Deze tijdlijn laat premoderne voorbeelden van nanotechnologie zien, evenals ontdekkingen en mijlpalen in de moderne tijd op het gebied van nanotechnologie.
Premoderne voorbeelden van nanotechnologieën
Eerdere voorbeelden van nanogestructureerde materialen waren gebaseerd op het empirische begrip en de empirische manipulatie van materialen door ambachtslieden. Het gebruik van grote hitte was een gebruikelijke stap in hun processen om deze materialen met nieuwe eigenschappen te produceren.
De Lycurgusbeker in het British Museum, verlicht van buiten (links) en van binnen (rechts)
4e eeuw: De Lycurgusbeker (Rome) is een voorbeeld van dichroic glas; colloïdaal goud en zilver in het glas zorgen ervoor dat het er ondoorzichtig groen uitziet als het van buitenaf wordt belicht, maar doorschijnend rood als het licht er van binnenuit doorheen schijnt. (Afbeeldingen links.)
Polychrome kom van lustreware, 9e eeuw, Irak, British Museum (© Trinitat Pradell 2008)
9e-17e eeuw: Glinsterende, glinsterende keramische glazuren die in de islamitische wereld, en later in Europa, werden gebruikt, bevatten zilver of koper of andere metallische nanodeeltjes. (Afbeelding rechts.)
Het zuidelijke roosvenster van de Notre Dame-kathedraal, ca. 1250
6e-15e eeuw: Levendige glas-in-loodramen in Europese kathedralen dankten hun rijke kleuren aan nanodeeltjes van goudchloride en andere metaaloxiden en chloriden; gouden nanodeeltjes fungeerden ook als fotokatalytische luchtzuiveraars. (Afbeelding links.)
13e-18e Eeuwen: “Damascus’ sabelbladen bevatten koolstofnanobuisjes en cementietnanodraden – een samenstelling van ultra-hoog-koolstofstaal die hen sterkte, veerkracht, het vermogen om een scherpe rand te behouden, en een zichtbaar moirépatroon in het staal geeft, waaraan de bladen hun naam te danken hebben. (Afbeeldingen hieronder.)
 |
 |
| (Links) Een Damascus-sabel (foto door Tina Fineberg voor The New York Times). (Rechts) Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopiebeeld van koolstofnanobuisjes in een echte Damascus sabel na ontbinding in zoutzuur, met resten van cementiet-nanodraden ingekapseld door koolstofnanobuisjes (schaalbalk, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Voorbeelden van ontdekkingen en ontwikkelingen die nanotechnologie in de moderne tijd mogelijk maken
Deze zijn gebaseerd op steeds verfijnder wetenschappelijk inzicht en instrumentatie, alsmede op experimenten.
“Robijn” goudcolloïde (Gold Bulletin 2007 40,4, p. 267)
1857: Michael Faraday ontdekt colloïdaal “robijn”-goud, door aan te tonen dat nanogestructureerd goud onder bepaalde lichtomstandigheden verschillend gekleurde oplossingen produceert.
1936: Erwin Müller, werkzaam bij het Siemens Research Laboratory, vindt de veldemissiemicroscoop uit, waarmee bijna-atomaire-resolutiebeelden van materialen kunnen worden gemaakt.
1947: John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain van Bell Labs ontdekten de halfgeleider-transistor en breidden de wetenschappelijke kennis over halfgeleider-interfaces sterk uit, waarmee de basis werd gelegd voor elektronische apparaten en het informatietijdperk.
1947 transistor, Bell Labs
1950: Victor La Mer en Robert Dinegar ontwikkelden de theorie en een proces voor het kweken van monodisperse colloïdale materialen. Het gecontroleerde vermogen om colloïden te fabriceren maakt talloze industriële toepassingen mogelijk, zoals gespecialiseerd papier, verf, dunne films en zelfs dialysebehandelingen.
