Denna tidslinje innehåller förmoderna exempel på nanoteknik samt moderna upptäckter och milstolpar inom nanoteknik.
Premoderna exempel på nanoteknik
Första exemplen på nanostrukturerade material baserades på hantverkares empiriska förståelse och manipulation av material. Användning av hög värme var ett vanligt steg i deras processer för att framställa dessa material med nya egenskaper.
Lycurgusbägaren på British Museum, belyst utifrån (till vänster) och inifrån (till höger)
4:e århundradet: Kolloidalt guld och silver i glaset gör att det ser ogenomskinligt grönt ut när det belyses från utsidan, men genomskinligt rött när ljuset lyser genom insidan. (Bilder till vänster.)
Polykrom lergodsskål, 9:e århundradet, Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
9:e-17:e århundradet: Glödande, glittrande ”luster” keramiska glasyrer som användes i den islamiska världen, och senare i Europa, innehöll silver eller koppar eller andra metalliska nanopartiklar. (Bild till höger.)
Södra rosenfönstret i Notre Dame-katedralen, ca 1250
6:e-15:e århundradet: De färgstarka glasfönstren i europeiska katedraler fick sina rika färger tack vare nanopartiklar av guldklorid och andra metalloxider och -klorider; guldnanopartiklar fungerade också som fotokatalytiska luftrenare. (Bilden till vänster.)
13:e-18:e århundradet: ”Damaskus-sabelblad innehöll kolnanorör och cementitnanotrådar – en ultrahögkolstålsformulering som gav dem styrka, motståndskraft, förmåga att hålla en skarp egg och ett synligt moiré-mönster i stålet som ger bladet dess namn. (Bilder nedan.)
 |
 |
| (Till vänster) En Damaskus-sabel (foto av Tina Fineberg för New York Times). (Till höger) Högupplöst transmissionselektronmikroskopisk bild av kolnanorör i en äkta Damaskussabel efter upplösning i saltsyra, som visar rester av cementitnanotrådar inkapslade av kolnanorör (skalstreck, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Exempel på upptäckter och utvecklingar som möjliggör nanoteknik i modern tid
Dessa bygger på alltmer sofistikerad vetenskaplig förståelse och instrumentering samt experiment.
”Ruby” guldkolloid (Gold Bulletin 2007 40,4, s. 267)
1857: Michael Faraday upptäckte kolloidalt ”rubinguld” och visade att nanostrukturerat guld under vissa ljusförhållanden ger olika färgade lösningar.
1936: Erwin Müller, som arbetade vid Siemens forskningslaboratorium, uppfann fältemissionsmikroskopet, vilket möjliggör bilder av material med näraatomär upplösning.
1947: Erwin Müller uppfann fältemissionsmikroskopet, vilket möjliggör bilder av material med näraatomär upplösning: John Bardeen, William Shockley och Walter Brattain vid Bell Labs upptäckte halvledartransistorn och utökade kraftigt den vetenskapliga kunskapen om halvledargränssnitt, vilket lade grunden för elektroniska apparater och informationsåldern.
1947 transistor, Bell Labs
1950: Victor La Mer och Robert Dinegar utvecklade teorin och en process för att odla monodisperse kolloidala material. Den kontrollerade förmågan att tillverka kolloider möjliggör otaliga industriella användningsområden, t.ex. specialpapper, färger och tunna filmer, till och med dialysbehandlingar.
1951: Erwin Müller var pionjär på fältjonmikroskopet, ett sätt att avbilda atomernas arrangemang på ytan av en vass metallspets; han avbildade först volframatomer.
1956: År 1985: Erwin Müller utvecklade ett fältjonmikroskop för att kunna avbilda atomernas arrangemang på ytan av en vass metallspets: Arthur von Hippel vid MIT introducerade många begrepp – och myntade termen – ”molekylär teknik” som tillämpas på dielektriska, ferroelektriska och piezoelektriska ämnen
Jack Kilby, omkring 1960.
1958: Jack Kilby från Texas Instruments skapade konceptet, konstruerade och byggde den första integrerade kretsen, för vilken han fick Nobelpriset 2000. (Bilden till vänster.)
Richard Feynman (Caltech arkiv)
1959: Richard Feynman från California Institute of Technology höll vad som anses vara den första föreläsningen om teknik och ingenjörskonst på atomnivå, ”There’s Plenty of Room at the Bottom”, vid ett möte med American Physical Society på Caltech. (Bilden till höger.)
