Storia delle invenzioni - Nanotecnologia

Già intorno al 600 a.C. le persone stavano producendo strutture di nanotipi, ovvero trefoli di cementite in acciaio, chiamate Wootz. Questo è successo in India e questo può essere considerato l'inizio della storia della nanotecnologia.

VI-XV sec. I coloranti utilizzati durante questo periodo per dipingere le vetrate utilizzano nanoparticelle di cloruro d'oro, cloruri di altri metalli e ossidi di metallo.

IX-XVII secoli In molti luoghi d'Europa vengono prodotti "glitter" e altre sostanze per dare lucentezza alla ceramica e ad altri prodotti. Contenevano nanoparticelle di metalli, il più delle volte argento o rame.

XNUMX-XNUMX w. L'“acciaio di Damasco” prodotto in questi secoli, da cui sono state realizzate le armi bianche famose in tutto il mondo, contiene nanotubi di carbonio e nanofibre di cementite.

1857 Michael Faraday scopre l'oro colloidale color rubino, caratteristico delle nanoparticelle d'oro.

1931 Max Knoll ed Ernst Ruska costruiscono a Berlino un microscopio elettronico, il primo dispositivo per vedere la struttura delle nanoparticelle a livello atomico. Maggiore è l'energia degli elettroni, minore è la loro lunghezza d'onda e maggiore è la risoluzione del microscopio. Il campione è sottovuoto e il più delle volte coperto da una pellicola metallica. Il fascio di elettroni passa attraverso l'oggetto testato ed entra nei rivelatori. Sulla base dei segnali misurati, i dispositivi elettronici ricreano l'immagine del campione di prova.

1936 Erwin Müller, che lavora presso i Siemens Laboratories, inventa il microscopio a emissione di campo, la forma più semplice di microscopio elettronico a emissione. Questo microscopio utilizza un forte campo elettrico per l'emissione di campo e l'imaging.

1950 Victor La Mer e Robert Dinegar creano le basi teoriche per la tecnica di ottenimento di materiali colloidali monodispersi. Ciò ha consentito la produzione di tipi speciali di carta, vernici e film sottili su scala industriale.

1956 Arthur von Hippel del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha coniato il termine "ingegneria molecolare".

1959 Richard Feynman tiene una conferenza su "C'è molto spazio in fondo". Partendo dall'immaginare cosa sarebbe servito per inserire un'Encyclopædia Britannica di 24 volumi su una capocchia di spillo, ha introdotto il concetto di miniaturizzazione e la possibilità di utilizzare tecnologie che potrebbero funzionare a livello nanometrico. In questa occasione, ha istituito due premi (i cosiddetti premi Feynman) per i risultati conseguiti in questo settore: mille dollari ciascuno.

1960 La vincita del primo premio ha deluso Feynman. Presupponeva che sarebbe stata necessaria una svolta tecnologica per raggiungere i suoi obiettivi, ma all'epoca sottovalutava il potenziale della microelettronica. Il vincitore è stato l'ingegnere 35enne William H. McLellan. Ha creato un motore del peso di 250 microgrammi, con una potenza di 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho e John Arthur sviluppano il metodo dell'epitassia. Consente la formazione di strati monoatomici superficiali utilizzando la tecnologia dei semiconduttori: la crescita di nuovi strati a cristallo singolo su un substrato cristallino esistente, duplicando la struttura del substrato del substrato cristallino esistente. Una variazione dell'epitassia è l'epitassia dei composti molecolari, che consente di depositare strati cristallini con uno spessore di uno strato atomico. Questo metodo viene utilizzato nella produzione di punti quantici e dei cosiddetti strati sottili.

1974 Introduzione del termine "nanotecnologia". È stato utilizzato per la prima volta dal ricercatore dell'Università di Tokyo Norio Taniguchi in una conferenza scientifica. La definizione di fisica giapponese rimane in uso ancora oggi e suona così: “La nanotecnologia è una produzione che utilizza una tecnologia che consente di ottenere una precisione molto elevata e dimensioni estremamente ridotte, ad es. precisione dell'ordine di 1 nm.

Visualizzazione di una goccia quantistica

Anni '80 e '90 Il periodo di rapido sviluppo della tecnologia litografica e la produzione di strati ultrasottili di cristalli. Il primo, MOCVD(), è un metodo per depositare strati sulla superficie di materiali utilizzando composti organometallici gassosi. Questo è uno dei metodi epitassiali, da cui il suo nome alternativo - MOSFE(). Il secondo metodo, MBE, consente di depositare strati nanometrici molto sottili con una composizione chimica definita con precisione e una distribuzione precisa del profilo di concentrazione delle impurità. Ciò è possibile grazie al fatto che i componenti dello strato sono forniti al substrato da fasci molecolari separati.

1981 Gerd Binnig e Heinrich Rohrer creano il microscopio a scansione tunnel. Utilizzando le forze delle interazioni interatomiche, permette di ottenere un'immagine della superficie con una risoluzione dell'ordine delle dimensioni di un singolo atomo, facendo passare la lama sopra o sotto la superficie del campione. Nel 1989, il dispositivo è stato utilizzato per manipolare singoli atomi. Binnig e Rohrer hanno ricevuto nel 1986 il Premio Nobel per la Fisica.

