Nanotechnológia idővonal

Ez az idővonal a nanotechnológia premodern példáit, valamint a modern kor felfedezéseit és mérföldköveit mutatja be a nanotechnológia területén.

A nanotechnológia premodern példái

A nanoszerkezetű anyagok korai példái a kézművesek empirikus anyagismeretén és manipulációján alapultak. A nagy hő felhasználása volt az egyik gyakori lépés a folyamatukban, hogy ezeket az újszerű tulajdonságokkal rendelkező anyagokat előállítsák.

A Lycurgus-kupa a British Museumban, kívülről (balra) és belülről (jobbra)

4. század: A Lycurgus-kupa (Róma) a dichroikus üveg egyik példája; az üvegben lévő kolloid arany és ezüst lehetővé teszi, hogy kívülről megvilágítva átlátszatlanul zöldnek, belülről megvilágítva viszont áttetsző vörösnek tűnjön. (Képek balra.)

Polikróm lüszteredény tál, 9. sz., Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)

9-17. sz: Az iszlám világban, majd később Európában is használt csillogó, csillogó “lüszteres” kerámiamázak ezüstöt, rezet vagy más fémes nanorészecskéket tartalmaztak. (A kép jobbra.)

A Notre-Dame-székesegyház déli rózsaablaka, 1250 körül

6-15. századok: Az európai katedrálisok élénk ólomüveg ablakai gazdag színeiket az aranyklorid és más fémoxidok és -kloridok nanorészecskéinek köszönhették; az arany nanorészecskék fotokatalitikus légtisztítóként is működtek. (Kép balra.)

13-18. század: A “damaszkuszi” szablyapengék szén nanocsöveket és cementit nanodrótokat tartalmaztak – egy ultramagas szénacél-készítményt, amely szilárdságot, rugalmasságot, éles él megtartásának képességét és az acélban látható moiré-mintázatot adott nekik, amely a pengéknek a nevüket adta. (Képek alább.)

(Balra) Egy damaszkuszi szablya (Tina Fineberg fotója a The New York Times számára). (Jobbra) Nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópos kép szén nanocsövekről egy valódi damaszkuszi szablyában sósavban való feloldás után, amely a cementit nanodrótok maradványait mutatja, amelyeket szén nanocsövek kapszuláznak (méretarányos sáv, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006).

Példák a nanotechnológiát lehetővé tevő felfedezésekre és fejlesztésekre a modern korban

Az egyre kifinomultabb tudományos ismereteken és műszereken, valamint kísérleteken alapulnak.

“Rubin” aranykolloid (Gold Bulletin 2007 40,4, p. 267)

1857: Michael Faraday felfedezte a kolloid “rubin” aranyat, bizonyítva, hogy a nanoszerkezetű arany bizonyos fényviszonyok mellett különböző színű oldatokat eredményez.

1936: Erwin Müller, a Siemens kutatólaboratóriumában dolgozva feltalálta a téremissziós mikroszkópot, amely lehetővé tette az anyagok közel atomi felbontású képalkotását.

1947: John Bardeen, William Shockley és Walter Brattain a Bell Labs-ben felfedezte a félvezető tranzisztort, és jelentősen kibővítette a félvezető határfelületekkel kapcsolatos tudományos ismereteket, megalapozva ezzel az elektronikus eszközöket és az információs korszakot.

1947 tranzisztor, Bell Labs

1950: Victor La Mer és Robert Dinegar kidolgozta az elméletet és az eljárást monodiszperz kolloid anyagok növesztésére. A kolloidok előállításának ellenőrzött képessége számtalan ipari felhasználást tesz lehetővé, például speciális papírok, festékek és vékony filmek, sőt dialízis kezelések előállítását is.

1951: Erwin Müller úttörője a térionmikroszkópnak, amely egy éles fémhegy felületén lévő atomok elrendeződésének leképezésére szolgáló eszköz; ő képezte le először a volfrámatomokat.

1956: Arthur von Hippel az MIT-n bevezetett számos fogalmat – és megalkotta a “molekuláris technika” kifejezést – a dielektrikumok, ferroelektrikumok és piezoelektrikumok alkalmazásában

Jack Kilby, 1960 körül.

