Tältä aikajanalta löytyvät nanoteknologian premodernit esimerkit sekä modernin ajan löydöt ja virstanpylväät nanoteknologian alalla.
Premodernit esimerkit nanoteknologiasta
Varhaiset esimerkit nanorakenteisista materiaaleista perustuivat käsityöläisten kokemusperäiseen ymmärrykseen materiaaleista ja materiaalien käsittelyyn. Korkean lämmön käyttö oli yksi yleinen vaihe heidän prosesseissaan, joilla tuotettiin näitä materiaaleja, joilla oli uudenlaisia ominaisuuksia.
Britannian museossa oleva Lycurgus-kuppi, valaistuna ulkopuolelta (vasemmalta) ja sisäpuolelta (oikealta)
4. vuosisata: Lycurgus-kuppi (Rooma) on esimerkki dikroottisesta lasista; lasin sisältämä kolloidinen kulta ja hopea saavat sen näyttämään läpinäkymättömän vihreältä, kun se valaistaan ulkopuolelta, mutta läpikuultavan punaiselta, kun valo paistaa sisäpuolelta läpi. (Kuvat vasemmalla.)
Polykrominen kiiltokulho, 9. kr. Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
9.-17. kr: Islamilaisessa maailmassa ja myöhemmin Euroopassa käytetyt hohtavat, kimaltelevat ”kiiltävät” keraamiset lasitteet sisälsivät hopeaa tai kuparia tai muita metallisia nanohiukkasia. (Kuva oikealla.)
Notre Damen katedraalin eteläruusuikkuna, n. 1250
6.-15. vuosisadat: Euroopan katedraalien eloisat lasimaalaukset saivat rikkaat värinsä kultakloridin ja muiden metallioksidien ja -kloridien nanohiukkasista; kultaiset nanohiukkaset toimivat myös fotokatalyyttisinä ilmanpuhdistajina. (Kuva vasemmalla.)
13.-18. vuosisata: ”Damaskoksen” sapeliterät sisälsivät hiilinanoputkia ja sementiitti-nanohiutaleita – ultrakorkean hiiliteräksen koostumusta, joka antoi niille lujuutta, kimmoisuutta, kyvyn pitää terävä särmä ja teräksessä näkyvän moiré-kuvion, joka antaa terille niiden nimen. (Kuvat alla.)
 |
 |
| (Vasemmalla) Damaskossapeli (kuva Tina Fineberg New York Timesille). (Oikealla) Korkearesoluutioinen läpäisyelektronimikroskooppikuva hiilinanoputkista aidossa Damaskoksen sapelissa suolahappoon liuottamisen jälkeen, jossa näkyy hiilinanoputkien kapseloimien sementiitti-nanopiirien jäänteitä (mittakaavapalkki 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Esimerkkejä nanoteknologian mahdollistavista löydöistä ja kehityksestä nykyaikana
Ne perustuvat yhä kehittyneempään tieteelliseen ymmärrykseen ja välineistöön sekä kokeiluihin.
”Rubiini” kultakolloidi (Gold Bulletin 2007 40,4, s. 267)
1857: Michael Faraday löysi kolloidisen ”rubiini ”kullan osoittamalla, että nanorakenteinen kulta tuottaa tietyissä valaistusolosuhteissa erivärisiä liuoksia.
1936: Erwin Müller keksi Siemensin tutkimuslaboratoriossa työskennellessään kenttäemissiomikroskoopin, jonka avulla materiaaleista voitiin ottaa lähes atomitarkkoja kuvia.
1947: John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain Bell Labsissa keksivät puolijohdetransistorin ja laajensivat huomattavasti tieteellistä tietämystä puolijohteiden rajapinnoista, mikä loi perustan elektronisille laitteille ja informaatioaikakaudelle.
1947 transistori, Bell Labs
1950: Victor La Mer ja Robert Dinegar kehittivät teorian ja prosessin monodispersiivisten kolloidisten materiaalien kasvattamiseksi. Hallittu kyky valmistaa kolloideja mahdollistaa lukemattomat teolliset käyttötarkoitukset, kuten erikoispaperit, maalit ja ohuet kalvot, jopa dialyysihoidot.
1951: Erwin Müller teki uraauurtavan kenttäionimikroskoopin, keinon kuvata atomien järjestäytymistä terävän metallikärjen pinnalla; hän kuvasi ensimmäisenä volframiatomeja.
