Heinrich Rohrer crean o microscopio túnel de varrido. Usando as forzas das interaccións interatómicas, permite obter unha imaxe da superficie cunha resolución da orde do tamaño dun só átomo, pasando a lámina por riba ou por debaixo da superficie da mostra. En 1989, o dispositivo utilizouse para manipular átomos individuais. Binnig e Rohrer foron galardoados co Premio Nobel de Física en 1986.

1985 Louis Brus de Bell Labs descobre nanocristais de semicondutores coloidais (puntos cuánticos). Defínense como unha pequena área do espazo limitada en tres dimensións por barreiras potenciais cando entra unha partícula cunha lonxitude de onda comparable ao tamaño dun punto.

Portada do libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto e Richard Erret Smalley descobren fulerenos, moléculas formadas por un número par de átomos de carbono (de 28 a aproximadamente 1500) que forman un corpo oco pechado. As propiedades químicas dos fulerenos son en moitos aspectos similares ás dos hidrocarburos aromáticos. O fulereno C60, ou buckminsterfullereno, como outros fullerenos, é unha forma alotrópica de carbono.

1986-1992 C. Eric Drexler publica dous importantes libros sobre futuroloxía que popularizan a nanotecnoloxía. O primeiro, lanzado en 1986, chámase Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Predí, entre outras cousas, que as tecnoloxías futuras poderán manipular átomos individuais dun xeito controlado. En 1992, publicou Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, que á súa vez predixo que as nanomáquinas podían reproducirse por si mesmas.

1989 Donald M. Aigler de IBM pon a palabra "IBM" - feita de 35 átomos de xenón - nunha superficie de níquel.

1991 Sumio Iijima de NEC en Tsukuba, Xapón, descobre nanotubos de carbono, estruturas cilíndricas ocas. Ata a data, os nanotubos de carbono máis coñecidos, cuxas paredes están feitas de grafeno laminado. Tamén hai nanotubos que non son de carbono e nanotubos de ADN. Os nanotubos de carbono máis finos teñen un diámetro da orde dun nanómetro e poden ser millóns de veces máis longos. Teñen unha notable resistencia á tracción e propiedades eléctricas únicas, e son excelentes condutores da calor. Estas propiedades fan que sexan materiais prometedores para aplicacións en nanotecnoloxía, electrónica, óptica e ciencia dos materiais.

1993 Warren Robinett da Universidade de Carolina do Norte e R. Stanley Williams da Universidade de California, Los Ángeles están a construír un sistema de realidade virtual ligado a un microscopio de varrido de túnel que permite ao usuario ver e mesmo tocar átomos.

1998 O equipo de Cees Dekker da Universidade Tecnolóxica de Delft, nos Países Baixos, está a construír un transistor que utiliza nanotubos de carbono. Actualmente, os científicos están tentando utilizar as propiedades únicas dos nanotubos de carbono para producir produtos electrónicos mellores e máis rápidos que consuman menos electricidade. Isto viuse limitado por unha serie de factores, algúns dos cales foron superando gradualmente, o que levou en 2016 aos investigadores da Universidade de Wisconsin-Madison a crear un transistor de carbono con mellores parámetros que os mellores prototipos de silicio. A investigación de Michael Arnold e Padma Gopalan levou ao desenvolvemento dun transistor de nanotubos de carbono que pode transportar o dobre da corrente do seu competidor de silicio.

2003 Samsung patenta unha tecnoloxía avanzada baseada na acción de microscópicos ións de prata, que destrúen xermes, mofos e máis de seiscentos tipos de bacterias e evitan a súa propagación. As partículas de prata foron introducidas nos sistemas de filtración máis importantes da compañía: todos os filtros e o colector de po ou bolsa.

2004 A Real Sociedade Británica e a Real Academia de Enxeñería publican o informe "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", no que convocan a investigación sobre os posibles riscos da nanotecnoloxía para a saúde, o medio ambiente e a sociedade, tendo en conta aspectos éticos e legais.

Modelo de nanomotor sobre rodas fullereno

2006 James Tour, xunto cun equipo de científicos da Universidade de Rice, está a construír unha "furgoneta" microscópica a partir dunha molécula de oligo (fenileneetinileno), cuxos eixes están feitos de átomos de aluminio e as rodas están feitas de fullerenos C60. O nanovehículo moveuse sobre a superficie, formado por átomos de ouro, baixo a influencia do aumento da temperatura, debido á rotación das "rodas" de fullereno. Por encima dunha temperatura de 300 ° C, acelerou tanto que os químicos xa non puideron rastrexalo...

2007 Os nanotecnólogos de Technion encaixan todo o "Antigo Testamento" xudeu nunha área de só 0,5 mm.² oblea de silicio bañado en ouro. O texto gravouse dirixindo un fluxo focalizado de ións galio cara á placa.

2009-2010 Nadrian Seaman e os seus colegas da Universidade de Nova York están a crear unha serie de nanomounts semellantes ao ADN nos que se poden programar estruturas de ADN sintético para "producir" outras estruturas coas formas e propiedades desexadas.