1958: Jack Kilby a Texas Instruments cégnél megalkotta, megtervezte és megépítette az első integrált áramkör koncepcióját, amiért 2000-ben Nobel-díjat kapott. (A kép balra.)

Richard Feynman (Caltech archívum)

1959: Richard Feynman, a Kaliforniai Technológiai Intézet munkatársa az Amerikai Fizikai Társaság Caltech-ben tartott ülésén “There’s Plenty of Room at the Bottom” címmel tartott előadást, amelyet az első atomi léptékű technológiáról és mérnöki munkáról szóló előadásnak tartanak. (A kép jobbra.)

Moore első nyilvános grafikonja, amely azt az elképzelését mutatja, hogy a félvezetőipar képes lesz “több alkatrészt zsúfolni az integrált áramkörökre”

1965: Az Intel társalapítója, Gordon Moore az Electronics magazinban több olyan tendenciát is leírt, amelyet az elektronika területén előre látott. Az egyik, ma már “Moore-törvényként” ismert trend leírta, hogy a tranzisztorok sűrűsége egy integrált chipen (IC) 12 havonta megduplázódik (később 2 évenként módosították). Moore azt is látta, hogy a chipek mérete és költsége a növekvő funkcionalitással együtt csökken – ami átalakító hatással lesz az emberek élet- és munkamódszereire. Az, hogy a Moore által elképzelt alapvető tendencia 50 éve folytatódik, nagyrészt annak köszönhető, hogy a félvezetőipar egyre inkább a nanotechnológiára támaszkodik, mivel az IC-k és tranzisztorok megközelítették az atomi méreteket.1974: Taniguchi Norio, a Tokiói Tudományegyetem professzora alkotta meg a nanotechnológia kifejezést az anyagok atomi méretű mérettűréseken belüli precíziós megmunkálására. (Lásd a bal oldali ábrát.)

1981: Gerd Binnig és Heinrich Rohrer az IBM zürichi laboratóriumában feltalálta a pásztázó alagútmikroszkópot, amely lehetővé tette a tudósok számára, hogy először “lássanak” (közvetlen térbeli képet készítsenek) egyes atomokról. Binnig és Rohrer 1986-ban Nobel-díjat kapott ezért a felfedezésért.

1981: Az orosz Alekszej Ekimov felfedezte a nanokristályos, félvezető kvantumpontokat üvegmátrixban, és úttörő tanulmányokat végzett elektronikus és optikai tulajdonságaikról.

1985: A Rice Egyetem kutatói, Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl és Richard Smalley felfedezték a Buckminsterfullerént (C60), közismertebb nevén a Buckyballt, amely egy focilabdára emlékeztető alakú molekula, amely teljes egészében szénből áll, akárcsak a grafit és a gyémánt. A csapat 1996-ban kémiai Nobel-díjat kapott e felfedezésben és általában a fullerén molekulaosztály felfedezésében játszott szerepéért. (Művészi ábrázolás jobbra.)

1985: Louis Brus, a Bell Labs munkatársa felfedezte a kolloid félvezető nanokristályokat (kvantumpontokat), amiért megkapta a 2008-as Kavli-díjat a nanotechnológiában.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate és Christoph Gerber feltalálta az atomerő-mikroszkópot, amely képes a nanométer töredékéig terjedő méretű anyagok megtekintésére, mérésére és manipulálására, beleértve a nanoanyagokban rejlő különböző erők mérését.

1989: Don Eigler és Erhard Schweizer az IBM Almadeni Kutatóközpontjában 35 egyedi xenonatomot manipuláltak, hogy kiírják az IBM logóját. Az atomok pontos manipulálására való képesség demonstrációja bevezette a nanotechnológia alkalmazott alkalmazását. (A kép balra.)