1951: Erwin Müller verrichte baanbrekend werk met de veldionenmicroscoop, een middel om de rangschikking van atomen aan het oppervlak van een scherpe metalen punt af te beelden; hij bracht voor het eerst wolfraamatomen in beeld.
1956: Arthur von Hippel van het MIT introduceerde veel concepten van – en bedacht de term – “moleculaire engineering” zoals toegepast op diëlektrica, ferro-elektrica en piëzo-elektrica.
Jack Kilby, rond 1960.
1958: Jack Kilby van Texas Instruments bedacht, ontwierp en bouwde de eerste geïntegreerde schakeling, waarvoor hij in 2000 de Nobelprijs ontving. (Afbeelding links.)
Richard Feynman (Caltech-archieven)
1959: Richard Feynman van het California Institute of Technology gaf wat wordt beschouwd als de eerste lezing over technologie en techniek op atomaire schaal, “There’s Plenty of Room at the Bottom”, tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society bij Caltech. (Afbeelding rechts.)
Moore’s eerste openbare grafiek toont zijn visie dat de halfgeleiderindustrie in staat zou zijn om “meer componenten op geïntegreerde circuits te proppen”
1965: Gordon Moore, medeoprichter van Intel, beschreef in het tijdschrift Electronics verschillende trends die hij voorzag op het gebied van elektronica. Een trend die nu bekend staat als “de Wet van Moore”, beschreef de dichtheid van transistors op een geïntegreerde chip (IC) die elke 12 maanden verdubbelde (later gewijzigd in elke 2 jaar). Moore zag ook dat de chips kleiner en goedkoper zouden worden naarmate hun functionaliteit toenam – met een transformationeel effect op de manier waarop mensen leven en werken. Dat de basistrend die Moore voor ogen had zich al 50 jaar voortzet, is in grote mate te danken aan het feit dat de halfgeleiderindustrie steeds meer een beroep doet op nanotechnologie naarmate IC’s en transistors de atomaire afmetingen benaderen.1974: Professor Norio Taniguchi van de Tokyo Science University bedacht de term nanotechnologie om de precisiebewerking van materialen tot op atomaire schaal te beschrijven. (Zie grafiek links.)
1981: Gerd Binnig en Heinrich Rohrer in het IBM-laboratorium van Zürich vonden de scanning tunneling microscoop uit, waardoor wetenschappers voor het eerst individuele atomen konden “zien” (directe ruimtelijke beelden konden maken). Binnig en Rohrer wonnen de Nobelprijs voor deze ontdekking in 1986.
1981: De Rus Alexei Ekimov ontdekte nanokristallijne, halfgeleidende quantum dots in een glasmatrix en verrichtte baanbrekende studies naar hun elektronische en optische eigenschappen.
1985: Rice University onderzoekers Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl, en Richard Smalley ontdekten de Buckminsterfullerene (C60), beter bekend als de buckyball, dat is een molecuul dat lijkt op een voetbal in vorm en volledig bestaat uit koolstof, net als grafiet en diamant. Het team kreeg de Nobelprijs voor scheikunde 1996 voor hun rol bij deze ontdekking en die van de fullereenmoleculen in het algemeen. (Weergave van kunstenaar rechts.)
1985: Louis Brus van Bell Labs ontdekte colloïdale halfgeleidende nanokristallen (quantum dots), waarvoor hij de Kavli-prijs 2008 voor nanotechnologie kreeg.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate en Christoph Gerber vonden de atoomkrachtmicroscoop uit, waarmee materialen tot op een fractie van een nanometer kunnen worden bekeken, gemeten en gemanipuleerd, inclusief metingen van diverse krachten die inherent zijn aan nanomaterialen.
1989: Don Eigler en Erhard Schweizer van IBM’s Almaden Research Center manipuleerden 35 individuele xenonatomen om het IBM-logo te spellen. Deze demonstratie van de mogelijkheid om atomen nauwkeurig te manipuleren luidde het toegepaste gebruik van nanotechnologie in. (Afbeelding links.)
