Histoire des inventions - Nanotechnologie

Déjà vers 600 av. les gens produisaient des structures nanotypes, c'est-à-dire des brins de cémentite dans de l'acier, appelés Wootz. Cela s'est passé en Inde, et cela peut être considéré comme le début de l'histoire de la nanotechnologie.

VI-XV s. Les colorants utilisés pendant cette période pour peindre les vitraux utilisent des nanoparticules de chlorure d'or, des chlorures d'autres métaux, ainsi que des oxydes métalliques.

IX-XVII siècles Dans de nombreux endroits en Europe, des "paillettes" et d'autres substances sont produites pour donner de l'éclat à la céramique et à d'autres produits. Ils contenaient des nanoparticules de métaux, le plus souvent de l'argent ou du cuivre.

XNUMX-XNUMX w. "L'acier de Damas" produit au cours de ces siècles, à partir duquel les armes blanches de renommée mondiale ont été fabriquées, contient des nanotubes de carbone et des nanofibres de cémentite.

1857 Michael Faraday découvre l'or colloïdal de couleur rubis, caractéristique des nanoparticules d'or.

1931 Max Knoll et Ernst Ruska construisent un microscope électronique à Berlin, le premier appareil permettant de voir la structure des nanoparticules au niveau atomique. Plus l'énergie des électrons est grande, plus leur longueur d'onde est courte et plus la résolution du microscope est grande. L'échantillon est sous vide et le plus souvent recouvert d'un film métallique. Le faisceau d'électrons traverse l'objet testé et pénètre dans les détecteurs. Sur la base des signaux mesurés, les appareils électroniques recréent l'image de l'échantillon à tester.

1936 Erwin Müller, travaillant aux Laboratoires Siemens, invente le microscope à émission de champ, la forme la plus simple d'un microscope électronique à émission. Ce microscope utilise un champ électrique puissant pour l'émission de champ et l'imagerie.

1950 Victor La Mer et Robert Dinegar créent les bases théoriques de la technique d'obtention de matériaux colloïdaux monodisperses. Cela a permis la production de types spéciaux de papier, de peintures et de films minces à l'échelle industrielle.

1956 Arthur von Hippel du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a inventé le terme "ingénierie moléculaire".

1959 Richard Feynman donne une conférence sur "Il y a beaucoup de place en bas." Commençant par imaginer ce qu'il faudrait pour monter une Encyclopædia Britannica en 24 volumes sur une tête d'épingle, il a introduit le concept de miniaturisation et la possibilité d'utiliser des technologies qui pourraient fonctionner à l'échelle du nanomètre. À cette occasion, il a créé deux prix (les soi-disant prix Feynman) pour les réalisations dans ce domaine - mille dollars chacun.

1960 Le paiement du premier prix a déçu Feynman. Il supposait qu'une percée technologique serait nécessaire pour atteindre ses objectifs, mais à l'époque, il sous-estimait le potentiel de la microélectronique. Le gagnant était l'ingénieur de 35 ans William H. McLellan. Il a créé un moteur pesant 250 microgrammes, avec une puissance de 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho et John Arthur développent la méthode d'épitaxie. Il permet la formation de couches monoatomiques de surface en utilisant la technologie des semi-conducteurs - la croissance de nouvelles couches monocristallines sur un substrat cristallin existant, dupliquant la structure du substrat de substrat cristallin existant. Une variante d'épitaxie est l'épitaxie de composés moléculaires, qui permet de déposer des couches cristallines d'une épaisseur d'une couche atomique. Cette méthode est utilisée dans la production de points quantiques et de couches dites minces.

1974 Introduction du terme "nanotechnologie". Il a été utilisé pour la première fois par Norio Taniguchi, chercheur à l'Université de Tokyo, lors d'une conférence scientifique. La définition de la physique japonaise reste en usage à ce jour et ressemble à ceci : "La nanotechnologie est une production utilisant une technologie qui permet d'atteindre une très grande précision et des tailles extrêmement petites, c'est-à-dire précision de l'ordre de 1 nm.

Visualisation d'une goutte quantique

80 et 90 La période de développement rapide de la technologie lithographique et de la production de couches ultrafines de cristaux. Le premier, MOCVD(), est une méthode de dépôt de couches à la surface de matériaux à l'aide de composés organométalliques gazeux. C'est l'une des méthodes épitaxiales, d'où son nom alternatif - MOSFE (). La deuxième méthode, MBE, permet le dépôt de couches nanométriques très fines avec une composition chimique précisément définie et une répartition précise du profil de concentration en impuretés. Ceci est possible du fait que les composants de la couche sont fournis au substrat par des faisceaux moléculaires séparés.

1981 Gerd Binnig et Heinrich Rohrer créent le microscope à effet tunnel. Utilisant les forces d'interactions interatomiques, il permet d'obtenir une image de la surface avec une résolution de l'ordre de la taille d'un seul atome, en passant la lame au dessus ou en dessous de la surface de l'échantillon. En 1989, l'appareil a été utilisé pour manipuler des atomes individuels. Binnig et Rohrer ont reçu le prix Nobel de physique en 1986.

