Diese Zeitleiste zeigt vormoderne Beispiele der Nanotechnologie sowie Entdeckungen und Meilensteine der Neuzeit auf dem Gebiet der Nanotechnologie.
Vormoderne Beispiele der Nanotechnologien
Frühe Beispiele nanostrukturierter Materialien basierten auf dem empirischen Verständnis und der Manipulation von Materialien durch Handwerker. Die Verwendung von großer Hitze war ein üblicher Schritt in ihren Prozessen, um diese Materialien mit neuartigen Eigenschaften herzustellen.
Der Lycurgus-Becher im Britischen Museum, beleuchtet von außen (links) und von innen (rechts)
4: Der Lycurgus-Pokal (Rom) ist ein Beispiel für dichroitisches Glas; kolloidales Gold und Silber im Glas lassen ihn undurchsichtig grün erscheinen, wenn er von außen beleuchtet wird, aber durchscheinend rot, wenn das Licht von innen durchscheint. (Bilder links.)
Polychrome Lusterware-Schale, 9. Jh., Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
9. bis 17. Jahrhundert: Leuchtende, glitzernde „Lüster“-Keramikglasuren, die in der islamischen Welt und später in Europa verwendet wurden, enthielten Silber oder Kupfer oder andere metallische Nanopartikel. (Bild rechts.)
Die Südrosette der Kathedrale von Notre Dame, um 1250
6. bis 15. Jahrhundert: Die leuchtenden Glasfenster in europäischen Kathedralen verdanken ihre satten Farben Nanopartikeln aus Goldchlorid und anderen Metalloxiden und -chloriden; Gold-Nanopartikel wirkten auch als photokatalytische Luftreiniger. (Bild links.)
13. bis 18. Jahrhundert: „Damaszener Säbelklingen enthielten Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Zementit-Nanodrähte – eine ultrahochkohlenstoffhaltige Stahlzusammensetzung, die ihnen Festigkeit, Widerstandsfähigkeit, Schärfe und ein sichtbares Moiré-Muster im Stahl verlieh, das den Klingen ihren Namen gab. (Bilder unten.)
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| (Links) Ein Damaszener Säbel (Foto von Tina Fineberg für die New York Times). (Rechts) Hochauflösende transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Kohlenstoffnanoröhren in einem echten Damaszenersäbel nach Auflösung in Salzsäure, die Reste von Zementit-Nanodrähten zeigt, die von Kohlenstoffnanoröhren eingekapselt sind (Maßstabsbalken, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Beispiele für Entdeckungen und Entwicklungen, die die Nanotechnologie in der heutigen Zeit ermöglichen
Diese basieren auf immer ausgefeilteren wissenschaftlichen Erkenntnissen und Instrumenten sowie auf Experimenten.
„Rubin“ Goldkolloid (Gold Bulletin 2007 40,4, S. 267)
1857: Michael Faraday entdeckte kolloidales „Rubin“-Gold, indem er nachwies, dass nanostrukturiertes Gold unter bestimmten Lichtverhältnissen verschiedenfarbige Lösungen erzeugt.
1936: Erwin Müller erfindet im Siemens-Forschungslaboratorium das Feldemissionsmikroskop, das Bilder von Materialien in nahezu atomarer Auflösung ermöglicht.
1947: John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain in den Bell Labs entdeckten den Halbleitertransistor und erweiterten das wissenschaftliche Wissen über Halbleiterschnittstellen erheblich und legten damit die Grundlage für elektronische Geräte und das Informationszeitalter.
1947 Transistor, Bell Labs
1950: Victor La Mer und Robert Dinegar entwickelten die Theorie und ein Verfahren zur Herstellung monodisperser kolloidaler Materialien. Die kontrollierte Fähigkeit zur Herstellung von Kolloiden ermöglicht unzählige industrielle Anwendungen wie Spezialpapiere, Farben und dünne Filme, sogar Dialysebehandlungen.
1951: Erwin Müller leistete Pionierarbeit mit dem Feldionenmikroskop, einer Methode zur Abbildung der Anordnung von Atomen an der Oberfläche einer scharfen Metallspitze; er bildete erstmals Wolframatome ab.
