Хронология нанотехнологии: от античности до современности
Давайте ознакомимся с историй нанотехнологий. Это продолжение темы науки о наноматериалах и нанотехнологии. Сразу оговариваю, что античные примеры не являются в полной мере нанотехнологией, так те кто их делал не понимали научных принципов, а значит не могли заранее оценить квантово-размерные эффекты. Пост очень длинный и местами тяжелый, но иллюстрированный.
С чего я начал эту тему
Часть 1
|
Начнём с общего определения понятия науки о наноматериалах ( мелкая наука нанонанаука): «Наука о наноматериалах изучает феномены и манипуляции... |
Ранние примеры наноструктурированных материалов, основывались на эмпирическом понимании приемов получения материалов. Одним из основных способов получения таких материалов с новыми свойствами являлась высокая температура.
II – IV век:
Кубок Ликурга (Рим) – пример дихроичного стекла, растворённые в стекле коллоидные частицы золота и серебра позволяют ему выглядеть непрозрачным зелёным при освещении его снаружи и прозрачным красным при освещении изнутри. (Этому и ему подобным кубкам я хочу уделить отдельное внимание).
Кубок Ликурга в Британском музее, освещенные снаружи (слева) и изнутри (справа).
VI – XV век:
Яркие витражи европейских соборов обязаны своим насыщенными цветами хлориду золота и оксидам и хлоридам других металлов.
Окно южной розы собора Парижской Богоматери, примерно 1250 г.
откуда стырена картинка
IX – XVII век:
Светящиеся, сверкающие “блестящие” керамические глазури, использовались в Исламском мире, а затем и в Европе, содержали серебро или медь, или другие металлические наночастицы.
Полихромная блестящая чаша IX век, Ирак, Британский музей.
XIII - XVIII век:
“Дамаская сталь” содержала углеродные нанотрубки и нановолокна цементита. Нельзя забывать про состав исходной руды для выплавки стали, которую закупали в Индии, а она содержала никель и марганец, а они и сейчас применяются для получения нанотрубок. К 18 веку железная руда в Индии истощилась, а с ней и исчезли Дамасской сабли.
(Левый) Дамасская сабля (фото Tina Fineberg, The New York Times). (Правый) Изображение полученное на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения. На изображении видны углеродные нанотрубки с инкапсулированными в них частицами цементита в подлинной Дамасской сабле после травления в соляной кислоте. Размер нанотрубок на рисунке 5 нм. (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). Если будет интересно, могу попробовать достать и перевести данную статью.
Все ниже приведенные примеры базируются на научном понимании явлений, сложных приборах и экспериментах. И в отличие от вышеуказанных примеров являющихся нанотехнологией.
А теперь продолжим изучать хронологию.
1857:
Майкл Фарадей получил и исследовал коллоидное «рубиновое» золото. Он показал, что цвет раствора наноструктурированого золота зависит от условий его освещения.
(Michael Faraday, Philosophical Transactions of the Royal Society, London, 1857).
Коллоидный раствор золота (Gold Bulletin 2007 40,4, p. 267)
1912:
Лауэ предсказывает дифракцию ренгеновских лучей на кристаллах, что было экспериментально подтверждено двумя его студентами — Фридрихом и Книпингом. Это в дальнейшем позволит создать метод Лауэ для определения кристаллической структуры кристаллов.
Лауэграмма Берилла
1916:
Порошковая рентгеновская дифракция: метод предложенный П. Дебаем и П. Шерером.
метод исследования структурных характеристик материала при помощи дифракции рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ) на порошке или поликристаллическом образце исследуемого материала. Также называется методом порошка. Результатом исследования является зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния. Соответствующий прибор называют порошковым дифрактометром. Преимуществом метода является то, что дебаеграмма для каждого вещества уникальна и позволяет определить вещество даже тогда, когда его структура не известна.
Википедия
1935:
Кнолл и Руска создали первые сканирующий электронный и просвечивающий микроскопы. Один позволяет получать изображения поверхности материалов, посредством эмиссионного сигнала с поверхности изучаемого материала. Это те типы микроскопов, которые в обыденности называют электронными.
Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, англ, TEM - Transmission electron microscopy) — устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов. Ультратонким считается образец толщиной порядка 0.1 мкм. Прошедший через образец и провзаимодействовавший с ним пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице).
Стырено с Википедии
первый в мире просвечивающий микроскоп
1936:
Эрвин Мюллер (Siemens) изобрел полевой эмиссионный микроскоп, что позволило впервые получить изображения материалов почти на атомном уровне.
1947:
Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн (Bell) изготовили и изучили полупроводниковый транзистор. Тем самым значительно расширили научные представления о полупроводниках и заложили фундамент производства электронных устройств и начало информационной эпохи. Хотя недобрые люди поговаривают, что первый был собран раньше, но никто не понял, что делать с этой вундервафлей.
1950:
Ла Мер и Динегар разработали теорию и отработали технологию выращивания монодисперсных коллоидных материалов. Возможность изготавливать коллоиды контролируемого состава и размера имеет множество промышленных применений, например при изготовлении специальных красок и тонких плёнок.
1951:
Вышеуказанный Э.Мюллер не сидел прижав попу к креслу и разработал ионный микроскоп позволяющий воочию увидеть атомы металлов в кристаллической поверхности металла, вот примерно так выглядела первое изображение атомов вольфрама.
Современные изображения поточнее:
1956:
Артур фон Хиппель придумал головой много интересных вещей, например, термин “молекулярная инженерия” применительно к диэлектрикам, сегнетоэлектрикам и пьезоэлектрикам.
1958:
Дж.Килби возьми да и собери первую в и мире интегральную микросхему (ИС), за что и был пойман Нобелевским комитетом и награждён через 42 года. Ниже приведена картинка его научного творчества.
Ведь правда, красавица.
1959:
Ричард Фейнман гений в области квантовой физики прочитал лекцию, которую считают первой лекцией по технологии и инженерии на атомном уровне , "Там ещё много места внизу" "There's Plenty of Room at the Bottom". Талантливый лектор, который говорил, что если не можете чего-то объяснить студентам на простом примере, значит вы этого не понимаете. Он смог просто объяснить все кроме квантового мира.
1965:
Был такой дядечка один из основателей конторы Intel Г.Мур описал тенденции развития электронной техники известный сегодня как «Закон Мура». Думаю сильно о нём не стоит и говорить.
1974:
Бинниг и Рорерв из лаборатории Независимого Машиностроения ( IBM) в Цюрихе с немецким упорством собрали сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий ученым "увидеть"(остальным в порядке очереди и на картинках) отдельных атомов впервые. И этих учёных мужей настиг Нобелевский комитет и воздал им по карме в 1986 году.
1981:
А тем временем в СССР уже не спал Алексей Екимов, но открыл (а Менделеев спал и открыл) нанокристаллические полупроводниковые квантовые точки в матрице стекла. А после того как открыл ещё и пионерскими темпами исследовал их электронные и оптические свойства (в общем тот ещё пионер, пожелаем ему крепкого здоровья и новых открытий).
Екимов А. И., Онущенко А. А. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. — 1981. — Т. 34. — С. 363—366.
1985:
Крото, О'Брайен, Керл и Смолли обнаружили цельноуглеродный мячик правда очень маленький и назвали его Бакминстерфуллереном С60. За что коллектив был наказан Нобелевской премией в 1996 году по химии. Отмечу, что образцы «углеродных мячиков» обнаружен в малых количествах в природе, в частности в углеродных материалах с Карельского полуострова.
1985:
Мне кажется или этот год уже упомянул? Луис Брюс (Louis Brus)
1986:
Группа талантов в лице Биннига, Квяте, и Кристоф Гербер (Binnig, Calvin Quate, Christoph Gerber) головой и руками сконструировали атомно-силовой микроскоп, который ,не побоюсь этого сказать, дал возможность не только увидеть, измерить и даже пощупать атом!
1989:
Эйглер и Швейцер в Альмаденском исследовательском центре Независимых Строительных Машин со скуки собрали из 35 отдельных атомов ксенона логотип своей конторы IBM. Эта демонстрация умения точно манипулировать атомами претендует на первое прикладное использование точных нанотехнологий.
