発明の歴史 - ナノテクノロジー

すでに紀元前600年頃。人々はナノタイプの構造、つまりウーツと呼ばれる鋼鉄のセメンタイトストランドを製造していました。これはインドで起こり、ナノテクノロジーの歴史の始まりと考えられます。

ＶＩ～ＸＶｃ． この時代にステンドグラスの窓を描くために使用された染料には、塩化金のナノ粒子、他の金属の塩化物、および金属酸化物が使用されていました。

IX～XVII世紀 ヨーロッパの多くの場所では、陶器やその他の製品に輝きを与える「グリッター」やその他の物質が生産されています。それらには金属、ほとんどの場合銀または銅のナノ粒子が含まれていました。

XIII-XVIII w. この数世紀に生産され、世界的に有名な白い兵器の原料となった「ダマスカス鋼」には、カーボンナノチューブとセメンタイトナノファイバーが含まれています。

1857 マイケル・ファラデーは、金ナノ粒子の特徴であるルビー色の金コロイドを発見しました。

1931 マックスノールとエルンストルスカは、ナノ粒子の構造を原子レベルで観察できる最初の装置である電子顕微鏡をベルリンに構築しました。電子のエネルギーが大きいほど、電子の波長は短くなり、顕微鏡の解像度は高くなります。サンプルは真空中にあり、ほとんどの場合は金属膜で覆われています。電子ビームは検査対象物を通過し、検出器に入ります。測定された信号に基づいて、電子デバイスはテストサンプルの画像を再作成します。

1936 シーメンス研究所で働くアーウィン・ミュラーは、放出型電子顕微鏡の最も単純な形式である電界放出型顕微鏡を発明しました。この顕微鏡は、フィールドエミッションとイメージングに強い電場を使用します。

1950 Victor La Mer と Robert Dinegar は、単分散コロイド材料を取得する技術の理論的基礎を作成しました。これにより、特殊な種類の紙、塗料、薄膜を工業規模で生産できるようになりました。

1956 マサチューセッツ工科大学 (MIT) のアーサーフォンヒッペルは、「分子工学」という用語を作りました。

1959 リチャード・ファインマンが「底には十分なスペースがある」について講義します。彼は、24 巻のブリタニカ百科事典をピンの頭に取り付けるには何が必要かを想像することから始め、小型化の概念とナノメートルレベルで機能するテクノロジーを使用する可能性を紹介しました。この機会に、彼はこの分野での功績に対して XNUMX つの賞 (いわゆるファインマン賞) を設立しました (それぞれ XNUMX ドル)。

1960 一等賞の配当はファインマンを失望させた。彼は、目標を達成するには技術的な進歩が必要であると考えていましたが、当時はマイクロエレクトロニクスの可能性を過小評価していました。勝者は35歳のエンジニア、ウィリアム・H・マクレラン氏でした。彼は、重さ 250 マイクログラム、出力 1 mW のモーターを作成しました。

1968 Alfred Y. Cho と John Arthur がエピタキシー法を開発。これにより、半導体技術を使用した表面単原子層の形成が可能になります。つまり、既存の結晶基板上に新しい単結晶層を成長させ、既存の結晶基板基板の構造を複製します。エピタキシーのバリエーションは、分子化合物のエピタキシーであり、これにより、XNUMX原子層の厚さで結晶層を堆積することが可能になります。この方法は、量子ドットおよびいわゆる薄層の製造に使用されます。

1974 「ナノテクノロジー」という用語の登場。東京大学研究者の谷口憲生氏が学会で初めて使用した。日本の物理学の定義は今日まで使用されており、次のように聞こえます。「ナノテクノロジーとは、非常に高い精度と非常に小さいサイズを達成できるテクノロジーを使用した製品です。 1nmオーダーの精度。

量子ドロップの可視化

80年代と90年代 リソグラフィー技術が急速に発展し、結晶の極薄層が製造された時期。 XNUMX つ目の MOCVD() は、ガス状の有機金属化合物を使用して材料の表面に層を堆積する方法です。これはエピタキシャル法の XNUMX つであるため、別名 MOSFE () と呼ばれています。 XNUMX 番目の方法である MBE では、正確に定義された化学組成と不純物濃度プロファイルの正確な分布を備えた非常に薄いナノメートル層の堆積が可能になります。これは、層の成分が別々の分子線によって基板に供給されるという事実によって可能になります。

