İlk
Nanoteknolojistler
Eski
vitray ustaları, cama değişen miktarlarda altın ve gümüş tanecikler konulduğunda vitrayda
kırmızı ve sarı renkler oluştuğunu biliyorlardı.
Benzer
şekilde, bugünün bilim adamları ve mühendisleri, sadece çok küçük bir
nanopartikülün çok hassas olarak yerleştirilmesi halinde, bir malzemenin fiziksel
özelliklerini değiştirebildiğini bulmuşlardır.
4. Yüzyıl
Lycurgus Kupası
(Lycurgus Cup) dikroik camdan yapılmış
cam kafes kaptır (Roma); ışığın
içinden geçip geçmemesine bağlı olarak farklı renkler gösterir. Işık arkadan
geldiğinde kırmızı (a), önden uygulandığında yeşil (b) renk alır.
6. – 15. Yüzyıllar
Katedrallerdeki, altın klorür ve diğer metal oksitler ve
klorürlerin nanopartikülleriyle renklendirilmiş pencereleri; altın
nanopartiküller ayrıca fotokatalitik hava temizleyici olarak davranır.
Notre Dame Katedrali güney gül
penceresi (1250)
9. – 17. Yüzyıllar
Gümüş veya bakır veya diğer metalik nanopartiküller içeren
parıltılı, parlak, sırlı seramikler; İslam dünyasında, daha sonra da Avrupa’da
kullanılmıştır.
13. – 18. Yüzyıllar
Nanotüpler ve sementit içeren “Damascus” saber kılıçlar
ultra yüksek çelik formülasyonlarındadır; kuvvetlidir, esnektir ve keskin
kanarlıdır, çeliğin hareli desenini yansıtır; adını bu özelliklerden almıştır.
1756: Immanuel
Kant "Fiziksel Monadologi" adlı; atom kavramını inceleyen ilk
kitabı yayımladı.
1857: Michael
Faraday koloidal “ruby (lal)” altını keşfetti (a); nanoyapılı altının
çeşitli ışıklandırma koşullarında farklı-renkler aldığı ispatlandı (b).
1905: Albert
Einstein bir şeker molekülünün ~1 nm olduğunu gösteren bir yayın yaptı.
1912: Ernest Rutherford bir dizi deneylerle atomun güneş sistemine benzediğini ileri sürdü;
merkezde sıkı bir göbek, çevresinde de dönen elektronların bulunduğunu
ispatladı ve “atomun gezegensel modeli”ni oluşturdu.
Rutherford atomunun gezegensel modeli
1928: Edward
Synge yakın-alan optik mikroskop cihazını geliştirdi.
1931: Max
Knoll ve Ernst Ruska ilk transmisyon elektron mikroskobun (TEM) prototipini
yaptılar.
1938: James
Hillier ve Albert Prebus ilk transmisyon elektron mikroskobun dizaynını ve
montajını yaptılar.
1947: John
Bardeen, William Shockley ve Walter Brattain yarıiletken transistörü
keşfettiler; yarıiletken arayüzlerle ilgili kapsamlı bilimsel çalışmaları
vardır.
1950: Victor
La Mer ve Robert Dinegar monodispers kolloidal malzemelerin büyüme teorisi
üzerinde çalışmış ve bir proses geliştirdiler. Özel kağıtlar, boyalar, ince
filmler ve hatta diyaliz işlemlerinde yararlanılan kolloidler, kullanım alanına
göre özel koşullar altında üretilir.
Monodispers hidrosollerin üretim mekanizması (LaMer ve Dinegar,
1950)
1951: Erwin
Müller alan iyon mikroskobun (FIM) öncüsüdür; atomların keskin bir metal uç
yüzeyindeki dizilişlerini gösteren görüntüyü elde etti.
FIM görüntü oluşum prosesi (Erwin
Müller)
1956: Arthur
von Hippel “moleküler mühendislik” alanında pek çok kavram geliştirdi;
dielektrikler, ferroelektrikler ve piezoelektriklerin uygulanması gibi.
1958: Jack
Kilby (Texas Instruments) ilk integre devre kavramını geliştirdi, dizayn
etti ve üretti.
1959: Richard
Feynman, (California Institute of Technology) nanoteknolojinin başlangıcı
kabul edilen "Aşağıda Daha Çok Yer Var" (1959) dediği ünlü konuşmasında,
malzemelerin çok küçük boyutlara düşürülebileceğini söyledi.