1985 Louis Brus di Bell Labs scopre nanocristalli colloidali semiconduttori (punti quantici). Sono definiti come una piccola area di spazio delimitata in tre dimensioni da potenziali barriere quando entra una particella con una lunghezza d'onda paragonabile alla dimensione di un punto.

Copertina del libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology di C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto e Richard Erret Smalley scoprono i fullereni, molecole costituite da un numero pari di atomi di carbonio (da 28 a circa 1500) che formano un corpo cavo chiuso. Le proprietà chimiche dei fullereni sono per molti aspetti simili a quelle degli idrocarburi aromatici. Il fullerene C60, o buckminsterfullerene, come altri fullereni, è una forma allotropica di carbonio.

1986-1992 C. Eric Drexler pubblica due importanti libri sulla futurologia che rendono popolare la nanotecnologia. Il primo, pubblicato nel 1986, si chiama Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Prevede, tra le altre cose, che le tecnologie future saranno in grado di manipolare i singoli atomi in modo controllato. Nel 1992 ha pubblicato Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, che a sua volta prevedeva che le nanomacchine potessero riprodursi.

1989 Donald M. Aigler di IBM mette la parola "IBM" - composta da 35 atomi di xeno - su una superficie di nichel.

1991 Sumio Iijima di NEC a Tsukuba, in Giappone, scopre nanotubi di carbonio, strutture cilindriche cave. Ad oggi, i nanotubi di carbonio più conosciuti, le cui pareti sono fatte di grafene laminato. Esistono anche nanotubi non di carbonio e nanotubi di DNA. I nanotubi di carbonio più sottili hanno un diametro dell'ordine di un nanometro e possono essere milioni di volte più lunghi. Hanno una notevole resistenza alla trazione e proprietà elettriche uniche e sono eccellenti conduttori di calore. Queste proprietà li rendono materiali promettenti per applicazioni in nanotecnologia, elettronica, ottica e scienza dei materiali.

1993 Warren Robinett dell'Università della Carolina del Nord e R. Stanley Williams dell'UCLA stanno costruendo un sistema di realtà virtuale collegato a un microscopio a scansione a tunnel che consente all'utente di vedere e persino toccare gli atomi.

1998 Il team di Cees Dekker presso la Delft University of Technology nei Paesi Bassi sta costruendo un transistor che utilizza nanotubi di carbonio. Attualmente, gli scienziati stanno cercando di utilizzare le proprietà uniche dei nanotubi di carbonio per produrre un'elettronica migliore e più veloce che consuma meno elettricità. Ciò è stato limitato da una serie di fattori, alcuni dei quali sono stati gradualmente superati, che nel 2016 hanno portato i ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison a creare un transistor al carbonio con parametri migliori rispetto ai migliori prototipi in silicio. La ricerca di Michael Arnold e Padma Gopalan ha portato allo sviluppo di un transistor a nanotubi di carbonio in grado di trasportare il doppio della corrente del suo concorrente in silicio.

2003 Samsung brevetta una tecnologia avanzata basata sull'azione di microscopici ioni d'argento per uccidere germi, muffe e più di seicento tipi di batteri e prevenirne la diffusione. Le particelle d'argento sono state introdotte nei più importanti sistemi di filtrazione dell'azienda: tutti i filtri e il raccoglipolvere o il sacco.

2004 La British Royal Society e la Royal Academy of Engineering pubblicano il rapporto "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", invitando alla ricerca sui potenziali rischi delle nanotecnologie per la salute, l'ambiente e la società, tenendo conto degli aspetti etici e legali.

Modello nanomotore su ruote fullerene

2006 James Tour, insieme a un team di scienziati della Rice University, costruisce un microscopico "furgone" dalla molecola di oligo (fenileneetinilene), i cui assi sono fatti di atomi di alluminio e le ruote sono fatte di fullereni C60. Il nanoveicolo si è spostato sulla superficie, costituita da atomi d'oro, sotto l'influenza dell'aumento della temperatura, dovuto alla rotazione delle "ruote" di fullerene. Al di sopra di una temperatura di 300 ° C, ha accelerato così tanto che i chimici non potevano più rintracciarlo ...

2007 I nanotecnologi Technion inseriscono l'intero "Antico Testamento" ebraico in un'area di soli 0,5 mm² wafer di silicio placcato oro. Il testo è stato inciso dirigendo un flusso mirato di ioni gallio sulla lastra.

2009-2010 Nadrian Seaman e colleghi della New York University stanno creando una serie di nanomount simili al DNA in cui le strutture sintetiche del DNA possono essere programmate per "produrre" altre strutture con le forme e le proprietà desiderate.

2013 Gli scienziati IBM stanno creando un film d'animazione che può essere visto solo dopo essere stato ingrandito 100 milioni di volte. Si chiama "Il ragazzo e il suo atomo" ed è disegnato con punti biatomici grandi un miliardesimo di metro, che sono singole molecole di monossido di carbonio. Il cartone raffigura un ragazzo che prima gioca con una palla e poi salta su un trampolino. Una delle molecole svolge anche il ruolo di una palla. Tutta l'azione si svolge su una superficie di rame e la dimensione di ciascun fotogramma non supera diverse decine di nanometri.

2014 Gli scienziati dell'ETH University of Technology di Zurigo sono riusciti a creare una membrana porosa spessa meno di un nanometro. Lo spessore del materiale ottenuto attraverso la manipolazione nanotecnologica è 100 XNUMX. volte più piccolo di quello di un capello umano. Secondo i membri del team di autori, questo è il materiale poroso più sottile che si possa ottenere ed è generalmente possibile. È costituito da due strati di una struttura bidimensionale di grafene. La membrana è permeabile, ma solo a piccole particelle, rallentando o intrappolando completamente le particelle più grandi.

2015 È in corso la creazione di una pompa molecolare, un dispositivo su scala nanometrica che trasferisce energia da una molecola all'altra, imitando i processi naturali. Il layout è stato progettato dai ricercatori del Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Il meccanismo ricorda i processi biologici nelle proteine. Si prevede che tali tecnologie troveranno applicazione principalmente nei campi della biotecnologia e della medicina, ad esempio nei muscoli artificiali.

2016 Secondo una pubblicazione sulla rivista scientifica Nature Nanotechnology, i ricercatori dell'Università tecnica olandese di Delft hanno sviluppato innovativi supporti di memorizzazione a singolo atomo. Il nuovo metodo dovrebbe fornire una densità di archiviazione cinquecento volte superiore rispetto a qualsiasi tecnologia attualmente utilizzata. Gli autori osservano che risultati ancora migliori possono essere ottenuti utilizzando un modello tridimensionale della posizione delle particelle nello spazio.

Classificazione delle nanotecnologie e dei nanomateriali

1. Le strutture nanotecnologiche includono:

• pozzi quantici, fili e punti, ad es. varie strutture che combinano la seguente caratteristica: la limitazione spaziale delle particelle in una determinata area attraverso potenziali barriere;
• le materie plastiche, la cui struttura è controllata a livello delle singole molecole, grazie alle quali è possibile, ad esempio, ottenere materiali con proprietà meccaniche senza precedenti;
• fibre artificiali - materiali con una struttura molecolare molto precisa, caratterizzata anche da proprietà meccaniche insolite;
• nanotubi, strutture supramolecolari a forma di cilindri cavi. Ad oggi, i nanotubi di carbonio più conosciuti, le cui pareti sono fatte di grafene piegato (strati di grafite monoatomica). Esistono anche nanotubi non di carbonio (ad esempio da solfuro di tungsteno) e da DNA;
• materiali frantumati sotto forma di polvere, i cui granelli sono, ad esempio, accumuli di atomi di metallo. L'argento () con forti proprietà antibatteriche è ampiamente utilizzato in questa forma;
• nanofili (ad esempio argento o rame);
• elementi formati mediante litografia elettronica e altri metodi di nanolitografia;
• fullereni;
• grafene e altri materiali bidimensionali (borofene, grafene, nitruro di boro esagonale, silicene, germanene, solfuro di molibdeno);
• materiali compositi rinforzati con nanoparticelle.

Superficie nanolitografica

2. La classificazione delle nanotecnologie nella sistematica delle scienze, sviluppata nel 2004 dall'Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE):

• nanomateriali (produzione e proprietà);
• nanoprocessi (applicazioni su scala nanometrica - i biomateriali appartengono alla biotecnologia industriale).

3. I nanomateriali sono tutti i materiali in cui sono presenti strutture regolari a livello molecolare, cioè non superiore a 100 nanometri.

Tale limite può riferirsi alla dimensione dei domini come unità base della microstruttura, oppure allo spessore degli strati ottenuti o depositati sul substrato. In pratica, il limite al di sotto del quale viene attribuito ai nanomateriali è diverso per i materiali con diverse proprietà prestazionali - è principalmente associato alla comparsa di proprietà specifiche quando viene superato. Riducendo le dimensioni delle strutture ordinate dei materiali, è possibile migliorare significativamente le loro proprietà fisico-chimiche, meccaniche e di altro tipo.

I nanomateriali possono essere suddivisi nei seguenti quattro gruppi:

• zero-dimensionale (dot nanomaterials) - ad esempio punti quantici, nanoparticelle d'argento;
• unidimensionale – ad esempio, nanofili metallici o semiconduttori, nanotubi, nanofibre polimeriche;
• bidimensionale – ad esempio, strati nanometrici di tipo monofase o multifase, grafene e altri materiali dello spessore di un atomo;
• tridimensionale (o nanocristallino) - sono costituiti da domini cristallini e accumuli di fasi con dimensioni dell'ordine di nanometri o compositi rinforzati con nanoparticelle.