Nye materialer forandrer verden

Steinalder, jernalder og bronsealder er begreper som forteller oss at menneskenes tilgang på materialer helt fra tidenes morgen har preget vår sivilisasjon. Etter å ha befunnet oss i det vi kan kalle stålalderen og plastalderen, går vi nå inn i de funksjonelle materialenes tidsalder.

MILJØOPTIMIST:- Materialvitenskapen vil kunne løse miljø- og energikrisen, sier professor Truls Norby. Foto: Ståle Skogstad (©)

Funksjonelle materialer har virket forløsende på mange teknologiske gjennombrudd de siste tiårene. Datamaskiner, mobiltelefoner, CD-spillere, solcellepaneler, brenselceller - de er alle avhengige av funksjonelle materialer for å virke. Og forskerne er samstemmige og uten fnugg av tvil: i årene som kommer, vil utviklingen av nye funksjonelle materialer gi verden nye teknologiske gjennombrudd. For vi kommer ikke til å nøye oss med de materialene som Moder Jord har skjenket oss mer eller mindre direkte. Vårt høyteknologiske samfunn vil tvert imot i stadig større grad preges av funksjonelle materialer - materialer vi selv har designet, ofte ned til atomnivå.

Nasjonal storsatsing på funksjonelle materialer

150 millioner kroner hvert år i ti år framover skal heve forskningen på funksjonelle materialer i Norge til høyt internasjonalt nivå.

De fleste industriland setter av betydelige midler til forskning og utdanning innen funksjonelle materialer. Nå ønsker de sentrale naturvitenskapelige institusjonene i Norge at vi gjør det samme. Universitetet i Oslo, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, SINTEF og Institutt for energiteknikk planlegger å inngå et omfattende forskningssamarbeid.

Den nasjonale planen for forskning innen funksjonelle materialer og nanoteknologi har fått navnet FUNMAT. Satsingen innebærer blant annet at det bygges nye felles forskningslaboratorier, at materialvitenskapelige basisfag, fysikk og kjemi, styrkes og at det etableres nye tverrfaglige forskningsprogrammer.

Planen legger opp til satsing innen områder der de norske forskningsmiljøene har spesiell kompetanse og der Norge har nasjonale fortrinn. Det betyr blant annet at FUNMAT skal være en pådriver innen utviklingen av materialer for ny bærekraftig energiteknologi og miljøvennlig prosessteknologi. Forskningssamarbeidet skal også bidra til at det utvikles nye materialer for framtidens IKT-systemer og materialer som kan brukes i medisin og bioteknologi. Planen legger opp til et tett samarbeid med ledende miljøer internasjonalt.

Styringsgruppen for Universitetet i Oslos forskning innen funksjonelle materialer foreslår å bruke 150 millioner kroner hvert år de neste ti årene på denne satsingen. For ikke å tape ytterligere terreng til den internasjonale forskningsfronten, mener styringsgruppen at FUNMAT bør komme i gang i 2002. Realiseringen av FUNMATs visjoner om forskning med kvalitet, omfang og konkurransedyktighet på internasjonalt nivå, forutsetter en sterk offentlig finansiering, påpeker styringsgruppen.

Norsk næringsliv har i liten grad maktet å utnytte det store potensialet for verdiskaping knyttet til funksjonelle materialer. I dag er det bare et fåtall norske bedrifter som er i stand til å utvikle egen salgbar teknologi på dette området. FUNMAT vil søke å samarbeide med næringslivet for å introdusere nanoteknologi og nye funksjonelle materialer i norsk industri.

Hva er et materiale?

I Norge har det vært forsket relativt lite på funksjonelle materialer, sammenliknet med de fleste andre industrialiserte land. Men noen miljøer finnes det også her til lands, og flere av disse er i forskningsfronten internasjonalt. Senter for materialvitenskap ved Universitetet i Oslo har en stor del av sine aktiviteter og avanserte laboratorier i Forskningsparken – her arbeider og studerer om lag 40 personer fra Fysisk institutt og Kjemisk institutt. Professor Truls Norby er kjemiker og har arbeidet ved senteret siden det ble etablert i 1990. Hva er egentlig et materiale?

PC, mobiltelefon og kamera i b�andskap

MOBIL TEKNOLOGI: Utviklingen går i eksplosiv fart mot "mindre, lettere, raskere og renere". Funksjonelle materialer spiller allerede en viktig rolle i utviklingen av teknologi som vi omgir oss med i hverdagen. Foto (montasje): Ståle Skogstad (©)

– Et materiale er ganske enkelt et fast stoff som kan brukes til noe nyttig. Stål, aluminium, betong og plast er eksempler på såkalte strukturelle materialer, eller konstruksjonsmaterialer. I Norge har vi lange tradisjoner for å utnytte vår gode tilgang på råstoffer og energi. Vi har utvunnet malm og framstilt metaller, legeringer og ildfastmaterialer.

Norby hevder at vi vil komme til å se at ulike grupper av materialer vil bli brukt og utviklet side om side i et stadig økende mangfold.

