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纳米技术科普,带你了解纳米技术史上的50个里程碑
编辑:尚蒙科技无锡有限公司   时间:2018-03-22


纳米技术,是21世纪的三大技术之一,经过数十年的发展,已经蔚然成风。因为纳米技术的发展,社会生活的方方面面都在发生变化,有的变化如春雨,润物无声;有的变化则如春雷,如革命,浩浩荡荡,轰轰烈烈。

 


每一次新技术的出现,都为人类社会生活带来巨大改变。为构建更美好的世界,纳米技术将源源不断地提供新的活力!

 

思来需忆往,温故而知新。纳米人从科学和技术的角度,特别整理了纳米技术自肇始至今(2018年3月)的50件里程碑大事,以供交流探讨:

特别声明:由于年代久远,部分事件可能会有争议,欢迎大家指正!

 


1857

1. 观察到纳米粒子

Michael Faraday首次发现,制备得到的纳米金溶胶,随着尺寸的大小不同,会发生颜色变化,呈现出不同的丁达尔散射现象。

 


2. 首次发现超疏水现象

1907年,Ollivier首次报道了一种超疏水表面:油烟、石松粉和三氧化二砷材料表面实现接近180o的接触角。随后,Barthlott和Neinhuis首次提出“荷叶效应”,将超疏水性能归因于表面微米结构。后来,江雷等人发现,超疏水性能实际上归因于粗糙表面的微纳米结构,并制备了世界上第一个超疏水纳米材料。


1917

3. 首次制备单分子薄膜

Irving Langmuir首次提出并证实单分子薄膜的可行性。随后,和Katharine Blodgett发明了制备单层分子薄膜(LB膜)的技术,首次实现脂肪酸单分子层从水面向固体基底上的转移。

获诺贝尔化学奖(Irving Langmuir,1932)


1928

4. 首次提出近场光学显微镜

Edward Hutchinson Synge提出以近场扫描光学显微镜获得超越衍射极限的图像。

 


1931

5. 发明电子显微镜

Ernst Ruska和Max Knoll发明了第一台电子显微镜。

获诺贝尔物理学奖(Ernst Ruska,1986)。

 


 

1946

6. 首次实现分子自组装

Zisman、Bigelow和Pickett实现了有序单分子层在表面上的自组装。

 


1959

7. 首次提出“纳米技术”概念雏形

Richard Feynman在加州理工学院举办的美国物理学会年会上发表题为《There is plenty of room at the bottom》的演讲,提出在原子尺度上操控物质,被认为是“纳米技术”概念的雏形,并从根本上开启了纳米技术有意识地科学发展的序幕!

 


1968

8. 发明分子束外延技术

John R. Arthur和Albert Y. Cho发明分子束外延方法,可制备高质量单晶薄膜,广泛应用于半导体器件的制备。

 


1974

9. 诞生“纳米技术”一词

Norio Taniguchi创造“nano-technology”这一术语,为纳米技术定名。

 

1974

10. 发现表面增强拉曼散射

Martin Fleischmann、Patrick Hendra和James McQuillan发现吸附在银电极表面的吡啶分子具有异常增强的拉曼散射现象;随后,Richard van Duyne首次提出SERS的概念,并和 Alan Creighton独立地将SERS机理解释为纳米级粗糙表面产生的表面等离激元及电磁场增强。

 

 

1974

11. 首次提出分子二极管的想法

Mark Ratner提出分子二极管的想法,单个分子可以作为整流器,一个单向的电流导体,开创分子电子学。

 


 

1976

12. 发明原子层沉积技术

Tuomo Suntola发明原子层外延薄膜制备技术。

 


 

1980

13. 首次观察到自然形成的量子点

Alexei Ekimov和Alexander Efros首次在半导体掺杂的玻璃中发现量子点纳米晶的存在及其独特的光学性能。

 


1981

14. 发明扫描隧道显微镜

Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明扫描隧道显微镜。

获诺贝尔物理学奖(Gerd Binnig和Heinrich Rohrer,1986)

 


1982

15. 首次提出DNA纳米技术

Nadrian Seeman提出DNA纳米技术的概念。

 


 

1983

16. 首次合成半导体量子点

Louis Brus实现了胶体半导体量子点的控制合成。

 


1985

17. 发现富勒烯

Harold Kroto、Sean O’Brien、RobertCurl和Richard Smalley发

现了C60富勒烯分子,揭开了碳纳米材料的序幕!

