발명의 역사 - 나노기술

이미 기원전 600년경. 사람들은 Nanotype 구조, 즉 Wootz라고 불리는 강철의 시멘타이트 가닥을 생산하고 있었습니다. 이것은 인도에서 일어난 일이며 이것은 나노 기술 역사의 시작이라고 할 수 있습니다.

VI-XV 다. 스테인드 글라스 창을 칠하기 위해 이 기간 동안 사용된 염료는 금 나노 입자, 다른 금속의 염화물 및 금속 산화물을 사용합니다.

IX-XVII 세기 유럽의 많은 곳에서는 도자기 및 기타 제품에 빛을 발하기 위해 "글리터" 및 기타 물질이 생산됩니다. 그들은 대부분 은이나 구리와 같은 금속 나노입자를 함유하고 있었습니다.

XNUMX-XNUMX w. 이 세기에 생산된 세계적으로 유명한 백색 무기의 근원이 된 "다마스쿠스 강철"에는 탄소 나노튜브와 시멘타이트 나노섬유가 포함되어 있습니다.

1857 Michael Faraday는 금 나노입자의 특징인 루비색 콜로이드 금을 발견했습니다.

1931 Max Knoll과 Ernst Ruska는 원자 수준에서 나노입자의 구조를 볼 수 있는 최초의 장치인 전자 현미경을 베를린에서 제작합니다. 전자의 에너지가 클수록 전자의 파장은 짧아지고 현미경의 해상도는 높아집니다. 샘플은 진공 상태이며 대부분 금속 필름으로 덮여 있습니다. 전자빔은 테스트 대상을 통과하여 검출기로 들어갑니다. 측정된 신호를 기반으로 전자 장치는 테스트 샘플의 이미지를 재생성합니다.

1936 Siemens Laboratories에서 근무하는 Erwin Müller는 방출 전자 현미경의 가장 간단한 형태인 전계 방출 현미경을 발명했습니다. 이 현미경은 전계 방출 및 이미징을 위해 강한 전기장을 사용합니다.

1950 Victor La Mer와 Robert Dinegar는 단분산 콜로이드 물질을 얻는 기술에 대한 이론적 토대를 마련했습니다. 이로 인해 산업 규모에서 특수한 유형의 종이, 페인트 및 박막을 생산할 수 있게 되었습니다.

1956 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Arthur von Hippel은 "분자 공학"이라는 용어를 만들었습니다.

1959 Richard Feynman은 "바닥에 충분한 공간이 있습니다."에 대해 강의합니다. 24권으로 된 브리태니커 백과사전을 핀 머리에 맞추려면 무엇이 필요할지 상상하는 것부터 시작하여 그는 소형화의 개념과 나노미터 수준에서 작동할 수 있는 기술을 사용할 가능성을 소개했습니다. 이 기회에 그는 이 분야의 업적에 대해 각각 천 달러씩 두 개의 상(소위 파인만 상)을 제정했습니다.

1960 첫 번째 상금 지급은 Feynman을 실망시켰습니다. 그는 자신의 목표를 달성하기 위해서는 기술적 돌파구가 필요하다고 생각했지만 당시에는 마이크로전자공학의 잠재력을 과소평가했습니다. 우승자는 35세의 엔지니어 William H. McLellan이었습니다. 그는 무게가 250마이크로그램이고 출력이 1mW인 모터를 만들었습니다.

1968 Alfred Y. Cho와 John Arthur가 에피택시 방법을 개발합니다. 이것은 반도체 기술을 사용하여 표면 단원자층의 형성을 가능하게 합니다. 즉, 기존의 결정질 기판에 새로운 단결정층을 성장시켜 기존 결정질 기판의 구조를 복제하는 것입니다. 에피택시의 변형은 분자 화합물의 에피택시이며, 이는 하나의 원자층 두께로 결정층을 증착하는 것을 가능하게 합니다. 이 방법은 양자점 및 소위 얇은 층의 생산에 사용됩니다.