Feynman küçük boyutlarda yerçekimi kanunlarının öneminin
azalacağını ve mikro düzeydeki zayıf kuvvetlerin (van der Waals) daha önemli
hale geleceğini ileri sürerek, atomlar ve moleküllerin çok hassas aletlerle
manipülasyonuyla moleküler boyutlarda elektronik ve mekanik sistemler
yapılabileceğini, disiplinler arası çalışmalarla uygun teknolojilerin
geliştirilebileceğini ileri sürdü.
1965: Gordon Moore (İntel kurucularından) "mikroişlemciler içindeki transistör sayısı
her yıl iki katına çıkacaktır (1965)" demiş ve 1975 yılında bu öngörüsünü
“her iki yılda bir iki katına” çıkacak şekilde değiştirmiştir. Sözün ilk
söylendiğinden bu yana bu yasa çoğunlukla geçerli olmuştur.
Yasa temel olarak bir tümleşik devrenin fiziki boyutunun
devreyi oluşturan transistör sayısının karesiyle değiştiği anlamına gelir.
Örneğin tümleşik devre bünyesindeki transistör sayısı iki katına çıkarsa
devrenin boyutu dört katına çıkar.
Gordon
Moore, 2005 yılında kendisi ile yapılan bir söyleşide, öngörüsünün kısa bir
zaman içinde geçerliliğini yitirebileceğini ifade etmiştir. Günümüzde, optik
litografi yöntemi ile üretilen tümleşik devrelerde silisyum yongalar üzerinde
65 nanometre (1 nanometre = 10−9m) boyutuna kadar büyüklüklerde,
yani ~ 600 silisyum atomu boyutunda yapılar oluşturulabilmektedir.
Çip başına komponent-sene grafiği, Gordon Moore, 1965
1968: Alfred
Yi Cho ve John R. Arthur (Bell laboratuvarları) moleküler-demet epitaksinin teorik temellerini geliştirdiler,
kuramları kuantum dotların elde edilmesinde kullandı.
1970 Eiji Osawa (Hokkaido Universitesi.) 60C
atomlarının bir truncated icosahedron (12 adet beşgen 20 adet altıgenden oluşan
geometrik şekil) formda olduğunu ileri sürdü.
1973: Louis E. Brus (AT&T Bell Laboratuvarları) kolloidal çözeltilerde kuantum dotlar
denilen kolloidal yarıiletken nanokristalleri keşfetti; daha sonra Alexey Ekimov
bu buluşu ilk defa cam matriste gerçekleştirdi (1981).
1974: Norio
Taniguchi (Tokyo Science Universitesi) nanoteknolojiyi “nanoteknoloji,
malzemeleri atom-atom veya molekül-molekül ayırma, birleştirme veya deformasyon
prosesidir” şeklinde tanımlayarak, nanoteknoloji terimini ilk kullanan bilim
adamıdır.
1977: Erik Drexler moleküler nanoteknoloji kavramını oluşturdu ve geliştirdi. 1986’da ilk
nanoteknoloji kitabı “Engines of Creation: The Coming Era of
Nanotechnology”yi yayımlandı.
1981: Gerd Binnig
ve Heinrich Rohrer (IBM Zurich
laboratuvarları) taramalı tünelleme mikroskobunu (STM) icat etiler;
buluşularıyla bilim adamlarının ilk defa tek atomları görebilmesini sağladılar.
Bir STM cihazının şematik görünümü
1981: Alexei
Ekimov (Rusya) cam matriste nanokristalin yarıilrtken kuantum dotları
keşfetti, elektronik ve optik özelliklerini inceledi.
1981: Herbert
Gleiter ilk “nanokristal” terimini kullandı; daha sonraları malzeme
özelliklerine bağlı olarak, nanoyapı, nanofaz, nanokompozit, ..gibi terimler
kullanılmaya başlandı.
1985: Harold
Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice Universitesi),
genellikle “buckyball” olarak tanımlanan ilk fulleren molekülü buckminster
fullereni (C60) keşfettiler.
Harold Walter Kroto Robert
Curl Richard Smalley
Fulleren birkaç nanometre boyutundaki karbon atomlarından
oluşur (grafit ve elmas gibi), boş bir küre, elips veya tüp şeklindedir. Düğer
molekülerden farklı olarak üstün aromatik, kimyasal, çözünürlük, kuantum
mekanik, süperiletken, chirality özelliklere sahiptir. Bu ayrıcalıklarıyla
fullerenler nanoteknolojinin geliştirilmesinde önemli bir yere sahiptir.
1985: Louis
Brus (Bell Laboratuvarları) kolloidal yarıiletken nanokristalleri (kuantum
dotlar) keşfetti.
