Designer fremtidens materialer atom for atom

Ved å endre på atomsammensetningen kan forskerne designe materialer med helt nye og ukjente egenskaper. Det kan revolusjonere alt fra energiproduksjon til medisinsk behandling.

NANO: Nanopartikler er opptil 100 nanometer store. Et hårstrå er hundre ganger bredere.

• Nanoteknologi gjør det mulig å designe materialer med helt nye og ukjente egenskaper.

• Nanoteknologi blir viktig for fremtidens medisinske behandling og for miljøvennlige biler, fornybar energi, energieffektive boliger og moderne datamaskiner.

• Spesialet til Universitetet i Oslo er solceller, tynnfilm-teknologi, batteri-teknologi, superledere og sensorer. Illustrasjon: Hanne Utigard

Med nanoteknologi kan atomer og molekyler settes sammen til helt nye materialer. Det kan endre hverdagen din.

Takket være den nye teknologien blir det mulig for legene å undersøke deg fra innsiden. Nanoroboter vil kunne operere skader inne i kroppen din, og nanopartikler skal kunne levere medisiner til de cellene som trenger det.

Teknologien blir også viktig for hydrogenbiler, fornybar energi, energieffektive boliger og i moderne datamaskiner.

Allerede i dag bruker man nanopartikler i solkrem, i medisinske kontrastmidler, i billakk for å hindre riper og i tøy for at skitten skal prelle av.

Smått

Nanoteknologi kan defineres på en rekke måter. En av definisjonene er at alt under 100 nanometer er nanovitenskap.
Hundre nanometer er så lite som en titusendels millimeter. Et hårstrå er hundre ganger bredere.

– Det rare er at når man binder sammen partikler på nanonivå, så endrer egenskapene seg og det oppstår uventete fenomener. Det gjelder både mekanisk styrke, evnen til å lede varme, de elektriske, magnetiske og optiske egenskapene og evnen til å aksellerere kjemiske reaksjoner. Gjennom nanoteknologi kan man derfor oppdage nye materialer som kan føre til ny teknologi og ny økonomi, påpeker professor Helmer Fjellvåg på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Universitetet i Oslo.

Mye av utviklingen skjer i grenseflaten mellom nano- og materialvitenskap, der man kombinerer nanomaterialer med andre materialer.

Uventet

Egenskapene til nanomaterialer kan ikke forklares med de vanlige fysiske lovene som styrer verden rundt oss. Egenskapene må forklares med kvantemekanikk. Når ting blir veldig små, vil en svært stor andel av atomene være på overflaten. Da forholder elektronene seg til hverandre på en annen måte. Noen av egenskapene oppstår når nanopartiklenes overflater kommer så nær hverandre at egenskapene blir dominert av forholdet mellom dem.

Nanoteknologiske materialer og komponenter kan bygges opp ved å sette sammen små deler til større komponenter på en kontrollert måte. Da følger man kjemikernes syntesetilnærming. Materialene kan også fremstilles ved å forminske. Da følger man fysikernes tradisjonelle tilnærming til miniatyrisering.

– Nanoteknologien kan defineres som møtepunktet der kjemien bygger opp noe på en kontrollert måte og der fysikken reduserer størrelsen på komponentene sine, forteller professor Truls Norby ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi på Universitetet i Oslo.

Det er nettopp i denne størrelsesorden at de biologiske molekylene i menneskekroppen har funksjonene sine.

– Nanoteknologi kan derfor, etter hvert, smelte sammen med bioteknologi og medisin, sier Norby.

– Ved hjelp av nanoteknologi blir det mulig å designe strukturer som kan binde spesielle celler, proteiner og aminosyrer, for å sette i gang nye reaksjoner i cellen.

Norby mener bionanoteknologi vil bygge bro mellom biologi, medisin, kjemi og fysikk og kunne gi revolusjonerende resultater innen medisinsk behandling og farmakologi.

Med nanoteknologi kan man også forme enkelte molekylstrukturer, atom for atom, på en kontrollert måte. Slikt er ikke mulig i tradisjonell kjemi. Når kjemikerne produserer syntetiske stoffer, kan de ikke være sikre på at hvert enkelt molekyl er riktig. De kan bare gi en statistisk beskrivelse av de syntetiske molekylene.

Kvantedatamaskin

Nanoteknologien vil også endre dataindustrien.

– Vi stiller stadig større krav til raskere datamaskiner og bedre lagringskapasitet. Vi må bygge komponenter som har større ytelse enn i dag. Dette er basert på gjennombrudd i materialteknologi. Da må vi forstå hvordan materialer blir oppbygd på atomnivå i hverdagselektronikken, sier Truls Norby.

Han taler varmt for kvantedatamaskinen. Da gjelder det å lage så små transistorer som mulig. Fysikerne har klart å lage transistorer som fungerer med ett elektron om gangen.

Atombryter

Truls Norby hadde for noen år siden ideen til hvordan man kunne lage denne transistoren kjemisk, men japanerne tok innersvingen. De har nå laget en atombryter. Man legger sølvsulfid mellom en sølvtrådleder og en platinaleder. Når strømmen slås på, vil ett og ett sølvsulfidmolekyl endres til sølv- og svovelatomer. Da bygges det en spiss av sølvatomer gjennom sølvsulfidlaget og opp til platinalederen. Når det siste atomet legges på, ledes strøm hele veien. Da kan man slå av og på strømmen ved å slå av og på det siste atomet.

– Det gjør det mulig å slå strømmen av og på en million ganger i sekundet. Det betyr at man bare trenger en ladning på ett elektron for å skru bryteren av eller på. Det er en milliondel ganger mindre enn en vanlig transistor bruker.

Truls Norby er i fistel:

– Det er morsomt at elektrokjemikere kanskje kan lage enda mer energieffektive IT-systemer enn fysikere. I 2025 kan dette bli en vanlig del av IT-teknologien. Det betyr at fremtidens datamaskiner kan bruke mye mindre strøm. Da trengs det også langt mindre kjøling.

Etteraper naturlig magnet

Norges geologiske undersøkelser (NGU) forsker på helt spesielle magnetiske nanomaterialer. I visse bergarter fins det noen sterke magnetiske anomalier, som ikke kan forklares på enkelt vis. Naturen har brukt hundrevis av millioner år for å utvikle disse spesielle mineralene, som gir opphav til uvanlig magnetisme. Universitetet i Oslo skal nå, i samarbeid med NGU, gjenskape disse mineralene kunstig med nanotynne filmer. Én idé er å bruke disse materialene til å lese magnetisk lagret informasjon.

– Dette er avansert nanoteknologi, bygd på atomnivå, forteller Helmer Fjellvåg.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Kjemi, Fysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:43
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

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