nanoteknologi

Den amerikanske fysikeren Richard Feynman trakk allerede i 1959 opp visjoner for fremstilling av elektroniske kretser og maskiner på molekylær og atomær skala. Dette ble utdypet av dr. Eric Drexler i 1980-årene. Nanoteknologi ble først definert av den japanske professoren Norio Taniguchi i 1974. Imidlertid ble nanoteknologi som satsingsfelt virkelig satt på dagsorden gjennom president Clintons nanoinitiativ i 2000. I de etterfølgende år har de fleste industrialiserte land utviklet en strategi for området, til dels ledsaget av fremtidsanalyser. Det er ett av de raskest voksende forskningsfelt, i 2004 anslått internasjonalt til mer enn 40 milliarder NOK. I Norge støttes det meste av nanoteknologiforskningen gjennom programmet NANOMAT, som i perioden 2007–2011 har et budsjett på 355 MNOK.

Teknologiutviklingen har lenge vært basert på kjemiske molekyler og enheter på nm-nivå, for eksempel innen katalyse, molekylærbiologi, polymer- og overflateteknologi, samt materialfremstilling. Nanoteknologien ønsker bevisst å få frem, studere og benytte de nye egenskapene som oppstår for et materiale (komponent) når dets størrelse blir tilstrekkelig liten. En rekke vitenskapelige oppdagelser og oppfinnelser har bidratt til teknologiens identitet og innhold; DNA-molekylet (Nobelprisen i kjemi 1962), «scanning probe»-mikroskopi for avbildning og forflytning av enkeltatomer (Nobelprisen i kjemi 1986), C ₆₀ -molekylet og fremstilling av karbon nanorør (Nobelprisen i kjemi 1996), halvleder heterostrukturer (Herbert Kroemer, Nobelprisen i fysikk 2000) og mer kompakte harddisker (Nobelprisen i fysikk 2007).

Største utfordring er å fremdyrke og forstå egenskaper og fenomener som følger av romlig begrensning av nano-objekter til lengdeskalaer som er mindre enn de som gjelder for konvensjonelle, makroskopiske systemer. Dette er tema i blant annet mesoskopisk fysikk. Når objekter blir tilstrekkelig små, må man beskrive deres egenskaper med kvantemekanikk. Av spesiell interesse er magnetiske og elektriske egenskaper. Et annet fokus er nye fenomener som kan oppstå når ulike materialer stilles systematisk sammen på nm-nivå. Et tredje punkt er organisering av nano-objekter i spesielle arkitekturer, som kan gi nye egenskaper det ikke finnes analoge til i den atomære eller makroskopiske verden. Dette stiller store krav til å fremstille og manipulere atomer og enheter på nm-nivå, og forutsetter ofte kostbart utstyr og støvfrie laboratorier.

Konvensjonell mikroelektronisk nedskaleringsfilosofi erstattes således av en «bygg-opp-fra bunnen (bottom-up)»-filosofi, det vil si oppbygging av nye strukturer på basis av de minste byggesteiner. Spennvidden er meget stor. Man fremstiller for eksempel nanorør (av karbon med mer), nanopartikler og -tråder, selvorganiserte overflater, tynne filmer og hydridsystemer (uorganisk-organisk-biologisk).

Naturlige og fremstilte nanopartikler og -materialer påvirker og omgir oss i hverdagen. Eksempler er kvikkleires flytegenskaper, sements herdingsprosess, lettmetallers styrke og luftforurensinger. Fordi nanopartikler er ørsmå, har de et høyt overflateareal i forhold til volum (og masse). aerosoler og det fineste svevestøv er i denne kategorien. Det store arealet kan påvirke stabilitetsforhold og gi overflateaktive og reaktive objekter. Forbedrede mekaniske egenskaper oppstår ved at linjedefekter ikke lenger opptrer. Empirisk utviklede prosedyrer for herding av legeringer gir nettopp utfelling av nanopartikler på grenseflatene og dermed økt styrke. Nanopartikler benyttes blant annet for å gi mekanisk styrke, korrosjonsbeskyttelse, modifiserte egenskaper for polymerer og kompositter. Nanolakk for biler vil for eksempel kunne ha større styrke og gi bedre korrosjonsbeskyttelse enn tradisjonell billakk. Også nano- (mikro-) strukturerte tekstiler foreligger, med fibrer, strukturer eller overflate som kan være vannavstøtende, flekkfrie, meget elastiske og/eller sterke.

Ny oppførsel kan observeres for magnetiske og ferroelektriske objekter med utstrekning mindre enn domenestørrelsen, tilsvarende for superledere under koherenslengden. Små, 1–10 nm store magnetiske partikler, fremviser superparamagnetisme uten remanens og skiller seg dermed fra konvensjonelle ferromagneter. Dette utnytter man i fremstillingen av magnetiske kontrastmidler til medisinske MR-undersøkelser, til partikler som kan benyttes i kreftterapi osv. Norsk næringsliv er involvert i slik forskning og produkter. Et illustrativt fenomen er kjempemagnetoresistans, det vil si endret elektrisk motstand på grunn av spinn-avhengig spredning av elektroner. Dette muliggjør ultrafølsomme sensorer for magnetfelter, blant annet i lesehoder for magnetisk lagret informasjon (datalagring). Fenomenet oppstår fra nanometertykke multilag av ulike metaller som stilles sammen på nm-nivå. Karbon-nanorør har ekstrem mekanisk styrke som følge av en defektfri atomær oppbygging og kan benyttes til mekanisk forsterkning av konstruksjonsmaterialer.

Teknologien omfatter også maskiner bygd opp av enkeltatomer. Ved konstruksjon av slike maskiner er det to områder man konsentrer seg om: posisjonskontroll (nøyaktig plassering av atomer) og reproduserbarhet. Byggestrukturene må være nøyaktig beskrevet etter fysikkens og kjemiens lover ned til hvert enkelt atom.

Nanoteknologi befinner seg enda på et tidlig stadium. Et stort industrielt potensial foreligger i et 10–30 års perspektiv. National Science Foundation (USA) anslo i 2003 et marked for produkter på hele 6700 milliarder NOK innen 2015. Undersøkelser foretatt av EU viser størst forventet påvirkning på feltene kjemi og materialer, bioteknologi, IKT, helse og medisin, sikkerhet og forsvar og energi. Dette gir rom for både banebrytende forskning og teknologiutvikling, men det maner samtidig til evaluering av mulige usikkerheter knyttet til en slik kraftfull fremtidsteknologi. I et lengre perspektiv forventes at nano-, bio-, IT- og kognitive teknologier vil kunne smelte sammen i konvergerende teknologier. Dermed er det kontinuerlig behov for diskusjoner og vurderinger av etiske aspekter og potensielle ringvirkninger for helse, miljø og samfunn.

Tilgjengelighet og kjennskap til egnede materialløsninger begrenser i dag utviklingen på en rekke teknologiske områder. Her bringer nanoteknologien nye muligheter: Det som i dag har preg av science fiction, kan bli morgendagens teknologi. Innen mikroelektronikk og dataindustri brukes nanoteknologi i dag til å muliggjøre ytterligere miniatyrisering (Moores lov), økt regnekraft, mindre sensorer og mer kompakt datalagring. Industrien har fremtidsvisjoner om superraske kvantedatamaskiner og ulike typer alternativ datalagring. Innen farmasi og medisin brukes nanoteknologi i utvikling av nanopartikkelbaserte systemer for levering av medisiner til spesifikke organer/vev i kroppen – ofte litt upresist illustrert som små roboter på ferd gjennom blodårer. Integrasjon av nano- og mikroteknologi vil kunne gi «smarte» tekstiler, det vil si tekstiler som inneholder elektronikk, mikrosystemer og andre funksjoner som for eksempel fargeendring eller displays. Nanoteknologi vil også kunne bringe løsninger til verdens store energiutfordringer ved å muliggjøre mer effektive solceller, batterier, brenselceller, ultra- eller superkondensatorer med mer, og har dermed potensial for paradigmeskifter innen mange disipliner.

I Oslo er MiNa-laboratoriet for mikro- og nanoteknologi og Senter for materialvitenskap og nanoteknologi etablert. I Trondheim ble NTNU Nanolab etablert i mai 2004.

• nanovitenskap
• nanoteknologi (Store medisinske leksikon)