– Men det er først og fremst de funksjonelle materialene som vil stå for de fleste nyvinningene i årene som kommer, sier han.

Fantastiske egenskaper

For de strukturelle materialene - konstruksjonsmaterialene - er det mest de mekaniske egenskapene vi utnytter. Funksjonelle materialer, på den annen side, har bestemte fysikalske egenskaper - i hovedsak elektriske, optiske, magnetiske og kjemiske egenskaper - som kan utnyttes til et mylder av ulike formål.

– Vår tids funksjonelle materiale par excellence er silisium som har banet veien for data- og kommunikasjonsteknologien, sier Norby.

Silisium er en såkalt halvleder: det kan både lede og stoppe strøm. Det er denne egenskapen som benyttes i elektroniske kretser.

Utviklingen av funksjonelle materialer vil komme til å sørge for enda kraftigere datamaskiner og datalagringsmedier, bedre skjermteknologi og økt batterikapasitet på mobilt utstyr. Og disse materialene vil gi oss elektrisitet fra fornybare, rene energikilder, ny miljøteknologi, økt sikkerhet på veiene og mikrosystemer for dosering av legemidler implantert i kroppen. For å nevne noe.

Eksempler på funksjonelle materialer er såkalte hurtige ioneledere, halvledere, superledere, optiske og magnetiske materialer, fosforer og katalysatorer.

– Nesten all teknologisk utvikling i dag er knyttet til nye funksjonelle materialer, sier Norby. Fjorårets nobelpriser i kjemi og fysikk gikk begge til materialforskere.

– Materialvitenskapen har som mål å forstå sammenhengene mellom materialenes struktur og sammensetning og deres egenskaper. Når vi vet hvordan materialene er bygd opp atom for atom og når vi kan konstruere og manipulere på atomnivå, er det mulig å skreddersy materialer og overflater slik at de får nøyaktig de egenskapene vi ønsker oss. Med andre ord kan vi utvikle nye materialer på en intelligent måte, uten prøving og feiling, påpeker Norby.

Ytterst avansert "keramikk"

I løpet av de siste tiårene er det utviklet en stor klasse såkalte nye funksjonelle eller avanserte keramer med mange spesielle elektriske, optiske og magnetiske egenskaper.

Keram kommer av det greske ordet for leire. Faglig sett brukes ordet i dag som samlebetegnelse på uorganiske faste forbindelser. Tradisjonelle keramer, som takstein, fliser og porselen, lages gjerne ved å brenne leire og andre naturlige råstoffer. De består oftest av et utall forskjellige faser – et konglomerat av forskjellige forbindelser og strukturer. Funksjonelle, avanserte keramer er ofte forbindelser med flere grunnstoffer, men oftest bare én fase; på den måten rendyrkes den egenskapen man ønsker å utnytte. Mange avanserte keramer er metalloksider (forbindelser mellom metall og oksygen), karbider (forbindelser med karbon) og nitrider (forbindelser med nitrogen).

Solcellebil p堳trand

REN ENERGI: Denne bilen kan du kjøpe allerede i dag som leketøysbyggesett: Solcellepanelet omdanner sollys til elektrisitet. Sollys og rent vann på tanken - Rent vann som eksos! Foto (montasje): Ståle Skogstad (©)

– I 1990-årene er det framfor alt de funksjonelle avanserte oksid-keramene som har vært gjenstand for forskernes oppmerksomhet. Disse har ofte overraskende, spektakulære og høyst utnyttbare egenskaper over et stort register. Slike materialer kan brukes i lasere, som superledere og i nye lagringsmedier for digital informasjon, forteller Norby.

Superledere transporterer strøm uten motstand ved lave temperaturer, slik at elektrisk energi kan overføres uten tap over lange avstander. Koblingen mellom strøm og magnetfelt i slike superledere gjør at de også kan brukes til å lage svært kraftige magneter. Disse kan utnyttes i avansert medisinsk utrustning og kanskje i svevetog og andre friksjonsfrie transportmidler i framtiden. Andre oksid-keramer har egenskaper som gjør dem godt egnet til sensorer i ulike instrumenter. En sensor endrer en av sin egenskaper ved en ytre påvirkning.

– Framstillingen av materialene har ofte avgjørende innflytelse på materialenes mikrostruktur og derved mange av egenskapene. Med mikrostruktur menes hvordan atomene er ordnet, men også hvordan for eksempel korn, korngrenser og porer foreligger i stoffet. Det er dessuten ofte vanskeligere å kontrollere de mekaniske egenskapene hos de avanserte keramene sammenliknet med andre materialer. Derfor er det store utfordringer knyttet til fabrikasjon av komponenter, understreker Norby.

Kan løse miljø- og energikrisen

Fossilt brensel, basert på olje og kull, frigjør CO2 i et omfang som atmosfæren kanskje ikke tåler. Det synes å være bred enighet blant klimaforskerne om at kraftige kutt må til for å stabilisere mengden drivhusgasser i atmosfæren. Det er derfor nødvendig med økt bruk av fornybare energikilder og miljøvennlig utnyttelse av fossilt brensel.

