Historia wynalazków - nanotechnologia

Witraż w kościele

VI-XV w. W barwnikach stosowanych w tym okresie przy kolorowaniu witraży wykorzystuje się nanocząsteczki chlorku złota, chlorków innych metali, a także tlenków metalicznych.

IX-XVII w. W wielu miejscach w Europie wytwarza się "błyszcze" i inne substancje, nadające połysk ceramice oraz innym wyrobom. Zawierały nanocząsteczki metali, najczęściej srebra lub miedzi.

XIII-XVIII w. Produkowana w tych stuleciach "stal damasceńska", z której wytwarzano cenioną na całym świecie broń białą, zawiera nanorurki węglowe oraz nanowłókna cementytu.

1857 Michael Faraday odkrywa koloidalne złoto o barwie rubinowej, charakterystycznej dla nanocząsteczek złota.

1936 Erwin Müller, pracując w laboratoriach Siemensa, wynajduje mikroskop polowy/projektor elektronowy (field emission microscope) - najprostszą formę emisyjnego mikroskopu elektronowego. W mikroskopie tym silne pole elektryczne jest wykorzystane do emisji polowej i uzyskania obrazu.

1950 Victor La Mer i Robert Dinegar tworzą teoretyczne podstawy techniki produkcji monodyspersyjnych materiałów koloidalnych. Pozwoliła ona na wytwarzanie na skalę przemysłową specjalnych typów papieru, farb i cienkich błon.

1956 Arthur von Hippel z Massachusetts Institute of Technology (MIT) wymyśla termin "inżynieria molekularna".

1960 Wypłacenie pierwszej nagrody było dla Feynmana rozczarowaniem. Wyobrażał sobie, że realizacja postawionych przez niego celów będzie wymagała dokonania przełomu technologicznego, tymczasem nie docenił ówczesnych możliwości mikroelektroniki. Laureatem został 35-letni inżynier William H. McLellan. Stworzył silnik ważący 250 mikrogramów, o mocy 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho i John Arthur opracowują metodę epitaksji. Pozwala ona tworzyć powierzchniowe warstwy jednoatomowe techniką półprzewodnikową - wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, powielając układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża. Odmianą epitaksji jest epitaksja związków molekularnych, umożliwiająca nanoszenie warstw krystalicznych o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Technika ta jest wykorzystywana w produkcji kropek kwantowych oraz tzw. cienkich warstw.

1974 Wprowadzenie terminu "nanotechnologia". Po raz pierwszy użył go badacz z Uniwersytetu w Tokio, Norio Taniguchi – podczas konferencji naukowej. Definicja japońskiego fizyka nadal pozostaje w użyciu, a brzmi: "Nanotechnologia jest produkcją z wykorzystaniem technologii w celu osiągnięcia bardzo wysokiej dokładności i wyjątkowo małych wymiarów, tzn. precyzji rzędu 1 nm".

Wizualizacja kropli kwantowej

Lata 80. i 90. XX w. Okres gwałtownego rozwoju technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów. Pierwsza z nich, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), to technika osadzania warstw na powierzchni materiałów poprzez stosowanie związków metaloorganicznych w formie gazowej. Jest to jedna z metod epitaksjalnych, stąd jej alternatywna nazwa - MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). Druga technika, MBE, umożliwia osadzanie bardzo cienkich warstw rzędu nanometrów, o ściśle określonym składzie chemicznym i precyzyjnym rozkładzie profilu koncentracji domieszki. Możliwe jest to dzięki doprowadzaniu do podłoża składników warstwy oddzielnymi wiązkami molekularnymi.

1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer budują skaningowy mikroskop tunelowy. Wykorzystując siły oddziaływań międzyatomowych, umożliwia on uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki. W 1989 r. urządzenie wykorzystano do manipulowania pojedynczymi atomami. Binnig i Rohrer otrzymali w 1986 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

1985 Louis Brus z Bell Labs odkrywa koloidalne nanokryształy półprzewodnikowe (kropki kwantowe). Określa się nimi niewielki obszar przestrzeni, ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki.

Okładka książki K. Erica Drexlera "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology"

1985 Robert Floyd Curl Jr., Harold Walter Kroto i Richard Errett Smalley odkrywają fulereny, cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla (od 28 do ok. 1500), tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Właściwości chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Fuleren C60, czyli buckminsterfulleren, podobnie jak inne fulereny, jest odmianą alotropową węgla.

1986-1992 K. Eric Drexler publikuje dwie ważne książki futurologiczne popularyzujące nanotechnologię. Pierwsza, wydana w 1986 r., to "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology". Przewiduje w niej m.in., że nadchodzące technologie będą w stanie manipulować w kontrolowany sposób pojedynczymi atomami. W 1992 r. wydaje dzieło "Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation Idea", które przewiduje z kolei, iż nanomaszyny mogłyby się same reprodukować.

1989 Donald M. Eigler z firmy IBM układa napis "IBM" - z 35 atomów ksenonu na powierzchni niklu.

1993 Warren Robinett z University of North Carolina i R. Stanley Williams z University of California w Los Angeles budują układ rzeczywistości wirtualnej, połączony ze skaningowym mikroskopem tunelowym, który pozwala użytkownikowi widzieć atomy - a nawet ich dotykać.

1998 Zespół Ceesa Dekkera z Politechniki w Delft w Holandii tworzy tranzystor wykorzystujący nanorurki węglowe. Naukowcy próbują odtąd spożytkować unikalne własności nanorurek węglowych do produkcji lepszej i szybszej elektroniki, zużywającej mniej energii elektrycznej. Ograniczał to szereg czynników, z których część stopniowo udało się pokonać, dzięki czemu w 2016 r. badacze z University of Wisconsin-Madison stworzyli węglowy tranzystor o parametrach lepszych niż najlepszy z krzemowych prototypów. Badania kierowane przez Michaela Arnolda i Padmę Gopalan pozwoliły na opracowanie takiego tranzystora z nanorurek węglowych, który umożliwił przeniesienie prądu dwukrotnie większego niż jego krzemowy konkurent.

2003 Samsung patentuje zaawansowaną technologię Silver Nano Health System - opartą na działaniu mikroskopijnych jonów srebra, niszczącą zarazki, pleśń i ponad sześćset rodzajów bakterii, zapobiegającą również ich rozprzestrzenianiu. Cząsteczki srebra wprowadzone zostały do najważniejszych systemów filtracji w odkurzaczu tej firmy - wszystkich filtrów i pojemnika lub worka na kurz.

2004 Brytyjskie Towarzystwo Królewskie oraz Królewska Akademia Inżynieryjna publikują raport "Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties", nawołujący do badań nad potencjalnymi zagrożeniami nanotechnologii dla zdrowia, środowiska naturalnego i społeczeństwa, z uwzględnieniem aspektów etycznych i prawnych.

Model nanowozu na fulerenowych kołach

2006 James Tour wraz z zespołem naukowców z Uniwersytetu Rice University konstruuje mikroskopijny "wóz" z cząsteczki oligo(fenylenoetynylenu), z osiami z atomów aluminium i kołami z cząsteczek fulerenów C60. Nanopojazd poruszał się na powierzchni z atomów złota, pod wpływem wzrostu temperatury, dzięki obrotom fulerenowych "kół". Powyżej temperatury 300°C przyspieszał tak bardzo, że chemicy nie byli zdolni już go śledzić...

2007 Nanotechnolodzy z Technionu umieścili cały hebrajski "Stary Testament" na obszarze zaledwie 0,5 mm² pokrytej złotem krzemowej płytki. Tekst został wyryty przez skierowanie na płytkę skupionego strumienia jonów galu.

2009–2010 Nadrian Seeman z kolegami z Uniwersytetu Nowojorskiego tworzą serię podobnych do struktur DNA nanomontowni, w której syntetyczne struktury DNA mogą być programowane do "produkcji" innych struktur o pożądanych kształtach i właściwościach.

2013 Naukowcy z IBM tworzą animowany film, który można obejrzeć dopiero po powiększeniu 100 mln razy. Nosi tytuł "Chłopiec i jego atom", a narysowany został za pomocą dwuatomowych kropeczek rozmiaru miliardowej części metra, które są pojedynczymi molekułami tlenku węgla. Kreskówka przedstawia chłopca, który najpierw bawi się piłką, a potem podskakuje na trampolinie. Jedna z molekuł gra też rolę piłki. Cała akcja rozgrywa się na miedzianej powierzchni, a każda klatka filmu ma rozmiar nie większy niż kilkadziesiąt nanometrów.

Nano-logo IBM

2014 Naukowcom z politechniki ETH w Zurichu udało się wytworzyć porowatą błonę o grubości mniejszej niż jeden nanometr. Grubość otrzymanego drogą manipulacji nanotechnologicznych materiału jest 100 tys. razy mniejsza niż w przypadku ludzkiego włosa. Według opinii członków autorskiego zespołu, to najcieńszy porowaty materiał, jak udało się otrzymać i jaki w ogóle jest możliwy. Składa się z dwóch warstw dwuwymiarowej struktury grafenowej. Błona ma właściwości przepuszczające, ale tylko dla niewielkich cząsteczek, spowalniając lub całkiem zatrzymując te większe.

2015 Powstaje molekularna pompa, urządzenie o rozmiarach w skali nano, które transferuje energię z jednej cząsteczki do drugiej, imitując naturalne procesy. Układ opracowali badacze z Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences. Mechanizm przypomina procesy biologiczne, zachodzące w proteinach. Tego rodzaju technologie mają znaleźć zastosowanie głównie w obszarach biotechnologii i medycyny, np. w sztucznych mięśniach.

2016 Według publikacji w naukowym czasopiśmie "Nature Nanotechnology", pracownicy naukowi z holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft opracowali przełomowe nośniki danych z zapisem na pojedynczych atomach. Nowy sposób zapewniać ma ponad pięćset razy większą gęstość zapisu danych aniżeli jakakolwiek obecnie stosowana technologia. Autorzy zaznaczają, że korzystając z trzywymiarowego modelu układu cząsteczek w przestrzeni, można osiągnąć jeszcze dużo lepsze rezultaty.

Klasyfikacja nanotechnologii i nanomateriałów

1. Do struktur nanotechnologicznych można zaliczyć:

• studnie, druty i kropki kwantowe, czyli różne struktury, które łączy następująca cecha - ograniczenie przestrzenne cząstek w pewnym obszarze poprzez bariery potencjału;
• tworzywa sztuczne, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek, dzięki czemu można np. uzyskiwać materiały o niespotykanych właściwościach mechanicznych;
• sztuczne włókna - materiały o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, również cechujące się niespotykanymi właściwościami mechanicznymi;
• nanorurki, struktury nadcząsteczkowe, mające postać pustych w środku walców. Współcześnie najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których ścianki tworzy zwinięty grafen (jednoatomowe warstwy grafitu). Istnieją także nanorurki niewęglowe (m.in. z siarczku wolframu) oraz utworzone z DNA;
• materiały rozdrobnione do postaci pyłu, o ziarnach będących np. klasterami atomów metalu. Na masową skalę wykorzystywane jest w tej postaci srebro (Silver Nano Health System) z silnymi właściwościami antybakteryjnymi;
• nanodruty (np. srebra lub miedzi);
• elementy kształtowane za pomocą elektronolitografii i innych metod nanolitograficznych;
• fulereny;
• grafen oraz pozostałe materiały dwuwymiarowe (borofen, grafan, heksagonalny azotek boru, silicen, germanen, siarczek molibdenu);
• materiały kompozytowe wzmacniane nanocząstkami.

Powierzchnia nanolitograficzna

2. Podział nanotechnologii w systematyce nauk opracowanej w 2004 r. przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD):

• nanomateriały (produkcja i właściwości);
• nanoprocesy (zastosowania w nanoskali - biomateriały należą do biotechnologii przemysłowej).

3. Nanomateriały to wszelkie materiały, w których występują regularne struktury na poziomie molekularnym, tj. nieprzekraczające 100 nanometrów.

Granica ta może dotyczyć wielkości domen jako podstawowej jednostki mikrostruktury, czy grubości warstw wytworzonych lub nałożonych na podłożu. W praktyce granica, poniżej której mówi się o nanomateriałach, jest różna dla materiałów o różnych właściwościach użytkowych - na ogół wiąże się to z pojawieniem się szczególnych właściwości po jej przekroczeniu. Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów, da się znacznie poprawić ich właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne itp.

Nanomateriały można podzielić na następujące cztery grupy:

• zerowo-wymiarowe (nanomateriały punktowe) - np. kropki kwantowe, nanocząstki srebra;
• jednowymiarowe - np. nanodruty metali lub półprzewodników, nanopręty, nanowłókna polimerowe;
• dwuwymiarowe - np. warstwy o grubości nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego, grafen oraz inne materiały o grubości jednego atomu;
• trójwymiarowe (albo nanokrystaliczne) - złożone z krystalicznych domen i klasterów faz o wymiarach rzędu nanometrów lub też kompozyty wzmacniane nanocząstkiami.

Mirosław Usidus