Moores första offentliga graf som visar hans vision om att halvledarindustrin skulle kunna ”klämma in fler komponenter i integrerade kretsar”
1965: Intel-medgrundaren Gordon Moore beskrev i tidskriften Electronics flera trender som han förutsåg inom elektronikområdet. En trend som nu är känd som ”Moores lag” beskrev att transistortätheten på ett integrerat chip (IC) fördubblades var 12:e månad (senare ändrades den till vartannat år). Moore såg också att chipstorlekarna och kostnaderna minskade i takt med att funktionaliteten ökade – med en omvälvande effekt på människors sätt att leva och arbeta. Att den grundläggande trend som Moore förutsåg har fortsatt i 50 år beror till stor del på halvledarindustrins ökande beroende av nanoteknik i takt med att integrerade kretsar och transistorer har närmat sig atomära dimensioner.1974: I 1974: Norio Taniguchi, professor vid Tokyo Science University, myntade begreppet nanoteknik för att beskriva precisionsbearbetning av material med dimensionstoleranser på atomnivå. (Se diagrammet till vänster.)
1981: Gerd Binnig och Heinrich Rohrer vid IBM:s laboratorium i Zürich uppfann skanningstunnelmikroskopet, vilket gjorde det möjligt för forskare att för första gången ”se” (skapa direkta rumsliga bilder av) enskilda atomer. Binnig och Rohrer fick Nobelpriset för denna upptäckt 1986.
1981: Rysslands Alexei Ekimov upptäckte nanokristallina, halvledande kvantprickar i en glasmatris och genomförde banbrytande studier av deras elektroniska och optiska egenskaper.
1985: Forskarna Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl och Richard Smalley från Rice University upptäckte buckminsterfullerenen (C60), mer känd som buckyball, som är en molekyl som liknar en fotboll i formen och som består helt av kol, precis som grafit och diamant. Teamet tilldelades 1996 Nobelpriset i kemi för sin roll i denna upptäckt och för upptäckten av molekylklassen fullerener mer generellt. (Konstnärlig avbildning till höger.)
1985: Louis Brus från Bell Labs upptäckte kolloidala nanokristaller av halvledare (kvantprickar), för vilka han delade 2008 års Kavli-pris i nanoteknik.
1986: Gerd Binnig, Calvin Quate och Christoph Gerber uppfann atomkraftmikroskopet, som har förmågan att visa, mäta och manipulera material ner till bråkdelar av en nanometer i storlek, inklusive mätning av olika krafter som är inneboende i nanomaterial.
1989: Don Eigler och Erhard Schweizer vid IBM:s forskningscenter i Almaden manipulerade 35 enskilda xenonatomer för att stava IBM:s logotyp. Denna demonstration av förmågan att exakt manipulera atomer inledde den tillämpade användningen av nanoteknik. (Bilden till vänster.)
1990-talet: Nanophase Technologies 1989, Helix Energy Solutions Group 1990, Zyvex 1997, Nano-Tex 1998….
1991: Sumio Iijima från NEC anses ha upptäckt kolnanoröret (CNT), även om det fanns tidiga observationer av rörformiga kolstrukturer av andra också. Iijima delade Kavli-priset i nanovetenskap 2008 för detta framsteg och andra framsteg på området. CNT, liksom buckyballs, består helt och hållet av kol, men i rörform. De uppvisar extraordinära egenskaper när det gäller bland annat styrka, elektrisk och termisk ledningsförmåga. (Bild nedan.)
 |
 |
 |
| Kolonnanorör (artighet, National Science Foundation). CNT:s egenskaper undersöks för tillämpningar inom elektronik, fotonik, multifunktionella tyger, biologi (t.ex. som en ställning för att odla benceller) och kommunikation. Se en artikel i Discovery Magazine från 2009 för andra exempel | SEM-mikroskopisk bild av renat nanorör-”papper” där nanorören är fibrerna (skala, 0,001 mm) (med tillstånd från NASA). | En grupp av riktade kolnanorör, som kan fungera som en radioantenn för att detektera ljus vid synliga våglängder (skala 0,001 mm) (artighet, K. Kempa, Boston College). |
1992: C.T. Kresge och kollegor vid Mobil Oil upptäckte de nanostrukturerade katalytiska materialen MCM-41 och MCM-48, som nu används flitigt vid raffinering av råolja samt för läkemedelsleverans, vattenbehandling och andra varierande tillämpningar.
 |
 |
| MCM-41 är ett ”mesoporöst molekylsikt”-kiselnanomaterial med ett hexagonalt eller ”honeycomb”-arrangemang av dess raka cylindriska porer, vilket framgår av den här TEM-bilden (med artighet av Thomas Pauly, Michigan State University). | Denna TEM-bild av MCM-41 visar de raka cylindriska porerna när de ligger vinkelrätt mot betraktelseaxeln (med tillstånd av Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993: Moungi Bawendi från MIT uppfann en metod för kontrollerad syntes av nanokristaller (kvantprickar), vilket banar väg för tillämpningar som sträcker sig från databehandling till biologi och högeffektiva solceller och belysning. Under de följande åren bidrog även andra forskare som Louis Brus och Chris Murray med metoder för att syntetisera kvantprickar.