Bilen fullpakket I løpet av de siste to tiårene har bilen gått over fra å være en rent mekanisk innretning til å bli mer og mer fullpakket av funksjonelle materialer. Dagens biler har blant annet elektronisk kontroll av motoren og et raskt økende antall sensorer i tilknytning til motor, hjul og bremser.

– Materialvitenskapen vil kunne løse miljø- og energikrisen. Nye, avanserte materialer for produksjon av energi i solceller, samt for lagring, transport og omvandling av energi, er avgjørende, sier Norby.

Solenergi kan omdannes direkte til elektrisk energi i solceller. Til dette formålet er silisium det viktigste materialet i dag. Ved hjelp av denne "rene" elektrisiteten og rent vann er det mulig å produsere hydrogen, som så kan lagres og transporteres og ved behov gi "ren" elektrisitet tilbake ved bruk av en brenselcelle.

– Det vil trolig ta mange tiår å utvikle denne teknologien. Det er derfor uhyre viktig å komme i gang – vi har et kappløp å vinne både med hensyn til de fossile ressursene, klimaet på jorden og Norges rolle. Vår vannkraft, olje og gass er en sovepute og vår rikdom tilsynelatende et hinder for å utdanne oss og forske innen materialteknologi og alternativ energi. Som styrtrik olje- og gassnasjon burde vi i det minste se vårt moralske ansvar for å gjøre en innsats for klimaet og energisituasjonen globalt, sier Norby.

Hydrogensamfunnet Vi kjenner betegnelsen "IT-samfunnet" og "kunnskapssamfunnet". Forskerne tror at vi om et kvart århundre er på god vei mot et samfunn drevet på hydrogen og elektrisitet, nemlig det såkalte hydrogensamfunnet . Fordi hydrogen har et høyt energiinnhold og lav vekt, vil hydrogen om noen år komme til å bli et svært viktig alternativ til de fossile brennstoffene. Når hydrogen brenner, dannes det nemlig ikke CO2, men vann. De største utfordringene for forskerne er å finne fram til materialer med større lagringskapasitet for hydrogen enn de som er kjent i dag. Funksjonelle materialer spiller en avgjørende rolle når hydrogenet skal produseres, som lager for hydrogen og i brenselceller for omdanning av hydrogen til elektrisk energi.

– Når de fornybare energikildene tas i bruk, er lagring i form av hydrogen trolig den mest reelle mulighet. I mellomtiden må vi satse sterkt på å utvikle materialer der hydrogen kan lagres i fast form - dette vil bli sikrere og mer effektivt enn lagring som flytende eller gassformig hydrogen. Materialforskere ved UiO og Institutt for energiteknikk er verdensledende på utvikling av nye metallhydrider til dette formålet, forteller Norby.

Sammen med norsk industri, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet og SINTEF arbeider miljøer ved Kjemisk institutt ved UiO også med membraner for oksygenseparasjon. Gjennom disse kan oksygen bevege seg, men ikke nitrogen.

– Dette gir en ny måte å skille ut oksygen fra luft på. Hvis dette oksygenet brukes til forbrenning av olje og gass i kraftverk eller i biler, unngår vi å få luftens nitrogen i avgassene. CO2 kommer da ut som et nærmest rent produkt som det er relativt enkelt å deponere, for eksempel ved å sende det tilbake til oljebrønnene i Nordsjøen. Dette er teknologi som er mer avansert enn dagens foreslåtte løsninger for "miljøvennlige" gasskraftverk.

Hvor smått?

Integrerte kretser - databrikker eller mikrochips. Disse la grunnlaget for vår tids moderne mikroelektronikk, og i dag finner vi databrikken så vel i PC-er, klokker og lommekalkulatorer som i vaskemaskiner og biler. Materialene og komponentene i kretsene bygges opp med mikrometer-nøyaktighet. (1 mikrometer = en tusendels millimeter).

– Mange tror at transistorer og andre minnelagringsenheter kan nå ned på atomnivå. Dagens forskning på funksjonelle materialer kommer etter hvert til å bli nært knyttet til nanoteknologi.

Nano kommer av det latinske ordet for dverg. En nanometer er en tusendel av en mikrometer.

– Vi har teknikker for å observere og manipulere på disse skalaene. Ved hjelp av kraftige mikroskoper kan en for eksempel plassere en klump av noen få gullatomer inn i en nanometerskala-åpning mellom to elektroder. Slik er det mulig å måle elektriske egenskaper i atom-atom-kontakter, sier Norby.

– Nanoteknologi er inne på et størrelsesområde der mange egenskaper er lite forstått. Dette nivået utvisker forskjellene mellom kjemiske og fysiske, uorganiske og organiske egenskaper og funksjoner, og både teknologi, miljø, biologi og medisin kan utnytte mulighetene i tverrfaglig samarbeid, konkluderer han.

Emneord: Teknologi, Materialteknologi, Nanoteknologi Av Trine Nickelsen
Publisert 1. feb. 2012 12:11
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere