Istoria nanotehnologiei

Deși nanotehnologia este o dezvoltare relativ recentă în cercetarea științifică , avansarea conceptelor sale de bază are loc pe o perioadă mai lungă de timp.

Prezentare generală

În 1965 , Gordon Moore , unul dintre fondatorii companiei Intel , a făcut predicția incredibilă că numărul de tranzistoare care ar putea fi aduse într-o zonă dată se va dubla la fiecare 18 luni în următorii zece ani. S-a întâmplat cu adevărat, iar fenomenul a devenit cunoscut sub numele de Legea lui Moore . Această tendință a continuat mult dincolo de cei zece ani prevăzuți până în prezent, trecând de la puțin peste 2.000 de tranzistoare în procesoarele originale 4004 din 1971 la peste 700.000.000 de tranzistoare în Core 2 . A existat, desigur, o scădere corespunzătoare a dimensiunii elementelor electronice individuale, de la milimetri în anii 1960 la sute de nanometri în componentele circuitelor moderne.

În același timp, comunitățile de chimie , biochimie și genetică moleculară s-au deplasat într-o altă direcție. În aceeași perioadă, a devenit foarte posibil să se țintească sinteza, fie în eprubete, fie în organisme vii modificate.

În cele din urmă, ultimul sfert de secol a înregistrat progrese incredibile în capacitatea noastră de a controla și manipula lumina. Putem genera astfel de impulsuri de lumină scurte de câteva femtosecunde (1 fs = 10 ⁻¹⁵ s). Lumina are, de asemenea, o dimensiune și această dimensiune este menționată și pe o scară de sute de nanometri.

Așadar, acum, la începutul unui nou secol, trei tehnologii puternice s-au reunit pe o scară comună - nano-scara - cu promisiunea de a revoluționa atât lumea electronică, cât și biologia. Acest nou domeniu, pe care îl numim nanotehnologie biomoleculară, atrage multe posibilități din cercetarea fundamentală în biologie moleculară și biofizică pentru aplicații în biosenzori, luptă biologică , bioinformatică, genomică, medicină, utilizarea computerului, stocarea informațiilor și în conversia energiei.

Fundal istoric

Oamenii au folosit, fără să știe, nanotehnologia de mii de ani, de exemplu în siderurgie, vopsele și vulcanizarea cauciucului. ^[1] Fiecare dintre aceste procese depinde de proprietățile complexelor atomice care formează stocastic dimensiuni reale nanometre și sunt distincte de chimie prin faptul că nu depind de proprietățile moleculelor unice. Dar dezvoltarea corpului de concepte clasificate acum sub termenul de nanotehnologie a fost mai lentă.

Prima mențiune a unora dintre conceptele deosebite din nanotehnologie (dar care precede utilizarea acestui nume) vine în 1867 cu James Clerk Maxwell când a propus ca experiment de gândire o entitate mică cunoscută sub numele de Demon al lui Maxwell capabilă să se ocupe de molecule unice.

Primele observații și măsurători ale dimensiunii nano-particulelor au fost făcute în timpul primului deceniu al secolului XX, asociate în principal cu Richard Adolf Zsigmondy, care a făcut un studiu detaliat al soluțiilor coloidale de aur și alte nanomateriale cu dimensiuni sub 10 nm și mai mult. A publicat o carte în 1914. ^[2] . El a folosit ultramicroscopul care a folosit metoda câmpului întunecat pentru a vedea particule mult mai mici decât lungimea de undă a luminii . Zsigmondy a fost, de asemenea, primul care a folosit nanometrul în mod explicit pentru a caracteriza dimensiunea particulelor. El l-a determinat ca 1 / 1.000.000 de milimetru . El a dezvoltat primul sistem de clasificare bazat pe dimensiunea particulelor în domeniul nanometrilor.

Au existat multe evoluții semnificative în secolul al XX-lea în caracterizarea nanomaterialelor și a fenomenelor conexe, aparținând domeniului interfeței și al științei coloidale . În anii 1920 , Irving Langmuir și Katharine Burr Blodgett au introdus conceptul de monostrat , un strat de material gros (ca) o moleculă. Langmuir a câștigat Premiul Nobel pentru chimie cu această lucrare a sa. La începutul anilor 1950 , Derjaguin și Abrikosova au efectuat prima măsurare a forțelor de suprafață ^[3] .