获诺贝尔化学奖(Harold Kroto、Robert Curl和Richard Smalley,1996)

 


1986

18. 发明原子力显微镜

Gerd Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber发明了原子力显微镜。

 


1986

19. 首次系统介绍纳米技术

K. Eric Drexler出版书籍“Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology”,并被翻译成多种文字,正式向全世界系统介绍纳米技术。

 


1988

20. 发现巨磁电阻

Albert Fert和Peter Grünberg在多层膜中发现了巨磁电阻效应,使信息存储发生革命新突破。

诺贝尔物理学奖(Albert Fert和Peter Grünberg,2007)

 

1988

21. 发明染料敏化太阳能电池

Brian O'Regan和Michael Grätzel利用TiO2纳米颗粒多孔薄膜和分子染料发明了染料敏化太阳能电池。

 


 

1990

22. 首次实现原子尺度的操控

Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子,写出字母“IBM”。

 


 

1991

23. 发现碳纳米管(的重要性)

Sumio Iijima报道碳纳米管的生长。虽然大量研究认为,1991年之前,就已经有一些关于碳纳米管的报道。但是,由于Sumio Iijima将碳纳米管带向全世界,所以他仍然被认为是碳纳米管之父。

一年之后,Millie Dresselhaus及同事提出一种可以准确预测金属与半导体纳米管比例的理论。

1991

24. 发明分子梭

Fraser Stoddart基于轮烷发明了首个分子梭。随后改进得到了可通过化学方法切换的双稳态分子梭。

获诺贝尔化学奖(2016)


1992

25. 发明介孔分子筛

Charles Kresge发明了MCM-41和MCM-48等一系列介孔分子筛材料。

 

 

1992

26. 实现球差矫正TEM

Harald Rose、Knut Urban和Maximilian Haider通过调节多极子校正装置和控制电磁透镜的聚焦中心,实现对球差的校正,使透射电镜达到亚埃级的分辨率。

 

1993

27. 发现量子围栏

Michael Crommie、Christopher Lutz和Don Eigler发现铁原子在铜表面形成的量子围栏囚禁了电子。

 


28. 发明微接触印刷术

George M. Whitesides和 Amit Kumar发明了一种基于PDMS制成的表面具有微观图案的印章构造微纳结构的软刻蚀技术。



1994

29. 发明受激发射损耗显微技术

Stefan Hell和Jan Wichmann提出受激发射损耗显微术,打破了光学成像的

衍射极限。

获诺贝尔化学奖(Stefan Hell,2014)

 


1994

30. 首次合成模板纳米线

Martin Moskovits使用多孔阳极氧化铝作为模板,首次制备得到有序的纳米线阵列。

 


1995

31. 首次提出MOF概念

Omar M. Yaghi首次提出了MOF(Metal–organic framework)的概念,并在随后的时间里,将MOF的合成、性能调控以及应用发扬广大!

 


1996

32. 发明纳米孔基因测序

Daniel Branton将一个DNA单链穿过脂质双层膜内的纳米孔。

 


1998

33. 发现光异常透射

T. W. Ebbesen观察到当光通过亚波长金属孔阵列时,得到的透射率在特定波长位置会比经典的小孔透射理论预言的数值高若干个数量级。光异常透射的发现,标志着表面等离激元纳米光子学(plasmonics) 进入活跃发展期。

 


1998

34. 发明电子墨水

Joseph Jacobson发明了电子墨水,革新信息显示行业。

 


1998

35. 首次合成晶态纳米线

Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma独立开发出制备晶态半

导体纳米线的技术。

 


1998

36. 发明SBA-15大孔介孔材料

Galen D. Stucky和赵东元发明了一种控制合成5-30 nm大孔介孔硅的方法。

 