1981 Gerd Binnig と Heinrich Rohrer は走査トンネル顕微鏡を作成します。原子間相互作用の力を利用して、サンプルの表面の上または下にブレードを通過させることで、単一原子サイズ程度の解像度で表面の画像を取得できます。 1989 年、この装置は個々の原子を操作するために使用されました。ビニヒとローラーは 1986 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

1985 ベル研究所のルイス・ブルースは、コロイド状半導体ナノ結晶 (量子ドット) を発見しました。それらは、ドットのサイズに匹敵する波長を持つ粒子が侵入したときに、潜在的な障壁によって三次元的に境界付けられる小さな空間領域として定義されます。

C. エリック・ドレクスラー著『Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology』の表紙

1985 ロバートフロイドカールジュニア、ハロルドウォルタークロトー、リチャードエレットスモーリーは、閉じた中空体を形成する偶数の炭素原子 (28 個から約 1500 個まで) で構成される分子であるフラーレンを発見しました。フラーレンの化学的性質は多くの点で芳香族炭化水素の化学的性質に似ています。フラーレン C60、またはバックミンスターフラーレンは、他のフラーレンと同様、炭素の同素体形態です。

1986-1992 C. エリック・ドレクスラーは、ナノテクノロジーを普及させる未来学に関する 1986 冊の重要な本を出版しています。 1992 年にリリースされた最初の本は、「Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology」と呼ばれています。彼は、とりわけ、将来のテクノロジーによって個々の原子を制御された方法で操作できるようになるだろうと予測しています。 XNUMX 年に彼は、ナノシステム: 分子ハードウェア、製造、および計算上のアイデアを出版し、その中でナノマシンが自己複製できると予測しました。

1989 IBM の Donald M. Aigler は、35 個のキセノン原子から作られた「IBM」という言葉をニッケルの表面に付けています。

1991 日本のつくば市にあるNECの飯島澄男氏は、中空円筒構造であるカーボンナノチューブを発見した。現在までに最もよく知られているカーボンナノチューブは、壁が巻かれたグラフェンでできています。非カーボンナノチューブや DNA ナノチューブもあります。最も細いカーボンナノチューブの直径は XNUMX ナノメートル程度で、長さは数百万倍にもなります。それらは顕著な引張強さと独特の電気特性を持ち、優れた熱伝導体です。これらの特性により、ナノテクノロジー、エレクトロニクス、光学、材料科学の用途に有望な材料となっています。

1993 ノースカロライナ大学のウォーレン・ロビネット氏とカリフォルニア大学ロサンゼルス校のR・スタンレー・ウィリアムズ氏は、ユーザーが原子を見たり触れたりできる走査型トンネル顕微鏡と連携した仮想現実システムを構築している。

1998 オランダのデルフト工科大学の Cees Dekker チームは、カーボンナノチューブを使用したトランジスタを構築しています。現在、科学者たちはカーボンナノチューブのユニークな特性を利用して、消費電力が少なく、より優れた高速電子機器を製造しようとしています。これは多くの要因によって制限されていましたが、そのうちのいくつかは徐々に克服され、2016 年にウィスコンシン大学マディソン校の研究者らは最高のシリコンプロトタイプよりも優れたパラメータを備えたカーボントランジスタを開発しました。 Michael Arnold と Padma Gopalan による研究により、シリコン競合製品の XNUMX 倍の電流を流すことができるカーボンナノチューブトランジスタが開発されました。

2003 サムスンは、細菌、カビ、XNUMX 種類以上の細菌を破壊し、その蔓延を防ぐ微視的な銀イオンの作用に基づいた高度な技術の特許を取得しています。銀粒子は、同社の最も重要な濾過システム、つまりすべてのフィルターと集塵機またはバッグに導入されています。

2004 英国王立協会と王立工学アカデミーは報告書「ナノサイエンスとナノテクノロジー：機会と不確実性」を発表し、健康、環境、社会に対するナノテクノロジーの潜在的なリスクについて、倫理的および法的側面を考慮して研究するよう呼びかけている。

フラーレンホイール上のナノモーターモデル

2006 ジェームズ・ツアーは、ライス大学の科学者チームと協力して、オリゴ（フェニレンエチニレン）分子から顕微鏡の「バン」を構築している。その軸はアルミニウム原子でできており、車輪はC60フラーレンでできている。フラーレンの「車輪」の回転による温度上昇の影響下で、金原子からなるナノビークルが表面上を移動した。 300℃を超える温度では、化学者が追跡できなくなるほど加速しました...