1998: Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN) bildades under National Science and Technology Council för att undersöka det aktuella läget inom nanovetenskap och nanoteknik och för att förutse möjlig framtida utveckling. IWGN:s studie och rapport, Nanotechnology Research Directions: Vision for the Next Decade (1999) definierade visionen för och ledde direkt till bildandet av USA:s nationella nanoteknikinitiativ år 2000.
1999: Forskarna Wilson Ho och Hyojune Lee från Cornell University utforskade hemligheterna bakom kemisk bindning genom att sätta ihop en molekyl från beståndsdelar med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop. (Bilden till vänster.)
1999: Chad Mirkin vid Northwestern University uppfann dip-pen nanolithography® (DPN®), vilket leder till tillverkningsbar, reproducerbar ”skrivning” av elektroniska kretsar samt mönstring av biomaterial för cellbiologisk forskning, nanokryptering och andra tillämpningar. (Bild nedan till höger.)
Användning av DPN för att deponera biomaterial ©2010 Nanoink
1999-tidigt 2000-tal: Konsumentprodukter som använder nanoteknik började dyka upp på marknaden, bland annat lätta stötfångare för bilar med nanoteknik som motstår bucklor och repor, golfbollar som flyger rakare, tennisracketar som är styvare (vilket gör att bollen studsar tillbaka snabbare) och basebollträn med bättre böjlighet och ”kick”,”antibakteriella strumpor av nano-silver, klara solskyddsmedel, rynk- och fläckbeständiga kläder, djupgående terapeutisk kosmetika, reptåliga glasbeläggningar, batterier med snabbare laddning för sladdlösa elektriska verktyg och förbättrade bildskärmar för tv-apparater, mobiltelefoner och digitalkameror.
2000: President Clinton lanserade det nationella nanoteknikinitiativet (National Nanotechnology Initiative, NNI) för att samordna de federala forsknings- och utvecklingsinsatserna och främja USA:s konkurrenskraft inom nanoteknik. Kongressen finansierade NNI för första gången under FY2001. NSET Subcommittee of the NSTC utsågs till den grupp som ansvarar för samordningen av NNI.
2003: Kongressen antog 21st Century Nanotechnology Research and Development Act (P.L. 108-153). Lagen gav en lagstadgad grund för NNI, fastställde program, tilldelade organens ansvarsområden, godkände finansieringsnivåer och främjade forskning för att ta itu med viktiga frågor.
Datorsimulering av tillväxten av guldnanoshell med kiseldioxidkärna och ett överlagrande lager av guld (med vänlig hälsning av N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003: Den 1. november 2003 antog kommissionen en lag om nanoteknik för att skapa en ny teknik för nanoteknik: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek och Renata Pasqualin vid Rice University har utvecklat guldnanosfärer som, när de är ”avstämda” i storlek för att absorbera nära infrarött ljus, fungerar som en plattform för integrerad upptäckt, diagnos och behandling av bröstcancer utan invasiva biopsier, kirurgi eller systemiskt förstörande strålning eller kemoterapi. 2004: Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek och Renata Pasqualin vid Rice University har utvecklat guldnanosfärer: I meddelandet föreslogs att institutionalisera de europeiska insatserna för nanovetenskap och nanoteknik inom ramen för en integrerad och ansvarsfull strategi, vilket gav upphov till europeiska handlingsplaner och löpande finansiering av nanoteknik inom ramen för nanoteknikens forskning och utveckling. (Bild till vänster.)
2004: Det brittiska Royal Society och Royal Academy of Engineering publicerade Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties där man förespråkar behovet av att ta itu med potentiella hälsofrågor, miljöfrågor, sociala frågor, etiska frågor och lagstiftningsfrågor i samband med nanoteknik.
2004: SUNY Albany lanserade det första utbildningsprogrammet för nanoteknik på högskolenivå i USA, College of Nanoscale Science and Engineering.
2005: SUNY Albany lanserade det första utbildningsprogrammet för nanoteknik på högskolenivå i USA, College of Nanoscale Science and Engineering: Erik Winfree och Paul Rothemund från California Institute of Technology utvecklade teorier för DNA-baserade beräkningar och ”algoritmisk självmontering” där beräkningar är inbäddade i processen för nanokristalltillväxt.