1985 Louis Brus des Bell Labs découvre les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux (points quantiques). Ils sont définis comme une petite zone d'espace délimitée en trois dimensions par des barrières de potentiel lorsqu'une particule d'une longueur d'onde comparable à la taille d'un point y pénètre.

Couverture du livre Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto et Richard Erret Smalley découvrent les fullerènes, des molécules composées d'un nombre pair d'atomes de carbone (de 28 à environ 1500) qui forment un corps creux fermé. Les propriétés chimiques des fullerènes sont à bien des égards similaires à celles des hydrocarbures aromatiques. Le fullerène C60, ou buckminsterfullerène, comme les autres fullerènes, est une forme allotropique du carbone.

1986-1992 C. Eric Drexler publie deux livres importants sur la futurologie qui popularisent les nanotechnologies. Le premier, sorti en 1986, s'intitule Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology. Il prédit, entre autres, que les technologies futures seront capables de manipuler des atomes individuels de manière contrôlée. En 1992, il a publié Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, qui à son tour prédit que les nanomachines pourraient se reproduire.

1989 Donald M. Aigler d'IBM met le mot "IBM" - composé de 35 atomes de xénon - sur une surface de nickel.

1991 Sumio Iijima de NEC à Tsukuba, au Japon, découvre des nanotubes de carbone, des structures cylindriques creuses. A ce jour, les nanotubes de carbone les plus connus dont les parois sont en graphène laminé. Il existe également des nanotubes non carbonés et des nanotubes d'ADN. Les nanotubes de carbone les plus fins ont un diamètre de l'ordre d'un nanomètre et peuvent être des millions de fois plus longs. Ils ont une résistance à la traction remarquable et des propriétés électriques uniques, et sont d'excellents conducteurs de chaleur. Ces propriétés en font des matériaux prometteurs pour des applications dans les nanotechnologies, l'électronique, l'optique et la science des matériaux.

1993 Warren Robinett de l'Université de Caroline du Nord et R. Stanley Williams de l'UCLA construisent un système de réalité virtuelle lié à un microscope à effet tunnel qui permet à l'utilisateur de voir et même de toucher des atomes.

1998 L'équipe Cees Dekker de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas construit un transistor qui utilise des nanotubes de carbone. Actuellement, les scientifiques essaient d'utiliser les propriétés uniques des nanotubes de carbone pour produire des composants électroniques meilleurs et plus rapides qui consomment moins d'électricité. Cela a été limité par un certain nombre de facteurs, dont certains ont été progressivement surmontés, ce qui a conduit en 2016 des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison à créer un transistor en carbone avec de meilleurs paramètres que les meilleurs prototypes en silicium. Les recherches de Michael Arnold et Padma Gopalan ont conduit au développement d'un transistor à nanotube de carbone capable de transporter deux fois le courant de son concurrent au silicium.

2003 Samsung brevète une technologie de pointe basée sur l'action d'ions d'argent microscopiques, qui détruisent les germes, les moisissures et plus de six cents types de bactéries et empêchent leur propagation. Des particules d'argent ont été introduites dans les systèmes de filtration les plus importants de l'entreprise - tous les filtres et le dépoussiéreur ou le sac.

2004 La British Royal Society et la Royal Academy of Engineering publient le rapport "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", appelant à des recherches sur les risques potentiels des nanotechnologies pour la santé, l'environnement et la société, en tenant compte des aspects éthiques et juridiques.

Modèle nanomoteur sur roues en fullerène

2006 James Tour, avec une équipe de scientifiques de l'Université Rice, construit une "fourgonnette" microscopique à partir d'une molécule d'oligo (phénylèneéthynylène), dont les axes sont constitués d'atomes d'aluminium et les roues sont constituées de fullerènes C60. Le nanovéhicule s'est déplacé sur la surface, constituée d'atomes d'or, sous l'influence de l'augmentation de la température, due à la rotation des "roues" de fullerène. Au-dessus d'une température de 300°C, il s'accélérait tellement que les chimistes ne pouvaient plus le suivre...

2007 Les nanotechnologistes du Technion intègrent l'ensemble de "l'Ancien Testament" juif dans une zone de seulement 0,5 mm² plaquette de silicium plaquée or. Le texte a été gravé en dirigeant un flux focalisé d'ions de gallium sur la plaque.

2009-2010 Nadrian Seaman et ses collègues de l'Université de New York créent une série de nanomontures de type ADN dans lesquelles des structures d'ADN synthétiques peuvent être programmées pour "produire" d'autres structures avec les formes et les propriétés souhaitées.

2013 Les scientifiques d'IBM créent un film d'animation qui ne peut être visionné qu'après un grossissement de 100 millions de fois. Il s'appelle "Le garçon et son atome" et est dessiné avec des points diatomiques d'un milliardième de mètre de taille, qui sont des molécules uniques de monoxyde de carbone. Le dessin animé représente un garçon qui joue d'abord avec un ballon puis saute sur un trampoline. L'une des molécules joue également le rôle d'une balle. Toute action se déroule sur une surface de cuivre et la taille de chaque image de film ne dépasse pas plusieurs dizaines de nanomètres.