1956: Arthur von Hippel MIT:ssä esitteli monia käsitteitä – ja loi termin – ”molekyylitekniikka” sovellettuna dielektriikkaan, ferroelektriikkaan ja pietsosähkötekniikkaan
Jack Kilby, noin 1960.
1958: Texas Instrumentsin Jack Kilby ideoi, suunnitteli ja rakensi ensimmäisen integroidun piirin, josta hän sai Nobelin palkinnon vuonna 2000. (Kuva vasemmalla.)
Richard Feynman (Caltechin arkisto)
1959: Richard Feynman Kalifornian teknologiainstituutista piti ensimmäisenä pidetyn luennon teknologiasta ja tekniikasta atomiasteikolla, ”There’s Plenty of Room at the Bottom”, American Physical Societyn kokouksessa Caltechissa. (Kuva oikealla.)
Mooren ensimmäinen julkinen kuvaaja, jossa näkyy hänen näkemyksensä siitä, että puolijohdeteollisuus voisi ”ahtaa enemmän komponentteja integroituihin piireihin”
1965: Intelin toinen perustaja Gordon Moore kuvaili Electronics-lehdessä useita elektroniikka-alalla ennustamiaan suuntauksia. Yksi suuntaus, joka tunnetaan nykyään ”Mooren lakina”, kuvasi transistoritiheyden kaksinkertaistumista integroidulla piirillä (IC) 12 kuukauden välein (myöhemmin muutettu 2 vuoden välein). Moore näki myös sirujen koon ja kustannusten pienenevän niiden toiminnallisuuden kasvaessa, millä oli mullistava vaikutus ihmisten elin- ja työskentelytapoihin. Se, että Mooren visioima perussuuntaus on jatkunut 50 vuotta, johtuu suurelta osin siitä, että puolijohdeteollisuus luottaa yhä enemmän nanoteknologiaan, kun IC:t ja transistorit ovat lähestyneet atomimittoja.1974: Tokion tiedeyliopiston professori Norio Taniguchi keksi termin nanoteknologia kuvaamaan materiaalien tarkkaa työstöä atomimittakaavan mittatoleransseihin. (Ks. kaavio vasemmalla.)
1981: Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer IBM:n Zürichin laboratoriossa keksivät pyyhkäisevän tunnelointimikroskoopin, jonka avulla tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa ”näkemään” (luomaan suoria tilakuvia) yksittäisistä atomeista. Binnig ja Rohrer saivat Nobelin palkinnon tästä keksinnöstä vuonna 1986.
1981: Venäläinen Aleksei Ekimov löysi nanokiteisiä, puolijohtavia kvanttipisteitä lasimatriisissa ja teki uraauurtavia tutkimuksia niiden elektronisista ja optisista ominaisuuksista.
1985: Ricen yliopiston tutkijat Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl ja Richard Smalley löysivät Buckminsterfullereenin (C60), joka tunnetaan yleisemmin nimellä buckyball, joka on muodoltaan jalkapalloa muistuttava molekyyli, joka koostuu kokonaan hiilestä, kuten grafiitti ja timantti. Ryhmälle myönnettiin vuonna 1996 Nobelin kemianpalkinto heidän roolistaan tässä ja yleisemmin fullereenimolekyylien luokan löytämisessä. (Taiteilijan kuva oikealla.)
1985: Bell Labsin Louis Brus löysi kolloidiset puolijohde-nanokiteet (kvanttipisteet), josta hän sai vuoden 2008 Kavli-palkinnon nanoteknologiassa.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate ja Christoph Gerber keksivät atomivoimamikroskoopin, jolla voidaan tarkastella, mitata ja käsitellä materiaaleja nanometrin murto-osiin asti, mukaan lukien erilaisten nanomateriaaleille ominaisten voimien mittaaminen.
1989: Don Eigler ja Erhard Schweizer IBM:n Almadenin tutkimuskeskuksessa manipuloivat 35 yksittäistä ksenonatomia IBM:n logon tavuttamiseksi. Tämä osoitus kyvystä manipuloida atomeja tarkasti aloitti nanoteknologian soveltavan käytön. (Kuva vasemmalla.)
1990-luku: Varhaiset nanoteknologiayritykset alkoivat toimia, esimerkiksi Nanophase Technologies vuonna 1989, Helix Energy Solutions Group vuonna 1990, Zyvex vuonna 1997, Nano-Tex vuonna 1998….