Nanobil med vridbara buckyball-hjul (kredit: RSC, 29 mars 2006).
2006: James Tour och kollegor vid Rice University byggde en bil i nanoskala av oligo(fenylenetynylen) med alkynylaxlar och fyra sfäriska C60-fullerenhjul (buckyball-hjul). Som svar på temperaturhöjningar rörde sig nanobilen på en guldyta som ett resultat av att buckyball-hjulen vänder sig, som i en konventionell bil. Vid temperaturer över 300 °C rörde den sig för snabbt för att kemisterna skulle kunna hålla reda på den! (Bild till vänster.)
2007: Angela Belcher och kollegor vid MIT byggde ett litiumjonbatteri med en vanlig typ av virus som inte är skadligt för människor, med hjälp av en billig och miljövänlig process. Batterierna har samma energikapacitet och effektprestanda som de senaste uppladdningsbara batterier som man överväger att använda för att driva plug-in hybridbilar, och de skulle också kunna användas för att driva personliga elektroniska apparater. (Bilden till höger.)
(L till R) MIT-professorerna Yet-Ming Chiang, Angela Belcher och Paula Hammond visar en virusladdad film som kan fungera som anod i ett batteri. (Foto: Donna Coveney, MIT News.)
2008: Den första officiella NNI-strategin för nanoteknikrelaterad forskning om miljö, hälsa och säkerhet (EHS) publicerades, baserad på en tvåårig process av NNI-sponsrade undersökningar och offentliga dialoger. Detta strategidokument uppdaterades 2011 efter en rad workshops och offentlig granskning.
2009-2010: Nadrian Seeman och kollegor vid New York University skapade flera DNA-liknande robotar för montering i nanoskala. En av dem är en process för att skapa 3D-dna-strukturer med hjälp av syntetiska sekvenser av dna-kristaller som kan programmeras för att självmontera med hjälp av ”klibbiga ändar” och placeras i en bestämd ordning och orientering. Nanoelektronik skulle kunna gynnas: den flexibilitet och täthet som 3D-komponenter i nanoskala möjliggör skulle kunna göra det möjligt att montera mindre, mer komplexa och närmare varandra placerade delar. En annan skapelse av Seeman (tillsammans med kollegor vid Kinas Nanjing-universitet) är ett ”DNA-monteringsband”. För detta arbete delade Seeman Kavli-priset i nanovetenskap 2010.
2010: IBM använde en kiselspets som endast mäter några få nanometer i spetsen (liknande de spetsar som används i atomkraftmikroskop) för att mejsla bort material från ett substrat för att skapa en komplett 3D-reliefkarta i nanoskala av världen – en tusendel av storleken på ett saltkorn – på 2 minuter och 23 sekunder. Denna verksamhet visade på en kraftfull mönstringsmetod för att skapa mönster och strukturer i nanoskala som är så små som 15 nanometer till kraftigt reducerad kostnad och komplexitet, vilket öppnar nya möjligheter för områden som elektronik, optoelektronik och medicin. (Bild nedan.)
En återgiven bild av en kiselspets i nanostorlek som mejslar ut den minsta reliefen av en världskarta från ett substrat av organiskt molekylärt glas. I mitten av förgrunden syns Medelhavet och Europa. (Bilden är en artighet av Advanced Materials.)
2011: Underkommittén för NSET uppdaterade både NNI:s strategiska plan och NNI:s forskningsstrategi för miljö, hälsa och säkerhet, med utgångspunkt i omfattande bidrag från offentliga seminarier och online-dialoger med intressenter från regeringen, den akademiska världen, icke-statliga organisationer, allmänheten och andra.
2012: Underkommittén för NSET uppdaterade både NNI:s strategiska plan och NNI:s forskningsstrategi för miljö, hälsa och säkerhet: NNI lanserade ytterligare två nanoteknikinitiativ (NSI) – nanosensorer och kunskapsinfrastruktur för nanoteknik (NKI) – vilket innebär att det totala antalet initiativ uppgår till fem.
2013: NNI lanserade två nya initiativ för nanoteknik (NSI) – nanosensorer och kunskapsinfrastruktur för nanoteknik (NKI) – vilket innebär att det totala antalet initiativ för nanoteknik uppgår till fem:
-NNI inleder nästa omgång av den strategiska planeringen och börjar med en workshop för intressenter.
-Stanfordforskare utvecklar den första datorn med kolnanorör.
2014:
-NNI offentliggör den uppdaterade strategiska planen för 2014.
-NNI offentliggör 2014 års lägesbedömning av det samordnade genomförandet av NNI:s forskningsstrategi för miljö, hälsa och säkerhet från 2011.