1956: Arthur von Hippel am MIT führte viele Konzepte der „molekularen Technik“ ein und prägte den Begriff „Molekulartechnik“ in Bezug auf Dielektrika, Ferroelektrika und Piezoelektrika.
Jack Kilby, um 1960.
1958: Jack Kilby von Texas Instruments entwickelte, konstruierte und baute den ersten integrierten Schaltkreis, für den er im Jahr 2000 den Nobelpreis erhielt. (Bild links.)
Richard Feynman (Caltech Archive)
1959: Richard Feynman vom California Institute of Technology hält auf einer Tagung der American Physical Society am Caltech den Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“, der als der erste Vortrag über Technologie und Technik im atomaren Maßstab gilt. (Bild rechts.)
Moores erstes öffentliches Diagramm, das seine Vision zeigt, dass die Halbleiterindustrie in der Lage sein würde, „mehr Komponenten in integrierte Schaltkreise zu packen“
1965: Der Mitbegründer von Intel, Gordon Moore, beschreibt in der Zeitschrift Electronics mehrere Trends, die er im Bereich der Elektronik voraussieht. Ein Trend, der heute als „Moore’s Law“ bekannt ist, beschreibt, dass sich die Dichte der Transistoren auf einem integrierten Chip (IC) alle 12 Monate verdoppelt (später geändert auf alle 2 Jahre). Moore ging auch davon aus, dass die Größe und die Kosten von Chips mit ihrer wachsenden Funktionalität schrumpfen würden – mit einer transformierenden Wirkung auf die Art und Weise, wie Menschen leben und arbeiten. Dass der grundlegende Trend, den Moore voraussah, seit 50 Jahren anhält, ist zu einem großen Teil darauf zurückzuführen, dass sich die Halbleiterindustrie zunehmend auf die Nanotechnologie verlässt, da sich ICs und Transistoren atomaren Dimensionen angenähert haben.1974: Norio Taniguchi, Professor an der Tokyo Science University, prägte den Begriff Nanotechnologie, um die Präzisionsbearbeitung von Materialien mit Maßtoleranzen im atomaren Bereich zu beschreiben. (Siehe Grafik links.)
1981: Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im IBM-Labor in Zürich erfanden das Rastertunnelmikroskop, das es Wissenschaftlern erstmals ermöglichte, einzelne Atome zu „sehen“ (direkte räumliche Bilder von ihnen zu erstellen). Für diese Entdeckung erhielten Binnig und Rohrer 1986 den Nobelpreis.
1981: Der Russe Alexei Ekimov entdeckt nanokristalline, halbleitende Quantenpunkte in einer Glasmatrix und führt bahnbrechende Studien über ihre elektronischen und optischen Eigenschaften durch.
1985: Die Forscher Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl und Richard Smalley von der Rice University entdeckten das Buckminsterfulleren (C60), besser bekannt als „Buckyball“, ein Molekül, das die Form eines Fußballs hat und vollständig aus Kohlenstoff besteht, wie Graphit und Diamant. Für diese Entdeckung und die Entdeckung der Fulleren-Molekülklasse im Allgemeinen wurde das Team 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. (Künstlerische Darstellung rechts.)
1985: Louis Brus von Bell Labs entdeckte kolloidale Halbleiter-Nanokristalle (Quantenpunkte), für die er den Kavli-Preis 2008 in Nanotechnologie erhielt.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber erfanden das Rasterkraftmikroskop, mit dem Materialien bis zu Bruchteilen eines Nanometers betrachtet, gemessen und manipuliert werden können, einschließlich der Messung verschiedener Kräfte, die Nanomaterialien innewohnen.
1989: Don Eigler und Erhard Schweizer am IBM Almaden Research Center manipulierten 35 einzelne Xenon-Atome, um das IBM-Logo zu buchstabieren. Diese Demonstration der Fähigkeit, Atome präzise zu manipulieren, läutete die Anwendung der Nanotechnologie ein. (Bild links.)
1990er Jahre: Frühe Nanotechnologieunternehmen werden gegründet, z. B. Nanophase Technologies im Jahr 1989, Helix Energy Solutions Group im Jahr 1990, Zyvex im Jahr 1997, Nano-Tex im Jahr 1998….