2014 Des scientifiques de l'ETH de Zurich ont réussi à créer une membrane poreuse de moins d'un nanomètre d'épaisseur. L'épaisseur du matériau obtenu par manipulation nanotechnologique est de 100 XNUMX. fois plus petite que celle d'un cheveu humain. Selon les membres de l'équipe d'auteurs, il s'agit du matériau poreux le plus fin que l'on puisse obtenir et qui est généralement possible. Il se compose de deux couches d'une structure de graphène bidimensionnelle. La membrane est perméable, mais uniquement aux petites particules, ralentissant ou piégeant complètement les particules plus grosses.

2015 Une pompe moléculaire est en cours de création, un dispositif à l'échelle nanométrique qui transfère l'énergie d'une molécule à une autre, imitant les processus naturels. La mise en page a été conçue par des chercheurs du Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. Le mécanisme ressemble aux processus biologiques dans les protéines. On s'attend à ce que ces technologies trouvent une application principalement dans les domaines de la biotechnologie et de la médecine, par exemple, dans les muscles artificiels.

2016 Selon une publication dans la revue scientifique Nature Nanotechnology, des chercheurs de l'Université technique néerlandaise de Delft ont développé des supports de stockage révolutionnaires à un seul atome. La nouvelle méthode devrait fournir une densité de stockage plus de cinq cents fois supérieure à toute technologie actuellement utilisée. Les auteurs notent que des résultats encore meilleurs peuvent être obtenus en utilisant un modèle tridimensionnel de l'emplacement des particules dans l'espace.

Classification des nanotechnologies et des nanomatériaux

1. Les structures nanotechnologiques comprennent :

• puits quantiques, fils et points, c'est-à-dire diverses structures qui combinent la caractéristique suivante - la limitation spatiale des particules dans une certaine zone à travers des barrières de potentiel ;
• les plastiques, dont la structure est contrôlée au niveau des molécules individuelles, grâce auxquelles il est possible, par exemple, d'obtenir des matériaux aux propriétés mécaniques sans précédent ;
• fibres artificielles - matériaux à structure moléculaire très précise, se distinguant également par des propriétés mécaniques inhabituelles;
• nanotubes, structures supramoléculaires sous forme de cylindres creux. A ce jour, les nanotubes de carbone les plus connus dont les parois sont en graphène plié (couches de graphite monoatomique). Il existe également des nanotubes non carbonés (par exemple à partir de sulfure de tungstène) et à partir d'ADN ;
• des matériaux broyés sous forme de poussières dont les grains sont, par exemple, des accumulations d'atomes métalliques. L'argent () aux fortes propriétés antibactériennes est largement utilisé sous cette forme;
• nanofils (par exemple, argent ou cuivre);
• des éléments formés à l'aide de la lithographie électronique et d'autres méthodes de nanolithographie ;
• les fullerènes;
• graphène et autres matériaux bidimensionnels (borophène, graphène, nitrure de bore hexagonal, silicène, germanène, sulfure de molybdène) ;
• matériaux composites renforcés de nanoparticules.

Surface nanolithographique

2. La classification des nanotechnologies dans la systématique des sciences, élaborée en 2004 par l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) :

• nanomatériaux (production et propriétés) ;
• nanoprocédés (applications à l'échelle nanométrique - les biomatériaux appartiennent à la biotechnologie industrielle).

3. Les nanomatériaux sont tous les matériaux dans lesquels il existe des structures régulières au niveau moléculaire, c'est-à-dire ne dépassant pas 100 nanomètres.

Cette limite peut se référer à la taille des domaines comme unité de base de la microstructure, ou à l'épaisseur des couches obtenues ou déposées sur le substrat. En pratique, la limite en dessous qui est attribuée aux nanomatériaux est différente pour les matériaux ayant des propriétés de performances différentes - elle est principalement liée à l'apparition de propriétés spécifiques lorsqu'elles sont dépassées. En réduisant la taille des structures ordonnées des matériaux, il est possible d'améliorer considérablement leurs propriétés physico-chimiques, mécaniques et autres.

Les nanomatériaux peuvent être divisés en quatre groupes :

• zéro dimension (nanomatériaux à points) - par exemple, points quantiques, nanoparticules d'argent ;
• unidimensionnel – par exemple, des nanofils métalliques ou semi-conducteurs, des nanobâtonnets, des nanofibres polymériques ;
• bidimensionnel – par exemple, des couches nanométriques de type monophasé ou multiphasé, du graphène et d'autres matériaux d'une épaisseur d'un atome ;
• tridimensionnel (ou nanocristallin) - constitués de domaines cristallins et d'accumulations de phases de tailles de l'ordre du nanomètre ou de composites renforcés de nanoparticules.