1991: NEC:n Sumio Iijiman katsotaan keksineen hiilinanoputken (CNT), vaikka muillakin oli varhaisia havaintoja putkimaisista hiilirakenteista. Iijima sai vuonna 2008 nanotieteen Kavli-palkinnon tästä ja muista alan edistysaskelista. CNT:t, kuten tattaripallot, koostuvat kokonaan hiilestä, mutta ovat putkimaisia. Niillä on poikkeuksellisia ominaisuuksia muun muassa lujuuden sekä sähkön- ja lämmönjohtavuuden suhteen. (Kuva alla.)
 |
 |
 |
| Carbon nanotubes (courtesy, National Science Foundation). CNT:n ominaisuuksia tutkitaan sovelluksia varten elektroniikassa, fotoniikassa, monikäyttöisissä kankaissa, biologiassa (esim. telineenä luusolujen kasvattamisessa) ja viestinnässä. Katso muita esimerkkejä Discovery Magazinen artikkelista vuodelta 2009 | SEM-mikroskooppikuva puhdistetusta nanoputki ”paperista”, jossa nanoputket ovat kuituja (mittakaavapalkki 0,001 mm) (NASA). | Kohdistettujen hiilinanoputkien joukko, joka voi toimia radioantennin tavoin havaitessaan valoa näkyvillä aallonpituuksilla (mittakaavapalkki 0,001 mm) (kohteliaisuus, K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge ja kollegansa Mobil Oililla löysivät nanorakenteiset katalyyttiset materiaalit MCM-41 ja MCM-48, joita käytetään nykyään runsaasti raakaöljyn jalostuksessa sekä lääkkeiden annostelussa, vedenkäsittelyssä ja muissa monipuolisissa sovelluksissa.
 |
 |
| MCM-41 on ”mesohuokoinen molekyyliseula” piidioksidinanomateriaali, jonka suorat sylinterimäiset huokoset ovat kuusikulmaisesti tai ”hunajakennomaisesti” järjestäytyneitä, kuten tässä TEM-kuvauksessa on nähtävissä (Courtesy of Thomas Pauly, Michiganin osavaltio-yliopisto). | Tämä TEM-kuva MCM-41:stä näyttää suorat sylinterimäiset huokoset siten, että ne ovat kohtisuorassa katseluakselia vastaan (Courtesy of Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi MIT:stä keksi menetelmän nanokiteiden (kvanttipisteiden) hallittuun synteesiin, mikä tasoittaa tietä sovelluksille, jotka ulottuvat tietojenkäsittelystä biologiaan ja korkean hyötysuhteen aurinkosähköön ja valaistukseen. Seuraavien vuosien aikana myös muut tutkijat, kuten Louis Brus ja Chris Murray, kehittivät menetelmiä kvanttipisteiden syntetisoimiseksi.
1998: Kansallisen tiede- ja teknologianeuvoston (National Science and Technology Council) alaisuuteen perustettiin nanoteknologian työryhmä (Interagency Working Group on Nanotechnology, IWGN), jonka tehtävänä oli tutkia nanotieteen ja -teknologian nykytilaa ja ennakoida mahdollista tulevaa kehitystä. IWGN:n tutkimus ja raportti, Nanotechnology Research Directions: Vision for Next Decade (1999) määritteli vision ja johti suoraan Yhdysvaltain kansallisen nanoteknologia-aloitteen muodostamiseen vuonna 2000.
1999: Cornellin yliopiston tutkijat Wilson Ho ja Hyojune Lee tutkivat kemiallisen sidoksen salaisuuksia kokoamalla molekyylin osatekijöistä pyyhkäisevällä tunnelointimikroskoopilla. (Kuva vasemmalla.)
1999: Chad Mirkin Northwestern-yliopistossa keksi dip-pen-nanolitografian® (DPN®), joka johti elektronisten piirien valmistettavaan ja toistettavaan ”kirjoittamiseen” sekä biomateriaalien kuvioimiseen solubiologista tutkimusta, nanosalausta ja muita sovelluksia varten. (Kuva alla oikealla.)
DPN:n käyttö biomateriaalien tallentamiseen ©2010 Nanoink
1999-2000-luvun alussa: Markkinoille alkoi ilmestyä nanoteknologiaa hyödyntäviä kuluttajatuotteita, kuten kevyitä nanoteknologiaa hyödyntäviä autojen puskureita, jotka kestävät kolhuja ja naarmuja, golfpalloja, jotka lentävät suorempina, tennismailoja, jotka ovat jäykempiä (siksi pallo kimpoaa nopeammin), pesäpallomailoja, joissa on parempi taipuvuus ja ”potku”,”nanohopeasta valmistetut antibakteeriset sukat, kirkkaat aurinkovoiteet, ryppyjä ja tahroja kestävät vaatteet, syvälle tunkeutuva terapeuttinen kosmetiikka, naarmuuntumista kestävät lasipinnoitteet, nopeammin latautuvat akut johdottomissa sähkötyökaluissa ja paremmat näytöt televisioissa, matkapuhelimissa ja digitaalikameroissa.
2000: Presidentti Clinton käynnisti kansallisen nanoteknologia-aloitteen (National Nanotechnology Initiative, NNI) koordinoimaan liittovaltion T&K-toimia ja edistämään Yhdysvaltojen kilpailukykyä nanoteknologian alalla. Kongressi rahoitti NNI:tä ensimmäisen kerran varainhoitovuonna 2001. NSTC:n NSET-alakomitea nimettiin virastojen väliseksi ryhmäksi, joka vastaa NNI:n koordinoinnista.
2003: Kongressi hyväksyi 21. vuosisadan nanoteknologian tutkimusta ja kehittämistä koskevan lain (P.L. 108-153). Lailla luotiin lakisääteinen perusta NNI:lle, perustettiin ohjelmia, osoitettiin virastojen vastuualueet, hyväksyttiin rahoitustasot ja edistettiin tutkimusta keskeisten kysymysten käsittelemiseksi.
Computerisimulaatio sellaisen kultaisen nanokuoren kasvusta, jossa on piidioksidiydin ja kultainen pintakerros (kohteliaisuudesta vastaa N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek ja Renata Pasqualin Ricen yliopistossa kehittivät kultaiset nanokuoret, jotka, kun ne ”viritetään” kooltaan niin, että ne absorboivat lähi-infrapunaista valoa, toimivat alustana rintasyövän integroidulle löytämiselle, diagnosoinnille ja hoidolle ilman invasiivisia koepaloja, leikkausta tai systeemisesti tuhoavaa säteilyä tai kemoterapiaa.2004: Komissio antoi tiedonannon ”Kohti eurooppalaista nanoteknologiastrategiaa” (KOM(2004) 338), jossa ehdotettiin Euroopan nanotieteiden ja nanoteknologian T&K-toimien vakiinnuttamista yhdennetyn ja vastuullisen strategian puitteissa ja jossa edistettiin eurooppalaisia toimintasuunnitelmia ja jatkuvaa rahoitusta nanoteknologian T&K-toimintaan. (Kuva vasemmalla.)
2004: Britannian Royal Society ja Royal Academy of Engineering julkaisivat Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties (Mahdollisuudet ja epävarmuustekijät), jossa puolletaan tarvetta käsitellä nanoteknologiaan liittyviä mahdollisia terveys-, ympäristö-, sosiaalisia, eettisiä ja sääntelykysymyksiä.
2004: SUNY Albany käynnisti Yhdysvalloissa ensimmäisen nanoteknologian yliopistotasoisen koulutusohjelman, College of Nanoscale Science and Engineeringin.
2005: Erik Winfree ja Paul Rothemund Kalifornian teknologiainstituutista kehittivät teorioita DNA:han perustuvasta laskennasta ja ”algoritmisesta itsekokoonpanosta”, jossa laskennat on upotettu nanokiteiden kasvuprosessiin.
Nana-auto, jossa on kääntyvät tattipallopyörät (luotto: RSC, 29.3.2006).
2006: James Tour ja kollegat Ricen yliopistossa rakensivat oligo(fenyleenietyleenistä) valmistetun nanokokoisen auton, jossa on alkynyyliakselit ja neljä pallomaista C60-fullereenipyörää (buckyball). Lämpötilan nousun vaikutuksesta nanoauto liikkui kultapinnalla buckyball-pyörien pyörimisen seurauksena, kuten tavallisessa autossa. Yli 300 °C:n lämpötiloissa se liikkui niin nopeasti, etteivät kemistit pystyneet seuraamaan sitä! (Kuva vasemmalla.)
2007: Angela Belcher ja kollegat MIT:ssä rakensivat litiumioniakun tavallisella virustyypillä, joka ei ole ihmiselle vaarallinen, käyttäen edullista ja ympäristöystävällistä prosessia. Akkujen energiakapasiteetti ja teho on sama kuin uusimpien ladattavien akkujen, joita harkitaan plug-in-hybridiautojen käyttövoimaksi, ja niitä voitaisiin käyttää myös henkilökohtaisten elektroniikkalaitteiden käyttövoimana. (Kuva oikealla.)
(Vasemmalta) MIT:n professorit Yet-Ming Chiang, Angela Belcher ja Paula Hammond esittelevät viruksella ladattua kalvoa, joka voi toimia akun anodina. (Kuva: Donna Coveney, MIT News.)
2008: Ensimmäinen virallinen NNI-strategia nanoteknologiaan liittyvää ympäristö-, terveys- ja turvallisuustutkimusta varten julkaistiin NNI:n rahoittamien tutkimusten ja julkisten vuoropuhelujen kaksivuotisen prosessin pohjalta. Strategia-asiakirjaa päivitettiin vuonna 2011 useiden työpajojen ja julkisen tarkastelun jälkeen.
2009-2010: Nadrian Seeman ja kollegat New Yorkin yliopistossa loivat useita DNA:n kaltaisia robottimaisia nanokokoonpanolaitteita. Yksi niistä on prosessi 3D-DNA-rakenteiden luomiseksi käyttäen synteettisiä DNA-kiteiden sekvenssejä, jotka voidaan ohjelmoida kokoamaan itse itsensä ”tahmeiden päiden” avulla ja sijoittamalla ne määrättyyn järjestykseen ja orientaatioon. Nanoelektroniikka voisi hyötyä tästä: 3D-nanokokoluokan komponenttien mahdollistama joustavuus ja tiheys voisivat mahdollistaa pienempien, monimutkaisempien ja lähempänä toisiaan olevien osien kokoamisen. Toinen Seemanin luomus (yhdessä kollegoidensa kanssa Kiinan Nanjingin yliopistossa) on ”DNA-kokoonpanolinja”. Tästä työstä Seeman sai vuonna 2010 nanotieteen Kavli-palkinnon.
2010: IBM käytti piikärkeä, joka oli huipultaan vain muutaman nanometrin kokoinen (samanlainen kuin atomivoimamikroskoopeissa käytettävät kärjet), talttaamaan materiaalia alustasta ja luomaan täydellisen nanokokoluokan 3D-reliefikartan maailmasta, joka on yksi tuhannesosa suolajyvän koosta, 2 minuutissa ja 23 sekunnissa. Tämä toiminta osoitti tehokkaan kuviointimenetelmän, jonka avulla voidaan tuottaa jopa 15 nanometrin kokoisia nanokuvioita ja -rakenteita huomattavasti pienemmillä kustannuksilla ja yksinkertaisemmin, mikä avaa uusia näkymiä esimerkiksi elektroniikan, optoelektroniikan ja lääketieteen aloille. (Kuva alla.)
Renderöity kuva nanokokoluokan piikärjestä, joka kaivertaa orgaanisesta molekyylilasista valmistetusta alustasta pienimmän kohokartan maailmasta. Kuvassa keskellä etualalla Välimeri ja Eurooppa. (Image courtesy of Advanced Materials.)
2011: NSET-alakomitea päivitti sekä NNI:n strategisen suunnitelman että NNI:n ympäristö-, terveys- ja turvallisuustutkimusstrategian hyödyntäen laajoja kannanottoja, jotka saatiin julkisista työpajoista ja verkkovuoropuhelusta hallitusten, korkeakoulujen, kansalaisjärjestöjen, yleisön ja muiden sidosryhmien kanssa käytyjen keskustelujen pohjalta.
2012: NNI käynnisti kaksi uutta nanoteknologian merkkialoitetta – nanosensorit ja nanoteknologian tietoinfrastruktuuri (NKI) – ja siten yhteensä viisi nanoteknologian merkkialoitetta.
2013:
-NKI aloittaa strategisen suunnittelun seuraavan kierroksen, joka alkaa sidosryhmien seminaarilla.
-Stanfordin tutkijat kehittävät ensimmäisen hiilinanoputkitietokoneen.
2014:
-NKI julkaisee päivitetyn vuoden 2014 strategisen suunnitelman.
-NKI julkaisee vuoden 2014 tilannekatsauksen NNI:n vuoden 2011 ympäristö-, terveys- ja turvallisuustutkimusstrategian koordinoidun täytäntöönpanon edistymisestä.
Seuranta-asiantuntijat julkaisevat vuoden 2014 tilannekatsauksen.