Geschichte der Erfindungen - Nanotechnologie

Bereits um 600 v. Chr. Menschen stellten Nanostrukturen her, also Zementitstränge in Stahl, genannt Wootz. Dies geschah in Indien und kann als Beginn der Geschichte der Nanotechnologie angesehen werden.

VI-XV Jh. Die in dieser Zeit zum Bemalen von Buntglasfenstern verwendeten Farbstoffe verwenden Goldchlorid-Nanopartikel, Chloride anderer Metalle sowie Metalloxide.

IX-XVII Jahrhunderte Vielerorts in Europa werden „Glitzer“ und andere Stoffe hergestellt, um Keramik und anderen Produkten Glanz zu verleihen. Sie enthielten Nanopartikel aus Metallen, am häufigsten Silber oder Kupfer.

XIII-XVIII w. Der in diesen Jahrhunderten produzierte „Damaststahl“, aus dem die weltberühmten weißen Waffen hergestellt wurden, enthält Kohlenstoffnanoröhren und Zementit-Nanofasern.

1857 Michael Faraday entdeckt rubinrotes kolloidales Gold, charakteristisch für Goldnanopartikel.

1931 Max Knoll und Ernst Ruska bauen in Berlin ein Elektronenmikroskop, das erste Gerät, das die Struktur von Nanopartikeln auf atomarer Ebene sichtbar macht. Je größer die Energie der Elektronen, desto kürzer ist ihre Wellenlänge und desto höher ist die Auflösung des Mikroskops. Die Probe befindet sich im Vakuum und ist meist mit einer Metallfolie bedeckt. Der Elektronenstrahl durchdringt das Prüfobjekt und gelangt in die Detektoren. Basierend auf den gemessenen Signalen erstellen die elektronischen Geräte das Bild des Prüflings.

1936 Erwin Müller erfindet in den Siemens-Laboratorien das Feldemissionsmikroskop, die einfachste Form eines Emissionselektronenmikroskops. Dieses Mikroskop nutzt ein starkes elektrisches Feld zur Feldemission und Bildgebung.

1950 Victor La Mer und Robert Dinegar schaffen die theoretischen Grundlagen für die Technik zur Gewinnung monodisperser kolloidaler Materialien. Dies ermöglichte die Herstellung spezieller Papiersorten, Farben und dünner Folien im industriellen Maßstab.

1956 Arthur von Hippel vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) prägte den Begriff „Molecular Engineering“.

1959 Richard Feynman hält einen Vortrag zum Thema „Da unten ist reichlich Platz.“ Er begann damit, sich vorzustellen, was nötig wäre, um eine 24-bändige Encyclopædia Britannica auf einen Stecknadelkopf zu bringen, und stellte dann das Konzept der Miniaturisierung und die Möglichkeit vor, Technologien zu verwenden, die auf Nanometerebene funktionieren könnten. Aus diesem Anlass richtete er zwei Auszeichnungen (die sogenannten Feynman-Preise) für Leistungen auf diesem Gebiet ein – jeweils eintausend Dollar.

1960 Die Auszahlung des ersten Preises enttäuschte Feynman. Er ging davon aus, dass ein technologischer Durchbruch nötig sei, um seine Ziele zu erreichen, doch er unterschätzte damals das Potenzial der Mikroelektronik. Der Gewinner war der 35-jährige Ingenieur William H. McLellan. Er schuf einen Motor mit einem Gewicht von 250 Mikrogramm und einer Leistung von 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho und John Arthur entwickeln das Epitaxie-Verfahren. Es ermöglicht die Bildung monoatomarer Oberflächenschichten unter Verwendung der Halbleitertechnologie – das Wachstum neuer Einkristallschichten auf einem bestehenden kristallinen Substrat, wodurch die Struktur des bestehenden kristallinen Substratsubstrats dupliziert wird. Eine Variante der Epitaxie ist die Epitaxie von molekularen Verbindungen, die es ermöglicht, kristalline Schichten mit einer Dicke von einer Atomlage abzuscheiden. Dieses Verfahren wird bei der Herstellung von Quantenpunkten und sogenannten dünnen Schichten verwendet.

