Na tej osi czasowej przedstawiono przednowoczesne przykłady nanotechnologii, a także odkrycia i kamienie milowe w dziedzinie nanotechnologii w erze współczesnej.
Przednowoczesne przykłady nanotechnologii
Wczesne przykłady materiałów nanostrukturalnych opierały się na empirycznym zrozumieniu i manipulacji materiałami przez rzemieślników. Użycie wysokiej temperatury było jednym z powszechnych kroków w ich procesach produkcji tych materiałów o nowych właściwościach.
Puchar Likurgusa w British Museum, oświetlony od zewnątrz (po lewej) i od wewnątrz (po prawej)
4 wiek: Puchar Likurgusa (Rzym) jest przykładem szkła dichroicznego; złoto koloidalne i srebro w szkle pozwalają mu wyglądać nieprzezroczysto na zielono, gdy jest oświetlony z zewnątrz, ale półprzezroczysto na czerwono, gdy światło świeci przez wnętrze. (Zdjęcia po lewej.)
Polichromowana misa lustrzana, IX w., Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
IX-XII w: Świecące, błyszczące szkliwa ceramiczne „luster” używane w świecie islamskim, a później w Europie, zawierały srebro lub miedź lub inne metaliczne nanocząsteczki. (Obraz po prawej.)
Okno południowej róży w katedrze Notre Dame, ok. 1250
6-15 wiek: Żywe witraże w europejskich katedrach zawdzięczają swoje bogate kolory nanocząsteczkom chlorku złota oraz innych tlenków i chlorków metali; nanocząsteczki złota działały również jako fotokatalityczne oczyszczacze powietrza. (Obraz po lewej.)
13-18th Centuries: „Damasceńskie” ostrza szabli zawierały nanorurki węglowe i nanowłókna cementytu – ultra-wysokowęglową formułę stali, która dawała im siłę, sprężystość, zdolność do utrzymywania ostrej krawędzi i widoczny wzór mory w stali, które nadają ostrzom ich nazwę. (Obrazy poniżej.)
 |
 |
| (Po lewej) Szabla damasceńska (zdjęcie autorstwa Tiny Fineberg dla The New York Times). (Po prawej) Obraz wysokiej rozdzielczości transmisyjnej mikroskopii elektronowej nanorurek węglowych w prawdziwej szabli damasceńskiej po rozpuszczeniu w kwasie solnym, pokazujący pozostałości nanowirów cementytu otoczonych nanorurkami węglowymi (pasek skali, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Examples of Discoveries and Developments Enabling Nanotechnology in the Modern Era
Opierają się one na coraz bardziej wyrafinowanym naukowym zrozumieniu i oprzyrządowaniu, a także eksperymentach.
„Rubinowy” koloid złota (Gold Bulletin 2007 40,4, s. 267)
1857: Michael Faraday odkrył koloidalne „rubinowe” złoto, demonstrując, że nanostrukturalne złoto w określonych warunkach oświetleniowych tworzy różnokolorowe roztwory.
1936: Erwin Müller, pracując w Siemens Research Laboratory, wynalazł mikroskop emisji polowej, pozwalający na uzyskanie obrazów materiałów o niemal atomowej rozdzielczości.
1947: John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain w Bell Labs odkryli tranzystor półprzewodnikowy i znacznie poszerzyli wiedzę naukową na temat interfejsów półprzewodnikowych, kładąc podwaliny pod urządzenia elektroniczne i erę informacji.
1947 tranzystor, Bell Labs
1950: Victor La Mer i Robert Dinegar opracowali teorię i proces wzrostu monodyspersyjnych materiałów koloidalnych. Kontrolowana zdolność do wytwarzania koloidów umożliwia niezliczone zastosowania przemysłowe, takie jak specjalistyczne papiery, farby i cienkie folie, a nawet zabiegi dializy.
1951: Erwin Müller pionierem mikroskopu jonów pola, środki do obrazu układ atomów na powierzchni ostrej końcówki metalu; on pierwszy obrazowane atomy wolframu.
1956: Arthur von Hippel w MIT wprowadził wiele koncepcji-i ukuł termin-„inżynierii molekularnej” w zastosowaniu do dielektryków, ferroelektryków i piezoelektryków
Jack Kilby, około 1960.
1958: Jack Kilby z Texas Instruments stworzył koncepcję, zaprojektował i zbudował pierwszy układ scalony, za co otrzymał Nagrodę Nobla w 2000 roku. (Zdjęcie po lewej.)
Richard Feynman (archiwum Caltech)
1959: Richard Feynman z California Institute of Technology wygłosił, uważany za pierwszy wykład na temat technologii i inżynierii w skali atomowej, „There’s Plenty of Room at the Bottom” na spotkaniu American Physical Society w Caltech. (Zdjęcie po prawej.)
Pierwszy publiczny wykres Moore’a przedstawiający jego wizję przemysłu półprzewodnikowego, który jest w stanie „upchnąć więcej komponentów na układach scalonych”
1965: Współzałożyciel firmy Intel, Gordon Moore, opisał w magazynie Electronics kilka trendów, które przewidział w dziedzinie elektroniki. Jeden z trendów, znany obecnie jako „Prawo Moore’a”, opisywał gęstość tranzystorów na zintegrowanym układzie scalonym (IC) podwajającą się co 12 miesięcy (później zmieniono na co 2 lata). Moore przewidział również, że rozmiary i koszty układów scalonych będą się zmniejszać wraz z ich rosnącą funkcjonalnością – co będzie miało wpływ na zmianę sposobu życia i pracy ludzi. To, że podstawowy trend przewidziany przez Moore’a utrzymywał się przez 50 lat, w dużej mierze zawdzięczamy rosnącemu uzależnieniu przemysłu półprzewodnikowego od nanotechnologii, ponieważ układy scalone i tranzystory zbliżyły się do wymiarów atomowych.1974: Profesor Tokyo Science University Norio Taniguchi ukuł termin nanotechnologia, aby opisać precyzyjną obróbkę materiałów do tolerancji wymiarowych w skali atomowej. (Patrz wykres po lewej stronie.)
1981: Gerd Binnig i Heinrich Rohrer z laboratorium IBM w Zurychu wynaleźli skaningowy mikroskop tunelowy, pozwalający naukowcom po raz pierwszy „zobaczyć” (stworzyć bezpośrednie obrazy przestrzenne) pojedyncze atomy. Binnig i Rohrer otrzymali za to odkrycie Nagrodę Nobla w 1986 roku.
1981: Rosjanin Aleksiej Ekimow odkrył nanokrystaliczne, półprzewodzące kropki kwantowe w szklanej matrycy i przeprowadził pionierskie badania ich właściwości elektronicznych i optycznych.
1985: Naukowcy z Rice University Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl i Richard Smalley odkryli Buckminsterfullerene (C60), bardziej znany jako buckyball, który jest cząsteczką przypominającą kształtem piłkę nożną i składa się w całości z węgla, podobnie jak grafit i diament. Zespół otrzymał w 1996 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za rolę, jaką odegrał w tym odkryciu oraz w odkryciu klasy cząsteczek fullerenowych. (Rysunek artysty po prawej.)
1985: Louis Brus z Bell Labs odkrył koloidalne nanokryształy półprzewodnikowe (kropki kwantowe), za co otrzymał nagrodę Kavli Prize in Nanotechnology 2008.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate i Christoph Gerber wynaleźli mikroskop sił atomowych, który umożliwia oglądanie, mierzenie i manipulowanie materiałami o rozmiarach do ułamków nanometra, w tym mierzenie różnych sił nieodłącznie związanych z nanomateriałami.
1989: Don Eigler i Erhard Schweizer w IBM’s Almaden Research Center manipulowali 35 pojedynczymi atomami ksenonu, aby przeliterować logo IBM. Ta demonstracja zdolności do precyzyjnego manipulowania atomami zapoczątkowała zastosowanie nanotechnologii. (Zdjęcie po lewej.)
Lata 90: Wczesne firmy nanotechnologiczne zaczęły działać, np. Nanophase Technologies w 1989 r., Helix Energy Solutions Group w 1990 r., Zyvex w 1997 r., Nano-Tex w 1998 r…..
1991: Sumio Iijima z NEC jest uznawany za odkrywcę nanorurek węglowych (CNT), choć wczesne obserwacje rurkowatych struktur węglowych były również prowadzone przez innych. Za to odkrycie i inne postępy w tej dziedzinie Iijima otrzymał w 2008 r. nagrodę Kavli Prize in Nanoscience. CNT, podobnie jak kule buckyballs, składają się w całości z węgla, ale w kształcie rurki. Wykazują niezwykłe właściwości, między innymi w zakresie wytrzymałości, przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. (Obraz poniżej.)
 |
 |
 |
| Nanorurki węglowe (dzięki uprzejmości, National Science Foundation). Właściwości CNTs są badane pod kątem zastosowań w elektronice, fotonice, tkaninach wielofunkcyjnych, biologii (np. jako rusztowanie do wzrostu komórek kostnych) i komunikacji. Zobacz artykuł 2009 Discovery Magazine dla innych przykładów | SEM mikrograf oczyszczonego nanorurkowego „papieru”, w którym nanorurki są włóknami (pasek skali, 0,001 mm) (dzięki uprzejmości, NASA). | Układ wyrównanych nanorurek węglowych, które mogą działać jak antena radiowa do wykrywania światła o długości fal widzialnych (pasek skali 0,001 mm) (dzięki uprzejmości, K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge i współpracownicy z Mobil Oil odkryli nanostrukturalne materiały katalityczne MCM-41 i MCM-48, obecnie intensywnie wykorzystywane w rafinacji ropy naftowej, a także do dostarczania leków, uzdatniania wody i innych różnorodnych zastosowań.
 |
 |
| MCM-41 jest „mezoporowatym sitem molekularnym” nanomateriału krzemionkowego z heksagonalnym lub „plastrem miodu” ułożeniem jego prostych cylindrycznych porów, jak pokazano na tym obrazie TEM (dzięki uprzejmości Thomasa Pauly’ego, Michigan State University). | Ten obraz TEM MCM-41 przedstawia proste cylindryczne pory, które leżą prostopadle do osi widzenia (dzięki uprzejmości Thomasa Pauly’ego, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi z MIT wynalazł metodę kontrolowanej syntezy nanokryształów (kropek kwantowych), torując drogę do zastosowań od informatyki przez biologię po wysokowydajną fotowoltaikę i oświetlenie. W ciągu następnych kilku lat prace innych badaczy, takich jak Louis Brus i Chris Murray, również przyczyniły się do powstania metod syntezy kropek kwantowych.
1998: Międzyagencyjna Grupa Robocza ds. Nanotechnologii (IWGN) została utworzona w ramach Narodowej Rady Nauki i Technologii w celu zbadania stanu techniki w nauce i technologii nanoskali oraz prognozowania możliwego przyszłego rozwoju. Studium i raport IWGN, Nanotechnology Research Directions: Vision for the Next Decade (1999) określiły wizję i doprowadziły bezpośrednio do utworzenia w 2000 r. amerykańskiej Narodowej Inicjatywy Nanotechnologicznej (U.S. National Nanotechnology Initiative).
1999: Naukowcy z Uniwersytetu Cornella, Wilson Ho i Hyojune Lee, zgłębili tajniki wiązań chemicznych, składając cząsteczkę z elementów składowych za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. (Zdjęcie po lewej.)
1999: Chad Mirkin z Northwestern University wynalazł technologię dip-pen nanolithography® (DPN®), prowadzącą do możliwego do wyprodukowania, powtarzalnego „pisania” obwodów elektronicznych, a także do modelowania biomateriałów do badań biologii komórki, nanoszyfrowania i innych zastosowań. (Zdjęcie poniżej po prawej.)
Użycie DPN do osadzania biomateriałów ©2010 Nanoink
1999-wczesne lata 2000: Na rynku zaczęły pojawiać się produkty konsumenckie wykorzystujące nanotechnologię, w tym lekkie zderzaki samochodowe, które są odporne na wgniecenia i zarysowania, piłeczki golfowe, które lecą bardziej prosto, rakiety tenisowe, które są sztywniejsze (dlatego piłka odbija się szybciej), kije baseballowe z lepszym flexem i „kopnięciem”,”skarpety antybakteryjne z nanosrebrem, przezroczyste kremy przeciwsłoneczne, ubrania odporne na zmarszczki i plamy, głęboko penetrujące kosmetyki terapeutyczne, odporne na zarysowania powłoki szklane, szybciej ładujące się baterie do bezprzewodowych narzędzi elektrycznych i ulepszone wyświetlacze do telewizorów, telefonów komórkowych i aparatów cyfrowych.
2000: Prezydent Clinton uruchomił Narodową Inicjatywę Nanotechnologiczną (NNI) w celu skoordynowania wysiłków federalnych w zakresie badań i rozwoju oraz promowania konkurencyjności USA w dziedzinie nanotechnologii. Kongres po raz pierwszy sfinansował NNI w roku budżetowym 2001. Podkomisja NSET przy NSTC została wyznaczona jako grupa międzyagencyjna odpowiedzialna za koordynację NNI.
2003: Kongres uchwalił 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (P.L. 108-153). Ustawa zapewniła ustawowe podstawy dla NNI, ustanowiła programy, przydzieliła obowiązki agencji, autoryzowała poziomy finansowania i promowała badania w celu rozwiązania kluczowych problemów.
Komputerowa symulacja wzrostu złotej nanopowłoki z rdzeniem krzemionkowym i warstwą złota (dzięki uprzejmości N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek i Renata Pasqualin z Rice University opracowały złote nanopowłoki, które po „dostrojeniu” wielkości do pochłaniania światła w bliskiej podczerwieni służą jako platforma do zintegrowanego odkrywania, diagnozowania i leczenia raka piersi bez inwazyjnych biopsji, operacji lub systemowo niszczącego promieniowania lub chemioterapii.2004: Komisja Europejska przyjęła komunikat „W kierunku europejskiej strategii dla nanotechnologii”, COM(2004) 338, w którym zaproponowała zinstytucjonalizowanie europejskich wysiłków w zakresie nanonauki i nanotechnologii R&D w ramach zintegrowanej i odpowiedzialnej strategii, i który pobudził europejskie plany działania i bieżące finansowanie nanotechnologii R&D. (Zdjęcie po lewej.)
2004: Brytyjskie Royal Society i Royal Academy of Engineering opublikowały Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties, w której opowiadają się za potrzebą rozwiązania potencjalnych problemów zdrowotnych, środowiskowych, społecznych, etycznych i regulacyjnych związanych z nanotechnologią.
2004: SUNY Albany uruchomił pierwszy program edukacyjny na poziomie college’u w dziedzinie nanotechnologii w Stanach Zjednoczonych, College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: Erik Winfree i Paul Rothemund z California Institute of Technology opracowali teorie dla obliczeń opartych na DNA i „algorytmicznego samomontażu”, w którym obliczenia są osadzone w procesie wzrostu nanokryształów.
Nanosamochód z obracającymi się kołami buckyball (kredyt: RSC, 29 marca 2006).
2006: James Tour i współpracownicy z Rice University zbudowali nanoskalowy samochód z oligo(fenyloetylenu) z alkilowymi osiami i czterema kulistymi kołami z fullerenu C60 (buckyball). W odpowiedzi na wzrost temperatury, nanosamochód poruszał się na złotej powierzchni w wyniku obracania się kół buckyball, tak jak w konwencjonalnym samochodzie. W temperaturze powyżej 300°C poruszał się zbyt szybko, aby chemicy mogli go śledzić! (Obraz po lewej.)
2007: Angela Belcher i koledzy z MIT zbudowali baterię litowo-jonową z powszechnym typem wirusa, który nie jest szkodliwy dla ludzi, wykorzystując tani i przyjazny dla środowiska proces. Baterie mają taką samą pojemność energetyczną i moc, jak najnowocześniejsze akumulatory rozważane do zasilania samochodów hybrydowych typu plug-in, i mogą być również stosowane do zasilania osobistych urządzeń elektronicznych. (Zdjęcie po prawej.)
(L do R) Profesorowie MIT Yet-Ming Chiang, Angela Belcher i Paula Hammond prezentują folię obciążoną wirusem, która może służyć jako anoda baterii. (Zdjęcie: Donna Coveney, MIT News.)
2008: Opublikowano pierwszą oficjalną strategię NNI dotyczącą badań w zakresie środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa związanych z nanotechnologią (EHS), opartą na dwuletnim procesie badań sponsorowanych przez NNI i dialogów publicznych. Ten dokument strategiczny został zaktualizowany w 2011 roku, po serii warsztatów i przeglądu publicznego.
2009-2010: Nadrian Seeman i współpracownicy z New York University stworzyli kilka podobnych do DNA robotycznych urządzeń do montażu w nanoskali. Jednym z nich jest proces tworzenia trójwymiarowych struktur DNA przy użyciu syntetycznych sekwencji kryształów DNA, które można zaprogramować do samodzielnego składania przy użyciu „lepkich końcówek” i umieszczania w ustalonej kolejności i orientacji. Nanoelektronika może na tym skorzystać: elastyczność i gęstość, na jaką pozwalają elementy w nanoskali 3D, może umożliwić montaż części, które są mniejsze, bardziej złożone i gęściej rozmieszczone. Innym dziełem Seemana (wraz z kolegami z chińskiego Uniwersytetu Nanjing) jest „linia montażowa DNA”. Za tę pracę Seeman otrzymał nagrodę Kavli Prize in Nanoscience w 2010 roku.
2010: Firma IBM wykorzystała krzemową końcówkę mierzącą zaledwie kilka nanometrów przy wierzchołku (podobną do końcówek używanych w mikroskopach sił atomowych), aby zdłutować materiał z podłoża w celu stworzenia kompletnej nanoskalowej trójwymiarowej mapy reliefowej świata o wielkości jednej tysięcznej ziarna soli w ciągu 2 minut i 23 sekund. Działanie to zademonstrowało potężną metodologię tworzenia wzorów i struktur w nanoskali tak małych jak 15 nanometrów przy znacznie zmniejszonym koszcie i złożoności, otwierając nowe perspektywy dla takich dziedzin jak elektronika, optoelektronika i medycyna. (Obraz poniżej.)
Renderowany obraz nanoskalowej końcówki krzemowej wycinającej najmniejszą reliefową mapę świata z podłoża organicznego szkła molekularnego. Pokazany środek pierwszego planu to Morze Śródziemne i Europa. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Advanced Materials.)
2011: Podkomisja NSET zaktualizowała zarówno plan strategiczny NNI, jak i strategię badań nad środowiskiem, zdrowiem i bezpieczeństwem NNI, korzystając z obszernego wkładu warsztatów publicznych i dialogu online z zainteresowanymi stronami z rządu, środowisk akademickich, organizacji pozarządowych, społeczeństwa i innych.
2012: NNI uruchomiło dwie kolejne inicjatywy sygnaturowe w dziedzinie nanotechnologii (NSI) – Nanosensory i Infrastrukturę wiedzy w dziedzinie nanotechnologii (NKI) – zwiększając ich liczbę do pięciu.
2013:
– NNI rozpoczyna kolejną rundę planowania strategicznego, zaczynając od warsztatów dla interesariuszy.
Badacze ze Stanford opracowują pierwszy komputer oparty na nanorurkach węglowych.
2014:
Narodowy Instytut Badań Naukowych publikuje zaktualizowany plan strategiczny na 2014 r.
Narodowy Instytut Badań Naukowych publikuje przegląd postępów z 2014 r. dotyczący skoordynowanego wdrażania strategii NNI na 2011 r. w zakresie badań nad środowiskiem, zdrowiem i bezpieczeństwem.
.