2013 Científicos de IBM están a crear unha película de animación que só se pode ver despois de ser ampliada 100 millóns de veces. Chámase "O neno e o seu átomo" e está debuxado con puntos diatómicos dunha milmillonésima parte dun metro de tamaño, que son moléculas únicas de monóxido de carbono. O debuxo animado representa a un neno que primeiro xoga cunha pelota e despois salta nun trampolín. Unha das moléculas tamén desempeña o papel de bóla. Toda a acción ten lugar sobre unha superficie de cobre e o tamaño de cada fotograma da película non supera varias decenas de nanómetros.

2014 Científicos da Universidade de Tecnoloxía ETH de Zúric conseguiron crear unha membrana porosa de menos dun nanómetro de espesor. O grosor do material obtido mediante a manipulación nanotecnolóxica é de 100 XNUMX. veces máis pequeno que o dun cabelo humano. Segundo os membros do equipo de autores, este é o material poroso máis fino que se pode obter e que en xeral é posible. Consta de dúas capas dunha estrutura de grafeno bidimensional. A membrana é permeable, pero só ás partículas pequenas, ralentizando ou atrapando completamente as partículas máis grandes.

2015 Estase creando unha bomba molecular, un dispositivo a nanoescala que transfire enerxía dunha molécula a outra, imitando os procesos naturais. O deseño foi deseñado por investigadores do Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. O mecanismo lembra os procesos biolóxicos nas proteínas. Espérase que estas tecnoloxías atopen aplicación principalmente nos campos da biotecnoloxía e da medicina, por exemplo, nos músculos artificiais.

2016 Segundo unha publicación da revista científica Nature Nanotechnology, investigadores da Universidade Técnica holandesa de Delft desenvolveron innovadores medios de almacenamento dun só átomo. O novo método debería proporcionar unha densidade de almacenamento máis de cincocentas veces maior que calquera tecnoloxía actualmente en uso. Os autores sinalan que aínda se poden conseguir mellores resultados usando un modelo tridimensional da localización das partículas no espazo.

Clasificación de nanotecnoloxías e nanomateriais

1. As estruturas nanotecnolóxicas inclúen:

• pozos cuánticos, fíos e puntos, é dicir. varias estruturas que combinan a seguinte característica: a limitación espacial das partículas nunha determinada área a través de posibles barreiras;
• plásticos, cuxa estrutura está controlada a nivel de moléculas individuais, grazas ao cal é posible, por exemplo, obter materiais con propiedades mecánicas sen precedentes;
• fibras artificiais - materiais cunha estrutura molecular moi precisa, que tamén se distinguen por propiedades mecánicas pouco habituais;
• nanotubos, estruturas supramoleculares en forma de cilindros ocos. Ata a data, os nanotubos de carbono máis coñecidos, cuxas paredes están feitas de grafeno dobrado (capas de grafito monatómico). Tamén hai nanotubos non de carbono (por exemplo, de sulfuro de wolframio) e de ADN;
• materiais triturados en forma de po, cuxos grans son, por exemplo, acumulacións de átomos metálicos. A prata () con fortes propiedades antibacterianas úsase amplamente nesta forma;
• nanocables (por exemplo, prata ou cobre);
• elementos formados mediante litografía electrónica e outros métodos de nanolitografía;
• fullerenos;
• grafeno e outros materiais bidimensionais (borofeno, grafeno, nitruro de boro hexagonal, siliceno, xermano, sulfuro de molibdeno);
• materiais compostos reforzados con nanopartículas.

Superficie nanolitográfica

2. A clasificación das nanotecnoloxías na sistemática das ciencias, elaborada en 2004 pola Organización para a Cooperación e o Desenvolvemento Económico (OCDE):

• nanomateriais (produción e propiedades);
• nanoprocesos (aplicacións a nanoescala - os biomateriais pertencen á biotecnoloxía industrial).

3. Os nanomateriais son todos os materiais nos que existen estruturas regulares a nivel molecular, é dicir. que non supere os 100 nanómetros.

Este límite pode referirse ao tamaño dos dominios como unidade básica de microestrutura, ou ao grosor das capas obtidas ou depositadas sobre o substrato. Na práctica, o límite por debaixo do cal se atribúe aos nanomateriais é diferente para materiais con diferentes propiedades de rendemento: asóciase principalmente coa aparición de propiedades específicas cando se superan. Ao reducir o tamaño das estruturas ordenadas dos materiais, é posible mellorar significativamente as súas propiedades fisicoquímicas, mecánicas e outras.

Os nanomateriais pódense dividir nos seguintes catro grupos:

• de dimensión cero (nanomateriais de puntos) - por exemplo, puntos cuánticos, nanopartículas de prata;
• unidimensional – por exemplo, nanofíos metálicos ou semicondutores, nanorobas, nanofibras poliméricas;
• bidimensional – por exemplo, capas nanométricas de tipo monofásico ou multifásico, grafeno e outros materiais cun grosor dun átomo;
• tridimensional (ou nanocristalino) - consisten en dominios cristalinos e acumulacións de fases con tamaños da orde de nanómetros ou compostos reforzados con nanopartículas.