Jaren 1990: De eerste bedrijven in de nanotechnologie, zoals Nanophase Technologies in 1989, Helix Energy Solutions Group in 1990, Zyvex in 1997, Nano-Tex in 1998….
1991: Sumio Iijima van NEC wordt gecrediteerd voor zijn ontdekking van de koolstofnanobuis (CNT), hoewel ook anderen al vroeg waarnemingen deden van buisvormige koolstofstructuren. Iijima kreeg in 2008 de Kavli-prijs voor nanowetenschappen voor deze en andere vorderingen op dit gebied. CNT’s bestaan, net als buckyballs, volledig uit koolstof, maar in een buisvorm. Zij vertonen buitengewone eigenschappen op het gebied van onder meer sterkte, elektrische en thermische geleidbaarheid. (Afbeelding hieronder.)
 |
 |
 |
| Koolstofnanobuizen (hoffelijkheid, National Science Foundation). De eigenschappen van CNT’s worden onderzocht voor toepassingen in elektronica, fotonica, multifunctionele weefsels, biologie (bv. als een steiger om botcellen te kweken), en communicatie. Zie een artikel in Discovery Magazine uit 2009 voor andere voorbeelden | SEM-microfoto van gezuiverd nanobuis-“papier” waarin de nanobuizen de vezels zijn (schaalbalk, 0,001 mm) (met dank aan, NASA). | Een array van uitgelijnde koolstof nanobuisjes, die kunnen werken als een radio antenne voor het detecteren van licht op zichtbare golflengten (schaal balk 0.001 mm) (hoffelijkheid, K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge en collega’s bij Mobil Oil ontdekten de nanogestructureerde katalytische materialen MCM-41 en MCM-48, die nu op grote schaal worden gebruikt bij de raffinage van ruwe olie, maar ook voor de toediening van geneesmiddelen, waterbehandeling en andere uiteenlopende toepassingen.
 |
 |
| MCM-41 is een “mesoporeuze moleculaire zeef” siliciumdioxide-nanomateriaal met een hexagonale of “honingraat”-opstelling van zijn rechte cilindrische poriën, zoals te zien is op deze TEM-afbeelding (met dank aan Thomas Pauly, Michigan State University). | Deze TEM-afbeelding van MCM-41 kijkt naar de rechte cilindrische poriën zoals ze loodrecht op de kijkas liggen (met dank aan Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi van het MIT vond een methode uit voor de gecontroleerde synthese van nanokristallen (quantum dots), waarmee de weg werd vrijgemaakt voor toepassingen variërend van computergebruik tot biologie en van fotovoltaïsche en verlichtingsproducten met een hoog rendement. In de daaropvolgende jaren leverden andere onderzoekers, zoals Louis Brus en Chris Murray, ook een bijdrage aan methoden voor de synthese van quantum dots.
1998: De Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN) werd gevormd onder de National Science and Technology Council om de stand van de wetenschap en technologie op nanoschaal te onderzoeken en om mogelijke toekomstige ontwikkelingen te voorspellen. De studie en het rapport van de IWGN, Nanotechnology Research Directions: Vision for the Next Decade (1999) van de IWGN bevatte een visie op en leidde rechtstreeks tot de oprichting van het U.S. National Nanotechnology Initiative in 2000.
1999: Onderzoekers Wilson Ho en Hyojune Lee van de Cornell University onderzochten de geheimen van chemische bindingen door met een scanning tunneling microscoop een molecuul samen te stellen uit de samenstellende componenten. (Afbeelding links.)
1999: Chad Mirkin van de Northwestern University vond de dip-pen nanolithografie® (DPN®) uit, wat leidde tot het fabriceerbaar en reproduceerbaar “schrijven” van elektronische circuits en het maken van patronen op biomaterialen voor celbiologisch onderzoek, nanoencryptie en andere toepassingen. (Afbeelding rechtsonder.)