1991: Sumio Iijima von NEC wird die Entdeckung der Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT) zugeschrieben, obwohl auch andere frühe Beobachtungen röhrenförmiger Kohlenstoffstrukturen gemacht haben. Für diesen und andere Fortschritte auf diesem Gebiet erhielt Iijima im Jahr 2008 den Kavli-Preis für Nanowissenschaften. CNTs bestehen wie Buckyballs vollständig aus Kohlenstoff, allerdings in einer röhrenförmigen Form. Sie weisen außergewöhnliche Eigenschaften auf, u. a. in Bezug auf Festigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit. (Bild unten.)
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| Kohlenstoff-Nanoröhrchen (mit freundlicher Genehmigung der National Science Foundation). Die Eigenschaften von CNTs werden für Anwendungen in der Elektronik, Photonik, in multifunktionalen Geweben, in der Biologie (z. B. als Gerüst für die Züchtung von Knochenzellen) und in der Kommunikation erforscht. Weitere Beispiele finden Sie in einem Artikel des Discovery Magazine aus dem Jahr 2009 | SEM-Mikroskopische Aufnahme von gereinigtem Nanoröhren-„Papier“, bei dem die Nanoröhren die Fasern sind (Maßstabsleiste, 0,001 mm) (mit freundlicher Genehmigung der NASA). | Eine Anordnung von ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren, die wie eine Radioantenne zur Erfassung von Licht bei sichtbaren Wellenlängen wirken kann (Maßstabsleiste 0,001 mm) (mit freundlicher Genehmigung von K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge und Kollegen bei Mobil Oil entdeckten die nanostrukturierten katalytischen Materialien MCM-41 und MCM-48, die heute in großem Umfang bei der Raffinierung von Rohöl sowie bei der Verabreichung von Medikamenten, der Wasseraufbereitung und anderen vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden.
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| MCM-41 ist ein „mesoporöses Molekularsieb“-Siliziumdioxid-Nanomaterial mit einer hexagonalen oder „wabenförmigen“ Anordnung seiner geraden zylindrischen Poren, wie auf diesem TEM-Bild zu sehen ist (mit freundlicher Genehmigung von Thomas Pauly, Michigan State University). | Dieses TEM-Bild von MCM-41 zeigt die geraden zylindrischen Poren, wie sie senkrecht zur Betrachtungsachse liegen (mit freundlicher Genehmigung von Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi vom MIT erfand eine Methode zur kontrollierten Synthese von Nanokristallen (Quantenpunkten) und ebnete damit den Weg für Anwendungen, die von der Informatik über die Biologie bis hin zur hocheffizienten Photovoltaik und Beleuchtung reichen. In den folgenden Jahren trugen auch andere Forscher wie Louis Brus und Chris Murray zu Methoden für die Synthese von Quantenpunkten bei.
1998: Die Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN) wurde unter dem National Science and Technology Council gegründet, um den Stand der Wissenschaft und Technologie im Nanobereich zu untersuchen und mögliche zukünftige Entwicklungen zu prognostizieren. Die Studie und der Bericht des IWGN, Nanotechnology Research Directions: Vision for the Next Decade (1999) definierte die Vision für die U.S. National Nanotechnology Initiative und führte direkt zur Gründung dieser Initiative im Jahr 2000.
1999: Die Forscher Wilson Ho und Hyojune Lee von der Cornell University erforschten die Geheimnisse chemischer Bindungen, indem sie ein Molekül mit einem Rastertunnelmikroskop aus einzelnen Komponenten zusammensetzten. (Bild links.)
1999: Chad Mirkin von der Northwestern University erfand die Dip-Pen-Nanolithographie® (DPN®), die zum herstellbaren, reproduzierbaren „Schreiben“ elektronischer Schaltkreise sowie zur Strukturierung von Biomaterialien für die zellbiologische Forschung, die Nano-Verschlüsselung und andere Anwendungen führte. (Bild unten rechts.)