Au existat multe studii privind structurile coloidale periodice și principiile de auto-asamblare moleculară care sunt revizuite în eseu ^[4] . Multe alte descoperiri servesc drept bază științifică pentru nanotehnologia modernă, care poate fi consultată în „Fundamentals of Interface and Colloid Science” de H. Lyklema ^[5] .

Origini conceptuale

Tema nanotehnologiei a fost abordată din nou în There Plenty of Space Down Below , un discurs susținut de fizicianul Richard Feynman la o prelegere a Societății Americane de Fizică ținută la Caltech la 29 decembrie 1959. Feynman a descris un proces prin care abilitatea de a manipula atomi singuri iar moleculele ar putea fi dezvoltate, folosind un set de instrumente precise pentru a construi și a opera un alt set proporțional mai mic, deci până la scara necesară. În cursul acestui lucru, el a remarcat, că problemele legate de absolvire ar apărea din magnitudinea schimbătoare a diferitelor fenomene fizice: gravitația va deveni mai puțin importantă, tensiunea superficială și atracția van der Waals ar deveni mai importante etc. Această idee de bază pare fezabilă, iar asamblarea exponențială o mărește cu paralelism pentru a produce o cantitate utilă de produse finale. La conferință, Feynman a anunțat două provocări, oferind suma de 1.000 de dolari oricui le rezolvă mai întâi pe fiecare. Prima provocare a implicat construirea unui nanomotor , care, surprinzând Feynman, a fost obținut în noiembrie 1960 de William McLellan . A doua provocare a implicat posibilitatea de a scala literele suficient de mici pentru a se potrivi întreaga Enciclopedie Britanică pe capul unui știft; acest premiu a fost revendicat în 1985 de Tom Newman . ^[6]

În 1965, Gordon Moore a observat că tranzistoarele de siliciu au suferit un proces continuu de miniaturizare, o observație care a fost ulterior codificată de legea lui Moore . Între timp, dimensiunea minimă a tranzistorului a scăzut de la 10 micrometri la 45-65 nm în 2007 ; un obiect minim are deci 180 de atomi de siliciu. În a doua jumătate a anului 2011, micoroprocesoarele bazate pe tehnologii de 32 nm sunt pe piață, în timp ce studiile pentru producerea de tranzistoare de 22 nm se află într-un stadiu avansat.

Termenul „nanotehnologie” a fost definit pentru prima dată de Norio Taniguchi de la Universitatea Științifică din Tokyo într-un document din 1974 ^[7] după cum urmează: „„ Nano-tehnologie ”constă în principal în procesarea separării, consolidării și deformării materialelor dintr-un atom sau o moleculă ". De atunci, definiția nanotehnologiei a fost în general extinsă pentru a include caracteristici de ordinul a 100 nm. Mai mult, ideea că nanotehnologia include structuri care prezintă aspecte ale mecanicii cuantice , precum punctele cuantice , și-a dezvoltat în continuare definiția.

Tot în 1974, procesul de depunere a stratului atomic , pentru a depune pelicule subțiri uniforme câte un strat atomic la un moment dat, a fost dezvoltat și brevetat de Dr. Tuomo Suntola și colaboratorii din Finlanda.

În anii 1980 , ideea nanotehnologiei ca tratament determinist , mai degrabă decât stocastic , a atomilor și moleculelor unice a fost explorată conceptual în profunzime de către Dr. K. Eric Drexler , care a promovat importanța tehnologică a fenomenelor și mediilor nano-scară, prin discursuri și cărți de creație Motoare: a fost venirea nanotehnologiei (Motoare de creație: era viitoare a nanotehnologiei) și a nanosistemelor: mașini moleculare, producție și calcul, depusă pe 8 octombrie 2019 în arhiva Internet ., ( ISBN 0- 471-57518-6 ). Ideea nanotehnologiei Drexler este adesea denumită „ nanotehnologie moleculară ” (MNT, Molecular NanoTechnology) sau „fabricare moleculară”, iar Drexler a propus la un moment dat termenul de „zettatech” care nu a devenit niciodată popular.

