Hva er Nanoteknologi?

Nanoteknologi er den raskest voksende teknologien i dag. Det reklameres med alt fra nano-kosmetikk til nano-maling og nano-datamaskiner. Samtidig advarer aviser og tv om nanopartikler som helsefarlige og giftige. Men hva er egentlig nano og nanoteknologi?

«Nano» betyr en milliarddel og er en størrelse på samme måte som «centi», «desi» og «kilo». Når vi i dagligtalen snakker om en centimeter, sier vi egentlig en hundredels meter. Altså at hundre centimeter blir til en meter. På samme måte er det med nanometer, men for å få en meter må vi ha en milliard nanometer. Matematisk bruker man å si at en nanometer er 0,00 000 0001 meter eller 10-9 meter. En nanometer er altså svært liten! En avstand på en nanometer inneholder rundt 5-10 atomer, så når vi snakker om nanoskalaen (ca. 0.1-100 nm) er vi altså i atomenes verden. Et atom er mye mindre enn hva vi mennesker kan se, og det er vanskelig å forestille seg hvor lite det egentlig er. Hvis man for eksempel sammenligner størrelsen på et atom og et menneske, blir det det samme som å sammenligne størrelsen på et menneske og sola. Mennesket er ufattelig mye mindre enn sola, og atomet er ufattelig mye mindre enn et menneske!

 

Illustrasjon av en nanometer. Copyright: NTNU NanoLab

 

 

Nanoteknologi er med andre ord en studie av fenomener som skjer på nanoskalaen, og hvordan vi kan kontrollere og manipulere disse fenomenene. For at et produkt skal kunne sies å inneholde nanoteknologi må det ha elementer hvis struktur er kontrollert og/eller manipulert på nanoskalaen. Et eksempel på slik kontroll kan være å styre størrelse eller posisjon til nanostrukturer. Resultatet kan bli at man lager materialer med nye egenskaper. Det kan være materialer som er både harde og lette, eller tynne og isolerende. Man kan altså bygge nye materialer atom for atom, og skreddersy egenskapene etter hva man trenger. Det er disse mulighetene som ligger til grunn for den interessen og ressursbruken som nanoteknologi har ført til de siste årene. Samtidig har nanoteknologi, i likhet med andre nye forskningsfelt, reist mange etiske spørsmål som blant annet omfatter giftighet og miljøpåvirkninger av nye nanomaterialer.

En underlig krabat som lenge har fanget menneskenes interesse er gekkoen. Den kan bevege seg på vegger og tak, uavhengig av underlag, uten å falle ned. Ser vi litt nøyere på gekkoen kan vi konstatere at det under føttene er en helt spesiell struktur av fibre. Disse fibrene forgreines helt ned på nanonivå, og det er denne strukturen som er årsak til gekkoens klatreevne. Nanostrukturer finnes altså i naturen, og faktisk er naturen det beste eksemplet på nanoteknologi som fungerer. Kroppen vår er bygd opp av spesialiserte ”nanomaskiner” som utfører alle prosesser vi trenger for å leve. Mye av forskningen i dag handler om å forstå hvordan naturen bruker nanoteknologi, for så å kopiere det etter våre egne behov. Prinsippet bak gekkoens føtter kan for eksempel videreføres til å lage elastiske bandasjer som sitter like godt på vått som på tørt underlag.

Gekkoen er et godt eksempel på at nanoteknologi i seg selv ikke er noe nymotens påfunn. Likevel er det først i det 21. århundre at nanoteknologi har blitt et velkjent begrep. I 1959 erklærte fysikeren Richard Feynman:”there’s plenty of room at the bottom”, og mente at det var fullt mulig å lage verktøy som kunne både se og manipulere individuelle atomer. Tanken var forbløffende da, men bare tjue år senere oppnådde man atomær oppløsning i det første scanning tunneling microscope, (STM). I dag har man utviklet mange forskjellige verktøy for både observasjon og manipulasjon på nanoskalaen, og dette gjør at både kommersiell industri og forskning innenfor nanoteknologi skyter fart. Lese mer om nanoverktøy her.

På markedet i dag finner vi nanoteknologi i bla datamaskiner, musikkavspillere, ekstremt følsomme sensorer, selvrensende vinduer og kosmetikk. I disse produktene brukes nanoteknologi til å forbedre eksisterende teknologi, men forskningen utvikler også helt ny teknologi. Framtidsvisjonene er mange og vidløftige: nye energikilder, målsøkende medisin til verdensomfattende sykdommer, løsninger på fattigdomsproblemene i den tredje verden. Selv om dette er drømmer og langt fra virkelighet, finnes det eksempler på mer nærstående teknologi som kan bidra til å løse noen av problemene. Ved NTNU forskes det blant annet på solceller som bruker kvanteprikker til å øke effektiviteten, og kreftmedisin som kan finne og gjenkjenne syke celler for dermed å behandle bare de syke cellene i kroppen. Les mer om generelle applikasjoner av nanoteknologi her.