Verwendung von DPN zur Ablagerung von Biomaterialien ©2010 Nanoink
1999-frühe 2000er Jahre: Verbraucherprodukte, die sich der Nanotechnologie bedienen, kommen auf den Markt, darunter leichte, mit Nanotechnologie ausgestattete Autostoßstangen, die Dellen und Kratzern widerstehen, Golfbälle, die gerader fliegen, Tennisschläger, die steifer sind (daher prallt der Ball schneller ab), Baseballschläger mit besserem Biegeverhalten und „Kick“,“antibakterielle Socken aus Nanosilber, durchsichtige Sonnenschutzmittel, knitter- und schmutzabweisende Kleidung, tief eindringende therapeutische Kosmetika, kratzfeste Glasbeschichtungen, schneller aufladbare Batterien für schnurlose Elektrowerkzeuge und verbesserte Displays für Fernsehgeräte, Handys und Digitalkameras.
2000: Präsident Clinton rief die Nationale Nanotechnologie-Initiative (NNI) ins Leben, um die F&D-Bemühungen der Bundesregierung zu koordinieren und die Wettbewerbsfähigkeit der USA in der Nanotechnologie zu fördern. Der Kongress finanzierte die NNI zum ersten Mal im GJ 2001. Der NSET-Unterausschuss des NSTC wurde zur behördenübergreifenden Gruppe ernannt, die für die Koordinierung der NNI verantwortlich ist.
2003: Der Kongress verabschiedete den 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (P.L. 108-153). Das Gesetz schuf eine gesetzliche Grundlage für die NNI, legte Programme fest, wies den Behörden Zuständigkeiten zu, genehmigte die Höhe der Finanzmittel und förderte die Forschung zur Lösung von Schlüsselfragen.
Computersimulation des Wachstums von Goldnanoshells mit Siliziumdioxidkern und Goldüberschicht (mit freundlicher Genehmigung von N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek und Renata Pasqualin an der Rice University entwickelten Goldnanohüllen, die, wenn sie in ihrer Größe so „abgestimmt“ werden, dass sie Nahinfrarotlicht absorbieren, als Plattform für die integrierte Entdeckung, Diagnose und Behandlung von Brustkrebs ohne invasive Biopsien, Operationen oder systemisch zerstörende Strahlen- oder Chemotherapie dienen.2004: Die Europäische Kommission nimmt die Mitteilung „Auf dem Weg zu einer europäischen Strategie für Nanotechnologie“ (KOM(2004) 338) an, in der vorgeschlagen wird, die europäischen Bemühungen im Bereich der Nanowissenschaften und der Nanotechnologie-Forschung und -Entwicklung im Rahmen einer integrierten und verantwortungsbewussten Strategie zu institutionalisieren, und in der europäische Aktionspläne und laufende Finanzierungen für die Nanotechnologie-Forschung und -Entwicklung angeregt werden. (Bild links.)
2004: Die britische Royal Society und die Royal Academy of Engineering veröffentlichten die Publikation Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties“ (Chancen und Unsicherheiten), in dem die Notwendigkeit betont wird, potenzielle gesundheitliche, ökologische, soziale, ethische und regulatorische Fragen im Zusammenhang mit der Nanotechnologie anzugehen.
2004: Die SUNY Albany hat das erste Ausbildungsprogramm auf College-Ebene für Nanotechnologie in den Vereinigten Staaten ins Leben gerufen, das College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: Erik Winfree und Paul Rothemund vom California Institute of Technology entwickeln Theorien für DNA-basierte Berechnungen und die „algorithmische Selbstmontage“, bei der Berechnungen in den Prozess des Nanokristallwachstums eingebettet sind.
Nanocar mit drehenden Buckyball-Rädern (Credit: RSC, 29. März 2006).
2006: James Tour und Kollegen an der Rice University haben ein Auto im Nanomaßstab gebaut, das aus Oligo(phenylenethinylen) mit Alkinyl-Achsen und vier kugelförmigen C60-Fulleren (Buckyball) besteht. Als Reaktion auf Temperaturerhöhungen bewegte sich das Nanoauto auf einer Goldoberfläche durch die Drehung der Buckyball-Räder, wie bei einem herkömmlichen Auto. Bei Temperaturen über 300°C bewegte es sich so schnell, dass die Chemiker es nicht mehr verfolgen konnten! (Bild links.)