1974 "나노기술"이라는 용어의 도입. 그것은 과학 회의에서 도쿄 대학 연구원 Norio Taniguchi에 의해 처음 사용되었습니다. 일본 물리학의 정의는 오늘날까지 사용되고 있으며 다음과 같이 들립니다. 1nm 정도의 정확도.

양자 방울의 시각화

80 년대와 90 년대 리소그래피 기술의 급속한 발전과 초박형 결정층 생산 기간. 첫 번째인 MOCVD()는 기체 유기 금속 화합물을 사용하여 물질 표면에 층을 증착하는 방법입니다. 이것은 에피택셜 방법 중 하나이므로 다른 이름은 MOSFE()입니다. 두 번째 방법인 MBE는 정밀하게 정의된 화학 조성과 불순물 농도 프로파일의 정확한 분포로 매우 얇은 나노미터 층을 증착할 수 있습니다. 이는 층 구성요소가 별도의 분자 빔에 의해 기판에 공급된다는 사실로 인해 가능합니다.

1981 Gerd Binnig와 Heinrich Rohrer는 스캐닝 터널링 현미경을 만듭니다. 원자 간 상호 작용의 힘을 사용하여 샘플 표면 위 또는 아래로 블레이드를 통과시켜 단일 원자 크기 정도의 해상도로 표면 이미지를 얻을 수 있습니다. 1989년에 이 장치는 개별 원자를 조작하는 데 사용되었습니다. Binnig와 Rohrer는 1986년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

1985 Bell Labs의 Louis Brus는 콜로이드 반도체 나노결정(양자점)을 발견했습니다. 그들은 점의 크기에 필적하는 파장을 가진 입자가 들어올 때 잠재적인 장벽에 의해 XNUMX차원적으로 제한된 공간의 작은 영역으로 정의됩니다.

창조의 엔진: C. Eric Drexler 저서 The Coming Era of Nanotechnology 책 표지

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto 및 Richard Erret Smalley는 닫힌 속이 빈 몸체를 형성하는 짝수의 탄소 원자(28에서 약 1500개)로 구성된 분자인 풀러렌을 발견했습니다. 풀러렌의 화학적 성질은 여러 측면에서 방향족 탄화수소와 유사합니다. 풀러렌 C60 또는 벅민스터풀러렌은 다른 풀러렌과 마찬가지로 탄소의 동소체 형태입니다.

1986-1992 C. Eric Drexler는 나노기술을 대중화한 미래학에 관한 두 권의 중요한 책을 출판했습니다. 1986년에 발표된 첫 번째 작품은 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology입니다. 그는 무엇보다도 미래의 기술이 통제된 방식으로 개별 원자를 조작할 수 있을 것이라고 예측합니다. 1992년에 그는 Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea를 출간하여 나노머신이 스스로 복제할 수 있다고 예측했습니다.

1989 IBM의 Donald M. Aigler는 35개의 크세논 원자로 만들어진 "IBM"이라는 단어를 니켈 표면에 붙였습니다.

1991 일본 Tsukuba에 있는 NEC의 Sumio Iijima는 속이 빈 원통형 구조인 탄소 나노튜브를 발견했습니다. 현재까지 가장 잘 알려진 탄소 나노튜브의 벽은 롤링된 그래핀으로 만들어졌습니다. 비 탄소 나노 튜브와 DNA 나노 튜브도 있습니다. 가장 얇은 탄소 나노튜브는 직경이 XNUMX나노미터 정도이며 수백만 배 더 길 수 있습니다. 그들은 뛰어난 인장 강도와 독특한 전기적 특성을 가지고 있으며 우수한 열 전도체입니다. 이러한 특성으로 인해 나노 기술, 전자, 광학 및 재료 과학 분야의 응용 분야에 유망한 재료가 됩니다.