1974 Einführung des Begriffs „Nanotechnologie“. Es wurde erstmals vom Forscher Norio Taniguchi von der Universität Tokio auf einer wissenschaftlichen Konferenz verwendet. Die Definition der japanischen Physik ist bis heute gebräuchlich und lautet wie folgt: „Nanotechnologie ist eine Produktion unter Verwendung einer Technologie, die es ermöglicht, eine sehr hohe Genauigkeit und extrem kleine Größen zu erreichen, d. h. Genauigkeit in der Größenordnung von 1 nm.

Visualisierung eines Quantentropfens

80er und 90er Jahre Die Zeit der rasanten Entwicklung der Lithographietechnologie und der Herstellung ultradünner Kristallschichten. Die erste Methode, MOCVD(), ist eine Methode zur Abscheidung von Schichten auf der Oberfläche von Materialien mithilfe gasförmiger metallorganischer Verbindungen. Dies ist eine der epitaktischen Methoden, daher der alternative Name – MOSFE(). Die zweite Methode, MBE, ermöglicht die Abscheidung sehr dünner Nanometerschichten mit einer genau definierten chemischen Zusammensetzung und einer präzisen Verteilung des Verunreinigungskonzentrationsprofils. Dies ist dadurch möglich, dass die Schichtbestandteile durch getrennte Molekularstrahlen dem Substrat zugeführt werden.

1981 Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickeln das Rastertunnelmikroskop. Mithilfe der Kräfte interatomarer Wechselwirkungen können Sie ein Bild der Oberfläche mit einer Auflösung in der Größenordnung der Größe eines einzelnen Atoms erhalten, indem Sie die Klinge über oder unter der Oberfläche der Probe bewegen. 1989 wurde das Gerät zur Manipulation einzelner Atome eingesetzt. Binnig und Rohrer erhielten 1986 den Nobelpreis für Physik.

1985 Louis Brus von Bell Labs entdeckt kolloidale Halbleiter-Nanokristalle (Quantenpunkte). Sie werden als kleiner Raumbereich definiert, der in drei Dimensionen durch potenzielle Barrieren begrenzt wird, wenn ein Teilchen mit einer Wellenlänge, die mit der Größe eines Punkts vergleichbar ist, eintritt.

Cover des Buches Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology von C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl Jr., Harold Walter Kroto und Richard Erret Smalley entdecken Fullerene, Moleküle aus einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen (von 28 bis etwa 1500), die einen geschlossenen Hohlkörper bilden. Die chemischen Eigenschaften von Fullerenen ähneln in vielerlei Hinsicht denen aromatischer Kohlenwasserstoffe. Fulleren C60 oder Buckminsterfulleren ist wie andere Fullerene eine allotrope Form von Kohlenstoff.

1986-1992 C. Eric Drexler veröffentlicht zwei wichtige Bücher zur Zukunftsforschung, die die Nanotechnologie populär machen. Das erste erschien 1986 und trägt den Titel „Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology“. Er prognostiziert unter anderem, dass zukünftige Technologien in der Lage sein werden, einzelne Atome kontrolliert zu manipulieren. Im Jahr 1992 veröffentlichte er Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, in dem wiederum vorhergesagt wurde, dass Nanomaschinen sich selbst reproduzieren könnten.

1989 Donald M. Aigler von IBM bringt das Wort "IBM" - bestehend aus 35 Xenon-Atomen - auf eine Nickeloberfläche.

1991 Sumio Iijima vom NEC in Tsukuba, Japan, entdeckt Kohlenstoffnanoröhren, hohle zylindrische Strukturen. Am bekanntesten sind bislang Kohlenstoffnanoröhren, deren Wände aus gewalztem Graphen bestehen. Es gibt auch Nicht-Kohlenstoff-Nanoröhren und DNA-Nanoröhren. Die dünnsten Kohlenstoffnanoröhren haben einen Durchmesser in der Größenordnung von einem Nanometer und können millionenfach länger sein. Sie verfügen über eine bemerkenswerte Zugfestigkeit und einzigartige elektrische Eigenschaften und sind ausgezeichnete Wärmeleiter. Diese Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Materialien für Anwendungen in der Nanotechnologie, Elektronik, Optik und Materialwissenschaft.

1993 Warren Robinett von der University of North Carolina und R. Stanley Williams von der University of California in Los Angeles bauen ein Virtual-Reality-System auf, das mit einem Rastertunnelmikroskop verbunden ist und es dem Benutzer ermöglicht, Atome zu sehen und sogar zu berühren.

