nanovitenskap

Nanopartikler av aluminiumoksid

Jean de La Verpilliere / Department of Engineering at Cambridge University. CC BY NC ND 2.0

Nanovitenskap er studiet av svært små partikler og strukturer, med utstrekning på noen nanometer (milliarddels meter), som på grunn av størrelsen har spesielle egenskaper. Videre handler nanovitenskap om spesielle fenomener som forekommer på denne størrelsesskalaen. Nanovitenskap danner grunnlag for nanoteknologi.

En vanlig avgrensning av forskningsfeltet nanovitenskap er til objekter og fenomener på størrelsesskalaen fra 0,1 til 100 nanometer. 

Nano er en vitenskapelig forstavelse som betyr en milliarddel, slik at en nanometer (nm) er en milliarddel av en meter. Til sammenligning er hydrogenatomets radius cirka 0,1 nm mens et vanlig hårstrå har en radius på rundt 40 000 nm.

Nanoskalaen strekker seg fra én til 100 nm. En struktur eller et objekt på nanoskala har minst én dimensjon innenfor nanoskalaen. For eksempel kan en svært tynn film eller hinne ha én dimensjon (tykkelsen) innenfor nanoskalaen selv om utstrekningen (arealet) er betydelig større. 

Det er imidlertid vanlig å også medregne objekter ned mot 0,1 nm, for eksempel innenfor atommanipuleringer. Nanoskalaen omfatter dermed størrelsesskalaen til atomer, molekyler og makromolekyler (store molekyler). I noen tilfeller defineres større strukturer opp mot 1000 nm også som nanostrukturer. Et eksempel på dette er nanopartikler i størrelse på opp til 300 nm, som kan ha spesielle egenskaper.

Det er vanlig å skille mellom kunstige nanopartikler (engineered nanoparticles) og naturlige nanopartikler (natural nanoparticles). Nanoteknologi omfatter ikke naturlige nanopartikler eller naturlige nanostrukturer i seg selv, men kun den menneskelige utnyttelsen av disse.

Nanopartikler finnes for eksempel naturlig i støvet fra vulkanaske. Alle levende organismer er bygd opp av nanostrukturer, og flere organismer benytter slike for å få sine karakteristiske egenskaper. Edderkopptrådens usedvanlige styrke og sommerfuglens farge er resultater av spesielle egenskaper som nanostrukturer har.

Det er verdt å merke seg at ulike institusjoner arbeider med ulike definisjoner av nanoteknologi, men hovedtrekkene er som regel like de gitt i definisjonen over. Skillet mellom nanoteknologi og nanovitenskap er uskarpt, og ordene forveksles og brukes ofte om hverandre. Nanoteknologi og nanovitenskap er ikke egne fagområder som fysikk, kjemi og biologi. De er tverrfaglige og benytter elementer fra mange naturvitenskapelige fagområder samtidig. Derfor er det vanskelig å finne et klart skille mellom de ulike fagområdene på nanoskala.

De spesielle fenomenene og egenskapene på nanoskala kan være et resultat av flere ulike effekter som gjør seg gjeldende i forskjellige tilfeller. De kan, men må ikke, opptre samtidig. Effektene kan samles i tre hovedgrupper: størrelseseffekter, overflateeffekter og kvantemekaniske effekter.  

Størrelseseffektene er de effektene som oppstår på grunn av objektenes størrelse. På nanoskala er det andre krefter og egenskaper som dominerer enn på den størrelsesskalaen vi observerer direkte med øynene uten hjelp av instrumenter som mikroskop. Krefter og egenskaper som avhenger av massen til et objekt har i mange tilfeller svært liten betydning på nanoskala. For eksempel er gravitasjonskrefter neglisjerbare for nanostrukturer, mens friksjon, termisk energi og elektromagnetiske krefter er langt viktigere. Årsaken er at forholdet mellom effekter som er avhengige av massen til et objekt og effekter som er avhengige av størrelsen til et objekt, forandrer seg når objektet blir lite. Dette gir opphav til størrelseseffekter man observerer for nanodimensjonerte strukturer. Det er altså ikke de fysiske lovene, men hvor stor betydning de ulike kreftene har, som forandres.

Et klart eksempel på at liten størrelse kan gi store fordeler finnes i elektronikkbransjen. Størrelsesreduksjonen av elektriske komponenter de siste femti årene har ført til mangfoldige ganger raskere datamaskiner. Dette følger blant annet av at flere komponenter kan få plass på samme område enn det som før var mulig.

Nanodimensjonerte objekter har et særdeles stort overflateareal i forhold til volum, og dermed en veldig høy andel overflateatomer, sammenlignet med objekter på større skala. Overflateatomer har høyere energi, fordi de har færre naboatomer enn atomer på innsiden av objektet. Dette fører til at overflateatomene ofte er mer reaktive enn innsideatomene og kan i mange tilfeller sterkt påvirke egenskapene til materialet. Dette kan skape spesielle overflateeffekter på nanoskala.

Dersom man bruker nanopartikler behøves det altså langt mindre materiale for å oppnå samme overflateareal. Dette er viktig og utnyttes for eksempel i katalyse, der reaksjoner skjer på overflaten av et materiale. Bruk av nanostrukturer innenfor katalyse, gjør at man kan klare seg med langt mindre materiale enn ved bruk av materialer med annen struktur. Hvis man for eksempel har en kube med sider på en centimeter, har kuben et overflateareal på seks kvadratcentimeter. Dersom man deler denne kuben opp i mindre kuber med sider på en nanometer blir overflatearealet 60 millioner kvadratcentimeter, og dette er større enn arealet til en fotballbane.

På atomær lengdeskala, vil objekter ofte vise egenskaper som ikke lar seg beskrive av klassisk fysikk. Da må kvantemekanikk brukes for å kunne beskrive visse egenskaper ved materialene. Grensen for hvor kvantemekaniske effekter opptrer varierer imidlertid mellom ulike materialer.

Årsaken til at objekter ikke lenger oppfører seg som forutsett av klassisk fysikk, er at kvantemekanikken sier at visse fysiske størrelser, som energi og dreieimpuls, bare endrer seg i bestemte mengder, eller kvanta. Derfor fungerer ikke den klassiske tilnærmingen, hvor man behandler disse størrelsene som kontinuerlige. Et annet viktig prinsipp er at visse fysiske størrelser ikke har en målbar eksakt verdi. Dette er en konsekvens av usikkerhetsprinsippet.

Et av fenomenene som kun opptrer for objekter på nanoskala er kvantetunnelering. Kvantetunnelering er et fenomen hvor partikler, for eksempel elektroner, kan bevege seg gjennom en barriere som de egentlig ikke har tilstrekkelig energi til å passere gjennom. Tunneleringsfenomenet utnyttes særlig i mikroskopi, hvor elektrontunneleringsmikroskopet er det mest kjente eksempelet.

 

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.