纳米技术的历史

纳米技术的历史

与许多其他学科一样,纳米技术的应用(例如,炼钢和绘画)在该领域正式定义之前几个世纪就已开始使用。该领域的早期贡献者包括詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(苏格兰物理学家和数学家,1831-1879 年)和理查德·阿道夫·齐格蒙迪(奥地利-德国化学家,1865-1929 年)。齐格蒙迪研究 胶体 (一种物质均匀分散在另一种物质中的化学混合物)并研究了金溶胶和其他纳米材料。20 世纪上半叶的其他重要贡献者包括 Irvin Langmuir(美国化学家和物理学家,1881-1957 年)和 Katherine B. Blodgett(美国物理学家,1898-1910 年),她是第一位在剑桥大学获得物理学博士学位的女性。

最早对纳米技术的系统性讨论被认为是理查德·费曼(美国物理学家,1918-1988)于 1959 年发表的演讲。演讲的标题是:“底部有足够的空间”。费曼在演讲中讨论了“在小规模上操纵和控制事物”的重要性,以及它们如何“告诉我们许多关于复杂情况下发生的奇怪现象的有趣信息”。他描述了物理现象如何根据规模改变其表现形式,并提出了两个挑战:创造一个 纳米马达,并将字母缩小到允许整个 大英百科全书 适合于大头针的头部。

“纳米技术”一词最早由日本科学家谷口纪夫(Norio Taniguchi,1912-1999)在 1974 年的一篇论文中提出,该论文介绍了一种生产纳米级物体和特征的技术。美国工程师 K. Eric Drexler(生于 1955 年)因开发分子纳米技术而受到赞誉,该技术引领了纳米系统机械制造的发展。

发明 扫描隧道显微镜 20 世纪 80 年代,IBM 苏黎世科学家发明了 原子力显微镜 使科学家能够以前所未有的原子水平观察材料。当时,越来越强大的计算机的出现使得使用超级计算机可以大规模模拟材料系统成为可能。这些研究为纳米级材料结构及其特性提供了见解。建模和模拟、原子级可视化和表征以及实验合成活动的互补活动推动了 20 世纪 80 年代的纳米级研究活动。

20 世纪 90 年代末和 21 世纪初,几乎所有工业化国家都启动了纳米技术计划,导致纳米技术活动在世界范围内蓬勃发展。在美国,科学技术政策办公室 (OSTP) 成立了一个 纳米技术跨部门工作组 (IWGN)由来自美国空军、美国海军和 NASA 等各政府机构的代表组成。IWGN 与学术界和工业界合作,创建了美国 国家纳米技术计划 (NNI)。加拿大的机构包括阿尔伯塔省的国家纳米技术研究所 (NINT)、安大略省国家研究委员会的五 (5) 个研究机构和 NanoQuebec 联盟。IBM 于 1990 年取得了重大进展,当时一组物理学家使用 35 个氙原子拼出了字母“IBM”。1985 年,另一项突破是发现了碳分子的新形状,称为 巴基球,呈圆形,由 60 个碳原子组成。这导致了一种相关的分子形状的发现,即 碳纳米管 1991 年。碳纳米管仍然是纳米技术领域最有前途的领域之一,因为它们的强度比钢高出约 100 倍,但重量只有钢的六分之一;它们具有不同寻常的导热和导电特性。与此同时,对半导体纳米晶体的研究导致了 量子点,其性质介于块体半导体与离散分子之间。

多边形纳米管的扫描电子显微镜。
图片来源:Svetlana Dimovski,
德雷塞尔大学

法国的活动包括索菲亚安提波利斯的 SCS 集群、巴黎地区的 Systematic 集群以及格勒诺布尔的全球微纳米技术集群 Minalogic。德国的举措包括德国政府的纳米计划,其中包括 NanoMobil(针对汽车工业);NanoLux(针对光学工业);NanoFab(针对电子工业);Nano for Life(针对生命科学工业);以及 Nano in Production(针对纳米材料生产)。日本的活动由文部科学省 (MEXT) 和经济产业省 (METI) 牵头。他们的众多项目之一是创建纳米技术研究人员网络。该网络通过让公共组织和某些大学拥有的先进大型设备(如高压电子显微镜和纳米制造设施)供日本各地的一般研究人员使用,为大学和私人组织的纳米技术研究提供支持。全球研究的主要重点仍然是纳米级特性、材料合成和特性研究以及应用开发,以创造有用的设备和工艺并获得经济效益。人们越来越认识到教育未来科学家和工程师了解这一新兴领域以及解决纳米材料安全和健康问题的重要性。

碳纳米管内部水的模型。图片来源:Henry Ye,德雷塞尔大学

阅读更多