2007 テクニオンのナノテクノロジストがユダヤ教の「旧約聖書」全体をわずか0,5mmの領域に収める² 金メッキシリコンウエハー。文字は、ガリウムイオンの集中流をプレート上に向けることによって彫刻されました。

2009-2010 ニューヨーク大学のナドリアン・シーマンらは、合成 DNA 構造をプログラムして、所望の形状や特性を持つ他の構造を「生成」できる一連の DNA 状ナノマウントを作成している。

2013 IBMの科学者は、100億倍に拡大しないと視聴できないアニメーション映画を作成しています。それは「The Boy and His Atom」と呼ばれ、一酸化炭素の単一分子であるXNUMXメートルのXNUMX億分のXNUMXの大きさの二原子のドットで描かれています。この漫画は、最初にボールで遊んでからトランポリンでジャンプする少年を描いています。分子の XNUMX つはボールの役割も果たします。すべての動作は銅の表面で行われ、各フィルムフレームのサイズは数十ナノメートルを超えません。

2014 チューリッヒ工科工科大学の科学者たちは、厚さ100ナノメートル未満の多孔質膜の作製に成功した。ナノテクノロジー操作によって得られた材料の厚さはXNUMXミリです。人間の髪の毛よりも小さい。著者チームのメンバーによれば、これは入手可能であり、一般的に入手可能な最も薄い多孔質材料であるという。 XNUMX 層の二次元グラフェン構造で構成されています。膜は透過性がありますが、小さな粒子に対してのみ透過性があり、大きな粒子を遅くするか完全に捕捉します。

2015 分子ポンプは、自然のプロセスを模倣して、ある分子から別の分子にエネルギーを伝達するナノスケールのデバイスが作成されています。このレイアウトは、ワインバーグノースウェスタン芸術科学大学の研究者によって設計されました。このメカニズムはタンパク質の生物学的プロセスを彷彿とさせます。このような技術は、人工筋肉などバイオテクノロジーや医療分野を中心に応用が期待されています。

2016 科学雑誌「Nature Nanotechnology」の発表によると、オランダ工科大学デルフト校の研究者らが画期的な単一原子記憶媒体を開発した。新しい方法は、現在使用されているどのテクノロジーよりも XNUMX 倍以上高い記憶密度を提供する必要があります。著者らは、空間内の粒子の位置の XNUMX 次元モデルを使用すると、さらに優れた結果が得られると指摘しています。

ナノテクノロジーとナノマテリアルの分類

ナノテクノロジー構造には次のようなものがあります。

量子井戸、ワイヤー、ドット、つまり次の機能を組み合わせたさまざまな構造 - 潜在的な障壁による特定の領域内の粒子の空間的制限。
プラスチックは、その構造が個々の分子レベルで制御されており、これにより、例えば前例のない機械的特性を備えた材料を得ることが可能になります。
人工繊維 - 非常に正確な分子構造を持つ材料であり、異常な機械的特性によっても区別されます。
ナノチューブ、中空円筒の形をした超分子構造。現在までに最もよく知られているカーボンナノチューブは、その壁が折り畳まれたグラフェン (単原子黒鉛層) でできています。非カーボンナノチューブ (たとえば、硫化タングステン由来) や DNA 由来のナノチューブもあります。
粉砕されて粉塵の形になった物質。その粒子は、たとえば金属原子の集合体です。強力な抗菌特性を持つ銀 () はこの形で広く使用されています。
ナノワイヤ（例えば、銀または銅）。
電子リソグラフィーおよび他のナノリソグラフィー法を使用して形成された要素。
フラーレン。
グラフェンおよびその他の二次元材料（ボロフェン、グラフェン、六方晶窒化ホウ素、シリセン、ゲルマネン、硫化モリブデン）。
ナノ粒子で強化された複合材料。

ナノリソグラフィー表面

経済協力開発機構 (OECD) によって 2004 年に開発された、科学体系におけるナノテクノロジーの分類:

ナノマテリアル (生産と特性);
ナノプロセス (ナノスケールのアプリケーション - 生体材料は産業用バイオテクノロジーに属します)。

ナノマテリアルは、分子レベルで規則的な構造が存在するすべての材料です。 100ナノメートルを超えないこと。

この制限は、微細構造の基本単位としてのドメインのサイズ、または基板上に得られるか堆積される層の厚さを指す場合があります。実際には、ナノ材料に起因する下限は、さまざまな性能特性を持つ材料によって異なります。これは主に、超過した場合の特定の特性の出現に関連しています。物質の秩序構造のサイズを小さくすることで、物理化学的、機械的、およびその他の特性を大幅に改善することができます。

ナノマテリアルは次の XNUMX つのグループに分類できます。