Ну в девяностые начался бум нанотехнологий.
1991:
Сумио Ииджима из компании NEC наростил себе для статейки углеродных нанотрубок (УНТ) Про это я уже писал углеродные нанотрубки. Тема настолько классная, что практического применения до сих пор не нашла.
1992:
Кресге и
МСМ-41 является "мезопористым молекулярным ситом" наноматериалом на основе кремнезёма с гексагональной или "сотовой" расположением прямых пор.
На ТЭМ изображении МСМ-41 выглядит в виде прямых борозд.
1993:
Моунги Бавенди (Moungi Bawendi) из Массачусетского технологического института придумал способ управляемого синтеза нанокристаллов (квантовых точек), открывшим путь к их активному применению, начиная от вычислительной биологии до высокоэффективной фотовольтаники (солнечные панельки) и освещения. В последующие годы Луис Брюс и Крис Мюррей также способствовали развитию методов синтеза квантовых точек.
1999:
Американские исследователи Хо и Ли любители подсматривать за природой, изучили сокровенные тайны химической связи в [карбонильном железе Fе(СО)2], путём наблюдения за сборкой молекулы из отдельных веществ (ни в коем случае не из совместных веществ!) при помощи сканирующего туннельного микроскопа.
Последовательность шагов полученных на сканирующем туннельном микроскопе для "сборки" молекулы карбонильного железа (H.J. Lee, W. Ho, Science 286, 1719 [1999]).
2000-е:
Появление огромного числа промышленных товаров с применением нанотехнологий, от умных сплавов, до плёночных покрытий и аккумуляторов.
2003:
Наоми Халас, Дженнифер Уэст, Ребекка Дрежек, и Рената Паскалин разработали золотые нанооболочки, способные в зависимости от размера поглощать инфракрасный свет, послужившие основой для комплекса обнаружения, диагностики и лечения рака молочной железы без применения инвазивных методов биопсии, хирургического вмешательства, или системно разрушительной радиации или химиотерапии.
2004:
Британское Королевское Общество и Королевская Инженерная Академия опубликовали Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties, в котором высказала свои опасения за предупреждение и решения проблем различного характера, связанных с активным применением нанотехнологий.
2005:
Винфии и Ротемунд разработали теории для ДНК-вычислений и “алгоритмы самосборки”, в которых описаны методы расчёта процессов роста нанокристаллов.
2006:
Тур с коллегами из построили наноразмерный транспорт из олиго(фенилен этинилен) с алкинил в качестве оси и четырьмя сферическими фуллеренами С60 в качестве колёс. При повышении температуры, этот наноавтомобиль двигался на поверхности золота в результате поворота колес С60, как в обычном автомобиле. При температурах выше 300°С он двигался так быстро, что и с пивом и без пива, его невозможно было отследить!
Nanocar with turning buckyball wheels (credit: RSC, 29 March 2006).
2009-2010:
Симан и коллеги создали несколько ДНК-подобных роботизированных наноразмерных устройств. Это позволяет использовать ДНК для самосборки трёхмерных структур.
нанороботы
2010:
IBM использовав силиконовый наконечник размером несколько нанометров вырезала на поверхности материала подложки наноразмерную трёхмерную рельефную карту мира за 2 минуты и 23 секунды. Этим они показали как быстро можно создавать наноразмерные структуры до 15 нм при заметном снижении стоимости и сложности. Данная технология, по их мнению, открывает новые перспективы в таких областях, как электроника, оптоэлектроника, медицина.
Итог (но не выводы):
Человечество проделало много работы прежде чем начало, понимать принципы управления материей, и это понимание вначале от фундаментальный теорий перешло к практике, которая за 60 последних лет сильно изменило мир.Мир постепенно переходи в новую информационную эпоху. Скажем спасибо всем тем, кто помог этого достичь.
Для вас перевёл и напечатал @boltyn. Понравилось подписывайтесь, расширяйте свою эрудицию.
Жду ваших вопросов и ценных комментариев. Спасибо.
"Статья написана для "Биржи тем".