1986: Gerd
Binnig, Calvin Quate, Christoph Gerber, nanometre kesirlerine kadar görüntü
ve ölçümler verebilen ve malzemelerin manüplasyonuna olanak sağlayan atomik
kuvvet mikroskobunu (AFM) keşfettiler. AFM çok yüksek çözünürlüklü bir taramalı
kuvvet mikroskobudur; çözünürlüğü birkaç nanometre ölçeğinde olup optik
tekniklerden en az 1000 kat fazladır.
1989: Don
Eigler, Erhard Schweizer (IBM Almaden Research Center), taramalı tünelleme
mikroskopi (STM) tekniğiyle nikel bir yüzey üzerine 35 adet ksenon atomu
yerleştirerek IBM logosunu yazmışlardır. Bu gösteri, yani atomların hassas
şekilde konumlandırılabilmesi, nanoteknolojinin uygulamalı kullanımının başlangıcı
olmuştur.
1990: Alman bilim adamları Wolfgang Kretschmer
ve Kosta Fostiropolous, büyük miktarlarda fullaren üretimi için bir
teknoloji geliştirdiler.
1991: Sumio
Iijima (Japon bilim adamı, NEC
Corporation) karbon nanotüpleri (CNT) keşfetmiştir.CNT’ler Iijima’dan önce
gözlenmiş olmasına rağmen keşfi ve karbon nanoyapılarla ilgili yoğun
araştırmaları nedeniyle 2008’de Kavli ödülünü Louis Brus ile paylaştı.
karbon nanotüpler Sumio Lijma
1992: C.T. Kresge
ve ekibi Mobil Oil’de nanoyapılı MCM-41 ve MCM-48 katalitik malzemeleri
keşfetti; bunlar günümüzde ilaç dağıtım sistemleri, su işlemleme, ham prtrol
rafinasyonu ve diğer bazı uygulamalarda kullanılmaktadır.
1992: Guo BC, Wei S, Purnell J., Buzza S, Castleman AW,
Jr. kararlı fullerene benzer
nanopartikülleri (Ti8C12) buldular.
Ti8C12 moleküler yapısı
1993: Moungi
Bawendi (MIT’de) nanokristallerin kontrollü sentezi (kuantum dotlar) için
bir metot icat etti.
1998: Cees
Dekker nanotüpleri moleküller olarak kullanarak bir transistör yaptı; bu
çalışmasıyla böyle bir molekülün elektrik iletkenliğini ölçen ilk bilim adamı
oldu.
1999: Wilson
Ho, Hyojune Lee (Cornell Universitesi) taramalı tünelleme mikroskobuyla
demir ve karbon monoksidi birleştirerek demir karbonil (FeCO2)
bileşiğinin oluşumunda kimyasal bağlanmanın oluşumnu inceledi.
STM ile demir karbonil molekülü
oluşum aşamaları (A: Fe ve CO ile başlama, B: FeCO
oluşumu, C: ikinci bir CO ilavesi, D: FeCO2 molekülü)
1999: Chad
Mirkin dip-pen nanolitografiyi (DPN) icat etti.
1999–2000 başları: Pazarda nanoteknoloji ürünleri
görülmeye başladı; örneğin, otomobil tamponları için uygun çizilme ve göçmeye
dayanıklı hafif nanomalzemeler, daha düz uçabilen golf topları, daha sert ve
katı tenis raketleri (topun geri tepmesi daha hızlıdır), daha esnek ve vurucu
beysbol sopası, nano-gümüş antibakteriyel çoraplar, şeffaf güneş koruyucular,
kırışmaya ve paslanmaya dayanıklı giysiler, tedavi edici kozmetikler, çizilmeye
dirençli cam kaplamalar, kablosuz elektrik aletleri için daha hızlı şarj
edilebilen piller gibi.
2002: Cees
Dekker karbon nanotüpleri DNA ile birleştirerek tek bir nanomakine elde
etti.
DNA ile karbon nanotüplerin birleşimi
2003: Carlo
Montemagno moleküler motoru (rotor) nanoskala silikon sistemlerle
birleştirdi; bu buluş moleküler nanomakineler için yeni olasıkların gündeme gelmesine
yol açtı.
Moleküler rotor-nanoskala silikon sistemlerin birleşimi
2003:
Professor Feng Liu, Franz Giessibl (Utah Üniversitesi), çekirdek etrafında
karışıklık içinde hareket eden elektronları analizleyerek, atomik kuvvet mikroskobuyla (AFM) elektron orbitlerin görüntüsünü
elde ettiler.
Elektron orbitlerin görünümleri
2003: Naomi
Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek, Renata Pasqualin Rice
Üniversitesi’nde altın nanokabukları keşfettiler. bunlar, boyutları
yakın-infrared ışını absorblamaya ayarlandığında entegre bir tanı keşfi
platformu gibi kullanılabilir; invaziv biyopsiler, ameliyat, sistematik zararlı
radyasyon veya kemoterapi gibi uygulamamalara gerek olmadan meme kanseri
tedavisi yapılabilir.
Silika göbek ve çok sayıda altın katmanlı altın
nanokabuğun büyümesinin bilgisayar simülasyonu
nanokabuğun büyümesinin bilgisayar simülasyonu
2004: David
Baker, Brian Kuhlman doğada bulunmayan değişik fonksiyonlu yeni enzimler
yarattılar.
2004: Andre
Geim, Konstantin Novoselov karbonun allotropik modifikasyonu olan grafeni
keşfettiler. Grafen tek tabaka halinde karbon atomlarıdır.
Grafenin görünümü ve yapısı
2005:
Christian Schafmeister belirlenmiş fonksiyonlar (şekil ve ağırlık) içeren
makromolekül sentezleri için yeni bir teknoloji geliştirdi. Bu teknoloji,
gelecekte nanoskala üretim için moleküler yapı blokları sentezinde
kullanılabilecektir.
Nanomakineler için makromoleküller sentezi
2005: Erik
Winfree, Paul Rothemund DNA-bazlı hesaplama ve ‘algoritmik self-montaj’
için teori geliştirdi. ‘DNA origami’ denilen, DNA yapıların kompleks iki boyutlu
şeklini yarattılar.
DNA origami
2006. James Tour ve Arkadaşları (Rice Üniversitesi), alkinil akslı dört
küresel tekerleği olan oligo(fenilen etilen) nanoboyutlu araba yaptılar;
sıcaklığın yükseltilmesiyle nanoarabanın dört C60 fulleren (buckyball)
tekerleği altın bir yüzey üzerinde dönmeye başlar ve araba hareket eder. 300 0C’nin
üstündeki sıcaklıklarda moleküllerin, fulleren tekerlekler üzerinde öne ve
arkaya doğru yuvarlandığı gözlenmiştir. Nanoarabanın yapılma amacı
fullerenlerin bir metal yüzeydeki davranışını, özellikle de yuvarlandığı veya
kaydığının incelenmesiydi; taramalı tünelleme mikroskobuyla yapılan ve gözlenen
bu çalışmada yuvarlandığı saptanmıştır.
Fullerenle dönen nanoaraba
2007: Angela
Belcher ve Arkadaşları topluma ve çevreye zararlı olmayan bir virüsle,
teknoloji harikası şarjedilebilir pillerle aynı güç performansı ve enerji kapasitesine
sahip bir lityum-iyon pili yaptılar.
2007: J.
Fraser Stoddart, elektrik etkisiyle özellikleri değişebilen dairesel bir molkül
sentezlediler. Bu çalışmanın gelecekte moleküler kasların yaratılmasını sağlayacağı
düşünülmektedir.
2008: Osamu
Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien, denizanasından flüoresan hücreleri
eksrakt ettiler ve yeşil flüoresan proteinden (GFP) ayırdılar. GFP
denizanasının karanlıkta parlamasını sağlayan substanstır.
2009: Nadrian
Seeman ve Arkadaşları (New York Üniversitesi), 3D rombohedral kristallerde
katlanmış self-montaj DNA yapıları elde ettiler.
Rombohedral bir kristal içinde sarımlanmış DNA yapısı
2009: Yoshiaki
Sugimoto, Masayuki Abe, Oscar Custance tek bir silikon atomunu bulup
hareket ettirerek kompleks moleküler yapı oluşturdular; bunun için kalay ve
kurşun AFM (atomik kuvvet mikroskop) prob kullandılar.
2010: IBM, ultra-hızlı ve doğru litografi için bir
teknoloji geliştirdi; yöntem, 3D nanoskala yapılı yüzey oluşturulabilmeya
olanak sağladı. Bir silikon AFM uçla 2 dakika 23 saniyede 22 mikron boyutta
kabartma bir dünya haritası çizilmiştir.
Kabartma dünya haritası (22 mikron boyutunda)
2011: Leonhard
Grill tek moleküller ve polimer zincirlerin elektronik ve mekanik
özelliklerini tanımlamada taramalı tünelleme mikroskobunu kullandı.
2012: Gerhard
Meyer, Leo Gross, Jascha Repp, taramalı prob mikroskobuyla (SPM)
moleküldeki elektron yük dağılımı görütüsünü elde ettiler. Bu çalışmayla
spesifik kimyasal bağların kırılması ve oluşturulması kadar tek moleküllerin
yapı tayinleri için de yeterli detaylar elde edildi.
Naftalotsianita molekülünde elektronik yük dağılımı