1993 노스캐롤라이나 대학의 Warren Robinett과 로스앤젤레스 캘리포니아 대학의 R. Stanley Williams는 사용자가 원자를 보고 만질 수 있는 주사 터널링 현미경과 연결된 가상 현실 시스템을 구축하고 있습니다.

1998 네덜란드 Delft University of Technology의 Cees Dekker 팀은 탄소 나노튜브를 사용하는 트랜지스터를 만들고 있습니다. 현재 과학자들은 탄소 나노튜브의 고유한 특성을 사용하여 전기를 덜 소비하는 더 좋고 빠른 전자 제품을 생산하려고 노력하고 있습니다. 이것은 여러 가지 요인에 의해 제한되었으며, 그 중 일부는 점진적으로 극복되었으며, 2016년에 University of Wisconsin-Madison의 연구원들은 최고의 실리콘 프로토타입보다 더 나은 매개변수를 가진 탄소 트랜지스터를 만들었습니다. 마이클 아놀드(Michael Arnold)와 파드마 고팔란(Padma Gopalan)의 연구를 통해 실리콘 경쟁 제품보다 두 배의 전류를 전달할 수 있는 탄소 나노튜브 트랜지스터가 개발되었습니다.

2003 삼성은 세균, 곰팡이 및 XNUMX종 이상의 박테리아를 파괴하고 확산을 방지하는 미세한 은 이온의 작용을 기반으로 한 첨단 기술에 대한 특허를 취득했습니다. 은 입자는 회사의 가장 중요한 여과 시스템인 모든 필터와 집진기 또는 백에 도입되었습니다.

2004 영국 왕립 학회와 왕립 공학 아카데미는 "나노과학과 나노기술: 기회와 불확실성"이라는 보고서를 발행하여 건강, 환경 및 사회에 대한 나노기술의 잠재적 위험에 대한 연구를 윤리적 및 법적 측면을 고려하여 촉구했습니다.

풀러렌 휠의 나노모터 모델

2006 James Tour는 Rice University의 과학자 팀과 함께 축이 알루미늄 원자로 만들어지고 바퀴가 C60 풀러렌으로 만들어진 올리고(페닐렌에티닐렌) 분자로 미세한 "밴"을 만들고 있습니다. 나노 차량은 풀러렌 "바퀴"의 회전으로 인해 온도 상승의 영향으로 금 원자로 구성된 표면 위로 이동했습니다. 300 ° C 이상의 온도에서는 화학자들이 더 이상 추적 할 수 없을 정도로 가속되었습니다 ...

2007 Technion 나노기술자들은 유대인의 "구약" 전체를 단 0,5mm의 영역에 맞춥니다.² 금도금 실리콘 웨이퍼. 글은 갈륨 이온의 집중된 흐름을 판에 향하게 하여 새겨졌습니다.

2009-2010 뉴욕 대학의 Nadrian Seaman과 동료들은 합성 DNA 구조가 원하는 모양과 특성을 가진 다른 구조를 "생산"하도록 프로그래밍할 수 있는 일련의 DNA 유사 나노마운트를 만들고 있습니다.

2013 IBM 과학자들은 100억 배로 확대되어야만 볼 수 있는 애니메이션 영화를 제작하고 있습니다. 그것은 "소년과 그의 원자"라고 불리며 일산화탄소의 단일 분자인 XNUMX억분의 XNUMX미터 크기의 이원자 점으로 그려져 있습니다. 그 만화는 처음에는 공을 가지고 놀다가 트램폴린 위로 점프하는 소년을 묘사합니다. 분자 중 하나는 공 역할도 합니다. 모든 동작은 구리 표면에서 이루어지며 각 필름 프레임의 크기는 수십 나노미터를 초과하지 않습니다.