Tverrfaglighet

Som vi har sett i eksemplene ovenfor spenner nanoteknologi over flere klassiske fagområder som fysikk, elektronikk, biologi, kjemi og materialteknologi. Når man studerer og manipulerer materialer på nanonivå viskes skillelinjene mellom disse tradisjonelle fagene ut. Er vekselvirkningene mellom noen få atomer fysikk eller kjemi? Er forskning på mekaniske egenskapene til polymerer i kroppen biologi eller materialteknologi? For å forstå de minste bestanddelene i kroppen må man kunne både fysikk, kjemi og biologi. Det største potensialet innenfor nanoteknologi finnes ved å kombinere teknikker fra forskjellige disipliner. Man kan si at nanoteknologi er en aktiverende teknologi (enabling technology) - et slags verktøy i seg selv som muliggjør produkter fra alle områder.

Nanoskalaen – en grense i naturen

Hva er det som gjør studier på nanoskala så spesielt? For å svare på det spørsmålet må man se litt nærmere på de underliggende faktorene. Nanoskalaen representerer en slags grense i naturen. Ikke bare er nanostrukturer de minste strukturene vi kan lage, men atomer er også de minste strukturene i naturen som er stabile og solide. Når vi kommer ned på nanonivå, er vi kommet inn i den atomære og molekylære verden. Nanoskalaen er dermed en grense der kjente egenskaper ved materialer som smeltepunkt, ledningsevne og farge forandres til de atomære egenskapene ved materialet. Gullpartikler i en løsning vil for eksempel skifte farge til blått, lilla og rødt når partiklene blir mindre enn 100nm. Også kjente fysiske lover skifter form når vi skalerer ned. Motstanden og ledningsevnen kan for eksempel ikke bestemmes av Ohms lov lenger, og friksjon blir mye mer fremtredende. For å forklare disse forandringene skal vi se på tre effekter: overflate, struktur og kvantemekanikk.

Overflate

En økning i spesifikt overflateareal er en av grunnene til at vi ser en del endringer på nanoskalaen. Hvis man tar en kube av et materiale, og bryter det ned i mange små deler vil man se at den totale overflaten øker. Antall atomer som sitter på overflaten i forhold til antall atomer som er inne i materialet (også kalt bulk) er flere enn når man hadde bare én kube. Så lenge bitene fremdeles er større enn nanoskalaen vil ikke dette ha noe å si for egenskapene til materialet, for antall atomer i bulk er fremdeles mye større enn antall overflateatomer. Bryter man derimot ned materialet i så små deler at de bare er noen nanometer store, vil prosentandelen overflateatomer bli betydelig. I en kube på størrelse 1 µm3 (µ er forkortelse for mikro, som er 10-6) vil overflateatomene bare være rundt 0,05 % av alle atomene, mens i en kube på 10 nm3 vil 16 % av atomene ligge på overflaten! Overflateatomene er forskjellige fra atomer i bulk, de er for eksempel mye mer reaktive, dermed vil materialer med et stort antall overflateatomer ha forskjellige egenskaper enn i bulk. Gull, som vanligvis ikke er særlig reaktivt, brukes ofte som katalysepartikkel på nanonivå. I tillegg vil fysiske egenskaper som er avhengig av overflatearealet bli mer fremtredende enn egenskaper som er avhengig av volumet eller massen. Friksjon er en egenskap som er avhengig av overflatearealet og vil dermed bli mer fremtredende, mens gravitasjon som er avhengig av massen vil bli mindre viktig.

Struktur og selvorganisering

Vi har sett at forholdet mellom antall overflateatomer og atomer i bulk er avgjørende for hvilke egenskaper vi får, men også strukturen har mye å si for egenskapene. Altså hvordan atomene sitter sammen, og hvor de er plassert i forhold til hverandre. Et eksempel er stoffene grafitt og diamant som begge består av karbon. Disse to stoffene er helt forskjellige, diamant er hardt og skinnende og brukes i smykker, grafitt derimot brukes i blyanter og er svart og mykt. Både grafitt og diamant er laget av samme grunnstoff, men de har forskjellig struktur, og dermed helt forskjellige egenskaper. De siste 20 årene har man funnet flere naturlige strukturer for karbon på nanonivå som karbonnanorør og fullerener (karbon-baller) med helt nye egenskaper.

Kontroll av struktur gir oss altså kontroll på egenskapene til materialet. Men å bygge opp et materiale atom for atom som skissert i introduksjonen over, er ikke bare svært vanskelig, men også enormt tidkrevende. Bare for å få ett gram av et nytt stoff ville man måtte plassere rundt 1023 atomer. Selv om man bare brukte et nanosekund per atom så ville det ta over en million år! Men naturen har allerede funnet løsningen: selvorganisering (self-assembly). Selvorganisering er en koordinert sammensetting av små enheter til en større strukturert enhet uten hjelp av eksterne krefter. Det vil si at atomer og molekyler selv vil organisere seg i strukturerte former uten hjelp fra oss. Alle kroppens bestanddeler er bygd på prinsippet om selvorganisering, for eksempel cellevegger, proteiner, DNA osv. Ved å bruke selvorganisering av atomer kan vi raskt og enkelt lage materialer med den strukturen vi vil ha, og dermed også de egenskapene vi vil ha.

Kvantemekanikk

Et annet fysisk fenomen som framtrer når vi går ned i størrelse er kvanteeffekter. Kvantemekanikken er et sett med prinsipper som brukes til å beskrive verden på atomær skala. I dag vet vi at kvantefysikken er gyldig også for større skalaer og at den klassiske fysikken bare er et forenklet tilfelle. Grunnen til at vi vanligvis ikke regner med kvantemekanikk er fordi regningen blir mye vanskeligere, og nærmest umulig for større skalaer.

Kvantemekanikken er vanskelig å forstå fordi den ikke ligner på det vi erfarer i det daglige liv sånn som den klassiske fysikken. For eksempel kan elektroner gå gjennom vegger, hvis veggen er tynn nok, og lys er både partikler og bølger på samme tid. Disse to fenomenene kalles tunnelering og bølge-partikkel dualiteten, og kan forklares ved hjelp av prinsippene i kvantemekanikken. I nanoteknologi er kvantemekanikken essensiell for å forstå hvordan atomene vekselvirker med hverandre og hvordan de vekselvirker med omgivelsene rundt seg. Kvantefenomener som tunnelering og spinn brukes til å utvikle ny elektronikk, og vil kanskje en gang i fremtiden føre til kvantedatamaskiner.

Muligheter og Utfordringer

Nanostrukturer har andre egenskaper enn de samme materialene i bulk, og på atomær skala opptrer fenomener som vi ikke ser på en større skala. Dette gir opphav til mange muligheter, men det er også utfordringer. Vi kan ikke bare skalere ned det vi har i meterverden for så å tro at det fungerer likt i den atomære verden. Et eksempel er partikler i væske. Ser vi på mikrometerstore partikler i vann i et vanlig lysmikroskop, vil vi se at de ”hopper” rundt omkring hele tiden. Dette er pga. den termiske energien og kalles brownske bevegelser. Hoppingen kommer fra kollisjoner med vannmolekylene rundt partiklene som hele tiden vibrerer med den termiske energien. Når vi skalerer ned partiklene blir denne effekten større og større. Vi kan si at i den atomære verden hopper og vibrerer alt hele tiden. Sett at vi skulle lage en form for maskin eller robot på nanoskala ville den også vibrere, ”armer” og ”bein” vil hele tiden bøye seg, og det ville ikke være mulig å opprettholde en rigid figur. Men denne energien kan også utnyttes til forflytning, det er ved hjelp av den termiske energien at proteiner og næringsstoffer flytter seg rundt i kroppen vår.

Nanoteknologi tilbyr både fordeler og ulemper. Nye muligheter oppdages, men det finnes mange utfordringer som må overkommes underveis. Det stilles store krav til både verktøyet og kompetansen. For å forstå mulighetene må man ha inngående kunnskap om hvordan verden fungerer på nanoskalaen, og hvilke verktøy som er tilgjengelig. Man må tenke annerledes enn det man er vant til for å kunne utnytte mulighetene. Illustrasjonsbilde/FOTONanoteknologi er også en svært dyr teknologi. Verktøyene man bruker koster flere millioner norske kroner, og framstilling av nanomaterialer i større kvanta er svært vanskelig. Som ved enhver ny teknologi reiser også bruk av nanoteknologi en del etiske spørsmål. Hva skal hovedfokuset på forskningen være? Kommersielle luktfrie sokker, nye midler til biologisk krigføring eller fornybar energi? Hvem skal teknologien gagne mest, de som utvikler den eller verden generelt? Ny teknologi fører også med seg en del risiko. At materialer får nye egenskaper trenger ikke å være forbeholdent positivt. Kanskje vil en del av disse materialene utvikle egenskaper som er farlige for oss, eller ødeleggende for miljøet? Føre-var-prinsippet er et viktig prinsipp også innenfor nanoteknologi for å forebygge og unngå bruk av skadelige materialer. Les mer om risiko og etiske problemstillinger innenfor nanoteknologi her.

Definisjoner fra Nasjonal strategi for Nanoteknologi:

  • Nanoteknologi: Utnyttelse av materialer, strukturer, komponenter og systemer basert på fenomener og prosesser som foregår på nanometerskala.
  • Nanostrukturer: Materialer, komponenter og systemer med minst en dimensjon på en størrelse mellom 0,1 og 100 nm.
 

Hvordan vil nanomaterialene påvirke vår hverdag - og er nanoteknologi trygt?

Les om nanoteknologiens mange muligheter og begrensninger

 

Størrelsen på en nanometer:

  • En nanometer er 80 000 ganger mindre enn tykkelsen på et hårstrå..
  • Hvis en teskje vann kunne spres jevnt utover en fotballbane, ville tykkelsen være ca. 1 nm.
  • Neglene vokser omtrent 1 nm i sekundet.
  • På et knappenålshodet er det plass til 900 millioner nanopartikler.
  • Hvis du heller et fingerbøl med saft i havet og "rører rundt", for deretter å fylle et glass med vann fra havet vil du finne ca. 2 saftmolekyler per glass.