Gebruik van DPN voor het deponeren van biomaterialen ©2010 Nanoink
1999-begin jaren 2000: Consumentenproducten die gebruik maken van nanotechnologie beginnen op de markt te verschijnen, zoals lichtgewicht autobumpers met nanotechnologie die bestand zijn tegen indeuken en krassen, golfballen die rechter vliegen, tennisrackets die stijver zijn (waardoor de bal sneller terugslaat), honkbalknuppels met een betere buiging en “kick,”antibacteriële sokken, heldere zonneschermen, kreuk- en vlekbestendige kleding, diep doordringende therapeutische cosmetica, krasbestendige glascoatings, sneller oplaadbare batterijen voor draadloos elektrisch gereedschap en verbeterde beeldschermen voor televisies, mobiele telefoons en digitale camera’s.
2000: President Clinton lanceert het Nationaal nanotechnologie-initiatief (NNI) om de federale O&O-inspanningen te coördineren en het concurrentievermogen van de VS op het gebied van nanotechnologie te bevorderen. Het Congres financierde het NNI voor het eerst in FY2001. Het NSET-subcomité van het NSTC werd aangewezen als de interagentschapsgroep die verantwoordelijk is voor de coördinatie van het NNI.
2003: Het Congres vaardigde de 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (P.L. 108-153) uit. In deze wet wordt een wettelijke basis gelegd voor het NNI, worden programma’s vastgesteld, verantwoordelijkheden aan agentschappen toegewezen, financieringsniveaus vastgesteld en wordt onderzoek naar belangrijke vraagstukken gestimuleerd.
Computer simulatie van de groei van gouden nanoschelpen met een silicakern en een deklaag van goud (met dank aan N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek en Renata Pasqualin van de Rice University ontwikkelden gouden nanoschelpen die, wanneer ze in grootte worden “afgestemd” om nabij-infrarood licht te absorberen, als platform kunnen dienen voor de geïntegreerde ontdekking, diagnose en behandeling van borstkanker zonder invasieve biopsieën, chirurgie of systemisch destructieve bestraling of chemotherapie.2004: De Europese Commissie keurt de mededeling “Naar een Europese strategie voor nanotechnologie” goed, COM(2004) 338, waarin wordt voorgesteld de Europese inspanningen op het gebied van nanowetenschap en nanotechnologisch O&D te institutionaliseren binnen een geïntegreerde en verantwoorde strategie, en die de aanzet geeft tot Europese actieplannen en lopende financiering voor nanotechnologisch O&D. (Afbeelding links.)
2004: De Britse Royal Society en de Royal Academy of Engineering publiceren Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties, waarin wordt gepleit voor de noodzaak om potentiële gezondheids-, milieu-, sociale, ethische en regelgevingsvraagstukken in verband met nanotechnologie aan te pakken.
2004: SUNY Albany lanceert het eerste onderwijsprogramma op universitair niveau op het gebied van nanotechnologie in de Verenigde Staten, het College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: Erik Winfree en Paul Rothemund van het California Institute of Technology ontwikkelen theorieën voor op DNA gebaseerde berekeningen en “algoritmische zelfassemblage” waarbij berekeningen worden ingebed in het proces van nanokristalgroei.
Nanocar met draaiende buckyball-wielen (credit: RSC, 29 maart 2006).
2006: James Tour en collega’s van de Rice University bouwden een auto op nanoschaal van oligo(fenyleen ethynyleen) met alkynyl-assen en vier bolvormige C60 fullereen (buckyball) wielen. Als reactie op temperatuurstijgingen bewoog de nanowagen zich voort op een goudoppervlak doordat de buckyball-wielen draaiden, zoals in een conventionele auto. Bij temperaturen boven 300°C bewoog hij te snel voor de chemici om hem te kunnen volgen! (Afbeelding links.)