1990-es évek: Megkezdték működésüket a korai nanotechnológiai cégek, pl. 1989-ben a Nanophase Technologies, 1990-ben a Helix Energy Solutions Group, 1997-ben a Zyvex, 1998-ban a Nano-Tex….
1991: Sumio Iijima (NEC) nevéhez fűződik a szén nanocső (CNT) felfedezése, bár mások is tettek korai megfigyeléseket a csőszerű szénszerkezetekről. Iijima 2008-ban megosztva kapta meg a nanotudományok Kavli-díját ezért és más, a területen elért eredményekért. A CNT-k, akárcsak a hajgömbök, teljes egészében szénből állnak, de cső alakúak. Rendkívüli tulajdonságokkal rendelkeznek többek között a szilárdság, az elektromos és a hővezető képesség tekintetében. (Az alábbi kép.)

Szén nanocsövek (a National Science Foundation jóvoltából). A CNT-k tulajdonságait az elektronika, a fotonika, a többfunkciós szövetek, a biológia (pl. csontsejtek növesztésére szolgáló állványzatként) és a kommunikáció területén történő alkalmazásokra vizsgálják. További példákat lásd a Discovery Magazine 2009-es cikkében	SEM mikroszkópos felvétel tisztított nanocsöves “papírról”, amelyben a nanocsövek a szálak (méretarányos sáv, 0,001 mm) (a NASA jóvoltából).	Egy sorba rendezett szén nanocsövek tömbje, amely rádióantennaként működhet a látható hullámhosszúságú fény érzékelésére (méretarányos sáv 0,001 mm) (szíves hozzájárulás, K. Kempa, Boston College).

1992: C.T. Kresge és munkatársai a Mobil Oil-nál felfedezték a nanoszerkezetű MCM-41 és MCM-48 katalitikus anyagokat, amelyeket ma már nagymértékben használnak a nyersolaj finomításában, valamint gyógyszeradagolásban, vízkezelésben és más változatos alkalmazásokban.

Az MCM-41 egy “mezopórusos molekulaszita” szilícium-dioxid nanoanyag, amelynek egyenes, hengeres pórusai hexagonális vagy “méhsejt alakú” elrendezésűek, amint az ezen a TEM felvételen látható (Thomas Pauly, Michigan State University jóvoltából).	Az MCM-41 ezen TEM-felvétele az egyenes hengeres pórusokat mutatja, amint azok a nézeti tengelyre merőlegesen helyezkednek el (Thomas Pauly, Michigan State University jóvoltából).

1993: Moungi Bawendi az MIT-n feltalált egy módszert a nanokristályok (kvantumpontok) ellenőrzött szintézisére, megnyitva az utat a számítástechnikától a biológián át a nagy hatékonyságú fotovoltaikáig és világításig terjedő alkalmazások előtt. A következő néhány évben más kutatók, például Louis Brus és Chris Murray munkája is hozzájárult a kvantumpontok szintézisének módszereivel.
1998: A Nemzeti Tudományos és Technológiai Tanács keretében megalakult a nanotechnológiával foglalkozó ügynökségközi munkacsoport (Interagency Working Group on Nanotechnology, IWGN), hogy megvizsgálja a nanoszintű tudomány és technológia jelenlegi állását, és előrejelezze a lehetséges jövőbeli fejleményeket. Az IWGN tanulmánya és jelentése, a Nanotechnológiai kutatási irányok: Vision for the Next Decade (1999) meghatározta a jövőképet, és közvetlenül vezetett az amerikai nemzeti nanotechnológiai kezdeményezés 2000-es megalakulásához.

1999: A Cornell Egyetem kutatói, Wilson Ho és Hyojune Lee a kémiai kötés titkait kutatták úgy, hogy pásztázó alagútmikroszkóppal egy molekulát állítottak össze alkotóelemeiből. (A kép balra.)

1999: Chad Mirkin a Northwestern Egyetemen feltalálta a dip-pen nanolitográfiát® (DPN®), amely az elektronikus áramkörök gyártható, reprodukálható “írásához”, valamint a sejtbiológiai kutatásokban, a nanótitkosításban és más alkalmazásokban használt bioanyagok mintázásához vezetett. (Kép jobbra lent.)

A DPN alkalmazása bioanyagok lerakására ©2010 Nanoink

1999-korai 2000-es évek: A piacon megjelentek a nanotechnológiát alkalmazó fogyasztási cikkek, többek között a könnyű, nanotechnológiával ellátott, horpadásoknak és karcolásoknak ellenálló autó lökhárítók, egyenesebben repülő golflabdák, merevebb teniszütők (ezért a labda gyorsabban pattan vissza), jobb hajlékonyságú és “rúgású” baseballütők,”nanoezüst antibakteriális zoknik, tiszta napvédő krémek, gyűrődés- és foltálló ruhák, mélyen behatoló terápiás kozmetikumok, karcálló üvegbevonatok, gyorsabban feltölthető akkumulátorok az akkumulátoros elektromos szerszámokhoz, valamint jobb kijelzők a televíziókban, mobiltelefonokban és digitális fényképezőgépekben.

2000: Clinton elnök elindította a Nemzeti Nanotechnológiai Kezdeményezést (NNI) a szövetségi K+F&D erőfeszítések összehangolására és az USA versenyképességének előmozdítására a nanotechnológia területén. A Kongresszus először a 2001-es pénzügyi évben finanszírozta az NNI-t. Az NSTC NSET albizottságát jelölték ki az NNI koordinálásáért felelős ügynökségek közötti csoportnak.
2003: A Kongresszus elfogadta a 21. századi nanotechnológiai kutatási és fejlesztési törvényt (P.L. 108-153). A törvény törvényi alapot biztosított az NNI számára, programokat hozott létre, kijelölte az ügynökségek feladatait, engedélyezte a finanszírozási szinteket, és előmozdította a kulcsfontosságú kérdések megoldását célzó kutatást.

Computeres szimuláció az arany nanohéj növekedéséről szilícium-dioxid maggal és arany fedőréteggel (N. Halas jóvoltából, Genome News Network, 2003)

2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek és Renata Pasqualin a Rice Egyetemen arany nanohéjakat fejlesztett ki, amelyek, ha méretüket úgy “hangolják”, hogy elnyeljék a közeli infravörös fényt, platformként szolgálnak az emlőrák integrált felfedezéséhez, diagnosztizálásához és kezeléséhez invazív biopszia, műtét vagy szisztémásan pusztító sugárzás vagy kemoterápia nélkül. 2004: Az Európai Bizottság elfogadta “Az európai nanotechnológiai stratégia felé” című közleményt (COM(2004) 338), amely javaslatot tett az európai nanotudomány és nanotechnológiai K&D erőfeszítések intézményesítésére egy integrált és felelős stratégia keretében, és amely ösztönözte az európai cselekvési terveket és a nanotechnológiai K&D folyamatos finanszírozását. (Kép balra.)
2004: A brit Royal Society és a Royal Academy of Engineering kiadta a Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties (Lehetőségek és bizonytalanságok) című kiadványt, amelyben a nanotechnológiával kapcsolatos lehetséges egészségügyi, környezeti, társadalmi, etikai és szabályozási kérdések kezelésének szükségessége mellett érveltek.
2004: A SUNY Albany elindította az Egyesült Államokban az első főiskolai szintű nanotechnológiai oktatási programot, a Nanoscale Science and Engineering College-ot.
2005: Erik Winfree és Paul Rothemund a Kaliforniai Technológiai Intézetből elméleteket dolgozott ki a DNS-alapú számításokra és az “algoritmikus önösszeszerelésre”, amelyben a számítások beágyazódnak a nanokristályok növekedési folyamatába.

Nanoautó forgó bakyball kerekekkel (hitel: RSC, 2006. március 29.).

2006: James Tour és munkatársai a Rice Egyetemen oligo(fenilén-etilén)-ből készült nanoautót építettek alkinil tengelyekkel és négy gömb alakú C60 fullerén (buckyball) kerékkel. A hőmérséklet növekedésére reagálva a nanoautó egy aranyfelületen mozgott a buckyball-kerekek forgásának eredményeként, mint egy hagyományos autóban. A 300°C feletti hőmérsékleten túl gyorsan mozgott ahhoz, hogy a kémikusok ne tudták volna nyomon követni! (Kép balra.)

2007: Angela Belcher és munkatársai az MIT-n egy alacsony költségű és környezetkímélő eljárással lítium-ion akkumulátort építettek egy gyakori vírustípusból, amely nem ártalmas az emberre. Az akkumulátorok energiakapacitása és teljesítménye megegyezik a legmodernebb újratölthető akkumulátorokéval, amelyeket a plug-in hibrid autók meghajtására fontolgatnak, és a személyi elektronikai eszközök meghajtására is felhasználhatók. (A kép jobbra.)

(balról jobbra) Yet-Ming Chiang, Angela Belcher és Paula Hammond, az MIT professzorai egy vírussal töltött filmet mutatnak, amely egy akkumulátor anódjaként szolgálhat. (Fotó: Donna Coveney, MIT News.)

2008: Megjelent az első hivatalos NNI-stratégia a nanotechnológiával kapcsolatos környezetvédelmi, egészségügyi és biztonsági (EHS) kutatásokról, amely az NNI által támogatott vizsgálatok és nyilvános párbeszédek kétéves folyamatán alapult. Ezt a stratégiai dokumentumot 2011-ben egy sor munkaértekezletet és nyilvános felülvizsgálatot követően frissítették.

2009-2010: Nadrian Seeman és munkatársai a New York-i Egyetemen több DNS-szerű robotikus nanoszintű összeszerelő eszközt hoztak létre. Az egyik egy olyan eljárás, amely 3D DNS-szerkezeteket hoz létre DNS-kristályok szintetikus szekvenciáinak felhasználásával, amelyeket úgy lehet programozni, hogy “ragadós végek” segítségével és meghatározott sorrendben és orientációban történő elhelyezéssel önösszeszerelődjenek. A nanoelektronika is profitálhat ebből: a 3D-s nanoméretű alkatrészek által lehetővé tett rugalmasság és sűrűség lehetővé teheti a kisebb, összetettebb és sűrűbben elhelyezett alkatrészek összeszerelését. Egy másik Seeman-alkotás (a kínai Nanjingi Egyetem munkatársaival) egy “DNS-összeszerelősor”. Ezért a munkáért Seeman 2010-ben megkapta a nanotudományok Kavli-díját.

2010: Az IBM egy, a csúcsán mindössze néhány nanométeres szilíciumhegyet használt (hasonlóan az atomerő-mikroszkópokban használt hegyekhez), hogy anyagot véssen le egy hordozóról, hogy 2 perc és 23 másodperc alatt létrehozza a világ teljes, nanoméretű 3D-s domborzati térképét, amely egy sószemcsényi méretű, egy ezreléknyi méretű. Ez a tevékenység egy olyan erőteljes mintázási módszert mutatott be, amellyel akár 15 nanométeres nagyságrendű mintákat és struktúrákat lehet létrehozni jelentősen csökkentett költséggel és bonyolultsággal, ami új távlatokat nyit olyan területeken, mint az elektronika, az optoelektronika és az orvostudomány. (Az alábbi kép.)

Egy nanoméretű szilíciumhegy renderelt képe, amely a világ legkisebb domborzati térképét vési ki egy szerves molekuláris üvegből készült szubsztrátból. A képen középen az előtérben a Földközi-tenger és Európa látható. (A kép az Advanced Materials jóvoltából.)

2011: Az NSET albizottság frissítette mind az NNI stratégiai tervét, mind az NNI környezetvédelmi, egészségügyi és biztonsági kutatási stratégiáját, felhasználva a nyilvános munkaértekezletek és a kormányzat, a tudományos élet, a nem kormányzati szervezetek, a nyilvánosság és mások érdekelt feleivel folytatott online párbeszéd széles körű hozzájárulásait.

2012: Az NNI két további nanotechnológiai szignifikáns kezdeményezést (NSI) indított – a nanoszenzorokat és a nanotechnológiai tudásinfrastruktúrát (NKI) -, így összesen öt NSI-t indított el.

2013:
-A NNI megkezdi a stratégiai tervezés következő fordulóját, amely az érdekelt felek műhelytalálkozójával kezdődik.
-Stanfordi kutatók kifejlesztik az első szén nanocsöves számítógépet.

2014:
-Az NNI közzéteszi a 2014. évi frissített stratégiai tervet.
-Az NNI közzéteszi az NNI 2011. évi környezetvédelmi, egészségügyi és biztonsági kutatási stratégiájának összehangolt végrehajtásáról szóló 2014. évi előrehaladási jelentést.