História das Invenções - Nanotecnologia

Já por volta de 600 aC. as pessoas estavam produzindo estruturas de nanotipos, ou seja, fios de cementita em aço, chamados Wootz. Isso aconteceu na Índia e pode ser considerado o início da história da nanotecnologia.

VI-XV s. Os corantes usados ​​nesse período para pintar vitrais usam nanopartículas de cloreto de ouro, cloretos de outros metais, além de óxidos metálicos.

séculos IX-XVII Em muitos lugares da Europa, são produzidos "glitters" e outras substâncias para dar brilho a cerâmicas e outros produtos. Eles continham nanopartículas de metais, na maioria das vezes prata ou cobre.

XNUMX-XNUMX w. O “aço de Damasco” produzido nestes séculos, do qual foram feitas as mundialmente famosas armas brancas, contém nanotubos de carbono e nanofibras de cementita.

1857 Michael Faraday descobre ouro coloidal de cor rubi, característico das nanopartículas de ouro.

1931 Max Knoll e Ernst Ruska constroem um microscópio eletrônico em Berlim, o primeiro dispositivo a ver a estrutura das nanopartículas no nível atômico. Quanto maior a energia dos elétrons, menor o comprimento de onda e maior a resolução do microscópio. A amostra está no vácuo e na maioria das vezes coberta com um filme de metal. O feixe de elétrons passa pelo objeto testado e entra nos detectores. Com base nos sinais medidos, os dispositivos eletrônicos recriam a imagem da amostra de teste.

1936 Erwin Müller, trabalhando nos Laboratórios Siemens, inventa o microscópio de emissão de campo, a forma mais simples de microscópio eletrônico de emissão. Este microscópio usa um forte campo elétrico para emissão de campo e geração de imagens.

1950 Victor La Mer e Robert Dinegar criam as bases teóricas para a técnica de obtenção de materiais coloidais monodispersos. Isso permitiu a produção de tipos especiais de papel, tintas e filmes finos em escala industrial.

1956 Arthur von Hippel do Massachusetts Institute of Technology (MIT) cunhou o termo "engenharia molecular".

1959 Richard Feynman dá uma palestra sobre "Há muito espaço no fundo". Começando imaginando o que seria necessário para encaixar uma Encyclopædia Britannica de 24 volumes em uma cabeça de alfinete, ele introduziu o conceito de miniaturização e a possibilidade de usar tecnologias que pudessem funcionar em nível nanométrico. Nesta ocasião, ele estabeleceu dois prêmios (os chamados Prêmios Feynman) para realizações nessa área - mil dólares cada.

1960 O pagamento do primeiro prêmio decepcionou Feynman. Ele supôs que um avanço tecnológico seria necessário para atingir seus objetivos, mas na época ele subestimou o potencial da microeletrônica. O vencedor foi o engenheiro William H. McLellan, de 35 anos. Ele criou um motor pesando 250 microgramas, com potência de 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho e John Arthur desenvolvem o método da epitaxia. Ele permite a formação de camadas monoatômicas de superfície usando tecnologia de semicondutores - o crescimento de novas camadas de cristal único em um substrato cristalino existente, duplicando a estrutura da rede cristalina do substrato existente. Uma variação da epitaxia é a epitaxia de compostos moleculares, que permite depositar camadas cristalinas com espessura de uma camada atômica. Este método é usado na produção de pontos quânticos e das chamadas camadas finas.

1974 Introdução do termo "nanotecnologia". Foi usado pela primeira vez pelo pesquisador da Universidade de Tóquio Norio Taniguchi em uma conferência científica. A definição de física japonesa permanece em uso até hoje e soa assim: “Nanotecnologia é uma produção usando tecnologia que permite obter altíssima precisão e tamanhos extremamente pequenos, ou seja, precisão da ordem de 1 nm.

Visualização de uma gota quântica

Anos 80 e 90 O período de rápido desenvolvimento da tecnologia litográfica e a produção de camadas ultrafinas de cristais. O primeiro, MOCVD(), é um método para deposição de camadas na superfície de materiais usando compostos organometálicos gasosos. Este é um dos métodos epitaxiais, daí seu nome alternativo - MOSFE (). O segundo método, MBE, permite depositar camadas nanométricas muito finas com composição química definida com precisão e distribuição precisa do perfil de concentração de impurezas. Isso é possível devido ao fato de que os componentes da camada são fornecidos ao substrato por feixes moleculares separados.

1981 Gerd Binnig e Heinrich Rohrer criam o microscópio de tunelamento de varredura. Utilizando as forças de interações interatômicas, permite obter uma imagem da superfície com resolução da ordem do tamanho de um único átomo, passando a lâmina acima ou abaixo da superfície da amostra. Em 1989, o dispositivo foi usado para manipular átomos individuais. Binnig e Rohrer foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 1986.