1998 Das Team von Cees Dekker an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden baut einen Transistor, der Kohlenstoffnanoröhren nutzt. Derzeit versuchen Wissenschaftler, die einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren zu nutzen, um bessere und schnellere Elektronik herzustellen, die weniger Strom verbraucht. Dies wurde durch eine Reihe von Faktoren eingeschränkt, von denen einige nach und nach überwunden wurden, was Forscher der University of Wisconsin-Madison 2016 dazu veranlasste, einen Kohlenstofftransistor mit besseren Parametern als die besten Siliziumprototypen zu entwickeln. Forschungen von Michael Arnold und Padma Gopalan führten zur Entwicklung eines Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistors, der doppelt so viel Strom transportieren kann wie sein Silizium-Konkurrent.

2003 Samsung patentiert eine fortschrittliche Technologie, die auf der Wirkung mikroskopisch kleiner Silberionen basiert und Keime, Schimmel und mehr als sechshundert Arten von Bakterien zerstört und deren Ausbreitung verhindert. Silberpartikel wurden in die wichtigsten Filtersysteme des Unternehmens eingebracht – alle Filter und den Staubsammler bzw. -beutel.

2004 Die britische Royal Society und die Royal Academy of Engineering veröffentlichen den Bericht „Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties“, in dem sie dazu aufrufen, die potenziellen Risiken der Nanotechnologie für Gesundheit, Umwelt und Gesellschaft unter Berücksichtigung ethischer und rechtlicher Aspekte zu erforschen.

Nanomotormodell auf Fullerenrädern

2006 James Tour konstruiert zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern der Rice University einen mikroskopisch kleinen „Van“ aus einem Oligo (Phenylenethinylen)-Molekül, dessen Achsen aus Aluminiumatomen und die Räder aus C60-Fullerenen bestehen. Das Nanovehikel bewegte sich unter dem Einfluss eines Temperaturanstiegs aufgrund der Rotation von Fulleren-„Rädern“ über die aus Goldatomen bestehende Oberfläche. Ab einer Temperatur von 300 °C beschleunigte es sich so stark, dass Chemiker es nicht mehr verfolgen konnten ...

2007 Technion-Nanotechnologen bringen das gesamte jüdische „Alte Testament“ auf eine Fläche von nur 0,5 mm² vergoldeter Siliziumwafer. Der Text wurde eingraviert, indem ein fokussierter Strom von Galliumionen auf die Platte gerichtet wurde.

2009-2010 Nadrian Seaman und Kollegen von der New York University erschaffen eine Reihe DNA-ähnlicher Nanomounts, in denen synthetische DNA-Strukturen so programmiert werden können, dass sie andere Strukturen mit gewünschten Formen und Eigenschaften „erzeugen“.

2013 IBM-Wissenschaftler erstellen einen Animationsfilm, der erst nach 100-Millionen-facher Vergrößerung angesehen werden kann. Es heißt „Der Junge und sein Atom“ und besteht aus zweiatomigen Punkten mit einer Größe von einem Milliardstel Meter, bei denen es sich um einzelne Kohlenmonoxidmoleküle handelt. Der Cartoon zeigt einen Jungen, der zunächst mit einem Ball spielt und dann auf ein Trampolin springt. Eines der Moleküle spielt auch die Rolle einer Kugel. Die gesamte Aktion findet auf einer Kupferoberfläche statt und die Größe jedes Filmbildes überschreitet nicht mehrere zehn Nanometer.

2014 Wissenschaftlern der Technischen Hochschule ETH Zürich ist es gelungen, eine poröse Membran mit einer Dicke von weniger als einem Nanometer herzustellen. Die Dicke des durch nanotechnologische Manipulation gewonnenen Materials beträgt 100 XNUMX. mal kleiner als die eines menschlichen Haares. Den Mitgliedern des Autorenteams zufolge handelt es sich dabei um das dünnste poröse Material, das überhaupt erhältlich und überhaupt möglich ist. Es besteht aus zwei Schichten einer zweidimensionalen Graphenstruktur. Die Membran ist durchlässig, jedoch nur für kleine Partikel, während sie größere Partikel verlangsamt oder vollständig einfängt.

2015 Es entsteht eine Molekularpumpe, ein nanoskaliges Gerät, das Energie von einem Molekül auf ein anderes überträgt und so natürliche Prozesse nachahmt. Das Layout wurde von Forschern des Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences entworfen. Der Mechanismus erinnert an biologische Prozesse in Proteinen. Es wird erwartet, dass solche Technologien vor allem in den Bereichen Biotechnologie und Medizin Anwendung finden, beispielsweise bei künstlichen Muskeln.

2016 Laut einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology haben Forscher der niederländischen Technischen Universität Delft bahnbrechende Einzelatom-Speichermedien entwickelt. Die neue Methode soll eine mehr als fünfhundertmal höhere Speicherdichte bieten als jede derzeit eingesetzte Technologie. Die Autoren weisen darauf hin, dass mit einem dreidimensionalen Modell der Position von Partikeln im Raum noch bessere Ergebnisse erzielt werden können.

Klassifizierung von Nanotechnologien und Nanomaterialien

1. Zu den nanotechnologischen Strukturen gehören:

• Quantentöpfe, Drähte und Punkte, d.h. verschiedene Strukturen, die folgendes Merkmal vereinen - die räumliche Begrenzung von Partikeln in einem bestimmten Bereich durch potentielle Barrieren;
• Kunststoffe, deren Struktur auf der Ebene einzelner Moleküle gesteuert wird, wodurch es beispielsweise möglich ist, Materialien mit beispiellosen mechanischen Eigenschaften zu erhalten;
• Kunstfasern – Materialien mit einer sehr präzisen Molekularstruktur, die sich auch durch ungewöhnliche mechanische Eigenschaften auszeichnen;
• Nanoröhren, supramolekulare Strukturen in Form von Hohlzylindern. Am bekanntesten sind bislang Kohlenstoffnanoröhren, deren Wände aus gefaltetem Graphen (einatomige Graphitschichten) bestehen. Es gibt auch Nicht-Kohlenstoff-Nanoröhren (zum Beispiel aus Wolframsulfid) und aus DNA;
• In Form von Staub zerkleinerte Materialien, deren Körner beispielsweise Ansammlungen von Metallatomen sind. Silber () mit starken antibakteriellen Eigenschaften wird in dieser Form häufig verwendet;
• Nanodrähte (zum Beispiel Silber oder Kupfer);
• Elemente, die mittels Elektronenlithographie und anderen Nanolithographieverfahren hergestellt wurden;
• Fullerene;
• Graphen und andere zweidimensionale Materialien (Borophen, Graphen, hexagonales Bornitrid, Silicen, Germanen, Molybdänsulfid);
• Mit Nanopartikeln verstärkte Verbundwerkstoffe.

Nanolithografische Oberfläche

2. Die 2004 von der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) entwickelte Einordnung der Nanotechnologien in die Systematik der Wissenschaften:

• Nanomaterialien (Herstellung und Eigenschaften);
• Nanoprozesse (nanoskalige Anwendungen - Biomaterialien gehören zur industriellen Biotechnologie).

3. Unter Nanomaterialien versteht man alle Materialien, in denen auf molekularer Ebene regelmäßige Strukturen vorliegen, also 100 Nanometer nicht überschreiten.

Diese Grenze kann sich auf die Größe der Domänen als Grundeinheit der Mikrostruktur oder auf die Dicke der auf dem Substrat erhaltenen oder abgeschiedenen Schichten beziehen. In der Praxis ist die Grenze, die Nanomaterialien zugeschrieben wird, für Materialien mit unterschiedlichen Leistungseigenschaften unterschiedlich – sie wird hauptsächlich mit dem Auftreten spezifischer Eigenschaften bei Überschreitung in Verbindung gebracht. Durch die Verringerung der Größe der geordneten Strukturen von Materialien ist es möglich, ihre physikalisch-chemischen, mechanischen und anderen Eigenschaften erheblich zu verbessern.

Nanomaterialien lassen sich in die folgenden vier Gruppen einteilen:

• nulldimensional (Punkt-Nanomaterialien) – zum Beispiel Quantenpunkte, Silber-Nanopartikel;
• eindimensional – zum Beispiel Metall- oder Halbleiter-Nanodrähte, Nanostäbchen, Polymer-Nanofasern;
• zweidimensional – zum Beispiel Nanometerschichten vom einphasigen oder mehrphasigen Typ, Graphen und andere Materialien mit einer Dicke von einem Atom;
• dreidimensional (oder nanokristallin) - bestehen aus kristallinen Domänen und Ansammlungen von Phasen mit Größen in der Größenordnung von Nanometern oder Verbundwerkstoffen, die mit Nanopartikeln verstärkt sind.