Mikroteknologi manipulerer naturens minste byggesteiner

Ved å sette sammen atomer på nye måter kan forskerne skape nye materialer med helt nye egenskaper. Mikro- og nanoteknologi handler om å kontrollere naturens minste byggesteiner. Denne kunnskapen er helt nødvendig for framtidens teknologiske utvikling.

NYTT MATERIALE: Dette er et nytt nanoporøst materiale som har fått navnet UiO-6 etter Universitetet i Oslo. Det krystallinske nettverket av AlPO4 er vist med strektegning der oksygen er rødt og aluminium og fosfor er blågrått. Illustrasjon: Karl Petter Lillerud, Kjemisk institutt

Tenk deg at du plukker et hårstrå fra hodet og deler det på langs 10 000 ganger i like store deler. Da vil hver av de 10 000 delene ha en tykkelse på rundt én nanometer. En nanometer er ikke større enn at man får plass til kanskje fire-fem atomer. Arvestoffet vårt – DNA-molekylet – har en bredde på om lag fem nanometer. Det er med disse ufattelige små målestokkene forskningsfeltene mikro- og nanoteknologi opererer. Nanoteknologi beveger seg i størrelsesorden opp til 100 nanometer, mens mikroteknologi omfatter forskning i noe større, men fortsatt uhyre små dimensjoner.

Framtidens teknologi

Denne forskningen får ringvirkninger for en lang rekke vitenskapelige felter som elektronikk, datateknologi, biologi, medisin, farmasi, materialteknologi, kvantefysikk, romforskning, kjemi, miljøfysikk og energiteknikk. Derfor skjer det også en symbiose mellom disipliner, og forskningsfeltet er preget av sterk tverrfaglighet. Innfallsvinklene er ofte utradisjonelle, og avstanden mellom grunnforskning og praktisk bruk er i mange tilfeller kort.

Perspektivene for denne forskningen ligger tett opptil science fiction. Raskere og mindre datamaskiner, bedre kommunikasjonsteknologi, nye og kanskje fornybare energikilder, implanterte mikrosystemer for dosering av legemidler og vevsvennlige materialer til bruk i medisinsk behandling, er noen perspektiver som åpner seg. Man kan også utvikle alt fra nye materialer til klær og bygninger, nye lyskilder og sensorer som kan inkorporeres i en lang rekke artikler som vi omgir oss med i hverdagen. Hva med et kjøleskap som sier ifra før melken blir sur?

– Vi driver det som kan kalles anvendelsesorientert grunnforskning. Det vil si at veien mellom grunnforskningen og anvendelsen av kunnskapen er relativt kort. Vi forsker på ting som er relatert til det å lage komponenter av forskjellig slag. Vår oppgave er å forstå fysikken bak det å framstille disse komponentene, forteller fysikkprofessor Terje G. Finstad.

Integrerte kretser

I dag har flere deler av transistorer en størrelse på noen nanometer. For å utvikle stadig mindre komponenter innen datateknologien, må forskerne skaffe seg kunnskap om hva som skjer på atomnivå, for eksempel når det gjelder signaloverføring. Da foregår teoriarbeidet og undersøkelsene ikke lenger etter den klassiske fysikkens lover, men i henhold til kvantefysikken.

Et viktig felt er såkalte halvledere, som er strømførende materialer man kan kontrollere og variere ledningsevnen til. Slike halvlederkomponenter brukes blant annet til sensorer og kan transportere elektrisitet med lite energitap. Det mest sentrale materialet som Finstad og kollegene arbeider med, er silisium, som er basismaterialet til all elektronikk i dag.

– Gjennom mikroteknologien forsøker vi å ”lære” silisium til å gjøre forskjellige ting. Slik kan vi kontrollere hvordan silisium oppfører seg. Dette kan bidra til å utvikle en ny generasjon nanoelektronikk, sier Finstad.

Et spesielt prosjekt går ut på å utvikle lysende silisium for blant annet å kunne overføre signaler med lysets hastighet.

– Moores lov sier at integrerte kretser vil få dobbelt så stor kapasitet hvert andre år. I dag er mye av denne teknologien basert på silisium, men på et eller annet tidspunkt møter vi en naturlig grense for hvor mye mindre komponentene kan bli. Da gjelder det å finne nye materialer og nye måter å kontrollere materialene på, sier fysikkprofessor Bengt Gunnar Svensson.