1985 Louis Brus, da Bell Labs, descobre nanocristais semicondutores coloidais (pontos quânticos). Eles são definidos como uma pequena área do espaço delimitada em três dimensões por barreiras potenciais quando uma partícula com comprimento de onda comparável ao tamanho de um ponto entra.

Capa do livro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl Jr., Harold Walter Kroto e Richard Erret Smalley descobrem os fulerenos, moléculas compostas por um número par de átomos de carbono (de 28 a cerca de 1500) que formam um corpo oco fechado. As propriedades químicas dos fulerenos são em muitos aspectos semelhantes às dos hidrocarbonetos aromáticos. Fulereno C60, ou buckminsterfulereno, como outros fulerenos, é uma forma alotrópica de carbono.

1986-1992 C. Eric Drexler publica dois importantes livros sobre futurologia que popularizam a nanotecnologia. O primeiro, lançado em 1986, chama-se Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Ele prevê, entre outras coisas, que as tecnologias futuras poderão manipular átomos individuais de maneira controlada. Em 1992, ele publicou Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, que por sua vez previu que as nanomáquinas poderiam se reproduzir.

1989 Donald M. Aigler da IBM coloca a palavra "IBM" - feita de 35 átomos de xenônio - em uma superfície de níquel.

1991 Sumio Iijima da NEC em Tsukuba, Japão, descobre nanotubos de carbono, estruturas cilíndricas ocas. Até hoje, os nanotubos de carbono mais conhecidos, cujas paredes são feitas de grafeno laminado. Existem também nanotubos sem carbono e nanotubos de DNA. Os nanotubos de carbono mais finos são da ordem de um nanômetro de diâmetro e podem ser milhões de vezes mais longos. Eles têm notável resistência à tração e propriedades elétricas únicas, e são excelentes condutores de calor. Essas propriedades os tornam materiais promissores para aplicações em nanotecnologia, eletrônica, óptica e ciência dos materiais.

1993 Warren Robinett da Universidade da Carolina do Norte e R. Stanley Williams da UCLA estão construindo um sistema de realidade virtual ligado a um microscópio de tunelamento de varredura que permite ao usuário ver e até mesmo tocar átomos.

1998 A equipe Cees Dekker da Delft University of Technology, na Holanda, está construindo um transistor que usa nanotubos de carbono. Atualmente, os cientistas estão tentando usar as propriedades únicas dos nanotubos de carbono para produzir eletrônicos melhores e mais rápidos que consomem menos eletricidade. Isso foi limitado por uma série de fatores, alguns dos quais foram gradualmente superados, o que em 2016 levou pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison a criar um transistor de carbono com melhores parâmetros do que os melhores protótipos de silício. A pesquisa de Michael Arnold e Padma Gopalan levou ao desenvolvimento de um transistor de nanotubos de carbono que pode transportar o dobro da corrente de seu concorrente de silício.

2003 A Samsung patenteia uma tecnologia avançada baseada na ação de íons microscópicos de prata para matar germes, mofo e mais de seiscentos tipos de bactérias e impedir sua propagação. Partículas de prata foram introduzidas nos sistemas de filtragem mais importantes da empresa - todos os filtros e o coletor de pó ou saco.

2004 A British Royal Society e a Royal Academy of Engineering publicam o relatório "Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties", apelando à investigação dos potenciais riscos da nanotecnologia para a saúde, o ambiente e a sociedade, tendo em conta aspectos éticos e legais.

Modelo nanomotor em rodas de fulereno

2006 James Tour, juntamente com uma equipe de cientistas da Universidade Rice, constrói uma "van" microscópica a partir da molécula de oligo (fenilenoetinileno), cujos eixos são feitos de átomos de alumínio e as rodas são feitas de fulerenos C60. O nanoveículo movia-se sobre a superfície, constituída por átomos de ouro, sob a influência do aumento da temperatura, devido à rotação das "rodas" de fulereno. Acima de uma temperatura de 300 ° C, acelerou tanto que os químicos não conseguiram mais rastreá-lo ...

2007 Os nanotecnólogos da Technion encaixam todo o "Antigo Testamento" judaico em uma área de apenas 0,5 mm² wafer de silício banhado a ouro. O texto foi gravado direcionando um fluxo focado de íons de gálio sobre a placa.

2009-2010 Nadrian Seaman e colegas da Universidade de Nova York estão criando uma série de nanomontagens semelhantes a DNA nas quais as estruturas sintéticas de DNA podem ser programadas para "produzir" outras estruturas com formas e propriedades desejadas.

2013 Cientistas da IBM estão criando um filme de animação que só pode ser visto após ser ampliado 100 milhões de vezes. Chama-se "O menino e seu átomo" e é desenhado com pontos diatômicos de um bilionésimo de metro, que são moléculas únicas de monóxido de carbono. O desenho mostra um menino que primeiro brinca com uma bola e depois pula em um trampolim. Uma das moléculas também desempenha o papel de uma bola. Toda a ação ocorre em uma superfície de cobre e o tamanho de cada quadro de filme não excede várias dezenas de nanômetros.

2014 Cientistas da Universidade de Tecnologia ETH em Zurique conseguiram criar uma membrana porosa com menos de um nanômetro de espessura. A espessura do material obtido através da manipulação nanotecnológica é de 100 XNUMX. vezes menor que um fio de cabelo humano. Segundo os membros da equipe de autores, este é o material poroso mais fino que pode ser obtido e geralmente é possível. Consiste em duas camadas de uma estrutura de grafeno bidimensional. A membrana é permeável, mas apenas a pequenas partículas, retardando ou prendendo completamente as partículas maiores.

2015 Uma bomba molecular está sendo criada, um dispositivo em nanoescala que transfere energia de uma molécula para outra, imitando processos naturais. O layout foi projetado por pesquisadores do Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. O mecanismo é uma reminiscência de processos biológicos em proteínas. Espera-se que tais tecnologias encontrem aplicação principalmente nas áreas de biotecnologia e medicina, por exemplo, em músculos artificiais.

2016 De acordo com uma publicação na revista científica Nature Nanotechnology, pesquisadores da Dutch Technical University Delft desenvolveram uma mídia de armazenamento de um único átomo. O novo método deve fornecer uma densidade de armazenamento mais de quinhentas vezes maior do que qualquer tecnologia usada atualmente. Os autores observam que resultados ainda melhores podem ser alcançados usando um modelo tridimensional da localização das partículas no espaço.

Classificação de nanotecnologias e nanomateriais

1. As estruturas nanotecnológicas incluem:

• poços quânticos, fios e pontos, ou seja, várias estruturas que combinam a seguinte característica - a limitação espacial de partículas em uma determinada área por meio de barreiras de potencial;
• plásticos, cuja estrutura é controlada no nível de moléculas individuais, graças aos quais é possível, por exemplo, obter materiais com propriedades mecânicas sem precedentes;
• fibras artificiais - materiais com uma estrutura molecular muito precisa, também distinguida por propriedades mecânicas incomuns;
• nanotubos, estruturas supramoleculares em forma de cilindros ocos. Até hoje, os nanotubos de carbono mais conhecidos, cujas paredes são feitas de grafeno dobrado (camadas de grafite monoatômicas). Existem também nanotubos sem carbono (por exemplo, de sulfeto de tungstênio) e de DNA;
• materiais triturados na forma de pó, cujos grãos são, por exemplo, acúmulos de átomos metálicos. A prata () com fortes propriedades antibacterianas é amplamente utilizada nesta forma;
• nanofios (por exemplo, prata ou cobre);
• elementos formados usando litografia eletrônica e outros métodos de nanolitografia;
• fulerenos;
• grafeno e outros materiais bidimensionais (borofeno, grafeno, nitreto de boro hexagonal, siliceno, germaneno, sulfeto de molibdênio);
• materiais compósitos reforçados com nanopartículas.

Superfície nanolitográfica

2. A classificação das nanotecnologias na sistemática das ciências, desenvolvida em 2004 pela Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE):

• nanomateriais (produção e propriedades);
• nanoprocessos (aplicações em nanoescala - os biomateriais pertencem à biotecnologia industrial).

3. Nanomateriais são todos os materiais nos quais existem estruturas regulares em nível molecular, ou seja, não superior a 100 nanômetros.

Este limite pode referir-se ao tamanho dos domínios como unidade básica da microestrutura, ou à espessura das camadas obtidas ou depositadas sobre o substrato. Na prática, o limite abaixo do qual é atribuído aos nanomateriais é diferente para materiais com diferentes propriedades de desempenho - está principalmente associado ao aparecimento de propriedades específicas quando ultrapassado. Ao reduzir o tamanho das estruturas ordenadas dos materiais, é possível melhorar significativamente suas propriedades físico-químicas, mecânicas e outras.

Os nanomateriais podem ser divididos em quatro grupos:

• zero-dimensional (nanomateriais de ponto) - por exemplo, pontos quânticos, nanopartículas de prata;
• unidimensional – por exemplo, nanofios metálicos ou semicondutores, nanobastões, nanofibras poliméricas;
• bidimensional – por exemplo, camadas nanométricas de tipo monofásico ou multifásico, grafeno e outros materiais com espessura de um átomo;
• tridimensional (ou nanocristalinos) - consistem em domínios cristalinos e acumulações de fases com tamanhos da ordem de nanômetros ou compósitos reforçados com nanopartículas.