În 2004, Richard Jones a scris o carte populară despre nanotehnologie numită Soft Machines (nanotehnologie și viață), publicată de Universitatea Oxford. În această carte, el a descris nanotehnologia radicală ca o idee deterministă / mecanicistă a nano-mașinilor proiectate care nu iau în considerare provocările la scară nanometrică, cum ar fi cele de umiditate, rigiditate, mișcare browniană, vâscozitate ridicată (expunerea lui Drexler). El a explicat, de asemenea, ce este nanotehnologia moale sau, mai adecvat, nanotehnologia biomimetică, care este cel mai avansat, dacă nu chiar cel mai bun mod de a proiecta nanodispozitive funcționale care să poată rezolva toate problemele legate de nano-scară. Vă puteți gândi la nanotehnologia moale ca la dezvoltarea de nanomașini care utilizează lecțiile învățate din biologie despre cum funcționează lucrurile, chimia pentru a proiecta cu precizie astfel de dispozitive și fizica stocastică pentru a modela sistemul și procesele sale naturale în detaliu.

Progrese experimentale

Nanotehnologia și nanoștiința au avut un impuls la începutul anilor '80, cu alte două dezvoltări: nașterea științei clusterului și invenția microscopului de scanare cu tunel (STM, Scanning Tunneling Microscope). Această dezvoltare a dus la descoperirea fulerenelor în 1985 și la sarcina structurală a nanotuburilor de carbon câțiva ani mai târziu. Într-o altă dezvoltare, s-au investigat sinteza și proprietățile nanocristalelor semiconductoare. Aceasta a produs o creștere rapidă a numărului de nanoparticule cuantice cu semiconductori .

La începutul anilor 1990, Huffman și Kraetschmer de la Universitatea din Arizona au descoperit cum să sintetizeze și să purifice cantități mari de fulereni, deschizând ușa caracterizării și funcționalizării lor pentru sute de cercetători din laboratoare de administrație și industriale. La scurt timp după aceea, s-a descoperit că rubidiul dopat cu C60 era un superconductor cu temperatură medie (Tc = 32 K). La o întâlnire a Societății de Cercetare a Materialelor din 1992, T. Ebbesen (NEC) a descris descoperirea și caracterizarea nanotuburilor de carbon către un public încântat. Folosind aceleași instrumente sau similare cu cele ale lui Huffman și Kratschmere, sute de cercetători au dezvoltat în continuare domeniul nanotehnologiei bazate pe nanotuburi.

În 2007 , practica nanotehnologiei îmbrățișează atât abordări stocastice (cu care, de exemplu, chimia supramoleculară creează pantaloni impermeabili), cât și abordări deterministe în care molecule unice (create de chimia stocastică) sunt manipulate pe suprafețele substratului (create prin metode de aranjare stocastică) prin mijloace a metodelor deterministe, împingându-le cu sonde STM sau AFM și provocând liganzi sau reacții de clivaj . Visul unei nanotehnologii moleculare complexe, deterministe, rămâne vagă. Începând cu mijlocul anilor 1990 , mii de cercetători în domeniul științelor de suprafață și tehnocrați cu film subțire au îmbrățișat cauza nanotehnologiei prin redefinirea disciplinelor lor ca nanotehnologie. Acest lucru a provocat o mare confuzie în domeniul specific și a generat mii de documente referitoare la „nano” în literatura de specialitate revizuită. Majoritatea acestor relații sunt extensii ale căutării mai obișnuite efectuate în câmpurile sursă.

Pentru viitor, încercăm să găsim câteva mijloace pentru evoluția proiectării MNT la scară nanometică care imită procesul de evoluție biologică la scară moleculară. Evoluția biologică se desfășoară prin variația aleatorie a agregatelor medii ale organismelor combinate care colectează cele mai puțin reușite variante cu cele mai favorabile reproducerii; proiectele de inginerie macroscală continuă, de asemenea, printr-un proces de evoluție a proiectului, de la simplitate la complexitate așa cum a fost stabilit uneori ironic de John Gall : „un sistem complex care funcționează invariabil se găsește evoluând dintr-un sistem simplu care a funcționat ... Un sistem complex slab conceput ( zero ) nu funcționează niciodată și nu poate fi reparat ca să funcționeze. Trebuie să începeți mai departe, începând cu un sistem care funcționează. " ^[8] Un pas semnificativ în MNT este necesar pentru a proceda din agregatele atomice simple cu care, de exemplu, un STM pentru sistemele complexe ale MNT poate fi construit printr-un proces de evoluție a proiectării. Un handicap în acest proces este dificultatea de a vedea și de a compara manipularea la nanoscală cu macroscala prin crearea unei selecții deterministe de experimente greu de reușit; dimpotrivă, evoluția biologică se desfășoară prin acțiunea a ceea ce Richard Dawkins a numit "ceasornicar orb" (ceasornicar orb) ^[9] cuprinzând variația moleculară aleatorie și reproducerea / dispariția deterministă.

Notă