2007: Angela Belcher und Kollegen am MIT haben mit einem kostengünstigen und umweltfreundlichen Verfahren eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer für den Menschen ungefährlichen Virusart hergestellt. Die Batterien haben die gleiche Energiekapazität und Leistung wie die modernsten wiederaufladbaren Batterien, die für den Betrieb von Plug-in-Hybridautos in Betracht gezogen werden, und sie könnten auch für den Betrieb von persönlichen elektronischen Geräten verwendet werden. (Bild rechts.)
(v.l.n.r.) Die MIT-Professoren Yet-Ming Chiang, Angela Belcher und Paula Hammond zeigen einen mit Viren beladenen Film, der als Anode einer Batterie dienen kann. (Foto: Donna Coveney, MIT News.)
2008: Die erste offizielle NNI-Strategie für Nanotechnologie-bezogene Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsforschung (EHS) wurde veröffentlicht, basierend auf einem zweijährigen Prozess von NNI-geförderten Untersuchungen und öffentlichen Dialogen. Dieses Strategiedokument wurde 2011 nach einer Reihe von Workshops und öffentlicher Überprüfung aktualisiert.
2009-2010: Nadrian Seeman und Kollegen an der New York University haben mehrere DNA-ähnliche robotische Montagegeräte im Nanomaßstab entwickelt. Eines davon ist ein Verfahren zur Schaffung von 3D-DNA-Strukturen unter Verwendung synthetischer Sequenzen von DNA-Kristallen, die so programmiert werden können, dass sie sich mithilfe von „klebrigen Enden“ selbst zusammensetzen und in einer bestimmten Reihenfolge und Ausrichtung platziert werden. Die Nanoelektronik könnte davon profitieren: Die Flexibilität und Dichte, die 3D-Komponenten im Nanomaßstab ermöglichen, könnten den Zusammenbau kleinerer, komplexerer und enger zusammenliegender Teile ermöglichen. Eine weitere Kreation von Seeman (mit Kollegen an der chinesischen Nanjing-Universität) ist ein „DNA-Fließband“. Für diese Arbeit wurde Seeman 2010 mit dem Kavli-Preis für Nanowissenschaften ausgezeichnet.
2010: IBM verwendete eine Siliziumspitze, die an ihrer Spitze nur wenige Nanometer misst (ähnlich den Spitzen, die in Rasterkraftmikroskopen verwendet werden), um Material von einem Substrat abzutragen und eine vollständige 3D-Reliefkarte der Welt im Nanomaßstab zu erstellen, die nur ein Tausendstel so groß wie ein Salzkorn ist – in 2 Minuten und 23 Sekunden. Damit wurde ein leistungsfähiges Verfahren zur Erzeugung von Mustern und Strukturen im Nanomaßstab von nur 15 Nanometern bei deutlich geringeren Kosten und geringerer Komplexität demonstriert, das neue Perspektiven für Bereiche wie Elektronik, Optoelektronik und Medizin eröffnet. (Bild unten.)
Ein gerendertes Bild einer nanoskaligen Siliziumspitze, die die kleinste Reliefkarte der Welt aus einem Substrat aus organischem Molekularglas herausmeißelt. In der Mitte des Vordergrunds sind das Mittelmeer und Europa zu sehen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Advanced Materials.)
2011: Der NSET-Unterausschuss aktualisierte sowohl den NNI-Strategieplan als auch die NNI-Forschungsstrategie für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit und stützte sich dabei auf umfangreiche Beiträge aus öffentlichen Workshops und Online-Dialogen mit Interessenvertretern aus Regierung, Wissenschaft, Nichtregierungsorganisationen, der Öffentlichkeit und anderen Bereichen.
2012: Die NNI startete zwei weitere Nanotechnology Signature Initiatives (NSI) – Nanosensoren und die Nanotechnology Knowledge Infrastructure (NKI) – womit sich die Gesamtzahl auf fünf NSI erhöht.
2013:
-Die NNI beginnt die nächste Runde der strategischen Planung, beginnend mit dem Stakeholder-Workshop.
-Stanford-Forscher entwickeln den ersten Kohlenstoffnanoröhren-Computer.
2014:
-Die NNI veröffentlicht den aktualisierten Strategieplan 2014.
-Die NNI veröffentlicht den Fortschrittsbericht 2014 über die koordinierte Umsetzung der NNI-Forschungsstrategie für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit von 2011.