2014 취리히에 있는 ETH 공과 대학의 과학자들은 두께가 100나노미터 미만인 다공성 막을 만드는 데 성공했습니다. 나노 기술 조작을 통해 얻은 재료의 두께는 XNUMX ×입니다. 사람의 머리카락보다 몇 배나 작습니다. 저자 팀 구성원에 따르면 이것은 얻을 수 있고 일반적으로 가능한 가장 얇은 다공성 재료입니다. XNUMX차원 그래핀 구조의 두 층으로 구성되어 있습니다. 멤브레인은 투과성이 있지만 작은 입자에만 침투하여 큰 입자를 느리게 하거나 완전히 가둡니다.

2015 자연 과정을 모방하여 한 분자에서 다른 분자로 에너지를 전달하는 나노 크기의 장치인 분자 펌프가 만들어지고 있습니다. 레이아웃은 Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences의 연구원들이 디자인했습니다. 메커니즘은 단백질의 생물학적 과정을 연상시킵니다. 이러한 기술은 예를 들어 인공 근육과 같은 생명 공학 및 의학 분야에서 주로 응용될 것으로 예상됩니다.

2016 과학 저널인 Nature Nanotechnology에 실린 간행물에 따르면 네덜란드 델프트 공과 대학의 연구원들이 획기적인 단일 원자 저장 매체를 개발했습니다. 새로운 방법은 현재 사용 중인 어떤 기술보다 XNUMX배 이상 높은 저장 밀도를 제공해야 합니다. 저자는 공간에서 입자 위치의 XNUMX차원 모델을 사용하여 더 나은 결과를 얻을 수 있다고 지적합니다.

나노기술 및 나노물질의 분류

나노기술 구조에는 다음이 포함됩니다.

양자 우물, 와이어 및 도트, 즉 다음과 같은 기능을 결합한 다양한 구조 - 잠재적 장벽을 통한 특정 영역의 입자 공간 제한;
예를 들어 전례 없는 기계적 특성을 가진 재료를 얻을 수 있는 덕분에 구조가 개별 분자 수준에서 제어되는 플라스틱;
인공 섬유 - 매우 정밀한 분자 구조를 가진 재료이며 특이한 기계적 특성으로도 구별됩니다.
나노튜브, 중공 실린더 형태의 초분자 구조. 현재까지 가장 잘 알려진 탄소 나노튜브의 벽은 접힌 그래핀(단원자 흑연 층)으로 구성되어 있습니다. 비 탄소 나노 튜브 (예 : 황화 텅스텐)와 DNA도 있습니다.
예를 들어 금속 원자의 축적물인 먼지 형태로 분쇄된 물질. 강력한 항균성을 지닌 은()이 이 형태로 널리 사용됩니다.
나노와이어(예: 은 또는 구리);
전자 리소그래피 및 기타 나노리소그래피 방법을 사용하여 형성된 요소;
풀러렌;
그래핀 및 기타 XNUMX차원 물질(보로펜, 그래핀, 육방정계 질화붕소, 실리센, 게르마넨, 몰리브덴 황화물);
나노입자로 강화된 복합재료.

나노리소그래픽 표면

경제협력개발기구(OECD)가 2004년에 개발한 과학 체계의 나노기술 분류:

나노물질(생산 및 속성);
나노프로세스(나노스케일 응용 - 생체재료는 산업생명공학에 속함).

나노물질은 분자 수준에서 규칙적인 구조, 즉 100나노미터를 초과하지 않습니다.

이 한계는 미세 구조의 기본 단위인 도메인의 크기를 의미하거나 기판에서 얻거나 증착된 층의 두께를 의미할 수 있습니다. 실제로, 나노물질에 기인하는 이하의 한계는 성능 특성이 다른 재료에 따라 다릅니다. 이는 주로 초과 시 특정 특성의 출현과 관련이 있습니다. 재료의 정렬된 구조의 크기를 줄임으로써 물리화학적, 기계적 및 기타 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

나노 물질은 다음 네 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다.