1999

37. 发明分子马达

Ben Feringa和Ross Kelly分别首次独立报告了光驱动分子马达和化学驱动分子马达。

诺贝尔化学奖(Ben Feringa,2016)

 


1999

38. 发明浸笔微刻技术

Chad A Mirkin发明dip-pen nanolithography技术,利用AFM针尖在基底表面构建化学稳定的单分子层。

 


2000

39. 首次实现半导体纳米晶形貌控制

A. P. Alivisatos和彭笑刚发明了一种CdSe纳米晶形貌控制策略。


2001

39. 发明纳米线激光器

杨培东基于ZnO半导体纳米线发明了第一台室温纳米线激光器。

 


 

2001

40. 首次提出聚集诱导发光概念

唐本忠团队首次提出聚集诱导发光(AIE)的概念,从根本上解决了有机发光分子的ACQ问题,有效提高有机分子固态发光效率。



2002

41. 首次合成单分散贵金属纳米晶

夏幼南和孙玉刚发明了一种精确控制合成几乎单分散的银和金纳米晶的醇热法。

 


2004

42. 发现石墨烯

Andre Geim和Konstantin Novoselov发明了一种剥离单层石墨烯的技术。



2005

43. 发明普适性的纳米溶胶合成技术

李亚栋和王训发明了一种液相合成各种元素纳米晶的通用策略。

 

 

2006

44. 发明纳米发电机

王中林利用ZnO纳米线的压电效应,在纳米尺度下将机械能转换成电能,首次成功研制纳米发电机。



2006

45. 发明DNA折纸术

Paul Rothemund发明了一种将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法。

 



2009

46. 发明钙钛矿太阳能电池

Tsutomu Miyasaka首次将CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3钙钛矿纳米晶引入染料敏化太阳能电池,随后Henry Snaith利用spiro-OMeTAD作为固态空穴传输层,正式揭开钙钛矿太阳能电池的序幕。

 



2011

47. 首次合成MXene

Yury Gogotsi首次合成出第一个二维MXene纳米材料:Ti3C2



2015

48. 发明全集成的人工光合作用系统

杨培东通过半导体纳米线结构,构建了首个人工光合作用全集成系统。

 


2013

49. 首次实现分子机器合成蛋白

David Leigh创造了一个相当于人工核糖体的小分子机器,可将氨基酸按特定顺序连接起来,实现复杂的蛋白合成过程。

 


2016

50. 首次实现1nm晶体管

Ali Javey利用碳纳米管和MoS2首次构建出1nm晶体管,使摩尔定律仍然有效。


 

 

附:纳米往事

 

其实,在法拉第首次观察到胶体金的颜色随尺寸变化之前,远古时期,就已经发现纳米材料的踪迹。只不过,当时虽然已经得到一些应用,当时并未形成学科,没有从科学的角度展开研究。

 

公元前-6世纪

莱氏杯(Lycurgus Cup)

古代工匠在杯子制作材料中加入胶体金和银纳米颗粒,在光照作用下,杯子颜色可以从绿变红,又称双色杯。现存大英博物馆,是目前发现最早的纳米技术应用。

 


 

9-17世纪

得鲁达制陶(Deruta Ceramicists)

文艺复兴时期,工匠利用5-100 nm左右的铜和银纳米颗粒来制备色彩斑斓的金属釉料,给陶瓷上色。

 


6-15世纪

彩色玻璃窗(stained glass windows)

欧洲大教堂工匠利用氯化金以及其他各种金属氧化物和氯化物制作彩色玻璃窗,充满活力。


 

13-18世纪

大马士革军刀刀片(Damascus saber blades)

军火制造商利用含有碳纳米管和炭化铁纳米线的材料制造军刀刀片,刀片有明显的摩尔纹,坚硬无比。

 


16世纪

纳米金药物

欧洲现代化学的奠基人之一Paracelsus制备出含有金纳米颗粒的药物,用来治疗精神类疾病。


来源:微信JEFF

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