Mikroteknologibygningen i Gaustadbekkdalen

PROBLEMBYGG: Den nye mikroteknologibygningen i Gaustadbekkdalen skal etter planen bli et av Europas mest avanserte laboratorier i sitt slag. Men problemer med vibrasjoner i bygningen gjør at SINTEFs og UiOs forskere ennå ikke har kunnet flytte inn i lokalene. Foto : Ståle Skogstad (©)

Avansert nybygg

I Gaustadbekkdalen mellom Blindern og det nye Rikshospitalet står nå et nyoppført bygg som etter hvert skal bli et av Europas mest avanserte mikroteknologiske laboratorier. Her skal SINTEFs og Universitetet i Oslos fremste miljøer innen denne forskningen arbeide. Det avanserte bygget skulle vært tatt i bruk ved juletider i fjor. Men det høyteknologiske utstyret krever fullstendig vibrasjonsfrie lokaler, og ennå er det vibrasjoner i bygningen. Innflyttingen er derfor utsatt på ubestemt tid i påvente av utbedring.

Blant annet skal forskerne kunne drive elektronstrålelitografi med et instrument som skriver ekstremt tynne linjer. Punktoppløsningen til dette apparatet er 1,5 nanometer. Ikke minst på grunn av slikt presisjonsutstyr er det helt nødvendig at bygget som brukes, er fullstendig vibrasjonsfritt.

Det nye mikroteknologibygget i Gaustadbekkdalen er eneste i sitt slag i Norge og har meget avanserte renerom. I disse laboratoriene skal det ikke være mer enn ti partikler per kubikkmeter luft. Avansert renseutstyr sørger for renheten, og forskerne må gå gjennom sluser og ta på seg heldekkende drakter når de skal inn i laboratoriene. Hele den delen av bygningen som omfatter renerommene, er bygd på pilarer som står på grunnfjellet 30 meter under bakkenivå. På toppen av disse pålene er det luftputer som skal sørge for at renerommene ikke vibrerer.

Tverrfaglighet

Terje G. Finstad (t.v.) og Bengt G. Svensson

MIKROFORSKERE: Fysikkprofessorene Terje G. Finstad (t.v.) og Bengt G. Svensson. Foto: Grethe Tidemann (©)

Det nye mikroteknologilaboratoriet skal deles mellom Universitetet i Oslo og SINTEF. Universitetet i Oslo vil disponere 370 kvadratmeter renerom, mens SINTEF skal ha 800 kvadratmeter. Om lag 40 UiO-forskere vil ha bygningen som sitt arbeidssted, men en lang rekke fagmiljøer vil være tilknyttet laboratoriet. De vil utgjøre en del av det som trolig blir et nytt Senter for nanoteknologi og materialvitenskap. Finstad kan blant annet fortelle at de allerede samarbeider med Rikshospitalet om utvikling av sensorer til folk som lider av såkalt vannhode. Sensorene kan plasseres inne i hodet til pasientene for å måle trykket.

Forskerne ved Universitetet i Oslo verker nå etter å flytte inn i det nye bygget som inkludert utstyr foreløpig er kalkulert til drøye 230 millioner kroner. Det er en 15 år gammel drøm som nå ser ut til å gå i oppfyllelse.

Fakta

Nanometer Er en milliondels millimeter, forkortet nm. Et hårstrå er rundt 10 000 nanometer tykt.

Nanoteknologi Handler om teknologi med meget små objekter. Objektene innen nanoteknologi har en utstrekning fra noen få nanometer til 100 nanometer.

Mikroteknologi Handler om teknologi med mikroskopisk små objekter. Nanoteknologi er inkludert i betegnelsen mikroteknologi, men hvis man vil presisere at det dreier seg om størrelser rundt en nanometer, brukes forstavelsen nano i stedet for mikro.

Funksjonelle materialer Materialer med bestemte fysikalske egenskaper - i hovedsak elektriske, optiske, magnetiske og kjemiske egenskaper - som kan utnyttes til et mylder av ulike formål. Funksjonelle materialer er spesialdesignet av mennesker, ofte helt ned til atomnivå.

FUNMAT Forkortelse for nasjonalt konsortium for satsing på funksjonelle materialer og nanoteknologi. Deltakere er sentrale naturvitenskapelige og teknologiske institusjoner i Norge: Universitetet i Oslo, NTNU, SINTEF og Institutt for energiteknikk (IFE).

Halvledere En type materialer med spesielle egenskaper. Kan på forskjellige måter variere materialets evne til å lede elektrisitet. Komponentene i mikroelektronikk er vanligvis laget i halvledermateriale. Det mest brukte halvledermaterialet er silisium.

Superledere En type materiale som kan lede elektrisitet uten tap av energi. Dette forutsetter sterk nedkjøling av materialet. Under normalt trykk er den høyeste temperatur som er oppnådd ved en superleder – 140 grader celcius.

Kvantefysikk Mens klassisk fysikk opererer med Newtons lover, er kvantefysikken den teorien man bruker for å studere og forstå naturen på atomnivå. Kvantefysikkens pionerer er Max Planck, Niels Bohr og Albert Einstein.

Emneord: Teknologi, Elektrotekniske fag, Elektronikk, Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Atomfysikk, molekylfysikk, plasmafysikk, Bioteknologi, Nanoteknologi Av Johannes W. Løvhaug
Publisert 1. feb. 2012 12:05
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

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