2007: Angela Belcher en collega’s van het MIT bouwden een lithium-ionbatterij met een veelvoorkomend virustype dat niet schadelijk is voor de mens, met behulp van een goedkoop en milieuvriendelijk proces. De batterijen hebben dezelfde energiecapaciteit en vermogensprestaties als de modernste oplaadbare batterijen die worden overwogen om plug-in hybride auto’s aan te drijven, en ze zouden ook kunnen worden gebruikt om persoonlijke elektronische apparaten van stroom te voorzien. (Foto rechts.)
(L naar R) MIT-professoren Yet-Ming Chiang, Angela Belcher en Paula Hammond tonen een met virussen geladen film die als anode van een batterij kan dienen. (Foto: Donna Coveney, MIT News.)
2008: De eerste officiële NNI-strategie voor nanotechnologie-gerelateerd onderzoek op het gebied van milieu, gezondheid en veiligheid (EHS) werd gepubliceerd, op basis van een twee jaar durend proces van door het NNI gesponsorde onderzoeken en openbare dialogen. Dit strategiedocument werd in 2011 bijgewerkt, na een reeks workshops en openbare beoordelingen.
2009-2010: Nadrian Seeman en collega’s aan de New York University creëerden verschillende DNA-achtige robotachtige assemblageapparaten op nanoschaal. Een daarvan is een proces voor het creëren van 3D DNA-structuren met behulp van synthetische sequenties van DNA-kristallen die kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren met behulp van “plakkerige uiteinden” en plaatsing in een vaste volgorde en oriëntatie. Nano-elektronica zou hiervan kunnen profiteren: de flexibiliteit en dichtheid die 3D-componenten op nanoschaal mogelijk maken, zouden de assemblage van onderdelen mogelijk kunnen maken die kleiner en complexer zijn en dichter bij elkaar liggen. Een andere creatie van Seeman (met collega’s aan de Chinese Nanjing-universiteit) is een “DNA-assemblagelijn”. Voor dit werk ontving Seeman in 2010 de Kavli Prize in Nanoscience.
2010: IBM gebruikte een siliciumtip van slechts een paar nanometer op zijn top (vergelijkbaar met de tips die worden gebruikt in atoomkrachtmicroscopen) om materiaal van een substraat weg te beitelen om een complete 3D-reliëfkaart op nanoschaal van de wereld te maken – één-duizendste van de grootte van een zoutkorrel – in 2 minuten en 23 seconden. Deze activiteit demonstreerde een krachtige patroonmethodologie voor het genereren van nanoschaalpatronen en -structuren zo klein als 15 nanometer tegen sterk gereduceerde kosten en complexiteit, waardoor nieuwe perspectieven werden geopend voor gebieden als elektronica, opto-elektronica en geneeskunde. (Afbeelding hieronder.)
Een gerenderde afbeelding van een nanosiliciumtip die de kleinste reliëfkaart van de wereld uit een substraat van organisch moleculair glas beitelt. Op de middenvoorgrond zijn de Middellandse Zee en Europa te zien. (Afbeelding met dank aan Advanced Materials.)
2011: De NSET-subcommissie heeft zowel het NNI-strategisch plan als de NNI-onderzoeksstrategie voor milieu, gezondheid en veiligheid geactualiseerd, op basis van uitgebreide input van openbare workshops en online-dialoog met belanghebbenden uit de overheid, de academische wereld, ngo’s en het publiek, en anderen.
2012: Het NNI lanceert nog twee Nanotechnology Signature Initiatives (NSI’s)–Nanosensors en de Nanotechnology Knowledge Infrastructure (NKI)- waarmee het totaal op vijf NSI’s komt.
2013:
-Het NNI begint aan de volgende ronde van Strategische Planning, te beginnen met de Stakeholder Workshop.
-Stanford-onderzoekers ontwikkelen de eerste koolstofnanobuiscomputer.
2014:
-Het NNI brengt het bijgewerkte Strategisch Plan 2014 uit.
-Het NNI brengt het Voortgangsoverzicht 2014 uit over de gecoördineerde uitvoering van de NNI-onderzoeksstrategie 2011 voor milieu, gezondheid en veiligheid.